第2章 运动定律之外

在本章中，我会介绍以下内容：一是基础物理学传统构想的内在逻辑，它仅使用基于动力学定律以及补充条件的解释；二是为什么传统构想无法体现信息、功与热、知识这类反事实属性的内核；三是为什么物理学需要一种基于反事实属性（与何种现象可能发生、何种现象不可能发生有关的属性）、与传统构想迥然不同的研究范式，为什么只有这样才能准确地从物质本质角度解释功与热这类现象。

没多久之前，地球在我们眼中要比现在神秘得多。那个时候，我们对地球结构的很多方面都知之甚少。美洲大陆和大洋洲大陆还不为世界上的大多数人所知晓。那是大航海时代，航海家们在海洋上漂泊，冒着比如今的航天之旅有过之而无不及的危险，只为寻找新的贸易线路、新的知识和新的疆域。这些九死一生的航程是航海家的生计，也关系到雇佣他们的国家能否扩大商业版图。为了在汪洋大海中保证自身安全，这些探险家充分发挥了他们的创造力。他们发展出了关于季风和洋流的精妙知识，发明了借助天上的星星在黑夜中辨明方向的工具。他们朝着海洋与天空之间的微妙分界线不断前进，踏上了一场无尽的探索之旅。他们的目标是最后能看到一道不那么完美的轮廓出现在远方——那意味着他们在数个月的孤独漂泊之后再次看到了陆地。

等待的过程总是充满担忧：担忧暴风、暴雨；担忧巨大的未知生物；担忧晕船；担忧因无风而寸步不得进；担忧陷入没有止境的波涛汹涌之中；担忧各种不确定因素。不过，他们也有可以依靠的东西：海图、设备、技术。用在第1章中解释过的词来说就是，他们拥有知识，即可以自我存续下去的信息。

有了知识，他们就可以预测：预测可能出现的风向和洋流方向；预测哪里可能会有礁石或者危险的浅滩；预测他们的航海之旅大概会持续多久。这样的预测有助于抚平他们的疑虑与恐惧，缓解因不确定而产生的不安。

对于早期探险家来说，像这样的预测正是他们最期望科学（尤其是物理学）产出的内容。这也是本章的重点所在。我会解释借助物理学传统构想做出预测背后的逻辑，指出其局限性，并展示反事实概念可以如何消除其中的部分限制。

所谓预测（不仅是物理学中的预测，还包括其他领域的预测），就是对一些未知信息的猜测。和猜测一样，预测也有可能是错的——我们可以通过实际结果来检验预测是否正确。此外，错误并不意味着无用。15世纪，克里斯托弗·哥伦布就做了一个人类海洋史上著名的虽然错误但远非无用的预测，其内容是：从欧洲海岸出发，往西不断航行就会抵达东方——“印度群岛”。现在，我们知道，他的这个预测显然是错误的——或者，说得更准确些，至少不完全正确。哥伦布压根儿没有想到，在通往东方的道路上，他们会遇到一片未知大陆。结果是，哥伦布的海洋探索之旅为文艺复兴时期的欧洲发现了美洲大陆。因此，他的预测虽然不正确（不完全正确），但仍旧有用，并且也对了一部分：如果他能在抵达美洲之后继续西行，或者再向南多走几千公里，绕过合恩角，最终也真的可以抵达印度。

另一方面，预测也可能完全没用。一个著名的例子就是库迈女先知的传说，故事是这样的：这位女先知是库迈（古希腊殖民地，今那不勒斯）阿波罗神庙里的祭司，一位朝圣者前来请她预测自己能否在即将开始的战争中安全归来。女先知在神谕上如此回复：

Ibis redibis non morieris in bello.

这个神秘的拉丁语句子中包含了女先知的预测，也就是朝圣者期望得到的答案。然而，不幸的是，朝圣者完全无法知道这句话的准确含义。这句话有两种截然不同的含义，取决于停顿在redibis后，还是non后。如果是前者，那这句话的含义就是“你去，你回来，你不会死于战争”；如果是后者，那这句话的含义就是“你去，你不回来，你会死于战争”。很明显，女先知在回复这位朝圣者时一次性说出了这句神谕，没有任何停顿，没有任何语调变化。因此，朝圣者完全无法得知神谕究竟是何种含义。

哥伦布的预测和库迈女先知的有哪些差别？前者虽然是错误的，但它有用、有价值，而后者则完全没用。可是，这背后的原因究竟是什么？如果只是探究预测本身的内容，那永远都找不到答案。我们必须更深入一些：差别在于预测的基础，也就是预测背后的解释。库迈女先知的预言并没有解释朝圣者为什么会从战争中安然无恙地归来，或者在战争中牺牲。正是因为缺少进一步解释，所以我们无法辨明女先知的预言究竟是哪个意思。相反，哥伦布的预测就有很好的解释来支撑：地球是圆的。

归根到底，预测的好坏取决于其背后的解释。这一点很重要，所以我们要多花点儿时间，再好好思考一番。这就好比是你在长途远足期间遇到一处风景优美的地点，你完全可以停下来，稍做休息，就在那个地方欣赏美景。现在，我们的目光超越了神谕的阴霾之地，来到了一片无边无际、郁郁葱葱的大草原——在这里，有效预测和有力解释之间的联系清晰且直接。这就是物理学。

物理学的预测非常有效，因而逐渐取代了宗教学和神秘学的预测，也取代了根据经验规律做出的预测——举个经验规律的例子：“要想在花园里种出胡萝卜，你得在2月就撒下胡萝卜种子。”物理学定律通常具有很高的普适性，所以可以对整个宇宙做预测。

就拿牛顿定律来说，原则上，这个理论体系提供的解释以及相应的预测可以应用于宇宙中的所有系统。举个例子，牛顿定律预言了海王星的存在——在此之前，所有天文学家都没能直接观测到这颗天体。海王星被发现的故事相当重要，因为它明明白白地展示了物理学理论可以为我们打开一条通往未知世界的康庄大道。在1846年之前，海王星这颗行星的存在对人类来说完全属于未知领域。就在那时，有天文学家注意到，天王星的实际运动轨道与牛顿定律预测的稍有偏差。于是，他们猜测，附近可能还有一颗行星通过牛顿引力定律对天王星的运动产生了扰动，便根据这个定律预测了这颗未知行星应该在哪一时刻出现在哪个位置。天文学家把望远镜对准那个预测的方向，真的发现了一颗行星。毫无疑问，这个预测准确、有效、意义深远。最为重要的是，大多数物理学预测都是这样的。物理学预测的准确性非常高，是人类同样在奋斗的许多其他领域完全无法企及的，例如，你完全无法想象医学、政治、金融市场等领域内的预测能这样准确，但物理学做到了。

在物理学（以及更一般的科学领域）中，无论是解释，还是预言，都必须满足严格的标准。尤为重要的是，解释必须产生可以检验的预测。你或许也注意到了，“可以检验”本身也是一种反事实属性——它阐述了可以通过预言做些什么。这意味着，反事实属性居于最本质的科学理论和科学发现的核心位置。具体而言，“可以检验”意味着，如果预测是错的（也就是与我们在现实中观察到的现象不符），那就一定可以设计某种实验证明它是错的。举个例子，想象我们让一枚圆玻璃弹珠在斜面上自由滚动。大多数人一定会预测，弹珠会沿着斜面往下滚，越滚越快。这个预测就可以检验：如果有人提出弹珠会向上滚动，或者原地不动，又或者上下弹跳，你都可以直接用实验加以检验，让他们亲眼看到弹珠往下滚。简而言之，你可以通过实验证明自己的预测是对的，其他各种预测都是错的。

当然，也同样存在许多不可检验的预测。在此，我举一个宇宙学方面的猜想（主要是为了博读者一笑）：一条固定不动的狗顶着整个宇宙，我们的宇宙就这样保持着永远的平衡。实际上，顶着宇宙的也可以是别的动物，比如乌龟、马、穿山甲、河马，只要你能想到，都可以。这个宇宙学猜想引发的预测就是：这条狗应当是永恒不变、永远静止的，而且绝对不会变成其他什么动物。这个预测显然无法检验，因为即便这条狗真的存在，那它也位于宇宙之外，根本无法触及，那要怎么才能查验它究竟是狗，还是别的什么？顺便一提，这个预测背后依赖的解释基础其实也有几个问题。例如，为什么是狗在支撑整个宇宙，而非乌龟或别的什么动物？神话故事从来不解释这点，它们完全是随意选取支撑宇宙的动物。另外，狗是怎么做到永恒不变的？狗又是从哪儿来的？实际上，大部分宗教解释都存在这样的问题。这类理论完全不会解释那些神圣所在（比如我们这个例子中的狗）为什么出现，又是怎么出现的。

为什么预测是否可以检验，对物理学乃至整个科学的进展如此重要？原因在于，可检验性为发现理论错误并加以纠正提供了一种极为有效的方式。在此，我要岔开话题，详细说明预测、解释以及检验是如何同促使科学收获长足进步的方法紧密交织在一起的。为此，我得拨开历史的迷雾，向大家介绍提倡科学方法的先驱伽利略·伽利雷，以及这位思想者的精神内核。伽利略为检验预测而设计的实验美妙而简洁，因而广受关注。早在古希腊时期，亚里士多德就提出了一些有关运动问题的预测，亚里士多德的理论自那时起便一直被奉为权威。伽利略的预测则和亚里士多德不同。他预测，将表面平滑的坚硬铜球释放到没有任何摩擦力的光滑倾斜凹槽内，即便铜球的大小不同（也就是质量不同），它们在凹槽内的运动也不会有什么改变——其中最为关键的，是速度不会改变。这个预测同亚里士多德的理论产生了明显的冲突，因为后者预测，不同质量的铜球滚下凹槽的速度不同。乍看起来，亚里士多德的理论似乎更符合直觉，这就显得伽利略的预测更加有趣。

那么，为什么伽利略会做出这样一个违背直觉的预测？答案又一次藏在背后的物理学解释中。

伽利略此前曾构思过一个思想实验，正是这个实验构成了上述预测的解释基础。“思想实验”是一种精妙的智力产物，并不一定要在现实中实现，而是发生在人类脑海中，帮助我们总结出某些结论。伽利略正是从他构思的这个思想实验中得到结论，从而预测不同质量的铜球滚下光滑凹槽时，速度不会有任何差异。不过，这个思想实验本身可以应用到一个更为简单的场景中。我刚才说，按照亚里士多德的理论，物体在坠落时，其本身质量越大，速度就越快，例如小铜球从一定高度落下时的速度要小于大铜球。为了推翻这个理论，伽利略先假设它是对的，接着再按照亚里士多德理论推导，最终得出了一个与假设本身矛盾的结论。伽利略的具体推导过程是这样的：假设用一根绳子把小球和大球连在一起，然后再让它们从一定高度落下来，那么，按照亚里士多德的理论，小球的速度会慢于大球，就应该落在后面。如果这两个球下落的时间足够长，那么小球就会通过绳子拽着大球，让大球的下落速度也变慢。因此，这个由大小球组成的系统下落的速度会慢于大球本身的下落速度。此时，矛盾就出现了：大球和小球所构成的系统的质量必定大于大球本身，那么按照亚里士多德的理论，这个系统的下落速度应该快于大球本身才对！于是，伽利略就通过这个思想实验得到结论：亚里士多德理论错了，不同质量的球在自由下落时，速度应该相同。接着，他又更进一步猜想球在滚下光滑凹槽时也是如此。

于是，伽利略开始着手用实验证明自己的第二项预测（这就体现了预测可以检验是多么重要）。首先，他观察了球在水平凹槽上的运动情况，发现只要先轻轻地推一下球，它就能沿着凹槽自由移动，而且这种运动具有“匀速”的特征。伽利略用“匀速”这个词表示球“在相同的时间间隔内走过相同的空间距离”。用现代物理学的语言来说，就是球的速度是常数。然后，伽利略又观察了凹槽倾斜时球的运动情况。此时的小球在相同时间间隔内运动的距离越来越长，也就是说，小球在做加速运动。接着，伽利略又用不同质量的球重复了在倾斜凹槽上的实验，结果与之前并没有什么不同。就像他此前预测的那样，各种质量的球在倾斜凹槽上的运动状况都一样，速度与加速度都一致。就这样，伽利略用实验推翻了亚里士多德的理论。自此之后，后者就被彻底摒弃了。这个例子表明，预测的可检验性，是纠正错误的可能性的核心，在物理学乃至整个科学中都扮演了极为重要的角色。只要实验证明某个预测是错误的，那么做出这个预测的理论解释自然就是有问题的，就会被其他理论解释替代。

我们在第1章中已经提到，伽利略和牛顿的理论解释以及由此产生的预测有一个重要的共同特征，就是它们解释物理现实的方法都以运动定律为核心。给定系统（比如铜球或者行星）的初始运动状态（系统于哪一时刻在空间中的哪一点上开始运动）和运动定律，或者说动力学定律，就能描述这个系统的后续运动状态。假如我们能连续地拍摄这个系统的照片，那么其中的每一张都对应着这个系统在不同时间点上的“状态”。而运动定律则给出了这些照片的排序方式。其中尤为重要的是第一张以及最后一张照片，它们分别代表了系统运动的初始状态和结束状态——用物理学术语来说，就是系统的“初始条件”和“边界条件”。举例来说，想象炮弹发射时的场景，给这个系统连续拍照，那么第一张照片里应该是炮弹被装在炮管里，准备发射。最后一张照片里则是炮弹落到地面。一般来说，这一系列照片中的某一张的内容都由前一张决定——归根到底，由第一张照片决定。于是，由已知运动定律描述的所有这些照片序列都拥有一种特定的属性：每张照片之前都有且只有一张照片，之后也有且只有一张照片。这一属性就是物理学家所谓的动力学定律的“可逆性”：只要你掌握了所有这些照片的排列顺序，那就必然可以反向推演一遍，因为每张照片前后都有且只有一张照片。与有分岔路的花园或迷宫不同，这条路径上没有任何分支，前后发展明明白白，没有歧义。

由运动定律提供的理论解释是物理学中最为传统的解释。它由伽利略率先提出，牛顿定律的诞生则奠定了其地位。时至今日，两大最为基础的物理学理论——广义相对论和量子理论也都是通过运动定律的形式表达的。其他所有物理学家普遍视为基本的理论也同样如此，比如描述电磁场和基本粒子的理论。

使用运动定律解释实际现象的方法在很长的时间内收获了巨大成功，它产生的预测极为有效。例如，假如你是一位将军，现在正准备进攻一座城池，必须先破坏守护城池的坚实城墙。牛顿定律会细致地预测炮弹的整个运动过程，并准确告诉你，以何种倾角发射炮弹才能最大化它的破坏力。比如，牛顿定律会告诉你，对于以特定初始速度发射出去的炮弹来说，只有两条路径可以命中预设的打击点。无论是走哪条路径，炮弹都会在空中划过一条抛物线，但最大高度不同，具体如何取决于初始条件——炮弹发射时的倾斜角度。以高倾角发射炮弹，炮弹就会飞得很高，最终可能越过城墙；以稍低一些的倾角发射炮弹，它就会飞得低些，只要角度拿捏得恰到好处，就能击中城墙。无论以何种倾角发射炮弹，描述炮弹后续运动的都是它在各个时间点上的位置变化。这一系列位置变化，也就是炮弹的运动路径，完全可以由运动定律（在这个例子中是牛顿定律）刻画。正如我之前所说，在这个方法中，归根到底，对炮弹击中目标的解释由运动系统的“初始条件”，也即炮弹的初始位置和速度给出。

既然动力学定律如此有效，那很容易就会想到，是否可以将其扩展至宇宙中的万事万物，乃至整个宇宙本身呢？换句话说，一种以宇宙初始条件和运动定律为基础的物理学理论是否可以令人满意地解释宇宙中的万事万物？继续阅读本书，你就会发现，答案是否定的。应当指出，以运动定律和初始条件为基础给出的理论解释的确很适合解决特定问题——比如预测宇宙某一小部分（比如炮弹、网球、玻璃珠、行星）将会发生什么。然而，这种方法无法解释一切物理现实：实际上，如果你把这种方法看作对万事万物的理论解释，就会出现严重的问题。当然，和生活中一样，问题在物理学中也可能会带来新的收获。有问题，就有提高的空间，只要能妥善解决它们即可。正是这些问题逼迫我们走上了反事实属性的探索之旅。

我之前也提到，以动力学定律为基础的解释看上去就像一系列照片，有第一张和最后一张，还有中间的无数张，具体顺序由运动定律决定。就中间任意一张照片的状况（比如炮弹在抛物线最高点时的照片）来说，要想解释物体这时为何会处于这种状态，只需要研究前一张照片和后一张照片中发生了什么。

现在想想，这一系列照片中的第一张是不是让你觉得有点儿像是我之前提到的那条支撑宇宙的狗？你的感觉没错。为什么第一张照片就一定得是这样的，而不是那样的？毫无疑问，肯定还需要别的理论才能解释这一点。然而，这种解释本身不可能以初始条件和运动定律的形式出现——不可能用另一系列照片来解释第一张照片的情况。否则，这种解释就会像是硬生生地把另一个序列的照片加入我们讨论的这个序列开头。可是，即便可以这么做也会产生新的问题：新序列照片中的第一张也仍旧没法解释。放在那个关于狗的理论中，就相当于是设想了一系列其他状态的狗，来解释第一条狗。

严格地说，这种以初始条件和运动定律为基础的方法，在整个宇宙层面上是非自洽的。为了解释第一张照片（或第一条狗）而引入更多照片（或更多狗）并不能解决根本问题，这就是哲学家们常说的“无限回归”。那些旨在解释宇宙起源的宗教理论也会陷入这个问题。很多宗教都会预先假设存在一个类似上帝的人物，可是，如果没有另一个上帝创造他，那他又是怎么出现的？在宗教领域，这个问题一直没有人去解决。而在物理学领域，我们必须解释为什么要选用这种初始条件，而不是另一种。根据我们刚才介绍的内容，最重要的一点是，我们必须使用与原来不同类型的理论去解释这一点。既然这样，那么以初始条件和运动定律为基础的理论就不可能单独构成解释整个宇宙的全部内容。

初始条件问题是物理学中一个重大的未解难题。现在出现了一些看上去可行的理论，它们一道构成了物理学的一个分支，叫作“宇宙学”。顺便一提，就目前的情况来说，这些理论在准确性和适用性上还远不能和其他已有的成功理论（比如广义相对论和量子理论）相比。此外，这些理论的某些预测无法检验，原因在于，提出这些理论的目标就是为了解释宇宙现在的一切——所以，我们看到的一切当然都不可能和它们相悖。同时，我们又不可能检验它们对宇宙诞生之初的“预测”，因为我们无法回到彼时，设计实验加以检验。当然，这并不意味着初始条件问题就完全没法解决，只是我们目前还没有满意的答案。正是因为这样，我们才要换个角度看待这个问题。而关于可能与不可能的科学就提供了这样一个视角，因为它与物理学传统观念不同，并不以初始条件和运动定律作为基本元素。

此外，如果把动力学定律视作对整个宇宙的解释，那么从另一个重要的角度上说，它也是不自洽的。仍旧拿伽利略设想的铜球滚下光滑凹槽的过程为例，如果快速连续拍摄（比如每秒一张）整个运动过程，我们就会得到一系列照片。正如之前所说，动力学定律的作用就是将这些照片按特定顺序排列起来。也就是说，如果这些照片以混乱的顺序摆放在你面前，那么你也可以根据动力学定律把它们按顺序一张接一张排列起来。你可以根据动力学定律给照片标上1、2、3……的序号，时刻1对应球在凹槽顶部的状态，时刻2对应它开始滑落的状态，以此类推，直到球在某一时刻，比如说时刻N，滑到凹槽底部。也就是说，要想描述照片序列，就必须引入一个外部序列——在我们刚才这个例子中就是时间序列，其元素已经按1、2、3……这样的顺序排列好了。

于是，我们又一次碰到了无限回归的问题：要想给散乱的照片排序，就必须引入一个时间序列，可时间序列本身又必须用另一个序列解释。从更广泛的意义上来讲，动力学定律必须参考某些外部实体（时间），借助它们给运动过程中发生的各个事件排序，保证它们不会像是一下子同时发生的一样。然而，在这里，时间的存在就是一种公理性质的假设，无法用其他事物来准确解释它是什么。此外，回想一下伽利略的实验：为了描述球的运动，他必须用钟表计时。然而，如果把背景放到整个宇宙中，就会出现一个问题：有什么钟可以为宇宙的演化计时？从定义上说，宇宙本身就包含万事万物：宇宙之外不可能还有其他东西，更不要说什么钟表了。这就是“时间问题”的两个方面，它影响着所有试图成为宇宙终极解释的动力学定律。顺便一提，这个问题还会影响广义相对论构建的定律，因为在广义相对论中，我们要描述一个点，需要的不只是一个外部标签（时间），而是一组外部标签（时间和空间）。问题同样在于，时间和空间本身从来没有得到过任何解释。我不会在这里详细探讨解决这个问题的方法，只是想强调一点：无论这个问题的答案是什么，它都绝对不会以初始条件和动力学定律的形式给出，否则它就必然会落入无限回归的困境中。所以，答案必然以其他形式的解释给出。实际上，现在已经出现了这类解释，如果你有兴趣仔细了解，可以阅读朱利安·巴伯（Julian Barbour）的权威之作《时间的终结》（The End of Time）和迈克尔·洛克伍德（Michael Lockwood）的趣味作品《时间的迷宫》（The Labyrinth of Time）。

令人意外的是，以动力学定律为基础的解释还包含着极大程度的随意性。请再次回忆一下我们为动力学定律解释打的比方：这类解释就像是一组按序排列的照片，其中任何一张都通过运动定律与前后照片联系在一起，而且我们会很自然地假设位于中间的所有照片本质上都由最开始的那张照片，即初始条件决定。可是，为什么序列中的照片都应该由初始条件解释呢？毕竟，动力学定律是可逆的。那么，从原理上说，从最后一张照片开始反向追溯之前的照片，也同样可行，也就是可以用最后一张照片解释中间的所有照片。很明显，这种可以任意选择用哪张照片来解释的随意性并不能令人满意。不过，这个问题的解决方案同样必须以另一种完全不同的解释为基础，否则又会陷入无限回归的困境。

到目前为止，我已经介绍了物理学传统构想不自洽的两个方面——初始条件问题和时间问题。现在我要介绍动力学定律的另一个问题，这个问题更为深刻也更为有趣，但同样需要其他完全不同的理论才能解释。这个问题就是：动力学定律无法处理宇宙中某些系统的某些反事实特征。这个理论无法全面且恰当地表述反事实属性。

动力学定律无法解释的第一类反事实属性，就是宣称某种变化可能出现的属性。举一个变化的例子——加法：x和y（代表某个计数系统中的两个数）在加法作用下会变成数字x+y。当我们试图用动力学定律方法表达这种加法存在的可能性时，就会遇到一些微妙且重要的问题。

表达这种加法可能实现的一种方式是证明加法器可能实现。理想加法器应该是这样一部机器：任意给它输入两个数x和y，它都会产出结果x+y，并且更重要的是，即便再输入其他数字，它也有能力不打折扣地完成相同操作。这种循环工作的能力保证了加法器可以在需要的时候反复做加法。实际上，在如今的智能手机计算器中，都囊括了近似这样的加法器。我之所以说“近似”，是因为智能手机在用上一些年之后，它的加法能力会变弱，加法操作的精确程度也会不可避免地下降。另外，我们给智能手机加法器输入的数字必然是有限数位的，因而也只能获取精度有限的结果。

如果你想按照物理学传统构想，也就是仅以运动定律和初始条件为基础解释宇宙中的一切，就无法完全体现加法器的可行性。首先，在确定初始条件后，宇宙就按照某种特定的轨迹（由初始条件决定）演化了，而这条轨迹上绝不会出现理想加法器，只能出现以有限精度执行接近加法器操作的过程。这种近似加法器只能将固定的、有限的输入值相加，并且迟早最终会失效。近似加法器的所有实例都只能维持有限时间且只能将有限范围的数字相加（否则就违背了我在第1章中介绍过的无设计定律前提）。加法器可行，或者说加法操作可能实现，这句表述的含义要远超近似加法器存在的事实。首先，理想加法器意味着，向它输入任意两个数字，它都能输出这两个数字的和。这里的关键是输入任意两个数字，至于现实中在选定轨迹后究竟有没有把数字输入加法器，则不重要。其次，加法器可行意味着，任何近似加法器都可能无限接近理想加法器。可这又是物理学传统构想所无法解释的，因为在这个框架中，我们最多只能声称出现在宇宙演化轨迹上的近似加法器实例可以以何种程度接近理想加法器。证明加法器可行要求对于每一条可能出现的轨迹来说，也就是在每一个可供选择的初始条件下，这点都成立。因此，即便能够给出特定演化轨迹上的所有加法器实例，也无法充分说明理想加法器可行。

动力学定律方法无法解释的另一种反事实属性是，有些事物就是不可行的。想想能量守恒原理，它告诉我们永动机是不可能造出来的。但按照动力学定律方法，我们只能说，永动机从来没有出现过，其含义是：在给定的初始条件下，宇宙的演化轨迹上没有任何一点涉及永动机。然而，永动机不可能造出来并不仅仅意味着它在特定初始条件的演化轨迹中不会出现！其真实内涵是：无论在何种初始条件下，无论在何种动力学定律的支配下，永动机都不可能造出来。显然，相比有关特定演化轨迹上的相关陈述，这一陈述的语气要强得多，适用范围也广得多。

当然，你也可以尝试这样表述某种事物不可能出现这个事实：努力证明无论在何种初始条件下，这种事物都不可能出现。实际上，如果能证明这点，你就得到了一条定律，但即便是这种定律，也没有完全涵盖“某种事物（比如永动机）不可能出现”这条原理的全部内涵，因为它只在特定动力学定律的约束下有效。而上述关于不可能性的原理对任何动力学定律都应当有效。显然，这个内涵的覆盖范围要广得多。

动力学定律方法的最后一个问题是，从表面上看，它与有能力做选择的实体（比如你和我）冲突。每一个全知全能的叙述者都知道这点。所谓“全知全能的叙述者”，就是以第三人称在小说中讲述故事的实体。这些叙述者知晓故事情节发展中所有人物的所有思想，因为他们的思想从小说一开始就已经被设定好了。对于小说里的人物来说，他们看似有选择，但实际上，他们的命运和思想早已被叙述者决定且固定下来了。与此类似，基于运动定律和初始条件的解释似乎也意味着我们的思想、行动和命运早已决定。我们的所谓选择，以及一切基于选择的行动，都似乎早就被预先设定好了，它们由动力学定律写就，由宇宙的初始条件完全确定下来。基于动力学定律的事件序列确定了一切——而且是一劳永逸、不再更改地确定了一切。你所有的思想都早就摆在那儿了。动力学定律解释完全没给它们留下不可预测的空间，但如果思想真的是通过“自由选择”产生的话，它们应当是不可预测的。

这就是所谓的“决定论梦魇”：基于动力学定律和初始条件的基础物理学传统构想似乎表明我们的宇宙早就已经确定了一个固定的、预设的“叙事框架”，完全没有给自由选择留下什么空间。举个例子，按照基础物理学传统构想，你明天早饭吃羊角面包还是吃熏鱼，早在宇宙诞生之初就已经由初始条件决定了。同样，你现在在看我写的这些文字（包括其中的每一个字、每一处笔误），而不是别的书（又或者别的什么，比如你最喜爱的真人秀节目），也都是由宇宙诞生之初的初始条件完全决定的。因此，不可预测性，或者说自由意志，就是动力学定律方法无法容纳的又一种反事实属性。当然，到目前为止，我们都不知道怎样才能让物理学准确容纳自由意志的概念——但这恰恰意味着我们要更深入地探究解决方法。自由意志的问题确实存在，但它并非完全不可解决。它只是在我们拘泥于狭隘的动力学定律方法时才无法解决而已。

好在，动力学定律方法并不是唯一能为现实世界提供解释和预测的途径。毕竟，为什么所有好的解释都应该像编年体故事那样从头讲到尾，中间没有一点点变化呢？为什么某些事情就一定要在另一些事情之后发生？这不应该是物理现实工作机制的全部解释。为了更清楚地介绍其他可能的解释，我们还是得请出第1章中提到的那位慷慨大方的作家，请他借助一张棋盘来为我们讲故事。

国际象棋是一种变化非常多的棋类游戏，也是很多人的灵感源泉。我就经常想象棋盘两边摆放好棋子，它们随时准备听从棋手的号令在棋盘上移动。

好了，现在我要你想象一场和局——也就是两边棋手都无法获胜的情况。具体说来，就是无论棋盘上的任何棋子怎么移动，任何一方都无法将死另一方（所谓“将死”，指某方的王进入了一个无法逃脱被吃命运的状态）。

和局有很多种，但我们现在选择这样一种和局：结束的时候，一方只有王，另一方只有王和一个马。现在，对于为什么棋局会出现这样一种和局的状态，至少有两种解释。第一种以整个宇宙的特定初始状态和动力学定律为基础：只要给出某种特定的宇宙初始状态，在动力学定律的支配下，两名棋手的思想早已确定，无论他们怎么下棋，棋局都不可避免地走向我们之前提到的那种和局局面（一方只有王，另一方只有王和一个马），不可能出现一方将死对方的情况。按照动力学定律方法，这就是这种和局局面出现的唯一解释。这种解释代价高昂，因为如果要加以证实，就必须计算构成两位棋手大脑和棋盘的所有基本粒子之间的相互作用。换句话说，就是要我们找出与两位棋手大脑和棋盘相关的所有粒子在宇宙诞生之初的初始状态。饶是如此，这种方法也没能解释和局的意义究竟是什么。

而真正的解释是：按照国际象棋规则，马和王只能按照有限的方式移动，即对这两种棋子来说，有些移动方式是规则允许的，另一些则是规则禁止的，即不可能的，而规则允许的方式都没有办法导致一方将死另一方。显然，这种解释涉及反事实属性，而且要详尽且具体得多。此外，这种解释只要用到棋盘和上面还剩下的3枚棋子的反事实属性，无须考虑宇宙中与此相关的别的什么，也无须考虑棋手的思想。最后，我们也能依据这种解释做预测，因为我们可以据此声称，只要两位棋手严格按照国际象棋规则走棋，棋盘上最后的状态永远不会演变成一方将死另一方的局面。不过，这种解释似乎不像是那种随时间展开的故事：它只说明某些变化是可能出现的，某些变化是不可能出现的；它与走棋的顺序无关，或者说得更一般一些，它与动力学定律无关。因此，这种解释是另一类故事：它讲述了棋盘上的棋子不可能出现何种状态。这个故事独立于时间存在，而且要求我们不仅要考虑真正发生的情况，也要考虑可能和不可能发生的情况。

那么，这套使用反事实属性的逻辑，是否可以从我举的这个简单例子中拓展开去，在整个物理学领域开花结果？实际上，在物理学乃至整个科学领域，我们都已经开始使用一些非动力学定律的解释模式，其中有一些就使用了反事实属性。所以，我们现在使用的其实是一种混合方法。举个我之前提到过的例子，以能量守恒原理为基础的物理学内容就显然与反事实属性有关。这些与能量、热、功有关的理论并不是以动力学定律的形式呈现的：它们要求某些事物不可能出现，比如永动机。但它们和动力学定律一样，可以产生意义深远的预测。最著名的一个例子莫过于预言中微子的存在——中微子是一种此前不为人知的基本粒子。这个预测与对海王星的预测有些相似，但这一次预测的对象并不是行星，而是一种亚原子粒子；预测的源头也不是动力学定律，而是一种与反事实属性相关的原理。这个预测的推演基础是：如果中微子不存在，那么能量守恒原理就不成立了。这个预测压根儿不可能由动力学定律得出，因为中微子的运动定律要等到人们发现它之后才知晓！这样的原理其实也出现在了牛顿定律中。实际上，只有牛顿第二定律是动力学定律——它将作用在某个系统上的力同加速度以及质量联系在了一起，而其他两条牛顿定律现在的表述方式并不完全是动力学形式的。牛顿第一定律就是一条混合定律，其内容是：在没有其他作用力的情况下，系统不可能改变运动状态，也即在没有外力干扰的情况下，系统会继续保持它原有的运动状态。从“运动状态”这个概念可以看出，牛顿第一定律与动力学定律相关，但它也提到了某些变化是不可能出现的（就像能量守恒原理一样）——没有外力作用，系统运动状态就不可能改变。牛顿第三定律就更接近纯粹的原理了，其具体内容是：每一种作用力都有一种方向相反、大小相等的反作用力。举个例子，你在公园里遛狗时，狗通过狗绳拉着你往前走，同时，你也在用同等大小的力拉着狗往后退。这个事实就来自牛顿第三定律的要求，而且并不源于某种动力学定律。

从这些与反事实属性相关的原理中汲取灵感，想象一种完全不同的物理框架，它以反事实属性为基础，并从中推导出运动定律和初始条件，不也很好吗？我们甚至可以畅想，这种全新的模式不但可以保留基础物理学传统构想的所有预言，甚至还能解决动力学定律方法无法解决的问题，填补现有理论的空白。

我畅想的这种由可能与不可能的科学所提供的解释模式，比我们目前在物理学中使用的混合解释模式还要激进。这种全新的模式将反事实属性放到最为基本的层面，再根据反事实属性解释动力学定律和初始条件。只要能做到这点，我们仍旧可以像现在这样用运动定律对炮弹、电子等对象做可检验的预测。只不过，现在，整个解释理论的底层基础变成了与反事实属性相关的原理，这就可以解决我之前提到的无限回归的问题，例如诉诸无穷组初始条件。就像棋子的反事实属性（哪些走法是可行的，哪些走法是被禁止的）可以解释棋盘上的和局一样，反事实属性当然也能解释为什么宇宙处于现在这种状态，最关键的是它规避了对所有粒子初始状态的讨论。在可能与不可能的科学中，可能性描述和不可能性描述同等重要。我们将在后续章节中碰到这两方面的几个实例。

这些似乎只是大胆的猜测，事实也的确如此。我第一次接触用反事实属性重新构建物理学框架的想法，是在物理学家戴维·多伊奇的一篇论文中。当时，我就觉得这个想法很吸引人，但也很疯狂。当时我正在牛津攻读博士学位，借用《爱丽丝梦游仙境》中的话，我开始在“早饭前想象6件不可思议的事”，用反事实属性重新构建物理学框架就是其中之一。然而，几个月之后，戴维和我就开始一起写论文阐述这个想法，并将其应用到信息理论中。博士毕业后，我决定完全投入这个方向，并且努力用它解决各种悬而未决的物理学问题。这个时候，我已经完全确信，这个方向前途一片光明。在一些勇于探索的学生以及经验丰富的物理学家的帮助下，我目前的研究工作集中在对这种方法的检验上。在本书后续章节中，我会重点介绍这种方法目前已经解决以及有潜力解决的一些问题。是时候深入我们的反事实探索之旅了。