科學(xué)與人類知識(shí)
－－－－“ 也許將來(lái)某一天，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這些科學(xué)理論的荒謬 ”
講演者：夏佩爾： 美國(guó)科學(xué)院院士 美國(guó)哈fo大學(xué)原教授
地 點(diǎn)：華中理工大學(xué)
我想談?wù)?0世紀(jì)自然科學(xué)領(lǐng)域里的重大成就。這些最偉大的科學(xué)成就回答了我們無(wú)數(shù)的疑問(wèn)，以至于我們可以得到有關(guān)整個(gè)宇宙、地球以及人體的所有疑問(wèn)的大致解釋。這些科學(xué)成就體現(xiàn)于以下四個(gè)領(lǐng)域。
第一，地質(zhì)學(xué)。本世紀(jì)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(xué)說(shuō)。該理論認(rèn)為，我們所生活的地球由七個(gè)大陸板塊組成，這七個(gè)板塊最初連接為一體，由于地球運(yùn)動(dòng)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(guò)無(wú)數(shù)年漂移，終于達(dá)到它們現(xiàn)在所在的位置。
第二，生物學(xué)。在本世紀(jì)，生物學(xué)中有了對(duì)DNA的重大發(fā)現(xiàn)。上個(gè)世紀(jì)人們就認(rèn)為，生物一代代延續(xù)而又保持性狀的相對(duì)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(jì)生物學(xué)與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，使科學(xué)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(fù)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(fù)制其自身，這種分子結(jié)構(gòu)的復(fù)制，使得遺傳成為可能。對(duì)于人來(lái)說(shuō)，父母的
DNA的分子復(fù)制將父母的特征遺傳給下一代。對(duì)此觀點(diǎn)也曾有過(guò)許多反對(duì)意見。在本世紀(jì)初，許多人相信，關(guān)于人的許多東西是不能用經(jīng)學(xué)或科學(xué)來(lái)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(xué)或科學(xué)來(lái)解釋。
第三，天文學(xué)。本世紀(jì)中有三個(gè)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(gè)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(gè)理論的有些細(xì)節(jié)還需要完善，但我們已知道，它可以說(shuō)明很多恒星的演化過(guò)程。在恒星產(chǎn)生之初，存在著許多巨大的氣團(tuán)，由于受到了引力和許多外力的作用，這些氣團(tuán)開始坍縮，這就是恒星形成的方式。
（二)關(guān)于化學(xué)元素的起源。當(dāng)恒星接近衰竭時(shí)，釋放出許多能量并發(fā)出光芒。問(wèn)題是，恒星是怎樣發(fā)光的，是什么使它發(fā)光的。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)也是恒星演化理論的一部分。原來(lái)，在太陽(yáng)的中心深處所產(chǎn)生的核反應(yīng)使一種化學(xué)元素變?yōu)榱硪环N化學(xué)元素。宇宙剛產(chǎn)生時(shí)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(jiǎn)單的反應(yīng)是將氫變成氦。在實(shí)際的反應(yīng)過(guò)程中，氫原子比氦原子要多出一些東西。在核反應(yīng)中，四個(gè)氫原子聚合為一個(gè)氦原子，但是四個(gè)氫原子的質(zhì)量要大于一個(gè)氦原子的質(zhì)量。這說(shuō)明當(dāng)一個(gè)氦原子形成時(shí)，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(yáng)小的恒星比太陽(yáng)發(fā)光的時(shí)間長(zhǎng)得多，但沒(méi)有太陽(yáng)放出的熱量多，還有比太陽(yáng)大得多的恒星，比太陽(yáng)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?yàn)樯漠a(chǎn)生需要很恒定的溫度，而這種恒星發(fā)光時(shí)間比產(chǎn)生生命所需的時(shí)間少。太陽(yáng)要用完所用的氫，需要40億年的時(shí)間，那時(shí)太陽(yáng)的核心溫度變得比現(xiàn)在高得多，又會(huì)產(chǎn)生新的核反應(yīng)，氦就變成太陽(yáng)繼續(xù)發(fā)光的燃料，這樣，在核反應(yīng)過(guò)程中，氦就變?yōu)檠�、碳之類的重元素。這些元素對(duì)于生命是非常重要的，除了碳、氧以外，以氦作為核反應(yīng)的燃料還會(huì)產(chǎn)生其他一些元素。在其他比太陽(yáng)大的恒星中，核反應(yīng)會(huì)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(huì)爆炸，在爆炸中恒星會(huì)變得非常大，我們稱之為超新星。在爆炸過(guò)程中，恒星又會(huì)產(chǎn)生新的元素�，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道，幾乎所有的化學(xué)元素是怎樣在恒星的演化過(guò)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(shí)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(xué)元素的過(guò)程。從恒星或行星里釋放出的化學(xué)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(guān)于天文學(xué)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(guò)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(xué)領(lǐng)域，宇宙學(xué)即把宇宙作為一個(gè)整體來(lái)研究。在20年代就產(chǎn)生了這樣一種宇宙學(xué)理論，認(rèn)為宇宙從一開始就在膨脹著。但是在20世紀(jì)下半葉之前，這種理論的證據(jù)還相當(dāng)少，因此很多人甚至認(rèn)為宇宙學(xué)不能成為一門科學(xué)。到1950年，新的證據(jù)表明宇宙正在膨脹，表明宇宙有個(gè)開端。這個(gè)理論叫做大爆炸理論。使這一理論變得很確實(shí)的證據(jù)出現(xiàn)在1964年，在該年發(fā)現(xiàn)有一種穿過(guò)宇宙、彌散在整個(gè)宇宙的放射線，其絕對(duì)溫度為3K。經(jīng)過(guò)努力探究，確認(rèn)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(lái)自于大爆炸。
在宇宙大爆炸的初期，發(fā)生著許多核反應(yīng)，其過(guò)程即把氫變?yōu)楹ぃ押ぷ優(yōu)樘�，這種核反應(yīng)過(guò)程與弱相互作用、電磁力、強(qiáng)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(méi)有27次方的表達(dá)模式，故而借用了2和3次方，特此說(shuō)明)的高溫下，這三種力實(shí)際上是一種力，這是近幾十年來(lái)在物理學(xué)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(shí)、何地會(huì)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(lái)了。這兩種理論結(jié)合使我們能夠?qū)τ钪娲蟊ǖ倪^(guò)程做出準(zhǔn)確的計(jì)算。這種新的大爆炸理論說(shuō)明，當(dāng)宇宙大爆炸時(shí)，宇宙膨脹，溫度變得越來(lái)越低，強(qiáng)相互作用力與其他力分離開來(lái)，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(lái)。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(gè)理論能夠計(jì)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(jì)算出產(chǎn)生了多少氦，根據(jù)對(duì)現(xiàn)在宇宙中這些元素的含量及其他條件做出的計(jì)算，與現(xiàn)在宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)所作出的計(jì)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?cè)谟钪娲蟊ㄖ挟a(chǎn)生，此時(shí)其他元素還未形成。如果這個(gè)理論是對(duì)的，那么可以說(shuō)萬(wàn)有引力在宇宙最開始時(shí)與其他三種力也是結(jié)合在一起的。盡管我們現(xiàn)在還沒(méi)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(huì)得到關(guān)于宇宙歷史的基本圖像。
大爆炸理論不是說(shuō)開始就有一團(tuán)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(shuō)大爆炸就是創(chuàng)造物質(zhì)、創(chuàng)造各種力的過(guò)程，也是創(chuàng)造時(shí)空的過(guò)程。在宇宙的膨脹過(guò)程中，氫、氦元素形成我們現(xiàn)在所說(shuō)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(tuán)，這種含有更多元素的氣團(tuán)坍塌時(shí)，就可能形成巖石。在某些恒星上產(chǎn)生的化學(xué)過(guò)程可能形成一些分子，這分子具有自我復(fù)制的能力，它們的產(chǎn)生就導(dǎo)致生命的起源。這個(gè)關(guān)于宇宙歷史的理論是這么的完善，以致于我們可以計(jì)算或預(yù)言宇宙將來(lái)的發(fā)展情況。在這個(gè)大的宇宙圖畫中也有漏洞。第一個(gè)重大問(wèn)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(tuán)先產(chǎn)生呢？在宇宙的早期，是否有時(shí)間產(chǎn)生一些如箱子般包容星系、星系團(tuán)的大的結(jié)構(gòu)呢？第二個(gè)問(wèn)題，即關(guān)于生命的起源問(wèn)題。那種具有自我復(fù)制能力分子是通過(guò)怎樣的過(guò)程由以前的物質(zhì)分子產(chǎn)生的？盡管在這個(gè)大理論中存在許多問(wèn)題，但我們還是看到事情正在逐漸聯(lián)結(jié)為整體。在科學(xué)中沒(méi)有什么東西是絕對(duì)確實(shí)無(wú)誤的，或許將來(lái)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(duì)其中一些內(nèi)容作出修改，但是這個(gè)理論可能有錯(cuò)誤，絕對(duì)不能成為可以忽視這個(gè)理論的理由。我們不僅僅要滿足于了解一個(gè)時(shí)代的科學(xué)所取得的成就，這固然是重要的，還要了解為什么這些科學(xué)所取得的成就是重要的。
下面，我提出關(guān)于科學(xué)的幾個(gè)問(wèn)題：
一、在這個(gè)時(shí)代，科學(xué)幾乎將所有的事情統(tǒng)一起來(lái)了�？茖W(xué)家們甚至想建立一個(gè)關(guān)于宇宙全部圖景的學(xué)說(shuō)。那么，這樣一個(gè)宇宙圖景給我們提供的是一個(gè)關(guān)于宇宙實(shí)際狀況的理論呢，還是又一種神話、傳說(shuō)？現(xiàn)在許多哲學(xué)家說(shuō)，科學(xué)不過(guò)就是關(guān)于神仙的故事罷了。那么，必須提醒的是，科學(xué)這種“神話”與普通神話有重大的差別，科學(xué)所具有的三個(gè)特征是普通神話沒(méi)有的。第一，科學(xué)特別注意它所討論的對(duì)象的細(xì)節(jié)，成千上萬(wàn)的科學(xué)家對(duì)化學(xué)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(huì)付出這么大的代價(jià)，作出這么大的努力的。第二，科學(xué)力圖說(shuō)明所有的一切細(xì)節(jié)，而神話在說(shuō)明關(guān)于世界的某個(gè)細(xì)節(jié)時(shí)，是不會(huì)顧及到其他細(xì)節(jié)的。第三，科學(xué)知道如何判斷它所提出的理論，知道如何改變。我們的觀點(diǎn)，修正某些東西的謬誤，而普通神話是不會(huì)這樣做的。
二、科學(xué)是有趣的，問(wèn)題是除了滿足好奇心之外，科學(xué)理論對(duì)我們有什么重要意義呢？第一，科學(xué)能夠給我們超出信仰之外的力量，能給予我們對(duì)我們所面臨的環(huán)境的控制能力，使我們力求避免對(duì)我們不利的事情。第二，科學(xué)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(gè)問(wèn)題，即人們是如何得到現(xiàn)在科學(xué)所描述的圖畫的？對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答，可以幫助我們理解科學(xué)對(duì)人們的重要性。我們的注意力總是在日常生活中，就進(jìn)化講，這樣產(chǎn)生的就是一個(gè)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(xué)成就，以至遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開了日常生活的需要？答案就在于進(jìn)行過(guò)程中。比如說(shuō)，第一，人類在考慮他和其他動(dòng)物共同面對(duì)的環(huán)境外，還可以考慮除生存外對(duì)人會(huì)有幫助的可能性，可以考慮其周圍的廣闊的世界。第二，語(yǔ)言不僅增加了我們生存的能力，而且可以用來(lái)交流思想。彼此間進(jìn)行批評(píng)，促進(jìn)共同發(fā)展。此外，人們還取得了一種能力，即能夠用數(shù)學(xué)歸納某些觀念，這些觀念超出我們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)。
三、關(guān)于量子場(chǎng)的問(wèn)題。按人們的傳統(tǒng)思想，物體的每一個(gè)性質(zhì)特征有且僅有一個(gè)數(shù)值，但量子場(chǎng)論反對(duì)這種說(shuō)法。按照其理論在各個(gè)點(diǎn)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(chǎng)內(nèi)，所有這些可能性在每一個(gè)點(diǎn)上同時(shí)存在，即使這些點(diǎn)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(shuō)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(chǎng)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(huì)消亡。宇宙的質(zhì)量相當(dāng)大，由于引力的作用，它會(huì)逐漸縮小，以至于消亡。現(xiàn)在還沒(méi)有證據(jù)說(shuō)明宇宙會(huì)按這種方式發(fā)展。另外一個(gè)可能性是宇宙會(huì)繼續(xù)膨脹。物理學(xué)家會(huì)說(shuō)，在遙遠(yuǎn)的將來(lái)，所有的恒星都會(huì)衰亡、變成黑洞或燃燒過(guò)的灰燼，所有的生命都會(huì)死亡，這些黑洞與宇宙的灰燼會(huì)繼續(xù)衰亡以至消失，構(gòu)成這些物質(zhì)的原子也會(huì)消亡。到那時(shí)，宇宙剩余的東西就是電子、質(zhì)子、各種射線。
問(wèn)題是，這一切可能并不是對(duì)的，這一切都可能會(huì)被否證。科學(xué)中沒(méi)有任何東西是絕對(duì)正確的，將來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的懷疑。在哲學(xué)史上，哲學(xué)家提出許多理由對(duì)知識(shí)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(diǎn)。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(xué)的原則，我們應(yīng)該在兩種命題中作出選擇，像笛卡爾和其他哲學(xué)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(wèn)題或表達(dá)問(wèn)題的方式。懷疑科學(xué)沒(méi)有確實(shí)地證明它所提出的一切，這種懷疑是沒(méi)有意義的。具體的科學(xué)中的懷疑應(yīng)該是具體的。有根據(jù)的準(zhǔn)確表述，使科學(xué)家能作出選擇，因此不能說(shuō)科學(xué)是不可信的。也許將來(lái)某一天，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這些科學(xué)理論的荒謬，但在證據(jù)提出來(lái)之前，我們沒(méi)有理由懷疑它們。
