为什么科学家那么热衷“大统一理论”？

作者｜欧文·夏皮罗（Irwin Shapiro）

哈佛大学教授，美国国家科学院院士，美国人文与科学院院士。1983年至2004年任哈佛大学哈佛-史密森天体物理中心主任。3832号小行星就是以作者的名字命名。

我们为什么要关注“科学统一”？

多数人不大会在日常生活中思考科学。不过停下来想一想，我们马上就会意识到，我们的生活方式就是以科学为核心的。我们离不开的设备几乎都是以科学为基础的，从早晨唤醒我们的闹钟，到为我们按摩牙龈的电动牙刷，以及为我们加热早餐贝果的烤面包机；从让我们能够使用电子邮件的计算机和互联网，到装有数不清的应用程序、让我们无比依赖的智能手机，再到时下装有车载计算机、为许多人的日常出行提供主要支持的汽车，等等等等……你懂的。

点击封面查看

《哈佛大学科学通识课：探索宇宙、地球与生命》

[美] 欧文·夏皮罗 著

张憬 译

人民邮电出版社

2025年4月

在本书中，我打算辅以历史，以一种清晰连贯的方式，非常宽泛地谈一谈科学。我将要讨论许多话题，包括暗物质和暗能量的世界中那些惊人的存在、古往今来地球上最大的生物（蜥脚类恐龙），以及分子生物学在黑死病研究中的应用。我写书的目的有没有达成，要由你来决定。

我想要传达的一个基本信息是，提出有探究性的好问题，在可行的情况下触及根本，这对科学的进步是至关重要的。我将在书中随时提出问题，但绝不是所有的问题都能被称为“触及根本”的问题。

在进入本书的主题之前，我要先从哲学的角度做一个概述，也要讲讲我心目中“科学统一”的多重含义。不过，让我们先给“科学”下个定义吧，这对本书有实际意义。从本质上讲，科学关注的是自然的行为，也就是所谓的自然界怎样运转，以及我们怎样对这种行为建模。

说得更具体也更简单一点，我们可以把科学（工作）分为两部分：首先，我们观测自然，戳戳这里，捅捅那里，以确定它的行为；接下来，我们开动脑筋建立模型，以精简的形式捕捉这种行为，并准确预测尚未观测到的现象。

这种分隔方法看上去明智又简洁：一边是自然的行为，另一边是人类通过建模理解这种行为。这番图景有什么问题吗？有的，问题就出在我们自己身上。人类既占据了中心，又掌握了两端。

事实上，借助感官观测自然的行为的是我们的大脑，对自然的行为建模的也是我们的大脑。我们无法将自己从这个闭环中抽离出来。而我们还十分渴望更加了解自己的大脑是怎样工作的！

还有一个微妙之处：现如今的多数观测和实验还远远谈不上针对自然的行为做出严格的判断。它们更像是一种错综复杂的混合体，结合了观测和推论，后者往往来自我们手头非常成熟的自然的行为模型。这种结合对所有观测和 / 或实验都是必要的。

毕竟，就连识别尺子上的刻度都离不开模型。在某些观测和实验中，这种结合相对好理解一些。想想这个例子，位于瑞士和法国边境的大型强子对撞机发现了一种粒子——这台对撞机位于地下，横跨两国边境！起初，人们只确定了这种粒子的一个属性，就是质量。从质量值所在的范围来看，它应该是希格斯玻色子（听上去就像“白鼻子”）。

这项实验涉及的观测和模型有着极为复杂、交缠烦琐的关系，但没有人质疑的是，这是关乎自然本质属性的一项发现（好吧，那种质疑一切、拿尖酸刻薄当事业的人也是时常存在的）。

为什么呢？部分原因在于，用于分析实验的模型相当可靠地建立在以往的经验之上。更主要的原因是，两个独立的团队通过各自的探测设备获得了相同的结果，不确定度也在估计范围内。

尽管“观测 - 建模”的分隔方法有它的内在问题，我依然认为从这两个方面看待科学很有帮助。换句话说，我们把科学分为两部分：证据和推理。证据包括自然的行为方式，推理关乎我们对这种行为的建模。

这样一来，我们就可以说出自然是怎样运转的了，但我们能说出这背后的原因吗？换个讲法，通过适当的观测，我们可以描述自然的行为方式，但我们能说出自然为什么像我们观测到的那样运转吗？我们也许可以掌握这样一个模型，它能针对一类观测到的现象恰当地描述自然的行为，但我们不能说这个模型就是自然存在这种行为的原因。

至于为什么，举个例子，上述模型不一定是唯一的。另外，也没有已知的方法可以证明一个模型描述自然行为的功能具有唯一性。从这个意义上讲，我们无法解答这一类疑问。不过，我们可以探索其他类型的问题。我们可以问一问抛出的皮球为什么会按照特定的路径运动，从抛体运动模型入手就能找到一个令人满意的答案。

但是，这也不算是探究了自然为什么有这种行为。事实上，这只是在以另一种方式叙述或者描述自然确实有这种行为。最终，我们能确定的只是手头的模型在已有的测试中是有效的（或者是无效的，需要被更好的模型所取代）。

科学统一

本书所探讨的“科学统一”有什么含义呢？让我们选取几个方面，稍作解释。

1. 我们所观测的世界（如果喜欢更正式的说法，你可以把“世界”换成“宇宙”）只有一个。我们将科学划分为不同的学科，是为了集中精力，有成效地探索世界，也就是理解自然的行为。但我们不应该忘记，这个世界的各个部分在某种程度上相互关联和影响，因而是统一的整体。

2. 所谓的“科学方法”是所有学科共有的，每一个科学门类都在使用。可以这样理解：当我们借助逻辑思维，通过观测和 / 或实验来确定自然的行为，并且建立具有预测功能的模型时，我们使用的就是科学方法（从网络或者其他渠道查一查更清晰、更广泛的定义吧，以上是简略的一家之言）。

3. 单一学科分支或科学领域内发生的现象会对别的分支或领域产生重大影响，这种影响常常是相互的。举个例子，想想大气中氧气含量的变化。20 多亿年前，大气含氧量曾激增，这被认为是生物过程引发的结果。而这种激增又通过自然环境左右了生物的进一步演化，直到人类出现，大气科学当然也受到了影响。

4. 多学科综合的方法对解决科学问题至关重要。举个例子，哺乳动物（比如北极熊和鲸）的演化史就是由古生物学、个体发生学（胚胎发育）和分子生物学共同揭示的。

5. 单一科学领域有了新发现、开发出了新工具，其他科学领域也会进步。本书会介绍许多这样的故事，这里仅举一例：放射现象。这一现象被物理学家发现之后，又被地球科学家用于确定地球的年龄。

6. 时常有科学家在一个科学领域接受训练，却进入另一个科学领域工作。例如，在 20 世纪后半叶，有许多物理学家转而成为天文学家，而在 21 世纪，又有许多化学家转向分子生物学方向，同行的还有物理学家和数学家 / 统计学家。

这几个不同的方面，尤其是中间两个（第 3 条和第 4 条），存在一定程度的重叠。不过，它们也有一些细微的差异，做一做区分还是有用的，可以让我们更全面也更充分地理解科学统一。

模型

自然行为的模型必须能够准确预测还没有观测到的相关现象，不然就谈不上有用。如果模型只能预测已经观测到的现象，我们就没法通过它增加对自然的了解，也不能借机更好地驾驭自然。当然，每一个模型都要不断地接受自然的检验，一个模型一旦被发现不合格，我们就要找到更好用的模型来代替它。后续章节会讨论相关的例子。

如果有两个或更多模型都能较好地预测现象，我们该怎样选择呢？在实践中，这种情况就算不是绝无仅有，也谈不上常见。不过即便遇到了，我们也有经过充分讨论的方法可以拿来应对。大多数科学家和哲学家（不，我没有做过调查，这只是我从个人经验中总结出的印象）会遵循某种形式的奥卡姆剃刀原理，在相互竞争的多个模型中选择最简单的那个。

当然，“最简单”的定义多少取决于主观视角，没有人人都认可的标准。再聊下去，本书就要从真正的科学读物变成酒桌上的哲学话题手册了，不如就此打住。

最后，来说说科学家用于描述模型的语言：首先，不用抠字眼、抓错漏。在生活中使用这些字词也许会让你产生一些淳朴的印象，但当被科学家用于描述模型时，它们往往会脱离常见的意思。想想这几个词：原理、定律、法则、理论、假设、推测和猜想。

你可能认为这些词大概是按可靠性递减来排列的，因为你会想到，一个被称为定律的模型必然是不可推翻的，相比之下，被称为猜想的模型有更大的可能性是错的。这种设想是合理的，但谈不上多么可靠。我们将看到一个现如今被认为很典型的例子，有一个关乎行星间距离的定律存在问题。

后面我们还会谈到一个理论，它准确预测了比相关定律多得多的自然现象。换句话说，在这个关于万有引力的例子中，理论成了更棒的模型，比定律更好地呈现了自然的行为！

自然的行为：两个例子

现在，让我们通过两个具体的例子稍微深入地聊一聊。先看第一个例子，我把一把叉子放在右手拇指上（图 I - 1），如果我把拇指移开，会发生什么？就算偶有例外，大多数成年人会回答：“叉子会掉在地上。”如果我这个时候问“为什么？”，大多数受过教育的成年人会回答“因为有重力”。物品脱离了我的掌控，就会这样掉下去。叉子会掉在地上，因为这就是自然的行为。

无论我们有没有针对这种行为建立模型，无论我们怎么称呼它，它都会出现。在这里，我们指出了一个也许十分细微却关乎根本的区别，这也是本书基本不讨论“为什么？”的根本理由。至少到目前为止，“终极原因”还是科学触及不到的领域。

相关的提议没法接受检验（或者说不可证伪），因而不被大多数科学家认为是科学（我也没有在这个问题上做过调查……）。当然，总会有通常颇为罕见的少数人持不同意见。

图I-1　作者把一把叉子放在右手拇指上，随后他会移开叉子下的拇指。图片来自作者

再看第二个例子，我的一只手拿着一个高尔夫球，另一只手拿着一个垒球，两者离地面的高度相同。我几乎在同一时刻放开这两个球，接下来会发生什么？和叉子一样，两个球都掉了下来。但神奇的是，它们同时落地——它们似乎有着相同的下落速率。这也是自然的行为。我们将看到这样的结果是怎样出现的，或者说是怎样被纳入我们的模型中的。

关于自然的行为，请把这些基本的理解装入头脑、融入观念，接下来我们将研究一个相关的主题。

自然和科学特征的一致性

人们普遍认为，自然的行为是可以重复的。我移开叉子下的拇指，叉子就会掉落。我松开双手，两个球就以同样的速率掉落。如果我，或者其他任何人，重复这两个动作中的一个或全部，也会出现同样的结果。这种可重复性无法证明，我们只是凭经验看出了这一点。要是这种可重复性不存在呢？想想世界会变成什么奇怪的样子！

自然的行为确实是可重复的，这个事实真的很了不起，正因如此，我们才有望解读各种现象。说真的，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）还有一个不太著名但着实深刻的观点：自然最不可理解的地方恰恰在于它是可以被理解的。

也就是说，人类可以制作出相对简单的模型，从中得出的预测结果完全符合自然的行为，而且似乎可以无限重复。以 20 世纪物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）为代表，其他人也曾指出，数学方程竟然能够准确描述自然的行为，这并不合理。

在他们的指点下，我们更清楚地看到了其中的异常。自然是非常微妙和复杂的，所以在许多科学家看来，相对简单的数学能如此有效地预测自然的行为，这是相当了不起的。

这种可重复性暗含自然行为的方方面面，我们可以重复、重复、再重复，就像不停地拿起和放开叉子。在这里，我们仅讨论大尺寸的宏观对象；小尺寸的微观对象也是存在的，它们有特殊的“量子”行为，我们在此不做深入探讨。如果连这部分也一并探讨，我们就会发现，我们目前所了解的自然真是太奇怪了！

还有一个重要的例外，科学有时也会涉及不可重复的情况，一次都不行，多次就更别提了。至少现在还不行。这里要说的是宏观大事件。随便选几个例子：地球的形成、生命的起源，以及 10 亿年前的金星气候变化。对于这类事件，我们可以建立和（通常格外有限的）自身知识相符的模型。但我们现在还不能进行细致的比较，也不能通过重复事件来进行检验。研究发生在遥远过去的事件时，这种问题尤其容易出现。

科学还有关乎美学的一面。比如，在科学家眼中，优秀模型的数学表达式是美妙而优雅的。这些表达式赏心悦目，但又神秘奇特！

作者｜欧文·夏皮罗（Irwin Shapiro）

哈佛大学教授，美国国家科学院院士，美国人文与科学院院士。1983年至2004年任哈佛大学哈佛-史密森天体物理中心主任。3832号小行星就是以作者的名字命名。

我们为什么要关注“科学统一”？

多数人不大会在日常生活中思考科学。不过停下来想一想，我们马上就会意识到，我们的生活方式就是以科学为核心的。我们离不开的设备几乎都是以科学为基础的，从早晨唤醒我们的闹钟，到为我们按摩牙龈的电动牙刷，以及为我们加热早餐贝果的烤面包机；从让我们能够使用电子邮件的计算机和互联网，到装有数不清的应用程序、让我们无比依赖的智能手机，再到时下装有车载计算机、为许多人的日常出行提供主要支持的汽车，等等等等……你懂的。

在本书中，我打算辅以历史，以一种清晰连贯的方式，非常宽泛地谈一谈科学。我将要讨论许多话题，包括暗物质和暗能量的世界中那些惊人的存在、古往今来地球上最大的生物（蜥脚类恐龙），以及分子生物学在黑死病研究中的应用。我写书的目的有没有达成，要由你来决定。

我想要传达的一个基本信息是，提出有探究性的好问题，在可行的情况下触及根本，这对科学的进步是至关重要的。我将在书中随时提出问题，但绝不是所有的问题都能被称为“触及根本”的问题。

在进入本书的主题之前，我要先从哲学的角度做一个概述，也要讲讲我心目中“科学统一”的多重含义。不过，让我们先给“科学”下个定义吧，这对本书有实际意义。从本质上讲，科学关注的是自然的行为，也就是所谓的自然界怎样运转，以及我们怎样对这种行为建模。

说得更具体也更简单一点，我们可以把科学（工作）分为两部分：首先，我们观测自然，戳戳这里，捅捅那里，以确定它的行为；接下来，我们开动脑筋建立模型，以精简的形式捕捉这种行为，并准确预测尚未观测到的现象。

这种分隔方法看上去明智又简洁：一边是自然的行为，另一边是人类通过建模理解这种行为。这番图景有什么问题吗？有的，问题就出在我们自己身上。人类既占据了中心，又掌握了两端。

事实上，借助感官观测自然的行为的是我们的大脑，对自然的行为建模的也是我们的大脑。我们无法将自己从这个闭环中抽离出来。而我们还十分渴望更加了解自己的大脑是怎样工作的！

还有一个微妙之处：现如今的多数观测和实验还远远谈不上针对自然的行为做出严格的判断。它们更像是一种错综复杂的混合体，结合了观测和推论，后者往往来自我们手头非常成熟的自然的行为模型。这种结合对所有观测和 / 或实验都是必要的。

毕竟，就连识别尺子上的刻度都离不开模型。在某些观测和实验中，这种结合相对好理解一些。想想这个例子，位于瑞士和法国边境的大型强子对撞机发现了一种粒子——这台对撞机位于地下，横跨两国边境！起初，人们只确定了这种粒子的一个属性，就是质量。从质量值所在的范围来看，它应该是希格斯玻色子（听上去就像“白鼻子”）。

这项实验涉及的观测和模型有着极为复杂、交缠烦琐的关系，但没有人质疑的是，这是关乎自然本质属性的一项发现（好吧，那种质疑一切、拿尖酸刻薄当事业的人也是时常存在的）。

为什么呢？部分原因在于，用于分析实验的模型相当可靠地建立在以往的经验之上。更主要的原因是，两个独立的团队通过各自的探测设备获得了相同的结果，不确定度也在估计范围内。

尽管“观测 - 建模”的分隔方法有它的内在问题，我依然认为从这两个方面看待科学很有帮助。换句话说，我们把科学分为两部分：证据和推理。证据包括自然的行为方式，推理关乎我们对这种行为的建模。

这样一来，我们就可以说出自然是怎样运转的了，但我们能说出这背后的原因吗？换个讲法，通过适当的观测，我们可以描述自然的行为方式，但我们能说出自然为什么像我们观测到的那样运转吗？我们也许可以掌握这样一个模型，它能针对一类观测到的现象恰当地描述自然的行为，但我们不能说这个模型就是自然存在这种行为的原因。

至于为什么，举个例子，上述模型不一定是唯一的。另外，也没有已知的方法可以证明一个模型描述自然行为的功能具有唯一性。从这个意义上讲，我们无法解答这一类疑问。不过，我们可以探索其他类型的问题。我们可以问一问抛出的皮球为什么会按照特定的路径运动，从抛体运动模型入手就能找到一个令人满意的答案。

但是，这也不算是探究了自然为什么有这种行为。事实上，这只是在以另一种方式叙述或者描述自然确实有这种行为。最终，我们能确定的只是手头的模型在已有的测试中是有效的（或者是无效的，需要被更好的模型所取代）。

科学统一

本书所探讨的“科学统一”有什么含义呢？让我们选取几个方面，稍作解释。

1. 我们所观测的世界（如果喜欢更正式的说法，你可以把“世界”换成“宇宙”）只有一个。我们将科学划分为不同的学科，是为了集中精力，有成效地探索世界，也就是理解自然的行为。但我们不应该忘记，这个世界的各个部分在某种程度上相互关联和影响，因而是统一的整体。

2. 所谓的“科学方法”是所有学科共有的，每一个科学门类都在使用。可以这样理解：当我们借助逻辑思维，通过观测和 / 或实验来确定自然的行为，并且建立具有预测功能的模型时，我们使用的就是科学方法（从网络或者其他渠道查一查更清晰、更广泛的定义吧，以上是简略的一家之言）。

3. 单一学科分支或科学领域内发生的现象会对别的分支或领域产生重大影响，这种影响常常是相互的。举个例子，想想大气中氧气含量的变化。20 多亿年前，大气含氧量曾激增，这被认为是生物过程引发的结果。而这种激增又通过自然环境左右了生物的进一步演化，直到人类出现，大气科学当然也受到了影响。

4. 多学科综合的方法对解决科学问题至关重要。举个例子，哺乳动物（比如北极熊和鲸）的演化史就是由古生物学、个体发生学（胚胎发育）和分子生物学共同揭示的。

5. 单一科学领域有了新发现、开发出了新工具，其他科学领域也会进步。本书会介绍许多这样的故事，这里仅举一例：放射现象。这一现象被物理学家发现之后，又被地球科学家用于确定地球的年龄。

6. 时常有科学家在一个科学领域接受训练，却进入另一个科学领域工作。例如，在 20 世纪后半叶，有许多物理学家转而成为天文学家，而在 21 世纪，又有许多化学家转向分子生物学方向，同行的还有物理学家和数学家 / 统计学家。

这几个不同的方面，尤其是中间两个（第 3 条和第 4 条），存在一定程度的重叠。不过，它们也有一些细微的差异，做一做区分还是有用的，可以让我们更全面也更充分地理解科学统一。

模型

自然行为的模型必须能够准确预测还没有观测到的相关现象，不然就谈不上有用。如果模型只能预测已经观测到的现象，我们就没法通过它增加对自然的了解，也不能借机更好地驾驭自然。当然，每一个模型都要不断地接受自然的检验，一个模型一旦被发现不合格，我们就要找到更好用的模型来代替它。后续章节会讨论相关的例子。

如果有两个或更多模型都能较好地预测现象，我们该怎样选择呢？在实践中，这种情况就算不是绝无仅有，也谈不上常见。不过即便遇到了，我们也有经过充分讨论的方法可以拿来应对。大多数科学家和哲学家（不，我没有做过调查，这只是我从个人经验中总结出的印象）会遵循某种形式的奥卡姆剃刀原理，在相互竞争的多个模型中选择最简单的那个。

当然，“最简单”的定义多少取决于主观视角，没有人人都认可的标准。再聊下去，本书就要从真正的科学读物变成酒桌上的哲学话题手册了，不如就此打住。

最后，来说说科学家用于描述模型的语言：首先，不用抠字眼、抓错漏。在生活中使用这些字词也许会让你产生一些淳朴的印象，但当被科学家用于描述模型时，它们往往会脱离常见的意思。想想这几个词：原理、定律、法则、理论、假设、推测和猜想。

你可能认为这些词大概是按可靠性递减来排列的，因为你会想到，一个被称为定律的模型必然是不可推翻的，相比之下，被称为猜想的模型有更大的可能性是错的。这种设想是合理的，但谈不上多么可靠。我们将看到一个现如今被认为很典型的例子，有一个关乎行星间距离的定律存在问题。

后面我们还会谈到一个理论，它准确预测了比相关定律多得多的自然现象。换句话说，在这个关于万有引力的例子中，理论成了更棒的模型，比定律更好地呈现了自然的行为！

自然的行为：两个例子

现在，让我们通过两个具体的例子稍微深入地聊一聊。先看第一个例子，我把一把叉子放在右手拇指上（图 I - 1），如果我把拇指移开，会发生什么？就算偶有例外，大多数成年人会回答：“叉子会掉在地上。”如果我这个时候问“为什么？”，大多数受过教育的成年人会回答“因为有重力”。物品脱离了我的掌控，就会这样掉下去。叉子会掉在地上，因为这就是自然的行为。

无论我们有没有针对这种行为建立模型，无论我们怎么称呼它，它都会出现。在这里，我们指出了一个也许十分细微却关乎根本的区别，这也是本书基本不讨论“为什么？”的根本理由。至少到目前为止，“终极原因”还是科学触及不到的领域。

相关的提议没法接受检验（或者说不可证伪），因而不被大多数科学家认为是科学（我也没有在这个问题上做过调查……）。当然，总会有通常颇为罕见的少数人持不同意见。

图I-1　作者把一把叉子放在右手拇指上，随后他会移开叉子下的拇指。图片来自作者

再看第二个例子，我的一只手拿着一个高尔夫球，另一只手拿着一个垒球，两者离地面的高度相同。我几乎在同一时刻放开这两个球，接下来会发生什么？和叉子一样，两个球都掉了下来。但神奇的是，它们同时落地——它们似乎有着相同的下落速率。这也是自然的行为。我们将看到这样的结果是怎样出现的，或者说是怎样被纳入我们的模型中的。

关于自然的行为，请把这些基本的理解装入头脑、融入观念，接下来我们将研究一个相关的主题。

自然和科学特征的一致性

人们普遍认为，自然的行为是可以重复的。我移开叉子下的拇指，叉子就会掉落。我松开双手，两个球就以同样的速率掉落。如果我，或者其他任何人，重复这两个动作中的一个或全部，也会出现同样的结果。这种可重复性无法证明，我们只是凭经验看出了这一点。要是这种可重复性不存在呢？想想世界会变成什么奇怪的样子！

自然的行为确实是可重复的，这个事实真的很了不起，正因如此，我们才有望解读各种现象。说真的，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）还有一个不太著名但着实深刻的观点：自然最不可理解的地方恰恰在于它是可以被理解的。

也就是说，人类可以制作出相对简单的模型，从中得出的预测结果完全符合自然的行为，而且似乎可以无限重复。以 20 世纪物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）为代表，其他人也曾指出，数学方程竟然能够准确描述自然的行为，这并不合理。

在他们的指点下，我们更清楚地看到了其中的异常。自然是非常微妙和复杂的，所以在许多科学家看来，相对简单的数学能如此有效地预测自然的行为，这是相当了不起的。

这种可重复性暗含自然行为的方方面面，我们可以重复、重复、再重复，就像不停地拿起和放开叉子。在这里，我们仅讨论大尺寸的宏观对象；小尺寸的微观对象也是存在的，它们有特殊的“量子”行为，我们在此不做深入探讨。如果连这部分也一并探讨，我们就会发现，我们目前所了解的自然真是太奇怪了！

还有一个重要的例外，科学有时也会涉及不可重复的情况，一次都不行，多次就更别提了。至少现在还不行。这里要说的是宏观大事件。随便选几个例子：地球的形成、生命的起源，以及 10 亿年前的金星气候变化。对于这类事件，我们可以建立和（通常格外有限的）自身知识相符的模型。但我们现在还不能进行细致的比较，也不能通过重复事件来进行检验。研究发生在遥远过去的事件时，这种问题尤其容易出现。

科学还有关乎美学的一面。比如，在科学家眼中，优秀模型的数学表达式是美妙而优雅的。这些表达式赏心悦目，但又神秘奇特！