我如果你能像红风筝一样在天空中翱翔，寻找猎物，俯视所有已知和未知的事物，你会看到一些非常奇怪的东西：一大类迄今为止几乎被科学完全忽视的事物。这些东西是我们理解物理现实的核心，无论是在日常层面上，还是在物理学中最基本现象的层面上，但传统上认为它们不可能纳入基本的科学解释中。它们不是关于什么是“真实的”，而是关于什么是可能的或不可能的。为了将它们与实际区分开来，它们被称为反事实。
假设某个未来的太空任务访问了另一个太阳系中的一个遥远星球，他们在那里留下了一个不锈钢盒子，里面除了其他东西外，还有威廉·布莱克诗歌的重要版本。这本诗集后来被放在那个星球的某个地方，这是它的一个事实属性。书中的文字可以被阅读是一种反事实的属性，无论这些文字是否会被任何人阅读，这都是真实的。盒子可能永远找不到；然而，这些话仍然是真实的，而且意义重大。例如，这将意味着一个文明造访了这个星球，并在很大程度上反映了它的复杂程度。
为了进一步理解反事实属性的重要性，以及它们与实际属性的区别，想象一台计算机通过编程在其显示器上产生一串零。这是计算机的事实属性，与计算机的实际状态有关。它可以被重新编程以输出其他字符串，这是计算机的一个反事实属性。计算机可能永远不会如此编程；但事实上，它可以是一个基本的事实，没有这一点，它就没有资格成为一台计算机。
对科学和物理学重要的、迄今为止被忽视的反事实，是关于物理系统能够或不能够发生什么的事实;什么是可能的，什么是不可能的。它们是基本的，因为它们表达了物理定律的基本特征——支配宇宙中每个系统的规则。例如，物理定律规定的一个反事实性质是，不可能造出永动机。永动机不仅仅是一个一旦进入运动状态就永远运动的物体，它还必须产生某种有用的运动。如果这个装置能存在，它就能从无能量中产生能量。它可以使你的汽车永远运行而不使用任何燃料。在我们的宇宙中，不可能在不消耗任何能量供应的情况下，把没有能量的东西转变成有能量的东西:这是不可能发生的，因为物理学家称之为能量守恒原理的一条基本定律。
我们不能实现物理定律认为不可能实现的转变。
物理系统的另一个重要的反事实性质，热力学的核心，是蒸汽机是可能的。蒸汽机是一种将一种能量转换为另一种能量的装置，它可以执行有用的任务，例如移动活塞，而不会违反能量守恒原理。真正的蒸汽机（那些迄今为止已经建造的）是我们宇宙的真实属性。建造蒸汽机的可能性在第一台蒸汽机实际建造之前就已经存在，这是一个反事实。
因此，物理学中出现的反事实的基本类型有两种：一种是不可能进行转换（例如，建造永动机）；另一个是进行改造的可能性（例如，建造蒸汽机）。两者都是物理定律的基本性质；而且，除其他外，它们对我们的努力有着至关重要的影响：无论我们多么努力，或者多么巧妙地思考，我们都无法实现物理定律宣称不可能实现的转变。但是，如果我们足够认真地思考，我们可以想出更多更好的方法来进行可能的改造，例如，建造一台蒸汽机，然后随着时间的推移进行改进。
在盛行的科学世界观中，物理系统的反事实属性被不公平地视为二等公民，甚至被完全排除在外。为什么?这是因为一种深刻的误解，这种误解自相矛盾地产生于我自己的领域——理论物理学。人们的误解是，一旦你确定了物质世界中存在的所有东西以及发生了什么——所有实际的东西——那么你就解释了所有可以解释的东西。这听起来是无可争议的吗?这很有可能。人们很容易陷入这种思维方式，却没有意识到自己吞下了许多没有根据的实质性假设。你不能仅仅通过指定计算机在给定时间内执行的计算来解释计算机是什么;你需要解释它可能执行的计算是什么，如果它以可能的方式编程。更普遍地说，你不能仅仅用实际的海盗船失事来解释海盗船上的救生艇。 Everyone knows that the lifeboat is there because of a shipwreck that could happen (a counterfactual explanation). And that would still be the reason even if the ship never did sink!
尽管认为反事实不是根本的，但科学一直在快速、持续地进步;例如，通过发展新的强大的基础物理学理论，如量子理论和爱因斯坦的广义相对论;以及在生物学——遗传学和分子生物学——和神经科学方面的新解释。但在某些领域，情况已不再如此。科学中所有的基本解释都必须以发生了什么来表达，很少或根本不参考反事实的假设，现在正阻碍着进步。
l让我们来看看宇宙中最稀有和最重要的属性之一:弹性。宇宙中的大多数事物都是无常的。岩石被无情地磨损;书页被撕得发黄;生物——从细菌、大象到人类——衰老并死亡。值得注意的例外是物质的基本成分，如电子、夸克和其他基本粒子。虽然它们构成的体系确实在变化，但那些基本成分保持不变。物理定律对永恒和无常负有完全的责任。它们对我们宇宙中的一切都施加了强大的约束:对目前已经发生的一切和未来将要发生的一切。
物理定律规定了行星如何在轨道上运行;它们控制着宇宙的膨胀，控制着我们大脑和电脑中的电流;它们还控制细菌或病毒的内部活动;天上的云;海洋里的波浪;地球内部炽热的液体熔岩。他们的统治范围甚至超出了宇宙中实际发生的事情，包括什么可以和不可以被制造出来。无论人们如何努力去实现它，物理定律所禁止的一切都不会发生。不可能制造出能使粒子速度超过光速的机器。
人们的误解是，一旦你指定了物质世界中的一切，你就解释了一切。
物理定律是对事物无常的自然倾向的主要解释。无常的原因是物理定律并不特别适合保存除了基本成分以外的东西。它们适用于物质的原始成分，而不是经过特殊的加工或设计，以保存它们的某些特殊聚集物。电子和质子相互吸引——这是一种基本的相互作用;这个简单的事实是我们身体复杂化学的基础，但在物理定律中找不到这种复杂的痕迹。物理定律，比如我们的宇宙定律，不是专门设计的，或量身定制的，来保存任何特别的东西，除了基本的东西，我称之为无设计定律。在无设计定律下，复杂的原子聚集物，如岩石，由于与周围环境的相互作用而不断发生变化，导致其结构不断发生微小变化。
从保存结构的角度来看，大多数这些交互作用都会以小故障的形式引入错误，导致任何复杂结构随着时间的推移而损坏。除非有什么干预措施来防止和纠正这些错误，否则结构最终将消失或崩溃。一个系统越复杂，越不同于基本的东西，就越难消除错误并保持它的存在。想想古代手工抄写保存手稿的做法。手稿越长、越复杂，抄写时出错的可能性就越高，抄写员就越难消除错误，例如，在写完每个字后再检查一遍。
假定物理定律是无设计的，一个系统维持自身存在的能力(在一个变化的环境中)是我们宇宙中一个罕见的、值得注意的特性。这就是我所说的韧性。长期以来，人们一直认为这种韧性是一种残酷的自然现象，对此，许多诗人和作家都表达了他们无可奈何的失望。这是一个权威的例子，出自莎士比亚作品中普洛斯彼罗的演讲《暴风雨》：
我们的狂欢现在结束了。这些我们的演员
（正如我预言的）都是灵魂，而且
融化在空气中，变成稀薄的空气，
就像这个愿景的无根据结构一样，
乌云密布的拖车，华丽的宫殿，
庄严的庙宇，伟大的地球，
他们所承受的，都必消灭。
然后，就像这个空洞的选美比赛一样消失了
不要留下架子。我们就是这样的人
随着梦想的实现；还有我们的小生活
被睡眠包围着。
现在，这些台词有着令人愉悦的形式和节奏，在第一次阅读时，一些重要的东西可能会被忽略。他们对现实只提出了狭隘、片面的看法，而忽视了有关现实的基本事实。如果我们考虑到这些其他事实，我们会发现普洛斯彼罗的悲观语气和结论是错误的。但这些事实并不是马上就能证明的。为了看到它们，我们需要思考的不仅仅是我们宇宙中自发发生的事情（比如无常、偶尔的恢复力、行星和我们城市云端的塔楼）。我们必须考虑能发生什么和不能发生什么：反事实，最终也是由物理定律决定的。
T他最重要的元素，普洛斯彼罗的演讲忽略了，是即使在没有设计的法律，恢复力可以实现。不能保证它会实现，因为法律并不是为此而设计的;但这是可以实现的，因为物理定律并不禁止这样做。要理解这一点，最直接的方法是比莎士比亚时代更仔细地观察四周。确实有一些实体在某种程度上是有弹性的;更重要的是，有些人比其他人更有弹性。有些人要多得多。与谚语和传统智慧相反，它们并不是石头，而是有生命的实体。
一般来说，生物比岩石之类的东西具有更强的适应力。受伤的动物通常能自我修复，而岩石却不能;单个动物最终会死亡，但它的物种可能比一块石头存活的时间长得多。
以反事实的形式表达的物理定律提供了改进的机会。
考虑细菌。30多亿年来，它们在地球上几乎保持不变（同时也在进化！）。更准确地说，几乎没有改变的是一些特定的指令序列，这些指令编码如何从每个细菌细胞中存在的基本成分中产生细菌：配方。这一配方体现在DNA分子中，DNA分子是任何细胞的核心部分。这是一系列化学物质，有四种不同的种类。该字符串的工作原理与由四个字母组成的长序列单词完全相同：每个单词大致对应于配方中的一条指令。生物学家将这些基本指令组称为基因。
它是细菌DNA的特殊结构或模式，在如此长的时间里几乎保持不变。相比之下，同期地球上岩石的排列和结构发生了深刻的变化;整个大陆都因为地壳内部的运动而重新排列。假设一些外星人在史前早期登陆地球，收集了某些生物(比如蓝藻)的DNA，并从太空拍摄了我们星球的照片;他们现在要回来做同样的事情。在行星的照片里，一切都会改变。大陆和海洋的结构将完全不同。但这些生物体的DNA结构几乎没有变化。所以，毕竟，在我们的宇宙中，某些东西，比如DNA编码的食谱，可以获得相当显著的弹性。
普洛斯彼罗的演讲忽略的另一个元素是，活着的实体可以在环境上操作，转换它，并且(至关重要的)保存这样做一次又一次的能力，因此留下比“机架”更多的东西。地球上仍然保留着10亿年前细菌活动的迹象(例如，以化石碳的形式)。植物通过光合作用将太阳光转化为化学能，并释放出气态氧，从而引起了大气成分的巨大变化。人类也有能力在各种条件下改变环境。与普洛斯彼罗的观点相反，宫殿、庙宇和云顶的塔楼可以实现复原——因为它们是文明的产物。人类可以按照它们最初建造的蓝图——或者更确切地说，是一种配方——来修复它们，保证它们能比组成它们的材料耐久得多。原则上，只要有这样的配方，一台3d打印机就可以从头开始重建任何被完全摧毁的古代宫殿。
人类的寿命可能仍然有限，但技术已经将其延长到远远超过我们祖先的寿命。通过改变自然发生的环境，人类文明正在逐步改善和发展。我们现在有了制造温暖（或冷却）房屋的知识，强大的药物，在地球上甚至进入太空的高效交通工具，以及节省我们劳动、延长我们的生命并使之更愉快的工具。我们有宏伟的艺术、文学、音乐和科学作品。普洛斯彼罗演讲中的这些词就是我们文学遗产的一个例子，它们与人类智力活动的无数其他奇妙成果一起保存了下来。因此，我们建立的这场支持我们的盛会并没有消失，而是已经进行了几个世纪。地球上其他生命的表演已经持续了数十亿年，甚至更长。
当然，我们文明的复原力不断受到严重问题的威胁，这些问题在我们努力前进的过程中突然出现。其中一些问题，如全球变暖和迅速蔓延的流行病，实际上是我所描述的进展的副产品。这些问题构成了相当大的挑战，很容易使我们已经取得的进展的几个方面化为乌有。
但采取措施解决这些问题是有可能的，不管它们看起来有多严重;物理定律也不禁止更大的改进。它们不保证改善或解决问题，但也不禁止:通过解决气候危机等问题，恢复力和进一步进步都是可能的。以反事实的形式表达的物理定律提供了改进的机会。通过思考在宇宙中可能发生什么，以及发生了什么，我们对物质世界有了更完整的了解。普洛斯彼罗悲观的结论是片面的，而且是严重误导的。这只不过是一场不真实的噩梦。
Chiara Marletto是本书的作者能和不能的科学:一个物理学家在反事实的土地上的旅程．她是牛津大学沃夫森学院的研究员。她拥有牛津大学和都灵大学的学位。她的主要研究方向是理论物理学，同时她也对理论生物学、认识论和意大利文学感兴趣。
从能与不能的科学版权所有©2021由Chiara Marletto出版。
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