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2004-12-19

科学与人类知识

归档于: 基础科学, 科学思想 @ 4:30 pm

夏佩尔(美国哈佛大学原教授 美国科学院院士)在华中理工大学的演讲

我想谈20世纪自然科学领域里的重大成就。这些最伟大的科学成就回答了我们无数的疑问,以至于我们可以得到有关整个宇宙、地球以及人体的所有疑问的大致解释。这些科学成就体现于以下四个领域。

第一, 地质学。

本世纪发现的地质板块理论取代了以往关于地质演化的理论。地质板块理论也即大陆板块脆弱处发生了断裂,并逐渐产生了各大板块,这些板块经过无数年漂移,终于达到它们现在所在的位置。

第二,生物学。

在本世纪,生物学中有了对DNA的重大发现。上个世纪人们就认为,生物一代代延续而又保持性状的相对稳定,其间一定有可称之为遗传密码或遗传信息的东西存在,人们称这种东西为基因。本世纪生物学与相关学科的发展,使科学家们发现了传递遗传信息的物质基础DNA。DNA能够自我复制,它由两条成双螺旋结构的分子链组成,这种分子结构的复制,使得遗传成为可能。对于人来说,父母的DNA的分子复制将父母的特征遗传给下一代。对此观点也曾有过许多反对意见。在本世纪初,许多人相信,关于人的许多东西是不能用经学或科学来解释的。DNA的发现证明人体的很大一部分可以由DNA化学或科学来解释。

20世纪中有三个伟大的发现。

(一)恒星演化理论。该理论首先出现在1936年,这以后不断得到发展。今天,我们已有了一个关于恒星的产生、演化、消亡的非常精妙的理论。尽管这个理论的有些细节还需要完善,但我们已知道,它可以说明很多恒星的演化过程。在恒星产生之初,存在着许多巨大的气团,由于受到了引力和许多外力的作用,这些气团开始坍缩,这就是恒星形成的方式。

(二)关于化学元素的起源。当恒星接近衰竭时,释放出许多能量并发出光芒。问题是,恒星是怎样发光的,是什么使它发光的。对这个问题的发现也是恒星演化理论的一部分。原来,在太阳的中心深处所产生的核反应使一种化学元素变为另一种化学元素。宇宙刚产生时仅有的元素是氢和氦。我们现在假定恒星仅由氢和氦组成,在恒星深处所发生的最简单的反应是将氢变成氦。在实际的反应过程中,氢原子比氦原子要多出一些东西。在核反应中,四个氢原子聚合为一个氦原子,但是四个氢原子的质量要大于一个氦原子的质量。这说明当一个氦原子形成时,有一定的质量损失。根据爱因斯坦的著名议程E=mc2,这些损失掉的质量就变为能量。现在比太阳小的恒星比太阳发光的时间长得多,但没有太阳放出的热量多,还有比太阳大得多的恒星,比太阳放出的热量多,但它们很快就消耗完了自身的热量。因此,在质量较大的恒星中,其行星是很难产生生命的,因为生命的产生需要很恒定的温度,而这种恒星发光时间比产生生命所需的时间少。太阳要用完所用的氢,需要40亿年的时间,那时太阳的核心温度变得比现在高得多,又会产生新的核反应,氦就变为氧、碳之类的重元素。这些元素对于生命是非常重要的,除了碳、氧以外,以氦作为核反应的燃料还会产生其他一些元素。在其他比太阳大的恒星中,核反应会产生如镭、铀之类的元素,这些元素是产生固体物质,如岩石所必需的。有的恒星在用完其氦燃料之后便会爆炸,在爆炸中恒星会变得非常大,我们称之为超新星。在爆炸过程中,恒星又会产生新的元素。现在我们已经知道,几乎所有的化学元素是怎样在恒星的演化过程中产生的。我们甚至知道每种元素的原子量,每种元素产生时所需要的其他元素的比例。这样,恒星演化理论就揭示出了恒星产生化学元素的过程。从恒星或行星里释放出的化学元素与星际尘埃混合,成为下一代恒星产生的原料——星云。星云中不仅包含有氢、氦,而且包含有其他重元素,这就涉及到50年代的关于天文学的第三大发现。

(三)关于行星系统的起源。在恒星经过很多代的变化后,在较后期的恒星的外围空间中,如岩石类的一些物质坍缩便形成行星。

第四,宇宙学领域,宇宙学即把宇宙作为一个整体来研究。在20年代就产生了这样一种宇宙学理论,认为宇宙从一开始就在膨胀着。但是在20世纪下半叶之前,这种理论的证据还相当少,因此很多人甚至认为宇宙学不能成为一门科学。到1950年,新的证据表明宇宙正在膨胀,表明宇宙有个开端。这个理论叫做大爆炸理论。使这一理论变得很确实的证据出现在1964年,在该年发现有一种穿过宇宙、弥散在整个宇宙的放射线,其绝对温度为3K。经过努力探究,确认这种射线只是大爆炸的余烬,这种放射现象叫宇宙背景辐射。1991年证明,这种辐射就来自于大爆炸。

在宇宙大爆炸的初期,发生着许多核反应,其过程即把氢变为氦,把氦变为碳,这种核反应过程与弱相互作用、电磁力、强相互作用三种力紧密联系在一起。在1027次方K的高温下,这三种力实际上是一种力,这是近几十年来在物理学领域中最伟大的、最具有代表性的发现之一。那么在宇宙中何时、何地会有这么高的温度以至比最热的恒星内部的温度还要高多呢?我们指望在宇宙大爆炸一秒钟之内能找到。这样的话,关于这三种力是一种力的理论与大爆炸理论就结合起来了。这两种理论结合使我们能够对宇宙大爆炸的过程做出准确的计算。这种新的大爆炸理论说明,当宇宙大爆炸时,宇宙膨胀,温度变得越来越低,强相互作用力与其他力分离开来,随着温度的继续降低,电磁力与弱相互作用力也分离开来。在宇宙大爆炸开始之后的一分钟内,现存于宇宙中的基本粒子,包括电子、中子、夸克等等已经形成了。这个理论能够计算出宇宙大爆炸之初产生了多少氢,由于氢结合成氦,又可以计算出产生了多少氦,根据对现在宇宙中这些元素的含量及其他条件做出的计算,与现在宇宙大爆炸学说所作出的计算相符合。这样我们就可以回到恒星演化理论上。第一代恒星主要由氢、氦组成,它们在宇宙大爆炸中产生,此时其他元素还未形成。如果这个理论是对的,那么可以说万有引力在宇宙最开始时与其他三种力也是结合在一起的。尽管我们现在还没有将它们全部统一在一起的理论,但今后50年之内,有关的理论将被建立,这样我们就会得到关于宇宙历史的基本图像。

大爆炸理论不是说开始就有一团物质,大爆炸开始后这些物质就分散到宇宙空间去;而是说大爆炸就是创造物质、创造各种力的过程,也是创造时空的过程。在宇宙的膨胀过程中,氢、氦元素形成我们现在所说的星系,然后恒星在这种星系中形成,并在其内部产生新的元素。这些元素被抛散到外部空间去,形成气团,这种含有更多元素的气团坍塌时,就可能形成岩石。在某些恒星上产生的化学过程可能形成一些分子,这分子具有自我复制的能力,它们的产生就导致生命的起源。这个关于宇宙历史的理论是这么的完善,以致于我们要吧计算或预言宇宙将来的发展情况。

在个大的宇宙图画中也有漏洞。第一个重大问题就是关于星系是怎么形成的。是星系先产生呢,还是包括星第泊星团先产生呢?在宇宙的早期,是否有时间产生一些如箱子般包容星系、星系团的大的结构呢?第二个问题即关于生命的起源问题。那种具有自我复制能力分子是通过怎样的过程由以前的物质分子产生的?尽管在这个大理论中存在许多问题,但我们还是看到事情正在逐渐联结为整体。在科学中没有什么东西是绝对确实无误的,或许将来我们不得不丢掉我们已经探究到宇宙大图景中的一些片断,至少要对其中一些内容作出修改,但是这个理论可能有错误,绝对不能成为可以忽视这个理论的理由。我们不仅仅要满足于了解一个时代的科学所取得的成就,这固然是重要的,还要了解为什么这些科学所在地取得的成就是重要的。下面,我提出关于科学的几个问题。

一、在这个时代,科学几乎将所有的事情统一起来了。科学家们甚至想建立一个关于宇宙全部图景的学说。那么,这样一个宇宙图景给我们提供的是一个关于宇宙实际善的理论呢,还是又一种神话、传说?现在许多哲学家说,科学不过就是关于神仙的故事罢了。那么,必须提醒的是,科学这种“神话”与普通神话有重大的判别科学所具有的三个牲是普通神话没有的。第一,科学特别注意它所讲座的对象的细节,成千上万的科学家以化学物质、物质起源,宇宙尘埃中有多少物质、各种物质的比例等等,都作了许多努力,普通的神话是不会付出这么大的代价,作出这么大的努力的。第二,科学力图说明所有的一切细节,而神话在说明关于世界的某个细节时,是不会顾及到其他细节的。第三,科学知道如何判断它所提出的理论,知道如何改变我们的观点,修正某些东西的谬误,而普通神话是不会这样做的。

二、科学是有趣的,问题是除了满足好奇心之外,科学理论对我们有什么重要意义呢?第一,科学能够给我们超出信仰之外的力量,能给予我们对我们所面临的环境的控制能力,使我们力求避免对我们不利的事情。第二,科学能帮助我们理解我们自身、宇宙、宇宙与我们的关系,这种理解也是一种力量。这就是涉及到这样一个问题,即人们是如何得到现在科学所描述的图画的?对这个问题的回答,可以帮助我们理解科学对人们的重要性。我们的注意力总是在日常生活中,就进化讲,这样产生的就是一个日常生活的大脑,那么,这样的大脑如何取得了如此巨大的科学成就,以至远远离开了日常生活的需要?答案就在于进行过程中。比如说,第一,人类在考虑他和其他动物共同面对的环境外,还可以考虑除生存外对人会有帮助的可能性,可以考虑其周围的广阔的世界。第二,语言不仅增加了我们生存的能力,而且可以用来交流思想。彼此间进行批评,促进共同发展。此外,人们还取得了一种能力,即能够用数学归纳某些观念,这些观念超出我们日常的经验。

三、关于量子场的问题。按人们的传统思想,物体的每一个性质牲有且公衣一个数值,但量子场论反对这种说法。按照其理论,在各个点上,物体并不具有单一的性质,它具有各种各样可能的性质。在量子场内,所有这些可能性在每一个点上同时存在,即使这些点相互不同,由于它们都有确定的位置,我们就能看到物体。如果说存在就是确定的质,那么物体是不存在的。我们可以用量子场论解释宇宙的产生。有几种可能性存在,但不知哪种正确。一种可能性即宇宙会消亡。宇宙的质量相当大,由于引力的作用,它会逐渐缩小,以至于消亡。现在还没有证据说明宇宙会按这种方式发展。另外一个可能性是宇宙会继续膨胀。物理学家会说,在遥远的将来,所有的恒星都会衰亡、变成黑洞或燃烧过的灰烬,所有的生命都会死亡,这些黑洞与宇宙的灰烬会继续衰亡以至消失,构成这些物质的原子也会消亡。到那时,宇宙剩余的东西就是电子、质子、各种射线。

问题是,这一切可能并不是对的,这一切都可能会被否证。科学中没有任何东西是绝对正确的,将来可能会出现各种各样的怀疑。在哲学史上,哲学家提出许多理由对知识提出怀疑,这是一种怀疑的态度,其中最著名的是笛卡尔的普遍怀疑的观点。如果怀疑就是怀疑一切的理由,如果可以怀疑不能自负盈亏之为怀疑。按科学的原则,我们应该在两种命题中作出选择,像笛卡尔和其他哲学家所提出的怀疑一切,仅是提出这一怀疑可能产生的理由,而不是提出问题或表达问题的方式。怀疑科学没有确实地证明它所提出的一切,这种怀疑是没有意义的。具体的科学中的怀疑应该是具体的。有根据的准确表述,使科学爱能作出选择,因此不能说科学是不可信的。也许将来某一天,我们会发现这些科学理论的荒谬,但在证据提出来之前,我们没有理由怀疑它们。

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