我们认知世界的时候，不得不用已有的经验来学习了解新的事物。站在巨人的肩膀上往前看，这是人类认知的习惯，也是一个无奈而懒惰的过程。在浩瀚的知识和复杂的实证主义所需要的设备里，很多时候我们只能选择相信一群被称为科学共同体的人们提供给我们的信息，而无法亲自检验。这时候，科学共同体的声誉和职业道德成了这些信息可靠性的背书。我不懂，你懂，你不能忽悠我。因此，科学共同体，作为一个群体，对自己的职业道德要求也极高。
我的一个朋友兰迪，是量子调控圈子里的翘楚。原子物理学界二十年前有一场血雨腥风的厮杀。这事情的起因在1924年，印度物理学家玻色（Satyendra Nath Bose）和爱因斯坦（Albert Einstein）预言，物质除了气态、液态、固态和等离子态以外，存在第五种状态，后人称为玻色——爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein Condensates，BEC）。为了得到这个新的物质状态，物理学家在不同的实验里寻觅了七十年，谁都知道摘取这个物理的桂冠，诺奖就是囊中之物。1995年夏天，寻找原子气体中的玻色——爱因斯坦凝聚的竞争白热化起来，有几个研究小组昼夜不停地加班做实验，大家离成功都只差一步。三十出头的兰迪是这一研究方向的领跑者。不出所料，兰迪的研究小组第一个发表文章，宣布获得了玻色——爱因斯坦凝聚，但没多久他的实验结果就受到质疑，在他为自己结果辩护的过程中，另外两个研究小组也获得了玻色——爱因斯坦凝聚。而后的研究，虽然证明兰迪当时的结果是对的，但当时他急于发表尚有疑点的实验结果，“不够具有专业精神”。在2001年颁发的因为实验获得玻色——爱因斯坦凝聚的诺奖里，就没有了兰迪的名字。
科学共同体极其爱惜自己的羽毛，这不光是严格的道德约束，更多的是出于一种长期的严格训练而养成的说老实话的习惯。这形成一种相互背书的氛围，因为没有人真的能把所有的事情都亲自做一遍，只能相信你的伙伴和你具有相同的科学训练和道德要求不会给你提供虚假的和有偏好选择的数据和结论。这有点像英美的案例法体系，因为不像大陆法系有明确的法律条文规定犯什么罪要判多少年，法官就有了极大的自由度。量刑多少，怎样控制法庭流程，甚至怎样影响陪审团决定，都是法官说了算。这时候，谁来监督法官呢？除了制度之外，规范法官审案水平的是法官们建立的声誉共同体，案子判得不好，除了当事人可以上诉之外，法官还会被同行嘲笑。这样的风气，甚至可以从一些很小的细节看出来。耶鲁法学院毕业的学生，会有自己的毕业戒指，这是身份的认同。当一个社会温饱和财富都不成问题的时候，身份认同成了新的社交工具，因此会有标志性的身份识别。而对于律师和法官群体，耶鲁法学院的戒指，既表明了辉煌的读书史，也表明了立场，不会为五斗米折腰。因此，科学共同体在长期的训练和交流中，形成了对学术声誉的爱护，这个爱护，让他们不屑、不敢，甚至潜意识里不会去做违背科学道德的事情。
与英美的案例法体系不同，欧洲大陆有大陆法系，有明文规定哪些事情可以做，哪些事情不可以做，以及僭越之后的代价。这样的思路沿袭了经典科学的习惯，假设人的行为可以被规范，可以被法律条文一条一条清楚描述，这里潜在认识是默认人的行为可以被静止的、孤立的文字来说明。同样，经典科学也是这样，我们用语言和定理来描述自然界，希望这些定理可以客观地描述和预测自然界，甚至在这些预测上可以接受我们的改变。但当一个人忽略了自然世界和人生体验之间的关联时，就容易让自然形成一幅与人类利益无关的事物的图画。把我们对自然的认知看成固定的和孤立的东西时，它很容易成为压抑心灵和麻痹思想的根源。人甚至把这种认知得到的结论看作缺乏自省的工具，灭亡人类的工具。第一个例子是热力学的奠基人玻尔兹曼对“热寂说”的思考：宇宙是个大的封闭系统，所以熵迟早会增加到最大而不会再有任何事情发生。这个问题让玻尔兹曼如此困惑，他似乎觉得没有了希望，就自杀了。第二个例子是原子弹，我依然不敢说原子弹的发明对人类未来意味着什么，会不会最终失控，但至少在它被发明之后，人类认识到能够彻底毁灭自身的武器出现了。但正因为它的强大，它的杀敌一万自损八千的性质，人类最和平的时代降临地球，整整七十年没有大的战争，这个对人类历史来说是个奇迹。如果换一个互动体验式的逻辑，原子弹本身也教育了人类。第三个例子，顺理而言我们也可想到人工智能。虽然有奇点理论，人们警惕人工智能进化到最终将统治人类，我依然不太担心。正是把科学看作固定的和孤立的技术的想法，才会让人相信人工智能会成为灭亡人类的工具，而如果我们可以把科学本身看成一个与人类自身紧密关联在一起的共同体，也许情况并没有那么糟。
科学的发展史，是人类在了解自然、处理社会问题和了解自身时，寻找更加有效的工具而扩大认知疆域的历史。这样，当利用科学来认识世界，把它看作人类对世界体验而认知的一部分，我们会坦荡、安心得多。它可以让我们在人类的三类问题里得到满意的答案。量子力学最近二十年的发展似乎在告诉我们一件事，世界跟我们习惯的经典科学所建立的孤立的、客观的、实在的认知不太一致。我们也因此意识到，目前所掌握的认知方法与世界的真实之间是不那么和谐的。然而，似乎我们还没有新的工具来避免这种认知缺陷。我们在婴儿时学习的语言会在语言与事物、概念、内涵之间建立联系，成年以后就会有已知的关联来做认知的媒介，把未知的和已知的联系起来。量子力学所阐述的思维与我们传统认知习惯的不同在于无法用我们已知的逻辑来了解它。我们必须重新像婴儿一样认识世界，建立新的世界观，需要我们能够抛弃已有的经验重新去寻找、认知和掌握工具本身。
在杜威的《经验与自然》里，杜威在量子力学尚未诞生的时代通过经验主义的思考而得到的结论与量子力学所启示我们的新的认识世界的思维方法有很多可以类比的地方，这种相似让我觉得不仅仅是巧合。而我们也不必因为缺乏实证而刻意回避，毕竟我们也还在系统地寻找这一关联的实证。玻姆（David Bohm）努力地把量子力学和哲学联系起来，他发展了量子力学的整体论解释，而彼得·圣吉（Peter M. Senge）把他的观点引申到了管理学。然而玻姆讲哲学我多少还有些不放心，因为玻姆整体论的可靠性还有待看清，他的讨论依据毕竟多少跟新近的实验有些出入，最近二十年发展的量子力学与玻姆在世的时候的已经很不一样。
我还要啰嗦地强调由物理学建立的学科体系结构。任何一门现代科学理论都努力从尽可能少的基本假设开始，进行数学和逻辑的演绎，得出结论或有所发现，最后经过实验检验而确立。理论体系内部必须是自洽的，即不能在系统里就存在彼此矛盾的命题。理论的基本假设是不需要证明的，它们往往产生于归纳总结的经验。但理论本身无法自证其正确，深入的讨论和辩论只能确认逻辑方法使用的是否得当，而对于结论是否经得起考验，系统内部的推演是无法保证的，我们很快就会谈到这个结论的深层次原因。
物理学就提供了一个理论与自然界实践检验的界面。比如说牛顿力学的三个基本假设：惯性定律，加速度和力，相互作用定律；后面是微积分作为工具。八卦一句，牛顿发明了微积分，但他的《自然哲学之数学原理》中的证明完全由几何给出，也是牛人够牛的表现。狭义相对论的两个基本假设，光速不变和物理定律协变性原理，后面是高中数学，这个不夸张，我在十三岁一场大雨之后的半夜，在自家小书房里推导了一遍狭义相对论的基本结论。广义相对论的两个基本假设，引力质量等效为惯性质量和协变性原理；后面是黎曼几何，这对于一个搞实验物理的人来说就太难了，我不仅没有建树，根本就没学懂。
推翻一个理论体系的办法也很简单，找出一个实验，而只要一个实验就能否定理论的基础假设站不住脚，但这也是唯一的办法。不要尝试攻击它数学工具的使用不当，任何一门学问建立良久，有成千上万参与者翻来覆去地推导，要相信他们不会在数学上犯基本的低级错误。在北大读物理的时候常有人在门口贴大小字报，要这样那样地否定相对论。要知道相对论不是数学或逻辑的问题。找一个实验，或者证明光速不变不对，或者证明协变性原理不对就够了。北大的物理学院本科教育非常扎实，不管物理学得怎样，这套清晰的体系结构，让我在后来的学业中受益匪浅。
图1–4 牛顿在《自然哲学之数学原理》中的几何证明
我们接下来说说科学理论体系的几个基本原则，至于为什么是这样，我们并没有太深层次的理论来支持，杨振宁先生讲科学的“美学”要求，也许如此吧。
可以这样想象，人不过是一个基因载体。基因可以自我繁殖，指挥人干这干那，人努力吃喝拉撒求生存完全是为了它能够复制传播。等人老了不好用了，它可以把这躯体扔掉，在一个新鲜的身体里延续自己。基因千万年前从某个星球飘过来，利用地球上的资源，造出来人，把地球上的资源消耗掉，等消耗光了再指挥人发明一个机器把自己运走。“聪明的”人类，你以为你是谁，不过是个基因为了自己的延续而借用的工具。所以也别担心你吃啥信啥，你不过就是一具走肉，也别担心你道德不道德，守法不守法，这些跟你都没关系。不是“你”指挥的，是基因决定。犯了罪，把法官的基因提出来，也把你的基因提出来，大家放到一个试管里。等着看，等它们商量好了，让你坐多久牢你就坐多久，不过，这个“坐牢的决定”坐多久也是基因为着种群的利益决定的，演出戏给人看。
当然，这样的故事还能没完没了地编下去，也能冠上“科幻”的名头，因为我用了“基因”这个科学名词。而事实上，我没有任何证据表明这样的猜想是不正确的，它无法被证伪。因为我们对基因的了解还没有那么深入，对于它们能不能思考，怎样思考，甚至它们的意识和我们的意识都没有任何了解。到底哪个对？我们怎么来了解事实的真相？类似地，还有宠物或家畜养殖。我们自以为是地以人为中心的角度来想我们统治万物。然而谁又能否认宠物利用人，实现了种群繁衍的目的呢？大多数的家畜在自然界并没有很强的生存能力，而牛不过是行走的一片肉。在自然竞争中牛的数量会受食肉动物的控制，然而牛征服了人类的胃，使种群发扬光大，狗和猫征服了人的孤独而发扬光大。它们的壮大，满足了人，但也挤压了其他种群的生存空间，渡渡鸟灭绝的部分原因就是作为外来物种的家猫捕食渡渡鸟的幼鸟。这样讲，我们无法从逻辑上否认“宠物”比人聪明的假设，不一定是谁利用谁。
地心说并不是要求所有的行星绕着地球转，地心说也看到了其实行星绕着太阳转会更合理。所以数学家设计了“本环”，这样行星绕着太阳转，太阳再绕着地球转。以现在计算机的计算能力，我们不断地把本环加到模型上，对天体的行为也可以做精确的预测。日心说和地心说现在看来没什么十分的差别来判定哪个理论一定是正确的。但极简原则告诉我们，日心说会使模型简单得多，往往我们觉得“极简化”的理论结构会揭示事物更深层次的关系。
在构建一种物理学理论时，我们应当寻求将观测事实联系起来的最为经济的方法，我们不应把“除必须以外”更深刻的意义赋予这个理论。在这一因素的考虑下，统治宗教多年的托勒密的地心说逐渐被淘汰，而哥白尼的日心说胜出。在科学使用的概念里，比如本环或理论所描述的实体，如果它们自身是不可观察因而也不能验证的话，这样的理论事实上是没有太多实际意义的。只有那些我们能够感知的元素才是实际存在的，探寻那些我们不能感知的物理实在是没有意义的：我们只能知道我们可以体验的事物。因此对于上边说到的“基因”对“人”的控制，我们既无法感知，又无法提供新的证据来证明这个说法的可靠性，做谈资是有趣的，做学问是没有价值的。同样的态度，当我们评论流行的互联网科幻，不怕得罪读者，《三体》、《失控》、《必然》，莫不如此。
图1–5 日心说还是地心说
在研究光速不变问题的时候，人们测不出来光相对以太在不同方向上运动时的速度变化。这成为开尔文勋爵（William Thomson，Lord Kelvin）在著名的跨世纪演讲里提到的两朵乌云之一。当然，物理学家会为此做出解释，寻找合理的答案。爱因斯坦不是第一个解释光速不变问题的，这之前，还有洛伦兹（Hendrik A. Lorentz）。(www.xing528.com)
19世纪后期麦克斯韦（James C. Maxwell）在电磁学里建立了麦克斯韦方程组，标志着经典电动力学取得了巨大成功。然而麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略速度变换下是有问题的。由麦克斯韦方程组可以得到电磁波的波动方程，由波动方程解出真空中的光速是一个常数，跟在哪个参照系没有关系。而伽利略变换跟我们日常生活的经验是一致的，人在火车上跑，人相对于地面的速度就是人相对于火车的速度加上火车相对于地面的速度。同理，光在地球上沿着地球自转的方向发射和背着自转方向发射，都会受到地球自转速度的影响，这两个方向上光速应该是有差别的。然而麦克斯韦方程却说，没有，完全没有，光速直接就能从方程里推导出来，而与光相对于谁运动没有关系！
麦克斯韦方程没说哪个参照物，不等于人可以不想啊。于是按照经典力学的时空观，这个结论应当只相对于某个特定的惯性参照物成立，人们把这个参照物所构成的光得以传播的介质叫作以太。光相对于以太的传播速度是每秒30万公里，而我们不得不赋予以太多种奇特的假设，来使这种介质与已形成的其他规律相“和谐”。比如以太应该极硬，因为波在越硬的介质里传播越快，声音在空气里的传播速度每秒只有300多米，但在钢铁里可以到每秒5000多米，而光速可以到每秒30万公里，那以太真的要非常非常硬。但为什么我们人又不会被卡在以太里面呢？以太只对电磁波是硬的，其他物质却都感觉不到。这后续的一系列假设太神奇了。
物体相对于一个绝对的参照物运动，是要遵循伽利略变换的。光源以某一速度相对于以太运动，光借助于这一速度而相对于以太的运动速度变化是至少可以观察到的。这被1887年的迈克尔逊——莫雷实验（Michelson-Morley Experiment）所否认，迈克尔逊花了大量的时间和精力改进设备，但都测量不到光因为地球相对于以太参照系运动而引起的速度变化。
1904年，洛伦兹提出了洛伦兹变换用于解释迈克尔逊——莫雷实验的结果。根据他的设想，观察者相对于以太以一定速度运动时，长度在运动方向上发生收缩，抵消了不同方向上由于光速产生的差异，这样就解释了迈克尔逊——莫雷实验的零结果。但长度为什么会在运动方向上收缩呢？这本身又需要一个新的假设。而爱因斯坦说，伽利略变换是有问题的，只要假设光速在任何一个参照系里都不变，而不需要有以太这种神奇的介质，一切都会简单得多！
我们在追求理论的合理性的时候，往往最后归诸极简原则。当新的理论没有给出更多的可以通过实验检验的内容时，或者不能解释比以前理论更多的问题时，我们往往选择一个假设最少的而数学表达最为简洁的理论。我们往往有一种没太多根据的信心：一个简洁的理论会揭示更深层次的内容。至少，当你以这个简洁的理论去拓展对新世界的认知的时候，手里的工具不会给你造成太大的麻烦，简单往往意味着顺手。
经典理论并没有解释科学真理是什么，它是如何产生的，以及它如何与世界相联系，而且它使得这一切更为费解而神秘化了。的确，我们不应该满意于这样一种真理化的科学，它反而使科学的概念更模糊，甚至使得世界的存在成了一个棘手的问题，如果有绝对真理的存在，它允许我们认识吗？它可以描述世界吗？还是它本身也是存在的世界的一部分？这继而导致了一部分科学家可以追寻这些真理的来源为理由引向超自然力量的安排，而一部分人，像我，并不认为这进一步的假设是必要的。
我们要时刻警惕得出结论前的先验倾向，因为测量结果往往是由测量的方式决定的。科学的态度要求我们在对具体问题的探究中，不得不提醒自己把信念和理论预期悬置起来，在获得足够的证据之前保持怀疑的能力；愿意依据证据来行动，而不是首先做出带个人偏好的结论；把我们所有的观点当成待检验的假设来使用，而不是将它们视为待表明的和待提供更多证据的教条；乐于寻找新的探究领域和新的问题来验证这些假设。
传统的经验论者被牛顿的成就所吸引，因为我们根据经典的牛顿世界观构造了一种关于根本的、客观的、实在的体系。这些经验论者也发展了类似于牛顿机械论的认识论。在这些认识论的指导下我们将知识理解为稳定的、完整的实在，可以作为确切表象让人被动接收。这种思维同样渗入了我们的教育习惯。
但自16世纪以来，科学已经发展出一种体验性的模式。根据这一模式，知识在本质上是由假设所引导的实验构成的行动的、操作性的事件。也就是说，科学并不是只有通过获得实在的准确图像才能获取世界的表象。科学将知识理解为预言和控制自然变化进程的实践性过程，它是一套掌握和理解，甚至预言这些实践性事件的方法。牛顿之后的哲学家们承认，哲学必须与科学结盟，哲学家们不能再使认识论独立于科学之外。在发展一门新理论的过程中，我们也必须发展更合理的经验观，意识到传统理论错在哪里，有哪些成立的先决条件和适用的范畴。我们要时刻意识到，人类已经建立的经典化的关于科学的论述不是交互的和体验性的，而常常强调或默认科学研究的任务在于回答真理必须是什么，这一前提所做出的推论往往成了以科学为名义的神秘论的基础。
我们曾经定义：科学是什么，或者科学的理论是什么，而且把它作为一种衡量的绝对标准来规定，什么是科学的就高大上，什么是不科学的就怪力乱神。但如果我们重新审视科学的过程化本质，相信科学本身是实践化的，以科学认知为体验的过程，而不把科学当作绝对真理的终点，我们自然不用去提什么“走近科学”。对一个需要体验的、可变的、工具性的方法，我们只有是不是掌握了，是不是应用了，而不存在离得远近的问题。杜威的思想由体验主义实践，在众多案例中被验证了。这本书可以看作为体验主义精神提供自然世界的基础。这又是一个以体验主义得出的方法，我们生活的世界应该是一致的，应用于物理学的思维方式，应该与其他领域的经验是一致的，否则我们没法说明哪里是方法的边界。而这幅关于自然的图像和我们每一点的技术进步、每一个工程设计、每一个公共政策的设计都是相关的，我们应该随时检查一下它所依据的基础，并且找出产生这些结论的方式和原因。所有成功的科学探究都遵循这样的体验主义模式，这种模式可以被表述为四个步骤，套用《心经》的讲法：
（1）受：观察，感受事物本身。为事实和现象的关联感到困惑、混乱与怀疑，这时人们处于一种事物现象特征尚未确定的不完整的境遇中；
（2）想：对感受到的现象做试探性的解释，做出理性分析和推测性的预期，构造理论框架；
（3）行：对所有可定义与可说明的问题进行仔细的调查，检验、审察、探测与分析，在已有的理性框架下设计可以控制的实验来验证理论的可靠性；
（4）识：对假说进行详细阐述，使其更加精确、更加连贯，从而与更大范围内的事实相一致；将所提出的假说视为一种可以应用于自然世界的行动方案，公开采取某种行动以实现预期的结果，并把这个假说作为拓展新知识的新基础。
体验主义的核心特征是它放弃了知识自身具有某种目的性和普适性的传统观念。从体验主义的角度看，认知是在经验中解决问题的实践行为，认知的价值是工具性的而非真理性的。知识的旁观者，“客观理论”不得不认为人的问题超越了科学探究的范围，是主观而不确定的。但一旦放弃了旁观者的理论而采用体验主义所倡导的实践论，我们就发现没有理由对人自己的问题做出限制。“假设”被认为可以保证对进一步探究的引导，而通常是可以修改的、容错的，需要经过未来探究的检验。失败的假设被修改或被放弃，成功的假设被证实，但并不被接受为“绝对真理”。在杜威看来，认识论所关心的不是“知识”，而是认知，是对有问题的情境做出的改变行动，是一种探究过程。用量子语言来讲，观测和认知的过程，是一个因事物关联而交互的过程。探究对有问题的情境做出回应，其目标是解决问题。相应探究就是在不确定的情境中提出假设并开展实验性的操作。但我们必须在探究中采用实际的手段，说明为什么固有的、传统的和流行的方法不适用，而这也要求我们采用新方法时要做可靠性的说明。
杜威从体验主义的角度归纳说，我们寻求的终极解决方案或者真理化的逻辑实体不应被看成永恒完美的，而应被看作我们继续去认识世界的工具或阶梯。我们在利用这些工具去开拓未知时，也要时刻提醒自己这些工具也会成为我们限制自己行为和认识能力的枷锁。在下一章，我们将学会这样的表达，用量子的语言讲，我们因为测量坍缩了部分世界，因为描述和沟通的需求而凝缩了思想，我们不得不这样做来建立经典世界和量子世界的沟通，但这种坍缩同时为我们开启了更广阔的未知世界。经典哲学努力地寻找终极理论或最终正确的真理，然而科学本身的发展一次又一次地申明了一件事情：“也许那里从来没有过最终的真理，我们只是不断地找到更好的解释。”
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