封面图片：丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe，1546-1601）的雕像，位于他在文岛（Hven）的天文台所在地，他曾经在此建立天文台观察超新星和彗星。仰望苍穹：科学知识的边界
The Boundaries of Scientific Knowledge
作者：史蒂芬·温伯格（Steven Weinberg，1933-2021）
译者：陈荣钢
来源：同名著作（哈佛大学出版社，2003）第7章，最早为作者给《科学人》杂志创刊150周年特刊撰写的稿子（1995年）。
1994年，我受邀为《科学人》（Scientific American）杂志创刊150周年纪念特刊撰写一篇“主旨”文章。之前，我曾为该杂志写过两篇文章，一篇是关于弱电和磁力的统一，另一篇是关于质子可能发生衰变的文章。当时，我并不想再写一篇文章，但150周年纪念并不经常发生，所以我接受了邀请。我被告知，这篇文章将评估科学知识的现状，因此我认真地撰写了一篇关于这种知识局限性的文章。
然而，巧合的是，在我写作的过程中，这期杂志的标题被改成了“宇宙中的生命”（Life in the Universe）。读者可能会在我的文章中找到一些勉强与这个主题相关的内容，但不幸的是，我的文章仍然只是与宇宙中的生命有一点点关联。尽管如此，它仍然被定为“主旨”文章，并采用了与该期杂志相同的标题。编辑们也放弃了将其与他们的150周年纪念联系在一起。这并不是一个愉快的经历，但至少现在我很高兴看到我的文章以原本的标题在这里出现。
沃尔特·惠特曼（Walt Whitman）的诗歌《当我听到博学的天文学家》（When I Heard the Learn’d Astronomer）经常被引用。其中，诗人描述了他向天文学家展示星图时的疲惫和不适，并独自仰望星空时的宁静。许多科学家被这些诗句触动，因为美丽和惊奇的感觉并没有像惠特曼表达的那样在科学工作中消失。夜空仍然美丽，对天文学家和诗人而言都是如此。随着我们对自然界认识的不断深入，科学家的惊奇之情并未减弱，相反，它变得更加敏锐，更加专注于仍存在的神秘之处。惠特曼能够在没有望远镜的情况下看到的那些近邻恒星，现在已经不再神秘。庞大的计算机代码模拟了恒星核心的核反应过程，并通过追踪能量在恒星表面的传播（包括对流和辐射）来解释它们的外观和演化。1987年，从大麦哲伦云的一颗超新星中探测到的伽马射线和中微子的存在为恒星结构和演化理论提供了重大验证。这些理论本身对我们来说是美丽的，我们能够理解为什么参宿四（Betelgeuse）是红色的，甚至可以增添我们观察冬季天空的乐趣。然而，还有许多谜团，其中很多在本期其他作者的讨论中提到。星系和星系团由什么物质构成？恒星、行星和星系是如何形成的？宇宙中适合生命存在的栖息地有多广泛？地球上的海洋和大气如何形成？生命如何起源？生命的进化与其所处的地球环境之间的因果关系是什么？在人类起源中，概率扮演了怎样的角色？大脑的思维过程是如何进行的？人类社会机构如何应对环境和技术变化？我们对这些问题的解答可能仍然遥远。然而，我们仍然可以推测这些问题可能有怎样的解决方案，而这在《科学人》创刊150年前是不可想象的。这将需要新的思想和洞见，我们可以期待在我们已知的科学领域内找到这些思想和洞见。然而，在我们科学的边界之外，仍存在一些神秘之处，我们不能用已知的知识来解释这些问题。当我们解释任何观察现象时，我们依据科学原理，而这些原理本身又依据更深层的原理解释。沿着这条解释链，我们最终被引导到在当代科学边界内无法解释的自然法则。此外，在阐述生命和自然界的许多其他方面时，我们的解释涉及到历史因素。有些历史事件是永远无法解释的偶然事件，也许只能通过统计学进行解释——我们永远无法准确解释为什么地球上的生命采取了这样的形式，尽管我们可以推测某些形式比其他形式更可能存在。我们可以解释许多事物，包括历史的作用，从宇宙的起始条件到自然法则的角度进行解释。但是，我们如何解释这些初始条件呢？在自然法则和初始条件之上，存在一个复杂的谜团。这涉及到智能生命的双重角色——既是我们试图解释的宇宙的一部分，又是解释者。根据我们目前的理解，自然法则允许我们追溯观察到的宇宙膨胀几乎到真正的起点，即约100到200亿年前宇宙处于无限热和高密度的时刻。对于这些定律在极端温度和密度下的适用性，我们并没有足够的信心来确定是否真的存在这样的时刻，也无法计算出所有可能的初始条件（如果有的话）。目前我们无法更进一步，只能描述宇宙的初始条件，即从温度无限的所谓初始时刻之后的约10(-12)秒（译注：括号表示次方，下同）的时间。在那个时候，宇宙的温度已经降低到约10(15)度，已经足够冷让我们应用当前的物理理论。在这个温度下，宇宙充满了由高能核物理学已知的各种类型的粒子和反粒子组成的气体，在它们的碰撞中不断发生湮灭和产生。随着宇宙的膨胀和冷却，产生的速度比湮灭的速度慢，几乎所有的粒子和反粒子都消失了。如果没有微小的电子-反电子和夸克-反夸克的过剩，那么像电子和夸克这样的普通粒子在今天的宇宙中几乎不存在。正是这种早期物质对反物质的微小过剩，估计约为10(10)分之一幸存下来，在三分钟后形成了轻元素核，然后在一百万年后形成了原子，随后在恒星中经过炼化形成了较重的元素，最终为生命的起源提供了必要的成分。物质比反物质多出1/10，这是决定宇宙未来发展的关键初始条件之一。此外，可能存在其他类型的粒子，这些粒子在我们的实验室中尚未被发现，它们之间的相互作用比夸克和电子更弱，因此它们的湮灭速度也相对较慢。大量的这些奇异粒子可能留存在早期宇宙中，形成了我们所称的“暗物质”，现在显然构成了宇宙中大部分的质量。最后，尽管人们普遍认为，在宇宙开始后约一百万年，当宇宙的规模达到约10(12)秒时，它的内容在所有地方几乎是均匀的，但小的不均匀性一定存在，从而引发了数百万年后第一批星系和恒星的形成。我们无法直接观测到宇宙起源后约一百万年内的任何不均匀性，因为那时宇宙首次变得透明。天文学家目前正在绘制宇宙微波背景辐射强度的微小变化图，以推断物质的初始分布。这些信息反过来可以用来推断在开始后约10(12)秒时的初始不均匀性。从基础物理学的严密观点来看，宇宙的历史只是自然规律的一个说明性例子。在我们能够追溯到的最深层次的解释中，这些规律采取了量子场论的形式。当量子力学应用于电磁场等领域时，人们发现该领域的能量和动量以束状或量子的形式出现，这些量子可以在实验室中被观察到。现代标准模型假设存在电磁场，其量子是光子；电子场，其量子是电子和反电子；还有其他一些场，其量子是称为轻子和反轻子的粒子。此外，还有各种夸克场，其量子是夸克和反夸克，以及其他11个夸克场，其量子是传递弱力和强力相互作用的粒子。标准模型显然并不是自然界的最终规律。即使在其最简单的形式中，它仍然包含一些任意的特征。该理论涉及大约18个数字参数，这些参数的数值必须通过实验来确定，但我们不知道为什么这些数值会取得这样的值。夸克和轻子的多重性质也没有得到解释。此外，模型中的一个方面仍然存在不确定性：我们对赋予夸克、电子和其他粒子质量的机制细节还不确定。这是已经取消的超导超级对撞机计划试图解决的难题。我们希望这个问题能够在计划中的欧洲核子研究中心位于日内瓦附近的大型强子对撞机中得到解决。最后，标准模型是不完整的，因为它不包括引力。我们有一个很好的引力场理论，即广义相对论，但在非常高的能量下，这个理论的量子版本会出现崩溃。所有这些问题可能会在一种被称为弦理论的新理论中找到解决方案。在弦理论中，量子场论中的点粒子被重新解释为微小的、被称为弦的一维物体。这些弦可以以不同的振动模式存在，每一种模式在实验室中都表现为不同类型的粒子。弦理论不仅提供了对引力在所有能量下的量子描述，而且弦的某些振动模式表现为具有引力特性的粒子，从而提供了引力存在的解释。此外，弦理论的一些版本预测了一些类似于标准模型中场的组成。然而，弦理论在解释或预测标准模型中的数字参数方面尚未取得成功。此外，弦的尺度非常小，我们无法直接观测到基本粒子的弦性质；相对于原子核而言，弦的尺度比原子核与山之间的比例还要小。对弦理论的研究目前没有实验上的验证，这在科学史上是前所未有的。然而，就目前而言，它为我们更深入地理解自然规律提供了最有希望的途径。我们对自然法则的理解还存在很大的不足，这使我们难以解释宇宙诞生后约10(-12)秒时的初始条件。最近几年的计算结果显示，此时宇宙中夸克和电子的数量略微多于反夸克和反电子，这可能是在稍早的时刻，也就是宇宙温度约为10(16)度时产生的。在这一温度下，宇宙经历了一次类似于水冻结的相变，已知的基本粒子首次获得了质量。然而，除非我们明白质量是如何产生的，否则我们无法解释为何这种过量应当是10(10)分之一，更别提计算出其精确值了。早期宇宙的不均匀性，也就是另一个初始条件，可能需要追溯到更早的时期。在我们的基本粒子的量子场理论中，包括最简单的标准模型，存在着充满整个宇宙的多个场，甚至在我们称之为空的空间中，这些场也有非零的值。在当前宇宙的状态下，这些场已经达到了平衡，也就是说真空的能量密度达到了最小值。这个真空能量密度，也被称为宇宙学常数，可以通过其产生的引力场进行测量，显然其值非常小。然而，在一些关于早期宇宙的现代理论中，提出在宇宙诞生的极早期，这些场还没有达到平衡，导致真空有一个巨大的能量密度。这种能量会引发宇宙快速膨胀，这就是所谓的宇宙通胀。在通胀阶段，由量子波动引起的微小不均匀性会在膨胀过程中被放大，可能导致较大的不均匀性，这在几百万年后促成了星系的形成。甚至有一种猜测，认为引发我们可观测宇宙膨胀的宇宙通胀，并非在整个宇宙中发生，而只是在无限宇宙中随机发生的局部膨胀事件中的一个。如果这种猜测成立，那么初始条件的问题就无法成立，因为宇宙没有初始的那一刻。在这样的情况下，我们的局部膨胀可能以某些特殊的组成成分或不均匀性开始，但这些特性可能就像地球上生命一样，只能在统计学意义上理解。不幸的是，在通胀期，引力如此强大，以至于量子引力效应变得至关重要。因此，在我们理解引力的量子理论之前，这些想法只能保持为推测，或许需要类似于弦理论的方法。过去150年的经验表明，生命与无生命物质一样，遵循相同的自然法则。我们也没有找到任何证据，表明生命的起源或进化涉及到某种宏大的设计。当然，我们在用大脑活动来解释意识时遇到了一些众所周知的问题。这些问题出现的原因是因为我们每个人对自己的意识有特殊的理解，而这些理解并非来源于感官。然而，我并不认为这意味着意识永远无法被解释。尽管理解意识存在基本难题，但这并不妨碍我们用神经学和生理学，甚至最后用物理学和历史学来解释他人的行为。当我们成功做到这一点时，我们必然会发现，行为的解释有一部分是基于神经活动的程序，我们会意识到这与我们的意识是相对应的。尽管我们希望对自然界有统一的理解，但在理解宇宙中智能生命的作用时，我们始终面临一个难题，即智能生命既是自然界的观察者，也是被观察对象的一部分。这种二元性甚至出现在现代物理学的最深层次。在量子力学中，任何系统的状态都由一个叫做波函数的数学对象来描述。根据20世纪30年代初在哥本哈根提出的量子力学解释（译注：“哥本哈根阐释”， Copenhagen interpretation），计算波函数和解释波函数的规则存在显著的不同。一方面，有薛定谔方程，它以完全确定的方式描述了系统的波函数如何随时间演变。另一方面，我们有一套相当独立的原则，这些原则告诉我们如何利用波函数来计算某人在进行测量时各种可能结果的概率。哥本哈根阐释认为，当我们对某些物理量进行测量，如位置或动量时，我们的干预将引发波函数的不可预知的变化，进而产生一个新的波函数。在这个新的波函数中，被测量的物理量具有确定的值，这种情况无法通过确定性的薛定谔方程来描述。例如，测量前，一个旋转的电子的波函数通常由对应于电子自旋各种可能方向的项组成。在这样的波函数下，不能说电子在任何特定的方向上旋转。然而，如果我们测量电子是沿着某个轴线顺时针旋转还是逆时针旋转，我们的测量行为将以某种方式改变电子的波函数，从而使电子确定是以某种方式旋转。因此，测量被认为与自然界中的其他事物有本质上的区别。虽然各种理论纷繁复杂，但除了对有意识的思维的影响外，很难找出任何特殊的东西来证明某些过程有资格被称为测量。在物理学家和哲学家中，人们对哥本哈根解释有至少四种不同的反应。第一种是简单地接受它的现状，这种态度主要出现在那些倾向于二元论世界观的人群中，他们将生命和意识与自然界的其他部分区别对待。第二种态度是出于实际目的而接受哥本哈根的相互作用规则，而不担心其最终解释，这种态度是当前在职物理学家中最常见的。第三种方式是试图通过改变量子力学的某种方式来避免这些问题，但到目前为止，这种尝试还没有在物理学家中得到广泛接受。最后一种方式是认真对待薛定谔方程，舍弃哥本哈根解释的二元论，试图通过对测量器及其仪器的描述来解释其成功的规则，即用相同的确定性演变来解释主导一切的波函数。当我们测量某个量（如电子的自旋方向）时，我们将系统放置在一个环境中（例如，磁场），在该环境中，其能量（或其轨迹）与被测量的量的值密切相关。根据薛定谔方程，波函数中对应于不同能量的不同项将以与这些能量成比例的速度进行快速振荡。因此，测量导致与被测量物理量（如电子的自旋）的不同值对应的波函数项以不同的速度快速振荡，这就意味着它们在未来的任何测量中都不会相互干扰，就如同在相隔很远的频率上广播的无线电信号不会相互干扰一样。因此，从实际的角度来看，一个测量事件会导致宇宙的历史分化为不同的、互不干扰的轨道，对应于被测量物理量的每一个可能值。然而，我们如何在由确定论的薛定谔方程管理的世界中解释哥本哈根规则如何计算这些不同“世界轨道”的概率呢？这个问题最近有了一些进展，但还没有得到明确的解答。就我个人而言，我更偏爱最后一种方式，尽管第二种方式也有很多值得推崇的地方。当我们试图探讨为何我们的物理规律是现在这样，就很难避免谈论到活动的观察者。现代量子场理论和弦理论可以被看作是对调和量子力学与狭义相对论之间问题的挑战，其方式是确保实验能得到合理的结果。我们要求动力学计算的结果必须满足诸如单位性、正性和集群分解等为场理论家们所熟知的条件。简单来说，这些条件要求所有的概率相加总是等于百分之百，它们总是正的，且在遥远的实验中测量到的概率是无关的。这个过程并不简单。如果我们试图列出一些动态方程，这些方程会自动产生满足其中一些条件的结果，我们通常会发现这些结果违反了其他条件。看起来任何满足所有这些条件的相对论性量子理论必须在足够低的能量下像量子场理论一样表现。这可能就是为什么在我们可以获得的能量下，自然界能被标准模型的量子场理论如此好地描述的原因。另一方面，据我们所知，唯一在所有能量下满足这些条件并涉及引力的相对论性量子理论是弦理论。而且，学习弦理论的学生在询问为什么需要做出这样或那样的数学假设时，通常会被告知，否则会违反物理原则。但是，如果自然规律允许一个不包含任何生命体的宇宙进行实验，为什么这些原则就被认为是对所有可能实验结果的正确约束呢？这个问题在理论物理学的许多实际研究中并不是主要关注点，但当我们试图将量子力学应用于整个宇宙时，这个问题就变得非常重要。当前，我们甚至原则上都不明白如何计算或解释宇宙的波函数，我们也不能通过要求所有实验给出合理的结果来解决这些问题，因为从定义上说，没有观察者可以在宇宙之外对其进行实验。这些谜团在我们考虑到自然法则和宇宙的初始条件让生命得以观察它时，显得更加突出。有些人认为，如果几个物理量的任何一个稍微改变，我们所知道的生命就无法存在。最知名的例子之一是碳-12原子核一个激发态的能量。在形成恒星中的重元素的核反应链中，有一个关键步骤。在这个步骤中，两个氦核结合成不稳定的铍-8核，有时在裂变前会吸收另一个氦核，形成碳-12的一个激发态。然后，碳-12原子核发射一个光子，并衰变到能量最低的稳定态。在随后的核反应中，碳被转化为氧、氮以及生命所需的其他重元素。但是，铍-8的对氦的俘获是一个共振过程，反应速率是所涉及的原子核的能量的峰值函数。如果碳-12的激发态能量稍微高一点，它的转化速率就会大幅度下降，这样，几乎所有的铍-8原子核都会在转化成碳之前裂变回氦。然后，宇宙就会几乎完全由氢和氦构成，没有生命所需的成分。关于自然常数需要微调到何种程度才能使生命成为可能，人们的观点各不相同。我们有独立的理由期待碳-12的激发态接近共振能量。但有一个常数似乎确实需要难以置信的微调：那就是我在谈到宇宙通货膨胀论时提到的真空能量，或者说宇宙学常数。虽然我们不能计算真空能的具体量值，但我们可以计算出它的一些贡献，例如引力场中的量子波动的能量，其波长不短于大约10(-33)厘米，在这个长度尺度上我们当前的引力理论变得不再适用。这些贡献的数值比我们通过观测所得到的当前宇宙膨胀率所允许的最大值大了约10(120)倍。如果真空能的各种贡献没有几乎完全抵消，那么，根据真空能的总和是负的还是正的，宇宙要么在生命可能出现之前就已经经历了一个完整的膨胀和收缩周期，要么会迅速膨胀到没有星系或恒星可以形成。因此，任何形式的生命的存在似乎都需要真空能量的各种贡献被精确地抵消，精确度达到小数点后的120位。这种精确抵消可能会在未来的理论中得到解释。目前为止，在弦理论和量子场理论中，真空能是一个涉及任意常数的问题，这个常数必须被精细调整，以使得总的真空能足够小，生命才有可能存在。所有这些问题最终都可能在不需要假定生命或意识在自然法则或初始条件中起任何特殊作用的情况下得到解决。可能我们称之为自然常数的东西，在宇宙的不同部分实际上有着不同的值（这里的“宇宙的不同部分”可以有不同的解释，比如由通胀事件引起的不同局部膨胀区域，其中弥漫在宇宙中的场有着不同的值，或者是在某些版本的量子宇宙学中出现的不同的量子力学世界轨迹）。如果真是这样，那么在宇宙的某些地方能够找到生命就不再令人惊奇，尽管在大多数地方可能并不可能有生命存在。自然地，任何进化到能够测量自然常数的生物总是会发现这些常数的值恰好允许生命存在。这些常数在宇宙的其他地方可能有不同的值，但在那里没有生命可以测量它们（这就是所谓的“弱人择原理”[Anthropic principle]的一个变体）。然而，这种假设并不意味着生命在基本法则中有任何特殊的作用，就像太阳系中存在可能孕育生命的行星，并不意味着生命在太阳系的形成中有任何特殊作用一样。基本的法则是描述自然常数在宇宙不同区域中如何分布的法则，而在这些法则中，生命并没有任何特殊的作用。尽管科学的内涵终究是超越个人的，但它的实践却是人类文化的一部分，而且是相当有趣的一部分。有些哲学家和社会学家甚至主张，科学的原则全然或部分是社会构造出来的，就像合同法或桥牌的规则一样。大多数在科学领域工作的人对这种"社会建构论"的观点表示质疑，因为这与他们的实际经验并不相符。然而，毫无疑问的是，科学的社会背景对科学家来说变得越来越重要，因为我们需要社会为我们提供日益昂贵的工具，如粒子加速器、航天器、中子源、基因组项目等等。一些政治家和记者认为，公众只对科学的那些有望为技术或医学带来直接实际利益的部分感兴趣，这对我们并无帮助。在生物学或物理学最有趣的问题中，有些研究确实具有明显的实用价值，但有些并没有，特别是那些探讨科学知识边界的研究。为了得到社会的支持，我们必须强调我们经常提到的观点：今天的基础科学研究是我们这个时代文化的一部分。无论科学家和公众之间存在什么样的交流障碍，这些障碍都不是无法跨越的。艾萨克·牛顿的《自然哲学的数学原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica）一开始只能被少数欧洲人理解。然后，我们生活的宇宙是受精确且可知的法则所主宰的这个信息最终传播到整个文明世界。进化论起初遭到强烈的反对，现在创造论者已经成为日渐孤立的少数派。今天，科学的边界研究所探索的能量、时间和距离的环境与我们日常生活的环境相差悬殊，通常只能用深奥的数学语言来描述。但是从长远来看，我们对于世界为什么会是这个样子的理解将会成为每个人知识遗产的一部分。【延伸阅读】