26.结束语

《起源：NASA天文学家的万物解答》26.结束语,页面无弹窗的全文阅读!

CONCLUDING REMARKS

我唯一的希望是在这颗行星上再活十次。如果这是可能的，我将在胚胎学、遗传学、物理学、天文学和地质学领域各自用去一生。我的其他生命将作为钢琴家、边远地区生活者、网球运动员和《国家地理》杂志（National Geographic）的写手度过。

——约瑟夫·默里

（JOSEPH MURRAY）

本书涉及物质世界内几乎一切事物的起源以及它们发展到今天状况的方式。通过“起源”这个词的本意，我们做出了含蓄的假定，即我们观察到的一切事物都有一个开始。换言之，没有什么事物是一直存在的。如果情况确实如此，那么它们是怎样出现的呢？它们在此之前的状况又是如何呢？本书试图用科学论据回答这些问题。然而，在寻找真理，探索知识前沿或者物质世界的未知时，我们必须一直用这样一个哲学问题提醒自己：是否存在着一个等待着我们的绝对真理？我们可以通过什么方法发现这一真理呢？由17世纪的哲学家莱布尼茨（Leibniz）发展的充分合理原理（principle of sufficient reason）称，对于任何存在的事物，都必定有其存在的原因，而对于任何真理，都必定有一个能让它成为真理而不是谬误的理由。这就是我们面临的挑战：找到事物存在以及它们为什么要以这种方式存在的原因。接下来的问题就是：人类是否有一天能够彻底了解物质世界？在《费曼物理学讲义》（Feynman Lectures on Physics）（第一卷）中，理查德·费曼（Richard Feynman）在他的优雅陈述中进一步提炼了这一点：“整个自然的每一段或者每一个部分，永远都只是完整的真理的一个近似，或者说我们迄今所知的完整真理的一个近似。事实上，我们知道的每一件事都只不过是某种近似，因为我们知道，我们现在还不知道一切规律。所以，我们学习过的东西必定又会变成未曾学习过的东西，或者更可能是需要修正的东西。”因此，我们的结论是：确实有我们需要发现的真理，但一经发现，它更为精准的形式仍然未知，求索仍在继续。

有两个最令人神往、同时也是最错综复杂的智力挑战，那就是宇宙起源和生命起源问题。它们是否能够从绝对的虚无中自发开始？本书的几章专门探讨了这两个问题。我们在研究生命起源方面具有较大的优势地位，因为我们可以进行有控制的测试和实验来索解其中的密码。研究宇宙的起源则更具猜测性，通过实验验证要艰难得多。我们知道，生命开始于生命，而不是自发地来自虚无。然而，我们现在还不知道生命如何真正开始的细节。有关宇宙的情况更富挑战性。我们没有必要的工具和技术去研究最早期的宇宙。我们可以拿出一些关于宇宙当时情况的模型，但用观察到的事实与理论概念对照则是更严峻的考验，因为很难通过实验来检验这些理论。尽管如此，如本书所示，我们已经在理解物质宇宙及其进化史方面取得了很大的进步。一些问题在几年前还属于哲学范畴，而今天，我们已经可以通过科学尝试解答，并通过实验加以检验。这就是我尝试在本书中让读者读到的——处于人类知识最前沿的基本问题的答案，而不是猜测。让我们在此提出那些最基本的问题之一：空间与时间是在什么时候形成的？并将这个问题更进一步：宇宙是从绝对虚无中诞生的吗？或者说，在这一切开始之前是否还有其他物质存在？下面我们通过一些哲学论证来检视这些问题。

吉姆·霍尔特（Jim Holt）于2012年出版了一部题为《世界为何存在》（Why Does the Universe Exist?）的书，他在其中思索了为什么世界上有一些东西存在而不是全然虚无这个问题。让我们探讨一下“虚无”是什么意思。绝对虚无的世界（如果确实曾经有这样的世界）仍然需要一位观察者思考它的问题。否则我们如何在这个世界中“什么都没有”的情况下知道它的情况？这就让这样一个讨论自相矛盾，因为至少需要有一个观察者存在，才能知道这个世界中一无所有。由此我们可以含蓄地推知，任何世界都必须至少存在着一个有感知的观察者。下一个问题是：不存在有感知的观察者的世界是否存在？想象那些物理常数，并把它们在宇宙中的现有值略加改动。在这种情况下，由于宇宙中充斥着形式未知的物质（取决于那个宇宙的物理常数），生命的进化很可能不会发生。根据以上观察者论证的逻辑，这样一个宇宙不可能存在，因为没有观察者能够观察到它。所以，这个世界的真实可能等同于我们自己的意识。

怎样才能使空间与时间的概念符合这幅图像呢？它们是首先存在的事物吗？如果是这样，它们是怎样出现的？在哲学和科学领域，最根本的挑战之一是解释空间与时间的本质，无论它们是否存在于早期宇宙中。即使从宇宙中清除一切，所有物质、行星、恒星和其他所有的一切，依然有它们曾经所处的空间（或者时空）留在那里，无法清除。这时候的问题就是，空间的存在是不是任何可能的真实的首要条件。

有关时空的性质有两种观点。一种退回到牛顿的观点，认为空间是“真实”的，有它自己的性质和几何。根据这种假说，即使空间中的一切物质都被清除，空间依然继续存在。第二种观点则来自莱布尼茨，他认为空间只不过是处于其中的物质之间的关系造成的结果。这种假说认为，空间不会独立于其中的物质而存在，即如果宇宙中的物质都不存在了，空间也将消失，留下虚无。第一种观点（牛顿的假说）中不包括“虚无”，而第二种观点（莱布尼茨的假说）中包括虚无。现在，考虑牛顿认为空间可以自行存在的观点。如果情况确实如此，它的特性与几何应该与空间本身一起存在。所以，一个有限的、无界的空间（如气球的表面）将在它的半径变小时收缩，最终在其半径为零时消失，变为虚无。结论就是：无论空间与时间的本质是什么，它们都可以在遥远的过去的某个时间点上与“虚无”调和。所以，我们在今天的宇宙中观察到的“某个事物”，才有可能全部从“虚无”中开始。按照现代物理的语言，“虚无”就是将所有的能量从一个体积的空间中移走，使它降解到它的最低能量状态——“真空”。一旦这种能量消耗持续，它就会达到一种空间内的能量为“负值”的状态，或者说其中的能量小于“虚无”。这时，一束虚拟粒子出现并消失，然后又再次出现。它将占据绝对空虚的空间，让“某种事物”来自“虚无”。科学家们认为一切就是这样开始的。

造成大约138亿年前宇宙的早期演变与后来的发展的条件，留下了我们今天可以观察与研究的痕迹。通过将这些观察事实与理论对照，科学家们已经为早期宇宙的演变史画出了图表，包括各种事件的时间线。宇宙当前的膨胀，轻化学元素的产生和丰度，结构的形成，以及微波背景辐射的存在及其光谱，全都提供了可观察的证据，证实了一个人们广泛接受的宇宙最初30万年间演变的框架。也有一些理论性更强的假说，比如有关宇宙在普朗克时间之前和在这一时间之内的假说，它们正在等待实验的证实。检验这些假说需要理论的进展，预言可以随后观察的现象。还有一些宇宙中存在的东西，如暗物质和暗能量，我们无法解释它们，或者没有关于它们的本质方面的信息。我们对它们的理解需要更广泛的数据和未来科技的进步，以及发展新的理论来解释当前的观察结果。对于我们能够做到或者能够完成哪些东西也有自然的极限。例如，没有任何物质能够以超过光速的速度运动；我们无法违反自然界的守恒定律；逆转时间之矢或者同时无限准确地测量一个粒子的位置与速度也是不可能的。无论科技进步到什么程度，我们都无法打破上述障碍。没有这些定律，首先我们就不可能生存。

我们会不会有一天知道所有这些问题的答案？马塞洛·格莱泽（Marcelo Gleiser）曾出版过一本题为《求知简史：从超越时空到认识自己》（The Island of Knowledge: The Limits of Science and the Search for Meaning）的著作，其中讨论了如下观点：“未知并不是我们的无知或者工具与探索的局限性的反映。它们表达了自然的真正精髓。”现在有一些正在接受实验与观察检验的科学预言。因此，我们或许可以找出有关它们的事实，尽管我们可能永远也不知道这些事实为什么会出现。一旦我们回答了一个问题，许多新的未曾回答的问题又会出现。趋势一向如此，这正是科学进步的源泉。

公元前428年，柏拉图提出了他有关地球位于宇宙中心的模型。人们在差不多1 900年的时间里相信这个模型，直到哥白尼把地球赶下了它的宝座，让太阳走上了宇宙的中心（哥白尼革命）[1]。尽管这种说法还不正确，但在试图理解世界的尝试上，这仍然是人们向前迈出的一大步。让我们用这一事件作为一个参考背景：1903年12月17日，莱特兄弟（Wright brothers）驾驶着第一架重于空气的可控飞行器飞上了天空，创造了历史。在这一历史事件之后一百多年的今天，我们已经征服了空间，向太阳系的行星以及更远的地方发射了使命航天器。这一例子让我们看到了科学与技术向前发展的惊人速度。今天，我们已经弄清了人类基因组的真相，开始理解了人类大脑的机能和神经元之间的相互连接，发展了解释原子内部结构的理论与实验工具，并曾观察与研究了宇宙中的第一代恒星与星系。所有这些，都是我们在最近半个世纪之内完成的。将这50年与人类让太阳取代地球的宇宙中心位置所用的1 900年相比，我们可以看出，科学的进步没有沿着一条直线发展，而且我们也不清楚，今后的几十年将会发生什么样的巨变。

今天，我们把有关自然定律的知识运用到了宇宙诞生的那一刻，用以解释它动荡的出生与早期历史。许多我们今天经历的事情，包括我们自己的存在，都是那时候的条件造成的结果。事情是这个样子而不是另一种样子，这一事实是在宇宙诞生之初的短短时间内的各种事件造成的结果。自然的四种基本力得到了它们一直保留至今的不同身份；夸克聚集到一起，组成了质子和中子，形成了轻化学元素；物质与辐射之间的相互作用与二者在宇宙诞生30万年后的脱耦，这一切全都通过我们的观察得到了解释和证实。在宇宙中，在由物质占据了主导地位之后，引力主宰了它随后的演变，形成了从超级星系团到星系团，再到个体星系、恒星和行星的结构。这种变化一直持续到宇宙诞生90亿年后（对地球来说，只不过是40亿年多一点之前），那时候暗能量接掌大权，加快了宇宙向无限未来膨胀的速率。

我们现在还不清楚，我们所在的这颗行星的形成（以及它的形成方式）是一个确定性过程，还是一个混沌过程。然而，我们清楚的是，许多事物在正确的地点和正确的时间汇聚在一起，形成了地球。一旦地球在一颗主序星（我们的太阳）外的宜居带中形成，便出现了一系列事件，导致各种条件发展，使它成为今天这样一颗行星。我们的地球行星独一无二的一面是它的宜居性，生命在地球上形成，并持续了数十亿年之久，这是我们在宇宙中任何其他地方都还没有见到的。地球上的生命是如何起源的，这是一个最基本的问题。我们现在处于一个能够用科学手段考察这一问题的阶段。

我们今天已经知道，若想让生命在地球上起源并繁荣，一些不同的、相互独立的事件必须按照正确的次序发生，这些事件在次序上的任何失误都会严重地影响生命。对于形成氨基酸至关重要的化学元素必须在恒星中生产与混合，并分散在星际介质中。水的存在也是必须的，水能够保护大洋深处的生命，使其免受来自太阳的紫外辐射伤害。形成臭氧层也是必须的，臭氧的形成需要氧气，而氧气是由蓝细菌生产的。所有这些和许多其他的条件，都必须在生命可以启动并繁荣之前就位。在探讨生命起源的过程中，从化学向生物学的过渡是最基本的。生命出现后，在它能够形成复杂的多细胞生物之前，它再次经历了一系列后续事件。这再次取决于整个地球历史上一直维持着的条件。例如，在最近50万年间，地球大气层中的氧气含量是怎样保持恒定的？有多少让地球成为今天这样一颗行星的参数被固定在狭窄的范围之内，从而允许地球维持着可以支持生命的条件？在大规模灭绝发生后，生命是怎样复苏并再次适应了新的条件的？这些问题的答案我们尚不清楚，但它们对于我们能够在地球上存在至关重要。

有证据表明，30亿年前便有一些生命形式存在。人们发现，锆石晶体（在地球上发现的最古老的矿物质）中含有水分子，说明水在地球历史上很早的时候便已经存在，大约是在地球的地壳固化的时候。那时候的生命以原核细胞的形式存在。从简单的原核细胞发展为更复杂的真核细胞，这一步发生在大约10亿年前，是一次巨大的进化飞跃。在这个时候，随着细胞器和细胞核的发展，细胞变大了，能够发挥更复杂的功能。每个细胞都变成了能够执行特定任务的专门化细胞，这使多细胞生物的发展成为可能。在5.7亿多年前，海洋动物得到了生成坚硬的壳层的能力，这导致新的动物物种出现，使它们能够保护自己，对抗严酷的环境，进而生存下去。所有这一切都发生在海底，那里的水保护着生命，使它们免于遭受来自太阳的强烈紫外辐射的侵袭。当地球的大气层通过火山活动形成，并通过蓝细菌释放的氧气形成了臭氧层时，陆地最终有了对抗来自太阳的强烈紫外辐射的保护。这一情况发生在大约5亿年前，正是植物和动物开始在寒武纪大爆发前后挺进陆地的时刻。这促进了陆地植物与动物物种的发展。维管植物得到了发展，生出了叶子，它们有助于光合过程和氧气的产生。通过允许更有效的能量生成，大气中氧气浓度的增加为更大的多细胞动物的新陈代谢活动提供了支持，从而使各种不同物种如爬行动物、鸟类和哺乳动物出现于3亿到2亿年前。6 500万年前，恐龙的灭绝让哺乳动物（我们遥远的先祖）能够自由地在地球表面游荡，并在能够适应已有条件的情况下进化。大约在同一时间，地球上的陆地分布达到了现在的状况，各大洲各自就位。最后，大约400万年前，进化为人类这个物种的生命证据出现在非洲。从非常原始的状态向我们自己的物种——智人的进化，是漫长时间里一连串历史事件相互作用的结果。这是一个复杂的过程，但由于大量化石的发现，我们对此有相对准确的了解。在大约10万年前的某一时刻，我们的祖先开始走出非洲，走向世界上的其他大陆。农业、动物的驯化、群体、文化和城市的发展随之而来。与地球的历史相比，这些事件发生在非常晚期的年代。

在人类物种的发展中，一个重要因素是大脑尺寸的增长。这一尺寸在300万年中增长了3倍——从400毫升增长到了1 600毫升。考虑到大脑的耗能量大约为身体总耗能量的25%，这种增长必定与如何有效地进行新陈代谢活动才能更多地产生能量有关。这里的一个令人着迷的问题是：哺乳动物的大脑是什么时候开始思考的？它们思考的过程又是怎样的？如同我们在本书中了解到的那样，构成我们的化学元素是在恒星中形成的，并通过恒星死亡时的超新星爆发分散到星际介质中去。一旦冷却下来，这些碎片便组成了复杂的分子，最终导致了生命的形成。我们的大脑本身，是在恒星中经过高温调制形成的物质组成的，而令人讶异的是，正是利用大脑，我们才得以破解所有这些物质起源之谜，它们同时也是大脑本身的起源之谜，关于这台强大有力的机器是怎样思考、发现与发明的。我们不妨在此引用德国物理学家马克斯·普朗克的话：“科学无法破解自然的终极奥秘，因为在进行最后分析的时候，我们自己变成了我们试图解释的奥秘的一部分。”

当我写下这最后几句话时，我正在夏威夷的火奴鲁鲁机场（Honolulu airport）等待飞回加利福尼亚的航班。我是来莫纳克亚山用凯克望远镜（Keck telescopes on Mauna Kea mountain）做天文学观察的，它是当今世界上最强大、技术最先进的地基望远镜。我的目标是和我的学生们一起，在130亿光年之外的宇宙去寻找并试图证实可能存在的最遥远的星系。我们要去寻找宇宙的第一代星系，并把天文学观察推进到可观察宇宙的极限边界。我多年来不断到这里进行观察；除了为我如此着迷的科学而激动之外，还为我每次来到夏威夷的经历感到激动。我利用科技能够提供的一切观察太空深处。这些科技奇迹全都位于莫纳克亚火山之巅；如果从它在太平洋底的底部算起，它是世界上最高的山峰。这座山本身是千百万年来地质演变的结果。如果我们以宏大的尺度放眼观察，它们全部都是一个故事的一部分，为我们研究事物如何在宏观尺度下汇聚在一起创造了条件，下面一段就是我对此的描述。

夏威夷群岛的形成，是太平洋海底的地壳在一个地壳下面的“热点”（热源）上方运动的结果。这个热点释放的岩浆穿过地壳喷射而出，随后堆积在海底。更多的爆发促成了火山的堆积，使它成长起来，露出海平面，最终形成了这座群岛。最近4 500万年间，这个热点一直处于稳定状态。当大洋地壳在热点上方（夏威夷群岛西北方向）运动时，新的火山和岛屿诞生，形成了一串一步步离开热点的岛链。在最近100万年间，这个热点一直在比格艾兰（Big Island，也就是我们望远镜的所在地，也是我们观察宇宙的场所）的下面。如果这个假定是正确的，那么岛链上距离大岛越远的岛屿和构成它们的火山物质的寿命一定越长，因为大岛现在位于夏威夷群岛岛链的边缘。在分析与测量这些岛屿上的岩石的寿命时，人们观察到了这一现象。夏威夷群岛最年长的岛屿的年龄是6 500万岁，而最年轻的只有100万岁。当海岛受到海浪和风雨的侵袭时，更古老的岛屿会不断缩小，最终将在海面上消失。所以，岛屿越年轻，我们就预期它们会变得更大，有更高的火山。这一点正如大岛的情况：大岛很大，它上面的莫纳克亚山很高，年龄为37.5万岁，海拔4 250米（1.4万英尺），是夏威夷最年轻、最高的火山。这座火山的高度使它变成了地球上的最佳观察地点，因为那里大气稀薄、干燥，使我们在通过望远镜观察时能够得到最佳数据。我昨天晚上还在那里，过去30年间一直到这里工作。上面的故事说明，需要有多种不同的事物汇聚在一起，才能让我们有机会着手考虑那个有关空间与时间深处的最基本的问题。正如我们在这本书中看到的，地球的一切变化，大陆、大洋和山脉的形成，都发生在宇宙历史上微小的一段时间之内。作为一个物种，人类在这颗行星上的存在只能回溯到400万年前，我们却已经进化到拥有足够智慧，能够研究与发现自然定律的程度。利用这些定律，我们可以索解我们观察与经历的事件背后的原因，以及所有这些的来源。我们利用这些定律开发了科技。利用这些科技，我们制造了强大的望远镜，制造了处理与分析庞大数据的计算机，并用它们探索万物起源之处的遥远宇宙，或者寻找与我们的地球行星初建之时情况类似的系外行星。而今夜，我将把自己托付给我对之满怀信心的自然定律与科技，乘坐一架现代化航班飞行，穿越半个太平洋回家。这就是各种事物如何汇聚在一起、我们如何发展到今天的方式。而现在，我们正在利用自然给予我们的一切回顾过去，发现所有那些汇聚在一起，让我们来到今天的事物。

本书讨论了许多概念，它们以通过实验证实的许多事实为基础。书中也给出了许多观点，以后的事实或许将证明它们是不完整的，甚至是错误的，它们可能会被更完备的新概念取代。这是科学发展与进化的方式。我们没有对于什么是真理的先入之见，而只有对于真理的探索。我们是非常幸运的，生活在这样一个时代，能够探索如此多的事物，寻找如此多令人神往的问题的答案。这就是人类的目的，是我们将最珍贵的遗产留给我们的后代的目的。人类的成就是通过提出基本问题并寻求它们的答案取得的。对起源的探索，是将不同的学科聚集到一起，让我们能够更好地理解自己，同时理解我们在这个世界上的位置的尝试之一。探索仍在继续，也确实应该继续下去。