互动科普

我们充分了解宇宙和我们在它中间所处的位置。但是目前我们能够解释的东西却是有限的。对边缘学科的研究将揭示有智力的生命的特殊作用吗？

在沃尔特•惠特曼的常被引述的诗篇“当我听到博学的天文学家说教时”中，诗人告诉我们在看到天文学家的图表后，他自己怎样疲倦地、懊丧地与迷乱地“在万籁俱寂中仰望星星”。这几行诗句曾打扰了几代科学家。惠特曼所暗示的这种美好的与惊异的感觉并没有因科学研究而衰退。对天文学家以及对诗人来说，晚上的天空仍像以前那样美丽。当我们越来越了解自然的时候，科学家的惊奇感没有减少，而是变得更敏锐，并且把焦点更集中在仍有待探索的秘密上。

惠特曼不用望远镜能够看到的附近的星星，现在不是这样神秘了。大量的计算机代码模拟星球内部的原子核反应，跟踪被传导与辐射到的它们的可见表面的能量流动，解释了它们现在的外貌与它们的演化过程。在1987年对大麦哲伦星云的超新星进行的伽马射线与中微子观察为星球构造与演化的理论提供了引人注目的确证。这些理论本身对我们来说是极好的，知道为什么参宿四（猎户座α）是红色的原因甚至于可以使我们在注视冬天的天空时更加偷快。

但还是留下了大量的秘密，它们中的许多将在本期中由别的天文学家加以讨论。银河系与银河系星团是由何种物质构成的？恒星，行星与银河系是怎样形成的？在宇宙中适宜于生活的栖息地是怎样分布的？地球上的海洋与大气层是怎样形成的？生命是怎样开始的？生命演化与它赖以发生的陆地环境之间的原因与影响的关系是什么？在人种起源中机会的作用有多大？大脑是怎样思考的？人类制度怎样对环境改变和工艺改变起反应？

我们对解决这样一些问题也许还有很远的距离。但是，我们仍然能够推断它们将有何种解决方法，这种推断在150年前创办《科学美国人》的时候是不可能的。正如我们所知道的，将需要新的想法和见识，这些是我们可以希望在本学科的范围内找到的。

而且在我们的学科的外缘还有秘密，这是我们不能指望根据我们已有的知识来加以解释的东西，当我们解释我们观察到的任何事物时，根据的是科学原理，而这些原理又是根据更深的原理解释的。遵循这一连串解释，我们最终就会得出在当代科学的范围内不能解释的自然规律。在涉及生命与自然界的许多其它方面，我们的解释有历史的成分。有一些历史事实是偶然性的，也许除了用统计学的方法之外，它们永远也不能够被解释。我们永远不能正确地解释为什么地球上的生命要采取它现有的形式，虽然我们能够希望去证明，一些形式比另一些更有可能。根据宇宙开始的状态以及自然规律，我们可以作许多解释，甚至于历史在什么地方起作用。但是我们怎样解释最初条件呢？谜的深一层的复杂性笼罩在自然规律与最初的状态之上。它与有智力的生命的双重作用有关——既作为我们寻求解释的宇宙的组成部分，又作为解释者。

我们现在了解到的自然规律使我们能够把宇宙的扩展追溯到它真正的初始阶段究竞是什么。那时，大约100亿到200亿年前，宇宙是无限的热与稠密。在极端高的温度与密度下，我们没有足够的把握用这些规律来肯定是否真正有这样一个时候，更不用说要估计出所有的初始状态，如果有任何初始状态的话。现在，我们顶多不过是能够描述在无限高温下大约10-12秒的极短时间后宇宙的初始状态。

宇宙温度到那时已下降到大约1013度，冷得足以应用我们的物理学理论来分析了。在这些温度下，宇宙理应充满了由在高能核物理学中已知的各种类型的粒子和它们的反粒子一起组成的气体。这些粒子和它们的反粒子在碰撞中不断被湮灭与创生。随着宇宙继续扩展与冷却，创生变得比湮灭慢，并且几乎所有的粒子与反粒子都消失了。如果在数量上电子没有稍微超过反电子，夸克没有超过反奈克，那么今天在宇宙中实际上就不会有电子与夸克这样的普通粒子存在。正是这种早期物质超过反物质的量，估计大约为1010分之一，它残存下来在三分钟后形成轻的原子核，接着在一百万年以后形成原子，后来在星球中被熔炼成较重的元素，最终提供了生命由此产生的材料。物质超过反物质的数量为1010分之一时是决定宇宙将来发展的关键性初始条件。

此外，也许还有在我们的实验室中尚未观察到的其它类型粒子存在，它们彼此之间的相互作用比夸克与电子的那种相互作用更弱，所以湮灭得相当慢。大量的这些奇异的粒子很可能会从早期的宇宙中留存下来，形成现在显然构成宇宙质量的大多数的“暗物质”。

最后，虽然通常假定，当宇宙的年龄是10-12秒时，它的内含物在每个地方都是几乎相同的，但是小的不均匀性必定存在。几百万年以后，它就会激发起第一批银河系与星球的形成。我们不能直接观察早于宇宙开始以后大约一百万年的不均匀性。那时候宇宙第一次变得透明。天文学家通常测绘在那时发出的宇宙微波辐射背景的强度上的微小变化，用它们来推断物质最初的分布情况。这一信息又被用来推断开始后10-17秒的最初不均匀性。

从基础物理学朴素的观点来看，宇宙的历史正好是自然规律的一个直观范例。在我们的解释所能达到的最深刻的水平上，那些规律具有量子场理论的形式。将量子力学应用于如像电磁场这样的场时。发现场的能量和动量以量子形式出现，量子在实验室中则作为粒子被观察到。现代标准模型确定了一个电磁场，它的量子是光子；一个电子场，它的量子是电子与反电子，以及许多其它的场，它们的量子是叫做轻子与反轻子的粒子。有各种各样的夸克场，它们的量子是夸克与反夸克，并且有11个其它的场，它们的量子是传送作用在基本粒子上的弱力与强力的粒子。

标准模型当然不是最终的自然规律。即使在它的最简单的形式中，它也含有一些随意的特征。有大约18个表示数量的参数，它们的值必须采自实验，并且夸克与轻子类型的多重性尚未被解释。而且该模型的一个方面仍是未确定的：我们不能肯定将质量赋予夸克、电子与其它粒子的详细机制。这是现在已被取消了的超导超级对撞机本来打算要解决的难题。我们希望它将由正在日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（ERE）规划建立的大型强子对撞机解决。最后，该模型是不完全的，它不包括重力。我们有一个很好的重力场理论，即广义相对论，但是这一理论的量子模型在很高的能量下就不起作用了。

可能在被称作为弦理论中的一种新的理论中找到所有这些问题的解决办法。量子场理论的点粒子在弦理论中被重新解释为称作弦的微小的一维物体。这些弦能够存在于各种振荡型中，而各种振荡型在实验室中表现为不同类型的粒子。弦理论不仅提供了对重力的量子描述，这种描述在所有的能量下都有意义；弦振荡模型之一表现为具有重力场量子——重力子的特性的粒子。这样，弦理论就提供了重力为什么存在的解释。而且，还有多种形式的弦理论预测了标准模型中如像场的菜单这样的一些东西。

但是弦理论还不能成功地解释与预测标准模型中任何用数量表示的参数。况且，弦是太小了，以致于我们不能直接检测基本粒子的弦特性；一条弦与一个原子核相比，小到甚于一个原子核与一座大山之比。现在对弦理论所作的、没有从实验中得到最少鼓舞的智力投资在科学史上是史无前例的。不过现在，它给我们提供了更深地了解自然规律的最大希望。

我们在认识自然规律上的欠缺妨碍了我们根据早期的宇宙史阐明宇宙刚开始后10-12秒时的初始状态。过去几年的计算表明，这时的夸克与电子在数量上稍微超过反夸克与反电子似乎有可能早一点产生，即产生于1016度时。在那时，宇宙经历了一场相变过程，如同水的结冰，在此过程中已知的基本粒子第一次获得质量。但是直到了解产生质量的机制的详细情况以前，我们都不能解释为什么以这一方式产生的超过量应是1010分之一，或者精确计算出它的值。

另一个初始状态，早期宇宙中的不均匀性程度，可以追溯到甚至更早的时候。在我们的包括标准模型的最简单形式在内的基本粒子的量子场理论中，几个场覆盖宇宙，即使在假定为真空的空间也取非零值。在目前的宇宙状态中，这些场达到了平衡值，它使真空的能量密度最小，这种也称作为宇宙学常数的真空能量密度能够通过被它产生的重力场来测量。显然它是很小的。

但是，在一些关于早期宇宙的现代理论中，有一段很早的时间，这些场尚未达到它们的平衡值，这样真空就有极大的能量密度。这种能量很可能使宇宙迅速扩张，人们将它称为膨胀。在膨胀前量子波动产生的极小的不均匀性会在扩展中增大，并且能够产生数百万年后引起银河系形成的大得多的不均匀性。甚至于已经推测出，使可见的宇宙开始扩张的膨胀不会发生在整个宇宙中。相反，在不断依次进行的局部膨胀中，它也许只不过是随机发生在整个无限大的宇宙中的一个局部事件。如果这是真实可信的，那么初始状态的问题就不存在了。没有最初的瞬时。

在这幅图画中，我们的局部扩展可以随同一些特殊的组成部分或不均匀性开始，但是就像地球上的生命形式一样，这些只能在统计学意义上被理解。遗憾地，在膨胀时，重力是这样强，以致量子重力效应是很重要的。所以，直到我们了解重力的量子理论以前——也许根据像弦理论这样的一些东西，这些想法都仍然是推测。

过去150年的经验表明，生命就像非生命的物质一样受同样的自然规律支配。在生命的起源和进化中没有任何宏伟设计的证据。根据大脑的工作来描述意识有一些众所周知的问题，这是由于我们各人对不是来自于感觉的意识有自己的特殊认识。原则上，根据神经学与生理学，最后根据物理学与历史来解释其它人的行为时没有障碍存在。当我们终于使这一努力成功时，我们会发现部分解释是那些将被视为对应于我们自己的意识的神经活动的程序。

虽然我们很想对自然有一致的见解，但是在对待宇宙中有智力生命的作用方面我们一直会遇到难以处理的二重性。既作为研究对象又作为研究者。我们甚至在现代物理学的最髙深的水平上也看得到这一二重性。在量子力学中，任何系统的状态都是由称作为波函数的数学对象来描述的。按照30年代初期在哥本哈根提出的量力学解释，计算波函数的规则具有与用来解释它的原理很不相同的性质。一方面有薛定谔方程，它以完全确定性的方式描述任何系统的波函数怎样随时间变化。然而又有一套独立的规律告诉我们，当有人进行测量时怎样用波函数计算各种可能结果的概率。

哥本哈根解释主张，当我们测量任何数量，如像位置或动量时，我们就以会引起波函数中发生不可预测的变化的方式介入，结果形成被测定的数量有某个确定值的波函数，它不能被确定性的薛定谔方程所描述。例如，在测量前，自旋电子的波函数一般是对应于不同的电子自旋方向的能级的总和；在这样一种状态中，不能说电子是在任何特定的方向上自旋。但是如果我们测量电子是在围绕某轴顺时针或反时针自旋，我们就要略微改变电子的波函数，以便它一定以一种方式或另一种方式自旋，从而可以将测量看作为本质上与自然中另外的任何东西都不同的一些东西。虽然看法不同，但是很难鉴别出有资格被称作为测量过程的任何特别的东西，除了它对有思维的头脑的影响之外。

在物理学家与哲学家中，人们发现对哥本哈根解释至少有四种不同的反应。第一种简单地照它的原样全盘接受。这种态度主要局限在赞同古老的二元世界观的人们之内，这种世界观将生命与意识置于与自然的其它部分不同的立足点上。第二种态度是以实际应用为目的接受哥本哈根解释的规则，而不过多地考虑它们的主要解释。这种态度在从事研究的物理学家中是最普遍的，第三种态度是试图通过用一些方法改变量子力学来回避这些问题。迄今在物理学家中没有多少人赞成这样的尝试。

最后的一种态度是要认真地采用薛定谔方程，抛弃哥本哈根解释中的二元论，试图根据支配一切事物的波函数的上述确定性展开来描述的测量者及其装置，以解释其成功的规则。当我们测量一些数量（如像电子自旋的方向）时，我们将该系统放置于一个环境（如磁场)中，在那里它的能量（或动量）对被测数量的值有很大的依赖性。按照薛定谔方程，在波函数中对应于不同能量的不同项将会以和这些能量成正比的速率振荡。

从而测量使得与被测量的不同值相对应的波函数的项（如像电子自旋）以不同速率迅速振荡，这样，在未来的测量中它们不会互相干扰，就像以彼此隔得很开的频率广播的无线电台发出的信号一样。由此可见，为了实用的目的，测量使宇宙的历史分离成对被测量的各个可能值互不干扰的不同轨迹。

但是，我们怎样解释用于计算受完全确定性的薛定谔方程支配的世界中的这些不同“世界轨迹”的概率的哥本哈根规则呢？在这个问题上最近已经取得了进展，但是还没有完全被解决。因其价值，我更喜欢最后一种态度，虽然第二种态度有许多值得推荐的地方。）

当我们询问为什么我们的物理学原理是现在这个样子的时候，要避免谈到活着的观察者也是困难的。现代量子场理论与弦理论可以被理解为为了保证实验产生合理结果而使量子力学与狭义相对论相符合的问题的答案。我们要求我们的动力学计算结果必须满足对场理论来说称为统一性，正性与群分解性的条件。粗略地讲，这些条件要求概率总是总数为百分之百，它们总是正的，在远距离实验中观察到的那些结果是互不相关的。

达到上述要求不是这样容易的。如果我们试图写下一些将自动地给出与这些条件中的一些相一致的结果的动力学方程式，我们常常就会发现这些结果违反其它条件。似乎是满足所有这些条件的任何相对论的量子理论必定像量子场理论一样在很低的能量下出现。这可能就是为什么在可以达到的能量下，被称为标准模型的量子场理论这样好地描述自然的缘故。

此外，就我们能够讲的而言，在所有能量下满足这些条件并且包括重力的唯一在数学上一致的相对论量子理论是弦理论。而且，询问为什么做这个或那个数学假定的学习弦理论的学生将被告之，否则就会违背像统一性与正性这样的物理原理。如果自然规律让宇宙不能容纳生物进行试验的话，为什么这些是强加在所有可想象的试验结果上的适当条件呢？

我们没有把这个问题强加在理论物理的许多实际工作上，但是当我们试图将量子力学应用于整个宇宙时，它就成为急迫的了。目前，我们甚至在原理上都不了解怎样计算或解释宇宙的波函数，我们不能够通过要求所有的试验应给予切合实际的结果来解决这些问题，因为在概念上不存在一个在宇宙之外对它迸行试验的观察者。

当我们思考自然规律与宇宙的初始条件怎样意想不到地允许能够观察它的人类存在的时候，这些秘密是更加深不可测了。如果几个物理量中的任何一个有稍微不同的值，我们所熟悉的生活便是不可能的。这些物理量中最著名的是碳12原子核激发态之一的能量。在一连串核反应中有一个基本步骤，它构成了星球中的重元素。在这一步骤中，两个氦原子结合形成不稳定的铍8原子核，它有时在裂变前吸收另一个氦原子核，在这种激发态中形成碳12。碳12的原子核接着放出一个光子并衰变成能量最低的稳定态。在接着发生的核反应中，碳被组合成氧与氮和生命所必需的其它重元素。但是铍8俘获氦是一个共振过程，它的反应速率是参与反应的原子核的能量的函数，它有明显的峰值。如果碳I2激发态的能量只是略高一点的话，它的形成速率就会小得多，结果是几乎所有的铍8原子核在能够形成碳以前就裂变成了氦原子核。那么宇宙就会几乎完全由氢与氦组成，结果就不会有生命所必需的组分。

至于自然常数必须精细协调到甚么程度才能使生命成为必需的，则是有意见分歧的。有一些单独的原因指望碳12的激发态接近共振能量。但是有一个常数的确要求难于置信的精细协调，它就是在膨胀宇宙中被提到过的真空能量，即宇宙常数。

虽然我们不能计算这一常数，但是我们可以推测对它的一些影响（如像在重力场中量子脉动的能量，它的波长不短于10-13厘米左右）。这些影响达到的量值比我们观测到的目前宇宙膨胀速率所允许的最大值大120个数量级。如果对真空能量的各种影响几乎没有消失，那么根据总的真空能量值，宇宙或者会在生命能够产生以前经历一次完整的膨胀与收缩周期，或者会膨胀得如此迅速以致不能开成成银河系或星球。

因此，任何种类生命的存在似乎都要求对真空能量的不同影响间的相互抵消，精确到大约120个小数位。可能这种抵消将根据未来的一些理论得以解释。迄今在弦理论以及量子场理论中、真空能量涉及到一些任意常数，它们必须被精细调整，以便使总的真空能量小到足以让生命可能存在。

无须假设生命或意识在基本的自然规律或初始条件中所起的任何特殊作用就能解决所有这些问题。也许，我们现在称为自然常数的东西实际上从宇宙的一个部分到另一个部分是不相等的。在这里可以从各种意义上理解“宇宙的不同都分”这一措词，例如，可以指起因于膨胀事件的不同的局部扩张，在膨胀中遍及宇宙的场取不同的值，要不就指出现在量子宇宙学的一些描述中的不同量子力学的世界轨迹。如果情况是这样，那么发现生命可能存在于宇宙的一些部分中，虽然也许不是在大多数部分中，就不是意外的了。自然，进化到能够测量自然常数的生物将常常发现，这些常数具有使生命得以存在的价值。这些常量在宇宙的其它部分有其它的值。但是在那里没有谁去测量它们。这是有时称为人为原理的一神描述。正如太阳有一个可能存在生命的行星这一事实不能说明生命在太阳系的起源中起作用一样，这个假说也不能说明生命在基本规律中的任何特殊作用。基本规律可能是那些描述了自然常数的值在宇宙的不同部分间的分布状况的规律，在这些规律中，生命不可能起特殊的作用。

如果科学的内容最终是与人力无关的，对它进行引导的则是人类文化的一部分，而且不是最不重要的部分。一些哲学家与社会学家甚至已经主张，科学原理在整体上或部分上都是社会结构，如同合同法与合约桥牌的规章。许多正在工作的科学家们发现这一“社会构造论的”观点与他们自己的经验不一致。然而，当我们要求社会给我们提供超来越昂贵的工具：加速器，空间飞船，中子源，基因组计划等时，科学的社会内容对科学家们来说就变得日益重要了。

一些政治家与新闻记者假定公众的兴趣仅仅在于有希望直接对工艺学与医学带来实际好处的那些科学领域，这是没有助益的。对生物科学与物理科学中最有趣的一些问题的研究的确具有明显的实用价值，但是有一些则没有，尤其是对存在于科学知识边缘上的一些问题的研究。为了取得社会的支持，我们必须坚持我们时常主张的东西：今天的基础科学的研究是我们时代文化的不可分割的部分。

现在无论存在什么科学家们与公众之间联系的障碍，这些障碍都不是不可逾越的。牛顿的《自然原理》最初只能被很少数的欧洲人所理解。然后是，我们与我们的宇宙是由严谨而又可知的规律所支配的新闻的确己经传播到整个文明世界。进化论最初受到了激烈的反对，神创论者现在日益成为孤立的少数。今天对边缘科学的研究探索了能源、时间与离我们的日常生活距离很远的环境，并且常常只能用深奥的数学语言来描述。但是在漫长的历程中，我们获得的关于世界为什么是这个样子的知识将成为每个人的智力遗产。