物质与诗歌
首先介绍背景：公元前6世纪以前，在现在的土耳其西海岸，有一段时间居住着主要讲爱奥尼亚方言的希腊人。在爱奥尼亚地区的城市中，最富有、最强大的是米利都，它是一个天然良港，位于米安得尔河汇入爱琴海的入海口旁。在苏格拉底时代的一个多世纪之前，米利都的希腊人开始思考什么是构成世界的基本物质。
我第一次听说米利都人，是在康奈尔大学就读本科时。在科学史与科学哲学这门课的课堂上，我听说了被称为“物理学家”的米利都人。与此同时，我也在物理课上学习了物质的现代原子理论。在我看来，米利都人与现代物理学之间相差甚远。这并不完全因为米利都人关于物质性质的认识是错误的，而是我不明白他们如何能够得出其结论。前柏拉图时期的希腊思想在历史上仅有零碎记录，但我相当肯定的是，在古风时期（约公元前600年～前450年）和古典希腊时期（约公元前450年～前300年），无论是米利都人还是任何其他希腊自然学学者，都完全不具备类似于当今科学家这样的推理方式。
第一位有史可查的米利都人是泰勒斯（Thales），他生活的时代先于柏拉图大约两个世纪。据说他预测了发生于公元前585年的一场可在米利都观测到的日食。然而，即便是借助巴比伦的日食记录，泰勒斯也不大可能做出这一预测，因为任何日食都只能在有限的地理区域内被观测，但人们公认泰勒斯做出了这一预测，这表明他可能在公元前6世纪早期就已经声名显赫。我们不知道泰勒斯是否曾把他的任何想法诉诸文字，只知道他没有任何文字资料留存于世，甚至也找不到任何后人对其著作的引述。他是一位传奇人物，在柏拉图时代被世人誉为“希腊七贤”[其中包括与他同时代的、创立了雅典宪法的索隆（Solon）]之一。例如，泰勒斯被认为证明了或从埃及引入了一条著名的几何定理（见技术札记1）。重要的是，据说泰勒斯认为所有物质都由单一物质本原构成。亚里士多德的《形而上学》中提到：“初期哲学家大都认为万物唯一的原则就在物质本性……这类学说的创始者泰勒斯说‘水为万物本原’。”1多年以后，记录希腊哲学家的传记作家第欧根尼·拉尔修（Diogenes Laertius）（活跃于公元230年左右）写道：“他的信条是水是万物本原，世间万物皆有灵性。” 2
泰勒斯的“万物本原”是否意味着所有物质都是由水组成的呢？如果是这样，我们无从了解他是如何得出这一结论的，但如果有人相信世间万物都是由单一的物质本原组成的，那么水倒是个不错的备选答案。水不仅以液体方式存在，也很容易通过冷冻变成固体或通过煮沸变成蒸气。同时，水对于生命来说显然也是必不可少的。但我们不知道泰勒斯是否认为岩石真的是由普通的水所构成，又或者他只是觉得，岩石和所有其他固体与结成冰的水之间有着某种深奥莫测的共同点。
泰勒斯有一名学生或同事名叫阿那克西曼德（Anaximander），他得出了不同的结论。虽然他同样认为存在单一物质本原，但他没有将其与任何普通材料相关联，而是把这一神秘物质叫作“无限定”（unlimited/infinite）。大约1 000年之后，一位名叫辛普利西乌斯（Simplicius）的新柏拉图主义者对他的这一观点做出如下描述，其中包含了疑似直接引自阿那克西曼德的一句话（用粗体字标识）：一部分哲学家认为（原则）是一种处在运动中的无限的东西，其中帕西亚德斯（Praxiades）之子，师从于泰勒斯并成为其接班人的米利都人阿那克西曼德认为，无限定既是原则又是存在物的元素。他说，本原既不是水也不是任何其他所谓的元素，而是天地由之而来的一些无限自然性。天地由之而来的东西，万物覆灭时复归于它，这是一种必然。万物遵循时间法则，相互补偿彼此罪行——他以这样相当诗意的文字进行了描述。很显然，在观察到4种元素之间的相互转化后，他认为基本物质并非其中之一，而是另外一种东西。3
不久之后，另一位米利都人阿那克西米尼（Anaximenes），回归物质一元论，但他认为万物本原不是水，而是空气。他写了一本书，但存世的只有一句完整的话：“灵魂是我们的空气，它控制着我们，呼吸和空气充满整个世界。”4
阿那克西米尼进一步发展了米利都学派，也是该学派最后一位哲学家。公元前550年左右，米利都和小亚细亚的其他爱奥尼亚城市沦为日益强盛的波斯帝国的附属。公元前499年，米利都奋起反抗，却被波斯人夷为废墟。它后来复兴成为一个重要的希腊城市，但再也没有成为希腊科学的中心。
在米利都以外的爱奥尼亚希腊人中，对物质本质的关注方兴未艾。色诺芬尼（Xenophanes），公元前570年左右出生于爱奥尼亚的科洛彭，后移居意大利南部。有线索表明，色诺芬尼认为土是万物本原。在他的一首诗中，有这样一句话：“万物源自泥土，万物归于泥土。”5但这也许只是他在用自己的话表述那句人们熟知的葬礼致辞——“尘归尘，土归土”。在关于宗教的第五章中，我们将在另一个场合再次提及色诺芬尼。
约公元前500年，在离米利都不远的以弗所，赫拉克利特（Heraclitus）提出万物本原是火。他写了一本书，但只剩断简残篇。其中一个片段写道：“这个世界（kosmos）[1]对于一切存在物都是同一的，它不是任何神或任何人所创造的，它过去、现在和未来永远是一团永恒的活火，在一定的分寸上燃烧，在一定的分寸上熄灭。”6赫拉克利特曾在其他场合强调大自然的变幻无穷，所以对他来说，取明灭不定的火这样一个变化的因素作为万物本原，而不是较稳定的土、空气或水，实乃自然之举。
认为所有物质不是由单一元素，而是由4种元素——水、空气、土、火——组成的经典观点，可能出自恩培多克勒（Empedocles）。他于公元前5世纪中叶生活在西西里岛阿克拉伽斯（现在的阿格里真托），在我们这个故事的开始部分，他是第一个也几乎是唯一一个来自多利安而非爱奥尼亚的希腊人。他写了两首六步格诗，其中很多片段都保存了下来。在《论自然》（On Nature）中，我们找到了这样的句子：“水、土、以太（空气）与太阳（火）怎生调和，构成凡尘千种姿态百种颜色”7，以及“水、火、土与无际空气，以恨相争，则四强分立；以爱相伴，则同心同行”8。
“爱”与“恨”，“正义”与“不义”，恩培多克勒和阿那克西曼德所使用的这些术语也许只是对有序和无序的隐喻，类似于爱因斯坦偶尔使用“上帝”来比喻大自然不为人知的基本定律。但是，我们不应该对前苏格拉底时期的词语强加现代解释。在我看来，把涉及人类感情的词语，如恩培多克勒的“爱”与“恨”，或涉及人类价值的词语如阿那克西曼德的“正义”与“补偿”，说成是对物质本质的思考，这一现象可能更多地反映出前苏格拉底时期的思想与现代物理学精神之间的巨大差距。
从泰勒斯到恩培多克勒，这些前苏格拉底时期的哲学家似乎都认为元素是醇和的均匀物质。此后，一个更接近现代理解的不同观点在阿夫季拉问世。这是一个位于色雷斯的海岸小镇，公元前499年，爱奥尼亚众城市开始反抗波斯的统治，这场叛乱中的难民建立了阿夫季拉。第一位为人所知的阿夫季拉哲学家是留基伯（Leucippus），他只有一句话存世，表达了决定论式的世界观：“无事徒劳，万事皆有因，万事皆必然。”9更著名的是留基伯的后继者德谟克利特（Democritus），他出生在米利都，曾游历于巴比伦、埃及和雅典，公元前5世纪后期在阿夫季拉定居。德谟克利特的著作涉及伦理、自然科学、数学和音乐等领域，书中许多片段流传至今。其中一个片段表达了所有物质由原子（源自希腊语的“不可分割”）组成的观点，认为原子是在虚空中运动的不可再分的极小微粒：“甜是约定俗成的，苦是约定俗成的，（唯有）原子和虚空真实存在。”10
与现代科学家一样，这些早期希腊人愿意透过世界的表面现象去追求现实中更深层次的知识。乍看之下，世间万物并不像是由水、由空气、由土、由火组成或由四者共同组成，更不像是由原子构成的。
对深奥思想的接纳被意大利南部埃利亚（现在的韦利亚）的巴门尼德（Parmenides of Elea）发挥到极致，柏拉图对他十分钦佩。公元前5世纪早期，巴门尼德提出与赫拉克利特相反的观点，认为自然界中的一切繁复多变皆为虚幻。他的学生，埃利亚的芝诺（Zeno of Elea）（不要与其他芝诺混淆，如斯多葛学派创始人芝诺）曾为他的思想辩护。在他的著作《攻击》（Attacks）中，芝诺提出了一些悖论来说明运动是不可能的。例如，物体在到达目的地之前必须先通过全程的一半，再通过剩余距离的一半，以此类推，物体永远不可能通过全程。按照同样的逻辑，我们可以根据残存的片段推知，芝诺认为任何距离的旅行都是不可能实现的，所以一切运动都不存在。
当然，芝诺的推理是错误的。正如亚里士多德后来所指出的11，只要完成每个相继步骤所需的时间缩短得足够快，我们就可以在有限时间内完成无限步。诚然，无穷级数“1/2 ＋ 1/3 ＋ 1/4 ＋ …”的和是无穷大，但无穷级数“1/2 ＋ 1/4 ＋ 1/8 ＋ …”的和存在一个极限，它等于1。
最引人注目的并非巴门尼德和芝诺的观点是错误的，而在于他们并未费神去解释以下悖论：如果运动是不可能的，那为什么世间万物看起来却都在动呢？的确，从泰勒斯到柏拉图，无论是在米利都、阿夫季拉，还是在埃利亚、雅典，没有一个早期希腊人愿意详细解释他们关于终极现实的理论是如何说明事物现象的。
这不仅仅是思维惰怠。早期希腊知识界中存在一种市侩主义，使人们不屑于理解表面现象。纵观科学史，这种态度造成的损害比比皆是，上文只是其中一个例子。在不同的时期，有人认为圆形轨道比椭圆轨道更完美，有人认为黄金比铅更高贵，还有人认为人类比他的近亲猿猴更高级。
今时今日，我们是否也在犯着类似的错误，因为忽略了看似不值得关注的现象而错失科学进步的机会呢？虽不能肯定，但我觉得很有可能。我们固然不能探索一切，但我们选择自认为（无论对错）最有科学前景的问题来研究。对染色体或神经细胞感兴趣的生物学家研究的动物是果蝇和鱿鱼，而不是高级的鹰和狮子。基本粒子物理学家专注于研究人工获得的高能量粒子，有时被指责为势利奢侈之举。但只有在高能量下，我们才可能创建和研究假想的高质量粒子如暗物质粒子——天文学家告诉我们，多达5/6的宇宙物质是暗物质粒子。尽管如此，我们对低能量下的现象也给予大量关注，例如耐人寻味的中微子质量问题——中微子的质量大约只有电子的百万分之一。
对前苏格拉底时期希腊哲学家的偏见做出评论，并不意味着我认为先验推理在科学上没有地位。举例来说，如今我们期望发现最深刻的物理定律来满足对称性原理，这个原理指出当我们以某些确定的方式改变参考点时，物理定律不会改变。正如巴门尼德的存在论，一些对称原理不会在物理现象中立即显现——它们被称为自发破缺。也就是说，我们的理论方程有一定的简化，例如把某些类型的粒子以相同方式处理，但这种简化并不为支配真实现象的方程的解所共享。无论如何，不同于巴门尼德对存在论的坚信，有关对称原理的先验假设，源于多年来寻找描述现实世界的物理原理所获得的实际经验，并且破缺或不破缺对称都被确认其结果的实验所证实。它们不涉及我们用于人类事务的那种价值判断。
公元前5世纪后期，苏格拉底诞生，约40年后，柏拉图诞生。这两位先哲的出现使得雅典——为数不多的几个位于希腊大陆的爱奥尼亚城市之一——成为希腊的智慧之城。现世对苏格拉底的一切了解几乎都来自柏拉图对话录中的记述，以及阿里斯托芬（Aristophanes）的喜剧《云》（The Clouds）中的滑稽描绘。苏格拉底似乎并未把他的任何想法诉诸文字，但据我们所知，他对自然科学不是很感兴趣。在柏拉图对话录《斐多篇》（Phaedo）中，苏格拉底回忆他在阅读阿那克萨哥拉（Anaxagoras）（见第七章）的一本书时是何等的失望，因为阿那克萨哥拉从纯物理的角度描述地球和日月星辰，全然不顾什么样的状态是最好的。12
与他崇拜的英雄苏格拉底不同，柏拉图是一位雅典贵族。他是第一位有诸多著作完整存世的希腊哲学家。柏拉图与苏格拉底一样，更注重人类事务而非物质本质。他渴望从政，以便实践其乌托邦及反民主思想。公元前367年，柏拉图受邀于狄奥尼修斯二世（Dionysius II），前往锡拉库萨帮助其改革政府，然而改革最终并未实现，这对锡拉库萨而言不失为一件幸事。
在他的对话录《蒂迈欧篇》（Timaeus）中，柏拉图把4种元素与出自阿夫季拉的原子概念相结合。柏拉图假设，恩培多克勒所说的四大元素是由形状为正多面体（各个面都是相同的正多边形，相交于各个顶点的正多边形的边互相吻合，见技术札记2）的粒子所构成，包括数学中已知的5种正多面体中的4种。例如，立方体就是一个正多面体，它的各个面都是相同的正方形，且每三个正方形相遇于一个角顶。柏拉图认为土原子的形状为立方体。其他的4种正多面体分别是正四面体（由4个正三角形围成的金字塔形）、正八面体、正二十面体和正十二面体。柏拉图设想火原子为正四面体，空气原子为正八面体，水原子为正二十面体。剩下正十二面体尚无归宿，柏拉图用它来代表宇宙。后来亚里士多德引入第五种元素以太（空气），假定其填满月球轨道以外的宇宙空间。
记述这些关于物质本质的早期猜测，强调它们如何预示现代科学的特点，这一做法已蔚然成风。其中，德谟克利特备受推崇，现代希腊的一所著名大学就叫作德谟克利特大学。事实上，几千年来，人们为确定万物本原前赴后继，构成元素的清单随时间不断演变。早在近代早期，炼金术士就鉴定了三种假设的元素：汞、盐和硫。化学元素的现代理念始于18世纪末由普里斯特利（Priestley）、拉瓦锡（Lavoisier）和道尔顿（Dalton）等人发起的化学革命，如今的化学元素表包括从氢到铀（含汞和硫，但不含盐）的92种天然元素，以及不断增加的重于铀的人造元素。正常情况下，一种纯化学元素由同种原子组成，人们可以根据不同原子区分不同的元素。今天，我们的科学超越了化学元素的范畴，深入到组成原子的基本粒子的研究，但不管怎么说，我们依然是在继续这项由米利都人开创的对大自然基本成分的探索活动。
不过，我认为我们不应该过分强调古风时期或古典希腊时期科学的现代方面。现代科学有一个重要特征，但上文提及的所有思想家（从泰勒斯到柏拉图）几乎都忽视了这一点：没有人试图核实其猜测，甚至没有人（也许芝诺除外）认真为自己的猜测做辩护。在阅读他们的著作时，人们不禁要问：“你是怎么知道的？”德谟克利特的情况与他人别无二致，从他著作的残存篇章中，我们看不到他做出任何努力来说明物质确实是由原子组成的。
柏拉图关于5种元素的构想很好地展现了他对求证的漠不关心。在《蒂迈欧篇》中，他并没有从正多面体着手，而是从一些三角形开始。他提出把这些三角形组合起来，构成多面体的各个面。什么样的三角形呢？柏拉图认为应该是具有45°、45°和90°角的等腰直角三角形，以及具有30°、60°和90°角的直角三角形。两个等腰直角三角形可以构成立方体土原子的正方形面，而四面体的火原子、八面体的空气原子和二十面体的水原子，其三角形面都可以由两个30°、60°和90°角的直角三角形构成。（十二面体神秘地代表着宇宙，故不能以此方式构造。）为了解释这种选择，柏拉图在《蒂迈欧篇》中说：“如果任何人能告诉我们一个比这两种三角形更好的三角形来构建这四种多面体，我们将欣然接受他的批评；不过就我们而言，不建议考虑任何其他三角形……原因一言难尽，但如果任何人能够证明事实并非如此，我们将乐意看到他的成就。”13如果我今天在一篇物理文章中说，我支持关于物质的新假设，但需要太长篇幅来解释我的推理过程，同时挑战我的同行们来推翻该假设，可想而知大家将作何反应。
亚里士多德称早期希腊哲学家为“physiologi”，这个词有时被翻译为“物理学家”14，但这是一种误导。“physiologi”的字面意思只是自然（physis）学者。早期的希腊人与今天的物理学家之间几乎没有共同点，他们的理论缺乏说服力。恩培多克勒可以提出关于元素的猜测，德谟克利特可以提出关于原子的猜测，但他们的猜测都没有带来有关大自然的新信息，当然也没有产生任何可用于测试他们理论的东西。
在我看来，要理解这些早期希腊人，最好不把他们看成物理学家、科学家抑或哲学家，而是把他们当作诗人。
狭义的诗歌，是指一种运用节奏、韵律或头韵等语音修辞手法的语言。即便从狭义上看，色诺芬尼、巴门尼德和恩培多克勒所写的也都可称为诗歌。公元前12世纪，多利安人入侵，青铜时代的迈锡尼文明解体，此后大部分希腊人沦为文盲。没有了写作，诗歌几乎是精神得以传承后世的唯一方式，因为诗歌能够口口相传，散文则不然。公元前8世纪左右，希腊人恢复了文化，但借自腓尼基人的新字母表，最早仍被荷马和赫西俄德用来写诗——其中一些便是自希腊黑暗时期以来流传已久的诗歌。散文则直到后来才出现。
即使是以散文写作的早期希腊哲学家阿那克西曼德、赫拉克利特和德谟克利特，采用的也是诗歌文体。西塞罗（Cicero）说，德谟克利特比许多诗人都更富诗意。柏拉图年轻时曾想成为一名诗人，虽然他后来写的是散文，且在《理想国》中对诗歌抱有敌意，但他的文风却一向广受赞誉。
我在此所考虑的是广义的诗歌：出于美学效果而选择的语言，不是为了言明自己心中的真理。当托马斯写出“通过绿色导火索催开花朵的力量，催动我的绿色年华”，我们并不认为这是一个关于植物界和动物界力量统一性的严肃表述，也不会寻求验证。我们（至少我）更愿意把它看作对年龄和死亡的伤感表达。
有时似乎很清楚，柏拉图不希望人们把他的话当真。对此上文提到了一个例子：他选择两种三角形作为所有物质的基础，但给出的论据却完全站不住脚。另一个更清楚的例子出现在《蒂迈欧篇》中，柏拉图在书中介绍了亚特兰蒂斯的故事，这个岛屿的繁盛时期被认为先于柏拉图时期好几千年，柏拉图不可能当真以为他知道几千年前发生了什么。
我并不打算说，早期希腊人决定写诗是为了免于验证其理论。他们不觉得有验证的必要。今天我们检验自己对大自然的猜测的方法是：借助提出的理论，得出不同精确度的结论，再通过观察来验证。但早期希腊人以及他们的许多后继者并没有这样做，原因很简单：他们从来没有见过有人实践这种做法。
种种迹象表明，早期希腊人即便想被认真对待，他们本身也对自己的理论心存怀疑；他们认为可靠的知识是无法企及的。我在1972年关于广义相对论的论文中举了一个例子。在宇宙学假设篇的开头，我引用了色诺芬尼的一段话：“至于确凿的真理，没有人见过它，也永远不会有人了解神灵，了解我所提及的事物。因为即使他大获成功，说出了完全正确的东西，他自己也浑然不知。对一切事物的看法只能听天由命。”15在《论形式》（On the Forms）中，德谟克利特有同样风格的评论：“实际上我们无法确知任何事情”，以及“我们实际上并不了解任何事物存在或不存在的情况，这一点已在多方面得到体现”。16
现代物理学中依然留有诗意元素。我们不写诗，且大多数物理学家的作品勉强达到散文的水平。但我们在理论中寻求美，并用审美来指导研究。我们当中有些人认为这样可行，因为几个世纪以来，我们在物理学的研究上历经成败，这样的训练让我们对大自然规律的某些方面充满期待，同时，通过这方面经验，我们感受到大自然规律的这些特点是美的。17但我们不以理论之美作为真理的有力证据。
例如，弦理论是一个很美的理论，它认为微小弦的不同模式的振动产生了不同种类的基本粒子。但该理论在数学上似乎只能勉强保持一致——这意味着其结构不是任意的，而在很大程度上被数学一致性的要求所限定。因此，它具有严格的艺术形式之美，正如十四行诗或奏鸣曲。遗憾的是，弦理论目前尚未能做出任何能够进行实验验证的准确预测，其结果是，理论家们（至少我们中的大多数）对该理论是否确实适用于现实世界持观望态度。而所有那些充满诗意的自然学者，从泰勒斯到柏拉图，他们身上最为欠缺的，正是这种坚持验证的态度。
[1] 正如格雷戈里·维拉斯托斯（Gregory Vlastos）在《柏拉图的宇宙》（Plato’s Universe）（华盛顿大学出版社，西雅图，1975年）一书中所指出的，“kosmos”这个词的状语形式被荷马用来表示“在社会中体面”和“道德正确”。这一应用在英语单词“cosmetic” （美容的）中保存了下来。赫拉克利特使用这个词，反映了古希腊认为这个世界大体上是它应该有的样子。在英语中出现的同源词有“cosmos”（宇宙）和“cosmology”（宇宙学）。
