·蓋爾曼·　夸克與美洲豹⁽⁷⁾

本書的題目源自我的朋友亞瑟·斯策（Arthur Sze）所寫的一首詩(shī)中的一行。亞瑟·斯策是一位偉大的美籍華裔詩(shī)人，住在圣菲。我是通過(guò)他的妻子，多才多藝的霍皮（HoPi）編織工拉瑪娜·薩吉斯特娃（Ramona SakiesteWa）結(jié)識(shí)他的。那行詩(shī)是這樣寫的：“夜晚徘徊的美洲豹，與夸克的世界息息相關(guān)?！?/p>

夸克是基本粒子，是原子核的組成單元。我和另外一位理論物理學(xué)家分別預(yù)言了它們的存在，并由我給它們?nèi)∶麨榭淇?。在本書的書名中，夸克象征著支配宇宙及其中的物質(zhì)之發(fā)展變化的簡(jiǎn)單而基本的物理規(guī)律?？赡茉谠S多人看來(lái)，“簡(jiǎn)單”一詞并不適用于現(xiàn)代物理學(xué)。這是一種錯(cuò)誤的想法，事實(shí)上，本書的目的之一，就是要說(shuō)明“簡(jiǎn)單”怎樣適用于現(xiàn)代物理學(xué)。

美洲豹代表我們周圍世界的復(fù)雜性，尤其是復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)所顯示出來(lái)的那種復(fù)雜性。在我看來(lái)，亞瑟塑造的夸克和美洲豹的形象完全表達(dá)了我所稱之為簡(jiǎn)單與復(fù)雜的自然界的兩個(gè)方面：一方面，是關(guān)于物質(zhì)和宇宙的基本物理規(guī)律；另一方面，是我們直接觀察到的包括我們自身在內(nèi)的世界之紛繁的結(jié)構(gòu)。而且，正如夸克象征著那些一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即受到人們?nèi)鎸徱暤奈锢硪?guī)律一樣，美洲豹是那些難以捉摸的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的一個(gè)暗喻，至少我覺(jué)得是這樣。只是它始終拒絕讓我們仔細(xì)觀察，盡管它那刺鼻的氣味在灌木叢中遠(yuǎn)遠(yuǎn)地就能聞到。

那么，我小時(shí)候是怎樣迷上博物學(xué)這樣的科目呢？后來(lái)為何又成為了一名物理學(xué)家呢？

我的啟蒙教育得歸功于我的哥哥本（Ben），他比我大9歲。我3歲的時(shí)候，他就教我認(rèn)陽(yáng)光餅干盒上的字。他還引導(dǎo)我進(jìn)行鳥類、哺乳動(dòng)物的觀察和昆蟲、植物的采集。我們住在紐約市，主要是在曼哈頓。但即便是這樣的地方，也還是有可能進(jìn)行自然現(xiàn)象研究的。我覺(jué)得紐約是一片被嚴(yán)重砍伐的鐵杉森林。我們大部分時(shí)間都呆在布隆克斯（BronX）動(dòng)物園北邊一片未被破壞的小樹林里。其他幸存的動(dòng)植物棲息地分別在這樣一些地方：比如里面有淡水沼澤的范康特蘭德公園；擁有沙灘和鹽沼的斯塔頓島的新村地區(qū)；甚至包括我們附近的中央公園，那里有許多有趣的鳥類，特別是在春秋兩季的遷徙期間。

我開始意識(shí)到自然的多姿多彩，以及這種多樣的自然得以組織成一個(gè)整體的驚人的方式。如果你沿著沼澤的四周散步，看見一只北黃喉鶯或聽到它們啼叫“維契托，維契托，維契托”，你就知道，有可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)另一只。如果你挖出一塊化石古物，你就可能在附近再碰到另一塊同樣的化石。成為物理學(xué)家之后，曾經(jīng)有一段時(shí)間我在思考，物理學(xué)的基本規(guī)律如何為這些現(xiàn)象的解釋奠定基礎(chǔ)？結(jié)果表明，答案與量子力學(xué)中處理歷史的方式有關(guān)，而最后的解釋依賴于宇宙的早期狀態(tài)。但是，撇開這些深?yuàn)W的物理問(wèn)題不說(shuō)，不那么深?yuàn)W的物種形成問(wèn)題作為生物學(xué)現(xiàn)象，的確值得好好地思考。

物種的存在絕非一件平常的事情；而且它們并不像人們有時(shí)聲稱的那樣，只是生物學(xué)家頭腦里的加工品。偉大的鳥類學(xué)家、生物地理學(xué)家恩斯特·梅伊爾（Ernst Mayr），作為一位新幾內(nèi)亞的年輕研究人員，他喜歡描述棲息在他工作的那個(gè)山谷中的127種鳥，但當(dāng)?shù)夭柯淅锏娜藗冎荒軘?shù)出126種。他和他們數(shù)目不同的唯一差別在于，他們將兩種極相似的吵刺鶯混在了一起，而恩斯特接受過(guò)科學(xué)訓(xùn)練，能將兩者分辨開來(lái)。比這種不同人們之間的一致性更有趣的是，鳥類自己也能識(shí)辨出它們是否屬于同一種類。不同種類的動(dòng)物通常不會(huì)進(jìn)行交配，如果萬(wàn)一發(fā)生了交配，當(dāng)然這是極罕見的事，產(chǎn)生的雜種將可能沒(méi)有繁殖能力。事實(shí)上，關(guān)于物種構(gòu)成的成功定義之一就是，不同物種的成員之間沒(méi)有普通方法能使基因進(jìn)行有效交換。

早年在大自然中散步的經(jīng)歷給我留下深刻印象的是，我們看到的蝴蝶、鳥和哺乳動(dòng)物確實(shí)有著嚴(yán)格的分類。如果你出去散步，你會(huì)看到歌雀、澤雀、田雀和白喉雀等各種各樣的麻雀，但你不可能看到任何介于某兩個(gè)種類之間的麻雀。關(guān)于某兩個(gè)群體是否屬于同一種類的爭(zhēng)執(zhí)主要在如下的情況下發(fā)生，即當(dāng)它們?cè)诓煌牡胤奖话l(fā)現(xiàn)，或它們屬于不同的時(shí)期，并且至少其中一種是以化石的形式存在。本和我喜歡談?wù)撐锓N如何通過(guò)進(jìn)化而全部聯(lián)系在一起，如同進(jìn)化“樹”上的葉子，上面有東西可以表示樹的結(jié)構(gòu)諸如屬、科、目等分類。兩個(gè)不同物種之間的關(guān)系到底有多近，取決于它們須沿著進(jìn)化樹向下搜尋，看在什么地方才能找到一個(gè)共同的祖先。

本和我并不局限于戶外活動(dòng)。我們還去參觀藝術(shù)博物館，包括那些陳列著大量考古文物的博物館（比如大都會(huì)藝術(shù)博物館），和那些陳列著中世紀(jì)時(shí)期歐洲一些物件的博物館（如修道院）。我們也讀歷史書，學(xué)會(huì)了認(rèn)讀用埃及象形文字寫的碑文。我們出于好玩而學(xué)會(huì)了拉丁語(yǔ)、法語(yǔ)和西班牙語(yǔ)的語(yǔ)法。我們注意到法語(yǔ)和西班牙語(yǔ)的詞匯（及英語(yǔ)中許多外來(lái)詞）是如何由拉丁語(yǔ)演化而來(lái)的。我們閱悉了印歐語(yǔ)系，并得知拉丁語(yǔ)、希臘語(yǔ)和本土英語(yǔ)中的許多單詞有著共同的詞源，并具有相當(dāng)規(guī)則的變換規(guī)律。例如，英語(yǔ)中的“sa1t”對(duì)應(yīng)于拉丁語(yǔ)中的“sa1”和古希臘語(yǔ)中的“ha1s”，而英語(yǔ)中的“siX”對(duì)應(yīng)于拉丁語(yǔ)中的“seX”和古希臘語(yǔ)中的“heX”；英語(yǔ)和拉丁語(yǔ)中的起首字母s與我們用“h”表示的古希臘語(yǔ)中的重鼻音相當(dāng)。這是又一種進(jìn)化樹，語(yǔ)言進(jìn)化樹。

歷史過(guò)程，進(jìn)化樹，有組織的多樣性和個(gè)體變異共存于我們的四周。在探討多樣性的過(guò)程中，我還得知，人類的活動(dòng)在很多情況下正對(duì)這種多樣性構(gòu)成威脅。本和我是早期的自然風(fēng)景保護(hù)主義者。我們痛心地看到紐約周圍為數(shù)不多的、還算得上的自然區(qū)正變得越來(lái)越少，比如，一些沼澤就被人們排干填平。

本世紀(jì)30年代的時(shí)候，我們就已經(jīng)深刻地意識(shí)到地球的有限性，人類活動(dòng)對(duì)動(dòng)植物群體的侵犯，以及人口限制、水土保持和森林保護(hù)等的重要性。自然，當(dāng)時(shí)無(wú)論從態(tài)度上還是實(shí)際應(yīng)用中，我都還沒(méi)有將所有這些改革的必要性，同人類社會(huì)在全球范圍內(nèi)的進(jìn)化聯(lián)系在一起，盡管這正是我當(dāng)今看待這一問(wèn)題的方式。但即便是那時(shí)，我也確實(shí)有過(guò)一些關(guān)于人類將來(lái)的想法，尤其是在教科書與韋爾斯（H. G. We11s）的科學(xué)探險(xiǎn)故事的影響下，這種想法越來(lái)越引起我們的關(guān)注。

我喜歡讀韋爾斯的小說(shuō)，也常常貪婪地閱讀短篇小說(shuō)集，本和我還經(jīng)常朗誦詩(shī)集中的英語(yǔ)詩(shī)。我們有時(shí)去聽音樂(lè)會(huì)，甚至到大都會(huì)歌劇院去看歌劇。但我們很窮，大部分時(shí)間里我們只得滿足于參加一些免費(fèi)活動(dòng)。我們嘗試著彈鋼琴，哼唱吉爾伯特（Gi1bert）和蘇利文（Su11ivan）所作的歌曲及一些歌劇調(diào)子，但均是淺嘗輒止。我們聽收音機(jī)，試著收聽很遠(yuǎn)處的電臺(tái)，包括長(zhǎng)波的和短波的，當(dāng)我們成功地收聽到了以后，就寫信給他們，索要“證明卡”。我清楚地記得澳大利亞寄來(lái)的那些卡片，上面有笑的圖。

本和我想要了解這個(gè)世界并欣賞它，而不隨心所欲地將它分割成若干部分。我們覺(jué)得自然科學(xué)、社會(huì)行為科學(xué)、古典語(yǔ)言、文學(xué)及藝術(shù)等領(lǐng)域并無(wú)顯著的差異。事實(shí)上，我從不相信這些區(qū)分有什么重要意義。人類文化的統(tǒng)一性一直深深地打動(dòng)著我。在這種人類文化中，科學(xué)擔(dān)當(dāng)著一個(gè)重要的角色。即便是自然與人類文化之間的差別，也并不那么明顯。我們?nèi)祟惐仨氂涀?，我們是自然的一部分?/p>

雖然專業(yè)化是我們的文化發(fā)展的一個(gè)必然的特征，但它仍需以各學(xué)科思想之間的統(tǒng)合作為其補(bǔ)充。這種統(tǒng)合的一個(gè)突出的障礙是，橫亙?cè)谀切┠茏匀绲貞?yīng)用數(shù)學(xué)的人和那些不太懂?dāng)?shù)學(xué)的人之間的一條分界線。幸運(yùn)的是，我在很小的時(shí)候就受到了定量思考這樣一種習(xí)慣的熏陶。

雖然本也對(duì)物理學(xué)和數(shù)學(xué)懷有興趣，但鼓勵(lì)我學(xué)習(xí)這些學(xué)科的主要還是我父親。我父親是本世紀(jì)初期從奧匈帝國(guó)移民來(lái)美國(guó)的，他當(dāng)時(shí)不得不中斷了在維也納大學(xué)的學(xué)習(xí)。到美國(guó)后，他又得幫助他的父母養(yǎng)家。他們比父親早幾年移民到美國(guó)，住在紐約，但他們?nèi)氩环蟪?，難以維持生計(jì)。我父親的第一個(gè)工作是在費(fèi)城的一個(gè)孤兒院里干活，他在那里跟孤兒們學(xué)會(huì)了英語(yǔ)和棒球。雖然他開始學(xué)英語(yǔ)的時(shí)候已是一個(gè)年輕的小伙子了，但他的語(yǔ)法和發(fā)音竟也逐漸地變得無(wú)可挑剔。自記事起我就發(fā)現(xiàn)，人們從他發(fā)音從不出錯(cuò)就可以猜測(cè)他出生于國(guó)外。

在考察了若干種就業(yè)機(jī)會(huì)之后，他最后決定開辦亞瑟·蓋爾曼語(yǔ)言學(xué)校，教其他移民說(shuō)完美的英語(yǔ)。他也教德語(yǔ)，并且雇用了一些法語(yǔ)、西班牙語(yǔ)、意大利語(yǔ)和葡萄牙語(yǔ)教師。學(xué)校取得了一定的成功，但1929年，也就是我出生的那年，情況發(fā)生了變化。不僅股票市場(chǎng)跌入低谷，而且美國(guó)開始實(shí)行新的移民法，大大限制了往美國(guó)的移民。從那時(shí)候起，由于新的移民限額制，父親學(xué)校的學(xué)生來(lái)源減少了，再加上經(jīng)濟(jì)的蕭條，學(xué)校瀕臨破產(chǎn)。到我3歲的時(shí)候，學(xué)校倒閉了。為了養(yǎng)活我們，父親不得不在銀行里找了份低薪但很穩(wěn)定的工作。我在長(zhǎng)大以后逐漸得知，我出生以前的那段時(shí)期作為昔日的好時(shí)光，時(shí)常為人們所懷念。

父親對(duì)數(shù)學(xué)、物理和天文學(xué)很感興趣，他每天總要花幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)，熟讀狹義、廣義相對(duì)論方面及膨脹宇宙方面的書籍。在父親的鼓勵(lì)下，我對(duì)數(shù)學(xué)發(fā)生了興趣。后來(lái)，通過(guò)自學(xué)，我逐漸地感覺(jué)到它的自洽性和嚴(yán)密性，于是我開始喜歡上它了。

高中最后一年里，我要填寫一份申請(qǐng)入耶魯大學(xué)的表格，其中必須填上我可能的主攻學(xué)科。當(dāng)我和父親討論專業(yè)選擇時(shí)，他對(duì)我學(xué)考古學(xué)或語(yǔ)言學(xué)的計(jì)劃不屑一顧，說(shuō)我將會(huì)挨餓的。他建議我學(xué)工程。我回答說(shuō)，我寧愿挨餓也不愿學(xué)工程，而且我所設(shè)計(jì)的東西往往都會(huì)散架的。后來(lái)，在一次智能測(cè)驗(yàn)之后，我被告知，“除工程之外干什么都行！”我父親繼而又建議我采取折衷的方案，學(xué)物理。

我向他解釋說(shuō)，我在高中學(xué)過(guò)物理，那是所有課程中最枯燥乏味的一門，也是我唯一學(xué)得不好的一門。我們?cè)?jīng)不得不硬記諸如七種簡(jiǎn)單機(jī)械：杠桿、螺桿、斜面之類的東西。我學(xué)了力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)，但看不出它們之間有什么聯(lián)系。

這時(shí)，我父親的勸說(shuō)由原來(lái)經(jīng)濟(jì)的原因改為以智慧與美之吸引力為緣由而勸導(dǎo)我學(xué)物理。他對(duì)我保證說(shuō)，前沿物理學(xué)比高中課程所學(xué)的物理更加激動(dòng)人心與令人滿意，而且，我肯定會(huì)喜歡上狹義與廣義相對(duì)論及量子力學(xué)的。我決定遷就老人。我想，到了紐海文之后，我總還可以有機(jī)會(huì)改變所學(xué)的專業(yè)。然而當(dāng)我到了那里后，我卻由于懶惰而沒(méi)有立即去辦理更改專業(yè)的事務(wù)。但是，不久之后我發(fā)現(xiàn)自己竟然對(duì)物理學(xué)著迷了，我開始喜歡起理論物理來(lái)。關(guān)于相對(duì)論和量子力學(xué)，我父親的觀點(diǎn)是對(duì)的。在學(xué)習(xí)這些科目時(shí)，我開始懂得，這些基本原理的優(yōu)美深深地體現(xiàn)了自然界的美，正如阿比鳥的啼叫或晚上海豚發(fā)出的亮光體現(xiàn)了自然之美一樣。

如果人生能有輪回，稼先還會(huì)選擇這條路的。

——許鹿希（鄧稼先夫人）