失效的科學 災難是怎樣發生的（精裝） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

地震無法預測、天氣預報總是不準、股災發生不可避免……原來都是因為它、有趣、有料的理論物理研究成果，告訴你科學背後的科學

內容簡介

森林大火的蔓延、物種的滅絕、地震的分布、金融市場的起落、戰爭的爆發，這些事物看似毫無關聯，卻遵循著同一條簡單法則。無論哪個領域，都仿佛一個陡峭的處於動蕩邊緣的沙堆，隻要再來一顆沙粒，就會全麵崩塌。究竟哪一顆是緻命的沙粒？
幾乎令人絕望的是，百年來不停追尋各類災難源頭的科學傢、哲學傢和曆史學傢，他們弄錯瞭方嚮。曆史看似有既定的發展模式，未來卻不可預測，人們永遠無法找到這顆沙粒。世界正處於懸崖之邊，隻需輕輕一推，災難就會不期而至，科學仿佛束手無策。
這一結論源自理論物理的研究結果。馬剋?布查納將一一介紹這些研究者們特立獨行的研究故事，及其齣人意料的觀點。
讀過之後，你就不難理解，為什麼大到地震預測，小至天氣預報，一切對自然的預測往往隻能是後知後覺；為什麼有號稱完美保護機製的金融市場仍會深陷股災泥沼。明白這些，你將以更寬容的眼光看待世界。
來吧，讓我們一起探尋“科學背後的科學”。

作者簡介

馬剋·布查納，美國弗吉尼亞大學理論物理學博士，研究領域為非綫性力學和混沌理論。科學作傢，曾為《自然》雜誌編輯、《新科學傢》雜誌特約編輯。

精彩書評

　　布查納高超巧妙地解釋瞭自然科學中一係列相互關聯的重大突破，把最近的物理和生物研究講解得深入淺齣，通俗易懂。
　　——《自然》雜誌

　　本書指齣，一切對重大事件追根溯源的研究都是瞎忙。人類世界、地震和金融市場等其實擁有相同的活動模式。
　　——《獨立報》

　　布查納用簡單、通俗的方式，輔以簡單的分析和案例，將大量復雜的信息娓娓道來。
　　——《星期日泰晤士報》

目錄

第1章 驚天巨變
如果世界處於臨界點或類似狀態，那即使最微小的個體也能産生巨大影響。我們的社會與文化將不再有任何孤立行為。

第2章 不可預測的地震
曆史在預測未來方麵極其糟糕。人類曆史中，沒有任何事情在同樣情況下或以同樣方式重復兩次。

第3章 荒謬的推理
迄今為止，最好的預測方式或許是先等待某次地震來襲，再迅速預測下一次地震。

第4章 曆史的偶然
某些罕見的變異會提升生物適應能力，並因此在整個種群中傳播開來。此情況一旦發生，偶然事件便被凍結，之後的物種進化都以新的跳闆為起點。

第5章 命運的鉸鏈
如果世界總是處於懸崖邊緣，麵臨突然、劇烈的變化，那麼此類災難的發生或許的確無法避免、無從預測，即使在它們要降臨的前夜。

第6章 臨界的普適性
世界比看上去的更簡單。當需要解釋某些事物時，細節幾乎總是不重要的。

第7章 自組織臨界性
臨界狀態中重要的並非復雜的細節，而是簡單的內在幾何特徵，它纔是控製影響傳播途徑的關鍵因素。

第8章 殺戮時刻
大型生物滅絕事件隻是最明顯的突然爆發，它們之間是無數小型生物的滅絕。滅絕是演化史的自然結果，大滅絕或許並非進化過程中的特例。

第9章 生物滅絕的謬誤
臨界狀態的組織形式是生態係統的內在核心規律，將生物滅絕劃歸為大規模集群滅絕和背景滅絕或許是個謬誤。

第10章 瘋狂的人心
很難否認人們被瘋狂的風潮感染，當得知彆人感興趣的時候自己也會産生興趣。這並非理智的決定，但人類的確就是如此非理性地影響彼此。

第11章 事與願違
人類世界中可能並沒什麼適用於個體的規律；不過，這並不意味著群體也不存在任何規律。

第12章 科學界的地震
科學革命和常規科學的差異在於它是打破傳統還是保護傳統。科學革命撕裂舊有觀點的網絡，而常規科學隻是對其進行加固。

第13章 群體的力量
偉大變革不一定具有特殊成因。它們隻是臨界態係統中可能産生的大規模波動。

第14章 曆史至關重要
偉人他們對曆史進程一定會産生決定性的影響；但曆史變化並非由偉人主宰，“領導者謀劃曆史發展”的認識是錯誤的。

第15章 有趣的曆史
每個細節都擁有改變的能力。可能性讓偶然事件得以戰勝命運，一個王國的覆滅或許隻源於一個馬蹄鐵

精彩書摘

　　美國濛大拿州東端，赫爾河（Hell Creek）自佩剋堡水庫[5]一側靜靜流齣，沿著孤獨、蜿蜒的河道，一路延伸，進入大山。這片廣袤的土地擁有牧場、草地、鬆樹滿坡的山榖以及烈日下閃耀橙色、紫色亮光的奇石。石頭位於赫爾河兩側，它們凹凸不平的錶麵仿佛講述著炎夏和寒鼕裏的風雨如何緩慢侵蝕地球。每一年，這裏都有一些碎石變為薄薄的沉積層，成為地質演變的記錄。一個多世紀以來，古生物學傢挖掘這些記錄，研究動物化石，並解讀世界上最大的謀殺疑團。
　　對於古生物學傢來說，追溯曆史一般意味著深入地底的沉積層，而在赫爾河，你隻需沿河而下便能進入更深的岩層。一次晨間散步便能輕易走過1000萬年的地質曆史[6]。距離水庫不遠處，更深的岩層大約於7億年前沉積，當時的美洲平原還處於較淺的廣闊海洋之下。這裏的岩石蘊藏著巨大的化石墓園，其間埋葬著數不清的蚌類等海洋生物。再嚮上遊不遠處的岩石較之年輕幾百萬年，那時海洋迴落，東濛大拿變為森林、河流密布的土地。在這裏，人們能發現植物、動物牙齒和爪子的碎片。古生物學傢們從中讀齣一個霸王龍對戰宿敵三角龍的野蠻激情時代。事實上，赫爾河是地球上唯一發現恐龍完整骨架的地方。不過，再逆流而上不遠處，情況便突然發生瞭變化。在距今6500萬年的地層，命運的魔爪似乎將神奇的恐龍世界徹底碾碎，岩層展現瞭突然、劇烈的大規模死亡。在這個地質學傢和古生物學傢稱作“白堊紀－第三紀界綫”（K－T界綫）的地方，恐龍和其他數韆種生物都銷聲匿跡瞭。
　　K－T界綫兩側的化石中斷非常明顯，地質學將此看作兩個地質時期的轉摺點：白堊紀和第三紀。二者間的交界，也就是距今約6500萬年的岩層，齣現在地球上數以韆計的地方。比如，西班牙北部某些地區的化石提供瞭菊石目生物滅絕的證據：K－T界綫之前，這種擁有螺鏇狀外殼的生物已經在海洋中大量存在瞭3.3億年。K－T界綫之下的地層中，菊石目化石無處不在；再往上便消失得無影無蹤。因此，6500萬年之前，總有某些突變引發瞭這場大型謀殺事件。就在漫長地質史裏一眨眼的瞬間，恐龍和3/4的其他生物都突然滅絕瞭[7]。
　　到底發生瞭什麼？1905年的科學傢這樣評論恐龍：“正是因為超負荷的沉重骨架導緻精力喪失，這個種群纔如此短命。”[8]還有人質疑恐龍的繁殖能力，認為“恐龍四肢重量不斷增加，正錶明繁殖能力的下降”[9]。恐龍滅絕也常常被歸咎於其視力較差，無法防止哺乳動物偷吃它們的蛋，此外還有火山爆發或者氣候突變，不論是變得過冷、過熱、過乾還是過濕[10]。當然，恐龍並非唯一消失的物種。
　　全球科學會議和期刊雜誌中，人們仍舊熱烈地討論到底什麼毀掉瞭地球上幾乎所有生物。幾乎每周都會齣現新證據支持或反對某些觀點[11]。盡管沒人確定到底發生瞭什麼，科學傢至少對一件事情達成共識：無論原因是什麼，此類情況並非極其罕見。更深入的化石研究錶明，毀天滅地的災難曾多次衝擊地球，而白堊紀－第三紀的大滅絕還不是最糟糕的。
　　K－T界綫下，另一條可怕的死亡綫貫穿地層，這便是距今2.5億年的地層。同樣，生命記錄在此明顯突然停止，地質學傢以它定義二疊紀的結束和三疊紀的開始。1998年，麻省理工學院的地質學傢塞繆爾·鮑林（Samuel Bowring）和同事們確定此次滅絕的持續時間，發現它隻有1萬年。這個時間看似很長，但是對於6億年多細胞生物的曆史來說，不過隻是瞬間。鮑林和同事們寫道：“這是過去5.4億年間波及最廣的生命滅絕。”[12]大約95%的海洋生物喪命瞭，陸地生物的滅絕也有類似比例。
　　類似災難還在距今4.4億年、3.65億年和2.1億年前衝擊過地球。加上白堊紀和二疊紀的大滅絕，這5次最大規模的集群滅絕事件從生物曆史中凸顯齣來，正如1836年、1838年、1868年、1906年和1989年舊金山地區的大地震從地震曆史中凸顯齣來那樣。查爾斯·達爾文基於進化論曾寫道：“認為接連不斷的災難抹去地球生物的舊觀念已經被摒棄瞭。”[13]事實絕非如此。生命演化曆程看似穩定，變化緩慢，但曆史記錄卻展示齣其他規律。5次大型生物滅絕事件隻是最明顯的突然爆發，它們之間是無數小型生物的滅絕。地球上的生物似乎不得不遭受零星的災難性滅絕。
　　當然，並非所有滅絕都是大規模生物滅絕。演化生物學專傢估計，生物曆史中曾齣現過約10億種生物。而隻有幾韆萬種存留至今，這也就意味著約99%的生物都滅絕瞭。滅絕是演化史的自然結果，正如有些人曾說：“粗略算來，所有生物都滅絕瞭。”但事實上，隻有35%的生物死於集群滅絕。不起眼的“背景”滅絕則造成瞭約2/3的生物滅絕。但是，它們無法解釋大規模滅絕的巨浪。這種離散災難的奇特記錄之後隱藏著什麼呢？
　　不可抗力
　　保險業將不可預知、不可控製的意外或災難稱作“不可抗力”。如果龍捲風掀翻你傢屋頂，或者閃電擊中你全新的保時捷，那麼你便是不可抗力的犧牲者。如果這種破壞力不幸降臨，保險公司便會賠償，沒有任何異議。
　　有彆於普通的背景事件，大多數科學傢在群體性滅絕中看到瞭類似不可抗力的結果。生物依賴穩定、閤適的環境維持生存，需要氧氣、閤適的溫度、足量水和食物、低度輻射等。如果環境發生劇烈變化，生物便會遭殃。那麼，對大多數科學傢來說，解釋大滅絕就意味著要找齣環境發生的變化及其原因。
　　當然，環境中的變化可能有韆萬種，但是其中兩種被視作極其重要的，且一種比另一種更為猛烈。
　　1980年，以加州大學伯剋利分校物理學傢路易斯·阿爾瓦雷茨[14]為首的一組科學傢指齣，K－T災難是由巨型小行星或彗星撞擊地球造成的全球性氣候變化所緻[15]。一位研究者這樣寫道：“隕石直徑約1萬米，以每秒數萬米的速度撞擊地球，其破壞力是世界上所有核工廠總能量的1000倍。”[16]這種撞擊令岩石瞬間氣化，在地球錶麵撞齣約4萬米深的大坑，嚮大氣和宇宙中噴射大量岩石顆粒及細微粉塵。那些落迴地球的顆粒灼燒撞擊區域周圍1000多公裏範圍內的空氣，“引燃、焚燒、碳化、消滅一切沒有岩石或洞穴遮蔽的動植物……森林化為火海，整個大陸被烈火吞噬”[17]。但這隻是一場浩劫的開端。遍布大氣上層的塵埃數月遮蔽太陽，帶來永恒的黑夜。植物枯萎，食草動物飢餓而死。食物鏈被徹底打破，如紙牌屋般轟然倒塌，最終消滅瞭最為勇猛的食肉動物。
　　雖然聽起來像科幻小說，但是這個觀點的確有很多證據支持。首先，科學傢在K－T界綫的岩石中發現瞭大量稀有金屬銥。這種現象不隻存在於某一地區，還齣現在全球100多個地區。地球剛剛形成時還是一個熾熱的熔岩星球，密度較大的物質嚮中心沉澱。作為其中一種密度較大的元素，銥在地殼中極其罕見。那麼，它如何進入K－T層？小行星和彗星中包含大量銥。無論哪一種撞擊地球，銥都會進入上層大氣，擴散至全球，最終沉積到K－T層。科學傢還測量瞭K－T界綫的其他稀有元素，比如釕和銠，而它們的比例恰好符閤小行星或彗星中的相應比例。
　　或許這還不夠有說服力。阿爾瓦雷茨和同事們提齣假設後的第11年，另一隊科學傢在墨西哥尤卡坦半島發現瞭一個巨大的隕石坑[18]。但是站在希剋蘇魯伯隕石坑上方，你根本不知道那裏有什麼，因為隕石坑被掩藏在地錶之下1.5韆米的地方。不過，這個隕石坑直徑約180韆米[19]。1992年，人們終於能夠判斷它的年齡，發現它齣現於6500萬年之前。
　　這個想法並非完美無缺。隕石坑證明此處曾發生過隕石撞擊。銥沉積和其他證據錶明，撞擊的物理後果影響瞭全球。但是，這便足以引發集群滅絕嗎？有人指齣，1980年阿爾瓦雷茨和同事們發錶的長文中，大部分“都是利用地質和物理證據指齣某種撞擊，以及這個撞擊造成的物理後果。而關於撞擊的生物影響的討論隻占半頁的篇幅”[20]。答案很簡單：沒人真正知道這樣的撞擊到底對全球生物有怎樣的影響。
　　讓人睏惑的是，一些物種滅亡瞭，另外一些物種卻安然無恙。正如阿爾瓦雷茨研究組的一位科學傢承認的：“很多小型陸生動物活下來瞭，包括哺乳動物、鰐魚和烏龜等爬行動物。沒有人知道這些動物如何逃脫大滅絕。”[21]更令人睏惑的是，曆史上某些類似的強烈隕石撞擊似乎並未造成此等破壞。1998年，加州理工大學的地質學傢肯·法利（Ken Farley）和其他研究人員發現，西伯利亞北部直徑100韆米的巨大隕石坑和美國切薩皮剋灣直徑85韆米的隕石坑都産生於3500萬年前。當時，在一片彗星雨中，它們撞擊地球，而同時期的化石記錄並沒有顯示任何異常現象[22]。
　　鑒於這些突齣問題，並非所有人都相信恐龍滅絕由來自天際的隕石造成。科學傢們也在探尋其他原因。恐龍當然並非獨自存活在世界上。好幾年前，芝加哥大學地質學傢利·範·瓦倫（Leigh Van Valen）提齣，哺乳動物早在K－T界綫前10萬年便開始興旺繁衍，它們可能在雙方的生存之戰中戰勝瞭恐龍。某些古生物學傢暗示，或許氣候變化影響瞭雙方戰況，適閤恐龍的繁茂溫暖的環境變為更適宜哺乳動物的寒冷森林。同樣的氣候變化或許引發其他物種的滅絕。或許，星球撞擊與K－T滅絕毫無關係？
　　寒風
　　那麼，距今2.1億年、2.5億年、3.65億萬年、4.4億年的大滅絕又如何呢？對於這些事件，人們尚未發現相應年代的巨型隕石坑。或許今後會有所發現，可是至少現在，大多數古生物學傢都猜測其他因素發揮瞭作用，比如氣候突變。約翰·霍普金斯大學的史蒂文·斯坦利曾說：“氣候變化極可能是大滅絕的普遍成因。原因很簡單，因為全球氣溫變化會相對容易地毀滅無數物種。”[23]
　　畢竟，每個物種都有其適應的溫度，無論具體值是多少。如果溫度下降，物種便要嚮赤道遷徙，或者適應全新的寒冷環境。但是，有些物種無法遷徙，或許因高山、大湖甚至海洋阻隔，或許因為它們住在森林的樹梢上，而森林卻未能延伸到南方。此外，如果溫度下降過快，某個物種無法迅速適應環境，也會輕易滅絕。
　　2.5億年前，在二疊紀最大規模的集群滅絕期間，全球氣溫的確突然下降，此外還齣現瞭一些其他噩兆。其中之一便是海平麵大幅下降，海水後退，大片海床被暴露在空氣中。大陸架中含有的大量有機物與大氣發生化學反應，消耗大量氧氣。英國利茲大學的古生物學傢保羅·威格納（Paul Wignall）曾估計，化學反應或導緻氧氣含量降為現有的一半。他總結道：“二疊紀－三疊紀大滅絕是窒息引起的。”[24]
　　對於哪些因素更重要，或者它們是否在其他大滅絕中産生影響，人們仍舊未能達到共識。一些古生物學傢指齣，火山在劇烈活動時期可以釋放大量灰塵進入大氣層。有人認為，全球性的旱災導緻集群滅絕。列齣所有可能原因或許要占據好幾頁的篇幅，即使如此，你還是會質疑這些觀點到底與事實有多大聯係。不管怎樣，無論是6500萬年前，還是距今2.1億年、2.5億年前的集群滅絕，人們都認為當時地球上發生瞭某種罕見事件—或是氣候突變，或是海平麵的上升/下降，也可能是火山噴發，或太陽輻射的紫外綫量上升等。這些因素對全球生態係統的影響仍屬未知。因此，人們考慮瞭很多可能原因也就不足為奇瞭，正如古生物學傢戴維·勞普（David Raup）的評價：“或許，大滅絕的原因列錶正是威脅人類的自然因素列錶？”[25]
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前言/序言

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