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一个奇妙的宇宙正等着我们去探寻

http://www.newdu.com 2017-10-12 中国教育新闻网 丽莎·兰道尔 参加讨论
我是一个幸运的人,常被邀请参加各种不同领域的高层会议,包括商业、法律、对外政策、艺术、媒体,当然还有科学。当我和其他参会者持不同的观点时,我们的讨论更能激发出新鲜

    
    我是一个幸运的人,常被邀请参加各种不同领域的高层会议,包括商业、法律、对外政策、艺术、媒体,当然还有科学。当我和其他参会者持不同的观点时,我们的讨论更能激发出新鲜的想法,而这些想法都是各个领域内的重要课题。但最好的问题,尤其是关于我的研究,往往不是来自会议的参与者。例如,某次关于物理学的交流特别让人开心,那次会议之后,一个名叫杰克的年轻普通人对物理学的深刻思考让我很震惊。杰克是个司机,当时正载着我去蒙大拿机场。
    一般情况下,当人们知道我是个物理学家的时候,常会把他们关于事物的理解强行地灌输给我,这些理解包括对科学的爱与恨、喜欢与迷惑。我发现有时这还挺有意思,毕竟我们中的大多数都不会向律师聊太多自己关于法学的想法。但这些对物理学的另类“忏悔”有时还是会有所回报的。杰克向我提到,几年前上高中时,他曾接触过一些大学级别的物理学课程,现在他依然渴望继续学习。尽管现在他已经不再上课了,但他希望聆听到更多有关物理学的前沿知识,并进一步了解我们对宇宙的理解。
    杰克并没有局限于询问物理学的最新发展,他想知道从他所了解的物理学开始,物理学都有了哪些新发展。所以我向他解释:20世纪物理学的发展告诉我们,牛顿力学尽管在我们熟悉的环境中非常准确,但在小尺度、高速度或者高密度环境中不再适用了,人们要用量子力学、狭义相对论以及广义相对论来替换牛顿力学。
    在仔细思考了一番之后,杰克提出了一个看似随意,但又十分深奥的问题。他问我,如果我能回到过去,我会用我现有的物理知识做些什么;我是否会告诉过去的人们一些只有今天才知道的物理学新发现。
    杰克认识到了这个问题的两个方面。第一个方面是,到底会不会有人相信我,或者他们只是把我看成一个疯子。毕竟,没有试验证据的支持(尤其是这些实验都是今天最先进的技术实现的),这些20世纪物理学家发现并推演出的令人印象深刻的现象和联系,在“过去”看起来确实有些疯狂。这些发现已经颠覆了人们对这个世界的常识性理解。
    他问题的另一个方面更令人压抑。杰克想,就算人们相信这些新观点,他们也会被吓到而忽略这些观点,或者走向另一个极端,即急迫地想应用这些新的物理概念。他的第一直觉是,应该在想象的时间旅行里保守这些秘密,因为我们最好还是让世界以它本应该有的形式发展:获得科学知识不应该有捷径。
    公众通常不喜欢长远思考,所以杰克担心,突然的信息爆发也许并不安全。他并不认为改变是坏的。但当他看到自己的弟弟妹妹们沉迷于电子游戏或者智能手机中,而忘记了锻炼和户外活动以及他在年轻时喜欢的探险活动时,杰克感到非常忧虑。他也非常担心发生在他家乡的事情。在那里,一旦有新的技术引进,工业化就会大肆抢夺资源,完全不顾这些行为对当地人或者全球带来什么影响。自杰克出生以来,他看到自己的家园和家人的生活都发生了不可挽回的变化,然后他得出了自己的结论:若未经过认真了解和制定长期战略,公众也许很难有足够的时间去适应最新的科学发现和技术进步。
    本书也介绍了地球上发生的几次无法控制的主要变动对这个星球造成的巨大影响。其中一次发生在6600万年前,一颗来自太空的高速彗星——可能是由暗物质触发,导致了一次大型生物灭绝。也许3000万年以后,另一颗彗星又会撞到地球上。解开这些神秘事件令人非常着迷,这就是为什么我会在书中介绍它们,并且还在继续研究它们。
    理解这些碰撞对地球以及地球生命的影响,也许更为重要。这可以帮助我们预测,今天的我们对环境所做的一切会带来的可能后果。在与文明以及物种多样化有关的时间尺度上,“一颗脱轨的彗星”,也许只是杞人忧天。但正像人口爆炸导致地球资源的过快消耗等类似问题一样,我们无法忽略上述问题。其影响甚至相当于一颗慢速的彗星,这一切的始作俑者是人类自己。但和遥远彗星和地球的碰撞相比,我们也许可以尝试着去控制人类制造的这次“冲撞”。
    对暗物质的研究看起来和人口爆炸、资源匮乏毫无联系。《暗物质与恐龙》描述的是我们周围的大尺度环境(即地球所在的宇宙环境),科技进步带来的显著效应,以及未来它能给我们带来什么。通过思考暗物质的本质,可以让我们思考银河系,进而思考太阳系,以及我们关心的彗星。这让我们更好地了解了恐龙的灭绝,并让我们由衷地为现在地球上存在的所有生命的平衡及其茁壮成长感到赞叹,为大自然的精致感到赞叹。如果扰乱了这一平衡,我们也许会存活下来,这个星球也会存活下来。但是,我们却无法确定和我们一起生活的物种,以及我们赖以生存的物种,会不会在打乱平衡而导致的重大变更中存活下来。
    宇宙大约有138亿年的历史,地球围绕太阳也转了将近45亿圈。人类降临到地球上也就仅仅200万年,而文明的历史更是只有区区不到两万年。然而在我生活的年代,全球人口已经翻了一番还多,增长40多亿。当人类过快地消耗地球资源时,这已经影响到地球以及地球上的其他生命了,人类正快速毁灭着宇宙百万年甚至百亿年所积累的一切。在一个人的人生跨度上,这个威胁也许没那么紧迫。然而,对这一威胁保持警惕,却可以帮助我们设计出最优化的方式,去更合理地应用将来会出现的新科学技术。
    人类喜欢把自己想象成为适应能力很强的物种,但事实是,当今的世界要比我们想象的更加不稳定。不断变化和被破坏的栖息地以及大气环境都影响着物种的多样性,甚至促成了第六次灭绝。尽管人类并不会很快消失,但人类生活方式中的某些重要方面可能会消失。人类现在的改变已经威胁到我们的环境,更不用说对社会稳定性以及经济稳定性的影响了——虽然有些是我们自认为正确的解决现有问题的方法。而且,尽管有些结果从长远看也许会有益于全球的环境,但这些改变对于现在生活在地球上的物种来说,也许并不是那样的。
    我们可以尝试改造自然环境的一些方面,但世界是一个极其复杂的系统,它有很多看起来如奇迹一般的特性,而关于这些特性我们现在知之甚少。即使现有方法能解决一些问题,但很难保证它们能跟得上这不断发展的变化。没有对平衡的不断调整,结果将不可避免会不可控地增长,并为这一过程付出代价。在一个支持技术发展的政治、社会以及经济环境下,如果我们期待获得积极的回应,把技术集成到更复杂的策略中是非常必要的。我们面对着巨大的挑战,但它不应该是阻碍我们向这个值得一试的目标前进的理由。
    指数型增长在一开始会相对缓慢,但之后会急剧增长。为了维持新平衡状态,需要的资源会超过我们过去所消耗的所有资源。我们这个精致的生态平衡系统,加上其复杂性以及脆弱的基础,就算是非常微小的扰动,也会导致非常大的影响。因此,三思而后行变得尤为重要。就连教皇弗朗西斯在他2015年的教皇同谕中都警告世人,人类活动过多与过于频繁是个不容忽视的问题,他称之为“过快的改变”。尽管有些改变是有益的,但潜在的有害结果需要提前估计。如果单纯地从一个角度看问题,我们会只拘泥于眼前。
    大家不要误解我,我相信一切都会有所改善,知识是美妙的。但我也相信,理智地应用先进的科学技术正意味着长远的考虑。一个智慧物种不应该把自身的存在建立在与其他物种的恶性竞争和破坏稀缺的资源上,而这些资源要经过几十亿年或至少几百万年才能形成。尽管技术可有益、可有害,而且有些危害是不经意的,但知识的不断增长让我们有能力创造出人类需要的机器,作出更好的预测,为潜在问题找出解决方案,并评估人类理解的极限。是否能合理地利用知识,完全取决于我们自己。
    科学正在悄悄改变我们的世界
    我们应该记住,从全局来看,所有科学发现的应用在一开始都是不明朗的。然而,科学的进步却悄悄地改变着这个世界,以及人们的世界观。如果应用得合理,科学技术会为人类带来不可估量的好处。即使很多基于抽象理论的观点,一开始没人相信它们能有任何实际应用,但它们确实极大地改变了我们的世界。
    基因科学最早是对DNA的研究,是为了解决纯理论的问题,但如今被用来治疗癌症。一些医疗仪器,比如核磁共振成像(MRIs)最早用于研究原子核。核能的应用也许争议很大,而关于核能的知识都源于对原子结构的研究。电子行业的革命源于原子晶体管的发展,而这一研究属于量子物理学的范畴。互联网是计算机科学家蒂姆·伯纳斯-李在欧洲核子研究中心(现在用于放置大型强子对撞机)工作的副产品,它的主要目的是更好地联系来自不同国家的科学家,从而更合理地协调工作。今天普遍存在的GPS系统则融入了爱因斯坦的相对论理论。在电被发现的时候,甚至没有人认识到电会如此重要,而今天我们的生活已完全离不开电。
    当地质学家沃尔特·阿尔瓦雷斯刚开始研究工作的时候,他认为地质学比物理学乏味。地质学家们绘制着看似简单的河流和陆地的图谱,而20世纪的物理学却根本地改变了人类对这个世界的认知。但随着板块构造学、地层学以及地质演化学的发展进步,储藏在地下的石油和矿产不断被人发现、开发并利用,这开启了人类研制机器来寻找石油和矿产的时代。这个转变开始于18世纪,但地质学变得更重要是在20世纪。地质学为我们的世界创造了可观的收益,它实实在在地为现代工业的复杂机器提供了燃料,这使得我们的经济和生活方式都有所改进。但同时,这也带来了今天的环境问题。
    沃尔特以及其他地质学家对地理学发展的贡献,并不只是为了工业发展,也同样为了理论研究,他们的工作使得我们对地质学有了新的认识。把流星体和太阳系联系到了更广阔的领域——银河系的结构,这种过程看上去正是智能生物正确的扩张冒险步骤:把我们的世界和周围的宇宙联系起来。
    正如沃尔特的工作引发了地质学、化学以及物理学的交融,我希望本书的研究也是对其他学科的一种延续。暗物质可能是让人类更好地理解这种联系的一块拼图。我们不仅可以应用地质学去理解宇宙学事件,而且对暗物质本质的详细理解,也许会帮助我们搞清楚把彗星带到地球轨道附近的动力学系统。
    大部分人更关心流星体(天文学家和小行星矿产投资人除外),因为这些星体可能和生死相关,但这些天体产生高危事件的概率非常低。小行星和彗星基本上会在各自的轨道上稳定运行,而且它们与地球相撞的概率很小。只有极少数确实巨大的天体会过于偏离轨道,而离开太阳系或者攻击地球。基于我已经介绍的,希望你现在对什么样的地外天体会在将来撞击地球、会带来多大的危险,有更好认识。
    这本书解释了一个可能的这种撞击所产生的几个原因,这次撞击造成了6600万年前的白垩纪-第三纪大灭绝。从广义上来讲,我们都是希克苏鲁伯的后代。这是人类历史的一部分,我们应该研究并了解这段历史。如果这是真的,那么根据本书其他的相关分析,暗物质不仅不断在改变着人类的世界,而且对于人类的出现扮演着至关重要的角色。在这个框架下,从恐龙的视角来看,暗物质就是魔鬼,科学家命名其为“暗物质”也是很明智的。但从人类的角度出发,这种可能的新暗物质类型是这些重要意外的触发者,而这些意外会改变地球的发展进程,甚至决定了你是否有机会坐下读这本书。
    在这本书中,我尝试着展示科学研究的本质,即人们如何根据已有的知识去探索未知的领域。另一方面,宇宙和地球的历史都把我们送上了一次通往过去的、刺激却充满挑战的旅程。如果你认为家族历史已经很难追根溯源了,尽管长辈会告诉你很多相应的线索。那么请想一想,通过研究那些只存在于不会说话的石头上的信息来研究过去的困难程度,而且很多信息已经随时间的流逝而被风侵蚀掉了,甚至,有些随着地壳的运动而到达地幔中;又或者理解暗物质结构的复杂性,而对于这些暗物质,我们根本看不到。
    科学的进步已经揭示了基础物理学和我们眼前可见世界之间极其复杂的联系。暗物质的坍缩产生了星系,恒星中心所产生的重元素则为生命的形成做好了准备,地幔深处原子核衰变所释放出来的能量又驱动着地壳的运动从而形成了高山。我发现,人类这种能够理解宇宙中深层次联系的能力确实让人振奋不已。每当科学家探索已知世界的边界时,总会有意想不到的结果发生。
    这个世界是丰富多彩的。它如此丰富多彩,以至于粒子物理学家会问的两个最重要的问题是:“世界为什么如此多样?”“我们所见的所有东西是如何联系到一起的?”在我的研究中,我知道这些研究也许会或不会最终直接连接起人类对现有周围世界的了解。但不管怎样,我希望研究结果会对将来的研究作出一点贡献。我专注于现有理论框架的研究,我明白,任何不符合标准理论的图像和计算的结果,可能是源自对传统模型的不够了解,或者是在提示我们作出一些新的尝试。
    暗物质及其在宇宙演化中的作用是当今最令人兴奋的科学主题之一。我们能够真实地理解所有形式的物质(正如不同文化的复杂社会),但这需要我们了解它们的性质,并能够定量地计算不同物质的组分。而且,按照这种组合方式组合在一起的物质,可以重现我们周围环境的物质丰度。改进我们理解物质的最好方法就是,构建最优美可靠的,并且符合观测的物质成分表。我在前面所展示的暗物质研究也许只是一次思想实验,但它将会在未来的测量中被证实或证伪。数据和理论的自洽,是结果正确与否的最好标准。
    本书书名所暗示的影响彗星轨道的暗物质,并不是我们所指出的新型暗物质的唯一可能。暗物质盘结构可以影响恒星的运动、矮星系的形状,以及实验室中的实验结果或者太空中的观测结果。尽管与探索地球和太阳系比起来,研究暗物质从许多方面来看都更难以捉摸,但科学家们正在寻找新的方法来追踪它。相应的结果会帮助我们揭开银河系以及宇宙的神秘面纱。
    地球上的生命也许不是宇宙中唯一的生命形式,但人类的存在需要宇宙或者行星具有一些显著的特征。根据现有的了解,人类的问题最终变为了:人类是如何来到地球的?通过研究星系以及人类的起源,人类可以判断,人类到底是因为一次偶然的事故来到地球的,还是经过了平缓的演化,即人类出现在地球上是可预言的?我们已经了解了非常可观的信息,并希望可以揭示更多的联系。在过去的50年中,从不缺乏惊人的进步。
    尽管我们经常会看到新闻报道的坏消息和全球不断发生的令人失望的事件,但传播科学知识可以帮助人类改善自己的生活,并指导我们朝着对将来最有利的方向发展。科学研究不断呈现着关于人类生命与环境之间的联系、过去与未来的联系,等等。所以,人们应该感激这个世界是如此丰富多彩,它为人类应用已有的智慧和技术提供了场地和对象。
    我经常觉得,奇妙的宇宙学环境是如此令人振奋。来自外界的争吵和忧虑都不会打扰我们从大尺度上洞悉科学的意义:科学能教会我们什么?我所说的,也许听起来并不像是最实用的建议。但是仰望星空,就在你的周围,一个奇妙的宇宙等着我们去追求、拥抱和探索。(本文摘选自《暗物质与恐龙》)
    理论物理大师丽莎·兰道尔宇宙三部曲
    哈佛大学教授丽莎·兰道尔的宇宙三部曲是我们推出的“科学素养”书系首套重磅大作。在此之后,我们还将出版更多精彩丰富的科普图书,引领大家领略科学世界的风采。
      (责任编辑:admin)
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