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(lǐng)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(guān)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(lǐng)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(guān)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(guān)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(chǔ)DNA。DNA能夠自我復制，它由兩條成雙螺旋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)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(guān)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�；旌希蔀橄乱淮阈钱a(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(guān)于天文學的第三大發(fā)現(xiàn)。
（三)關(guān)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(lǐng)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�，這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(lǐng)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(guān)于這三種力是一種力的理論與大爆炸理論就結(jié)合起來了。這兩種理論結(jié)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(jié)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(jié)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(guān)的理論將被建立，這樣我們就會得到關(guān)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)呢？第二個問題，即關(guān)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(jié)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(guān)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。科學家們甚至想建立一個關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(gòu)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。
