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撰文 | 光子

注：本文节选自光子新书《世界边缘的秘密——科学对生命的惊人回答》（中信出版）

崇拜数字的怪人

公元前550年的一天，希腊萨摩斯岛（Samos Island）的集市上热闹非凡，人们里三层外三层，把方石铺就的街道堵得水泄不通。人群正中的石阶上，站着一个二十出头的年轻人，正在慷慨陈词。人们围观他，不是因为他说得多有道理，而是因为他的言论荒唐至极，令人瞠目结舌，不知如何应对。

“大地是球形的！”小伙子高喊道。

人群哗然，地明明是平的啊！他们不能肯定这毛头小子是瞎子还是疯子。

“年轻人，睁开尊眼瞧瞧吧！”人群中一位颇有声望的老哲学家讥讽道，大伙儿一阵哄笑。

“地看上去是平的，是因为地球无比巨大，”小伙子把胳膊展开成一字，仿佛抱着个硕大无边的球。

“你有证据吗？”

“我不需要证据！”小伙子十分肯定，“圆球在数学中是最完美的形体，而造物主是按照完美的数学创造世界的。”

“数学不是描述世界用的吗？你怎么好像在说先有数学才有世界似的？” 老哲学家名不虚传，立即抓住了小伙子的破绽。 

“的确是先有数才有世界！而且万物皆数！”

毕达哥拉斯

这小伙子叫毕达哥拉斯（Pythagoras，约公元前570—前500年）。他所谓的“万物皆数”（“All is Number”）是说，世界万物都是数。非物质的、抽象的数是宇宙的本原，自然界的一切现象和规律都是由数决定的，服从“数的和谐”。他是这样推理的：因为有了数，才有几何学上的点，有了点才有线、面和立体，有了立体才有火、气、水、土（当时希腊人认为构成万物的四种基本元素），所以数在物之先，“数是万物的本质”，是“存在由之构成的原则”。

“你这是胡扯！”哲学家不屑地一甩袖子，扬长而去。

“对！胡扯！诡辩！”看热闹的人们也摇着头，讥笑着，开始散去。

不仅当时的人们认为“万物皆数”是胡扯，就是在今天，一般人也会认为这理论荒诞至极，甚至不知所云——世界明明看得见摸得着，怎么可能是数？但后来人们发现一个怪现象，有许多在现实中没有被发现，甚至很难想象的事物，根据数学被推算出来，结果被科学实验发现了。

数学算出未知世界

最著名的例子之一是反物质的发现。你有生以来接触到的所有物质都是普通物质，也叫做正物质——你的身体，手里的书，眼前的世界都是正物质，其中的电子都是带负电荷的，所以也叫“负电子”。

但物理学家狄拉克根据数学推算，发现带正电的电子（也叫“正电子”）“应该”存在。他和毕达哥拉斯一样，相信“物理定律应该有数学之美”，根据美（对称、简洁）的原则，基于洛伦兹对称性，他创造了著名的狄拉克方程，解释了电子的自旋和磁性。但该方程有一正一负对称的两个解，和这两个解相对应的，是负电子与正电子。

狄拉克

当时人们只发现过负电子，从来没探测到过正电子，说正电子存在，就像说存在一个和太阳对称的“冰太阳”一样，是无法想象的，甚至是荒谬的。但科学家们根据狄拉克方程算出的结果去寻找，竟然发现了正电子！其后人类发现，组成正物质的正常粒子（“正粒子”）均有与其相对应的“反粒子”，它们可以组成反物质，甚至一个“反世界”。

当正、反物质相遇时，就会相互湮灭抵消而发生爆炸，其能量释放率要远高于氢弹。在丹·布朗的著名小说和同名电影《天使与魔鬼》（Angels and Demons）里，恐怖分子计划用0.25克反物质炸毁整座梵蒂冈城。

虽然数学算出的反物质被发现了，但总有数学算出的东西在现实中并不存在吧？也许，但也许是人类还没发现它们，或还没能理解它们以何种形式存在。

科学发展不仅没能证明“万物皆数”是错的，反而发现越来越多的证据表明它可能是对的，正如比毕氏晚出生两千多年的伽利略所说：“宇宙这部宏伟的著作是用数学的语言写成的。”人类一而再再而三意外地发现，像毕氏所坚信的那样，世界“骨子里”有着无法解释的数学之美。

“数字的烟”

如量子力学中最重要的方程之一，薛定谔方程（Schrödinger equation）就有一种“数学之美”。

薛定谔深谙科学中的数学美，和他同年获得诺奖的英国物理学家狄拉克说：“我发现自己同薛定谔意见相投要比同其他任何人容易得多，我相信其原因就在于我和薛定谔都极为欣赏数学美，这种对数学美的欣赏曾支配我们的全部工作，这是我们的一种信条，相信描述自然界基本规律的方程都必定有显著的数学美，这对我们像是一种宗教。奉行这种宗教是很有益的，可以把它看成是我们许多成功的基础。”

薛定谔方程描述的是，在没被观察时，组成世界的粒子在空间某处出现的可能性随时间的变化，其绝对值的平方对应着粒子在该处出现的概率密度（probability density）。在量子力学中，粒子的波动性被称为“几率波”或“概率波”，描述它的函数被称为“波函数”。几率波是关于“可能性”的数学，绝不是我们所熟知的、僵硬确定的“东西”。我们可以把它想象成一团“数字的烟”，它在空中的分布并非均匀，所以在不同的地方有不同的浓度；而且它在“飘动”，所以在空间中各点的浓度是随时间变化的。薛定谔方程就是描述在空间中某点，“烟”的浓度随时间变化的方程。

量子力学发现，组成世界的基本粒子在没被观察时是“数字的烟”，只有被观察时才“固定”成一颗确定的粒子（唯一的“现实”），量子物理学家们给这个变化过程取了个玄幻而赋有动感的名字，叫做“塌缩”（“collapse”）。没有观察，就没有塌缩，也就没有被观察到的粒子态，所以不仅“观察”对于实验不可或缺，而且实验结果根本就是“观察”所导致的——你所看到的是因为你在看。量子物理学家玻尔总结得很好：“任何一种基本量子现象只在其被记录（观测）之后才是一种现象”，“而在观察发生之前，没有任何物理量是客观实在的”。

以玻尔为首的科学家们认为，没被观察时，世界只是一大堆“数字的烟”（几率波或可能性），时间、空间、物质、能量浸没其中，每个观察者用“观察”创造了自己眼中的现实。德国物理学家海森堡说得一针见血：“原子或基本粒子本身不是真实的，它们组成了一个潜在或可能性的世界，而不是一个实物或事实的世界。” 玻尔也说：“所有我们称之为‘真实’的东西是由我们不能称其为‘真实’的东西组成的。”（他十分明白这有多违背常识和直觉，“如果量子力学没从根本上让你震惊，那你就还没弄懂它。”） 

等等！世界没被观察时是“数字的烟”！这不是说“万物皆数”么？！怎么过了两千五百年，科学又回到了毕达哥拉斯的理论？是的！一位顶尖的物理学家惠勒提出了现代版的“万物皆数”，叫做“万物源于比特”（“It from bit”）。

比特（bit）是二进制数字中的位，也是信息量单位。惠勒认为，世界源于信息，是信息的表达；物理世界中的物质都有非物质的根源和解释。“换句话说，任何东西——每个粒子、每个力场、甚至时空连续体本身，其功能、其意义、其存在，全都是从测量装置对“是/否”问题、二元选择、比特所给出的答案中产生出来的——即使在某些情况下是间接产生的。” 

后来的量子物理学家们对这想法进行了深化，认为“万物源于量子比特”：空间是量子比特的“海洋”，基本粒子是量子比特的“波动涡旋”，基本粒子的性质和规律起源于“量子比特海”中量子比特的组织结构（即量子比特的序）。

亲爱的读者，你很可能也会在直觉支配下认为“万物皆数”是错误的，至少无法想象。但若世界不是数，它是什么？中学学过，物质是原子组成的，原子是原子核和电子组成的，但它们又是什么组成的？这样一级级“拆分”下去，到最终是什么，你并不知道。别以为你已经彻底了解你所生活的世界，有许多无法想象的秘密，就摆在你眼前，等着你去发现。

注：上文节选自光子新书《世界边缘的秘密——科学对生命的惊人回答》（中信出版）。该书基于现代科学实证，拆解并颠覆了传统世界观，对生命的意义进行了崭新的探索和诠释。光子还著有《我·世界——摆在眼前的秘密》，他的书被誉为“穿着科学外衣的生命之书”。