宇宙
卡尔·萨根(周秋麟、吴衣俤等译 李元校)
引 言
引 言
长期艰苦的研究工作终将揭示现存的奥秘。但是人的生命是有限的，即使将毕生都贡献给太空，我们也不可能透彻地研究这样巨大的课题……所以，只有经过相当长的历史时期，人们才有可能获得对太空的全面认识。将来有一天，我们的后代会因为我们不懂得那些对他们来说十分浅显的东西而感到吃惊……还有许多东西有待于发现，那时候，我们将被我们的子孙所忘却。如果我们的宇宙不能为每一代人都提供可探索的奥秘，那么，这个宇宙就太渺小，太可悲了……大自然是不肯将其天机一下子全都泄露给我们的。
——塞尼卡《大自然的问题》第七卷“第一世纪”
在古代的日常谈话和生活习惯中，最普通的世事也会跟宇宙间发生的最大事件联系在一起。驱虫咒就是一个很好的例子。公元前1000年的亚述人以为地龙（蚯蚓）是牙痛的病魔，他们的咒语以宇宙的起源为开头，以治愈牙痛为结尾：
阿努造天空，
天空造地球，
地球造江河，
江河造水流，
水流造沼泽，
沼泽造地龙，
地龙去找沙麦斯和埃，
哀求哭泣泪涟涟：
“你何以供我餐，
你何以供我饮？”
“是否以你干无花果。”
“干无花果！于我
何所用？
提携我吧，居我于牙缝与齿龈间！……”
哦，地龙，你出言不逊
愿埃以其巨掌
惩治你！
(治牙痛咒语)
疗法：将二等啤酒和食油等渗和在一起：默诵三遍以后将该药敷在病牙上。
我们的祖先渴望了解宇宙，但是他们没有其正找到了解的办法。他们设想了一个既离奇又规则的小宇宙，其中，阿努、埃、沙麦斯诸神掌管着一切。在这个小宇宙里，人类如果不是起着核心作用的话，起码也起着重要的作用。我们人类跟大自然密切地联结在一起；用二等啤酒治牙痛的疗法也与最深奥的宇宙学联系在一起。
今天，我们已经找到了一种有效和精确地了解宇宙的方法，我们把这种方法称为“科学”。科学已经表明，宇宙是如此浩瀚而古老，因此人间世事往往显得无足轻重。随着人类的成长，人类与宇宙疏远了，宇宙似乎与人类的日常生活无关紧要。可是科学发现，宇宙不但横无际涯、辽阔瑰丽，不但可以为人类所了解，而且，从现实和深远的意义上说，人类的命运和宇宙息息相关。人类大大小小的活动都可以追溯到宇宙及其起源。本书探讨的就是这种宇宙观。
1976年的夏秋，作为“海盗”号着陆舱模拟飞行队的成员，我跟我的百人科学工作队一起探索了火星。在人类历史上，我们的宇宙飞船首次在另一个星球上着陆了。探索的结果（详见第五章）是引人注目的，这一使命的历史意义是举世公认的。然而，大众对这样伟大的事件却几乎一无所知。报刊采取了漫不经心的态度，电视对此置若罔闻。当他们知道“火星上是否存在着生命”这个问题的答案仍然悬而未决的时候，他们的兴趣更是有减无增。他们不容许有任何似是而非、模棱两可的答案。当我们宣布火星的天空是浅黄色而不象原先所误认为的那样是蓝色的时候，记者们一致报以善意的嘘声——即使在这一点上，他们也希望火星跟地球一个样。他们认为，越是证明火星不像地球，读者和观众的兴趣就越小。然而，火星的气势磅礴、景色宏伟。根据个人经验，我确信、全世界对探索行星及其许多类似的科研课题都怀有极大的兴趣——例如生命的起源、地球、宇宙、地外文明的研究、人类和宇宙的联系等等，我还确信，这种兴趣可以通过电视这个最有力的传播媒介而得到激发。
“海盗”号资料分析及探索计划处处长 B·金特里·李是一个具有非凡组织能力的人。我们俩的看法是一致的，我们都跃跃欲试，决定就这些问题做点工作。李建议我们组织一个专门的电视制作公司，用生动活泼、通俗易懂的方法传播科学。后来，我们接洽了若干项目，但是其中最有趣味的是KCET（美国公共广播局洛杉矶中心站）提出的要求。最后，我们一致同意制作一部关于天文学的13集电视连续片。这一套电视片要以人类为中心展开，以普通观众为服务对象，既要场面壮观，又要配乐和谐；既要有教育意义，又要给人以美的享受。我们跟担保人进行了洽谈，雇了一名监制人，结果我们承担了一项为期3年的叫作“宇宙”的制片任务。 在写这本书的时候，我们估计这部电视片在世界上的观众有1亿4千万，占地球这个行星的人口的3%。我们相信，大众远比人们普遍所想象的要聪明得多；也相信关于宇宙的性质和起源的最深奥的科学问题能够激发一大批人的兴趣和热情。当前这个时代正处在文明大道的十字路口，也许也正处在人类进化的十字路口。不管今后走哪一条路，我们的命运已经跟科学牢牢地联结在一起。了解科学已经关系到我们的生死存亡。此外，科学是一种乐趣，人类的进化注定我们要乐于了解科学，因为了解科学的人生存的可能性更大。《宇宙》这部电视系列片和本书为如何传播科学的思想、方法和乐趣提供了一个很好的例子。
本书和电视系列片是同时形成的，从某种意义上说是相辅相成的。本书里的许多插图取自为电视系列片摄制的稀有图片。但是本书的读者和电视观众不尽相同，因此编辑方法也就不一样。书籍的一个最大优点是可以让读者反复阅读那些晦涩难解的部分，而电视只有在录像磁带和录像光盘的新技术出观之后才有可能这样做，书籍的作者可以自由选定一个章节主题的范围和深度，而一个非商业性电视节目则只能限制在58分零30秒钟之内。在许多问题上，本书的讨论比电视系列片更深入。有些题目本书并没有讨论，但在电视片里讨论了。本书模仿坦尼尔关于艾丽斯和她的朋友在高重力和低重力环境中的组画能否通过严格的电视剪辑还是一个问题。今我欣慰的是，画家布朗画的那些优美的插图及其说明在本书里可以说是适得其所的另—方面，电视片里所介绍的“宇宙历”本书没有收录——部分原因是“宇宙历”在我的《伊甸园的飞龙》里已经讨论到了；同样，我在本书里也没有详细讨论罗伯特·戈达德的生平事迹。因为在《布罗卡的脑袋瓜》一书中有一章专门介绍了他的情况。但是电视系列片中的每一集都跟本书相应的章节密切相关。我希望读者观众能够受益于两者，且相得益彰。
为了明晰起见，我在若干情况下不止一次地介绍了某个概念——先是轻描淡写，然后由浅入深。例如在第一章里，“宇宙物质”这个概念先是简单地介绍一下，后来才进行深入讨论。又如第二章里关于“突变”、“酶”、“核酸”的讨论也是如此。有些概念不是按历史的先后次序阐述的，例如古希腊科学家的思想到第七章才介绍。对约翰尼斯·开普勒的讨论却放在第三章。但是我认为，只有先了解古希腊人因一步之差而没有完成的伟业，我们才能够对他们的成就做出充分的估价。
科学跟人类的其他活动是不可分割的，所以讨论的时候免不要涉及到社会、政治、宗教和哲学的许多问题。有时候是一带而过，有时候则正面论述。
即使拍摄科学电视系列片也常常受到世界性军事行动的干扰。当我们在莫哈夫沙漠用与“海盗”号着陆舱一样大小的模型进行探索火星实习时，我们经常受到在附近试验场进行轰炸航线演习的美国空军的阻扰。在埃及的亚历山大，从早晨 9 点到11点，我们的旅馆是埃及空军扫射航线的演习目标。在希腊的萨莫斯，因为北大西洋公约组织军事演习，他们在地下和山坡上构筑大炮、坦克掩体，所以我们迟迟不能获得自由拍摄权。在捷克斯洛伐克，由于在一条农村公路上使用步话机组织拍片的后勤工作，引起了一架捷克斯洛伐克空军战斗机的注意。这架战斗机一直在我们的头顶上盘旋，我们用捷克语向他们再三保证不会对他们的国家安全构成威胁后才离去。在希腊、埃及和捷克斯洛伐克，我们拍摄小组所到之处都有国家保安机关特工人员的陪同。起初，当我们征求在苏联卡卢加拍摄的意见，并建议就俄罗斯宇宙航行学先驱康斯坦廷·齐奥尔科夫斯基举行讨论会时，我们的要求受到了阻拦。后来我们才知道，那是因为那里即将对不同政见者进行审判。我们拍摄小组人员无论到哪一个国家都受到友好款待，但是全世界到处都有军事活动，每一个国家都忧心忡忡。我的经验更使我决心在电视系列片和本书的有关章节探讨社会问题。
科学的真谛在于其自身日臻完善。新的实验结果和新的学术思想不断地解破旧谜。例如，在第九章里，我们讨论了太阳所产生的难以捕捉的粒子（称为“中微子”）似乎太少这个事实，同时我们还列举了一些不同的见解。在第十章里，我们怀疑宇宙里是否有足够的质量可以最终阻止遥远星系的退行，我们也怀疑宇宙是否能永存不朽。加利福尼亚大学弗里德里克·莱恩斯的实验对这两个问题的认识可能有一定的影响。莱恩斯相信他已有两种发现，其一是中微子以三种不同的状态存在，只有一种可以用观察太阳中微子的望远镜捕捉到，其二是中微子不同于光，是有质量的，因此宇宙空间里所有中微子的引力有助于闭合宇宙而防止它无限膨胀。未来的实验将证实这些观点正确与否，但是这些观点的出现说明了人们勇于不断地对已被普遍接受的基本科学理论进行重新估价。对科学来说这正是最为重要的。
因为这是一个规模巨大的工程，所以不能对每一个有贡献的人都表达我的谢意。然而，我还要特别感谢 B·金特里·李及《宇宙》电视系列片全体制作人员——包括老一辈制片人杰弗里·海恩斯－斯太尔斯和戴维·凯纳德以及监制人艾德里南·马龙，画家乔恩·龙伯格（他那富有独创性的布景设计与组织能力对《宇宙》的拍摄起了关键性的作用）、约翰·阿利森、阿道夫·沙勒、里克·斯特恩巴赫、唐·戴维斯、布朗和安妮·诺西亚；顾问唐纳德·戈德史密斯、欧文·金杰里奇、保罗·福克斯和黛安妮·阿克曼、卡墨伦·拜克；KCET管理人员，特别是格雷格·安多尔弗（他首先把KCET的建议传达给我们）、丘克·艾伦、威廉·拉姆和詹姆斯·洛珀，《宇宙》电视系列片的担保人和合作制片人，其中包括大西洋里奇菲尔德公司、公共广播公司、阿瑟·维宁·戴维斯基金会、艾尔弗雷德·斯龙基金会、英国广播公司和波利特尔国际组织。其他协助人员的名单列在书后。当然，归根结底，我要对本书的内容负责。我还要感谢蓝灯书屋的全体工作人员，特别是感谢本书编辑安·弗里德古德和设计罗伯特·奥利西诺的卓越的工作和在电视系列片及本书最后限期眼看就要发生冲突的时候所表现出来的耐心。我特别感激我的助理谢利·阿登，她任劳任怨，不但出色地承担了第一稿的打字任务，还出色地承担了几个制作阶段不同稿子的打字任务。当然这只是她对《宇宙》拍摄工作的许多贡献之一。我对下列人员感激不尽：康奈尔大学校方（他们给我两年的假期搞这个项目）和康奈尔大学的同事及学生，还有国家航空和航天局喷气推进实验所及“旅行者”号摄像队的同事们。
安·德鲁彦和史蒂文·索特都是这部电视系列片的合著者，他们对写成《宇宙》这本书的贡献尤其大、他们对本书的基本思想及其相互间的联系，对全书的内容及其措词，经常提出宝贵的意见。我深切地感激他们对本书进行严格的审阅，对修订初稿所提出的建设性和创造性的意见，以及对本书内容有重大影响的电视片文稿所作的重要贡献。我在跟他们多次的讨沦中所感受到的乐趣是我从事《宇宙》这项工程的主要报偿之一。
1980年5月于
伊萨卡和洛杉矶
第一章 宇宙的边疆
第一章 宇宙的边疆
人类被创造之前称为致命笑巫、黑夜之巫、蓬头与黑巫……他们生性聪明，洞察一切，对周围的事物一目了然，因而对苍穹和地球图谋不轨……(后来造物主说)“他们无所不知……我们该如何对付他们呢？让他们目光短浅吧，让他们眼界狭窄吧！……我们难道不是要把他们造成头脑简单的动物吗？他们难道也要成为神吗？”
《凯查马耶族圣经》
地的广大，你能明透吗？
光明的居所从何而至？
黑暗的本位在于何处？
《圣经·约伯记》
我索取荣誉的对象不应该是太空，而应该是我的灵魂。假如我拥有一切，我就无所用心。好大喜功则为宇宙汪洋所吞没，开动脑筋则领悟世界。
布菜斯·始斯卡《感想录》
已知的事物是有限的，未知的事物是无穷的；我站立在茫茫无边神秘莫测的汪洋中的一个小岛上。继续开拓是我们每一代人的职责。
T.H.赫胥黎
宇宙现在是这样，过去是这样，将来也永远是这样。只要一想起宇宙，我们就难以平静——我们心情激动，感叹不己，如同回忆起许久以前的一次悬崖失足那样令人晕眩颤栗。我们知道我们在探索最深奥的秘密。
宇宙的大小和年龄不是一般人所能理解的。我们的小小行星只不过是无限永恒的时空中的一个有限世界。从宏观来看，大多数人类所关心的问题都可以说是无关紧要的，甚至是微不足道的。但是，我们人类朝气蓬勃、勇敢好学、前途无量。几千年来，我们对宇宙及我们在宇宙中所处的地位作出了最惊人的和出乎意料的发现。人类对宇宙的探索，回想起来是很令人兴奋的。这些探索活动提醒我们：好奇是人类的习性，理解是一种乐趣，知识是生存的先决条件。因为我们在这个宇宙中只不过是晨空中飞扬的一粒尘埃，所以，我们认为，人类的未来取决于我们对这个宇宙的了解程度。
我们探索宇宙的时候，既要勇于怀疑，又要富于想象。想象经常能够把我们带领到崭新的境界，没有想象，我们就到处碰壁。怀疑可以使我们摆脱幻想，还可以检验我们的推测。宇宙神奥非凡，它有典雅的事实，错综的关系，微妙的机制。
地球的表面就是宇宙汪洋之滨。我们现有的知识大部分是从地球上获得的。近来，我们已经开始向大海涉足，当然，海水才刚刚没及我们的脚趾，充其量也只不过溅湿我们的踝节。海水是迷人的。大海在向我们召唤。我们的本能告诉我们，我们是在这个大海里诞生的。我们还乡心切。虽然我们的夙望可能会冒犯“天神”，但是我相信我们并不是在做无谓的空想。
因为宇宙辽阔无垠，所以那些我们所熟悉的适用于地球的量度单位——米、英里等等已经没有意义。我们用光速来量度距离。一束光每秒钟传播18.6万英里，约30万公里，也就是7倍于地球的周长。一束光从太阳传播到地球用8分钟的时间，因此我们可以说，太阳离我们8光分。一束光在一年之内约穿过10万亿公里(相当于6万亿英里)的空间，这个长度单位——光在一年里所通过的距离——称为一光年。光年不是度量时间的单位，而是度量距离的极大单位。
地球是宇宙中的一个地方，但决不是唯一的地方，也不是一个典型的地方。任何行星、恒星或星系都不可能是典型的，因为宇宙中的大部分是空的。唯一典型的地方在广袤、寒冷的宇宙真空之中，在星际空间永恒的黑夜里。那是一个奇特而荒芜的地方。相比之下，行星、恒星和星系就显得特别稀罕而珍贵。假如我们被随意搁置在宇宙之中，我们附着或旁落在一个行星上的机会只有1033分之一①。(1033，在10之后接33个0)。在日常生活当中，这样的机会是“令人羡慕的”。可见天体是多么宝贵。
从一个星系际的优越地位上，我们可以看到无数模糊纤细的光须象海水的泡沫一样遍布在空间的浪涛上，这些光须就是星系。其中有些是孤独的徘徊者，大部分则群集在一起，挤作一团，在大宇宙的黑夜里不停地飘荡。展现在我们面前的就是我们所见到的极其宏伟壮观的宇宙。我们隶属于这些星云，我们所见到的星云离地球80亿光年，处在已知宇宙的中心。
星系是由气体、尘埃和恒星群(上千亿个恒星)组成的，每个恒星对某人来说都可能是一个太阳。在星系里有恒星、行星，也可能有生物、智能生命和宇宙间的文明。但是从远处着眼，星系更多地让人想起一堆动人的发现物——贝壳，或许是珊瑚——大自然在宇宙的汪洋里创造的永恒的产物。
宇宙间有若干千亿(1011)个星系。每个星系平均由1000亿个恒星组成。在所有星系里，行星的数量跟恒星的总数大概一样多，即1011*1011=1022。在这样庞大的数量里，难道只有一个普通的恒星——太阳——是被有人居住的行星伴随着吗？为什么我们这些隐藏在宇宙中某个被遗忘角落里的人类就这样幸运呢？我认为，宇宙里很可能到处都充满着生命，只是我们人类尚未发现而已。我们的探索才刚刚开始。80亿光年以外嵌着银河系的星系团催迫着我们去探索。探索太阳和地球就更不用说了。我们确信，有人居住的这个行星只不过是一丁点儿的岩石和金属，它靠着反射太阳光而发出微光。在这样的大距离里，它已经消失得无影无踪。
但是，这个时候，我们的旅程只到达地球上的天文学所通称的“本星系群”。本星系群宽达数百万光年，大约由20个子星系组成，是一个稀疏、模糊而又实实在在的星系团。其中的一个星系是M31，从地球上看，这个星系位于仙女星座。跟其他旋涡星系一样，它是一个由恒星、气体和尘埃组成的巨大火轮。M31有两个卫星，它通过引力——跟使我呆在坐椅上相同的物理学定律——将矮椭圆星系束缚在一起。整个宇亩中的自然法则都是一样的。我们现在离地球200万光年。
M31 以外是另一个非常相似的星系，也就是我们自已的星系。它的旋涡臂缓慢地转动着——每2亿5千万年旋转一周。现在，我们离地球4万光年，我们正处于密集的银河中心。但是， 假如我们希望找到地球的话，就必须将方向扭转到银河系的边远地带，扭转到接近遥远的旋涡臂边缘的模糊的地方。
我们印象最深刻的是，恒星即使在两个旋臂之间，也像流水一样漂浮在我们的四周——气势磅礴的自身发光的星球，有些虽然象肥皂泡一样脆弱，却又大得可以容得下1万个太阳或1万亿个地球；有些小如一座城池，但密度却比铅大100万亿倍。有些恒星跟太阳一样是孤独的；多数恒星有伴侣，通常是成双成对，互相环绕。但是那些星团不断地从三星系逐渐转化成由数十个恒星组成的松散的星团，再转化成由百万个恒星组成的璀璨夺目的大球状星团。有些双星紧靠在一起，星体物质在他们之间川流不息，多数双星都象木星与太阳一样分离开来。有些恒星——超新星——的亮度跟它们所在的整个星系的亮度一样；有些恒星——黑洞——在几公里以外就看不见了。有些恒星的光彩长年不减；有些恒星闪烁不定，或以匀称的节奏闪烁着。有些恒星稳重端庄地转动着，有些恒星狂热地旋转着，弄得自己面貌全非，成了扁圆形。多数恒星主要是以可见光成红外光放出光芒；其他恒星也是X光或射电波的光源。发蓝光的恒星是年青的星，会发热；发黄光的恒星是常见的星，它们已经到了中年；发红光的恒星常常是垂亡的老年星；而发白光或黑光的恒星则已奄奄一息。银河里大约有4千亿个各种各样的恒星，它们的运转既复杂又巧妙。对于所有这些恒星，地球上的居民到目前为止比较了解的却只有一个。
每个星系都是太空中的一个岛屿，它们与其邻居隔光年之距遥遥相望，我可以想象，在无数星球上的生物对宇宙的模糊认识是如何产生的：他们在开始的时候都以为，除了他们自己小小的行星以及他们周围的那些区区可数的恒星以外，再也没有其他的星星了。我们是在与世隔绝的情况下成长起来的，我们对宇宙的正确认识是逐渐形成的。
有些恒星可能被数百万个没有生物的由岩石构成的小星球所包围，这些小星球是在它们演化的某个初级阶段冻结而成的行星系。大概许多恒星郡有跟我们类似的行星系：在外围具有由大气环所包围的行星和冰冻卫星，而在接近中心处则有温热的、天蓝色的、覆盖着云的小星球。在一些行星上可能已经有高级动物，他们也许正在从事某种巨大的工程建设来改造他们的行星世界，他们是我们宇宙中的兄弟姐妹。他们跟我们的差别很大吗？他们的形状、生物化学、神经生态、历史、政治、科学、技术、艺术、音乐、宗教、哲学等方面的情况如何？也许有一天我们会知道的。
我们现在已经回到了我们的后院——离地球1光年的地方。包围着我们的太阳的是一群巨大的雪球，这些雪球由冰块、岩石和有机分子组成：它们就是彗核。每当恒星经过的时候都对它们产生一定的引力作用，最后迫使它们当中的一个雪球倾倒到内太阳系。由于太阳热的作用，冰块被蒸发，于是就出现了美丽的彗尾。
我们现在来到我们星系的行星上。这些星球相当之大，它们都是太阳的俘获物。由于重力作用，它们被迫作近似圆周运动。它们的热量主要来自太阳。冥王星覆盖着甲烷冰，它唯一的伙伴是它的巨大卫星卡戎。冥王星是被太阳照亮的，因为太阳离它很远，从漆黑的天空中看上去，太阳只不过是一个明亮的光点。巨大的气体星球海王星、天王星、土星——太阳系的宝石——和木星部分别有一个冰冻卫星作伴相随（这些行星近年均被发现有更多的卫星甚至卫星群相伴随。——编著）。在气体行星及其冰冻卫星的内侧就是充满岩石的温暖的内太阳系。例如，在那里有红色行星——火星。在火星上有高耸的火山、巨大的裂谷、席卷火星的大沙暴，并且，完全可能还有一些初级形态的生物。所有太阳系的行星都绕着太阳运转。太阳是离我们最近的一个恒星，它是一个令人恐怖的氢气和氦气的热核反应炉，它的强光照耀着整个太阳系。
经过一番漫游之后，我们终于回到了我们这个弱小的浅蓝色星球。宇宙汪洋茫无际涯，范围之大，难以想象，而这个星球仅是其中之一，完全淹没于宇宙汪洋之中，它的存在可能仅仅对我们有意义。地球是我们的家，我们的母亲。人类是在这里诞生和成长的，是在这里成熟起来的。正是在这个星球上，我们激发了探索宇亩的热情。也正是在这里，我们正在痛苦和不安之中掌握我们自己的命运。
人类有幸来到地球这个行星上。这里有充满氮气的蓝天，有碧波荡漾的海洋，有凉爽的森林，还有柔软的草地。这无疑是一个生机勃勃的星球。从整个宇宙来看，它不但景色迷人，天下稀有，而且到目前为止，在我们的行程所经历过的所有时空当中，只有这个行星上的人类开始对宇宙进行探索。必定有许多这样的星球散布在整个宇宙空间里，但是，我们对它们的探索从这里开始。我们有人类百万年来用巨大的代价积累起来的丰富知识。我们这个世界人才济济，人们勤学好问。我们的时代以知识为荣。我们是很幸运的。人类是宇宙的产物，现在暂时居住在叫做“地球”的星球上。人类返回家园的长途旅行已经开始。
跟许多其他的发现一样，人类发现了地球是一个小星球。那是在古代的近东地区，在被一些人称为公元前三世纪的时代，在当时最大的城市——埃及的亚历山大发现的。在这个城市里住着一个名叫埃拉托斯尼的人，当时一个最羡慕他的人称他“贝塔(β)”——希腊文的第二个字母。这是因为，他说埃拉托斯尼是世界上第一个无所不知的人。但是埃拉托斯尼显然几乎在所有的领城里都是“阿尔法(α)”(希腊文的第一个字母)。他是一个天文学家、历史学家、地理学家、哲学家、诗人，戏剧批评家和数学家。他的著作从《天文学》到《痛解论》，样样都有。他还是亚历山大市图书馆的馆长。有一天，他从该馆的一本手抄本里读到下面—段话：在南部边疆西因前哨靠近尼罗河第一大瀑布的地方，在6月21日正午， 直立的长竿在地面上没有投下阴影。在夏至那天——一年当中白昼最长的一天，接近中午的时候，圣堂圆柱的阴影越来越短，最后在正午消失掉。这时太阳从头顶上直射下来，在一口深井的井水里可以看到太阳的倒影。
上述的观察是很容易为人们所忽略的。长竿、阴影、井里的倒影、太阳的位置——日常生活中这样简单的事情有什么重要的意义呢？但埃拉托斯尼是一个科学家，他当即想到做一个实验，实地观察一下亚历山大的直立长竿是否在6月21日正午会在地面上投下阴影。结果他们的实验证实；长竿在地面上投下了阴影。
埃拉托斯尼自我思忖：为什么在西因的长竿不投下阴影，而同一时刻在北边的亚历山大的长竿却投下明显的阴影呢？假设在一幅古埃及的地图上有两根等长的垂竿，一根直立在亚历山大，另一根直立在西因。假定在某一个特定的时刻两根长竿都没有在地面上投下阴影，这一点很容易理解——只要地球是扁平的。这时候，太阳在头顶直射。如果两很长竿在地面上投下等长的阴影的话，在扁平的地球上也说得通：这个时候太阳光线以同样的角度斜射在这两根长竿上。但是在同一时刻，在西因没有阴影，而在亚历山大却有明显的阴影，这究竟是怎么一回事呢?
他认为唯一可能的答案是：地球的表面是弧形的，而且弧度越大，阴影长度的差别就越大。因为太阳离我们如此之远，所以阳光照射到地球的时候是平行的。长竿与太阳光线的夹角不同，它们在地面上投下阴影的长度也就不同。就投在地而上的阴影长度的差别而言，亚历山大和西因之间的距离必定是它们在地面上的偏差角——约7度。也就是说，假如将长竿插入地心，它们就会在那里相交成7度角。7度相当于整个地球圆周360度的1/50。埃拉托斯尼知道亚历山大和西因之间的距离约800公里，因为他雇人步测过。800公里乘50等于40 000公里：这就是地球的圆周长度（原注：如果改用英里作量度单位，亚历山大和西因之间的距离约等于500英里，那么地球周长即为500英里×50＝25 000英里）。
这个答案是正确的。埃拉托斯尼唯一的工具是长竿、眼睛、脚和头脑，再加上对实验的兴趣。凭着这些东西，他推断出地球的圆周长度，误差只有百分之几，这在2200年前是一个非凡的成就。他是第一个正确地测量出一个行星的大小的人。
那时的地中海以航海业驰名，亚历山大是当时我们这颗行星上最大的海港。当你知道地球是一个直径不太大的星球时，难道你不想出海去探索吗？难道你不想去探索那些未被发现的国土，甚至去做环球航行吗？比埃拉托斯尼早400年的时候，一支腓尼基舰队受雇于埃及法老尼科，曾经环绕非洲一周。他们从红海启航（很可能是乘没有甲板的敞口船），顺着非洲东岸南下，再从大西洋北上，最后从地中海返航。这次史诗般的旅程花了3年的时间，相当于现代“旅行者”号宇宙飞船从地球飞往土星所需的时间。
根据亚历山大城阴影的长度，可以测出角A的度数。根据简单的几何公式（“两平行直线被第三条直线所截，内错角相等”），角B等于角A。于是，在测出亚历山大城阴影的长度后，埃拉托尼推算出亚历山大城和西因城在地球表面的距离（偏差角——译注）是：∠A＝∠B＝7°
在埃拉托斯尼的发现之后，勇敢而好冒险的水手多次进行过伟大的航海尝试。他们的船只很小，他们的航海仪器很不完善，他们仪根据测程仪和罗盘推算船位，并且尽可能沿着海岸航行。在陌生的大海里，他们虽然能够通过一夜又一夜地观察星座与地平线的相对位置来测定船只的纬度，但却不能够测定船只的经度。熟悉的星座对在陌生大海里的人一定是一个极大的安慰。星星是探索者的朋友，在当时就是地球远洋航船的朋友，而现在则是太空宇宙飞船的朋友。埃拉托斯尼算出地球的圆周长度之后，有些人可能尝试过环球航行，但是在麦哲伦以前，没有人获得成功。勇敢和冒险的故事在早期一定被说成是水手和航海家——世界上最讲究实际的人——拿他们的生命跟亚历山大的一个科学家的数字打赌！
在埃拉托斯尼时代，人们造出了地球仪，用以表示从空间看到的地球。这种地球仪在他们了如指掌的地中海地区基本上还是切合实际的，但是离开他们家乡越远，这种地球仪就变得越不符合实际。我们现在对宇宙的认识也难免遇到这种不愉快的情况。在第一世纪，亚历山大的地理学家斯特拉博写道：
“那些试图环球航行的人，返回的时候并没有说他们曾经受到大陆的阻碍，因为大海始终是敞开的。他们之所以返回，是因为信心不足、缺乏粮食……埃拉托斯尼说过，如果广袤的大西洋不是一个障碍的话，我们可以很容易地通过海路从伊比利亚抵达印度……在温带完全有可能有一、两个可居住的陆地……当然，如果(我们星球的另一部分)有人居住的话，住在那里的人跟我们是不同的，所以我们要把那里看成是另一个世界。”
人类就是这样开始千方百计地探索其他世界的。
后来对地球的探索是全球性的，有到中国和波利尼西亚去的，也有从中国和波利尼西亚出发的。当然，克里斯托弗·哥伦布发现美洲及随后几个世纪的历程算是达到了高潮，因为到那个时候，从地理上探索地球的任务已告结束。哥伦布的第一次航行与埃拉托斯尼的计算最直接相关。哥伦布对自己的“印度群岛冒险计划”简直着了迷，他不打算顺着非洲海岸航行，然后向东驶抵日本、中国和印度，他决心闯入陌生的西部海洋——即象埃拉托斯尼所大胆预见的那样，“通过海路从伊比利亚抵达印度”。
哥伦布曾经是旧地图的行商，也是古代地理学家——其中包括埃拉托斯尼、斯特拉博和普图利米——的著作和关于他们的著作的热心读者。但是，为了推行“印度群岛冒险计划”，为了使船只和船员能够在长途航行中生存下来，地球必须比埃拉托斯尼所说的小，所以，哥伦布在计算的时候耍了个花招。正如萨拉罗卡大学的考察人员准确无误地指出的那样，从哥伦布能找到的所有书本上，他采用了最小的地球圆周长度和最大的亚洲东延范围，甚至还再加以夸大。假如哥伦布在旅途中没有遇到美洲的话，他的探险就会彻底失败。
现在地球已经经过彻底的探索，再也不可能发现什么新大陆或失落的土地。但是，过去我们用来探索并定居住地球最遥远的地区的技术，现在可以用来飞离我们这个行星，去进行宇宙探险，去发现其它星球的秘密。飞离地球我们能够居高临下地对它进行观测，能够看到埃拉托斯尼测量出来的整个地球的球体及其大陆的轮廓，从而证实古代许多制图家有卓越的才华。埃拉托斯尼和亚历山大其他地理学家看到这些该会有多么高兴啊？
从某种意义上说，人类大约在公元前300年之后的600年时间里，在亚历山大这个城市开始了智力的冒险，这种冒险把我们引导到宇宙的海岸。但是，关于这个大理石般的光荣城市的形状以及人们的感觉，却没有任何记载可查，压制和惧怕已使人们几乎把古亚历山大遗忘得一干净。它的居民形形色色，简直不可思议，既有马其顿和后来的罗马土兵，埃及的祭司，希腊的贵族，腓尼基的水手，犹太商人，也有来自印度和撒哈拉沙漠南部非洲的访问者。在亚历山大兴盛的大部分时期内，除了大量的奴隶以外，人们都和睦相处，互相尊重。
这座城市是亚历山大大帝创建并由他从前的一个侍卫建成的。亚历山大鼓励重视外来文化，提倡虚心求知。根据传说——这种传说是否真实无关宏旨——他是在红海中世界上第一个钟形潜水器里降生的。他鼓励他的将土们与波斯和印度的女子通婚。他尊重其他国家崇拜的神。他搜集异国的生物（包括替他的老师亚里士多德搜集的—头象）。为了把他的城市建成世界贸易、文化和知识的中心，他不惜工本。这座城市因为有以下这些名胜而光彩夺目：30米宽的林荫大道，优雅的建筑和雕像，亚历山大陵，还有那座大灯塔——古代世界七大奇迹之一。
然而，亚历山人最大的奇迹是它的图书馆及其附属的博物馆(实际上是—个纪念9位文艺女神的公共场所)。在这个传奇般的图书馆里，至今残存最多的是图书馆附属建筑“塞里皮恩”里的那个一度被人遗忘的阴湿的地下室。它的唯一残物可能就是几个腐朽的书架，但是，这个地方曾经是我们这个行星上最伟大城市的智囊和荣誉，它是世界历史上第一个真正的科学研究所。该图书馆里的学者对整个宇宙进行了研究。“宇宙”(cosmos)这个词来自希腊语，意思是“天地万物，井然有序”，从某种意义上说，它是“混沌”(chaos)的反义词。它暗示了天地万物之间的相互联系，表明了人类对错综微妙的宇宙机制的敬畏。这是一个学者云集的地方，他们在这里研究物理学、文学、医学、天文学、地理学、哲学、数学、生物学和工程学。科学和学识发展了，天才在那里茁壮成长。亚历山大图书馆是我们人类最先系统而认真地搜集世界知识的地方。
除了埃拉托斯尼之外，还有天文学家希帕恰斯，他绘制了星座图并估算了恒星的亮度；欧几里得，他以卓越的才能将几何学进行系统的分类，并对正在费力地解一道数学难题的国王说：“通往几何学的道路中可没有为皇家铺设的康庄大道”；色雷斯的狄俄尼斯，他给词类作了定义，他对语言学的贡献，就象欧几里得对几何学的贡献一样；赫罗菲勒斯，生理学家，他确证智力活动的中心是在脑部而不是在心脏；亚历山大的赫伦，齿轮火车和蒸汽机的发明者，《自动装置》——第一本论述机器人的专著——的作者；佩尔加的阿波洛尼厄斯，数学家，他论证了圆锥曲线的各种形式（原注：之所以称为圆锥曲线是因为它们是以不同的角度从圆锥体上切割而成的，18个世纪这后，阿波洛尼厄斯论圆锥曲线的著作终于被约翰尼斯·开普勒首次用来理解行星的运动）——椭圆、抛物线和双曲线——(我们现在知道)这些曲线是行星、望星和恒星的运行轨迹；阿基米德，列昂那多·达·芬奇之前最伟大的力学天才；还有天文学家和地理学家托勒密，他编著了我们今天称为假科学的星占学；他的地心说统治了1500年。这个事实说明智慧并不能保证不犯大错误。在那些伟大的男子之外，还有一位伟大的女性——海帕希尔，她是数学家和天文学家，是这所图书馆最后一个名人，她的殉难与该馆建成七个世纪后的毁灭有密切关系。关于这个故事，我们后面还会谈到。
在亚历山大大帝之后的那些统治埃及的希腊国王们很重视学问，在几个世纪的时间里，他们始终扶植科研工作，并在图书馆里为时代的精萃保持良好的工作环境。该馆有10个研究大楼——分别用于不同学科的研究，许多喷泉和柱廊，几个植物园，一个动物园，几个解剖室，一个天文台，还有一个大餐厅，闲暇的时候，人们在厅里讨论问题。
这个图书馆的心脏是它的藏书。图书管理员到处搜罗世界各国的文化和文字，他们派人到国外尽可能买进图书资料。停泊在亚历山大的商船受到警察的搜查——搜查的目标不是走私货，而是图书。他们借来古书卷，誊抄之后再还给主人。虽然该馆的精确藏书数难以估计，但是收藏50万卷是完全可能的，而且全部都是纸莎草纸的手抄本。这些书都到哪里去了呢？创造这些书卷的古典文明崩溃了，连图书馆也被蓄意摧毁了。只有一小部分作品幸存下来，剩下的就是一些可怜的零零星星的碎片。这些可望而不可即的残片是多么令人心焦啊！例如，我们知道这个图书馆的书架上有一本萨摩斯天文学家阿里斯塔恰斯的著作，他论证说地球是行星之一，也是绕太阳运转的，他还论证说恒星离我们极为遥远。这些结论都是完全正确的，但是我们却等到将近2000年后才重新发现这些真理。我们对阿里斯塔恰斯这本著作损失的认识要提高10万倍，才能理解古典文明的伟大成就及其毁灭的悲剧性。
我们今天的科学已经远远地超过了古代科学，但是我们对历史的认识还存在着不可弥补的缺陷。试想一想，多少历史上的谜只要用亚历山大图书馆的一张借书证就可以得到解答。我们知道有一套三卷的世界史现在丢失了，作者是一个名叫彼罗萨斯的巴比伦祭司。该书第一卷论述从“创世”到“大洪水”时期，他认为这个时期是43.2万年，也就是说比《旧约全书》的年代纪还要长100倍。我很想知道书里到底写了些什么。
古人懂得宇宙的历史已经很长了，他们试图了解它的遥远的过去。我们现在知道宇宙远比我们所想象的要古老得多，我们已经考察了宇宙空间，知道我们住一个模糊星系的最遥远的角落里，住在一粒环绕着一颗平凡的恒星的尘埃上。如果我们是无限的空间里的一小点的话，我们在无限的时间里也占据了一瞬间。我们现在知道我们的宇宙——或者至少它的最近的化身——大约有150亿年或200亿年的历史了。这就是所谓的“大爆炸”以来的时间。在宇宙的开初是不存在星系、恒星或行星的，也没有生命或文明。当时的宇宙只不过是—个充满整个太空的均匀的辐射火球。从大爆炸时的混沌过渡到我们现在开始认识的宇宙，是我们有幸瞥见的物质和能量的最可怕的转化。在我们发现其他更聪明的智能生物之前，我们现在的人类就是最引人注目的转化结果——大爆炸的远代子孙。我们的使命是了解并进一步转化诞生我们的宇宙。
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①我们用美国科学界的标准单位表示大数字：1个billion(10亿)=1000,000,000=109；一个trillion(万亿)=1000,000,000,000=1012，等等。指数表示1之后0的个数。
第二章 宇宙的音乐
第二章 宇宙的音乐
我奉命听任万物之主的摆布。
你们都是他用泥土造出来的。
《古兰经》第四十章
最古老的哲学——进化论——在经院哲学统治的1000年内被捆住了手脚，打入冷宫。但是达尔文恢复了这个古老理论的元气。镣铐碎裂了已经证明，这个复兴的古希腊思想，比任何被轻易接受而又迎合后来70多代人类迷信的占星天象图更能够正确地揭示宇宙万物的规律。
T.H.赫胥黎
曾经生活在这个地球上的一切生物体很可能都是从某一种原始形态遗传下来的，生命最先被注入到这种形态里……这种生命观是十分动人的。因为，当这个行星遵循着固定的引力定律不停地旋转的时候，极简单的原始形式一直并且继续在演化成无穷无尽的最美妙的形式。
查尔斯·达尔文《物种起源》
在可见的宇宙范围内，看样子存在着许多类似的物质，因为在那些恒星上也有许多大阳和地球上存在的元素。值得注意的是，在群星上分布最广泛的元素是一些跟我们地球上的生物体联系最密切的元素，其中包括氢、钠、镁和铁。那些比较亮的恒星至少象我们的太阳一样，是适宜生物生长的星系的支柱和能量源泉。这难道不可能冯?
威廉·哈根斯
在我的一生中，我一直疑惑别的地方是否也可能有生命的存在。它的形式如何？是怎样造成的？我们行星上的一切生物都是由有机分子——碳原子起核心作用的复杂的微型结构——组成的。生命诞生之前，地球曾经是一个荒芜的不毛之地。现在，我们的星球是生机勃勃的。为什么会变成这样呢？在没有生命的情况下，以碳为核心的有机分子是怎样形成的？最初的生物是如何产生的？生物是如何进化到能繁殖象我们这样能够探索自身奥秘的复杂的高级动物的？
在无数其他环绕别的恒星的卫星上也有生命吗？地球以外的生命——如果存在的话——跟地球上的生命一样也是以有机分子为核心吗？其他星球上的生物跟地球上的生物长得基本相象吗？或者说他们极端不同——不同环境下有不同适应性变化？还有什么其他的可能性？研究地球上生命的性质与探索其他地方的生命是同一问题的两个方面，即探索我是谁。
在恒星之间茫茫的黑夜里，存在着气体云、尘埃和有机质。通过射电望远镜，我们发现那里有数十种不同的有机分子，这些分子的大量存在，表明生物无所不在。生命的起源和进化很可能是宇宙的必然规律，只是时间迟早不同而已。在银河系的几十亿个行星当中，有些行星可能永远也不会产生生命，有些行星可能有生命的兴亡，或者只是停留在生命的最简单形式而已，但是在一小部分的星球上可能有比我们人类更高级的智慧和文明。
有时候，有的人会说，真凑巧，地球这个地方完全适宜于生物的生长——气候温和，流水清澈，空气新鲜，等等。但这种看法起码是混淆了因果关系．我们居住在地球上的人对地球的环境非常适应，这是因为我们是在这里成长的，那些不适应的早期生物形态被淘汰了。我们是适应性强的生物体的后代。无疑，在环境完全不同的星球上生长起来的生物体也会自鸣得意。
地球上的一切生物都是密切相关的，我们有共同的有机化学机制和共同的进化遗传特征。因此，我们的生物学家的知识面就显得十分狭窄。他们只研究一种生物学——生命乐章中单一的主题。在成千上万光年里难道只有这么一个微弱的曲调吗？或者还有一种宇宙赋格曲，一种多主题和多声部，谐和音与不谐和音的共鸣乐曲——亿万种不同的声音鸣奏出银河系生命的旋律。
让我告诉你们一个关于地球生命乐章中的一个小乐曲的故事吧。1185年，日本天皇是一个名叫安德的7岁男孩，他是平家武土集团的名义领袖。当时该集团跟另一个武士集团——源氏武士集团——正在进行着一场长期的血腥战争。他们都宣称自己是天皇的正统继承人。1185年4月20日，在日本内海坛野里爆发了决定性的海上遭遇战，天皇也在船上。平家一方因寡不敌众，溃不成军，伤亡惨重。幸存者一大批一大批地涌到海里淹死。天皇的祖母丹井皇太妃决意不让敌方将她和安德俘获。后来的情况在《平家物语》①一书里有记载：
天皇时年7岁，但显得老成。他英姿焕发，讨人喜欢，乌黑的长发松散地垂在背后。他神色惊惶地问丹井皇太妃： “你要把我带住何处？”
皇太妃转脸望着年幼的君主，老泪纵横……她安慰他，把他的长发扎在他的粉红色的长袍里。小君主泪珠涟链，懒掌双合，先朝东向伊势神道别，然后朝西念佛（念阿弥陀佛）。丹井皇太妃将他紧紧地抱在怀里，嘴里念着“我们的宫殿就在大海的深处”，然后跟他一起沉没到波涛之下。
平家的舰队全军覆没，只有43个妇女活下来，迫于生活，这些宫廷侍女只好向战场附近的渔民兜卖鲜花成提供其他的服务。平家武士集团几乎从历史上消声匿迹，但是那些前宫廷侍女和渔民们所生的后代纠集在一起，定下了纪念该战役的节日。他们每年4月24日都举行纪念活动，至今依然如此。平家的渔民后裔披麻戴孝，到埋葬天皇的赤万圣陵去观看记述坛野里战役之后的历史事件的演出。几个世纪以来，人们觉得他们似乎清楚地看到罪恶的武士阶级的军队妄图舀干海水，清洗他们的血债、失败和耻辱。
渔民们说，平家的武士一直到现在仍然在日本内海的海底里漫游，体态如蟹。在这里可以发现背部斑纹古怪的蟹（译注：这种蟹学名为关公蟹，日本俗称武士蟹），其模样和形状都跟武士的面孔惊人地相象，人们捉到这种蟹的时候就把它们放回到海里，以纪念坛野里发生的令人悲哀的事件。
这个传奇故事提出了一个有趣的问题。为什么武士的脸会被雕刻在蟹壳上呢？答案似乎是，这种脸型是人造成的，蟹壳上的模样是遗传下来的。跟人一样，蟹也有许多不同的血统，假定这种蟹的祖先当中碰巧有一只蟹的模样跟人的面孔相象，哪怕只是稍微相象，即使在坛野里战役之前，渔民们也不会把它吃掉。当他们把它丢回海里的时候，他们就有了一个进化过程：如果你是一只蟹，你的壳是普普通通的，人类就会把你吃掉，你这一血统的后代就会减少，如果你的壳跟人类的面孔稍微相象，他们就会把你扔回海里，你的后代就会增多。蟹壳上的模样是蟹的一大投资。随着世代的推移——人蟹都一样——那些模样最象武士脸型的蟹就得天独厚地生存下来。因此，最终的产物不是一般人的脸型，也不是日本人的脸型，而是武士的严峻面容，所有这一切都与蟹的需求无关。淘汰是外部作用的结果。你的外貌越象武士，你的生存机会就越大，最后就产生了许许多多的武士蟹。
上述这个过程称为“人工选择”过程。就平家武士蟹而言，这个过程基本上是渔民们不自觉的选择过程。当然，这个过程跟蟹的意愿毫无关系。但是，人类几千年来对动植物的存亡一直在进行着精心的抉择。从婴孩期开始，我们就被熟悉的农场、家畜、水果、树木和蔬菜所包围。这些动植物从何而来？它们是曾经独立生存在野外，后来才被诱引到农场里过比较安逸的生活的吗？不，事实正好相反，它们大多数是我们造就的。
一万年前，奶牛、猪狗、大穗玉米等是不存在的。当我们驯化这些动植物——有些动植物的模样跟现在完全不同——的时候，我们控制住了它们的繁殖。我们让那些理想的品种优先繁殖。当我们需要用狗来牧羊的时候，我们就挑选那些机敏、驯服并且具有一定放牧天才的品种，因为我们可以利用狗的这种天才来看管成群猎食的动物。奶牛之所以有大乳房，是人类喜欢吃牛奶和乳酪的结果。我们现在吃的既可口又富有营养的玉米，是从它的瘦瘠的祖先开始，经过几万年的培育而成的。事实上，玉米已经变得没有人的干预而不能繁殖了。
无论是平家蟹、狗、奶牛还是玉米，人工选择的实质在于动植物的许多生理和行为特征被忠实地遗传下来。由于种种理由，人类促进了某些品种的繁殖，阻止了另一些品种的繁殖。被选中的品种竞先繁殖，终于繁盛起来；未被选中的品种日益稀少，甚至灭绝。
但是，既然人类能够造就动植物的新品种，难道自然就不能够吗？这个相应的过程称为“自然选择”过程。从人类生存在地球上短暂时期内对野生动植物的改造以及化石所提供的证据。我们非常清楚地看到，生物在亿万年里已经发生了根本的变化，化石毫不含糊地向我们表明，过去曾经大量存在的生物现在已经灭绝（原注：虽然西方传统的宗教舆论与这种观点大相径庭。例如，1770年，约翰·韦斯利认为：“死亡绝对不能够毁灭(哪怕是)最微小的物种。”）在地球历史上，已经灭绝的物种远比至今仍然存在的物种要多得多，它们是进化的终端试验品。
驯化所引起的遗传变化是非常迅速的。野兔一直到中世纪初才开始驯化（是法国修道士饲养的，因为他们把新生的小兔子当作鱼。所以在教会日历的某些天，兔肉不属于禁食的肉类），咖啡驯化于十五世纪，甜菜驯化于十九世纪，水貂现在仍处于驯化前期。在不到一万年的时间里，驯化的结果使绵羊的产毛量从l千克增加到10~20千克，使哺乳期奶牛的产奶量从几百毫升增加到100万毫升。如果人工选择在这么短的时期内能够引起这么大的变化，自然选择在几十亿年里能够引起什么样的变化呢？绚丽多彩的生物界就是答案。进化是事实，而不是理论。
“自然选择就是进化的机制。”这个伟大的发现是跟查尔斯·达尔文和艾尔弗雷德·华菜士的名字联系在一起的。一个多世纪之前，他们强调指出：自然是多产的、动植物产生的数量比它们可能生存的数量多得多，因此，自然环境选择那些碰巧更适合于生存的品种。突变——遗传特征的突然变化——是遗传的，它们为进化提供了原料。因为自然环境选择那些能够提高存活率的品种，结果引起了一系列生物形态的缓慢变化——新物种的起源②。
达尔文在《物种起源》这本书里的原话是：
人类实际上不会引起变异性；人类只是无意识地将生物体暴露在新的生活环境里，然后大自然才对组织发生作用，从而引起变异性。但是人类能够、而且的确选择了大自然所赋予的变异，并以各种理想的方式积累起来。人类就是这样改造动植物使其满足自己的意愿。人类的改造活动可能是系统的，也可能是不自觉的。他们可能只是将对他们最有用的生物保存起来，根本没有想到要改变品种……没有任何理由认为适用于驯化的原理就不适用于大自然……产生的生物比可能生存的生物来得多……在生物竞争的过程当中，不管其年龄或所处的季节如何，一种生物对其他生物的最微弱优势，或者对周围环境那怕是最轻微的较佳适应性，都会定决定性的作用。
T.H.赫胥黎在十九世纪是进化论最有影响的捍卫者和宣传者，他写道：“达尔文和华莱土的著作是一道闪光，它给在黑夜里迷失方向的人展现了一条道路。不管这条道路是否把他直接带到家里，但是肯定把他引上了正路。当我刚刚理解《物种起源》的精义的时候，我曾经这样想：我们怎么没想到这一点呢？多蠢啊！我猜想哥伦布的朋友也会是这么说的……变异性、生存斗争、环境适应性等是众所周知的事实。但是在达尔文和华莱士驱走黑暗之前，我们谁也没想到它们就是通往解决物种核心问题的道路。”
当时许多人对进化论和自然选择这两种观点都十分反感（现在有些人仍然如此）。当我们的祖先看到地球上巧妙的生物和生物体的构造如何完美地行使其功能的时候，他们以为一定有一个伟大的设计师。即使最简单的单细胞生物体，也是一部比最精致的袖珍手表还要复杂得多的机器，可是袖珍手表却不会自动组装，也不是自己一步一步地从有摆的落地大座钟演化来的。有手表就说明有表匠。原子和分子似乎不可能自动地结合在一起，形成使地球到处都是生机勃勃的极其复杂和微妙的生物体。“每一个生物体都是特意设计出来的”、“物种不会转化”等观点与我们缺乏史料的祖先对生物的看法是完全一致的，“每一个生物体都是由一个伟大的设计师精心构造出来”的观点使自然界条理化，使人类自命不凡——我们现在依然热中于此。所谓的“设计师”，是对生物界的一种自然的、投人所好的解释。但是，正如达尔文和华莱士所指出的那样，还有另一种同样投人所好而且是令人心悦诚服的解释：自然选择——它使生命的乐曲一代比—代更美妙。
化石所提供的证据可能与“伟大的设计师”的观点相吻合；也许这个设计师对某些物种不满意的时候就把它们毁掉，然后再试验新的花样。但是这种观点有点令人茫然。每一种动植物都是精心制造的，一个万能的设计师难道不能从一开始就随心所欲地制作吗？化石所提供的证据说明了一个尝试与谬误的过程——对预见未来无能为力，这种特征与万能的伟大设计师是格格不入的（虽然与性格比较温和和内向的设计师并不是格格不入的）。
五十年代初，我还是大学生的时候，我在H.J.马勒的实验室里做事，这是很幸运的。因为他是一个伟大的遗传学家，他发现辐射能够引起突变，同时也是他首先提请我注意平家蟹是人工选择的一个例子。为了掌握实用遗传学，我花了好几个月的时间做果蝇（Drosophila melanogastes，意思是黑身嗜露者）的实验。这是一种驯良的生物，有两个翅膀，一双大眼睛。我们把它们装在粉红色的奶瓶里，让不同的品种进行杂交，然后观察亲本基因重新组合后会产生什么样的形态，观察自然突变和人工突变会产生什么样的形态。雌蝇总是把卵下在技术员放在瓶里的糖蜜上，瓶子用塞子塞住，两周之后受精卵变成幼虫——蛹，最后蛹又形成果蝇成虫。
有一天，我正在用一个低倍双筒显微镜观察一批刚到的用醚轻度麻醉的果蝇成虫，并忙着用驼毛刷将不同的品种分开。使我感到惊愕的是，我偶然发现了一个非常不同的东西，这不是一般的小变异，例如白眼睛变成红眼睛，或者没有颈毛变成有颈毛。这是一种机能健全的新品种，翅膀显著得多，羽状触角也长。马勒说过，在一代里绝不可能有重大的进化，可是这个范例却发生在自己的实验室里，因此我断定，这是命运的安排。要向他解释这种现象，我感到有点为难。
我怀着沉重的心情敲了他的门。“进来！”里面传来了低沉的声音。我进去的时候发现房间的光线都遮住了，只有一盏小灯照着那架他正在使用的显微镜镜台。就是在这样黑暗之中，我结结巴巴地解释说：“我发现了一种怪异的蝇，可以肯定它是由糖蜜里的蛹形成的。”我并没有想惊动马勒，但是他却问道：“是不是更象鳞翅目而不象双翅目？”他的脸渐渐地亮起来，我不知所措，他就追问道：“是不是有大翅膀？是不是有羽状触角？”我莫明其妙地点头，说有。
马勒打开头顶上的灯，亲切地笑着。原来，这种现象人们早就发观了。有一种蛾，它们已经适应果蝇遗传学实验室的生活环境。它们既不象果蝇，跟果蝇也毫不相干，它们要的是果蝇的糖蜜。就在实验室技术员打开瓶塞和盖上瓶塞的那一瞬间——比如给广口瓶添加果蝇的时候，母蛾便来个俯冲轰炸，将卵产在香甜的糖蜜里。当时我并没有发现什么大突变，我只偶然发现了自然中的另一种有趣的适应性的变化——它本身就是小突变和自然选择的产物。
进化的奥秘在于死亡和时间——大量对环境不适应的生物体的死亡，以及碰巧有适应性的小突变进行长期演化所需要的时间。抵制达尔文和华莱士进化论的一部分原因是因为我们难以想象千万年的时间是怎么过去的，更不用说想象亿万年时间是怎么过去的。对那些只生存百万分之一年的生物来说，7000万年简直不可思议。我们就像蝴蝶一样，振翅一天便以为那就是一生。
地球上所发生的一切可能跟许多星球上的生物进化多少有类似的地方，但是就蛋白质的组成和化学性质或脑神经系统这样的细节而言，地球上的生物史在整个银河系里可能是独一无二的。地球是46亿年之前由星际气体和尘埃凝结而成的。根据化石所提供的证据，我们知道，没多久——大概40亿年之前，在原始地球的湖海里就产生了生命，最初的生物还没有单细胞生物体——这已经是一种相当高级的生物形态——那么复杂．最初的活动也简单得多。当时，闪电和太阳辐射的紫外线正在分解原始大气层中氢的成分很高的简单分子，分解的碎片又自动结合成越来越复杂的分子。这种早期的化学物质溶解在海洋里，形成了一种逐渐复杂的有机液。最后，有一天，纯粹是出于偶然，出现了一种能够利用有机液里的其他分子作为预构件粗略地复制自己的分子（关于这个题目，我们以后会再讲的）。
这就是脱氧核糖核酸（DNA）——地球生命的基本分子——的最早祖先，它的状貌象螺旋状梯子，我们可以在分子的四个不同部位找到它的梯级。这些梯级称为核苷酸，它们构成了遗传密码的四个字母，扼要地发出生殖特定生物体的遗传指令。地球上的每一种生物都有各自不同的遗传指令，但是它们使用的书面语言基本上是一样的。生物体之所以不同是因为它们的核酸指令不同，突变就是核苷酸的变化，它会遗传给下一代，是一种真实遗传。因为突变是核苷酸的随机变化，所以大多数突变是有害的或致死的，它们的遗传密码会指令产生非官能酶。要通过突变改善一种生物体的功能，需要很长的时间，然而，正是因为这种不大可能发生的事情——百万分之十厘米宽的核苷酸的有益的小突变，带动了进化过程。
40亿年前，地球是一个分子的乐园，当时还没有捕食者。有些分子进行低效繁殖，它们竞争预制构件，粗略地复制自己。随着繁殖、突变和对最低效品系的选择性淘汰，进化不停地进行着，即便是在分子的位级也在不停地进行着。久而久之，分子的繁殖效能改善了，具有特别功能的分子终于结合在一起，形成一种分子集体——初始细胞。现今的植物细胞里含有微型的分子工厂，称为叶绿体，负责光合作用，将阳光、水和二氧化碳转化成碳水化合物和氧。血液里的细胞含有另一种不同的分子工厂，称为线粒体，其作用是使食物跟氧结合在一起，从而使食物释放出有用的能量。这些工厂现在仍然存在于动植物的细胞内，但是它们本身可能曾经是独立生存的细胞。
到30亿年前，若干单细胞植物已经组合在一起，也许是因为在细胞一分为二之后，突变阻止了它们的分离，初始的多细胞生物体产生了。人体内的每个细胞都是一种公社，由曾经独立生活的社员为了共同的利益而结合在一起，因此人是由100万亿个细胞组成的，我们每个人都是一个群体。
性大约是20亿年前产生的。在那之前，新的生物体只能从随机突变——逐字逐句对遗传指令变化的选择——的积累过程中产生。进化一定是一个极其缓慢的过程，随着性的产生，两个生物体就能够整段、整页和整本地交换它们的DNA遗传密码，繁殖出可供筛选的新品种。生物体有选择地进行性的活动，那些对性的活动不感兴趣的物体就迅速地绝灭。不仅20亿年前微生物的情况是如此，我们人类现在对DNA遗传密码的交换也有显著的兴趣。
到10亿年前，由于协作的结果，植物已经深刻地改变了地球的环境。绿色植物会制造分子氧。因为当时的海洋充满了简单的绿色植物，所以氧正在变成地球大气层的主要成分，结果以不可逆转之势改变了原来氢的成分很大的大气层的性质，从而结束了生物是由非生物过程产生的地球历史时代。然而，轻而易举地使有机分子瓦解，虽然我们喜欢它，但从根本上说，氧对没有保护的有机物却是一种毒药。在生命的历史上，大气层的氧化造成了极大的危机，大量的生物体因为适应不了氧而灭亡，少数原始生物，例如肉毒杆菌和破伤风杆菌，即使现在也只能生活在无氧的环境条件下。地球大气层里的氮的化学性质很不活泼，因此氮比氧温和得多，但是氮也使生物付出了巨大的代价。总之，地球大气层的百分之九十九源自生物，我们的天空是用生命换来的。
在生命起源之后40亿年的大部分时间里，主要的生物体是微小的深绿色的海藻，它们布满了整个海洋。 接着，大约6亿年之前，海藻的垄断地位被打破了，新的生物急剧增加。这个事件称为“寒武纪爆炸”。地球产生之后几乎立即产生了生命，这说明生命在类似地球的行星上可能是一个不可避免的化学过程。但是，在30亿年的时间里，生命并没有从深绿色的海藻进化多少，这说明有特殊器官的大生物是很难形成的，甚至比生命的起源还难。也许现在许多其他的行星存在有大量的微生物，但是没有大的动物和植物。
寒武纪爆炸之后不久，海洋里充满了许多不同形态的生物。到5亿年以前，已经有大量成群结伙的三叶虫，它们是体态漂亮的动物，有点象大昆虫，有些在海底成群猎食，它们的眼睛里有晶体，可以探测偏振光。但是现在三叶虫已经不复存在了，它们已经于亿年前消失了。地球一度有过的动植物，如今已无活着的迹象。当然，现在地球上的各种生物过去没有存在过。物种就是这样来去匆匆，一闪而过。
寒武纪爆炸之前，物种的演化似乎相当缓慢，这大概一方面是因为我们越深入审查过去，我们的资料就越不足。在我们行星的早期历史里，很少生物体有硬的部位，而软体生物则很少有化石残余。另一方面是因为寒武纪爆炸之前出现新生物体的节奏确实非常缓慢，细胞结构和细胞生化的艰苦进化过程并没有立即反映在我们从化石所看到的外部形态上。寒武纪爆炸之后，新的适应过程以相对惊人的速度接二连三地发生。在急速演化之中，最初的鱼类和脊椎动物便应运而生；过去只生长在海里的植物开始移居到陆地上，初始昆虫产生了，它们的后代成了动物在陆地上移居的先锋；有翼的昆虫跟两栖动物（有点象肺鱼，能够同时生活在水里和陆地上）同时产生；初始的树和爬行动物出现了；恐龙产生了；哺乳动物出现了，接着又出现了初始的鸟类；初始的花也出现了；恐龙绝灭，初始的鲸目动物（海豚和鲸的祖先）产生了，灵长目（猴、类人猿和人类的祖先）也同时出现了。不到1000万年前，跟人类相当接近的动物产生了，它们的脑体积也惊人地增大。然后，只在几百万年之前，最初的真人出现了。
人类是在森林里成长起来的，我们与森林有着天然的联系。树木葱笼向上，蔚为壮观！它们的叶子需要捕获阳光来进行光合作用，因而它们用阴影遮蔽近邻，相互竞争。如果仔细观察的话，你经常会见到两棵树无可奈何地推推搡搡。树木是壮美的机器，它们以阳光为动力，以大地的水分和空中的二氧化碳为食粮，同时也向我们提供了食粮。植物用自身制造的碳水化合物作为能源来从事各种活动，我们动物——从根本上说是植物的寄生虫——则靠盗取碳水化合物来从事各种活动。因为我们大量地呼吸空气，我们的血液里含有氧，当我们食用植物的时候，我们就将碳水化合物跟氧结合起来，从中提取人类机器运转所需要的能量。在上述这个过程中，我们呼出二氧化碳，然后这些二氧化碳又被植物回收，用来创造更多的碳水化合物。两者之间协作得多好啊！动植物交互吸入对方的发散物——一种全球性的口对口相互急救法。 整个微妙的循环过程是以1.5亿公里外的一颗恒星为动力的。
己知的有机分子有好几百亿种，但是大约只有50种被用来进行生命的基本活动。同样的分子模式被稳健而又巧妙地反复用来行使各种不同的职能。控制细胞化学性质的蛋白质和携带遗传指令的核酸是地球生命的核心，我们发现所有动植物里的这些分子基本上是相同的。我和橡树都是由相同的物质组成的，如果你再往回追溯的话。你会发现我们有一个共同的老祖宗。
跟星系和恒星王国一样，活细胞是一个复杂而又完美的国家。巧妙的细胞机器是经过40亿年的时间精心制成的，它是由食物碎屑演化而成的。今天血液里的白细胞就是昨天的奶油。细胞是如何完成这项工作的呢？原来，细胞内是一个错综复杂的迷宫，它有独特的结构，它能够转化分子，储存能量，还能够为自我复制作准备工作。假如我们能够进入一个细胞的话，我们所能见到的许多细胞微粒就是蛋白质分子，它们有些积极地活动着，有些则消极等待。最重要的蛋白质是酶，即控制细胞化学反应的分子。酶就象装配线上的工人一样，各有各的分子工作，例如第四道工序负责核苷酸鸟苷磷酶的构造，又比如第十一道工序负责分解糖分子并从中提取能量——这是用来支付其他分子工作的货币。但是酶并不是老板，它们接受它者的指令——事实上，它们本身也是由它者构造的，它们按负责者的命令办事。核酸是分子的老板，它们位于细胞核这样的紫禁城里，深居简出。
假如我们通过一个小孔闯入细胞核的话，我们会发现类似意大利面条厂里的爆炸现象——令人眼花绕乱的面团和面条，它们就是两种不同的核酸：DNA和RNA(它们将DNA发出的指令传递给其他的细胞）。这些核酸是40亿年进化的最佳产品，它们储存着如何指使细胞、树木和人类进行工作的全部信息。如果用一般的语言写出来的话，人类DNA的信息量足足可以写成100卷的巨著。此外，除了极少数例外，DNA分子还懂得如何复制自己。它们的学识不可谓不渊博。
DNA是一条复合螺旋线，由两条线绞合在一起，象一个螺旋形的梯子。在这两条线上的核苷酸的排列次序就是生命的语言。在繁殖的时候，这两条线借助一种特殊的松解蛋白质而分离，然后分别跟附近的另一条线的复制物（在细胞核沾滞流体里漂浮着的核苷酸预制构件所制造出来的复制物）相结合。松解程序一开始的时候，一种称为DNA聚合酶的特异功能酶就出来协助确保复制工作不出差错。如果出了差错，酶就会迅速加以纠正，用正确的核苷酸取代错误的核苷酸：这些酶是一部功能奇异的分子机器。
除了精确地复制自己（即遗传）之外，DNA还通过称作“信使RNA”的另一种核酸指挥细胞的活动（即新陈代谢）。RNA会跑到核外，每个RNA在适当的时间和适当的地点控制着一个酶的构造。酶细胞形成之后就开始发号施令。每个酶掌管着细胞生化过程的某一特定环节。
人类的DNA是由10亿个核苷酸分子串起来的一个梯子，大多数核苷酸的组合形式是没有意义的，它们会使蛋白质合成为无用的东西。只有极少数核酸分子对象人类这样复杂的生物才有用途。即便如此，核酸对生物有用的组合方式还是多得令人目瞪口呆——很可能比宇宙间的电子和质子的总数还要多得多。因此，人类可能出现的个体要比迄今出现过的数量大得多，这说明人类种的潜力是极大的。核酸一定还有许多组合方式可以改善人类。幸好我们还不知道怎样用其他的方法排列核苷酸来制造其他的人类。将来我们完全有可能以任何理想的方式排列核苷酸，创造出具有称心如意特征的人。这是一个既严肃又令人兴奋的设想。
进化是通过突变和选择来实现的。在复制过程中，如果DNA聚合酶出差错的话，就可能发生突变。但是DNA聚合酶极少发生差错。辐射、太阳紫外线照射、宇宙射线或环境中的化学品等也会引起突变，所有这些东西部能够使核苷酸发生变化，或者使核酸打结。如果突变率过高，我们就不可能有40亿年来在极其缓慢的进化过程中遗传下来的生物。如果突变率过低，适应未来环境变化的新品种就不可能出现。生物的进化要求突变与选择之间保持某种程度的平衡，随着平衡的实现，非凡的适应性也越产生了。
一个DNA核苷酸分子的变化会引起受该DNA遗传密码控制的蛋白质内一个氨基酸分子的变化，欧洲血统人的血液里的红细胞呈球形，某些非洲血统人的血液里的红细胞则呈镰刀形或新月形。镰刀形细胞携带的氧比较少，结果遗传一种贫血症，但是它们又是抵御疟疾的主要因素。毫无疑问，贫血症总比死亡好。这种对血液功能的重大影响(在红细胞的照片上一目了然)是典型人体细胞的DNA中，上百万个核苷酸分子中有一个核苷酸分子发生变化的结果。我们现在仍然不知道大多数其他核酸的变化会引起什么样的后果。
我们人类看上去跟树木大不相同。无疑地，我们对世界的认识也跟树木不一样。但是在最深处，在生命的分子核心，树木跟我们本质上是相同的。两者都用核酸进行遗传，两者都用蛋白质为酶来控制细胞的生化过程，最重要的是，两者都用完全相同的电码本将核酸的信息翻译成蛋白质的信息——实际上我们这个行星上的所有其他生物使用的也都是这个电码本③。对这种分子统一性的一般解释是：我们人类，例如树木、人类、鮟鱇鱼、粘液霉和草履虫等，都是在我们行星历史的早期源自一个共同的祖先。那么，关键分子又是如何产生的呢？
在康奈尔大学，我的实验室里，除了研究其他项目以外，我们还研究生物前有机化学，谱写了一段生命的乐章。我们将原始地球的气体混合在一起，然后用电火花辐照。这些气体包括：氢、水、氨、甲烷、硫化亚氢等，它们碰巧都存在于现代的木星上和整个宇宙里。电火花相当于闪电（在古代的地球和现代的木星上也有）。反应器皿起先是透明的，因为原始气体是看不见的。但是电火花辐照10分钟之后，我们看到一种奇特的棕色的东西顺着器皿壁慢慢地往下淌，器皿逐渐地变得不透明了，盖上了一层厚厚的煤油。假如我是用紫外线照射的话（模仿早期的太阳），其结果会大致相同。这种焦油是复杂有机分子（包括蛋白质的组成部分和核酸）的浓缩。生物竟然是非常容易制造的。
上述这种实验是五十年代早期斯坦利·米勒最先做的。他当时还是化学究哈罗德·尤里的研究生。尤里有力地论证了地球早期的大气层里充满了氢（就象宇宙中大多数的星球那样）；后来氢慢慢地从地球上散发掉，但是没有从巨大的木星上散发掉；生命在氢丧失之前就产生了。当尤里建议用火花辐照这些气体的时候，有人间他想通过这个实验制造什么东西，他回答说：“Beilstien.”Beilstien是德国的一部28卷的巨著，里头罗列了化学家所知道的所有有机分子。
只要用早期地球存在的最丰富的气体和几乎所有能够解开化学键的能源，我们就能够制造生命的基本领制构件。但是在我们的器皿里出现的只是生命的乐谱，还不是生命的音乐。分子预制构件必须正确地排列在一起。生命绝不仅仅是组成蛋白质的氨基酸和组成核酸的核苷酸。但是即使在将这些预制构件排列成长键分子方面，我们的实验工作已经取得了重大的进展。氨基酸已经在原始地球的条件下被组合成类似蛋白质的分子，共中有些分子象酶一样微弱地控制着有用的化学反应。核苷酸已经被组合成几十个单位长的核酸链。在适当的条件下，短核酸在试管里能够与跟它们相同的复制品结合征一起。
直到现在，还没有人能将原始地球的气体和水混合在一起并在实验结束的时候让什么东西从试管里爬出来。最小的已知生物，类病毒，是由不到1万个原子组成的。这些病毒能导致栽培植物的若干种不同疾病，而且很可能是最近刚从更复杂（而不是更简单）有机体演化来的。确实很难想象还有更简单的、不管从什么意义上说部是活的生物体。类病毒是单纯出核酸组成的，而病毒却有一层蛋白质膜。类病毒只不过是单一的RNA链条，其几何图形不是一条直线，就是一个闭合圈。不管类病毒多小，它们总是生机勃勃的，因为它们是彻头彻尼的寄生虫。跟病毒一样，它们只是接管一个功能完善的大细胞的分子机器，然后特这个制造细胞的工厂改造成制造类病毒的工厂。
已知最小的独立生存的生物体是PPLOC类胸膜肺炎生物和类似的小生物，它们大约是由5000万个原子组成的。因为这种生物必须在较大的程度上依赖自己，所以它们比类病毒和病毒更复杂。但是现在地球的环境条件对简单的生物体并不那么十分有利，因为你非得自食其力不可，非得防范敌手不可。然而，在我们行星的早期历史里，当大量的有机分子在充满氢的大气层里由阳光孕育的时候，很简单的非寄生生物都有竞争的机会。最初的生物体可能就象独立生存的类病毒那样，只有几百个核苷酸分子串起来那么长。到本世纪末的时候，我们就可以用实验的方法重新开始创造这种生物。关于生命的起源，我们还有许多东西要了解，其中包括遗传密码的起源。但是这种实验我们才不过做了30年左右，而大自然却已经先行了40亿年。总的来说，我们的成绩还是不错的。
这样的实验并不是地球上所独有的，最初的气体以及能源在整个宇宙都有。星际空间的有机物和在陨石上发现的氨基酸，可能是由像我们实验器皿里的那类化学反应所引起的，一些类似的化学现象在银河系的10亿个其他星球上一定发生过。生命的分子充满了整个宇宙。
但是即使另一个星球上的生命跟我们这里的生命都有相同的分子化学现象，我们也没有理由认为那里的生物就一定跟我们所熟悉的生物相类似。试想一下，地球上的生物是多么的繁杂，它们都生活在同一个星球上，都有相同的分子生理。在另一个星球上，动植物很可能跟我们在这里所了解的任何生物体完全不问，那里可能会聚进化（扫校者注：疑为convergence，即趋同进化），因为对某种环境问题可能只有一种最佳解决办法，例如两只眼睛是为了使双目视觉能够适应光频。但是总的来说，进化过程的随机性可能会使地球外的生物跟我们所知道的任何生物都大不相同。
我说不清楚地外生物会是什么样子，我的知识是非常有限的，我只知道一种生物，即地球上的生物。有些人，例如科幻小说家和艺术家，已经对其他星球上的生物进行了猜测，我对那些地外生物的幻想表示怀疑，因为它们似乎过多地以我们已知的生物体为幻想的依据。任何特定的生物体都是经过一个个意外的步骤长期演变而成的，我想其他任何地方的生物都不会象爬行动物、昆虫或人类那个样子，即使象绿皮、尖耳和触角这样的小化妆也不会一样。但是假如你强迫我的话，我也可以想象出一种颇不相同的东西。
在一个木星那样巨大的气体星球上，大气层里充满了氢、氦、甲烷、水和氨，星球表面没有可着陆的地方，而是一个密集的云状气层，象我们实验器皿里的生成物那样的有机分子可能不断地从空中降落到这个云层里。但是这样的行星对生命的形成存在着一种特殊的障碍：表层湍急，深处炎热。生物体必须时刻小心，免被拖向受煎熬的深渊。
为了说明生命在这样极其不同的行星上并不是不可能的，我和我在康奈尔的同事E.E.萨尔彼得做了一些计算。当然，我们不可能准确地了解生命在这种地方会是什么样子，但是我们要弄清楚在生物和化学法则的范畴内这种星球是否可能有生物。
在这样的条件下，生存的方法之一是在你受煎熬之前就进行繁殖，并指望空气的对流能够把你的一部分后代带到大气层高处较凉爽的地方。这种生物体可能极小，我们把它们叫做坠子。但是你也可以是浮子——抽掉氦和重气体而只留下最轻的气体氢气——的大氢气球，或者是热气球，通过保暖和利用食物等方法维持漂浮状态。就象我们所熟悉的地球上的气球一样，浮子越往下拖，它回弹到高层大气较凉爽的安全地带的浮力就越大。浮子可能会把预制的有机分子吃掉，或者象地球上的植物那样，通过阳光和空气将预制的有机分子化为己用。达到一定高度的时候，浮子越大，它的功效也越越大。我和萨尔彼得设想浮子有几公里宽，比最大的鲸鱼还大。
浮子可能会象冲压式喷气发动机或火箭那样，用迸发的气流将自己推到行星天气以外。我们设想它们懒散地群集在一起，大得一眼望不到边。在它们的表皮上有花纹，这是一种适应性伪装，同时也说明它们遇到了问题。因为在这样的环境里至少还有一个小的生态环境：狩猎。狩猎者行动迅速，动作灵敏。它们吞食浮子，一方面是为了补充自身的有机分子，一方面是为了储存纯氢。最初的浮子可能是由空坠子演变来的，而最初的狩猎者则可能是由浮子进化来的。狩猎者的数量不可能很多，因为如果它们把浮子都消灭掉的话，它们自己也要毁灭。
物理和化学容许这样的生物形态存在，艺术则赋予它们一定的魅力，然而自然却不以我们的臆测为转移。但是，如果在银河系里有几千亿个住着生物的星球，恐怕也会有几个住着我们根据物理和化学的法则想象出来的坠子、浮子和狩猎者的星球。
与其说生物学象物理学，不如说生物学象历史学。你要了解现在，你就得了解过去，并且要极其详细地了解它。正如至今还没有历史学的先验论一样，至今也还没有生物学的先验论，理由是相同的：两个学科对我们来说仍然太复杂。但是我们可以通过了解其他的东西来增进对自身的了解。对地球外某种生物的研究，不管如何粗浅，都会推动生物学的进步。生物学家将会首次弄清楚什么样的其他生物可能存在。当我们说探索其他地方的生物很重要时，我们并没有说很容易找到，我们只是说值得一找。
迄今为止，我们仅仅听到一个小星球上的生命之声，但是我们终一起开始注意收听宇宙乐曲中的其它声音。
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①译注：平家物语，日本镰仓时代初期著名战记小说，相传为13世纪初信浓前司行长所著，共12卷。后经多人增补修订，现有异本多种。描写1132～1213年平代和源代两个封建宗族争夺政权的斗争，最后源代胜利，并掌握政权。
②译注：在玛雅的《圣经》里，各种生物形态的产生被说成是神着意创造人类时失败的尝试。由于早期的试验差，结果创造了那些低级动物；由于创造人类之前的那一次试验失之毫厘，结果创造了猴子。在中国的神话里，人类是由盘古神身上的虱子产生的。18世纪，德·布丰认为：地球的年龄比《圣经》上所说的要大得多，生物的形态几千年来缓慢地变化着，但是类人猿却是人类不幸的后代。虽然这种看法与达尔文和华莱士的进化论不完全符合，但它们都是进化论的前身——迪莫克里特斯、恩佩多科斯和其它古代爱奥尼亚科学家的观点也是如此（见第七章）。
③译注：但是地球上不同的生物体在不同部位使用的遗传密码不尽相同。至少有几个例子可以证明，将DNA信息翻译成蛋白质信息的时候，线粒体内使用的电码本与同一细胞的细胞核里的基因使用的电码本是不一样的。这表明，线粒体和细胞核遗传码的分离经历了一个长期的进化过程，而且与下述见解是一致的，即线粒体曾经是一种自由生存的生物体，它们是在数十亿年前的共生过程中并入细胞的。它们共生的成熟关系的发展和日趋完善偶然地回答了这样的问题，即在寒武纪爆炸的时候，在细胞的形成和多细胞生物体的剧增之间发生了什么样的进化。
第三章 宇宙的和谐
第三章 宇宙的和谐
你知道天的定例吗？
能使地归在天的权下吗？
《约伯记》
一切人间祸福来自7行星12宫。按照宗教的说法，黄道12宫掌管光明的一面，7行星则掌管黑暗的一面；7行星压抑方物并将其向死亡（和万恶）过渡：因为黄道12宫和7行星支配着世间的命运。
《琐罗 亚斯 德教圣经》（新版）
告诉我们说万物都有行为和效应的超然特性，等于自诉我们一句空话；但是根据现象推引出二三条运动的原理，然后再告诉我们一切有形物质的特性和行为怎样成为这些浅显原理的必然结果，则会是一个十分重大的进步。
艾萨克·牛顿《光学》
我们并没有问鸟儿唱歌有什么目的，因为唱歌是它们的乐趣，它们主来就是要唱歌的。同样的道理，我们也不应该问人类为什么要挖空心思去探索天国的秘密……自然现象之所以这样千差分别，天国里的宝藏之所以这样丰富多彩，完全是为了不使人的头脑缺乏新鲜的营养。
约翰尼斯·开普勒《宇宙结构之秘密》
假如我们居住在一个永无变化的行星上，我们就无所作为，无所用心。假如我们居住在一个变幻莫测的星球上，我们就不可能理解事物，也不可能有科学这样的东西。这里的事物在变化着，它们的变化遵循着一定的模式、规则或所谓的自然法则。如果我们把一根竹竿抛到空中，这根竹竿总是要下落。如果太阳从西边落下，它在第二天早晨总是要从东边升起来。因此我们有可能理解事物，我们可以从事科学研究，并用科学来改善我们的生活。
人类善于理解世界，我们一向如此。我们会狩猎或生火，因为我们明白了一些事理。在电视、无线电、书籍发明之前，我们经历了一个历史时期，人类存在以来的大部分时间是在这个时期里度过的。在无月光的夜晚，我们围着营火的余烬，注视着天上的星星。
夜空是饶有趣味的，那里有各式各样的图案。你可以不假思索就想象出不同的图画。例如，在北方的天空上有一个图案（即星座），看上去有点像熊，有些人把它叫做大熊星座，另一些人看到的则是完全不同的形象。当然，夜空里并不是真有这些图画，它们是我们自己安排的。我们是狩猎的民族，我们看到的是猎人、狗、熊和年轻的妇女以及一切引起我们兴趣的东西。当17世纪的欧洲水手第一次见到南方的天空时，他们就把17世纪人们感兴趣的东西放上去，如杜鹃、孔雀、望远镜。显微镜等。如果这些星座是在20世纪命名的话，我想我们就会在空中见到自行车和电冰箱星座，见到摇摆舞星座，甚至见到蘑菇云——人类寄托在群星中的一种新的希望和恐惧。
我们的祖先偶然间会见到一个非常明亮的带着尾巴的星星从天空中一掠而过，他们把它叫做流星。但是这个名字取得不好，因为流星下落之后，原来的那些星星依然还在那里。在某些季节里有很多流星，在另一些季节里流星就很少。这里同样也有一种规律性。
跟太阳和月亮一样，星星总是从东边升起来，从西边落下去。如果它们从我们的头顶上经过的话，它们就要用整夜的时间跨过天空。不同的季节有不同的星座。譬如同样的星座总是在初秋出现，新的星座从来不会突然从东方地平线上升起来。星星有它们的规律性、可预测性和永久性，从某种意义上说，它们基本上是靠得住的。
有些星星比太阳稍早一点升起来或稍迟一点落下去，它们升落的时间和位置随着季节的变化而不同。如果你长年累月地仔细观察并作记录的话，你就会预告季节的变化。你还可以通过观察每天太阳从地平线升起的位置来估量季节。天空是一个大日历，凡是有事业心、有能力、有办法作记录的人都可以使用。
我们的祖先构筑了测量季节变化的设施。在新墨西哥蔡科峡谷有一个11世纪建造的没有屋顶的大礼堂，6月21日——一年最长的一天，一柱阳光在黎明的时候从一个窗户射进来，最后慢慢地覆盖了一个特设的壁龛。但是这种现象只有在6月21日左右才发生。我猜想那些自豪的阿纳萨齐人（他们自称“古人”）每年6月21日都聚集在大礼堂里，他们披戴着羽毛。拨浪鼓和绿松石，坐在长凳上庆祝太阳的威力。他们还监视月亮的视运动，大礼堂里28个位置更高的壁龛可能表示月亮回到星座原来的位置上所需要的天数。这些人密切地注视着太阳、月亮和星星。根据类似的原理构筑的设施还可以在以下地方找到：柬埔寨的吴哥窟，英国的巨石阵，埃及的阿布西姆贝尔，墨西哥的奇琴伊特萨和北美的大平原。
有些被认为可以用作日历的设施可能纯属偶然，譬如6月21日那天窗户和壁龛的偶然性。但是有些设施则很奇妙：美国西南部的一个地方直立着三块石板（它们是1000年前从别的地方搬来的），在岩石上刻了一条有点像星系的螺旋线，6月21日（夏至）那一天从两块石板的空隙透射过来的阳光分割这条螺旋线；12月21日（冬至）那一天，有两条光线将这条螺旋线夹在中间，这是利用中午的太阳读认天空历书的杰作。
为什么世界各地的人都要这样下功夫学天文呢？人们追猎随季节转换而迁徙的瞪羚、羚羊和野牛；水果只有在一定的季节才能采摘；发明农业之后，人们就得按季节种植和收获庄稼，散居游牧部落的年会必须定期召开。看天空历的本事实际上是生死存亡的大事。全世界的人都注意到，新月之后又出现娥眉月，日全食之后太阳又恢复了原状，太阳在夜里令人不安地消失之后早晨又升起来。这些现象向我们的祖先表明，超越死亡是可能的，头顶之天空就有永存的象征。
风在美国西南部的峡谷里呼啸，只有我们听到这风声，它提醒人们注意那些善于思考的4万代祖先。对于他们，我们几乎一无所知，而我们的文明都建筑在他们的身上。
随着年代的推移，人们从祖先那里学到了许多东西。对太阳、月亮和星星的位置与运动了解得越精确，人们就能够越准确地预测狩猎。播种和收获的时间以及召开部落会议的时间。随着测量精密度的提高，记录是必不可少的。可见天文学促进了观测，促进了数学，也促进了写作的发展。
但是相当一段时间之后，出现了一种荒谬的观念，基本上是建立在经验基础上的科学受到了玄学和迷信的冲击。太阳和星星操纵季节、食物和温暖，月亮操纵潮汐和许多动物的生活周期，甚至操纵人类的经期①——这对热心传宗接代的有性动物是极为重要的。在天空中还有另一种东西——我们称作“行星”的游荡者或徘徊者，我们的游牧祖先对行星一定感到很亲切。如果不算太阳和月亮的话，你只能看到5颗行星。它们在远方星星的衬托下运行，如果你连续观察数月，你就会发现它们在星座之间进进出出，有时甚至在空中翻筋斗。空中的其他一切东西对人生都有某种实际的影响。行星的影响究竟是什么呢？
在当代西方社会里，要购买一本关于星占学的杂志——譬如从报摊上购买——是很容易的，但是要找到一本关于天文学的杂志却难上加难。事实上，美国的每一家报刊上每天都有星占学专栏，而每周刊载一次天文学专栏的报纸则几乎是没有的。美国的星占学家人数足足是天文学家人数的10倍。聚会的时候，一些不知道我是科学家的人有时候问我：“你是双子宫吗？”（黄道12宫之一，指成功的机会），或者“你是哪一宫？”很少有人问我：“你听说黄金是在超新星爆发的时候产生的吗？”或“你认为国会什么时候会批准建造一个火星漫游车？”
星占学家认为，你诞生时行星所在的星座对你的前途有重大的影响。几千年前就形成了这样的观点：行星的运行决定着国王、王朝和帝国的命运。星占学家研究行星的运动规律，并且，比如说，自问自答：“上次金星在摩揭星座上升的时候发生了什么事情？很可能这次会发生类似的事情。”这样的推理难免玄虚荒唐。星占学家终于成了朝政的专用雇员。在许多国家里，除了官府的星占学家之外，其他任何人研究天象便是犯弥天大罪，因为推翻一个政体的妙法就是预测其垮台的时机。中国宫廷星占学家如果预测不精确就要被处决，因此许多星占学家将天文记录改头换面，使之符合后来发生的事件。星占学成了观测、数学和观点含糊、内容失真的记录的大杂烩。
但是，假如行星能够决定国家的命运的话，它们为什么就不能影响我明天的命运呢？个人星占学大约是在2000年前从亚历山大大帝时期的埃及发展起来的，然后扩展到希腊和罗马社会。我们今天还可以从某些词汇里辨认出星占学的古风，例如：disater（灾难）这个字在希腊语里的意思是“坏星”；influenza（流感）这个字在意大利语里的意思是“（星的）影响”；mazeltov（运气）这个字原是希伯来语，最后成了巴比伦语，意思是“好星座”，或依地绪语的Shlamazel，用来表示被严酷的不幸所折磨的人，它同样可以上溯到巴比伦的天文学词汇。根据普利尼的记载，有的罗马人遭到Sideratio（“星击”），当时人们普遍认为行星是死亡的直接因素。再考虑一下。consider（考虑）这个字：它的原意是“与行星同在”，显然这是深思熟虑的先决条件。1632年伦敦市的死亡统计数字，在 9 535个死于婴孩病和“升光病”与“国王罪恶病”等怪病的死者当中13个人死于星症，比死于癌症的人还要多。我不知道这种病到底有什么症状。
个人星占学至今依然存在：让我们看一看同一城市在同一天出版的两种不同报纸的星占学专栏吧。例如，我们可以看一看1979年9月21日的《纽约邮报》和《纽约日报》。假设你是天秤宫，即生于9月23日和10月22日之间，《邮报》的星占学专栏作家认为“让则和”，虽然这句话可能有用，但是却有点含糊。《日报》的星占学家则认为“要严以律己”，这个告诫有所不同，但还是含糊。这些“预示”其实并不是什么预示，它们只不过是劝告罢了——它们说的是该做什么，而不是会发生什么。这样的措辞带有普遍性，对什么人都适用，而它们之间又互相矛盾，为什么它们像运动统计数字和股票市场报告那样被刊载出来而不加任何解释呢？
星占学可以用孪生子的生命来检验。在许多情况下孪生子中有一个在童年的时候夭折，譬如死于车祸或遭到雷击，而另一个孪生子却活到很大年纪。他们诞生在完全相同的地方，诞生的时间也只不过是几分钟之差，他们诞生的时候在星座里升起来的行星都一样。如果星占学可行的话，为什么这样的一对孪生子会有完全不同的命运呢？其实，星占学家对某一个特定星位的理解并不一致。经过仔细的检验之后，我们发现，如果他们除了诞生的时间和地点以外，对人们一无所知的话，他们是不可能预测人们的性格和前途的。②
地球这个行星上的国旗有点古怪。美国的国旗有50个星，苏联和以色列各有一个，缅甸14个，格林纳达岛和委内瑞拉7个，中国5个，伊拉克3个，圣多美岛和普林西比岛2个，日本、乌拉圭、马拉维和孟加拉国等都是太阳旗，巴西国旗上有一个大球，澳大利亚、西萨摩亚、新西兰和巴布亚新几内亚都是南十字星座，不丹是龙珠——地球的象征，柬埔寨是吴哥窟天文台，印度、南朝鲜和蒙古人民共和国则是宇宙的象征。许多社会主义国家采用星星，许多穆斯林国家采用新月。我们这个世界上的国旗几乎有一半采用天文符号。这种现象是跨文化的，是无宗教派别的，也是世界性的。这种现象也不仅仅局限于我们的时代，从公元前3000年开始的塞缪里亚的圆筒图章和中国革命前的道家旗帜都采用星座。我毫不怀疑各家都想利用天国的力量和威望。我们都寻求与宇宙的联系，我们野心勃勃。事实证明，我们是跟宇宙联系在一起的，但不是星占学家所声称的那种个人的、小规模的、虚无缥缈的联系，而是最根本的联系，其中包括物质的起源、地球的可居住性、人类的进化与命运等（这些问题我们后面还要谈到）。
现代流行的星占学来自克劳迪斯·托勒密亚斯，我们叫他托勒密，虽然他跟同姓的国王没有关系。公元二世纪时，他在亚历山大图书馆工作，整理巴比伦星占学传说，所有那些关于行星在种种太阳“宫”、月“宫”或“宝瓶宫龄”里的星位这些神秘的东西都源自托勒密。曾有一张用希腊语写在纸莎草纸上的托勒密时代的典型天宫图，这张天宫图标出了生于150年的一个小女孩的命运：“生于菲洛，安东尼纳斯·凯撒陛下10年，费米诺思15～16日凌晨1点。太阳位于双鱼宫，木星和水星位于白羊宫，土星位于巨蟹宫，火星位于狮子宫，金星和月亮位于宝瓶宫，星占摩揭宫。”十几个世纪以来，计算年月的方法已经发生了很大的变化，而占星术却没有多大变化。托勒密的星占学著作中有这样一段典型的话：“老土星位于东方，其庶民之外表则为黑皮肤、强健、黑发、卷发、粗壮，眼睛大小适中、体格中等、性情非常温静。”托勒密不但相信行为受行星和恒星的影响，而且相信体格、肤色、民族气质、甚至先天畸型等都受恒星的制约。在这一点上，现代星占学家的观点似乎比较谨慎。
但是现代的星占学家已经把岁差忘掉（托勒密对岁差还是了解的），他们忽略了大气折射（托勒密论述过这个现象），他们几乎不管什么卫星和行星、小行星和彗星、类星体和脉冲星、爆发星系、共生星、激变星以及托勒密时代以来所发现的X射线源。天文学是一门科学——研究客观宇宙；星占学是一门伪科学——没有真凭实据地宣称我们的日常生活受其他行星的影响。在托勒密时代，天文学与星占学之间是没有明显的区别的，今天却是有区别的。
作为一个天文学家，托勒密给星星命名，制定星星的亮度表，论证地球是一个球体，制定预测日食的规则，但是最重要的也许是研究行星在远方星座的衬托下奇妙地运转的原因。为了研究行星的运动和译解空中的信息，他制定了一个预测模型。对天体的研究给托勒密带来了一种极大的欢乐。“我是凡人”，他写道：“我知道我终有一死，但是当我随着繁星的圆周轨道畅游的时候，我的双脚已经离开了大地……”
托勒密相信地球是宇宙的中心，相信太阳、月亮、行星和恒星都绕着地球转。这是世界上最自然的一种观点。地球似乎是稳固不动的，而我们却看到天体天天在升落。世界各地的人们迅速地接受了地心说。开普勒写道：“因此，人的理智在未经指点以前不可能不认为地球是一个天穹覆盖着的大房屋；这个房屋静止不动，小小的太阳在屋里往返运动着，就像鸟儿在空中徘徊一样。”但是我们如何解释行星的视运动呢？例如火星，人们在托勒密时代前几千年就已经知道它的运动了（古埃及人给火星的一个称号是 Sekded-ef em Rhetkhet，意思是“倒退者”显然是指它的视逆行或视环行）。
托勒密制造的行星运动模型可以由一个小机械作为代表，它跟托勒密时代那些作用相似的机械差不多③。问题是要能够测定行星在“屋顶上”的“实际”运动，然后才能够精确地再现行星在“屋内”的视运动。
托勒密想象行星绕着地球转的时候是附着在完全透明的球体上，但是它们不是直接附在球体上，而是通过一种离心轮间接附在球体上。球体转动的时候带动了小轮子，我们从地球上看到火星的环行就是这个道理。这个模型可以相当准确地预测行星的运动，这在托勒密时代，甚至在后来的几个世纪里，已经是够精确的了。
因为托勒密在中世纪把天球想象成是由水晶玻璃构成的，我们现在还在谈论球体音乐和七重天（有月亮、水星、金星、太阳、火星、木星和土星的“天”，还有恒星的“天”）。因为地球是宇宙的中心，造物主随地球上的事件而转移，天体被认为完全是根据超自然的原理建造的，因此没有什么必要观测天文。在中世纪欧洲教会的支持下，托勒密的模型妨碍天文学的发展达 1000年之久。最后，在 1543年，波兰天主教教士哥白尼发表了一个完全不同的假说来解释行星的视运动。这个理论最主要的特征是大胆地提出太阳，而非地球，才是宇宙的中心。地球被降级为行星之一，它是靠近太阳的第三个行星，不断地进行着标准的圆周运动（托勒密曾经考虑过日心模型，但立即否定掉了，他认为根据亚里士多德的物理学，所谓地球的激烈旋转运动是不符合实际观察的）。
在托勒密的地心说中，称为本轮的小球体带着行星，附在转动的大球体上转动。这样，从远方的星球看来，转动过程显然呈逆行状。
在哥白尼的日心说中，地球和其他的行星沿环形轨道绕太阳公转。在地球运转到火星前方时，从远方的星球看来，火星的转动显然呈逆行状。
在解释行星的视运动时，这个假说至少跟托勒密的天球说同样有效，但是它触怒了许多人。1616年，天主教会将哥白尼的论著列为禁书，直到最后才被地方教会书刊审查员“纠正”，于1835年解放出来。④马丁·路德说他是“一个星占学暴发户……这个傻瓜想要推翻整个天文学，但是《圣经》告诉我们，耶和华命令太阳静止不动，而不是命令地球静止不动。”有些赞佩哥白尼的人甚至说他并不真正相信日心说，他提出这个理论只是为了计算行星运动的方便。
