科学的美丽与文化的古老 by 出山

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科学发展正在突飞猛进，它从方方面面改变着人们的物质生活，这是每一个生存在我们这个时代的人都能感觉到的。新鲜的东西不断出现，原有的东西不断被改进。无论是衣食住行还是休闲娱乐，我们都已经离不开高科技产品。就说对我们这些网虫，不要说别的，要是没有了互联网，我们可能就会郁闷死。但是, 如果我们对科学只停留在这层认知上，那么就是低估了科学的力量，因为科学不但改变着我们的日常生活，它更改变着我们的思想和观念，特别是对世界的看法，也就是不断改变着我们的世界观。

我们稍稍回顾一下历史就能知道今天的科学已经比以前任何一个世代都更加有力量，更加受人推崇，也能了解到科学是怎样的改变着人们的世界观。

在现代科学出现之前，统治人们思维的是各种文化包括哲学和宗教。哲学和宗教给人们描述一个世界的起源、发展和去向，并给人们提供一套应该遵循的道德准则。那时，科学是如此不发达，人们只能从哲学和宗教中才可获得这些知识。

早在公元前三百多年前，希腊哲学家亚里斯多德和其他的希腊哲学家都相信人类和周围的世界一直就存在，还将继续永远存在下去。在他们那里，地球上的人类文明从诞生、发展到毁灭都是周期性的，这个周期发展的根源是由自然界的周期性洪水或者其它周期性的灾难决定的。

到了公元后413年，基督教神学家圣奥古斯丁完成了他那不朽的名著《上帝之城》。在这本巨著里，圣奥古斯丁根据他对圣经的研究力证时间有个起点，空间有个起点，物质有起点，这些起点就是上帝创世的开始。

圣奥古斯丁的论点是那么地令人不可思议，以致在科学上从来没有人会认真考虑他的观点，因为人们的理性想象不出没有时间没有空间没有物质是个什么状态。即使在基督教神学界，圣奥古斯丁的观点受到的待遇也是一波三折。

起初由于圣奥古斯丁的论证严密，得到了基督教神学界的广泛接受。但到了大概13世纪的时候，教会的很多人受了古希腊传统哲学的影响，对奥古斯丁关于上帝同时创造了时间空间和物质的论点提出了严重挑战。庆幸的是，在后来的第四次拉特兰会议上(1215年)，支持圣奥古斯丁观点的神学家对亚里斯多德关于宇宙年龄无限的哲学进行了有力的反驳，认定宇宙包括时空物质有个起点，并以此作为基督教神学的一个信条。

然而，这个在现代物理学家看来是个极其伟大深刻的见解，当时一直没能在科学上有一席之地，甚至在科学上人们连想都未曾想到过。

1781年，哲学上再度掀起了对宇宙时间是否有开始，空间是否有开始的思索与批判。伟大的哲学家伊曼努尔•康德发表了他的里程碑名著《纯粹理性批判》。在书中康德深入地考察了宇宙时空有无开始的问题，最后得出的结论是：这个问题在逻辑上纯粹是个二律背反的矛盾体，没解。

到了1687年，科学史上最伟大的科学家之一的伊萨克•牛顿发表了他那科学史上最伟大的著作《数学的自然哲学原理》。在迦利略、开普勒，哥白尼关于天体运行的实验观察和理论的基础上，牛顿创立了一套描述宇宙运行的力学理论。在这一套理论框架内，宇宙也被认为是以稳态的模式有序地运转，年复一年，日复一日，循环往复，以至无穷。科学史上将这些伟大的基督徒科学家们的成就称为现代科学的革命。

牛顿力学理论告诉我们时间是无头无尾的，空间是无穷尽的，物质也是无穷尽的。时间和空间是均匀的，对每一个观察者都一样，而物质就在时间和空间组成的舞台上表演着一出丰富多采，波澜壮阔的大剧。也就是整个宇宙是永恒的，既不能被创生，也不能被消灭，唯有的就是时间的均匀流失，物质形态的变化(或者质量和能量之间的转化)。这倒是很符合我们日常的直观观察。

这样在牛顿力学面前，那些认为这个世界(宇宙)曾经被创造的宗教哲学，就显得荒谬和无知。除了那些忠实的信徒外，有科学知识的人都不会相信这个世界的时间，空间和物质曾经有个开端。象牛顿这样的伟大基督徒科学家也只有用宇宙的宏伟壮观及有序来说明上帝的存在，在他那里，上帝蹬了宇宙一脚，宇宙就永远这样运转了，即所谓的“第一推动力”。

然而，到了20世纪初，也就是六七十年前，物理学中出现了两个划时代的理论，一个是相对论力学，另一个是量子力学。这两个理论的出现震撼了科学界，以令人不可思议的方式改变了科学家对宇宙的看法，现正在走向普通大众的视野。

相对论力学基本是爱因斯坦一人完成的。这个理论给我们展现的是一个动态的宇宙，与牛顿力学展现的稳态或者静态宇宙有极大的不同。在相对论力学里，时间不再是均匀的流逝，而是随着观察者本身的运动速度而变化。同样随着观察者本身运动速度的不同，不同观察者所观察到的空间大小也不同。

为了形象地说明爱因斯坦关于时空变化的相对论，有一个经典的例子就是爱因斯的提出的“双生子效应”。这个效应说，假如地球上有一对年轻的孪生兄弟，其中一个以光速去外太空旅行，另外一个继续留在地球上。当去外太空旅游的兄弟在外太空转了一年后回到地球上时，地球上的兄弟已经过了几十年而变成了老头。这个假想实验并不是说外太空的环境好，使得旅行的兄弟保养的好不衰老，而是说真正的这两个兄弟经历的时间是不一样的。同样，他们所观察的宇宙空间大小也不一样。

虽然人们很难理解时间和空间会随不同的速度的观察者会变化，(据说当时只有两个半科学家能明白) ，但这个理论确实经过了高度精密的实验验证。而物质也不再是永恒的了，物质也是会变的，会被创生。在相对论力学里，时间，空间和物质再也不是相互独立的，而是互相纠缠在一起，可以互相转化。

这个理论对人们世界观的冲击是震撼性的，它为宗教哲学所认定的宇宙时空和物质能被创造打开了一个缺口。而后来基于实际观察数据所建立起来的宇宙理论物理模型(标准模型)则把这个缺口更扩大化了。根据这个标准模型的计算，宇宙时空物质有一个开始、有个发展过程、最后会死亡和终结。这样，好像科学慢慢走进了宗教哲学曾经描述的框架里。

具体地说，就是根据这个宇宙标准理论模型，宇宙在被创生的时候，时间从那时开始(0时间)，空间从那里开始(0空间)，物质从那里开始(0物质)。一切可能的物理定律都在接近那个时刻时全部失效。然后，宇宙从那个点开始急速膨胀、展开，最后形成我们现在这个丰富多彩的世界。这就是所谓的宇宙大爆炸理论。

这时，你肯定至少想问二个问题。一个是，0时间之“前”是什么状态？另一个是，宇宙在膨胀时，是在什么空间里进行？(你实际想问，正在胀大的宇宙“外边”是什么？在什么“里面”膨胀？)

当你问这些问题时，物理学家会说你的问题是伪问题，不合逻辑，不能问。因为0时间就是时间的开始，你就不能问0时间“前”了，那个状态是没有时间的状态。你也不能问宇宙在什么里面膨胀，因为除正膨胀的宇宙空间就没有外边了。

对我们的头脑来说，实在很难想象没有时空会是个什么状态，而膨胀的宇宙又没有“外边”，时空的变化就能产生出物质，而宇宙的大爆炸竟然爆出了我们这个宏伟壮观的，井井有条的，丰富多彩的世界，还有我们人类和精神意识。每次去想这些我都很绝望，不知大家怎么样。

这样的话，宇宙标准模型告诉我们宇宙有个开始，有个发展过程，最后又会死亡。这样，是否可以说科学上所显示给人们的世界观和宗教哲学吻合了呢？

不能那样说，只能说两者的距离拉近了。

这里，马上可能会有人要问了，在物理上宇宙标准模型也只是说明了宇宙有起始，有终结，这全是物理上的东西，好像跟精神或者意识没有一点关系。宗教哲学不是说由上帝或者什么精神意识创造了宇宙吗？这在物理上有没有一席之地呢？

我说有，你别奇怪。听我细说。

我们刚说了二十世纪两大震撼科学界的物理理论中的一个，就是相对论力学，还没说另外一个，它就是令人同样难以琢磨的量子力学。量子力学说起来很复杂，明白的科学家都不多。我们就说的简单一点，力求使得大家都能懂。

量子力学是在空间的量子尺度(大家知道那是一个非常非常小的尺度就行了)来研究物质的。在量子尺度下的物质粒子遵循测不准原理，是量子力学的基本要素。这个原理很简单，它说，对原子和亚原子来讲，其位置和速度你只能测量一个，也就是说在一给定时刻，如果你想知道一个粒子的位置，你可以准确测量它的位置，但你就不能测量它的速度，原则上都不行。而你如果想知道一个原子的速度，你可以准确测量该粒子的速度，但你不能同时测量它的位置，原则上都不能。

现在，你可能觉得这个原理有点怪，会想，为什么不能同时测量一个粒子的位置和速度呢？如果仅限于此，那还不严重。下面的推论就可能会让你惊讶了。

我们知道用物理学来定义一个物质的实在性时要同时知道物质的位置和动量(可以说速度)。也就是说，如果你不能同时知道物质的这两种特性，那么你说的物质就没有实在性，象幽灵一样。

用简单直观的语言来理解这个概念，我们可以举个例子。就说在你漂亮的饭桌上竖立着一个精美的高脚酒杯。你为什么能确定那个酒杯是个实实在在的东西在那儿呢？首先，你能看见它的位置是在桌子上，同时你知道它本身的速度(在这个例子中是零速度，静立在那儿)。这样，你就完全确定了这个实实在在的高脚杯。

如果情况变了，比如说你只知道高脚杯的位置在桌子上，但你不知道它的速度，也就是说你不知道它是静止的，还是运动的。这在什么情况下才是可能的呢？答案很简单，只有当这个高脚杯被隐蔽在空气的背后时，也就是穿上了哈利伯特的隐身衣。

另外的情况，比如说这时你不知道那个高脚杯在桌子上，只知道它的速度是静止的或者是运动的。在这种情况下，结果还是一样，同样是你看不见那个高脚杯，它还是穿上了哈利波特的隐身衣而隐藏在了空气的背后。

这岂不就是说你的高脚杯跟一个幽灵一样。假如你的高脚杯摸不着的话，那就是幽灵了。而实际上，量子力学描述的那些组成物质的微小粒子是模不着的，在测不准原理的制约下，它就是幽灵了。理论物理学家就把量子尺度下组成物质的粒子叫幽灵，这就是著名的“量子幽灵理论”。在这个理论下，组成实实在在物体的微小粒子不是物质实体，而是“幽灵”。并且，在这个幽灵的世界里，一个粒子可以同时出现在两个地方，我们常规的因果律也可以被打破，就是说有可能结果在先，而原因在后。

你肯定要问了，既然组成硬帮帮的可见物质在量子微观世界里是由琢磨不定的幽灵组成的，那么为什么我们在宏观世界里看到的是物质实体，而不是幽灵呢？量子力学对这个问题的回答是，微观世界的幽灵是在有精神意识的观察后才在宏观世界里显示出物质的实在性。

这时，我想你要跳脚了！

如果你觉得量子力学的论述简直不可思议，怎么可能硬帮帮的物质实体是由幽灵组成的，而精神或者意识的观察就能使得这些幽灵在宏观上成为物质实在？或者更进一步，你认为量子力学根本就是胡说八道。那我很能理解你的感受，不光我理解你的感受，伟大的物理学家爱因斯坦也很理解你的感受，就是那个发表相对论把时间空间搞得乱七八糟的天才头脑。

量子幽灵理论是与爱因斯坦差不多同样伟大的物理学家玻尔提出来的。上实际二十年代，玻尔刚提出量子理论的时候，就遭到了爱因斯坦的强烈反对，爱因斯坦提出了他那个著名的论断“上帝不掷骰子”，并试图设计精妙的科学实验来对抗反驳玻尔那不可琢磨的幽灵理论。

玻尔和爱因斯坦的对决和交锋相持了几十年，但没有结果。直到上世纪六十年代以后，一系列精密巧妙的物理实验被设计和完成，最后大量的实验证明了玻尔的量子幽灵理论是正确的，天才的爱因斯坦输了！

爱因斯坦输了，量子幽灵理论赢了，这真是石破天惊，为更深刻地研究和理解宇宙的运行机制提供了更有力的手段。

然而，更严峻的考验也摆在了量子幽灵理论的科学家面前。既然我们看到的宏观物理实在是在有精神和意识观察之后才从微观的幽灵状态呈现出了宏观的物质实在，那么一个不可回避的问题是：在宇宙创始初期，宇宙的宏观物理实在是怎么来的？那时有象我们人一样的精神和意识观察宇宙吗？

这个问题确实够颠覆的。因为物理学家如果回答那时没有精神意识观察宇宙，那幽灵怎么变成物理实在？如果物理学家回答一定要有精神或意识的观察后宇宙的物理实在才能显现，那人们一定问那个精神意识是什么。

在这里，显然给哲学宗教所倡导的精神意识或者上帝创造了宇宙打开了一扇大门。

但遗憾的是，科学和哲学宗教没能在这个交汇点上联起手来。那些不同意哲学宗教的物理学家们，便开始寻求另外的途径解决这一难题。他们开始寻求一种“因果逆动”的物理解释：就是说可能存在一种机制使得结果在前，原因在后，在这种机制下我们现在的宇宙中的生命意识以倒退的形式对一两百亿年前的宇宙进行观察，从而形成那时的宇宙物理实在，后来才有了我们现在的生命。

当然这种设想是个怪圈，怪就怪在宇宙创生并发展长大了一两百亿年后，才有了我们人类的生命和精神意识，我们却要现在的这个精神和意识对一两百亿年前的幽灵宇宙进行逆动观察，使得宇宙变为实体。这不是说是我们的精神成就了我们自己吗？不知道以后有多少证据支持这个看法。

实际上不光量子幽灵理论指向宇宙起初时就有精神意识存在，而且数学定律的高度抽象化，智慧化，和永恒性，也指向独立于我们物理宇宙的精神世界存在。我们看到的那么多完美的数学定律定理并不是从数学家的头脑里产生出来的，而是数学家们发现和证明的。那些数学定律早就存在了，也将永远存在下去，不管数学家们是否发现或者证明了它们。

最近的几十年的理论物理界又出现了更加玄妙的理论，叫做“超弦理论”。在这个理论框架下，我们的宇宙并不只是我们能看到的三维空间加一维时间，而是还要再多加六维空间。也就是说，超弦理论认为我们大概处于十维空间里。在超弦理论的基础上最近出现的更统一的理论“M理论”预言我们的宇宙时空是有十一个维度，比超弦理论多了一个维度。

好象这个超弦理论和M理论现在只是理论物理学家的头脑产物，还没有多少实验证明。不过也对，我们生存在时空的四维世界里，怎么去验证我们时空之外的另外七维空间呢？我看是相当地(宋丹丹语) 地困难！

科学理论对我们所处的物质世界的描述越来越精妙，越来越高深，越来越不可琢磨，越来越不可实证，越来越遭遇到理性所能达到的极限。然而这一切，都只是在非生命的物质层面上。当我们把生命世界这个比宇宙物质世界不知要复杂多少倍的问题摆在科学面前时，那个沉重感，几乎使人窒息。

这时人们不禁要问：最终科学能走到哪儿去？我们只能拭目以待。

我敢肯定有不少同学对本文描述的量子力学有很多疑问。没有关系。本同学曾经写过一个关于量子革命的长篇综述，以后会慢慢贴上来。