故事的起点是艾萨克·牛顿,以及发生在17世纪的经典物理学的华丽诞生。这就是我们中大多数人在学校里费劲学习的物理学。事实证明,那个关于苹果的故事竟然是真的。牛顿本人将其讲述给他的传记作者威廉·斯图克利(William Stukeley),说是大约在1666年的某一天,他坐在一棵苹果树下,开始思考:
为什么苹果总是垂直落地……为什么它不会斜着掉,或是向上跑?而是永远指向地心?毫无疑问,原因是地球在吸引它。物质中一定存在一种吸引力。并且,地球物质吸引力的总和一定在地球的中心,而不是地球的某一边。因此,苹果总是垂直落地,或者说落向中心。如果物质能像这样吸引物质,那么就一定与其大小成比例。因此,苹果吸引着地球,地球也吸引着苹果9。
牛顿的外甥女婿约翰·康杜特(John Conduitt)讲述了牛顿随后如何想到这种吸引力可能不光存在于地球表面:“他对自己说,为什么不可能延伸至月球呢?如果是这样的话,那么它必然会影响月球的运动,或许还是保持其在轨道内运动的原因,于是,他开始计算这一假设所产生的影响。”10没错,他的确进行了计算。牛顿将伽利略的斜面运动实验结果转化为代数公式,这就是我们所说的运动定律。伽利略证明,物体会保持固定的速度和运动轨迹,除非被施加外力;物体对运动改变具有天然的抵抗,即惯性;最后,摩擦力是一种力。最后这一条发现出现在牛顿第三定律里:所有的作用力都对应一个等大、反向的反作用力。牛顿对苹果落地的思考和计算让他发现了普世存在的万有引力定律,并发现被他写成公式的斜面运动原理同样能解释约翰尼斯·开普勒观察到的行星运动。这真是充实的一天!
接下来,牛顿真正揭示了世界的真相。他给出了一系列固定的、已知的数学关系,用以解释宇宙中所有物质的运作原理,从意大利室外地滚球到行星。这些法则是普适的,不可阻挡的。它们独立于观察者牛顿、开普勒和其他所有人存在。宇宙和其中所有的系统都在按照这些关于空间、时间、质量和能量的法则轰鸣运转,有没有观察者都一样。当林中有树倒下时,即便没有人在场,它也会发出声波。有没有人听到声音是另一回事,我们将很快看到,这其中的差异恰恰体现了生命起源问题的症结所在。
牛顿不仅在科学界掀起了波澜。当时有观点认为,如果牛顿的法则是普适的,那么,从理论上来讲,如果初始条件已知,那么物理宇宙中的每一个事件都是可以被预测的。这就意味着,万物都是注定的,包括你的行为,因为你也是这个宇宙中的一个物理实体。将初始条件代入公式,就能得出未来会发生什么,甚至包括你下周二下班以后要做什么。但这种想法忽视了一个关键要点。我们将看到,为初始条件定值的做法其实是由实验者做出的主观选择,而主观选择是一头披着羊皮的狼。事情没有那么简单。
牛顿法则似乎削弱了自由意志的力量,以及个体对自身行为所负的责任。决定论很快控制了物理学家们的想象力,随即,其他人也受到了影响。但是,尽管牛顿的世界观需要一定时间来适应,他的法则似乎能很好地解释人们在物理世界中观察到的大部分现象,并在接下来的两百年间一直处于不可动摇的地位。很快,牛顿物理学遇到了一个新的挑战,这个挑战与一个新发明有关:蒸汽机。1698年,第一台商品化的蒸汽机由军方工程师托马斯·萨弗里(Thomas Savery)申请专利,被用于给淹水的矿井排水。尽管工程师不断改进机器的设计,他们依旧无法解决一个问题:和烧掉的木头相比,蒸汽机所做的功实在是太少了。
早期的引擎效能很低,因为太多能量被浪费或丢失了。在牛顿预见的完全决定论世界里,这根本说不通,因此理论物理学家不得不出手解决这个能量消失之谜。很快,一个新的研究领域诞生了,这就是热力学,随之而来的是关于世界性质的理论改变。热力学探讨的是热量、温度与能量、做功之间的关系。当这些问题被解决后,物理学面貌一新,牛顿眼中的决定论世界看上去也发生了改变。