彼得·沃森：20世纪末的互联网和物理学，与未来世界的轮廓

1986年，从加州大学洛杉矶分校走出去的学生丹·林奇创办了一场名为Interop的计算机硬件和软件商品交易会。当时，通过计算机网络互通有无的不过只有几百位“核心”科学家和学者。但是从1988至1989年间，Interop快速发展：这个交易会原本是仅限于专家，渐渐更多人参与，因为他们发现这种新的沟通方式（通过可以访问众多数据库的遍布世界各地的远程计算机终端相连，即互联网）必定会成为未来的大势所趋，不仅带来知识进步，也承诺着商业回报。来自加州的温特·瑟夫（Vint Cerf）自称“电脑迷”，每年要抽几天时间重读《魔戒》，他是少数几个可以被称为互联网之父的人之一。他参加过林奇的交易会，当然注意到这个巨变。直到那时，从某种程度上说，互联网不过是个实验，仅此而已。

至于互联网起源于何时，众说纷纭。最早的说法可以追溯到1945年范内瓦·布什（Vannevar Bush）的想法。布什在原子弹的制造过程中起过重要作用，他曾经设想有台机器能够全面“访问”人类掌握的知识。但是直到1957年10月，俄国人成功发射了震惊世界的“斯普特尼克号”时，我们今天所知的“网络”才蹒跚迈开了第一步。卫星的发射带来了相关的技术：为了把卫星送进太空，俄国研制了火箭，这种火箭能够准确抵达美国，如果在上面安装核弹头，就可以从事巨大的破坏活动。至此，交战规则发生了变化，这项成就刺激了美国，随后美国启动了一批研究项目，其中一项研究的就是如何将美国的（军事方面的和政治方面的）指挥系统和控制系统分散于整个国家，如果一地受袭，仍然可以通过其他地方使美国正常运转。出于各种考虑，美国政府还设立了一些新的机构，包括国家航空航天局（NASA）和高级研究计划署（ARPA）。正是这一整套机构担起了调查核打击之后的指挥和控制机构的安全性的职责。其中ARPA拥有大约70名员工、5.2亿美元拨款和20亿美元的预算资金。

那个时候计算机已经不是新鲜事儿，不过它们价格高昂、体积庞大（当时哈佛大学有一台计算机，长15米、高2.4米）。在高级研究计划署招募的专家中，有一位约瑟夫·利克莱德（Joseph Licklider），他身材高大，说话简明扼要，是位来自密苏里州的心理学家，曾于1960年发表过一篇论文，题为《人机共生》，他在文中展望了计算机的整体部署，反讽地称其为“星际间网络”。这似乎预示了某种方向。20世纪60年代初，随着保罗·巴兰（Paul Baran）提出“包交换”技术的设想，第一次突破发生了。巴兰是位波兰移民，其灵感源自人脑，人脑有时会将它传递的信息转移到新的路径，从而使病体恢复健康。巴兰打算将信息分成更小的信息包，然后通过不同路径将它们传至终点。他发现，这样不但能加快传输速度，而且还能避免因一条路径出错导致信息全部丢失的情况。这样，他们开始设想一种技术，这项技术能够在信息包抵达时将其重组，并检测网络的最快路径。当时在英国国家物理实验室工作的唐纳德·戴维斯（Donald Davies）几乎也在同一时间产生了相同的想法，事实上，“包交换”这个术语是他首创的。新硬件带来了新软件；排队论随即出现了，这是一个全新的数学分支，其目标是要发现最合适的替代方案，防止信息包在中间节点不断累积并发生堵塞。

1968年，第一组“网络”建成，它只有四个站点：加州大学洛杉矶分校、斯坦福研究院、犹他大学和加州大学圣巴巴拉分校。促成这一进步技术突破是所谓的接口信息处理机或IMP的概念，它的任务是将零碎的信息输送到指定位置。换句话说，不将“主”机相互连接，而是只连IMP，每个IMP与一台主机相连。计算机可能有不同的硬件配置，使用不同的软件，但是IMP使用相同的语言，能够识别终点。高级研究计划署与马萨诸塞州坎布里奇市一家名叫博尔特——贝拉尼克——纽曼（BBN）的小型咨询公司签订了生产IMP的合同，后者于1969年9月为加州大学洛杉矶分校生产了第一批处理机，同年10月为斯坦福研究院生产了第二批处理机。至此，两台不相干的计算机第一次出现了“对话”的可能。到1970年1月，四个节点建成并运行，全部位于美国的西海岸。东海岸的第一个节点位于博尔特——贝拉尼克——纽曼公司的总部，于3月建成。此时，这个网络已经横贯了整个大陆，后来称为阿帕网。到1970年底，阿帕网一共包含15个节点，全部设在大学或智囊机构内部。

到1972年底，有三条横跨全国的线路投入运行，IMP簇群主要集中在四个区域，分别是波士顿、华盛顿特区、旧金山和洛杉矶，一共囊括40多个节点。至此，阿帕网基本形成，虽然其功能有严格的防御倾向，但还是能看到一些非正式的用途：棋类游戏、智力测试、美联社有线服务广播。私人信息沟通已经不再遥远。1972年的一天，电子邮件（email）诞生了，当时博尔特——贝拉尼克——纽曼公司的一名工程师雷·汤姆林森Ray Tomlinson）开发了一个计算机地址程序，它最突出的特点是区分用户名与用户正在使用的机器名。汤姆林森需要一个从未在任何用户名中出现过的字符。他环顾键盘，恰好看到了“@”符号。这个符号非常完美：意为“在”，且没有其他用途。事情的进展非常自然，阿帕网社区纷纷效仿。1973年的一份调查显示，在阿帕网的50个IMP，其中四分之三的信息流量为电子邮件。

到1975年，网络社区的用户已经增长到一千多名。下一个突破来自温特·瑟夫的设想，当时他正在旧金山一家酒店的大厅里坐着，等待开会。那个时候，阿帕网已经不是唯一的计算机网络：其他国家也拥有了自己的网络，美国的一些科技公司也开始建设自己的网络。瑟夫开始思考如何通过一系列他所谓的网关把这些网络整合起来，创建一个大型网络，即链式网，其他人称之为互联网。这不需要添置机械设备，但要求设计一种传输——控制协议（TCP），即通用的计算机语言。1977年10月，瑟夫及其同事演示了第一台可以访问一个以上网络的系统。我们今天熟知的互联网终于诞生了。

网络加速发展，变得不再是单纯的演练式网络。不过，到1979年，它仍然主要局限于（大约120所）大学和其他学术/科研机构。因此，美国高级研究计划署安排国家科学基金会接手，建立了计算机科学研究网络（CSNET），并于1985年创建了一个由五家分散在美国境内各处的超级计算机中心和十多个地区网络构成的“框架”。这些超级计算机是网络的中枢和蓄电池，也是巨大的记忆库，可以吸收用户扔进去的各种信息，并防止堵塞。大学每年花在网络连接上的费用为2万至5万美元。越来越多的人如今看到了互联网的潜力，1986年1月，西海岸召开了一个大型峰会，整理电子邮件秩序，并创建了7个域名或“Frodos”，分别是大学（edu）、政府部门（gov）、公司（com）、军事机构（mil）、非营利性组织（org）、网络服务提供商（net）和国际条约组织（int）。正是这一新秩序在1988至1989年有力地促进了互联网的大发展，丹·林奇的Interop便是明证。最后的转折发生在1990年，当时日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室的研究人员创建了万维网（World Wide Web）。它采用了蒂姆·伯纳斯——李（Tim Berners-Lee）设计的特别协议HTTP，使互联网变得更易浏览或操作。Mosaic是第一款真正流行的浏览器，它由伊利诺伊大学开发，并于1993年投入使用。从此，互联网才在商业领域变得可行而易操作。

互联网也不乏批评者，如布莱恩·温斯顿，他在1998年撰写的媒体技术史中警告：“互联网代表了20世纪下半叶信息商业化理念的最终灾难性应用。”但是几乎无人质疑，互联网的确是一种新的沟通方式，人们同时也相信，一种新的心理学即将因为“网络空间”的虚拟人际关系而诞生。

在接下来的几年里，1988年也可以说是科学的转折点。这一年，互联网和人类基因组组织走上正轨，引领人类进入了超现代世界，也使21世纪的发展初现轮廓。也是这一年，一本书面世了，在科技图书出版史上，它获得的商业成功是其他任何书籍所无法比拟的。它为科学的普及打上了烙印，不过，正如我们将在结语中看到的，在某种程度上，这本书也代表了科学最受欢迎的那个年代。

《时间简史：从大爆炸到黑洞》是剑桥大学的宇宙学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的著作，而Bantam图书公司的纽约编辑彼得·古扎迪（Peter Guzzardi）为这本书的编印忙乎了五年，所以某种程度上说，也是他的作品。正是古扎迪说服霍金放弃了与剑桥大学出版社的合作。在此之前剑桥大学出版社一直计划出版霍金的这部作品，而且他们已经出版了他的其他作品，还为《时间简史》支付了1万英镑的预付款—这已经打破了他们的预付款最高纪录。但是古扎迪说服霍金改投Bantam的过程并没有大费周章，因为古扎迪的满腔热情早就征服了公司的编辑部，他们的预付款高达25万美元。其间数年，古扎迪努力工作，发奋编辑霍金深奥晦涩的文章，使其更易被普通读者接受。这本书于1988年初春发布，其后发生的事情很快载入出版史。在美国和英国，精装本的销量均超过50万本，到1991年，这本书已经重印了20次，在畅销书榜单上停留了234周，长达四年半之久。这本书在意大利、德国和日本等全世界众多国家也大获成功，霍金旋即成为世界上最著名的科学家。人们为他制作电视剧，请他友情客串好莱坞电影，聆听他的公开演讲，即使像伦敦阿尔伯特音乐厅那么大的会场也会因为他而人满为患。

这个成功的故事中还蕴含着一个不寻常的因素。1988年，霍金已经46岁，但是早在1963年起，当他还只有21岁时，他就已经被诊断出肌萎缩性侧索硬化症（ALS），在英国它也被叫作运动神经元病，在美国它也被称为卢伽雷氏病，因为美国洋基队的一名棒球运动员卢·伽雷就死于这种疾病。在1962年底，诊断之初的症状只是动作笨拙，接着病情不断发展，到1988年霍金已经被迫要坐轮椅，而且只能通过一种与语音合成器相连的特制计算机同周围的人进行沟通。尽管身有残疾，1979年，他荣获剑桥大学的数学卢卡斯荣誉教席，这一职位此前属于艾萨克·牛顿。他还获得了爱因斯坦奖章，发表了众多关于万有引力、相对论和宇宙结构的著作，反响很好。正如霍金的传记作家所说，斯蒂芬·霍金的残疾程度与他的科学思想之深入人心到底有多大关联，我们也许不得而知，但是，他战胜病魔的精神确实令人鼓舞、感动人心（20世纪60年代末医生推测他只能再活两年）。他从不允许残障妨碍他关注重要的科学问题，包括黑洞、“奇点”的概念、它们对大爆炸理论的启示、多重宇宙的可能性、万有引力的新观点和真实世界的脉络，特别是“弦理论”。

霍金的名字无可磨灭地与黑洞联系在一起。我们早先时候已经提到，黑洞的概念始于20世纪60年代。科学家想象中的黑洞是密度超大的物体，源于某种恒星演变，在此过程中由于万有引力的作用，大型天体自身瓦解，一切都无可幸免地被它吸收，哪怕是光线。20世纪60年代，脉冲星、类星体、中子星和背景辐射的发现大大拓宽了我们对这一过程的理解，这个过程变得更加具体，而不是抽象。霍金在伦敦大学伯贝克学院期间，曾与另一位卓越的物理学家罗杰·彭罗斯共事。他们二人首先提出，在每个黑洞的中心，如同宇宙发端时一样，一定有一个“奇点”，此时物体的密度无穷大而体积又无穷小，我们所熟悉的物理学法则在此完全无效。霍金进一步提出了一个革命性的观点，黑洞可以发出辐射（即霍金辐射），在特定条件下会发生爆炸。他相信，正如20世纪60年代射电星的发现要归功于新发明的射电望远镜一样，X光应可以通过大气层（大气层可以屏蔽掉这些光线）之上的卫星从太空中探测到。霍金的推论基于这样的推算，即当物体被吸入黑洞，它就会变得温度极高，从而释放X光。果然，科学家随后就在太空探索中发现了四种X光源，因而成为印证可观测黑洞的第一候选项。霍金后来的计算显示，与他最初的想法相反，黑洞不会保持稳定，而是以引力的形式丢失能量，接着收缩，最终在几十亿年后爆炸，这也许能解释宇宙中偶然发生的、无法解释的能量爆发。

20世纪70年代，霍金应邀去了加州理工学院，在那儿遇到了极具魅力的理查德·费曼（Richard Feynman），并与他交换了意见。费曼是量子理论的权威，霍金利用这次会面进一步发展了有关宇宙起源的解释。1981年，他在梵蒂冈公布了这一理论。霍金理论的来源是，他尝试设想当黑洞收缩成一个点并消失时会发生什么情况。麻烦在于，根据量子理论，最小的理论长度是普朗克长度，取自普朗克常数，相当于10的-35次方米。一旦物体到达这个长度（虽然它很小，但不是零），就无法继续收缩，但可以完全消失。类似地，普朗克时间也是相同的情况，相当于10的-43次方秒，因此，当宇宙产生时，它不可能在不到10的-43次方秒内产生。霍金通过一个可以用类比解释的方法解决这个反常现象。他要求我们接受爱因斯坦提出的时空弯曲学说，它就像气球的表面，或者地球的表面。记住这些只是类比，霍金还采用了另一个类比，他说，宇宙最初就像绕北极画的一个小圆圈那么大。随着宇宙（圆圈）的膨胀，仿佛纬线绕着地球膨胀一样，直到抵达赤道位置，然后开始收缩，在“大收缩”时抵达南极。在南极，无论你要往哪儿去，你都必须要往北走：几何学告诉我们，不可能有别的路径。霍金要求我们接受，在宇宙诞生之初，一个类似的过程就发生了：正如“南”在南极没有意义，在宇宙的奇点，“之前”也无意义，时间只能往前。

霍金的理论试图解释大爆炸“之前”发生了什么。关于大爆炸理论，困扰物理学家的一大问题在于，正如我们所知，宇宙似乎在各个方向上都很相似。它为什么会有这么精妙的对称？多数爆炸不会展现如此完美的平衡，那么是什么使“奇点”与众不同？麻省理工学院的阿兰·古斯（Alan Guth）和安德烈·林德（Andrei Linde，他是一位俄罗斯物理学家，于20世纪90年代移居美国）提出，在时间的起点，即T=10的-43次方秒时，宇宙比一个质子还小，而重力暂时是一种斥力，而不是引力。他们认为，宇宙因此经历了一个迅速的膨胀期，待它变成葡萄柚般大小时，它开始稳定为我们今天看到的（并能测量到的）膨胀速率。这一理论（有些批评家称之为“理论发明”）的要点在于，它能以最简单的方式解释宇宙为何如此统一：迅速膨胀可以消除任何褶皱。它还解释了宇宙缘何不完全同质：大块的物质形成银河系、恒星和行星，其他形式的辐射则形成气体。林德进一步阐明，我们的宇宙并不是膨胀的唯一产物。他认为存在着“多重宇宙”，由很多不同大小的宇宙组成；而这也是霍金正在探索的东西。幼小的宇宙实际上就是黑洞，是时空中的气泡。回到有关气球的类比，想象一下气球的表面有一个泡泡，由一个狭长带分开，相当于奇点。我们谁也无法通过这个狭长带，谁也不知道这个小泡泡可能会变得和气球一样大，或者比气球还大。事实上，任何数字都可能存在——它们是代表时空曲度和黑洞物理曲度的函数。显然，我们永远无法获得宇宙大爆炸的直接经验：它们也就变得无意义了。

“无意义”这个词把物理学领进了全新的思考阶段。一些批评家称之为“反讽科学”，人们进行各种推测和实验，提出（往往是）奇怪的观点，却得不到实际的证据。不过，这样说不完全公平。很多推测得到了数学计算的提示或支持，而数学计算又指向答案，在这当中，文字、视觉影像和类比都不起作用。整个20世纪，物理学家们提出了一些很久之后才得到实验支持的观点，因此似乎也没有什么新内容。此时，我们正处于一个中间时段，我们无法确定当前物理学的哪些观点经得起考验，能得到实验支持，而有些观点似乎永远都不可能获得实验支持。

霍金等科学家提出的另一个理论是，“原则上来说”，原初的黑洞和所有随之而来的宇宙实际上是由“虫洞”或“宇宙弦”等连接起来的。科学家们把虫洞设想为极小的管状体，能连接包括黑洞在内的宇宙的不同部分，因此理论上也可以连接其他宇宙。但是它们非常狭窄（直径只有一个普朗克长度），如果没有宇宙弦的协助，什么也无法从中穿过——需要强调的是，宇宙弦完全是理论上的设想，被视为原初大爆炸的残骸。宇宙弦以极细（但极紧密）的带状形态横跨宇宙，运行方式“奇特”。这意味着，当它受到挤压时，就会膨胀；当它被拉长时，就会收缩。因此，至少在理论上，宇宙弦能够打开蠕虫洞。理论上说，它再次证明，某种未来文明可能会实现时间旅行。一些物理学家持此观点，而另一些物理学家则表示怀疑。

马丁·里斯（Martin Rees）的宇宙“人择原理”（anthropic principle）可能更容易领会。里斯是英国皇家天文学家，也是与霍金同时代的人，他为“平行宇宙”提供了一些间接证据。他的论点是，如果只有一个宇宙，那么一定发生了大量的巧合才使得人类的存在成为可能。在一篇早期论文中，他表示，只要我们熟悉的物理定律发生一点点变化（比如，重力增加），那么我们所熟知的宇宙就会发生巨大的变化：天体将会变小、变冷，寿命变短，表面地形将大相径庭，等等。其理论的一大结论是我们所知的生命可能只形成于我们这个宇宙，因为这里的物理定律适合我们。这就意味着：首先，其他形式的生命很可能存在于宇宙中别的地方（因为同样的物理定律也适用于我们的整个宇宙），但它也意味着，可能存在适用其他物理定律的很多其他宇宙，其中存在着形式截然不同的生命或根本不存在任何形式的生命。里斯认为，我们可以观察自己的宇宙，猜想其他宇宙，因为我们所处的这个宇宙的物理定律允许我们这么做。他坚称，这不是巧合所能说得通的：全然不同于我们宇宙的其他宇宙几乎必定存在。

与多数老一辈物理学家、宇宙学家和数学家一样，霍金也投入了大量精力研究科学家所说的“宇宙纪事”，即所谓的“万有理论”（Theory of Everything）。这也是个不无讽刺意味的概念，想通过一组方程式全面概括基础物理学。十多年来，物理学家们一直说，“最终答案”即将揭晓，但事实上，万有理论始终难以捉摸。在物理学革命开始之前，有两种理论是必需的。正如史蒂文·温伯格所说，艾萨克·牛顿提出的万有引力理论“解释了天体运动及诸如苹果等物体如何掉落地面；詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的电磁学理论解释了光、辐射、磁性和带电颗粒之间的作用力”。但是，这两个理论只在某一点上是相容的：麦克斯韦的理论认为，对所有观察者来说，光速是一样的；而牛顿的理论则预言，实测的光速取决于观察者的移动。“爱因斯坦的广义相对论解决了这个问题，表明麦克斯韦是对的。”但是量子革命改变了一切，使物理学变得更美，同时也更复杂；它把麦克斯韦的理论和新的量子理论相联系，认为宇宙是不连续的，电磁能量包有最小限值，时间或距离的单位也有最小限值。同时，量子革命还提出了两个新的力，都只在原子核的很小范围内起作用。强作用力使原子核的粒子聚集到一起（核武器释放出来的正是这种能量）。弱作用力则是引起放射性衰变的原因所在。

因此，到20世纪60年代，物理学中有四种力需要调和：重力、电磁力、强核力和弱放射力。60年代，经谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow）设想，阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）和德克萨斯大学的史蒂文·温伯格共同创建了一套方程式，描述弱力和电磁力，并设想了三种新的粒子，W+、W-和Z0。1983年，日内瓦的欧洲粒子物理研究所对此进行实验观察。后来，物理学家又想出一系列描述强力的方程式：这与夸克的发现有关。解释夸克相互作用的新理论曾经被赋予各种古怪的名字，包括色彩名（不过这些粒子当然没有颜色），最终定名为量子色动力学（QCD）。因此，电磁力、弱力和强力形成了一整套方程式。这是一项非凡的成就，但它依然遗漏了重力，在物理学家们看来，如能将重力整合进去，形成一个总体方案，才成其为“万有理论”。

一开始，他们向重力量子理论方向推进。也就是说，物理学家们推论存在着可以解释重力的一种或多种粒子，并将其命名为“引力子”，不过新的理论推测这类粒子远远不止一种。（一些物理学家推测有8种，还有些则推测有154种，让我们觉得这个领域有待解决的任务还不少。）但是，20世纪80年代中期，“弦革命”席卷了物理学领域，1995年，又发生了“超弦革命”（superstring revolution）。物理学领域不可思议地再现了20世纪初的繁荣状态，随着21世纪的临近，一个全新的研究领域呈现在人们面前。到1990年，发达国家的主要书店里全是各种热门的科普图书，品种繁多，涉及物理学、宇宙学、数学、进化论和生物学，等等，这是一种前所未有的热潮。1999年，一位同时任教于康奈尔大学和哥伦比亚大学的物理学和数学教授携作品进入了大西洋两岸的畅销书榜单，这本书的难度绝不亚于《时间简史》。布赖恩·格林（Brian Greene）撰写的《优雅的宇宙》讲述了物理学领域的最新成果，极力使一些深奥的概念易于理解（为了不使读者畏难，格林称这些难懂的主题只是比较“微妙”而已）。他将一系列新的物理学家引入了已然包括爱因斯坦、欧内斯特·卢瑟福、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、詹姆斯·查德威克、罗杰·彭罗斯和斯蒂芬·霍金的物理学名人堂。这批新名单中，最突出的是爱德华·威腾，此他之外，欧根尼奥·卡拉比、西奥多·卡鲁扎、安德鲁·斯特罗明格、斯坦·斯特罗姆、库姆兰·瓦法、加布雷尔·维尼齐亚诺和丘成桐也都是享誉国际的人物。

弦革命的到来源于一个基本的悖论。广义相对论解释了宇宙的宏观结构，量子力学解释了极小的亚原子结构，它们本身都很成功，但二者却互不相容。物理学家无法相信大自然会允许这样的事情发生，即一套定律只适用于大型物体，另一套只适用于小型物体。有一段时间，他们设法协调这种不相容性，很多人认为，这种不相容性与人们无法解释重力不无关系。除此之外，物理学还存在其他一些基本问题，它们也正是弦理论学家所面临的问题：为什么会有四种基本的力？为什么有不同种类的粒子？为什么它们具备各自不同的性质？弦理论学家们给出的答案是，物质的基本成分其实不是一系列的粒子（点状物体），而是极小的，往往呈环状的单维弦。这些弦很小，长度大约10的-33次方厘米，这就意味着，我们无法用现有的测量仪器直接观测弦。然而，根据弦理论，电子是以某种方式震动的弦，上夸克是以另一种方式震动的弦，T介子是以第三种方式震动的弦，如此等等，就好像小提琴上的弦以不同的方式震动，会奏出不同的音符一样。根据长度数量级，这里我们所说的确实是极为微小的物体，原子核比它大了整整1020倍。但是，弦理论家认为相对论和量子理论将可能在这个层面上走向统一。他们还认为，重力粒子（即引力子）将作为副产品和额外收获，从中自然推算出来。

弦理论最初出现于1968至1970年间，当时在欧洲粒子物理研究所工作的加布雷尔·维尼齐亚诺（Gabriele Veneziano）注意到，一道200多年前验证的数学公式似乎恰好可以解释粒子物理学的各个方面。接着，另外三名物理学家，南部阳一郎、霍尔格·尼尔森和莱昂纳德·苏士侃表示，如果粒子不是点状物体，而是震动的小弦，那么这道数学公式就很好理解了。不过后来人们放弃了这些方法，因为它们不能解释强核力。但是，这个想法并未消失，1984年，第一次弦革命爆发，迈克尔·格林和约翰·施瓦茨发表了一篇意义重大的论文，首次表明弦理论可以调和相对论和量子理论。这个突破激起了一系列的研究，在接下来的两年里，1000多篇有关弦理论的论文纷纷发表，它们都揭示粒子物理学的诸多主要特点是由弦理论发展而来的。但是，弦理论的众多成果暴露了自己的问题。有段时间，竟然有五种弦理论并存，它们同样精妙，“真假”难辨。弦理论再次陷入停滞，直到南加州大学于1995年3月召开“弦1995”会议，爱德华·威腾（Edward Witten）在会上提出“第二次超弦革命”，该理论才得以继续前行。威腾使其同行确信，这五种看似不同的理论实际上是同一个基本概念的五个方面，这就是所谓的M-理论，M代表“神秘”（mystery）、“元”（meta）或“理论之母”（mother of all theories）。

当物理学下沉到弦这样微小的层面时，此前物理学家从未想到的各种可能性开始出现，其中之一是可能存在“隐藏的维度”，要把这个概念解释清楚，需要另一个类比。首先，有个观点认为粒子之所以被视为粒子是因为我们的仪器太鲁钝了，看不到更小的形态。借用格林举的例子，设想从远处看一截软管，它看起来像一条细线，像纸上的一条直线。实际上，如果你凑近观看，就能看到它有两个维度。它一直有两个维度，只是我们凑得不够近，所以没有发现。物理学家说，就算是在弦这一级，（可能）情况也是一样，我们目前还不了解的隐藏维度蜷缩起来了。实际上，他们认为可能一共有“十一”个维度，即十个空间维度和一个时间维度。这个观点即使不是毫无可能，也难以想象，但是科学家从数学（这样的数学连数学家都觉得艰深）的角度进行了阐述。但是，一旦他们认定这个观点，宇宙中的很多事物就好理解了。例如，黑洞可以解释为类似于某种基本粒子，是通往其他宇宙的关口。额外维度也是需要的，因为弦理论家认为，它们的弯曲方式可能决定了弦震动的强度和频率，换句话说，这也解释了我们熟悉的“粒子”为何有各自的质量、能量和数量。根据最新的发展，弦理论不仅只有弦，还包括二维、三维或多维膜，或“膜”（branes）、小包，这些将是人们在21世纪要了解的主要物理学议题。

关于弦理论，除了弦本身的存在以外，最惊人的事情是，它暗示可能存在宇宙的史前时期，即大爆炸之前的时期。正如格林所说，弦理论“暗示宇宙最初并非极端灼热的、紧紧卷成的空间颗粒，而是寒冷的、在空间上是无限的”。他说，接着发生动荡，出现了一段膨胀期，然后形成了我们所了解的宇宙。这种说法的优势是，它囊括了四种力，包括重力。

弦理论将每个人的理解力拓展到了极限。直观类比行不通了，它用到的数学连数学家都感到艰深，但是有些观点我们还是能领会的。第一，弦涉及的世界超越了普朗克长度，某种意义上说，这也是1900年提出的普朗克量子概念的逻辑结果。第二，它仍然是99％的理论，物理学家们正设法用实验测试这些新理论，而至今仍然怀疑弦是否存在的仍然大有人在。第三，在这些极小的层面，我们可能会进入一个时空无限的领域。最新研究涉及零膜结构，在这个领域里，法国数学家阿兰·科纳（Alain Connes）设想的“非交换几何学”（noncommunicative geometry）取代了普通几何学。格林认为不仅在哲学上还是在科学上，这都是一大进步，一大突破，“它能够为我们解答宇宙的起源和为什么会有时空等问题，这种形式体系使我们日益接近回答莱布尼茨提出的为什么是有而不是无的问题。”最后，在超弦理论领域，物理学和数学几乎完全融合。这两门学科一向关系密切，但是从来没有密切到现在这种程度，那也许是因为我们触及了某种可能性，从某种意义上说，现实的基础正是数学。

很多物理学家相信，我们正处于数学的黄金时代，有两个领域引起了数学家们的普遍关注。

“混杂”（chaoplexity）这个词源于混沌（chaos）和复杂（complexity）。1987年，詹姆斯·格雷克在《混沌：开创新科学》中首次提到了这个新的知识领域。混沌研究始于如下观念：用数学家的话说，世界上有很多现象是非线性的，这就意味着原则上它们是无法预知的。其中最著名的是所谓的蝴蝶效应，打个比方，美国中西部的一只蝴蝶拍打翅膀，可能会引发一系列事件，最终导致远东地区的一场季风。这个理论的第二个方面是其“突发性”，即世界上存在着很多“仅靠研究系统成分无法预知或理解的”现象。意识就是一个很好的例子，因为即便可以理解它（这一点也极具争议），也不能通过研究大脑内部的神经和化学物质而达成理解。但是，这还不及混沌科学家所要表达的一半。他们还称，计算机的到来使我们能够进行前所未有的强大的数学运算，其结果是，最终我们将有能力模拟复杂的系统，如大分子、神经网络、人口增长、气候模式。换句话说，混沌表面之下的深层秩序将被揭示。

混杂学的基本观点来自IBM的应用数学家本华·曼德博（Benoit Mandelbrot），他发现了所谓的“分形”（fractal）。完美的分形是海岸线，雪花和树木亦属于分形。从远处看，它们是形状或轮廓；稍近一些，就能看到复杂的细节；再近一些，能看到更多的细节。靠得越近，轮廓的细节越多，而且图案往往不同规模地重复。因为这些轮廓不会变成平滑的线，也就是说，从不符合某种简单的数学函数，曼德博称之为“数学里最复杂的事物”。但是，人们同时还发现，简单的数学规则可以植入计算机程序，经过很多代之后，会产生复杂的模式，“从不完全重复”。基于这一点，以及实际生活中的分形观察，数学家们推断，自然界中有某种特别强大的规则控制着看似混乱而复杂的系统，这些系统的本质还有待揭示——这是深层秩序的又一个例子。

20世纪80年代末90年代初，混沌学突然兴起，成为最流行的数学领域之一；新的研究机构也随之建立，那便是位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯东南部的圣菲研究所（SantaFeInstitute），它还将夸克的发现者默里·盖尔曼招至麾下。这项新研究提出了若干新的概念，包括“自组织临界性”、“灾变理论”、现实的层级结构、“人造生命”（artificial life）和“自组织”。自组织临界现象是帕·巴克（Per Bak）的创见，帕·巴克是一名丹麦物理学家，20世纪70年代移民美国。他曾告诉约翰·霍根，他的研究始于他对沙堆的观察。如果不断地往沙堆上添沙子，沙堆会变高，可是只要超过某一临界状态再多加一粒沙子，就会引发崩塌。巴克注意到这一过程与很多其他现象（股市崩盘、物种灭绝、地震等）有明显相似性。他认为可以从数学层面理解这些过程，用数学的方法加以描述。有一天，我们也许能够理解这些事情缘何发生，不过这未必意味着我们能控制或阻止其发生。帕·巴克的理论与法国人雷内·托姆（René Thom）的灾变理论相去不远，后者认为，纯数学计算可以解释“非连续的行为”，如生命的出现、毛毛虫蜕变成蝴蝶或文明的衰退。这些研究都是对深层秩序的探索。

在众多探索中，菲利普·安德森（Philip Anderson）的工作尤为突出。1977年，他因超导体研究荣获诺贝尔物理学奖。安德森没有论证基础秩序，他的观点是，存在着一个秩序层级——世界上的每个组织层次，均独立于其上面一层或下面一层，生物学领域尤其如此。“在每个阶段，全新的规律、概念和总结都是必要的，需要与前一阶段同等的敏锐度和创造力。心理学不是应用生物学，生物学也不是应用化学……你必须抵制如下诱惑：你在一个层面上所掌握的普遍原理，可以在每个层面上都适用。”

时间推移到20和21世纪之交，混杂学家开始感到些许失望。20世纪90年代初令人振奋的研究到现在为止还没有产生可以与弦理论相提并论的鼓舞人心的成果。不过，数学没有让人气馁，并继续打动人心，并且与生物学密切相关。这些成就在英国华威大学数学系教授伊恩·斯图尔特（Ian Stewart）发表于1908年的著作《生命的另一个秘密》中有所总结。斯图尔特继承的传统虽然不如霍金—彭罗斯—费曼—格拉肖的物理学/宇宙学谱系，或道金斯—古尔德—丹尼特的进化论谱系那么有名，但他属于达西·温特沃斯·汤普森（《生长与形态》，1917）、斯图尔特·考夫曼（《秩序的起源》，1993）和布莱恩·古德温（《豹子如何改变自身的斑点》）等人组成的阵营，可以算得上是后起之秀。他们有一个共同观点：遗传学不曾解释生命，也不可能完全解释生命。虽然看似奇怪，但遗传学需要数学知识，因为数学即深层秩序，它决定了实物；说到底，所有的生物全都缘于深层秩序。

《生命的另一个秘密》旨在揭示，数学“在每个层面左右着我们对生命的理解，从DNA到雨林，从病毒到鸟群，从第一个自我复制的分子到势不可挡的进化过程”。斯图尔特举的例子既有趣又有煽动性，比如蜘蛛网和雪花中的数学、蚁群大小的变化、八哥群的形成，他还研究了植物的分枝系统和虎豹等动物身上的花纹。他还专辟一章书写“花卉中的斐波纳契数列”，概述植物王国的格局。

所谓斐波纳契数列，即1，2，3，5，8，13，21，34，55，89，144……它由比萨的列奥纳多于1202年首先发现，列奥纳多的父亲是波纳契，因此他将其命名为“斐—波纳契”。在这个数列里，每个数字都是前两个数字之和，这一简单排列描述的内容却相当丰富：例如，百合的花瓣是3片，毛艮的花瓣是5片，飞燕草的花瓣是8片，金盏花的花瓣是13片，紫菀的花瓣是21片，雏菊的花瓣为34片、55片或89片。但是斯图尔特的作品和思想在眼界和趣味方面远甚于此。他开篇即指出，胚胎期细胞的分裂现象与肥皂泡形成泡沫的方式有明显的相似性，染色体在分裂细胞中的排列方式与互相排斥的磁铁的排列方式相似。换句话说，无论把什么指令编进基因，生物体的众多表现似乎都受制于其物理性质，而物理性质则可以写成数学等式。斯图尔特认为，这绝非偶然，是生命出于自身目的利用了自然界中的数学/物理学。他发现了分子的“深层几何学”，特别是在形成结点和线圈的DNA中，这种结构十分重要。例如，他引用了海因茨·弗伦克尔——康拉特和罗布利·威廉斯著名的烟草花叶病毒实验。斯图尔特认为，这正是无机世界和有机世界之间的过渡；如果试管能分离出病毒成分，并让其保持自身机制，它们自然就会重新合成可复制的完整病毒。换句话说，分子结构可以自动形成生命。因此，理论上，准备好相应的各种合成物质并将其置于试管中，应该可以创造病毒，也就是生命。20世纪90年代后半叶，数学家已经了解原始生命（黏菌，如土壤阿米巴盘基网柄菌）的发展过程，这并不是什么难解的数学方程。斯图尔特说：“关键是，许多生命特征被证明具有物理学特性，而不是生物学特性。”

也许最能说明问题的是斯图尔特等人称之为“人造生命”的实验。本质上说，这些实验是计算机游戏，其目的是以符号形式复制进化的方方面面。计算机屏幕上往往会有一片网格，比如，宽100个方格，长100个方格。在每个方格中分配一丛“灌木”或一朵“花”，一条“鼻涕虫”或一只“鼻涕虫的捕食者”。然后科学家设计各种规则，比如，鼻涕虫的捕食者一次可以移动五个方格，而鼻涕虫只能移动一个方格；还有，与红色花相比，绿色花上的鼻涕虫不太显眼（也不容易被吃掉）；等等。这种人造生命借由计算机模拟开始运行，移动数量可能是1万步，甚至是5000万步，使得科学家得以观察“人造生命的演变”。人们尝试了很多程序。最令人震惊的是安德鲁·帕格利斯于1996年设计的“变形虫”实验。这个实验的规则是植入一组随机的计算机代码，每10万步就随机更换其中7％（以模拟突变）。帕格利斯发现，大约每5000万步就会出现一次自我复制的代码片段，这个结果源于编程时所仰仗的数学。正如斯图尔特说过的：“不必将复制写入规则—它自然就会发生了。”其他的惊人尝试还包括共生和寄生虫的产生，不时被快速变化打断的长时间停滞，这就是尼尔斯·埃尔德雷奇和史蒂芬·杰·古尔德提出的间断平衡说。这些模型（它们并非传统意义上的实验）显示了生命起源的可能性，同时，斯图尔特也引用数学模型，说明神经细胞的网络，或者说“神经网络”，如果相互连接，就能够自然获得计算能力，这个现象被称为“突现计算”。这就意味着普通物理学活动能够自发地产生具有原始计算能力的网络：“进化会自主选择能进行计算的网络，从而提高生物的存活率，继而导向更高级的计算。”

斯图尔特的基本观点是，在赋予生命形式方面，除了遗传学以外，数学和物理学也同样强大；不过，“生命基于物质世界的数学模式。遗传学发掘和整理了那些模式，但是物理学使之成为可能并加以约束”，这种观点并非人人都能接受。在斯图尔特看来，遗传学不是生命最深层的秘密，也不是生命最深层的秩序。相反，数学才是。在书的结尾，他预言，21世纪将会出现一门结合数学、物理学和生物学的“形态数学”新学科，他希望这门学科能揭示周遭世界的深层模式，并最终帮助我们理解生命的起源。