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你无法不爱科学,因为它存在你深深的脑海里

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发表于 2021-2-9 19:10:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
生活圈制作
“是的,我们简直渺小到不值一提,却试图用科学理解此前和此后的一切,这是科学的艰辛,也是科学的伟大。然而,我们的每一个细胞都是宇宙演化的奇迹,铭刻着宇宙无穷轮回的印记。无论向内观照自身,还是向外体察世界,你我都与科学呼吸相闻。”


文 | 李崟央视《对话》栏目导演

什么时候科学在很多人心中好像变得神秘、甚至枯燥了?真是这样吗?

有一句话叫“我们的征途是星辰大海”,其实,星辰大海就在你的体内。

我们体内最轻的元素——氢,来自孕育恒星的子宫——星云,重元素(比铁重的元素)主要来自大质量恒星寿终正寝的时刻——超新星爆发,其间的元素则来自恒星的一生。所以我们每个人的身体,都蕴藏着百亿年循环往复的无数恒星的一辈子。

这样一想,科学是不是瞬间变得和你亲密无间、且无限浪漫?


这个想法还隐藏了一个众所周知的命题:我是谁?我从哪里来?不妨再从生物学角度思考一下。

地球诞生后五亿年就出现了最早的生命——细胞结构简单的细菌(病毒是否属于生命体存在争议,这里的说法不考虑病毒)。

时间推后20亿年,大约距今15-20亿年前出现了今天复杂生命体的共同祖先——真核细胞,它和今天我们身体内的细胞复杂程度无二:内部结构无比精细,能量代谢水平空前高超,在基因层面上和细菌截然不同。然而奇怪的是,二者之间没有找到过渡的类型。

生命何以突然从简单的细菌飞跃到这种复杂形态?为什么这种飞跃在40亿年中只发生了一次?



于是又回到那个问题:我们是谁?我们从哪里来?

关于这个问题,有一个古老的想法:“一切是一”,也就是认为虽然世间万物表象上完全不同,但它们具有相同的本质。我们将看到在这个问题上,科学的诞生和哲学是纠缠在一起的,科学(哲学)一直在试图回答这个问题。

哲学是什么?仿佛并不容易说明白;然而从另一个角度,哲学的初衷极其简单:柏拉图说“哲学源于惊奇”,也就是来自对身边事物的好奇和疑问。

从生活中的常见现象思考哲学,在亚里士多德之前的希腊早已有之。

西方哲学的鼻祖泰勒斯是天文学家,成功预言了日食,还确定了夏至和冬至的日期。他最著名的论断是“万物的本原是水”,后世亚里士多德认为,泰勒斯是因为观察到万物都要依靠水来滋润,才试图用它去解释自然现象。

泰勒斯的哲学说明了三点:

  • 很多哲学家同时是自然科学家
  • 哲学(科学)的诞生是通过对日常生活的观察
  • 哲学(科学)很早就试图提出“一切是一”的理论




泰勒斯之后,哲学(科学)一直在尝试更加合理的“一切是一”。

毕达哥拉斯核心观点是“万物的本原是数”,从今天的观点来看,仿佛比泰勒斯的更合理,然而更重要的影响是,从此哲学和自然科学的基础——数学开始结缘了。柏拉图的学园门口就写着:不懂几何者不得入内。而千年之后的笛卡儿、莱布尼茨、罗素等哲学家都是杰出的数学家。

艾萨克·牛顿的皇皇巨著阐述的核心内容是解释为何行星的公转轨道呈椭圆,伟大的万有引力定律也正式亮相。

书名——《自然哲学的数学原理》(Mathematical Principles of Nature Philosophy) 没有用“科学”这个词,但这个书名完全说明了哲学和自然科学的密不可分,而后世公认牛顿为古往今来最伟大的科学家,何尝不是因为他用前所未有的更加合理的哲学方式解释了世界?


牛顿之后,物理学在追求“一切是一”方面可谓不遗余力:

  • 万有引力定律在数学上是简单的平方反比,宇宙中任何两个物体之间与其质量相关的吸引力皆可用其解释;
  • 麦克斯韦方程组因其简洁完美的数学形式被认为“只有上帝才能书写出来”,任何电磁现象皆可用其解释;
  • 爱因斯坦质能方程的数学形式更是简单到几乎尽人皆知,任何质量和能量的转化关系皆可用其解释。
  • 最伟大的科学理论往往有最简洁的美,单一的、简单的形式不仅可以解释复杂,还可以预言复杂:
  • 麦克斯韦用纸笔演算,预言了电磁波的存在;
  • 爱因斯坦根据广义相对论,预言了引力波在内的众多现象;
  • 狄拉克根据相对论化的薛定谔方程,预言了正电子和反物质;
    ……




这些简洁的美在各自的范畴内用“一”解释着复杂,但是,一切真的可以是一吗?

从爱因斯坦开始,物理学家一直在寻找统一相对论和量子力学、从而可以解释一切的大统一理论,这是自然而然的想法:统御最宏观尺度的引力,规范最微观尺度的量子力学,为什么看上去如此不相容?这难道不是不可思议吗?宇宙会因为仅仅尺度的不同就制定两套法则运转吗?

于是,现代科学在最前沿的领域又回归到追求“一切是一”这个最古老的哲学上。



也许会有一种万物理论,让我们知道“我是谁”、“我从哪里来”,还能让我们知道“我向何处去”,或者说,让知道自己的命运。但我们能找到吗?我们知道在哪里去找吗?甚至,我们知道要找的“大统一理论”是什么吗?

柏拉图回忆录之《美诺篇》中有一段对话。

美诺问苏格拉底:“你到哪条路上寻找对其本性你一无所知的事物?在未知的领域中,你拿什么作为研究对象?即使碰巧遇上了你探求的东西,你又怎样知道这就是你所不知道的东西?”

也就是说,我们不能研究已知东西,因为我们已经知道了;也不能研究未知的东西,因为我们不知道研究的是什么。

这个美诺悖论影响着哲学,也影响着科学,因为“我从何处来?要向何处去?”的答案是完全未知的。比如“我命由我不由天”,也就是我自己决定我的命运。然而,我的命运是什么?如果我事先不知道我的命运是怎样,我又怎么确定我的一切选择不是注定的?

不朽剧作《俄狄浦斯王》的故事是:忒拜城国王因为娶了表妹为妻受到神的诅咒,阿波罗预言他们的儿子将会杀父娶母。国王为避免预言应验,要求一个牧羊人把婴儿秘密处死。牧羊人不忍下杀手,把婴儿转交给他人。后来婴儿被科林斯国王收养,长大之后他知道自己并非国王亲生,便去德尔菲神庙请求神谕。阿波罗没有明说,只是警告他不可返回祖国,否则将杀父娶母。



俄狄浦斯自然认为自己的祖国是科林斯,于是离开科林斯前往忒拜城。途中他和一位老人(他的生父)发生冲突并将其杀死。忒拜城此时处于危机中,贴出告示说谁能破解斯芬克斯的谜语,谁就是新国王。俄狄浦斯成功破解谜语当上国王,娶王后(他的生母)为妻并生下两男两女。此后忒拜城瘟疫肆虐,神谕说必须找出杀害老国王的凶手,否则永无宁日。俄狄浦斯得知真相,刺瞎双眼并放逐自己。

这个有关命运的故事还指向哲学的一个基本问题——自由意志是否存在?

谈论自由意志和“神”绝不是西方的专利。

在中国,殷墟里的甲骨文显现了最早的端倪。古人认为神中地位最高的太帝居住在昆仑山的最高层,那么如何知道神的意志呢?

商代时,上到王,下到黎民,所有人都喜欢占卜,方法是用龟壳或者野兽的肩胛骨或胫骨,用利器在其上凿椭圆形和圆形的孔洞,孔的周围形成纵横交错的裂纹,曰“兆”,天帝在不同的“兆”上显示不同的意见,人们以此来确定吉凶祸福,指导自己的行为;西周时人们还发明了筮法,取蓍草四十九条,经过排列变化成六十四卦中的一卦,再从卦中确定六爻中的一爻,从中看出吉凶。

可以这样解读:那时的人们确信无法知道自己的命运,同样无法确知如何避免灾祸,所以只有通过占卜沟通神意,趋吉避凶。



如果说科学在终极层面上和哲学一样在努力回答“我从何处来?要向何处去?”,那么在探索完全未知的领域时,美诺悖论同样是避不开的麻烦事。

若像刘慈欣《朝闻道》中描述的那样,我们有机会向“神”询问科学的终极问题,不妨让我们这样问?——

终极发问可以是这样:
自然规律为什么这样精密、无误、放之宇宙四海而皆准?谁设计了这样一套规律?为什么是这样的规律?它从“大爆炸”之后就一直如此吗?“大爆炸”之前是什么?宇宙寂灭后又是什么?

物理学的发问可以是这样:
客观实在的世界存在吗?上帝究竟是否掷骰子?哥本哈根解释中那个让概率变成确定,让你我、让地球、让宇宙、让一切成为可能的“观察”究竟如何定义?是一次观看,一次仪器的测量、还是什么?难道只有人可以做“观察”?还是只有有意识的生命才能“观察”?什么是意识?什么是生命?在一切观察出现之前宇宙如何演化?当未来观察消失宇宙又将走向何方?

生物学的发问可以是这样:
为什么地球生命是现在这样?为什么从细菌到复杂生命的飞跃40亿年间只发生了一次?如果生命就是遗传信息,突变之后谁留下、谁被淘汰全凭天定,生存环境变化的结果无法预知,我们的出现是否只是一系列偶然事件累积的结果?生命在另一个星球上演化会完全不同吗?生命演化是否存在不变的规律,决定着我们一定会变成今天这样?



本质上,生物生存的方式都是相同的:活细胞通过质子(氢离子)回流来提供能量,名曰“质子泵”,就如同水电站把储存在高处的水的重力势能转换成电能。

这当然说明生物学规律建立在物理学规律的基础之上,然而奇怪的是,从现在的认知来看,生物学规律又远不如物理规律那样严谨和普适。

比如说,所有细胞中都存在的核糖体是合成蛋白质的纳米级超级机器,它捕获细胞质中的游离氨基酸,通过信使RNA的每个字母来指导制造顺序。但即使这样一台精密机器,也存在平均10000个字母出错一次的概率,每一次意外错误的累积、外界环境和不可预知事件,都可能改变地球生命的发展轨迹,稍微有一些偏差,也许就不会有我们。

一个广为流传的思考是:如果把地球45亿年的历史浓缩成24小时,单细胞真核生物出现在9个小时之前,而人类刚刚诞生20秒,华夏文明的出现不过是0.09秒之前的事情。

是的,我们简直渺小到不值一提,却试图用科学理解此前和此后的一切,这是科学的艰辛,也是科学的伟大。然而,我们的每一个细胞都是宇宙演化的奇迹,铭刻着宇宙无穷轮回的印记。无论向内观照自身,还是向外体察世界,你我都与科学呼吸相闻。

这就是科学的伟大和平凡,它毫不神秘,因为它就是我们。

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