李四

边学边写

四、科学的世界观(1)

概览

人类对于世界的全部认知可以分为两个类别。

第一类是关于过去、现在和未来之事实的认识:我们生活的世界具有怎样的面貌?曾经发生过什么,今后会如何变化?是否存在主导宇宙演化的客观规律?这些规律是什么样子的……

第二类是关于人类应该如何生活的准则:人生是否具有特定的目的?自我存在的意义是什么?哪些是好的行为,哪些是坏的行为?区分好坏的标准又是什么?……

简单地说,科学是我们探索第一类问题最有效的工具,也是我们思考第二类问题必备的基础[1]

与已知的其他任何解读现实的方法相比,科学作出的结论不仅逻辑自洽(即不存在自相矛盾之处),而且最符合宇宙的真实面目,也最值得想要了解世界真相的人们信任。进一步地,考虑到任何道德评价都应该建立在对事实真相的洞察之上,那么科学结论同时也是我们建立价值体系(即回答第二类问题)的必要参考。

但在赋予科学应有的荣耀时,我们也不应夸大科学的效用。一方面,当前的科学并不能解释所有的事实。虽然在四百多年的发展历程中,这门新兴学科已经取得了十分巨大的成就,但毕竟远未穷极宇宙的全部奥秘;另一方面,科学提供的洞察可以从反面揭示现有价值体系的矛盾之处,却无法从正面提供道德准则的应有面貌。也就是说,就现阶段科学可以发挥的全部作用而言,它仍然停留在工具的层次——工具为人所用,是手段而非目的;科学服务于人,人为主而科学为次。即使我们充分尊重了科学的事实和结论,人生的选择仍然具有很多可能(哲学家和政治家亦因此获得广阔的活动空间)。

科学与有神论并不冲突,很多科学家都具有宗教信仰,但这并不妨碍他们作出伟大的科学发现。重点在于,当科学揭露的真相与宗教的叙述相违背时,科学家选择相信前者,而将后者作为寓言性质的表达。事实上,正是哥白尼、伽利略等早期基督徒科学家首先指出教会对圣经的阐释违背了物理事实,但这并不妨碍他们维持自身的基督信仰。从这个角度来说,科学家心中的上帝、真主和佛陀,其形象教诲与大众信仰是颇有区别的;他们对于神的理解亦往往不同于民间流行的解读。至于其他不信教的科学家们,即使没有皈依任何现有的宗教,也往往不否认神的存在,而多持有暂时不可知的观点——这种想法的来源在于,以当今科学掌握的证据来看,尚无法对神是否存在的问题给出确定的回答。科学既不否认、也不肯定神的存在,科学反对的是现有宗教中广泛存在的对于物理事实的错误阐释。

以科学为职业的人占全球总人口的比例不到百分之一,但好消息是,普通人并不需要成为科学家,也能通过自我修炼,获得理解世界所需的科学素养。这诚然并非易事,因为即使是在科学家队伍之中,也有相当一部分人只专注于领域内的技术细节,而忽视了对综合素质的培养;他们虽然智力超群,但由于缺乏恰当的学习和训练,对生活的洞察反不及重视此道的常人。反过来说,一旦花些时间了解到科学的本质——包括它的优势、局限和值得信赖的程度——我们就能在这飞速发展的科技时代认清现实、占据主动,进而更好地把握人生。这便是普通人学习科学常识的意义所在了。

事实与逻辑为尊

科学家没有不容置疑的典籍,也不相信任何个人可以天然地保持正确。科学家奉为圭臬的是一种叫做科学方法的研究体系。在科学方法里,一个结论是否成立,不在于它由谁作出,而在于它背后依托的事实证据是否充分、逻辑推理是否严谨。其中的道理,就好像法官断案不是依赖原告或者被告的一面之词,而要依靠基于证据链的逻辑推演一样。在现实中,就算司法人员再客观公正,也有可能出于技术局限或资源限制,而导致冤假错案的出现;科学结论也是一样,有时人们根据手头掌握的全部线索,作出看似十分合理、因而受到整个科学界认可的推论,直到技术进步带来新的科学发现,人们才意识到以往认识的错误。而与司法审判相区别的是,科学结论的审理没有时效的限制,不管出于什么原因,一旦以往认识中的漏洞被发现,那么不管这个结论已经流行了多长时间,也不管作出这个结论的科学家具有多大的名望,后来者(如果作出结论的人还在世的话,他也会成为这“后来者”中的一员)是一定要竭尽全力还原事情的本来面目的。

第一天

当下的科学既无法肯定、也无法否定造物主的存在,但根据目前的认识而言,我们身处的宇宙应该是存在一个起点的。这个起点的意义既是时间上的,也是空间上的。形象地说,如果时间从此刻开始往回倒流,那么在138亿年的不断收缩之后,我们所知道的一切事物:地球、太阳、星星、月亮……所有的物质和能量、乃至空间本身,都会集中于一个比原子还小得多的、极细微的场所之内。这听上去十分不可思议,一方面在于收缩涉及的事物之多,多达包含今天的整个宇宙,另一方面在于收缩进入的尺度之小,小到超出现代仪器能测量的最高精度。可现实并不因人类能否理解而改变,通往时空起点的收缩还在不断继续。突然,宇宙的体积竟然进入无穷小的状态[2],时间也失去了意义——也就是说,以我们熟悉的概念而言,时间和空间都“消失”了。我描绘不出当时的景象,毕竟人类对于世界的任何理解都建立在时空的背景之中;脱离了时间和空间,哪里还能表达任何事件?也正是出于同样的原因,在广泛流行的宇宙起源论中,人们回避了尚未攻克的障碍,不去讨论宇宙诞生“之前”的面貌,只简单描述宇宙诞生“当下”的情形,并重点解释宇宙诞生一段时间后、已经被科学家基本了解的状态。

如此一来,关于宇宙诞生的“当下”——其具体含义是指宇宙诞生的10-36秒以内,我们只需要知道三件事情,一是它发生于138亿年前的某个瞬间,二是人类所理解的时间和空间随之出现,三是时空中蕴含着无以伦比的能量,正是这些能量化为了后来的一切。除此之外,对于10-36秒以前发生的事件,尚未有任何一种猜想能够获得最基本的实验检测,因此我们对于宇宙最早时刻的状态只能做出一些大致的猜测[3]。10-36秒是一秒的一万亿亿亿亿分之一,对常人来说不值一提,但正是在这人类无法把握的细微中,蕴含了天地间最非凡的秘密,亦因此获得了许多聪明头脑的倾力投入。

至于宇宙诞生“之后”的事件,科学家的认识就具体得多了。借助现代科技,我们已经可以在实验室中还原宇宙诞生千亿分之一秒时的情形,并借由扎实的理论将时空演化之路追溯到宇宙诞生的10-32秒以内,已经非常接近最初的源头了。换句话说,从宇宙诞生的10-32秒起,它的面目便能够用文字来形容、以数字来描述,因而具有了被理解的可能。只是这些宇宙级事件背后所蕴含的意义,又远远超出了一切语言的表达能力。

比想象更神奇的现实

或许可以这么来说,在很多人的心目中,神是超越世间万物、乃至天地本身的最伟大的存在;他们虔诚地将自己对神的理解、对神参与人类生活的历史汇为语言、写成文字,以此歌颂神恩,福泽后人。可是,且不论那些关于过往的奇幻故事没能留下任何确凿的证据,即使我们无条件相信它们曾经发生,其所激发的听者内心的感动与震撼,在铁证如山的宇宙级事件面前,都显得不及万一。

为什么这么说呢?

第一,我们身处的宇宙充满了各种超乎想像的惊人事件。如果说在古老的传说之中,神管辖的范围是肉眼可见的整个星空,那么换算为现代的科学语言,这其实只是以地球为中心、向外延展至多三十个星系的局部领域,不过是浩瀚宇宙的小小角落。现代科技可以探测到来自465亿光年外的遥远电波,继而接触到前人闻所未闻的无量事物;视野的不断拓展一次又一次地刷新了人类对于现实中“至大”的认识:原来我们的太阳只是可见宇宙亿亿亿颗恒星中的平凡一员,原来所有发光的恒星只是宇宙已知质能的百分之一,原来宇宙的已知质能只是其全部能量的四分之一,原来我们的宇宙之外很可能存在着许多其他的宇宙……天地洪浩即使能以数字衡量,背后深意岂能传达万一?

第二,回到时空的源头,当已知的整个宇宙浓缩在最初的狭小空间中时,我们熟悉的一切物体都不复现有的形体,而转化为纯粹的能量。对于这种状态的了解来源于科学家对“至小”的探索:表面上看来完全不同的事物,在微观层面都可分解为相同的基本粒子;而在极端高能的状态下,不同的粒子之间还可以轻易地相互转化。原来大地与海洋、狂风与烈火、阳光与空气、生命与尘埃……大相径庭的事物居然拥有完全相同的本原。人类能够用理性发现现实中最深层的等同,又进一步求得这等同之中如何生出斑斓世界的奥秘,实属鼓舞人心之壮举。可天地大道即使能以文字描绘,个中玄妙岂能彰显万一?

第三,勾出宇宙138亿年成长蓝图的决定性事件,竟然全部发生在其诞生之初的三分钟内。那些特别关键的变化,从开始到结束的整个过程更是浓缩在秒、毫秒、乃至人类无法感知的极短时间中;尤其考虑到变化同时发生在宇宙的每一个角落,发生在如今我们知晓的一切事物的前身之上,那么这种宇宙级事件的浓重和激烈,又是世间任何华丽词藻也难以形容万一的。

在比想象更神奇的现实面前,要想深刻理解“宇宙”这两个字所代表的真实含义,我们必须做出很多努力。

打个比方,老子在《道德经》里面说,主导天地万物运作的法则真实存在,只是难以用简单的语言描述清楚。作为老子的半个学生,孔子在《易经》中又补充到,谈论“道”的时候,大家并不能很快形成共识,讲究仁的把它理解为仁,推崇智的把它演绎为智,还有大部分根本没有意识到天地法则存在的人,其实也天天在运用这个法则、也日日处于法则的包裹之中[4]。道就是这么宏大精深,就是这么无欲无求,它不会因为群众的无知而消减一点,也不会因为哲人的赞叹而俯就一分。我们认识得到也好,认识不到也好,道就一直在那里,包罗万象,永存世间。

宇宙的概念也可以作类似的理解。这个词语每每出现在我们的生活中时,并没有被赋予什么特别或神圣的含义,大部分人并不会花时间去思考宇宙到底意味着什么,他们偶尔提到这个名词时,态度仿佛这不过是生活中的一件普通事物。但实际上,倘若我们愿意追寻现代科学的脚步,去仔细领会世界的构成,去认真探究宇宙的含义,我们便会发现,地球上存在过的所有语言造出的一切词汇中,没有什么比宇宙这两个字所代表的内容更加伟大、更加神奇。

准备出发

为了更好地认识宇宙的面貌,接下来我们将以两个专题的形式,分别介绍科学家在“至大”与“至小”上的最新发现;专题结束之后,我们将再次回到时空的源头,认识宇宙在诞生之初的三分钟中,经历了怎样不可思议的巨变。需要说明的是,对于至大和至小的现有认识,是数百年间许多聪明头脑齐心努力的结果(其中包括了1901年以来上百位诺贝尔物理/化学类奖得主),想要弄清其中的理念需要相当的理科基础,而这明显超出了常人的知识储备。如果以轻松的阅读体验作为首要追求,我大可简单带过相关内容,把全系列难度保持在前几篇文章的水平。可是考虑到格物致知乃是正心诚意的基础,对于前沿物理理论的常识性了解可以极大地充实我们对于现实世界的认识,进而帮助建立起更能经受事实考验的人生信念。两相权衡,我还是决定保留所有重要的科学知识,而把上述知识能否顺利从作者笔下传递到读者心中的挑战交给各位和我共同承担了。

也许有人会问:我愿意了解科学界对于现实的探索结果,可为何这不能以一种以轻松的方式进行呢?

其实,以轻松的方式普及科学知识,是所有科普工作者的共同追求。可是问题的关键在于,科学是关于现实的洞察,而现实本身具有的复杂度不以任何人的意志为改变。

打个比方,用一个公式描述宇宙一切物理现象,是所有物理学家的终极梦想,也是许多科学课题的研究方向,可这并不意味着我们的世界真能被一个公式概括。当下的猜想是否成立,终究要交给未来的发现检验;现有的知识库虽已十分庞大,却远未囊括全部的真相。现实中有许多头脑杰出的科学家,因为误解了自然的启示而长期奋斗在错误的道路上,如果运气不佳,这种错误可能在他们的有生之年都不会露出马脚。还有一些大幅领先时代的天才,提出了在多年后被观测证实的精妙理论,可于自己生活的年代却遭到主流科学界的集体漠视甚至嘲笑,只因这些理论如此超离于经验,连以(相对)开明号称的科学界都无法正确理解。还有如居里夫人(历史上唯一一位获得两种科学类诺贝尔奖的人)这样的卓越人物,在对放射性元素的研究中作出了重大突破,却丝毫不知每天接触的对象会严重危害身体健康……作为整体智力最为突出的科学家群体,他们在探索自然的过程中仍要付出十分的努力,在理解物理现实时仍然存在许多的盲区,根本原因就在于我们所处的世界并不简单。

这便成为科学难以进入大众生活的主要障碍。如果说一个人只要有充分的意愿,就一定能踏入宗教的殿堂,科学领地的规则却有所不同。并非大门不为众人敞开,只是一路上那陡峭崎岖的地形,唯有受过足够训练的人才能克服。科普工作者能够作的,是劈出最易行走的路径,标示可能出现的陷阱,并沿途提供宽慰人心的鼓励,可向上的道路终究还是要靠读者自行走完。说到底,科学的殿堂虽由人类建造,但它设计的宗旨却从来是“符合事实与逻辑”而绝非“容易被人理解”——从某种程度上来说,“符合事实与逻辑”与“容易被人理解”根本就是两个相互矛盾的目标。

(未完待续)

[1] 对第二类问题的思考属于哲学的范畴。第九章简单介绍了哲学的概念,第十章进一步说明了两类问题(即“事实判断”和“价值判断”)的区别。

[2] 20世纪的物理学认为宇宙起源于一个体积无穷小、密度无穷大的点,即所谓的“奇点”。不过近来很多科学家猜测奇点并非真的存在,他们相信当空间缩至某个我们尚未认识的临界尺度以下时,传统上用于解读宇宙时空的物理规则(即相对论)便不再适用,而需要引入新的物理概念。只是由于新的理论尚未完成,奇点的解释仍在大众中流行,因此这里还是以奇点作为宇宙起源时的状态。

[3] (选读)严格地说,本文定义的“当下”还可以被细分为两段,第一段是宇宙诞生10-43秒以内,第二段是10-43秒到10-36秒之间。关于后者,人们还可以作纯理论的推演(只是现阶段这些理论还无法得到实验的验证,限制在于需要的能量超过了现有技术手段可以达到的极限),前者才是物理学家心目中真正的“当下”。10-43秒是当今物理学界在理论上可以处理的最短时间间隔(它有个专门的称呼叫做“普朗克时间”),超过这个极限之后,现有的基础物理理论将会失效——具体地说,相对论和量子理论是物理学两大基石,它们在较大的尺度下各司其职相安无事,但在10-43秒以内的超短间隔中,时空弯曲和量子效应都十分明显,需要同时应用相对论和量子理论进行处理,可是两个理论的推导结果又会产生不可调和的矛盾,这说明在极限的尺度下,我们需要发展出新的物理理论来解释现实,这正是当代物理学家努力的一个重要方向。不仅如此,由于10-43秒以下的时空弯曲达到极致,其中蕴含的时间概念亦不再是我们通常所理解的意思,这进而在学界引发了关于时间是否连续的未决分歧,只是由于理论和实验均未能深入这个领域,时间是否连续的问题在目前仍属哲学讨论的范畴。

[4] 《道德经》:道可道,非常道。《易经》:仁者见仁,智者见智,百姓日用而不知。

CC BY-NC-ND 2.0

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