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凝聚态物理研究诸如晶体、玻璃和液体，超导体与半导体之类的系统，也是一门很特殊的学科，只在允许它所研究的结构存在的条件下（比如足够低的温度）才适用。即便是理论上要从基本粒子物理学导出凝聚态物理，也必须先将那些特殊条件列出。生物学还原所需要的信息
处于等级中另一层次的生物学，与物理学和化学之间的关系如何呢？当今还有哪位严肃的科学家会像过去几个世纪中常见的那样，相信生物学中存在着不是源于物理…化学的特殊“活力”？如果有，那也是极少数。我们中间几乎所有的人都认为在理论上，生命依赖于物理学和化学定律，就像化学定律依赖物理学定律一样，从这一意义来说，我们又成了一种还原主义者。然而像化学一样，生物学依然非常值得按其自身条件，在其自身层次上来进行研究，尽管阶梯的建构工作仍在进行。而且，地球生物学极为特殊，这里地球生物学指的是我们这个行星上的生物系统，它们与那些围绕遥远恒星运行的行星上的复杂适应系统，一定有着很大的差别。在宇宙中这样的行星必定存在，但或许这些行星上仅有的复杂适应系统，是我们见了也未必能将他们描述为活的系统。（举一个科幻小说中常见的例子。假想一个社会由非常先进的机器人与计算机组成，它们是很久之前由一个现已绝灭的人种所制造的机器人与计算机发展而来，而那个绝灭的人种在其生存期间，我们或许可以把他们描述为“活着”。）然而，即使我们只关注“活着”的人类，他们中的许多人也仍然可能显示出与地球上的人类极不相同的特性。为了描述地球生物现象，除物理和化学定律之外，还须提供大量的特殊附加信息。
首先，地球上所有生命所共有的许多特征可能是在这一行星上的生命史早期所发生的一些偶然事件的结果，它们也完全有可能以另外一些不同的形式出现（那些不同的生命形式也可能很久之前在地球上存在过）。地球上所有生物的基因都由A，C，G，T 四种核苷酸组成，这种规则似乎适用于当今我们的行星，但在空间与时间的宇宙标度上也未必具有普适性。在其他许多星球上，也许存在着其他许多可能的规则；而遵循其他规则的生命在数十亿年前可能也在地球上生存过，后来他们被以常见的A，C，G，T为基础的生命所淘汰。生物化学——有效复杂性与深度的比较
可能具有或可能不具有唯一性的问题，并不仅仅限于用来描述当今所有地球生命的某组特定的核苷酸，对地球上所有生命化学的每一条普遍性质，科学家们也在讨论着同样的问题。一些理论家声称，宇宙空间不同星球的生命化学，必定具有各种不同的形式。如果真是这样，地球上的情形就是大量偶然事件的结果，这些偶然事件促成了地球上生物化学的规律，从而使之获得很大的有效复杂性。
另一方面，一些理论家认为，生物化学本质上是唯一的，建立在物理基本定律基础上的化学定律，使得一种生命化学不同于地球上所发现的生命化学的可能性很小。持这一观点的人实际上是认为，从基本定律到生物化学定律的过程几乎不涉及任何新的信息，因此对有效复杂性贡献很小。但是，计算机可能需要进行大量的计算，才能从物理基本定律导出生物化学的近唯一性这个理论命题。在这种情况下，生物化学即使没有很大的有效复杂性，也仍然具有很大的深度。另一种表达地球生物化学的近唯一性问题的方式是，看生物化学是否主要取决于对物理学提出恰当的问题，或者还以一种重要的方式依赖于历史。生命：高度的有效复杂性——有序与无序之间
即使基本的地球生命化学与历史关系不大，生物学中也仍然存在着巨大的有效复杂性，远远大于诸如化学或凝聚态物理这类学科中的有效复杂性。想想自地球上生命产生以来40 亿年左右的时间里，有多么巨大数量的进化性变化是由偶然事件引起的！那些偶然事件中的一些（也许只是很小的一部分，但绝对数量仍然很大）在这一星球上的生命之后续历史中，及对于生物圈中生命形式之丰富多彩的特点，起着重要的作用。生物学定律确实依赖于物理学和化学定律，但它们还取决于大量由偶然事件产生的附加信息。这里，你可能会发现，在理论上可能进行的那种到物理学基本定律的还原，与一个缺乏经验的读者所理解的“还原”一词之间，存在着很大的差别，而且这种差别远远大于从核物理、凝聚态物理或化学到基本物理学的还原的情形。生物科学远比基本物理学复杂，因为地球生物学的许多定律不仅与基本定律有关，而且还与大量偶然事件有关。
但是，即使是对所有星球上所有种类的复杂适应系统进行研究，这种研究也仍然是相当特殊的。外界环境必须显示出足够的规律性，以供系统用于学习或适应，但同时又不能有太多的规律性，以致什么事情都不发生。例如，如果所讨论的环境是太阳的中心，温度高达数千万度，那么它几乎有着完全的随机性，近于最大的算法信息量，而没有有效复杂性或大的深度，那么任何与生命相类似的事物都难以生存。如果外部环境是一个处于绝对零度的完美的晶体，算法信息量几乎为零，这时同样不可能有很大的有效复杂性或大的深度，因而也不会有生命存在。复杂适应系统的运作需要有介于有序与无序之间的条件。
地球的表面提供了一个具有适中算法信息量的环境，这里深度和有效复杂性同时具备，这就是为什么生命能在这里发生、进化的部分原因。当然，在几十亿年以前地球的条件下，只有极原始的生命形式才能进化，但后来那些生物本身改变了生物圈的成分，特别是通过向大气中放出氧气这样的方式，从而营造了一个更接近于现在的地球生物圈的环境，使得具有更复杂的组织的高级生命形式能够进化。位于有序与无序之间的条件不仅是能产生生命的环境的特点，也是具有高度有效复杂性与极大深度的生命自身的特点。心理学与神经生物学——意识与脑
地球上的复杂适应系统已经导致好几种位于生物学“之上”的学科的产生。其中最重要的学科之一是关于动物，尤其是具有最复杂心理状态的人类的心理学。同样，现代科学家当中很少有人会相信，存在着本质上不能归于生物学的，最后也不能归于物理化学的“精神力”。于是，从这一意义上来说，我们所有人又都是还原主义者。但是对于心理学（有时甚至生物学）这样的学科，你会听到人们将“还原主义者”当作一种侮辱性的字眼来使用，甚至在科学家当中也是这样。（例如，我在其中作了近40年教授的加州理工学院就常被人揶揄地称作还原主义者；事实上，我在对学院某些方面的不足表示遗憾时，也可能使用过这一术语。）怎么会是这样呢？其论据又在哪里呢？
问题的核心在于人类心理学依然值得在其自身层次开展研究，尽管理论上它可以从神经生理学、神经传递质的内分泌学等等学科导出。跟我一样，许多人都认为，在心理学与生物学之间建构阶梯时，最好的策略是不但要从底部向上，而且要从顶部往下进行考察。但这一见解并没有得到一致的认同，比如在加州理工学院就是这样，那里很少开展人类心理学研究。在开展生物学和心理学研究，并致力于建构两者之间的阶梯的地方，
生物学这方面强调的事物是脑（及神经系统的其余部分，内分泌系统，等等），而心理学方面强调的是意识——也就是大脑及相关器官活动的现象学显露。每个阶梯都是一座脑…意识桥梁（brain…mind bridge）。
加州理工学院研究的主要是脑（brain），意识（mind）方面的研究被忽视了，有一些圈子里甚至连“意识”这个词都受到怀疑（我的一个朋友称之为M…字）。但是几年以前学院开展过重要的心理学研究，特别是心理生物学家罗杰·斯佩里（RogerSperry）和他的同伴在关于人脑的左、右两部分的智力关联方面做出过著名的研究。他们研究了那些由于事故或癫痫病手术致使连接左、右两半脑的胼胝体被切的病人。科学家已经发现，左半脑倾向于主管语言功能和躯体右半部分的运动，而身体的左半部分通常由右半脑控制。例如，他们发现，一个被切去胼胝体的病人将不能用言语表达与身体左半部分有关的信息，而一些间接的证据表明他拥有那方面信息。
当斯佩里随着年龄的渐增而不那么活跃时，他所开创的研究由他原来的学生和博士后，以及许多新人在其他学校继续进行。进一步发现的证据表明，左半脑不仅在言语，而且在逻辑和分析方面具有优势，而右半脑则在非言语交流、语言的情感方面以及像面容识别这样的整体性任务方面具有优势。一些研究者将直觉与分辨大图像（big picture）的功能与右脑联系了起来。不幸的是，在通俗化的过程中，那些结果中有许多被夸大其辞和曲解了，而且，大部分讨论都忽视了斯佩里如下的警告性评论，即“未受伤的正常大脑的两个半脑，通常是作为一个整体在发挥作用？？”然而，新的发现是相当惊人的。我对深程度的后续研究尤其感兴趣，例如，业余爱好者通常主要用右脑听音乐，而专业音乐家则主要是用左脑听，这种说法我认为是真实的。集中于机制或解释——“还原主义”
为什么如今的加州理工学院，在心理学方面的研究进行得如此之少呢？诚然，学校太小，不可能面面俱到。但是为什么进化论生物也研究得很少呢？（ 有时我开玩笑说， 一个特创派办的学院（ creationistinstitution）其研究范围也很少这么狭窄。）为什么生态学、语言学或考古学都研究得这么少呢？人们可能会由此猜想，这些学科也许有某些共同特征，这些特征妨碍着我们大多数的教授。
加州理工学院的科学研究计划偏向机制、基本过程及解释等方面的研究。当然我是同情这一方式的，因为它也是基本粒子物理研究的特点。的确，这种强调基本机制的研究方式，已使许多领域取得了巨大的成就。本世纪20 年代，当摩尔根（T．H．Morgan）正在研究果蝇基因时，他被请到加州理工学院，在这里他发现了生物分裂，从而奠定了现代遗传学的基础。40 年代来到加州理工学院的德尔布吕克（Max Delbrück），成为分子生物学的奠基人之一。
如果一门学科被认为描述性与现象性太强，还没有到达可研究其机制的阶段，那么我们的教授们就会认为它还不能登上“科学”的殿堂。如果加州理工学院在达尔文时代就已存在，而且带有与上述同样的倾向，那么它会将他聘为教授吗？尽管他取得了很大的成就，但他毕竟在阐述其进化理论时，并没涉及到多少基本过程。从他的著作中可以看出，如果非要解释变异的机制，他可能宁愿选择错误的拉马克观点（拉马克主义认为，将连续几代的老鼠都砍去尾巴，那么将会导致一个无尾鼠群的形成，或者说，长颈鹿的长颈可解释为祖先几代为了够着黄刺槐而努力伸长脖子造成的）。可是，他对生物学的贡献是非常巨大的。尤其是他的进化理论为这样一个简单的统一原理奠定了基础，即，所有现在的生物均由同一祖先进化而来。这与过去普遍流行的物种稳定的观点形成多么鲜明的对比，在过去的那一观点中，每一物种都被认为是由超自然方式特创的。
即使我也认为像心理学这样的学科还够不上称为科学，但我仍然愿意从事那些领域的研究，以使自己能够分享使它们变得更加科学而获得的乐趣。除了赞成自下而上地在各学科之间建构阶梯——从更基本的和解释性的学科到较不基本的学科——这样一个通常使用的规则以外，在许多情形（不光是心理学情形）下，我也支持从上到下的方法。这种方法从识辨较不基本的层次上的重要规律开始，到后来逐渐地理解下面更基本的机制。但是加州理工学院校园中弥漫着一种强烈的偏见，它偏向于已导致大多数伟大的成就、从而为学院赢得盛誉的自下而上的方法。可这一偏见现在却使学校招致了还原主义这一具有贬损意义的名声。
诸如心理学、进化生物学、生态学、语言学和考古学这样的学科均涉及到复杂适应系统。它们都在圣菲研究所的研究范围之内，而且大量的重点放在那些系统之间的相似性，以及在各自层次上研究这些相似性的重要性方面，而不仅仅是将它们作为更基本的科学学科所衍生的结果。从这一意义上来说，圣菲研究所的成立有抗议还原主义泛滥的一面。从夸克到美洲豹的简单性与复杂性
虽然我认为加州理工学院忽视大多数“有关复杂性的科学”是一个严重的错误，但我还是对他们在基本粒子物理学和宇宙学这两门涉及寻找宇宙基本定律的最基本的学科方面所给予的支持，感到由衷高兴。现代科学的一个重大挑战是沿着阶梯从基本粒子物理学和宇宙学到复杂系统领域，探索兼具简单性与复杂性，规律性与随机性，有序与无序的混合性事物。同时我们也需要了解，随着时间的推移，早期宇宙的简单性、规律性及有序性怎样导致后期宇宙中许多地方有序与无序之间的中间条件的形成，从而使得诸如生物这样的复杂适应系统及其他一些事物的存在成为可能。
为了做到这些，我们必须从简单性与复杂性的观点来考察基本物理学，并弄清楚，对于具备复杂适应系统进化条件的宇宙，其规律性与随机性模式的形成，宇宙的初始条件与量子力学的不确定性以及经典混沌的不可预测性各起着怎样的作用。第二篇 量子宇宙第十章 量子宇宙中的简单性和随机性
物质和宇宙的基本定律今天处于什么情形？有多少已经完善地建立起来了？还有多少仍是推测？还有，这些定律怎样看待简单性和复杂性或规律性和随机性？
这些基本定律要服从量子力学的一些原理，而且在我们思考的每一阶段我们都要涉及量子近似。量子力学的发现是人类最伟大的成就之一，但它也是人类智力最难掌握的困难之一，即使像我们这些几十年来天天用到它的人，也觉得非常困难。它经常违背我们的直觉，或者说是违背我们在忽略量子力学行为情形下建立的直觉。这种情况使我们更有必要探究量子力学的意义，特别是在考察近来有关量子力学的思维方式的进展以后，这种必要性显得更迫切了。作了这种考察后，我们也许会比较容易明白，为什么我们的直觉似乎对某些重要的东西不予关注。
物质组成宇宙，不同的基本粒子如电子、质子组成物质。这些基本粒子缺乏个性——宇宙中的电子都相同，所有的质子同样可以相互转换。不过，任何粒子可以占据无数不同“量子态”（quantum states）中的一个。基本粒子可分两大类。一是费米子（Fermions），例如电子，它们遵守泡利不相容原理（exclusionprinciple），即同一类的两个粒子不可能同时占据相同的量子态；另一类叫玻色子（Bosons），例如光子，它们不遵守不相容原理，即同一类的两个或两个以上的粒子偏好在同时占有相同的量子态。光子的这种特性使激光的运作成为可能，在激光里给定态的光子可以激发更多相同态的光子发射。所有这些光子具有相同的频率和沿相同的方向运动，形成激光束。“激光”（laser）实际上是“辐射受激发射光放大”（light amplification by stimulated e…mission of radiation）的缩写。
玻色子由于喜欢挤在相同的量子态使密度增加，这使得它们的行为十分像经典场（如电磁场和引力场这样的场）。因此，玻色子粒子可以看成是这些场的量子（量子化的能量小包）。电磁场的量子是光子。同样，理论要求引力场也有相应的量子，这种玻色子称为引力子（graviton）。事实上，任何基本的力都必然有与之相关联的基本粒子，即相应场的量子。有时候量子被称为相应力的携带者。
当我们把物质描述为由基本粒子（即费米子和玻色子）组成时，我们应该强调在某些条件下玻色子的行为更像场而不像粒子（例如一个电荷周围的电场）。费米子也可以用场来描述，虽然这些场的行为与经典场不同，但在某种意义上都与力相关联。
所有的物体都具有能量，所有的能量都与物质相关联。当人们不经意地提到物质转化为能量（或相反）的时候，他们的意思只不过是说某种物质转变成为另外一种物质。例如，一个电子和一个称为正电子的相关粒子相遇时就转化为两个光子，这个过程经常被称为“湮灭”（annihilation），有�