科学知识的边界

7.科学知识的边界

1994年，我应邀为庆祝《科学美国人》杂志创刊150周年的特辑写一篇“主旨”文章。以前我曾为《科学美国人》写过两篇文章，一篇是关于弱力和电磁力统一的，另一篇是关于质子可能衰变的，当时我并不想再接着写，可是150周年纪念并非寻常之事，因此我还是同意为之撰稿。因此我想，这期杂志必定会对科学知识的现状做些评价，因此我有义务写一篇有关科学知识的限度的文章。后来在我写这篇文章的过程中，这一期的主题却变成了“宇宙中的生命”。读者在这篇文章中会发现，文中只有很少的一些地方勉强能扣题，可不巧的是，我的文章与宇宙中的生命这个主题还有些细微的关系。可这还是篇主旨文章，因此编辑就用本期的题目为该文命了名。他们还把该文与他们的150周年纪念的联系删去了。这并不是一次非常愉快的经历，可至少现在我高兴地看到我的文章能用它原有的题目发表。

在惠特曼（Walt Whitman）常被引用的诗歌《一堂天文课》（When I Heard the Learn'd Astronomer）中，讲述了主人公面对天文学家所展示的一堆图表，他是如何变得厌烦和懊恼，并且徜徉着独自去寻找“星际的鸦雀无声”。这些诗行已经引起了几代科学家的不快。优美和奇妙的感觉并不像惠特曼所暗示的那样会在科学工作中泯灭。对天文学家来讲，他们的感觉也和诗人一样，夜空的美丽一如既往。而且，随着我们对自然越来越多的了解，科学家的奇妙的感觉并没有减少而是变得更加敏感，更加专注地着眼于那些仍旧神秘的东西。

惠特曼不用望远镜所能看到的附近的恒星现在已经不那么神秘了。大量计算机编码模拟恒星中心的核反应，通过对流和辐射跟踪到达恒星可见表面的能量流，从而既解释了它们的现状，也解释了它们的演化过程。1987年对大麦哲伦星云一颗超新星的伽马射线和中微子的观察，对星球结构和演化的理论提供了引人注目的证据。对我们来说，这些理论本身就是优美的，而且对猎户星座中的一等星为什么是红色的这种了解，甚至更会增加仰望冬季天空时的乐趣。

还存在大量神秘的事物，其中有许多已由其他作者在本期特辑中进行了讨论。是由何种物质构成了星系和银河系的簇团呢？恒星、行星和星系是如何形成的呢？宇宙中适合生命栖息的地方有多广阔？地球上的海洋和大气是如何形成的？生命是怎样开始的？在生命的进化与产生这种进化的地球环境之间的因果关系怎样？在人类的起源中，偶然性的作用有多大？大脑是怎样思考的？人类习俗对环境和技术的改变有着怎样的反应？

我们离这些问题中的一些解可能还非常遥远。可是我们仍然可以通过某种方式猜测，这些解将可能是什么样的类型的，在150年之前《科学美国人》创刊之时是不可能做到这点的。这种猜测将会需要新的思想和新的见解，这些我们都可以期望会在我们已知的科学的边界以内找到。

此外，在我们的科学边界之外也存在神秘的事物，我们不期望能用我们已知的思想方法对这些事物做出解释。当我们解释任何一个观测现象之时，我们按照的是一些科学原理，这些原理本身又是按照更深刻的原理来解释的。随着解释之链，最终会将我们引向那些在当代科学的边界之内所不能解释的自然规律。

而且，在论述生命和自然的其他许多方面的物事的时候，我们的解释有历史的蕴涵。有些历史事实是偶然的，除非用统计的方法也许有可能解释，否则永远都无法解释。例如，我们永远都不能准确地解释为什么地球上的生命会是它们现在的这种形式，尽管我们想指出一些形式比另一些更为可能。

即使历史在其中扮演了某种角色，我们也能按照宇宙的初始条件对许多东西以及自然规律做出解释。可是我们如何解释初始条件呢？在自然规律和初始条件之上还有个更复杂的难题。它涉及到智慧生命的双重角色，智慧生命既是我们要去解释的这个宇宙的一部分，同时又是解释者。

我们通常所理解的自然规律使我们几乎能从所有方向追溯到我们所观测到的可能是宇宙膨胀的真正开端，那是大约100亿到200亿年前宇宙无限炙热和致密的一个瞬息。即使真的存在过，我们也没有足够的信心在极端的温度和密度下应用这些规律能确保真正存在这样一个瞬息，更不用说计算出所有初始条件了。我们只能描述那温度无限高的极短暂瞬息之后大约10-12秒时宇宙的初始条件，我们目前不可能做得更好[1]。

那时宇宙的温度已经下降到了大约1015度，冷却得足以应用我们现有的物理学的理论了。在这种温度下，宇宙中充满了一种气体，这种气体是由高能核物理学中已知的各种粒子及其反粒子组成的，在碰撞中它们不断地湮灭和产生。随着宇宙不断地膨胀和冷却，粒子的产生变得比湮灭要慢一些，而且几乎所有的粒子和反粒子都消失了。如果当时残存的电子不比反电子略多一点，夸克不比反夸克略多一点，那么现在的宇宙中实际上就不会存在像电子和夸克这样的普通粒子。正是这种早期物质比反物质多大约1010分之一的差额，使得在3分钟之后形成了轻的原子核，然后在100万年之后形成了原子，而后又在恒星中形成了重元素，最终提供了产生生命的物质。物质比反物质多1010分之一的差额是决定宇宙未来发展的关键的初始条件之一。

此外，还可能存在我们在实验室中还尚未观察到的其他类型的粒子，它们彼此之间的作用比夸克和电子之间的作用弱得多，而且其湮灭也相对慢一些。早期宇宙可能留下了大量的这种异粒子，它们形成了“暗物质”，这些暗物质显然为现在的宇宙提供了绝大部分的质量。

最后，虽然一般假设宇宙在10-12秒时它的组成几乎是各处完全相同的，可是必定存在微小的不均匀导致了几百万年后最早的星系和恒星的形成。我们不能直接观测到从宇宙最初变得透明开始到此后大约100万年这段时间中的任何不均匀。天文学家们目前正致力于描绘那时所发射的宇宙微波辐射背景的强度的细微差异，并由此推断物质的最初分布。这个信息可以反过来用于导出从开始的10-12秒后的初始不均匀。

从基础物理学严谨的观点来看，宇宙的历史恰恰是自然规律的一个解说性的例证。在我们所能达到的解释的最深层次上，这些规律采用的是量子场论的形式。一旦将量子力学用于像电磁场这样的场时，就会发现场的能量和动量是以一包包或称为量子的形式而存在的，就是实验中所观察到的一个个粒子。现代标准模型假定，电磁场，其量子为光子；电场，其量子为电子或反电子；还有许多其他的场，其量子分别是称为轻子和反轻子的粒子。存在着各种夸克场，其量子是夸克和反夸克，而且还存在11种其他的场，其量子是传递基本粒子的弱作用和强作用的粒子。

标准模型当然不会是自然的终极规律。即使是在它的最简单的形式中也包含许多任意性。在这个理论中出现了18个数值参数，这些参数的值必须取自于实验，而且也难理解为什么这些值就应该如此。夸克和轻子的类型的多重性也没法解释。另外，该模型还有一个方面尚未确定：对于给夸克、电子和其他粒子赋予质量的机制的细节我们还没有把握。这个难题本该由现在已下马的超导超级对撞机来解决。我们希望这个难题将由日内瓦附近的CERN正在筹建的大型强子对撞机来解决。最后一点，这个模型不包括引力，因而它是不完备的。我们有一种不错的引力场理论，即广义相对论，可是该理论的量子形式在很高的能量时却垮掉了。

所有这些问题可能都会在一种称为弦理论的新型理论中找到答案。量子场论中的点粒子在弦理论中被重新解释为称做弦的微小而能延伸的一维客体。这些弦可以作为振动的不同模式而存在，在实验室中每一种模式都以不同类型的粒子的形式出现。弦理论不只是提供了一种在所有能量都有意义的引力的量子描述，即弦的每种振动模式都以具有引力子性质的一种粒子的形式而出现，引力子就是引力场的量子，弦理论甚至还为引力存在的原因提供了一种解释。更进一步，还存在弦理论的几种版本，能预言类似于标准模型中的场的菜单一类的东西。

可是弦理论还不能成功地解释或是预言标准模型的任意数值参数。而且，弦太小了，我们无法直接探测基本粒子的弦本质；弦相对于原子核比原子核相对于一座山还要小。在弦理论方面所正在进行的智力投资在科学史上是史无前例的，可是却没得到来自实验的任何支持。可迄今为止，它为更深入地理解自然规律给了我们最大的希望。

在自然规律的知识中存在的空缺，阻碍了我们按照早期宇宙的历史去解释从极短暂的开端之后10-12秒时的宇宙的初始条件。过去几年中所做的计算似乎表明，夸克和电子与反夸克和反电子之间的微小差额产生的时间要更早一些，是在温度大约为1016度的时候。在那个时刻，宇宙经历了一次有点像水结冰一样的相变，在那次相变中，我们所知道的基本粒子第一次获得了质量。可是在我们理解了质量产生机制的细节之前，我们无法解释为什么以这种方式产生的差额应该是大约为1010分之一，更不用说计算出它的精确值了。

另一个初始条件，即早期宇宙的不均匀度，可以追溯到甚至更早的时期。在我们的基本粒子的量子场论中，包括标准模型的最简单的形式，几种场遍布于宇宙之中，即使是在假设的空的空间中取的也是些非零值。在目前的宇宙状态中，这些场已经达到了均衡值，使真空中的能量密度达到了最小。这种真空能量密度也叫做宇宙常量，可以通过它所产生的引力场来测量。显然，它非常小。

可是，在有关早期宇宙的一些现代理论中，存在一段非常早的时期，那时这些场还没达到它们的均衡值，因此真空可能会有巨大的能量密度。这种能量会导致宇宙的急速膨胀，即所谓的暴胀。在暴胀中可能是由于量子涨落而产生的微小的不均匀，在膨胀中将会被放大，而且可能会产生大得多的不均匀度，从而在几百万年后促成了星系的形成。

有人甚至推测，使可见宇宙开始膨胀的暴胀不是出现在宇宙的整个过程中。在整个无限宇宙中随机出现的局部暴胀的永恒的持续中，这只是其中的一个局部的事件。如果真的是这样，那么初始条件的问题就不复存在了；也就不存在初始时刻了。

在这种绘景中，我们的局部膨胀可能由于一些特殊因素或是不均匀性而开始，可是与地球上生命的形态一样，这只能从统计意义上去理解。遗憾的是，在暴胀时期引力非常强，因此量子引力效应是重要的。所以，在我们理解引力的量子理论——也许是像弦理论这种形式的什么理论——之前，这些思想仍是猜测性的。

在过去的150年中的经验已表明，生命与非生命物质遵守同样的自然规律。在生命的起源或者进化中，都不存在完美设计的任何证据。在以大脑工作的形式对意识进行的描述中，存在众所周知的问题。它们的出现是因为我们每个人都有关于自己意识并非来自于感觉的独特的知识。可是我认为，这并不意味着意识永远不能被解释。在理解意识时的基本困难不会阻碍用神经学和生理学以及最终以物理学和历史学的方式去解释其他人的行为。一旦我们在这项任务中获得成功，我们无疑会发现，对行为解释的一部分是我们会认为与自己的意识一致的一种中立行为。

尽管我们非常愿意采用一种统一的自然观，我们却总是遇到智慧生命在宇宙中扮演双重角色的问题，他既是自然的观察者又是被观察的一部分。即使是在现代物理学的最深的层次上，我们也会看到这点。在量子力学中，任何系统的状态都是用所谓的波函数这么一种数学对象来描述的。根据20世纪30年代初期在哥本哈根做出的量子力学的解释，计算波函数的法则与用来解释它的原理之间有很不相同的特征。另一方面，还有薛定谔方程，它以完美的决定论的方式描述了任一系统的波函数如何随时间而改变。此外，也存在一套非常独立的原理，教人在进行测量时，如何用波函数去计算各种可能的结果的概率。

哥本哈根解释坚持认为，在测量像位置或者动量这些量时，我们会以某种方式产生影响而导致波函数发生不可预测的变化，产生一个新的波函数从而使所测的量有某个确定的值，这种方式用决定论的薛定谔方程无法描述。比如，在测量之前，一个自旋电子的波函数一般是对应于不同方向的电子自旋的各项总和，借助这种波函数，我们不能说出电子是在哪个特定的方向上自旋。如果要测量电子是在绕某些轴顺时针旋转或是逆时针旋转，可是在测量时我们在某种程度上改变了电子的波函数，因此电子会以这种或那种确定的方式自旋。所以测量被视为与自然中别的事情有本质的差异。而且，尽管判定不同，却很难确认在能称为测量的一些过程中有任何特殊的东西，除非它影响的是一个有意识的头脑。

最后，在物理学家和哲学家中对哥本哈根解释产生了至少4种不同的反应。第一种是由于它的存在而完全接受它。持这种态度的大多是那些对古老的二元世界观感兴趣的人，他们把生命和意识与自然的其余东西置于不同的地位。第二种态度是出于实用的目的而接受哥本哈根解释的法则，并不关心它们的最终解释。仍在工作的物理学家持这种态度的最普遍。第三种处理是通过以某种方式改变量子力学来力图避免这些问题。到目前为止，还没有发现这方面的尝试能被物理学家所接受。

最后一种方法是认真对待薛定谔方程，放弃哥本哈根解释的二重性，力图用与支配其他所有事情的波函数相同的决定论的形式，通过对测量者及其仪器的描述，来解释它的成功的法则。我们在测量一些量（比如电子自旋的方向）的时候，我们把这个系统放在某个环境中（比如一个磁场），在其中它的能量（或它的径迹）强烈地依赖于所测量的量的值。根据薛定谔方程，波函数中对应不同能量的不同项将以正比于这些能量的速率快速振荡。

因此一次测量会使波函数中对应于所测的量的不同值的各项，例如电子的自旋，以不同的速率快速振荡，这样在以后的测量中它们就不会彼此影响，就像信号从无线电台以很宽的间隔频率发出而不会彼此影响一样。这样，测量使得宇宙的历史实际上岔开成不同的、互不干扰的轨迹，对应于每一个被测量的可能值。

可是，我们如何解释，在由完全的决定论的薛定谔方程所支配的世界中，用于计算这些不同的“世界轨迹”的概率的哥本哈根法则呢？最近在这方面取得了一些进展，可是仍然没有确定无疑地解决。（从价值来看，我更喜欢最后这种方式，虽然有许多人推荐第二种。）

当我们问到为什么我们的物理原理会是它们现有的这样之时，很难对有生命的观察者这个问题避而不谈。现代量子场论和弦理论可以理解为，以实验保证能给出有意义的结果这样一种方式，对协调量子力学与狭义相对性这一问题给出回答。我们要求，我们动力学计算的结果必须满足场论中已知的幺正性（unitarity）、定正性（positivity）和集束分解性（cluster decomposition）条件。概括地讲，这些条件要求概率之和永远是100%，它们永远是正的，而且它们与从远处实验中所测量的概率无关。

这并不那么容易。如果我们力图写出一些动力学方程，由此会自动地给出与这些条件中的一些相符合的结果，那我们通常会发现，这些结果破坏了其他的条件。看起来似乎是，任何满足所有这些条件的相对论性量子理论在足够低的能量附近必定都像量子场论。那也许就是为什么在可达到的能量上，自然被所谓的标准模型这种量子场论描述得如此之好。

而且，就目前所能讲的，在所有能量标度上，满足这些条件且包括引力在内的唯一数学上和谐的相对论性量子理论就是弦理论。更进一步，那些询问为什么要做这种或那种数学假设的弦理论的学者们得到的答案是，如果不这样，就会破坏像幺正性和定正性这种物理原则。可是，如果自然规律允许含有没有生命也要进行实验的这种宇宙概率，那为什么加在所有想得出的实验结果之上的这些条件就是正确的呢？

这个问题并不怎么打扰理论物理学的实际工作，可是在我们尝试将量子力学应用于整个宇宙的时候，它就变得紧迫了。现在，即使是从原则上讲我们也不明白如何计算或是解释宇宙的波函数，而且我们也不能通过要求所有实验都给出有意义的结果来解决这些问题，因为根据定义，不存在宇宙之外能对它进行实验的观察者。

自然规律和宇宙的初始条件应该允许能观察它的人的存在，当我们为之感到惊奇时，这些神秘的事物就被强化了。一些人提出，如我们所知，如果几个物理量中的任何一个略微有不同的值，那生命将是不可能的。这些量中最为人们所熟知的就是碳12的原子核的一个激发态的能量。在恒星中形成重元素的核反应链中存在必不可少的一步。在这一步中，两个氦核结合在一起形成不稳定的铍8的核，有时在裂变之前它会吸收另一个氦核，在这个激发态形成碳12。接着，碳12的核发射出一个光子并衰变成最低能量的稳定态。在随后的核反应中，碳又构成氧、氮和生命所必需的其他重元素。可是铍8俘获氦是一个共振过程，这个反应的比率是核包含的能量的锐峰函数。如果碳12激发态的这个能量只略高一点，那么它的形成率就会非常小，因此几乎所有的铍8的核在碳形成之前都会裂变成氦核。那么宇宙就几乎全由氢和氦构成，而没有形成生命的原料。

有不同意见认为，自然常量必定是被精细调节而使生命必然产生。有一些独立的理由认为，在共振能量附近存在碳12的一个激发态。可是有一个常量似乎确实需要一种令人难以置信的精细调节。这个常量就是真空的能量，或者称为宇宙学常量，在与暴胀宇宙学有关的地方我提到过它。

我们虽然不能计算这个量，可是却能算出对它的一些贡献（比如，在波长不小于10-33厘米的引力场中量子涨落的能量，在那种情况中，我们现有的引力理论变得不再有用武之地）。这些贡献产生的结果比目前我们对宇宙膨胀率的观察所允许的最大值还大10120倍。如果对真空能量的各种贡献没被近乎抵消，那么，在可能出现生命之前宇宙会不会经历膨胀和收缩这样一个完整循环，或是会膨胀得太快而不能形成任何星系或者恒星，都取决于真空总能量是正还是负。

因此，任何种类的生命的存在看来都需要抵消对真空能量不同贡献的差值，准确到大约小数点后的120位。这种抵消可能会以未来的某种理论的形式做出解释。迄今为止，与量子场论一样，在弦理论中真空能量也涉及到任意常量，必须精细地把它们调节到能使真空总能量小到足以使生命现象可能存在这样的数值。

最终，无需假设在基本的自然规律或是初始条件中生命或意识扮演着任何特殊的角色，所有这些问题可能都会得到解答。也许，现在被我们称为自然常量的东西实际上在宇宙中的一部分会与另一部分不同。（此处的“宇宙的不同部分”可能会有各种不同意义的理解。比如，这个词可以指由于暴胀这个插曲而引起的不同的局部膨胀，在其中遍布宇宙的场取不同的值，也可以指来自于量子宇宙学的一些版本的不同量子力学的世界历程。）如果是这样，那么发现在宇宙的一些部分，虽然可能不是在大部分地方，可能出现生命就不足为奇了。很自然，进化到能测量自然常量的任何生物总是会发现这些常量的取值允许生命存在。在宇宙的其他部分这些常量有其他的值，可那里没人去测量它们。（这是有时被称做人存原理的那种版本。）这个假设仍然不表示生命在基本规律中扮演任何特殊的角色，这与下面的事实类似，在太阳的一颗行星上可能存在生命，可是这并不表示生命在太阳系的起源中扮演了什么角色。这些基本的规律理应是那些描述了在宇宙的不同部分自然常量值的贡献的东西，而且在这些规律中，生命并没有扮演什么特殊的角色。

如果最终科学的内容是客观的，那么它的处理方法就是人类文化的一部分，而且不是其索然无味的那部分。一些哲学家和社会学家竟然宣称，科学原理全部或者部分是一些社会建构，就像合同法或者定约桥牌的规则一样。许多正在尽职的科学家发现，这种“社会建构论者”的观点与科学家们自身的经验不符合。尽管如此，科学的社会关系无疑会对科学家们变得越来越重要，因为我们需要请社会为我们提供（诸如加速器、太空车、中子源、基因组工程，等等）越来越昂贵的工具。

一些政治家和新闻工作者认为，公众只对那些能对技术或医学产生直接实用效益的科学感兴趣，这种看法的确无济于事。在生物科学或物理科学中确实有一些最有趣的问题的研究有明显的实用价值，可也有一些却没有这种价值，特别是对那些处于科学知识边界的问题的研究。为了赢得社会的支持，我们必须信守我们的诺言：今天的基础科学研究乃是我们时代文化的一部分。

不论目前在科学家与公众的交流之间存在什么障碍，它们都不是不可逾越的。最初牛顿的《原理》只能被少数欧洲人所理解。后来，我们和我们的宇宙都是由精确的、可知的法则主宰着的这个信息最终传遍了整个文明世界。进化论最初也被坚决地反对，而现在特创论者变得越来越成为孤立的少数派。当今在科学边界的研究，探索的是远离日常生活、常常只能用神秘的数学语言来描述的能量、时间和距离。可是从长远来看，我们认识到世界为什么会是这种样子，这将成为每个人的一部分智力遗产。