從生命的機理到宇宙的命運,，有什么是科學(xué)不能解釋的？

你恐怕不能指望英國的皇家天文學(xué)家（英國授予皇家格林尼治天文臺臺長的頭銜——譯者注）講太多黑猩猩在想什么,，不過這正是馬林?里斯(Marin Rees)鐘意的課題之一,。里斯認為，我們可以從黑猩猩對世界的了解——或者不了解中,，學(xué)到一些東西，里斯說,，“黑猩猩無法理解量子力學(xué)”,。

這聽起來是很理所當(dāng)然的，畢竟就像理查德?費曼的那句名言說的,，沒有人懂量子力學(xué),。不過重點在于，黑猩猩甚至不知道它們不知道什么,?！昂谛尚刹]有試著去理解量子力學(xué)”，里斯說道,，“而是根本沒有意識到量子力學(xué)的存在,。”困擾里斯的問題是,，是否宇宙也存在許多像這樣被人類遺忘了的層面,？“沒有理由相信，我們的大腦可以理解現(xiàn)實的每一層面,?！?/p>

在我們生活的時代，科學(xué)取得了巨大的成功,。我們已經(jīng)繪制出物理世界從夸克到銀河星團,、生物世界從細胞的分子結(jié)構(gòu)到生物圈的宏大圖景。這中間當(dāng)然還有空白地帶，但很多空白都正在被填補,?？茖W(xué)的努力取得了豐碩的成果，特別是考慮到我們的大腦是經(jīng)過進化來適應(yīng)在非洲大草原上生存的,，而本不是用來思考生命,、宇宙及萬物的。說了這么多,，在我們求知的道路上,，是否有什么艱難險阻呢？

答案是肯定的：科學(xué)是有界限的,。由于物理世界的基本限制,，有些事物是我們肯定永遠無法了解的。受制于我們大腦的運行方式,，有些問題是永遠都無法解決的,。這和里斯對黑猩猩與量子力學(xué)的觀察是一樣的——有些概念會永遠在我們的眼界之外。

不過,，能認識到知識的界限本身可以說就是件值得慶幸的事,，這些界限圈畫出了我們探索的沃土；科學(xué)工作者們正學(xué)習(xí)如何創(chuàng)造性地將障礙轉(zhuǎn)化為機遇,。我們可能無法什么都知道,，但發(fā)現(xiàn)我們無法了解什么往往會讓我們知道得更多。

知識最基本的限制或許就是宇宙視界了,，我們永遠看不到宇宙視界之外的情形,。這源于一個牢不可破的自然法則：沒有任何物體的速度可以超越光速。1929年,，埃德溫?哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹,，一切都在遠離我們而去，而且在宇宙最遠處膨脹速度最快,，任何460億光年(4?1023千米)外的物體的退行速度都超過了光速,。（盡管沒有任何物體能在空間中超越光速，但宇宙的時空結(jié)構(gòu)本身可以超越光速,。）

一旦一個物體劃過宇宙視界,，它發(fā)出的光線就永遠無法達到地球——其他的信息也是如此。我們僅有的數(shù)據(jù)是在宇宙終結(jié)前還來得及到達地球的信息,，而剩下的部分——可能是無窮多的——則永遠丟失了,。

宇宙視界之外是什么？我們不知道,，不過一般假設(shè)宇宙無法觀測的部分和可以觀測的部分基本相同,。但是這一假設(shè)最近受到了挑戰(zhàn),，天文觀測發(fā)現(xiàn)，超過1000個遙遠的星系團在涌向天空中的同一點(New Scientist, 23 January 2009, p 50),。這一“暗流”說明宇宙視界之外可能存在一個超級巨無霸,，和我們已經(jīng)觀測到的任何天體都不同。

今日之未知

光速所施加的限制導(dǎo)致我們永遠無法獲悉這種巨無霸結(jié)構(gòu)是否存在,，不過這朵烏云還是帶著一線曙光,，發(fā)現(xiàn)光速有限為愛因斯坦的理論鋪平了道路，他認為宇宙萬物都要受到這個速度的限制——這一想法最終形成了狹義相對論,，隨之徹底顛覆了物理學(xué),。

知識的另一個基本限制是量子力學(xué)的一個特點，即海森堡不確定性原理,。這是由于我們發(fā)現(xiàn)自然界的特定事物,，比如能量，被包裹在了基本的,、不可見的單元內(nèi),，稱為量子。20世紀20年代,，維爾納?海森堡發(fā)現(xiàn),，量子物體，比如電子,，它的可測量屬性沒有一個確定值,，而是許多對應(yīng)一定概率的數(shù)值。確定一個值需要大量的單獨測量,，但這樣做就會干擾到對另外一個屬性。最為人熟知的推論就是,，我們永遠無法同時測量一個粒子的精確位置與動量,。

盡管海森堡是從量子理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中發(fā)掘出這一原理的，但是這一原理也具有物理學(xué)上的解釋,。讓一個光子撞擊一個粒子,，被粒子反彈以后就能獲取其位置，然而這次撞擊會改變粒子的動量,，于是位置與動量的同時精確測量就不可能實現(xiàn)了,。

這從理論上為我們的知識設(shè)置了一個障礙，但不確定性原理的發(fā)現(xiàn)在其他方面引發(fā)了眾多突破,?！按挚雌饋恚淮_定性應(yīng)該是‘壞’的,，因為它限制了我們本來希望了解的東西”,，新加坡國立大學(xué)量子技術(shù)中心的斯蒂芬妮?維納(Stephanie Wehner)說,，“但是，這一原理實際上并不是路障,，而更像是個臺階,，它提供了探索量子世界的工具?！?/p>

對你我而言至關(guān)重要的是,，如果沒有不確定性原理，我們都不會存在：它為整個宇宙如何產(chǎn)生提供了解釋,。這是因為不確定性粉碎了任何物質(zhì)能量都精確為零的觀念,，所以宇宙才能在能量狀態(tài)偶然偏離零的時候自發(fā)產(chǎn)生。海森堡指出,，時間測量的不確定性打破了因果論的慣常觀念——這會讓宇宙是“無中生有”的概念更容易接受一些,。

類似的推理使得史蒂芬?霍金提出，黑洞會一定以形式向外輻射——而且我們有充分的證據(jù)證明確實如此,。產(chǎn)生霍金輻射的原因是,，真空中積累了不確定性原理預(yù)言的能量。真空的能量漲落會轉(zhuǎn)化為一對短暫存在的粒子——一個是物質(zhì),，另一個是反物質(zhì)——它們通常都會在產(chǎn)生之后很快湮滅,。然而在黑洞視界附近，會有一個粒子跑出來而另一個被黑洞吞噬,，這些粒子帶走的能量會造成黑洞能量的逐漸流失,，最終會導(dǎo)致黑洞完全蒸發(fā)。用激光照射玻璃可以模擬黑洞的這一現(xiàn)象(New Scientist, 2 October 2010, p 10),，為宇宙來自 “無中生有”的觀點提供了論據(jù),。

與此相似，數(shù)學(xué)上的一個基本限制也為研究輸送了豐富的養(yǎng)料,。1931年,，庫爾特?哥德爾(Kurt G?del)用公式表述了他的不完備定理，這一定理表明特定的數(shù)學(xué)系統(tǒng)不能證明其自身,。比如算術(shù),，是建立在公理（本質(zhì)上只是假設(shè)）的基礎(chǔ)之上，而這些公理不能用算術(shù)本身證明,。這使得算術(shù)理論的大廈與“這句話是偽命題”在數(shù)學(xué)上等價,，數(shù)學(xué)的其他分支也面臨著相似的問題。

哥德爾的發(fā)現(xiàn),，對于為描述現(xiàn)實世界建立無懈可擊的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)這一夢想而言是一個沉重的打擊——而這或許也為物理學(xué)家們在多大程度上可以信任他們自己創(chuàng)造的理論設(shè)置了界限,。不過，這個界限同樣也成了新想法的來源,。

以英國數(shù)學(xué)家阿蘭?圖靈為例,，他利用哥德爾的理論揭示了計算機的一個基本特性：對任何程序來說,，都無法設(shè)計一個方法預(yù)測該程序會不會完成任務(wù)并停機，有時你只能運行程序并等待,。這一“停機問題”看起來有些晦澀,，但確實在數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)中扮演著主要角色，停機問題在純數(shù)學(xué)中演變?yōu)楹芏嘞嗤膯栴},，比如判斷“丟番圖方程”,，一種只有整數(shù)的代數(shù)表達式，是否有解,?！八芨嬖V你什么時候不要去嘗試那些不可能的?！蔽挥诩~約州約克鎮(zhèn)高地IBM沃生研究中心的數(shù)學(xué)家格雷戈里?蔡廷(Gregory Chaitin)如此說道,。

就如同永動機的不可能實現(xiàn)導(dǎo)致了熱力學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)與計算的界限告訴了我們數(shù)學(xué)世界的基本規(guī)則是如何運行的,?！拔以虿煌陚涠ɡ砀械奖^，不過現(xiàn)在不了”,，蔡廷說,，“你可以說，‘哦天,，這有堵墻’,，但是你也可以說，‘看,，墻上有道門’,。”

蔡廷目前將不完全性定理應(yīng)用于進化論上——他稱之為“超生物學(xué)(metabiology)”,。這個主意是從他對圖靈的工作的思考中得來的,。停機問題讓蔡廷設(shè)立了一個數(shù)字Ω，這個數(shù)字以0和1組成的字符串形式定義了一個隨機選擇的程序的停機概率,。Ω的長度無限,，并且具有不可約化的復(fù)雜度,，蔡廷將其描述為數(shù)學(xué)的DNA,，而現(xiàn)在他正在將Ω用于檢驗真正的DNA。

如果你把DNA看作是建造與運行生物組織的程序,，那么你會發(fā)現(xiàn)DNA信息運行的數(shù)學(xué)原理,。這表明進化與Ω是類似的：無窮復(fù)雜，因而有無窮的創(chuàng)造性,，“可以認為,，哥德爾與圖靈的理論打開了一扇純數(shù)學(xué)通向生物學(xué)的大門,。”蔡廷說,。

說到生物學(xué),，根據(jù)芝加哥大學(xué)的進化生物學(xué)家杰里?科因(Jerry Coyne)的說法，則只有一個確定的界限,。生命的起源永遠在我們的視野之外——即生物學(xué)的宇宙視界,。這是因為參與起源的分子沒有形成化石，即使我們能在實驗室中創(chuàng)造“第二次生命起源”,，也無法確切知道38億年以前究竟發(fā)生過什么,。科因說,，“生命的發(fā)生有太多種情景,，涉及的分子都沒有形成化石，這是很明顯的界限”,。

生物學(xué)另外一個領(lǐng)域存在于科學(xué)的界限之外的就是意識,，英國公開大學(xué)物理學(xué)名譽教授，《發(fā)現(xiàn)的終結(jié)》(The End of Discovery)的作者拉塞爾?斯坦納德(Russell Stannard)如是說,，幾十年間沒有任何實質(zhì)性進展,，這可能意味著意識超脫于我們之上，他總結(jié)道,，“意識是我們傾盡全力也無法作出完美的描述的,。”

位于馬薩諸塞州梅德福的塔夫斯大學(xué)的哲學(xué)家丹尼爾?丹尼特(Daniel Dennett)則并不認同這種觀點,，“科學(xué)是有一些界限,，但意識并不在這個界限之外，”他說,，“我不認為有理由相信大腦無法理解它本身的運作方式,。”丹尼特認為有大量的進展,，“我無法跟上這些進展”,，他說，很難確認,，但懷疑論者是從錯誤的角度在看待這一問題,。大腦很復(fù)雜,，擁有數(shù)以億計的細胞和數(shù)以億億億（10的24次方——譯者注）計的突觸連接,，但并不意味著我們無法弄清其中在發(fā)生什么,。

丹尼特也指出，盡管大腦是復(fù)雜的,，但是我們完全有能力提高它的能力以理解它自身,。過去我們用談話,，書籍和信件、現(xiàn)在使用計算機來存儲,、訪問及處理海量信息,。我們同樣在共享數(shù)據(jù)上取得了極大成功，由此可以將無數(shù)頭腦聯(lián)系起來解決最為困難的問題,。我們就是這樣理解并預(yù)測星體和電子的運動,，沒有理由認為意識不能用相同的方式來了解，丹尼特說,。

科學(xué)與技術(shù)不僅使我們能提高大腦的功能和思維的能力,，這樣可以看得更遠，同時打開了一扇大門,，通向永遠無法直接體驗的世界,。關(guān)于宇宙早期歷史的信息已經(jīng)丟失，這是因為10萬年之后光才和物質(zhì)退耦,，并將當(dāng)時的信息充滿整個宇宙,。但這并不能阻止我們拼湊出之前的具體情形。

不要低估科學(xué)

創(chuàng)新思考與小心求證相結(jié)合已被證明是極為有效的研究手段,。我們永遠無法確定大爆炸理論是否正確,，但我們有很多理由認為它是對的。例如宇宙中氫,、氦,、鋰元素的含量精確符合大爆炸理論的預(yù)測。

我們同樣可以用經(jīng)過完備檢驗的理論看到我們無法直接感知的內(nèi)容,，比如我們從未能在黑洞中進行實驗,，也許以后也永遠不能，但是我們還是有信心相信我們知道黑洞中發(fā)生著什么,，“愛因斯坦關(guān)于引力的理論已經(jīng)過數(shù)種方式的檢驗,，因此我們認真對待這一理論所描述的黑洞之內(nèi)的情形?！崩锼拐f,。

也許最廣大的領(lǐng)域在于“萬有理論”的尋找，最有希望的是弦理論,。弦理論認為自然界基本的力與粒子都是由極微小的能量束振動產(chǎn)生的,。不幸的是，弦理論存在的前提是空間中存在額外的維度,，而弦理論學(xué)家們稱這些維度是“緊化的”——卷曲得太小以至于我們無法與之產(chǎn)生相互作用,。

盡管我們無法接觸這些維度,，但是我們已經(jīng)有了它們存在的間接證據(jù),。例如1999年,，哈佛大學(xué)的莉薩?蘭德爾(Lisa Randall)與拉曼?桑壯(Raman Sundrum)解釋了萬有引力為何比其他基本力弱很多。他們計算了在五維宇宙中基本力的作用,，發(fā)現(xiàn)電磁力,、強相互作用力、弱相互作用力在所有維度中都是最大強度,，但引力牢牢綁在隱藏的第五維中,，只是有一小部分“泄露”到了我們生存的四維中，那么引力的孱弱是否是隱藏的高維度造成的呢,？

弦理論的證明還面臨著更大的障礙,，就算高維空間是存在的，獲得檢驗弦理論所需的能量仍是個問題,。如此小的探針需要極高的能量來運行——將探針修整得越小,，需要的能量就越高。這也就是為什么要探索自然物質(zhì)的更深層面就需要更為強大的粒子加速器,?！耙獧z驗弦理論，你需要一個銀河系大小的對撞機,?！彼固辜{德說，而建造這樣一部機器的可能性微乎其微,。

不過希望仍然存在,，很多描述高能物理的公式被證明和描述電子及其他在物體中環(huán)繞的粒子的公式是一樣的。這說明在實驗室桌面上對小小晶體所做的實驗就能幫助我們找到一些想要的答案,。

當(dāng)然仍有懷疑者,，一些人認為終極理論會復(fù)雜到人類無法理解，甚至復(fù)雜到人類無法發(fā)現(xiàn)它,。但牛津大學(xué)的數(shù)學(xué)家羅杰?彭羅斯(Roger Penrose)并不這么想,，“我不認為它有理由這么復(fù)雜?！?/p>

新罕布什爾州達特茅斯學(xué)院的哲學(xué)家兼物理學(xué)家馬塞洛?戈里瑟(Marcelo Gleiser)持相反觀點,，他聲稱萬有理論是建立在一個未證明的假設(shè)之上，即宇宙是內(nèi)在簡潔與對稱的,。但宇宙包含能量與物質(zhì)這樣一個事實本身就違反了對稱性,，他說，虛空比物質(zhì)存在更簡潔,，所以宇宙充滿物質(zhì)的事實本身就說明宇宙本質(zhì)上是雜亂的,。

不過最后可以達成共識的是，這值得投入精力進行研究。感謝不完備定理,，我們永遠無法確知萬有理論在數(shù)學(xué)上是否為真,，但這并不應(yīng)當(dāng)太過困擾我們。這就沒有困擾過哥德爾,，他認為直覺比正式的證明更重要,，同時代的數(shù)學(xué)家也這么認為，蔡廷說,，他們一直都在各自的學(xué)科中不斷丟出未經(jīng)證明的公理,。

100多年以前，沒有人對于量子世界的存在有哪怕一丁點概念,，但現(xiàn)在量子是我們對于宇宙理解的核心,。今天的未知在明天會成為重要理論，以后100年,，誰又知道我們將會知道些什么呢,？

不過里斯仍然很謹慎，我們可以夢想存在一個終極理論,，即使仍未看到科學(xué)的終極界限,，但是我們?nèi)砸浀媚切┖谛尚桑f,，“界限并不一定是我們試圖要解決的問題”,，他說，“真正的界限并不是萬有理論,，而恰恰是那些我們根本沒有意識到的問題,。”

邁克爾?布魯克斯(Michael Brooks) 是《新科學(xué)家》雜志的顧問,，《13件沒道理的事》(13 Things that Don't Make Sense (Profile, 2008))及《大問題：物理學(xué)》(The Big Questions: Physics (Quercus, 2010))的作者,。

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