科學與人類知識
－－－－“ 也許將來某一天，我們會發(fā)現(xiàn)這些科學理論的荒謬 ”
講演者：夏佩爾： 美國科學院院士 美國哈fo大學原教授
地 點：華中理工大學
我想談談20世紀自然科學領域里的重大成就。這些最偉大的科學成就回答了我們無數(shù)的疑問，以至于我們可以得到有關整個宇宙、地球以及人體的所有疑問的大致解釋。這些科學成就體現(xiàn)于以下四個領域。
第一，地質(zhì)學。本世紀發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)板塊理論取代了以往關于地質(zhì)演化的理論。地質(zhì)板塊理論也即大陸漂移學說。該理論認為，我們所生活的地球由七個大陸板塊組成，這七個板塊最初連接為一體，由于地球運動所產(chǎn)生的力，大陸板塊脆弱處發(fā)生了斷裂，并逐漸產(chǎn)生了各大板塊，這些板塊經(jīng)過無數(shù)年漂移，終于達到它們現(xiàn)在所在的位置。
第二，生物學。在本世紀，生物學中有了對DNA的重大發(fā)現(xiàn)。上個世紀人們就認為，生物一代代延續(xù)而又保持性狀的相對穩(wěn)定，其間一定有可稱之為遺傳密碼或遺傳信息的東西存在，人們稱這種東西為基因。本世紀生物學與相關學科的發(fā)展，使科學家們發(fā)現(xiàn)了傳遞遺傳信息的物質(zhì)基礎DNA。DNA能夠自我復制，它由兩條成雙螺旋結構的分子鏈組成，其中一條分子鏈能同另一條分開，而且各類DNA分子鏈可以復制其自身，這種分子結構的復制，使得遺傳成為可能。對于人來說，父母的
DNA的分子復制將父母的特征遺傳給下一代。對此觀點也曾有過許多反對意見。在本世紀初，許多人相信，關于人的許多東西是不能用經(jīng)學或科學來解釋的。DNA的發(fā)現(xiàn)證明人體的很大一部分可以由DNA化學或科學來解釋。
第三，天文學。本世紀中有三個偉大的發(fā)現(xiàn)。
（一)恒星演化理論。該理論首先出現(xiàn)在1936年，這以后不斷得到發(fā)展。今天，我們已有了一個關于恒星的產(chǎn)生、演化、消亡的非常精妙的理論。盡管這個理論的有些細節(jié)還需要完善，但我們已知道，它可以說明很多恒星的演化過程。在恒星產(chǎn)生之初，存在著許多巨大的氣團，由于受到了引力和許多外力的作用，這些氣團開始坍縮，這就是恒星形成的方式。
（二)關于化學元素的起源。當恒星接近衰竭時，釋放出許多能量并發(fā)出光芒。問題是，恒星是怎樣發(fā)光的，是什么使它發(fā)光的。對這個問題的發(fā)現(xiàn)也是恒星演化理論的一部分。原來，在太陽的中心深處所產(chǎn)生的核反應使一種化學元素變?yōu)榱硪环N化學元素。宇宙剛產(chǎn)生時僅有的元素是氫和氦。我們現(xiàn)在假定恒星僅由氫和氦組成，在恒星深處所發(fā)生的最簡單的反應是將氫變成氦。在實際的反應過程中，氫原子比氦原子要多出一些東西。在核反應中，四個氫原子聚合為一個氦原子，但是四個氫原子的質(zhì)量要大于一個氦原子的質(zhì)量。這說明當一個氦原子形成時，有一定的質(zhì)量損失。根據(jù)愛因斯坦的著名方程式E＝MC²，這些損失掉的質(zhì)量就變?yōu)槟芰俊，F(xiàn)在比太陽小的恒星比太陽發(fā)光的時間長得多，但沒有太陽放出的熱量多，還有比太陽大得多的恒星，比太陽放出的熱量多，但它們很快就消耗完了自身的熱量。因此，在質(zhì)量較大的恒星中，其行星是很
難產(chǎn)生生命的，因為生命的產(chǎn)生需要很恒定的溫度，而這種恒星發(fā)光時間比產(chǎn)生生命所需的時間少。太陽要用完所用的氫，需要40億年的時間，那時太陽的核心溫度變得比現(xiàn)在高得多，又會產(chǎn)生新的核反應，氦就變成太陽繼續(xù)發(fā)光的燃料，這樣，在核反應過程中，氦就變?yōu)檠�、碳之類的重元素。這些元素對于生命是非常重要的，除了碳、氧以外，以氦作為核反應的燃料還會產(chǎn)生其他一些元素。在其他比太陽大的恒星中，核反應會產(chǎn)生如鐳、鈾之類的元素，這些元素是產(chǎn)生固體物質(zhì)，如巖石所必需的。有的恒星在用完其氦燃料之后便會爆炸，在爆炸中恒星會變得非常大，我們稱之為超新星。在爆炸過程中，恒星又會產(chǎn)生新的元素�，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道，幾乎所有的化學元素是怎樣在恒星的演化過程中產(chǎn)生的。我們甚至知道每種元素的原子量，每種元素產(chǎn)生時所需要的其他元素的比例。這樣，恒星演化理論就揭示出了恒星產(chǎn)生化學元素的過程。從恒星或行星里釋放出的化學元素與星際塵埃混合，成為下一代恒星產(chǎn)生的原料——星云。星云中不僅包含有氫、氦而且包含有其他重元素，這就涉及到50年代的關于天文學的第三大發(fā)現(xiàn)。
（三)關于行星系統(tǒng)的起源。在恒星經(jīng)過很多代的變化后，在較后期的恒星的外圍空間中，如巖石類的一些物質(zhì)坍縮便形成行星。
第四，宇宙學領域，宇宙學即把宇宙作為一個整體來研究。在20年代就產(chǎn)生了這樣一種宇宙學理論，認為宇宙從一開始就在膨脹著。但是在20世紀下半葉之前，這種理論的證據(jù)還相當少，因此很多人甚至認為宇宙學不能成為一門科學。到1950年，新的證據(jù)表明宇宙正在膨脹，表明宇宙有個開端。這個理論叫做大爆炸理論。使這一理論變得很確實的證據(jù)出現(xiàn)在1964年，在該年發(fā)現(xiàn)有一種穿過宇宙、彌散在整個宇宙的放射線，其絕對溫度為3K。經(jīng)過努力探究，確認這種射線只是大爆炸的余燼，這種放射現(xiàn)象叫宇宙背景輻射。1991年證明，這種輻射就來自于大爆炸。
在宇宙大爆炸的初期，發(fā)生著許多核反應，其過程即把氫變?yōu)楹�，把氦變�(yōu)樘迹@種核反應過程與弱相互作用、電磁力、強相互作用三種力緊密聯(lián)系在一起。在10²³K（原文是10的27次方，電腦里沒有27次方的表達模式，故而借用了2和3次方，特此說明)的高溫下，這三種力實際上是一種力，這是近幾十年來在物理學領域中最偉大的、最具有代表性的發(fā)現(xiàn)之一。那么在宇宙中何時、何地會有這么高的溫度，以至比最熱的恒星內(nèi)部的溫度還要高得多呢？我們指望在宇宙大爆炸一秒鐘之內(nèi)能找到。這樣的話，關于這三種力是一種力的理論與大爆炸理論就結合起來了。這兩種理論結合使我們能夠?qū)τ钪娲蟊ǖ倪^程做出準確的計算。這種新的大爆炸理論說明，當宇宙大爆炸時，宇宙膨脹，溫度變得越來越低，強相互作用力與其他力分離開來，隨著溫度的繼續(xù)降低，電磁力與弱相互作用力也分離開來。在宇宙大爆炸開始之后的一分鐘內(nèi)，現(xiàn)存于宇宙中的基本粒子，包括電子、中子、夸克等等已經(jīng)形成了。這個理論能夠計算出宇宙大爆炸之初產(chǎn)生了多少氫，由于氫結合成氦，又可以計算出產(chǎn)生了多少氦，根據(jù)對現(xiàn)在宇宙中這些元素的含量及其他條件做出的計算，與現(xiàn)在宇宙大爆炸學說所作出的計算相符合。這樣我們就可以回到恒星演化理論上。第一代恒星主要由氫、氦組成，它們在宇宙大爆炸中產(chǎn)生，此時其他元素還未形成。如果這個理論是對的，那么可以說萬有引力在宇宙最開始時與其他三種力也是結合在一起的。盡管我們現(xiàn)在還沒有將它們?nèi)拷y(tǒng)一在一起的理論，但今后50年之內(nèi)，有關的理論將被建立，這樣我們就會得到關于宇宙歷史的基本圖像。
大爆炸理論不是說開始就有一團物質(zhì)，大爆炸開始后這些物質(zhì)就分散到宇宙空間去而是說大爆炸就是創(chuàng)造物質(zhì)、創(chuàng)造各種力的過程，也是創(chuàng)造時空的過程。在宇宙的膨脹過程中，氫、氦元素形成我們現(xiàn)在所說的星系，然后恒星在這種星系中形成，并在其內(nèi)部產(chǎn)生新的元素。這些元素被拋散到外部空間去，形成氣團，這種含有更多元素的氣團坍塌時，就可能形成巖石。在某些恒星上產(chǎn)生的化學過程可能形成一些分子，這分子具有自我復制的能力，它們的產(chǎn)生就導致生命的起源。這個關于宇宙歷史的理論是這么的完善，以致于我們可以計算或預言宇宙將來的發(fā)展情況。在這個大的宇宙圖畫中也有漏洞。第一個重大問題就是關于星系是怎么形成的。是星系先產(chǎn)生呢，還是包括星系的星團先產(chǎn)生呢？在宇宙的早期，是否有時間產(chǎn)生一些如箱子般包容星系、星系團的大的結構呢？第二個問題，即關于生命的起源問題。那種具有自我復制能力分子是通過怎樣的過程由以前的物質(zhì)分子產(chǎn)生的？盡管在這個大理論中存在許多問題，但我們還是看到事情正在逐漸聯(lián)結為整體。在科學中沒有什么東西是絕對確實無誤的，或許將來我們不得不丟掉我們已探究到的宇宙大圖景中的一些片斷，至少要對其中一些內(nèi)容作出修改，但是這個理論可能有錯誤，絕對不能成為可以忽視這個理論的理由。我們不僅僅要滿足于了解一個時代的科學所取得的成就，這固然是重要的，還要了解為什么這些科學所取得的成就是重要的。
下面，我提出關于科學的幾個問題：
一、在這個時代，科學幾乎將所有的事情統(tǒng)一起來了�？茖W家們甚至想建立一個關于宇宙全部圖景的學說。那么，這樣一個宇宙圖景給我們提供的是一個關于宇宙實際狀況的理論呢，還是又一種神話、傳說？現(xiàn)在許多哲學家說，科學不過就是關于神仙的故事罷了。那么，必須提醒的是，科學這種“神話”與普通神話有重大的差別，科學所具有的三個特征是普通神話沒有的。第一，科學特別注意它所討論的對象的細節(jié)，成千上萬的科學家對化學物質(zhì)、物質(zhì)起源，宇宙塵埃中有多少物質(zhì)、各種物質(zhì)的比例等等，都作了許多努力，普通的神話是不會付出這么大的代價，作出這么大的努力的。第二，科學力圖說明所有的一切細節(jié)，而神話在說明關于世界的某個細節(jié)時，是不會顧及到其他細節(jié)的。第三，科學知道如何判斷它所提出的理論，知道如何改變。我們的觀點，修正某些東西的謬誤，而普通神話是不會這樣做的。
二、科學是有趣的，問題是除了滿足好奇心之外，科學理論對我們有什么重要意義呢？第一，科學能夠給我們超出信仰之外的力量，能給予我們對我們所面臨的環(huán)境的控制能力，使我們力求避免對我們不利的事情。第二，科學能幫助我們理解我們自身、宇宙、宇宙與我們的關系，這種理解也是一種力量。這就涉及到這樣一個問題，即人們是如何得到現(xiàn)在科學所描述的圖畫的？對這個問題的回答，可以幫助我們理解科學對人們的重要性。我們的注意力總是在日常生活中，就進化講，這樣產(chǎn)生的就是一個日常生活的大腦，那么，這樣的大腦如何取得了如此巨大的科學成就，以至遠遠離開了日常生活的需要？答案就在于進行過程中。比如說，第一，人類在考慮他和其他動物共同面對的環(huán)境外，還可以考慮除生存外對人會有幫助的可能性，可以考慮其周圍的廣闊的世界。第二，語言不僅增加了我們生存的能力，而且可以用來交流思想。彼此間進行批評，促進共同發(fā)展。此外，人們還取得了一種能力，即能夠用數(shù)學歸納某些觀念，這些觀念超出我們?nèi)粘５慕?jīng)驗。
三、關于量子場的問題。按人們的傳統(tǒng)思想，物體的每一個性質(zhì)特征有且僅有一個數(shù)值，但量子場論反對這種說法。按照其理論在各個點上，物體并不具有單一的性質(zhì)，它具有各種各樣可能的性質(zhì)。在量子場內(nèi)，所有這些可能性在每一個點上同時存在，即使這些點相互不同，由于它們都有確定的位置，我們就能看到物體。如果說存在就是確定的質(zhì)，那么物體是不存在的。我們可以用量子場論解釋宇宙的產(chǎn)生。有幾種可能性存在，但不知哪種正確。一種可能性即宇宙會消亡。宇宙的質(zhì)量相當大，由于引力的作用，它會逐漸縮小，以至于消亡�，F(xiàn)在還沒有證據(jù)說明宇宙會按這種方式發(fā)展。另外一個可能性是宇宙會繼續(xù)膨脹。物理學家會說，在遙遠的將來，所有的恒星都會衰亡、變成黑洞或燃燒過的灰燼，所有的生命都會死亡，這些黑洞與宇宙的灰燼會繼續(xù)衰亡以至消失，構成這些物質(zhì)的原子也會消亡。到那時，宇宙剩余的東西就是電子、質(zhì)子、各種射線。
問題是，這一切可能并不是對的，這一切都可能會被否證。科學中沒有任何東西是絕對正確的，將來可能會出現(xiàn)各種各樣的懷疑。在哲學史上，哲學家提出許多理由對知識提出懷疑，這是一種懷疑的態(tài)度，其中最著名的是笛卡爾的普遍懷疑的觀點。如果懷疑就是懷疑一切的理由，如果可以懷疑命題是真的，也可以懷疑其否定命題是真的，那么這種懷疑不能稱之為懷疑。按科學的原則，我們應該在兩種命題中作出選擇，像笛卡爾和其他哲學家所提出的懷疑一切，僅是提出這一懷疑可能產(chǎn)生的理由，而不是提出問題或表達問題的方式。懷疑科學沒有確實地證明它所提出的一切，這種懷疑是沒有意義的。具體的科學中的懷疑應該是具體的。有根據(jù)的準確表述，使科學家能作出選擇，因此不能說科學是不可信的。也許將來某一天，我們會發(fā)現(xiàn)這些科學理論的荒謬，但在證據(jù)提出來之前，我們沒有理由懷疑它們。
