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科学当然不是那些一成不变的通用法则（这些法则我们在小学时期就已经接触过了），更不是一系列信手拈来的规则。科学是一种知识的演化体。我们正在研究的很多理论，最终都将被证明是不完备的或是错误的。科学理念会在我们跨越已知领域与未知版图的边界时发生巨大变化，而在未知领域中，我们也许可以对揭示事实真相的线索有着惊鸿一瞥 。
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当追寻永恒不变的理论时，科学家必须面对的矛盾在于：他们此时信奉的理念，彼时会因为新的实验结果或者更好理解的出现，而不断被修正甚至被抛弃。合理而值得信任的知识核心经历过实践的检验，往往被不确定的事物所构成的边界所环绕，而这些正是现代科学研究的疆域。如果被更复杂而有说服力的实验工作所证伪，曾经激动人心的理念及想法将很快会成为明日黄花。
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2008年，当竞选美国总统的共和党提名人麦克·赫卡比（Mike Huckabee）选择背弃科学，站在宗教的一方时，他并没有“完全被误导”——至少按他自己的界定是这样的。这一部分是因为“科学信仰”会发生变化，而基督徒们则把权柄授予一个永恒的、不动如山的上帝。
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我们所了解的有关宇宙的科学知识正如宇宙本身一样，不断在演化。长久以来，科学家们抽丝剥茧般地剥开事实的外衣，以揭开潜藏在纷呈表象之下的事物本质。在探寻更小尺度上奥秘的过程中，人们的眼界也在不断开阔，知识在随之增长。当逐渐接触到那些难于接近的尺度时，由于未知领域的减小，人们的知识水平得以增加。而随着知识领域的扩大，“科学信仰”也随之进化了。
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即便飞速发展的技术让一系列更广泛的观察得以实现，我们也不必直接否定过去曾使用过的理论，毕竟它们曾经对我们可以理解的尺度、能量、速度以及密度，作出了成功的预言。科学理论是推陈出新的体系，它会把旧知识纳入更加综合的图景，而这个图景产生于一系列更大范围的理论和实验观察。这种变化并不意味着旧理论必然是错的，而只表示当更小尺度上的新要素被揭示时，原有的规则就不再适用了 。因此，知识可以在随时间扩张的同时容纳旧有的理论。学无止境，永远有新的事物等待我们去探索。正如跋山涉水可使人心荡神驰，即便你不可能遍历全球（更遑论宇宙了），格物致知也是丰富我们生命的一种追求。“吾之知也无涯”，这激励着我们继续迈出求知的脚步。
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我自己的研究领域，即粒子物理学，正在探索更小的尺度，以研究越来越小的物质组分。现在的理论与实验研究试图揭示潜藏在物质内部的存在。但是，物质并非如俄罗斯套娃一样，不断由更小尺度的相同元素嵌套而成。在不断变小的尺度上进行研究的有趣之处在于，在我们进入新领域时，原有的规则将不再适用。新的基本作用力与相互作用也许会在那些尺度上出现，而这些元素的强度在我们现在所研究的尺度上极其微弱，以至于现有的手段根本无法探测到它们的存在。
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尺度让物理学家能够确定与任何特定研究相关的尺寸和能量的范围，它对理解科学的进步以及我们所处世界的诸多方面而言，都至关重要。通过把宇宙按照不同尺度分割为各个可以理解的部分，我们认识到，最佳的物理定律并非必然在一切情形下都相同。我们必须把那些在某个尺度上表现更好的概念，与那些在另一个尺度上更有用的概念联系在一起。采用这种归类方式，我们得以把已知的全部事物都纳入一个统一的图景中。在这个图景中，对不同尺度上事物的描述可以截然不同。
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尺度
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物理学家用来确定研究对象尺寸与能量的标准，可以根据尺度的不同对事物分类。不同尺度的事物可能适用不同的物理定律。
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在本章我们将会看到，按照尺度对事物进行分类，对于明晰我们对科学以及其他事物的思考颇为有益。它也可以帮助我们厘清为何在日常生活的尺度下，构建物质基石的一些微妙性质是如此难以被我们注意到。在这个过程中，本章也会详细辨析科学中的“对”与“错”，以及为什么一些明显激进的理论进展也未必会导致我们已经熟知尺度上的巨变。
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科幻界的怪力乱神
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人们常常分不清“科学知识的演化”与“没有科学知识”之间的区别。他们误解了一种情况，即我们在完全没有一些可信赖规则的前提下，试图发展新的物理定律。在一次加州之行中，我与编剧斯科特·德瑞克森（Scott Derrickson）的一次交谈，使我明确了一些误解的起源。那时，德瑞克森正在忙于一些电影剧本的创作，这些剧本试图提出科学与一些可能被科学家们归入超自然现象的事物之间的潜在联系。为了避免专业性错误，德瑞克森决定让一位物理学家（也就是我）来帮忙审核他那些富有想象力的故事情节。于是，我们在一个阳光明媚的下午，在洛杉矶的一家咖啡店共进午餐，以交流我们的想法。
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由于自知编剧家经常歪曲科学概念，德瑞克森希望他剧中有关鬼魂与时间旅行的故事细节在一定程度上经得起科学的推敲。作为编剧，他需要面对的最大挑战在于，不仅要给观众传达有趣的科学现象，还要把这些现象在电影荧幕上表现出来。即使没有受过正规的科学训练，德瑞克森依旧可以快速接受新鲜事物。所以我向他详细解释了为什么他的故事在物理学上站不住脚，尽管其中某些情节是别出心裁而有娱乐精神的。
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德瑞克森却认为，许多科学家今天看来荒谬的现象往往会在将来被认为是正常的：“科学家们曾经不是也拒绝承认过相对论吗？”“谁曾想到随机性会在基础物理定律里扮演重要角色呢？”[4] 尽管德瑞克森十分尊重科学，且能以史为鉴，但他还是怀疑：科学家们有时不是也会在他们理论的蕴意与适用范围上犯错误吗？
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有些批评家甚至更严苛。他们断言，即使科学家已经能作出一系列伟大的预测，这些预测的可靠性也仍然值得怀疑。怀疑者们坚持，即使有着明确的科学证据支持，理论中也总是有未知的隐情或漏洞。也许死者可以复生，或者他们只是进入了一个通向中世纪或者中土世界的时空之门呢？这些怀疑论者不相信任何一件被科学断言绝对不可能发生的事情。
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尽管保有开放的头脑以及认识到“吾之知也无涯”是人类的大智慧，然而一个谬论[5] 深深地隐藏在这种逻辑之中。只有当我们仔细分析上述思想的意义，特别是应用尺度的概念时，问题才变得清晰明白起来。这些问题忽略了如下事实：虽然总存在我们不能探及的更小尺度与更高能标，在那些情况下物理定律可能发生改变，但在人类日常生活的尺度上，我们已经足够好地掌握了相关物理定律，而它们也在悠长的岁月中经受住了无数次考验。
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当我在惠特尼美术馆遇到编舞者伊丽莎白·斯特布（Elizabeth Streb）时，我们共同受邀在有关创造力的主题上发言，而她显然大大低估了在人类的尺度上，科学知识的基础有多坚不可摧。斯特布提出了一个与德瑞克森问过我的相似问题：“物理学家提出的那些卷曲在一个难以想象的小尺度里的小维度，为什么没有在我们的身体运动时（比如跳舞）产生任何影响呢？”
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斯特布是一位成功的编舞者，通过对舞蹈与身体动作的了解，她对一些科学基本假设的看法非常有趣。然而，我们不能确认新维度是否存在以及它们所扮演的角色。因为于我们而言，它们太小或者太过“卷曲”了，以至于我们无法探测到。通过上述说明，我想表达的是：我们迄今还未在已观测的尺度上找到任何它们的影响，即使是通过最精细的测量也不能找到。额外维度产生的物理现象不够明显，还无法对人们日常的运动产生任何可见的影响，否则额外维度早就被我们观测到了。因此可以推论出，即使我们对量子引力的理解更进了一步，编舞艺术的基础也不会因此而动摇。在人类日常可及的尺度上，这些微观物理规则的影响微不足道。
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当科学家后来被证明出现错误，往往是因为那时他们还未能探索在极小与极大尺度或超高能标、速度这些极端条件下事物的行为。这并不意味着他们像卢德派（Luddites）[6] 一样对所有可能的进步永远封闭了头脑，而是意味着他们只相信那些对世界进行的最新数学描述，以及那些对可观测的事物和行为的成功预言。那些科学家们断言不可能出现的现象，在他们还没有探索或经历过的尺度与速度下是被允许出现的，事实上也的确出现过。科学家们现在当然不知道那些未来的观点和理论，它们最终将由那些小尺度和高能标下的规律所支配，并成为流行理论——而现在，科学家们对它们还不熟悉。
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当科学家们断言“我们已经理解了某些东西”时，他们只是想表达“我们已经有了一套确定的观点和理论，其预言已经在某个确定范围的能标下被很好地检验过了”。这些观点和理论并非必然是永远成立的规则，也并非必定是物理定律中不可动摇的基石，而只是在当前的技术条件允许的参数范围内，很好地符合了已有实验结果。这意味着，这些理论有可能在未来某一天被新理论替代。牛顿定律在日常领域中正确而有效，然而在研究对象的速度接近光速时就会失效，替代它的是爱因斯坦的理论。牛顿定律是正确而不完备的，它的应用被限制在了某个特定范围内。
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我们通过进步的测量手段获得更先进的知识，对揭示新的不同概念而言是一个进步。我们现在所知道的许多现象，古人不可能理解或发现，是因为他们受到所处时代观测技术的局限。所以德瑞克森所言不错，科学家们有时确实会犯错误，有些他们认为不可能的现象最终却可能会出现。但这不并意味着世界完全没有规则，鬼魂和时间旅行者不会排闼而入，外星生物也不会突然穿墙而出。空间中也许存在着额外维度，但它们可能极为微小，或者“卷曲”起来，或者暂时以某种方式隐藏了起来。总之，这些都可能是我们目前尚未发现它们存在的明显证据的理由。
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也许奇异现象的确会出现，但这种现象只会存在于那些难于观察的尺度上，而在这些尺度上的现象往往不能直观地被理解，并有悖于人们的常识。如果它们总是可望而不可即，那么于科学家而言，它们就没有太大的意义；如果它们对我们的日常生活没有产生任何可见的影响，那么于小说家而言，它们也就失去了借题发挥的价值。
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怪力乱神实属可能，但更让人容易理解的是，非物理学家们最为关注的总是那些我们可以观察到的现象。正如美国著名电影导演史蒂文·斯皮尔伯格在针对他正在思索的一部科幻电影的讨论会上所指出的那样：一个无法反映在银幕上且我们永远无法感受到角色的奇异世界是无法吸引观众的（图1-1给出了一些有趣的证据），只有一个我们可见、可解的新世界才能吸引眼球。抽象理念与文学作品是不一样的，它们的目标不同，即使二者都需要想象力。虽然科学理念适用的那些领域与电影或是我们日常生活中的观察毫不相关，但是对描述物理世界而言，它们却是必要的。
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