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编辑推荐

地震无法预测、天气预报总是不准、股灾发生不可避免……原来都是因为它、有趣、有料的理论物理研究成果，告诉你科学背后的科学

内容简介

森林大火的蔓延、物种的灭绝、地震的分布、金融市场的起落、战争的爆发，这些事物看似毫无关联，却遵循着同一条简单法则。无论哪个领域，都仿佛一个陡峭的处于动荡边缘的沙堆，只要再来一颗沙粒，就会全面崩塌。究竟哪一颗是致命的沙粒？
几乎令人绝望的是，百年来不停追寻各类灾难源头的科学家、哲学家和历史学家，他们弄错了方向。历史看似有既定的发展模式，未来却不可预测，人们永远无法找到这颗沙粒。世界正处于悬崖之边，只需轻轻一推，灾难就会不期而至，科学仿佛束手无策。
这一结论源自理论物理的研究结果。马克?布查纳将一一介绍这些研究者们特立独行的研究故事，及其出人意料的观点。
读过之后，你就不难理解，为什么大到地震预测，小至天气预报，一切对自然的预测往往只能是后知后觉；为什么有号称完美保护机制的金融市场仍会深陷股灾泥沼。明白这些，你将以更宽容的眼光看待世界。
来吧，让我们一起探寻“科学背后的科学”。

作者简介

马克·布查纳，美国弗吉尼亚大学理论物理学博士，研究领域为非线性力学和混沌理论。科学作家，曾为《自然》杂志编辑、《新科学家》杂志特约编辑。

精彩书评

　　布查纳高超巧妙地解释了自然科学中一系列相互关联的重大突破，把最近的物理和生物研究讲解得深入浅出，通俗易懂。
　　——《自然》杂志

　　本书指出，一切对重大事件追根溯源的研究都是瞎忙。人类世界、地震和金融市场等其实拥有相同的活动模式。
　　——《独立报》

　　布查纳用简单、通俗的方式，辅以简单的分析和案例，将大量复杂的信息娓娓道来。
　　——《星期日泰晤士报》

目录

第1章 惊天巨变
如果世界处于临界点或类似状态，那即使最微小的个体也能产生巨大影响。我们的社会与文化将不再有任何孤立行为。

第2章 不可预测的地震
历史在预测未来方面极其糟糕。人类历史中，没有任何事情在同样情况下或以同样方式重复两次。

第3章 荒谬的推理
迄今为止，最好的预测方式或许是先等待某次地震来袭，再迅速预测下一次地震。

第4章 历史的偶然
某些罕见的变异会提升生物适应能力，并因此在整个种群中传播开来。此情况一旦发生，偶然事件便被冻结，之后的物种进化都以新的跳板为起点。

第5章 命运的铰链
如果世界总是处于悬崖边缘，面临突然、剧烈的变化，那么此类灾难的发生或许的确无法避免、无从预测，即使在它们要降临的前夜。

第6章 临界的普适性
世界比看上去的更简单。当需要解释某些事物时，细节几乎总是不重要的。

第7章 自组织临界性
临界状态中重要的并非复杂的细节，而是简单的内在几何特征，它才是控制影响传播途径的关键因素。

第8章 杀戮时刻
大型生物灭绝事件只是最明显的突然爆发，它们之间是无数小型生物的灭绝。灭绝是演化史的自然结果，大灭绝或许并非进化过程中的特例。

第9章 生物灭绝的谬误
临界状态的组织形式是生态系统的内在核心规律，将生物灭绝划归为大规模集群灭绝和背景灭绝或许是个谬误。

第10章 疯狂的人心
很难否认人们被疯狂的风潮感染，当得知别人感兴趣的时候自己也会产生兴趣。这并非理智的决定，但人类的确就是如此非理性地影响彼此。

第11章 事与愿违
人类世界中可能并没什么适用于个体的规律；不过，这并不意味着群体也不存在任何规律。

第12章 科学界的地震
科学革命和常规科学的差异在于它是打破传统还是保护传统。科学革命撕裂旧有观点的网络，而常规科学只是对其进行加固。

第13章 群体的力量
伟大变革不一定具有特殊成因。它们只是临界态系统中可能产生的大规模波动。

第14章 历史至关重要
伟人他们对历史进程一定会产生决定性的影响；但历史变化并非由伟人主宰，“领导者谋划历史发展”的认识是错误的。

第15章 有趣的历史
每个细节都拥有改变的能力。可能性让偶然事件得以战胜命运，一个王国的覆灭或许只源于一个马蹄铁

精彩书摘

　　美国蒙大拿州东端，赫尔河（Hell Creek）自佩克堡水库[5]一侧静静流出，沿着孤独、蜿蜒的河道，一路延伸，进入大山。这片广袤的土地拥有牧场、草地、松树满坡的山谷以及烈日下闪耀橙色、紫色亮光的奇石。石头位于赫尔河两侧，它们凹凸不平的表面仿佛讲述着炎夏和寒冬里的风雨如何缓慢侵蚀地球。每一年，这里都有一些碎石变为薄薄的沉积层，成为地质演变的记录。一个多世纪以来，古生物学家挖掘这些记录，研究动物化石，并解读世界上最大的谋杀疑团。
　　对于古生物学家来说，追溯历史一般意味着深入地底的沉积层，而在赫尔河，你只需沿河而下便能进入更深的岩层。一次晨间散步便能轻易走过1000万年的地质历史[6]。距离水库不远处，更深的岩层大约于7亿年前沉积，当时的美洲平原还处于较浅的广阔海洋之下。这里的岩石蕴藏着巨大的化石墓园，其间埋葬着数不清的蚌类等海洋生物。再向上游不远处的岩石较之年轻几百万年，那时海洋回落，东蒙大拿变为森林、河流密布的土地。在这里，人们能发现植物、动物牙齿和爪子的碎片。古生物学家们从中读出一个霸王龙对战宿敌三角龙的野蛮激情时代。事实上，赫尔河是地球上唯一发现恐龙完整骨架的地方。不过，再逆流而上不远处，情况便突然发生了变化。在距今6500万年的地层，命运的魔爪似乎将神奇的恐龙世界彻底碾碎，岩层展现了突然、剧烈的大规模死亡。在这个地质学家和古生物学家称作“白垩纪－第三纪界线”（K－T界线）的地方，恐龙和其他数千种生物都销声匿迹了。
　　K－T界线两侧的化石中断非常明显，地质学将此看作两个地质时期的转折点：白垩纪和第三纪。二者间的交界，也就是距今约6500万年的岩层，出现在地球上数以千计的地方。比如，西班牙北部某些地区的化石提供了菊石目生物灭绝的证据：K－T界线之前，这种拥有螺旋状外壳的生物已经在海洋中大量存在了3.3亿年。K－T界线之下的地层中，菊石目化石无处不在；再往上便消失得无影无踪。因此，6500万年之前，总有某些突变引发了这场大型谋杀事件。就在漫长地质史里一眨眼的瞬间，恐龙和3/4的其他生物都突然灭绝了[7]。
　　到底发生了什么？1905年的科学家这样评论恐龙：“正是因为超负荷的沉重骨架导致精力丧失，这个种群才如此短命。”[8]还有人质疑恐龙的繁殖能力，认为“恐龙四肢重量不断增加，正表明繁殖能力的下降”[9]。恐龙灭绝也常常被归咎于其视力较差，无法防止哺乳动物偷吃它们的蛋，此外还有火山爆发或者气候突变，不论是变得过冷、过热、过干还是过湿[10]。当然，恐龙并非唯一消失的物种。
　　全球科学会议和期刊杂志中，人们仍旧热烈地讨论到底什么毁掉了地球上几乎所有生物。几乎每周都会出现新证据支持或反对某些观点[11]。尽管没人确定到底发生了什么，科学家至少对一件事情达成共识：无论原因是什么，此类情况并非极其罕见。更深入的化石研究表明，毁天灭地的灾难曾多次冲击地球，而白垩纪－第三纪的大灭绝还不是最糟糕的。
　　K－T界线下，另一条可怕的死亡线贯穿地层，这便是距今2.5亿年的地层。同样，生命记录在此明显突然停止，地质学家以它定义二叠纪的结束和三叠纪的开始。1998年，麻省理工学院的地质学家塞缪尔·鲍林（Samuel Bowring）和同事们确定此次灭绝的持续时间，发现它只有1万年。这个时间看似很长，但是对于6亿年多细胞生物的历史来说，不过只是瞬间。鲍林和同事们写道：“这是过去5.4亿年间波及最广的生命灭绝。”[12]大约95%的海洋生物丧命了，陆地生物的灭绝也有类似比例。
　　类似灾难还在距今4.4亿年、3.65亿年和2.1亿年前冲击过地球。加上白垩纪和二叠纪的大灭绝，这5次最大规模的集群灭绝事件从生物历史中凸显出来，正如1836年、1838年、1868年、1906年和1989年旧金山地区的大地震从地震历史中凸显出来那样。查尔斯·达尔文基于进化论曾写道：“认为接连不断的灾难抹去地球生物的旧观念已经被摒弃了。”[13]事实绝非如此。生命演化历程看似稳定，变化缓慢，但历史记录却展示出其他规律。5次大型生物灭绝事件只是最明显的突然爆发，它们之间是无数小型生物的灭绝。地球上的生物似乎不得不遭受零星的灾难性灭绝。
　　当然，并非所有灭绝都是大规模生物灭绝。演化生物学专家估计，生物历史中曾出现过约10亿种生物。而只有几千万种存留至今，这也就意味着约99%的生物都灭绝了。灭绝是演化史的自然结果，正如有些人曾说：“粗略算来，所有生物都灭绝了。”但事实上，只有35%的生物死于集群灭绝。不起眼的“背景”灭绝则造成了约2/3的生物灭绝。但是，它们无法解释大规模灭绝的巨浪。这种离散灾难的奇特记录之后隐藏着什么呢？
　　不可抗力
　　保险业将不可预知、不可控制的意外或灾难称作“不可抗力”。如果龙卷风掀翻你家屋顶，或者闪电击中你全新的保时捷，那么你便是不可抗力的牺牲者。如果这种破坏力不幸降临，保险公司便会赔偿，没有任何异议。
　　有别于普通的背景事件，大多数科学家在群体性灭绝中看到了类似不可抗力的结果。生物依赖稳定、合适的环境维持生存，需要氧气、合适的温度、足量水和食物、低度辐射等。如果环境发生剧烈变化，生物便会遭殃。那么，对大多数科学家来说，解释大灭绝就意味着要找出环境发生的变化及其原因。
　　当然，环境中的变化可能有千万种，但是其中两种被视作极其重要的，且一种比另一种更为猛烈。
　　1980年，以加州大学伯克利分校物理学家路易斯·阿尔瓦雷茨[14]为首的一组科学家指出，K－T灾难是由巨型小行星或彗星撞击地球造成的全球性气候变化所致[15]。一位研究者这样写道：“陨石直径约1万米，以每秒数万米的速度撞击地球，其破坏力是世界上所有核工厂总能量的1000倍。”[16]这种撞击令岩石瞬间气化，在地球表面撞出约4万米深的大坑，向大气和宇宙中喷射大量岩石颗粒及细微粉尘。那些落回地球的颗粒灼烧撞击区域周围1000多公里范围内的空气，“引燃、焚烧、碳化、消灭一切没有岩石或洞穴遮蔽的动植物……森林化为火海，整个大陆被烈火吞噬”[17]。但这只是一场浩劫的开端。遍布大气上层的尘埃数月遮蔽太阳，带来永恒的黑夜。植物枯萎，食草动物饥饿而死。食物链被彻底打破，如纸牌屋般轰然倒塌，最终消灭了最为勇猛的食肉动物。
　　虽然听起来像科幻小说，但是这个观点的确有很多证据支持。首先，科学家在K－T界线的岩石中发现了大量稀有金属铱。这种现象不只存在于某一地区，还出现在全球100多个地区。地球刚刚形成时还是一个炽热的熔岩星球，密度较大的物质向中心沉淀。作为其中一种密度较大的元素，铱在地壳中极其罕见。那么，它如何进入K－T层？小行星和彗星中包含大量铱。无论哪一种撞击地球，铱都会进入上层大气，扩散至全球，最终沉积到K－T层。科学家还测量了K－T界线的其他稀有元素，比如钌和铑，而它们的比例恰好符合小行星或彗星中的相应比例。
　　或许这还不够有说服力。阿尔瓦雷茨和同事们提出假设后的第11年，另一队科学家在墨西哥尤卡坦半岛发现了一个巨大的陨石坑[18]。但是站在希克苏鲁伯陨石坑上方，你根本不知道那里有什么，因为陨石坑被掩藏在地表之下1.5千米的地方。不过，这个陨石坑直径约180千米[19]。1992年，人们终于能够判断它的年龄，发现它出现于6500万年之前。
　　这个想法并非完美无缺。陨石坑证明此处曾发生过陨石撞击。铱沉积和其他证据表明，撞击的物理后果影响了全球。但是，这便足以引发集群灭绝吗？有人指出，1980年阿尔瓦雷茨和同事们发表的长文中，大部分“都是利用地质和物理证据指出某种撞击，以及这个撞击造成的物理后果。而关于撞击的生物影响的讨论只占半页的篇幅”[20]。答案很简单：没人真正知道这样的撞击到底对全球生物有怎样的影响。
　　让人困惑的是，一些物种灭亡了，另外一些物种却安然无恙。正如阿尔瓦雷茨研究组的一位科学家承认的：“很多小型陆生动物活下来了，包括哺乳动物、鳄鱼和乌龟等爬行动物。没有人知道这些动物如何逃脱大灭绝。”[21]更令人困惑的是，历史上某些类似的强烈陨石撞击似乎并未造成此等破坏。1998年，加州理工大学的地质学家肯·法利（Ken Farley）和其他研究人员发现，西伯利亚北部直径100千米的巨大陨石坑和美国切萨皮克湾直径85千米的陨石坑都产生于3500万年前。当时，在一片彗星雨中，它们撞击地球，而同时期的化石记录并没有显示任何异常现象[22]。
　　鉴于这些突出问题，并非所有人都相信恐龙灭绝由来自天际的陨石造成。科学家们也在探寻其他原因。恐龙当然并非独自存活在世界上。好几年前，芝加哥大学地质学家利·范·瓦伦（Leigh Van Valen）提出，哺乳动物早在K－T界线前10万年便开始兴旺繁衍，它们可能在双方的生存之战中战胜了恐龙。某些古生物学家暗示，或许气候变化影响了双方战况，适合恐龙的繁茂温暖的环境变为更适宜哺乳动物的寒冷森林。同样的气候变化或许引发其他物种的灭绝。或许，星球撞击与K－T灭绝毫无关系？
　　寒风
　　那么，距今2.1亿年、2.5亿年、3.65亿万年、4.4亿年的大灭绝又如何呢？对于这些事件，人们尚未发现相应年代的巨型陨石坑。或许今后会有所发现，可是至少现在，大多数古生物学家都猜测其他因素发挥了作用，比如气候突变。约翰·霍普金斯大学的史蒂文·斯坦利曾说：“气候变化极可能是大灭绝的普遍成因。原因很简单，因为全球气温变化会相对容易地毁灭无数物种。”[23]
　　毕竟，每个物种都有其适应的温度，无论具体值是多少。如果温度下降，物种便要向赤道迁徙，或者适应全新的寒冷环境。但是，有些物种无法迁徙，或许因高山、大湖甚至海洋阻隔，或许因为它们住在森林的树梢上，而森林却未能延伸到南方。此外，如果温度下降过快，某个物种无法迅速适应环境，也会轻易灭绝。
　　2.5亿年前，在二叠纪最大规模的集群灭绝期间，全球气温的确突然下降，此外还出现了一些其他噩兆。其中之一便是海平面大幅下降，海水后退，大片海床被暴露在空气中。大陆架中含有的大量有机物与大气发生化学反应，消耗大量氧气。英国利兹大学的古生物学家保罗·威格纳（Paul Wignall）曾估计，化学反应或导致氧气含量降为现有的一半。他总结道：“二叠纪－三叠纪大灭绝是窒息引起的。”[24]
　　对于哪些因素更重要，或者它们是否在其他大灭绝中产生影响，人们仍旧未能达到共识。一些古生物学家指出，火山在剧烈活动时期可以释放大量灰尘进入大气层。有人认为，全球性的旱灾导致集群灭绝。列出所有可能原因或许要占据好几页的篇幅，即使如此，你还是会质疑这些观点到底与事实有多大联系。不管怎样，无论是6500万年前，还是距今2.1亿年、2.5亿年前的集群灭绝，人们都认为当时地球上发生了某种罕见事件—或是气候突变，或是海平面的上升/下降，也可能是火山喷发，或太阳辐射的紫外线量上升等。这些因素对全球生态系统的影响仍属未知。因此，人们考虑了很多可能原因也就不足为奇了，正如古生物学家戴维·劳普（David Raup）的评价：“或许，大灭绝的原因列表正是威胁人类的自然因素列表？”[25]
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前言/序言

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