霍金的派对：从科学天地到数码时代(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：卢昌海

出版社：清华大学出版社

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霍金的派对：从科学天地到数码时代试读：

除极个别例外，本书收录的是我替《科学画报》撰写的文章，其中多数是替“格物致知”专栏撰写的篇幅不超过1500字的短文——当然，收录到本书的版本往往比发表在杂志上的字数略多，内容也更完整。

约稿编辑对此类文章的一个基本要求，是必须联系近期的科技新闻——用通俗的话说就是必须“赶时髦”。因此那段时间我将几个英文科技网站的“简易信息聚合”（RSS）放在浏览器首页上，以便随时留意科技新闻。编辑偶尔也布置一两篇“命题作文”。本书的多数文章便是由此而来。

虽然作者总是希望自己的作品有尽可能长久的生命力，但“赶时髦”的一个可以预期的后果就是“速朽”。因为定义乃至创造“时髦”的是媒体而非历史，而历史地看，媒体的品位往往是“速朽”的。

因此，我曾建议将本书命名为《我的“速朽之作”》，但出版社出于可以理解的理由否决了这一提议，于是我退而求其次，从收录于本书的文章中选了一个标题作为书名。不过对读者我愿实话实说：本书介绍的很多新设想将会是昙花一现的，本书介绍的很多新研究将很快被证明为错误，从统计上讲，这是“赶时髦”的宿命。

明知“速朽”，为何还要集结成书呢？——读者也许会问。

这首先不可否认是出于作者固有的“敝帚自珍”心理。收录于本书的这些文章虽大都很短，话题虽大都来自媒体或编辑，撰写时却也依然费了心思，基本上每篇都参阅了原始论文，以避免“读科普写科普”那样的“近亲繁殖”，或“读新闻写科普”那样的敷衍了事，因而自信要比媒体的花哨之言更有料，也更准确。

其次——并且更重要的——则在于写作手法。具体地说，我对话题的背景介绍通常具有普遍性，从而不会因话题本身的“速朽”而失去意义；此外，我还尽量用思考性的角度来切入话题，启发读者带着开放和怀疑的眼光阅读新闻，不把结论写死，也不把问题掩去。

这种写作手法可在一定程度上延长“速朽之作”的寿命。比如拙作《来自襁褓宇宙的线索》发表后不久，其所介绍的观测结果就被基本否定了（被基本确定为是星际尘埃造成的干扰），成为本书中“朽”得最快的文章。但我回过头来读那篇文章，却发现不仅占篇幅一大半的背景介绍丝毫不受影响，就连结论部分也无需修改，因为我不仅引述了“在未得到不止一组确认之前，没有任何实验能被太认真地看待”那样的谨慎之语，强调了“复核”这一“容易因兴奋而忽视的环节”，并且具体提到了作为主要复核途径之一的“普朗克卫星预计将在几个月内发布新数据”（后来正是那些新数据为推翻原先的观测结果提供了依据）。跟同时期的其他介绍相比，拙作可算是为数不多将“速朽”列为重要可能性，而且并非是用“凡事都有可能出错”之类宽泛而圆滑的理由来搪塞的，这一点我是略觉自豪的。在具体题材“速朽”的背后，具有普遍性的背景介绍及带着开放和怀疑的眼光阅读新闻的方法是不会“速朽”的。

最后，还有一个小小的理由也可为“速朽之作”的集结成书略作辩解，那就是这些文字毕竟记述了我们这个时代曾经有过——甚至曾经热捧过——的无数想法中的一部分，哪怕错了，甚至错得可笑，作为历史侧记也是不无趣味的。

1938年10月，在将于来年举办的纽约世博会（New York World's Fair）的工地上，一些留给5000年后的人类子孙的物件被埋入了地下，其中包含了一封爱因斯坦的信。爱因斯坦在简述了他那个时代的基本特征之后，在信的末尾写道：“愿后代怀着一种自豪的心情和理所当然的优越感阅读此信。”在结束这篇自序时，容我拾爱因斯坦牙慧说上一句：愿本书的读者也能怀着“自豪的心情和理所当然的优越感”来读这本“速朽之作。”因为他们看到的是一串探索的足迹，这串足迹里的“速朽”反衬出的正是他们的进步。第一部分科学天地计算机与数学证明

自20世纪30年代起，有位名叫“布尔巴基”（Nicolas Bourbaki）的数学家崭露了头角，后来人们知道，他其实不是一个人，而是一群数学家的笔名。用笔名在科学界是较少见的，但也并非绝无仅有，比如当今数学界有个叫“艾卡德”（Shalosh B.Ekhad）的家伙发表了几十篇论文，也并不是一个人，甚至不是人，而是计算机。“艾卡德”虽远没有“布尔巴基”出名，象征意义却不容忽视，因为其“导师”——以色列数学家蔡尔伯格（Doron Zeilberger）——坚持让计算机独立署名，乃是为显示其在数学中日益重要的作用。

计算机在像物理那样的经验科学中的作用早已被广泛认可，一篇物理论文哪怕全部演算都靠计算机，也不会引起非议。数学却不同，它对严谨性的要求在物理之上，结果则不像物理那样受观测检验，因此特别注重推理的步骤。德国数学大师克莱因（Felix Klein）在名著《数学在19世纪的发展》中曾这样描述数学：“不管什么人，想要进入它，就必须在自己心里，依靠自己的力量，一步一步把它的发展再现一次。”计算机一介入数学证明，就明显破坏了克莱因的描述。

但计算机介入数学证明的势头却颇有些难以阻挡。早在其问世不久的20世纪50年代，一些美国数学家——其中包括华裔数学家王浩——就用计算机证明了英国哲学家罗素（Bertrand Russell）和怀特黑德（Alfred North Whitehead）的名著《数学原理》（Principia Mathematica）中一阶逻辑部分的全部定理；另一些数学家——其中包括中国数学家吴文俊——则用计算机证明了许多几何定理。而最轰动的则是1976年，美国数学家阿佩尔（Kenneth Appel）和德国数学家黑肯（Wolfgang Haken）用计算机辅助证明了四色定理（four color theorem）——一个从未被常规手段证明过的定理。

计算机介入数学证明引起了很多数学家的不安，因为在计算机领域中，像Windows、MacOS那样的操作系统，像Mathematica、Maple那样的应用软件都不是开放源代码的，从而在原则上就不是数学家所能检验的。更糟糕的是，即便是原则上可以检验的部分，比如直接介入数学证明的那部分程序，数学家通常也没什么兴趣去检验，因为那些程序所做的通常是运算量巨大而逻辑结构死板的工作，检验起来往往既学不到数学，也得不到启示，实在是味同嚼蜡。这种兴趣匮乏的一个后果，就是数学证明中的计算机部分往往会拖整个证明的后腿。这方面一个著名的例子是1998年美国数学家黑尔斯（Thomas Hales）向著名刊物《数学年刊》提交的一个有关开普勒猜想（Kepler conjecture）的证明。该证明包含了约250页的文稿及10万行左右的计算机程序。结果等了4年也没人检验他的程序，等了7年文稿部分才得以发表，但整个证明迄今未被公认。无奈之下，黑尔斯自2003年起开始研发一个能让计算机检验此类证明的系统。但据他估计，该系统若由一个人研发，约需20年的时间，看来是要“等到花儿也谢了”。而且该系统本身就是计算机程序，从而首先得接受检验。

计算机介入数学证明引发的一个重要问题是：数学证明的明天会怎样？对此人们众说纷纭。一些人认为，随着数学研究的不断深入，计算机的介入将日益显著，不用计算机做数学将如同不穿鞋子跑马拉松。比如蔡尔伯格就表示，人类正日益接近自身证明能力的极限，今天的许多数学研究已没多大意思，之所以仍有人做，只是因为唯有那些东西才是人类还能直接胜任的。他预期，随着计算机能力的快速增长，再过二三十年，大多数研究都将可以由计算机来做。它们不仅能证明数学定理，甚至可以发现数学定理。另一些人则坚信，数学仍将是他们熟悉的数学，计算机至多只能起辅助作用。就不太遥远的将来而言，我更倾向于后一种看法，因为数学证明中很多精妙的东西恐怕在很长时间内都不是计算机能够胜任的，比如拿费马大定理来说，它是一个有关自然数的命题，其证明——据我们所知——却要用到大量远远超出自然数范畴的高深数学，如果我们把命题及自然数的公理输入计算机，它几乎要自行重建数学大厦的很大一部分结构才有可能给出证明，这在我看来绝不是二三十年后的计算机能够胜任的。

退一万步说，假如真有前面那些人所说的那一天，很多数学家依然乐观地认为他们有事可做，因为他们认为，那时候的数学将是找出并研究那些无法用计算机来做的东西！物理学是困难的——数学家的证言？

2012年3月，著名物理学刊物《物理评论通讯》（Physical Review Letters）发表了西班牙马德里大学（Complutense University of Madrid）的数学家丘比特（Toby S.Cubitt）及同事的一项有趣的研究，其结论被许多媒体描述为：物理学是困难的。

对多数人来说，这也许没什么新鲜的，因为物理学一向就被认为是困难的。不过，当普通人说“物理学是困难的”时，如果我们追问：什么叫做“困难的”？如何证明“物理学是困难的”？多半会被视为抬杠。但同样的话成为数学家的证言时，这些就不再是抬杠，而变成非常有趣味的问题了。

那么就让我们探究一下其中的趣味吧。

先说说“困难的”。数学家对数学问题——确切地说是所谓的判定问题（decision problem）——的困难度有着严格的分类，其中最常用的两个类别是P和NP，前者是在多项式时间（polynomial time）内能找到答案的问题；后者则是在多项式时间内能验证答案的问题。这其中“多项式时间内”指的是用理想计算机——也叫图灵机（Turing machine）——为工具所需花费的时间随输入信息数量的增加不快于某个多项式函数。在这两个类别中，P是困难度最低的，NP则由于只对验证答案的时间作了限定，从而有可能包含某些无法在多项式时间内找到答案——即比P问题更困难——的问题。为了方便起见，数学家们将NP问题中最困难的称为NP完全（NP complete）问题。而“困难的”这一概念，它的全称乃是“NP困难的”（NP hard），指的是起码跟NP完全问题一样困难（但不一定属于NP这一类别）。限于篇幅，对“最困难”及“一样困难”这两个概念我们只得割爱了，但请相信我，它们也是有严格定义的，并非偷梁换柱。

接下来说说如何证明“物理学是困难的”。丘比特等人认为，很大一部分物理学所研究的乃是物理体系的状态演化，其形式类似于数学上的马尔可夫过程（Markov process），特点是每个时刻的状态都可以通过一个所谓的转移矩阵，从前一时刻的状态中计算出来。利用这种类似性，研究物理体系的状态演化可以抽象为一个数学问题，即通过实验数据确定转移矩阵。而这一数学问题——丘比特等人证明了——是跟一个已被证明为是“困难的”的数学问题一样困难的。这样，他们就证明了“物理学是困难的”——当然，如前所述，这是媒体对他们结论的描述，丘比特等人原始论文的措辞要严密得多。

由于是第一次有人对“物理学是困难的”这一含义模糊的老生常谈给出精确描述及证明，丘比特等人的研究引起了很多人的兴趣，其中既有对结论的兴趣，也有对日常概念精确化的好奇。有些媒体则很替物理学家们高兴，因为“物理学是困难的”意味着物理学家们不必担心计算机能抢他们的饭碗。

不过，将丘比特等人的研究结论描述为“物理学是困难的”其实是有一定误导性的。

首先，从物理上讲，稍有研究经验的人都知道，物理学家们研究物理体系的状态演化根本就不会采用通过实验数据确定转移矩阵那样笨拙的、本质上是将有规律现象视为随机现象来处理的数学方法。丘比特等人通过该方法得出的结论究竟有多大意义，是值得商榷的。其次，哪怕从数学上讲，把“NP困难的”说成“困难的”起码在目前也还缺乏依据。细心的读者也许注意到了，我们在提到NP有可能包含某些比P问题更困难的问题时，用了“有可能”一词。之所以要用这个词，是因为数学家们尚未排除NP与P这两个类别完全相同的可能性。事实上，这两个类别是否相同乃是理论计算机科学中最著名的未解之谜，也是美国克雷数学研究所（Clay Mathematics Institute）列出的“千禧年问题”（Millennium Problems）之一。假如NP与P这两个类别完全相同，那么NP完全问题就并不比困难度最低的P问题更困难，NP困难的问题也未必比困难度最低的P问题更困难。因此，无论从物理还是数学上讲，将丘比特等人的研究结论描述为“物理学是困难的”都是有一定误导性的。

不过，媒体有一点也许说对了，那就是物理学家们不必担心计算机能抢他们的饭碗。只不过原因恐怕并非是丘比特等人的研究，而是因为物理学很微妙，绝非丘比特等人所设想的数学问题所能代表。量子引力在我家中？*

明眼的读者一定看出来了，这个标题乃是效仿美国物理学家费米（Enrico Fermi）的夫人曾经用过的一个书名——《原子在我家中》（Atomsinthe Family）。为什么要效仿呢？因为要介绍以色列希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）的物理学家贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）新近（2012年11月）提出的一个设想。那设想的最大特点是把原本被认为要用极巨大的设备才能探测的物理效应搬到了“桌面”（desktop）上，甚至有可能在“家”中进行。当然，我们还在标题上添了一个问号，其用意看过本文后将会自动明了。

贝肯斯坦提议探测的物理效应是所谓的量子引力（quantumgravity）效应。一般认为，这种效应只有在极小的尺度上才会变得显著，那尺度被称为普朗克长度（Planck length），约为一-35千亿亿亿亿分之一米（10米），或相当于原子核尺度的一万亿亿分-20之一（10）。另一方面，微观世界的一个著名特点是：想要探测的距离越小，需要投入的能量就越高。物理学家们建造越来越大的加速器，正是为了达到越来越高的能量。但即便目前最大的加速器——周长27千米的大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC）——所能达到的能量也只有探测普朗克长度所需能量的一千万亿分之一-15（10）。

*本文发表于《科学画报》2013年第2期（上海科学技术出版社出版）。

那么，贝肯斯坦有什么神通，能绕过上述困难呢？他的思路是这样的：探测量子引力之所以需要极高的能量，是因为要探测极小的距离，但极小的距离却不一定非要探测才能确定。如果有办法不探测就能确定极小的距离，自然就无需极高的能量了。具体地说，贝肯斯坦的设想是这样的：用一个光子照射一块静止的（透明）介质，当光子进入介质时，它的动量将会变小，按照动量守恒，减小的动量将会传给介质，使之产生一个很小的速度；而当光子离开介质时，原先的动量将会恢复，介质则将重新静止。在这个过程中，介质的质心移动距离可以无需探测就用动量守恒来确定。

贝肯斯坦证明了，通过选取适当的光子（比如波长为445纳米的绿光光子）和介质（比如厚度1毫米，质量0.15克的高铅玻璃），可以不太困难地将介质的质心移动距离控制在普朗克长度附近。另一方面，（贝肯斯坦认为）量子引力的效应之一乃是时空中存在大量尺度为普朗克长度的微型黑洞，它们的质量约为十万分之一克（即所谓的普朗克质量）。当介质的质心移动时，将不可避免地与微型黑洞相碰撞，且有可能因碰撞而受阻（因为微型黑洞的质量并不比透明介质的质量小太多）。但介质的质心移动是动量守恒的要求，只要光子穿过介质，那移动距离就是确定的，它的受阻只能意味着光子将被反射回去而无法穿过介质。这种体现量子引力效应的反射是对经典反射规律的修正。这样，贝肯斯坦就找到了一种在普通实验室里就能实现的方法，通过观测对经典反射规律的修正来检验量子引力效应。在论文中，贝肯斯坦还对有可能干扰实验的多种因素（比如色散、机械振动、环境中的气体分子和光子，乃至中微子和暗物质的影响等）进行了分析和排除，并得出结论说：那样的观测是当前的实验技术就能做到的。

结论是令人振奋的，思路也是足够大胆的。问题是：分析可靠吗？在我看来是有点悬的。比如其中至关重要的介质的质心与微型黑洞的碰撞就很悬。众所周知，质心乃是抽象概念，并不对应于具体粒子，它本身是无法与微型黑洞相碰撞的。在碰撞问题中使用质心概念的一个先决条件，是由质心所代表的物体中的所有粒子都必须以直接或间接（即通过内部应力的传递）的方式参与相互作用（只有参与了，才有可能被代表）。但对于与尺度为普朗克长度的微型黑洞相碰撞来说，这是办不到的，因为那样的微型黑洞寿命极短，在其寿命范围内，相互作用的传递距离比原子核尺度还小十几个数量级，从而根本不可能让所有粒子都参与（事实上几乎不可能让任何粒子参与）。在这种情况下，质心将失去代表物体的作用，其与微型黑洞的碰撞也就无从谈起了。除此之外，贝肯斯坦的论文还有其他一些大胆却并不坚实的分析。或许正因为如此，该论文发表后，学术界的反响远不如媒体热烈，引用数迄今为零。我所见到的唯一圈内人士的评论来自瑞典诺迪克理论物理研究所（Nordic Institute for Theoretical Physics）的物理学家霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder），她也提出了若干异议（其中很有力的一条也是有关质心的，即质心的细微移动是很容易实现的，比如像声子那样只涉及一部分粒子的运动经全体粒子平均后，所对应的质心移动就很容易小到普朗克长度附近，但很难想象声子运动会跟量子引力有关），并表示看不出那样的实验会对任何量子引力理论产生约束。

不过，贝肯斯坦是一位特殊的物理学家，他最著名的工作是1972年提出的黑洞熵概念，当时的分析也是大胆却并不坚实的，受到包括英国物理学家霍金（Stephen Hawking）在内的一些人的怀疑。但后来恰恰是霍金本人用比较坚实的推理支持了贝肯斯坦的分析。一晃40年过去了，已经65岁的老贝肯斯坦能重演25岁时的故事吗？我们将带着审慎的不乐观拭目以待。霍金的派对

每个人一生都会遇到遗憾事。如果你是电脑游戏玩家，也许常常会希望人生能像电脑游戏那样“读取进度”，重新尝试，让憾事不再。如果你问物理学家：人生能否“读取进度”？也许他会告诉你：那得看时间旅行是否可能。

时间旅行是否可能？这问题物理学家们从目前已知的物理规律入手进行过研究，初步的结果不容乐观，但尚无定论。*既然尚无定论，就存在可能性，因此，有些物理学家从另一个角度进行了探讨，即时间旅行如果可能，我们周围是否已经有了时间旅行者？英国物理学家霍金（Stephen Hawking）在《时间简史》（A Brief History of Time）一书中就问过这个问题，他并且提出，对这个问题的否定回答，也许意味着重返过去的时间旅行是不可能的——之所以强调“重返过去”，是因为时间旅行在目前显然还不可能，从而时间旅行者只能来自未来，到我们周围对他们来说乃是重返过去。

为了检验我们周围究竟有没有时间旅行者，霍金还做过一个有趣的实验：他给时间旅行者写了请柬，邀请他们于某个指定时间到剑桥大学内的某个指定地点参加派对。他并且把消息的发布安排在指定时间之后，以确保没有普通人能因提前知道消息而冒充时间旅行者。那请柬则被放在了一个能长久保存的地方，以便未来很长时间内的时间旅行者都有可能发现它们。

结果没有任何人来参加霍金的派对。

不过物理学家们并不死心。

2013年，美国密歇根理工大学（Michigan Technological University）的物理学家奈米罗夫（Robert J.Nemiroff）等人想到了另外一招：在互联网上搜索时间旅行者的信息。什么样的信息能被认为是来自时间旅行者的呢？奈米罗夫等人认为是有“先见之明”（prescient）的信息。具体地说，他们考虑了两类那样的信息：一类是在2012年9月之前提及“Comet ISON”（ISON彗星）的信息；另一类是在2013年3月之前提及“Pop Francis”（教皇方济各）的信息。这两者的时间范围都选在了所涉及的术语问世之前，因此对那些术语的提及有可能是时间旅行者才能有的“先见之明”。对那两类信息的选取还考虑了另外一些因素：比如所涉及的术语比较独特（这可以减少巧合），且比较重要（这可以增加其被时间旅行者知晓的可能性——不过“Comet ISON”在我看来是不太够格的）。

至于搜索手段，奈米罗夫等人所倚重的是“推特”（Twitter）网站的具有时间排序的搜索功能，同时也借鉴了对他们的目的来说有一定缺陷的“谷歌”（Google）、“脸书”（Facebook）等网站的搜索功能。此外，他们还利用了“谷歌趋势”（Google Trends）——一种针对搜索术语本身的搜索工具，以检验是否有人在那些术语问世之前就进行过有先见之明的搜索。

搜索的结果则跟霍金的派对一样：一无所获。

虽然搜索失败，但相对于其他手段，网络搜索是比较容易的，因此或许会有人效仿。不过，那样的搜索有多大可信度却是值得怀疑的。在日本推理作家东野圭吾的小说中，有位罪犯在若干意外事件发生之前就在网上发布了信息。按奈米罗夫等人的方法，那样的信息很可能被当成是时间旅行者才有的“先见之明”。而其实，罪犯手法的环节之一只不过是发布很多同类信息，以确保有些能碰对。在奈米罗夫等人的搜索中，自然不会有罪犯来搅局，但每天有那么多人发布那么多信息，哪怕是比较独特的术语，碰巧出现的可能性也是不容忽视的。事实上，奈米罗夫等人已经碰到了一例，只不过是以太过含糊为由丢弃了。此外，这种搜索的遗漏性是很大的，因为重要术语何止成千上万？时间旅行者恰好提及被选中的术语的可能性是极小的。

更何况，若时间旅行者果真来到我们周围，且有能力和意愿展示他们的先见之明，他们会用提及一两个术语那样小儿科的手法吗？我是很怀疑的。我倒是想起了多年前读过的一篇科幻小说：一艘来自先进文明的飞船因失事而致一名乘员失踪，那失踪之谜最终被查清了，原来那乘员幸存在了地球上，他在地球上的名字叫做爱因斯坦！

也许，那篇科幻小说的寓意比奈米罗夫等人的设想还更切实一些吧，因为未来的科技才是最确凿的先见之明，时间旅行者若不吝展示先见之明的话，他（她）完全有可能成为像爱因斯坦那样的大人物，而不是在网上发几个含糊其词的术语。来自襁褓宇宙的线索

喜欢侦探小说的读者都知道，侦探小说的写法千变万化，有一点是不变的，那就是当侦探们赶到现场时，罪案早已发生过了。研究宇宙起源的科学家们的处境跟侦探们相似，他们赶到现场的时间也晚了，而且晚得很厉害——晚了约138亿年。

因此，留给他们的课题也跟侦探们相似，那就是依据现场残留的线索来复原“罪案”的过程。

1929年，美国天文学家哈勃发现了一条重大线索：附近的星系大都在离我们而去，而且距离越远离开得越快。这条线索支持了科学家们此前就注意过的一种可能性：宇宙在膨胀。

如果宇宙在膨胀，那么越往远古回溯，宇宙就越小，甚至有可能存在某个时刻，能被追认为是宇宙的诞生。在那个时刻，一场大爆炸缔造了宇宙，我们则全都是它飞散的“碎片”。1964年，美国天文学家彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）发现的另一条重要线索有力地支持了这种可能性。那就是所谓的“宇宙微波背景辐射”（cosmic microwave background radiation），它的温度约为3K（即约为-270℃），被认为是“大爆炸”的余温。宇宙微波背景辐射不仅确立了被称为“大爆炸”（the Big Bang）的宇宙起源理论的主流地位，而且成为了后续探索的重要领域。

不过，大爆炸理论虽取得了主流地位，却也面临一些棘手的困难，比如某些理论计算预期，宇宙中应充斥着所谓的“磁单极”（magnetic monopole）——一种从未被发现过的粒子。为了解决那些困难，20世纪70年代末80年代初，美国物理学家古斯（Alan Guth）等人提出并发展了一个假设，那就是在大爆炸初期的一个极短的时间内，宇宙经历过一个被称为“暴胀”（inflation）的近乎指数形式的膨胀阶段，这种暴胀不仅可以“稀释”掉磁单极，而且也能解决其他几个困难。

20世纪末21世纪初，宇宙背景探测器（cosmic background explorer, COBE）和威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson microwave anisotropy probe, WMAP）等太空探测器在宇宙微波背景辐射的温度分布中发现了进一步的线索，对包括暴胀理论在内的大爆炸理论提供了支持，并且以空前的精度确定了许多宇宙学参数的数值。

但是，一些其他理论——比如其他引力理论——也在试图解释这些线索。

那些理论的命运会如何呢？科学家们2014年3月发布的一条来自襁褓宇宙的新线索有可能对之作出某种程度的判决。与以前的线索相比，这条新线索与暴胀理论有着更密切的关联，它直接起源于暴胀阶段产生的所谓“原初引力波”（primordial gravitational wave）。原初引力波虽出现在138亿年前，但它能影响宇宙微波背景辐射的光子偏振，产生出一种被称为B模（B-mode）的分布模式，从而在今天依然有可能被间接观测到。为了观测这种B模，科学家们于2006年在南极点附近建立了专门的观测站——BICEP（background imaging of cosmic extragalactic polarization）。自2010年起，该观测站启用了第二代设备——称为BICEP2。之所以要把观测站建在南极点附近，是因为那里的天气较为稳定——尤其是在漫长的“极夜”（polar night）期间，并且因寒冷而干燥，降低了大气中水汽对观测的干扰。在那样的条件下，经过三年的数据积累，外加对许多其他因素的细心排除，科学家们终于得到了这条新线索。

在南极的冰原上仰望苍穹，居然能窥视到襁褓时期的宇宙，这是何等地动人心魄？

这条新线索的重要性体现在多个方面：首先，它不仅是对已存在间接证据的暴胀理论和引力波的再次支持，而且从某种意义上讲，还是量子引力（quantum gravity）的第一个间接证据——因为原初引力波的产生是一种量子引力效应；其次，它为科学家们提供了一个窥视最早期宇宙（最初一亿亿亿亿分之一秒以内）及最高能物理（比目前最大的粒子加速器所能达到的能量还高一万亿倍以上）的重要手段；最后但并非最不重要的，是它有助于排除某些理论，其中包括暴胀理论的某些变种——因为这种B模在很多理论中是不存在或比观测到的小得多的。这方面的一个有趣的例子是，英国物理学家霍金表示，这条新线索的发布意味着他赢得了跟同事的一个赌局，因为那位同事所主张的就是一个不存在B模的理论。

不过，那位同事并未即刻认输，理由是有能力观测B模的欧洲太空署（European Space Agency）的普朗克卫星（Planck satellite）曾于去年发布过数据，依据那些数据的估算却未曾得到幅度相似的B模。这一理由提醒人们注意一个容易因兴奋而忽视的环节：复核。科学研究离不开复核，事实上，就连最能从这条新线索中“受益”的古斯也表示“在未得到不止一组确认之前，没有任何实验能被太认真地看待”。普朗克卫星的数据为什么没有得到幅度相似的B模？是欧洲人“大意失荆州”，还是别有原因？将由复核来确定。复核的途径是多种多样的，除检验已有的数据外，普朗克卫星预计将在几个月内发布新数据；第三代的BICEP正在建设之中；其他一些研究组也在进行类似的观测……他们能否证实这条新线索，是一个令人期待的悬念。灾星还是福星？

我喜欢自称是科幻爱好者，不过这一称号若有准入门槛，我大概只能在门外兴叹，因为喜欢归喜欢，我对科幻的涉猎其实有限。前不久，著名美国科幻作家布雷德伯里（Ray Bradbury）的去世就让我着实汗颜了一下——我居然没看过他的任何作品。为了挽回颜面，我翻看了他的早期名作《火星纪事》（The Martian Chronicles）。可惜看了十几页仍提不起兴致，只得半途而废。

在那十几页中，只有一处令我赞赏，那是一位火星女子问自己丈夫“第三颗行星[即地球]上会有人居住吗”时，丈夫给出的否定回答：“科学家说那儿的大气中氧气太多。”

我们这些地球读者也许会笑话火星科学家的无知，不过，这种因自身环境引致的思维羁绊，恐怕是地球科学家也难以幸免的。不久前，两位地球科学家——美国科罗拉多大学（University of Colorado in Boulder）的马丁（Rebecca Martin）和太空望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute）的利维奥（Mario Livio）——所发布的一项被美国国家航空航天局（NASA）及若干媒体报道了的研究，似乎就透着火星科学家的气息。

马丁和利维奥的这项研究提出了一个标新立异的观点，那就是像我们太阳系中小行星带那样的小天体分布，对于高等生物的产生是必不可少，并且恰到好处的。这个观点的标新立异之处在于，小行星因其撞击地球、导致生物大灭绝的能力，一向是被当成威胁生物演化的灾星的。为了铲除灾星，一些科学家甚至认为木星这个小行星“清道夫”的存在对于高等生物的产生是必需的。这是所谓“稀有地球假设”（rare Earth hypothesis）的一部分。而马丁和利维奥却提出，小行星不铲除固然不行，铲除得太彻底也不行，必须铲除得像太阳系中的小行星带那样恰到好处才利于高等生物的产生。这一观点的一个直接后果，就是使“地球”的存在变得更稀有了。事实上，马丁和利维奥对目前已知的太阳系以外的行星系统进行分析后发现，像木星那样的“清道夫”位于有可能将小行星铲除得恰到好处的位置上的比例只有约4%。这之中恰好有小行星带，且位置恰好便于“被铲除”得恰到好处的，当然更少。

提出这样标新立异的观点，究竟有什么理由呢？其中一个比较新颖的理由，是认为“适度”的小行星撞击所导致的生物大灭绝可以为新物种的出现创造条件，迫使幸存的旧物种重新适应环境，加速物种的整体演化，从而有利于高等生物的出现。从这个意义上讲，小行星的存在对于高等生物的出现来说，反而成了福星。作为例证，马丁和利维奥提到了发生在距今约6500万年前的白垩纪（Cretaceous Period）末期的陨星撞击。那次撞击造成的包括恐龙在内的大量物种的灭绝，曾经为哺乳动物的崛起创造了条件。

有道理吗？倘若紧跟马丁和利维奥的逻辑，很可能是会觉得有道理的。不过，那道理有多硬，却大可商榷。事实上，只要从他们的逻辑上稍稍偏开一点，换个视角，恐怕就不难察觉其与布雷德伯里笔下火星科学家的观点有一定的相似性，比如都把自己生活的环境当成了唯一恰到好处的环境。这种“以己度人”的推理虽未必一定是错，却很容易忽视其他可能性。

拿马丁和利维奥的推理来说，很多其他可能性就被忽视了。比如生物大灭绝可以加速物种演化的观点乃是源自一种被称为“间断平衡”（punctuated equilibrium）的生物进化理论，而那种理论是有争议的。又比如，即便生物大灭绝可以加速物种演化，它是否需要陨星撞击来促成也是未知之数。这不仅因为我们还无法将生物大灭绝和陨星撞击的时间确定到建立因果联系所需的精度上，而且还因为许多其他可能性也能导致生物大灭绝，其中包括单纯的随机性——后者并非偷懒，而是因为有生物学家发现生物灭绝的规模与发生频率满足近似的幂律，而幂律的一种可能的起源就是随机性。再比如，即便生物大灭绝需要陨星撞击来促成，那陨星是否来自小行星带也仍是未知之数。比如有些科学家就认为，比小行星带遥远得多的奥尔特云（Oort cloud）才是造成生物大灭绝的陨星来源地。

所有这些争议和未知的背后，无疑都是其他可能性。

忽视所有其他可能性，而把我们或许只是碰巧生活在其中的环境当成唯一，那样的标新立异有多大的可信度？我不知道。但对之多打一个问号，我想是要比追逐新奇的媒体，以及布雷德伯里笔下的火星科学家更明智的。寻找“地球”

银河系中究竟有多少颗行星？这在以前是一个理论问题，如今却更多地成为了观测项目。

1992年，科学家们在一颗编号为PSR1257+12的脉冲星（pulsar）周围发现了两颗行星，由此开启了观测太阳系以外行星（extrasolar planet）的时代。截至2012年1月，已被确认的太阳系以外行星达到了700多颗，有待确认的“候选者”更是多达1000多颗。相应地，人们对银河系中行星数量的估计也一再飙升，仅在过去一年里，就从500亿增加到了1600亿。

研究太阳系以外的行星有什么意义呢？首要的意义是帮助我们更好地理解行星系统的特点及形成。其次则是探索外星生物——尤其是智慧生物——存在的可能性。后者导致的一个搜索目标，就是寻找类似于地球的行星，或曰寻找“地球”。

什么是类似于地球的行星呢？首先，它所围绕的必须是所谓的主序星（main-sequence star），即像太阳这样尚处于“壮年”期的恒星，而且“块头”与太阳相近（否则会因各种原因无法长期维持生物演化所需的稳定而适宜的环境）。其次，它必须是“类地行星”（terrestrial planet），即像地球这样具有固体表面的行星。此外，它还必须能长期维持液态水和大气，这要求它与恒星的距离适中，即位于所谓的“可栖息带”（habitable zone）中，而且质量不能比地球小太多（否则不会有足够的引力长期维持液态水和大气）。

为了寻找“地球”，科学家们进行了长期努力。1995年，他们在一颗编号为“飞马座51”（51 Pegasi）的类似于太阳的主序星周围首次发现了行星，可惜那是一颗像木星那样的气态巨行星（gas giant）。这是观测手段造成的自然筛选（因为气态巨行星比较容易被发现）。直到十年后的2005年，科学家们才在一颗编号为“格利泽876”（Gliese 876）的红矮星周围发现了一颗质量约为地球7.5倍的类地行星。这种比地球大的类地行星被称为“超级地球”（super-Earth）。2009年之后，随着开普勒太空望远镜（Kepler space telescope）的启用，“超级地球”的大小逐渐向“地球”靠拢。2011年底，科学家们终于在一颗编号为开普勒20（Kepler-20）的类似于太阳的主序星周围发现了两颗质量与地球相近的行星。这一消息不仅令科学家们感到振奋，也引起了媒体的关注。

但美中不足的是，这两个“地球”离它们的恒星都太近，从而并不位于可栖息带中。这也是观测手段造成的自然筛选（因为开普勒太空望远镜需要观测三个公转周期才能提供一个行星候选者，因此先发现的只能是公转周期较短，从而离恒星较近的行星）。科学家们期待在不久的将来会发现位于可栖息带中的“地球”。

但即便是那样的“地球”，它们与存在智慧生物之间也仍可能有着很大距离。有些科学家认为，智慧生物的产生有可能需要极为苛刻的条件，包括一些粗看起来无关紧要的条件——比如在适当的距离上存在木星那样的气态巨行星，以及拥有月球那样相对质量很大的卫星等。因为前者可以在很大的范围内扫清小天体，使“地球”上的生物不至于频繁遭遇毁灭性的陨星撞击；后者则可以起到维持“地球”自转轴的稳定等作用。根据那些科学家的估计，考虑了所有条件之后，有智慧生物存在的“地球”是极为稀有的，即便在已大大“扩容”了的银河系数以千亿计的行星之中，也仍有可能是独一无二的，这被称为“稀有地球假设”（rare Earth hypothesis）。

当然，这是一个有争议的假设，它的一个最有可能的缺陷就是过于依赖于人类自身这一智慧生物的单一样本。其实，寻找“地球”的过程本身就多次显示出了单一样本的不可靠性。比如人们曾经认为类地行星离恒星较近，气态巨行星离恒星较远。但实际上，太阳系以外的一部分气态巨行星却出现在离恒星极近的地方；2011年底所发现的那两个“地球”更是如三明治一样与气态巨行星交错分布着。这一切都无情地打破了人们曾经由太阳系这个单一样本所推断出的行星分布“规律”。

不过，争议归争议，寻找“地球”的努力仍将继续。即便存在智慧生物的“地球”真的极为稀有，寻找在某些方面类似于地球的行星依然是一项重要的探索。也许有一天，人类会向那样的“地球”移民，甚至如阿西莫夫（Isaac Asimov）小说所描绘的那样组成一个“银河帝国”（galactic empire）呢！外星球的灯光

除了我们脚下这颗蓝色星球外，还有多少星球上存在智慧生物？这是一个很多人感兴趣、却尚无答案的问题。有人倾向于所谓的“稀有地球假设”（rare Earth hypothesis），即认为地球有可能是银河系甚至宇宙中唯一存在智慧生物的星球；也有人相信所谓的“平庸原理”（mediocrity principle），即认为智慧生物的出现乃是不足为奇的现象。

这种见解上的分歧近期内还看不到解决的可能，因为我们不仅从未发现过外星智慧生物栖居的星球，甚至连什么手段最适宜搜索他们都还有争议。在笔者还是《科学画报》的小读者的时候，一种比较流行的看法是认为智慧生物必定会像人类一样发展出无线电通信技术，并且必定会向外层空间泄漏电波，因此最适宜的搜索手段是探测他们的电波。可惜，人类自己的技术发展很快就让这一手段失了宠——因为比无线电通信更优越的光纤通信基本不泄漏电波。

那么，还有什么别的手段适宜搜索外星智慧生物呢？最近，两位美国科学家——哈佛大学（Harvard University）的洛布（Abraham Loeb）和普林斯顿大学（Princeton University）的特纳（Edwin Turner）提出了一种设想。他们认为，外星智慧生物必定会像人类一样使用灯光，从而我们可以通过探测外星球的灯光来搜索他们。

听起来有点意思，但外星球的灯光——如果有的话——究竟能在多远之外被探测到呢？洛布和特纳做了简单估算，结果表明像人类大城市那样的灯光可在50个天文单位（约75亿千米）处被观测到。这相当于太阳系外围的柯伊伯带——一个距太阳30～55天文单位的小天体带——与我们的距离。受此启发，洛布和特纳提出了一个更大胆的设想，即个别柯伊伯带天体或许真的就是外星智慧生物的栖居地，它曾经很靠近太阳或其他恒星，从而演化出了智慧生物，后来因某种原因脱离了原先的轨道，“漂移”到柯伊伯带中。洛布和特纳还进一步提出，柯伊伯带天体上的灯光与天体本身的光亮不同，前者与离太阳的远近无关，后者却与远近有关（因后者是阳光反射所致）。因此，通过跟踪观测柯伊伯带天体离太阳的远近与它的亮度间的关系，我们就有可能发现栖居在那里的智慧生物。

由于外星智慧生物一向是大众喜爱的话题，洛布和特纳的设想引起了不少媒体的关注。但其实早在1979年，著名美国科普作家阿西莫夫（Isaac Asimov）就在《地外文明》（Extraterrestrial Civilizations）一书中提及了类似的设想。当然，阿西莫夫没有提议以当时尚未发现的柯伊伯带为搜索目标。不过，那目标与其说是创意，不如说是胡猜，因为在它背后，是一系列极不可能的假设：比如假设在柯伊伯带天体上能演化出智慧生命（那样的小天体哪怕曾经温度合适，也很难长期维持大气和液态水）；比如假设在如此寒冷的环境下，智慧生物居然仍生活在天体的表面而没有躲到更利于保暖的内部；比如假设在资源如此匮乏的情况下，智慧生物居然会让大量灯光耗散在虚空里……

不过，以柯伊伯带为搜索目标虽属胡猜，用外星球灯光搜索智慧生命倒未必毫无可行性。如果那外星球比柯伊伯带天体大得多，灯光总量也更多，探测的可行性就会更大。比方说，如果外星球的灯光与目前整个地球的灯光相当，我们在1000个天文单位（比太阳系最遥远的行星海王星离我们还远30多倍）处就能探测到。如果探测技术进一步发展，或外星球的灯光比这更强，则探测距离还可增加，直至延伸到其他恒星的周围。

另一方面，这探测手段也带给我们一个反面启示，那就是人类的灯光污染（light pollution）已达到了惊人的规模——用人类自己的技术在1000个天文单位处就能探测到。如果真有外星智慧生物的话，他们或许也在搜索我们，而且谁也摸不准他们对我们怀有善意还是恶意。最安全的做法也许是在搜索他们的同时隐藏自己。为此，我们显然需要在控制灯光污染上多下功夫。

当然，外星智慧生物没准也会这么想，从而也控制自己的灯光。那样的话，这一搜索手段很可能也会成为徒劳，而我们的好奇心则将持久地悬着。假如接收到外星人的信息……

英国科幻作家威尔斯（H.G.Wells）在《世界大战》（The War of the Worlds）的开篇这样写道：

我们的世界正在被一种比人类更先进、但同样会死亡的智慧生物聚精会神地注视着，……像我们用显微镜研究一滴水里蠕动繁殖的生物一样地仔细。……他们的智慧跟我们相比，就如我们跟消亡了的野兽相比。这些数量庞大、更冷酷并且毫无同情心的智慧生命正在用嫉妒的眼睛观察着地球，缓慢却扎实地拟定着对付我们的计划。

宇宙中除人类外究竟还有没有其他智慧生物——即所谓的外星人？这个迄今没有答案的问题曾让小时候的我着迷，我甚至梦见过自己被友好的外星人带到他们的星球上，醒来后还回味良久。如今想来，那当然是“孩子气”的，因为外星人未必是友善的，就像地球上的很多生物绝没有儿童漫画上那么可爱一样。相比之下，威尔斯显然更有“政治”头脑，深知“防人之心不可无”的道理。

既然外星人的“好坏”未卜，那假如接收到他们的信息，人类该怎么办呢？这个问题引起过很多人的思考。20世纪90年代，由著名科学家冯·卡门（Theodore von Kármán）“领衔”创立的国际宇航科学院（International Academy of Astronautics）提出了一系列应对原则，其中包括：

·启动国际磋商，研究是否回复及如何回复的问题。

·磋商应在联合国和平利用外层空间委员会（Committee on the Peaceful Uses of Outer Space of the United Nations）等组织之内进行。

·磋商的结果应交由联合国大会（United Nations General Assembly）发布。

·如果决定回复，回复应代表全人类。

·回复的内容应体现出对全人类福祉的细致考量，并在发送前公诸于世。

·任何国家或个人都不应在国际磋商之前进行回复。

初看起来，这似乎有些杞人忧天，因为外星人是否存在还是未知数，讨论回复信息之类的问题岂不是无的放矢？不过，随着对太阳系以外行星的搜索日益“提速”，以及对微弱信号的探测能力不断提高，谁能保证明天不会带来惊奇呢？事实上，早在20世纪60年代，就曾有过一次惊奇，使某些科学家一度以为有可能接收到了外星人的信息。那段轶事最近被发掘出来后引起了一些媒体的报道。

那是在1967年，英国剑桥大学的女研究生贝尔（Jocelyn Bell Burnell）用射电望远镜接收到了一个奇怪的脉冲信号，长度不到0.3秒（实际只有0.04秒），间隔约为1.3秒（更精确的数值是1.3373秒），极有规律。这会不会是来自地球上的干扰呢？答案是否定的，因为信号的方位很快被确定为是在天上。而进一步的分析则显示出信号源不会比行星更大。一个不比行星更大的天体居然发射出有规律的射电信号，这实在很令人惊奇，而且实在很容易让人联想到外星人。为这种联想推波助澜的，是自20世纪50年代起，飞碟热席卷欧美。受之影响，贝尔发现的信号几乎立刻获得了一个昵称：小绿人（Little Green Men），那是某些飞碟目击报告中外星人的标准形象。就连贝尔的老板休伊什（Antony Hewish）也在信件及回忆中表示“小绿人”的信号让他困惑，因为这种信号显得如此“人为”（artificial）, “不得不认真考虑那是[有人]发给我们的”。而这种信号若果真是外星人发来的话，当然不是他的研究组能够应对的，因此他甚至考虑到是否该将此事报告给皇家学会乃至政府。这种思考脉络是颇有几分接近国际宇航科学院的原则的，但比后者早了20多年。

不过，“小绿人”事件很快就水落石出了，因为贝尔很快发现了其他几个类似的信号源，频率各不相同，但都有很稳定的周期。哪怕对外星人最有热情的人，也很难相信短时间内会冒出这么多不同的外星人，而且个个都用实际上传递不了多少信息的周期性脉冲来发送信号。因此，“小绿人”的设想很快就陨落了。与此同时，能解释那些脉冲信号的天文学理论则出炉了，那就是它们都来自一类被称为中子星（neutron star）的致密天体。这类发射脉冲信号的中子星也被称为脉冲星（pulsar）。1974年，休伊什因这一发现获得了诺贝尔物理学奖，成为获得这一殊荣的第一位天文学家，而研究生贝尔与诺贝尔奖的无缘则引起了很多人的不平——当然，那是题外话了。

往事已逝，那么明天呢？明天还会有那样的惊奇，甚至真正的惊奇吗？满月之咒？

撰写本文时，正是美国的“万圣节”（Halloween），也称“鬼节”。这是孩子们的最爱——可以穿上奇装异服，扮成鬼怪四处讨要糖果等。这也是电影院“鬼片”迭出的日子，就连素来严肃的科学场馆，有时也会迎合气氛，比如芝加哥的阿德勒天文馆（Adler Planetarium）就在今年推出了题为“红月亮之咒”（Curse of the Blood Moon）的新片。说起来，将月亮——尤其是满月——神秘化还真是常见的故事或伪科学题材，比如传说中的“狼人”（Wolf Man）就是每逢满月之夜，就从人身变为狼身；相信所谓“满月之咒”（curse of full moon），将满月跟暴力、灾难，乃至股市变化等联系起来的也大有人在。

这些都只是故事、附会或无稽之谈。不过，2006年，科学家们居然真的发现了一个跟满月有关的奇怪现象。

这现象还得从阿波罗计划（Project Apollo）说起。该计划最大的成就当然是将人送上了月球，但它还有一些不太出名，却同样有价值的贡献，比如1969—1971年间，阿波罗11、14、15号飞船在月球上留下了一组反射装置，能将射往月球的激光束反射回来，利用激光束经反射往返所需的时间，科学家们能精确地测定出地月距离。

在利用那组反射装置方面做得特别精密的是美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）的物理学家墨菲（Tom Murphy）等人，他们测定的地月距离的精度达到了不可思议的毫米量级。不过，在测定过程中，墨菲等人发现了一个奇怪现象，那就是反射光——即被反射装置反射回来的光——的强度只有计算值的十分之一左右，更奇怪的是：每逢满月之夜，强度还会进一步降低一个数量级，降到只有计算值的百分之一左右！

这无疑是一个奇怪甚至有些神秘的现象。对于这种现象，首先可以猜测的是偶然性——比如观测误差。别小看这种猜测，很多所谓神秘现象正是将偶然误当成必然所致。不过，这回的现象很快就被证明不是偶然的，因为它是可重复的，在每个满月之夜都会发生。

既然不是偶然现象，就该有必然原因，莫非真的有“满月之咒”？科学家们自然不会这么想。那么，究竟什么原因会降低反射光的强度呢？科学家们想到了一个很平凡的因素：灰尘。计算表明，反射装置中的反射镜只要有一半左右被灰尘覆盖，反射光的强度就会降到原先的十分之一左右，与墨菲等人观测到的情形相一致。

对于那更奇怪的满月之夜的光强进一步降低一个数量级的情形，科学家们也提出了解释，那就是满月之夜有一个特殊之处：阳光能照到反射装置的反射镜上（这是因为反射镜位于反射装置的底部，只有阳光接近直射时才会被照到，而满月之夜的阳光正好接近直射）。阳光照到反射镜上原本是没什么大不了的（因为会被反射掉），但灰尘的存在改变了一切，因为灰尘会吸收阳光，被吸收的热量会通过热胀冷缩等效应干扰反射镜的功能。计算表明，这种干扰恰好能使反射光的强度进一步降低一个数量级。

至此，一个能解释现象的假设形成了。接下来是对它进行检验。当然，假设所试图解释的现象本身也是对它的检验，但科学家们通常希望能对假设所导致的其他推论也进行检验。那么，上述假设有可被检验的其他推论吗？有！一个显而易见的推论就是：假如在满月之夜不让阳光照到反射镜上，反射光的强度就应该跟非满月之夜相同（即不会进一步降低一个数量级）。

但是，反射镜远在月球上，有什么办法能在满月之夜不让阳光照到它呢？科学家们想到了一个妙法，那就是利用月食，因为在月食期间，地球本身将挡住射向月球——其中包括反射镜——的阳光。2010年12月21日，墨菲等人利用一次月全食对上述假设进行了检验，结果非常漂亮：反射光的强度随着月食的进行逐步增强到非满月之夜的强度，然后又随着月食的结束重新降低到满月之夜的强度。“观测—假设—检验”，这项精巧的小研究不仅支持了假设，而且很好地演示了科学研究的步骤。不过，探索不会因此而终结。可以预期，科学家们不仅会重复此类检验，而且还将检验更多的推论，比如既然灰尘是“罪魁祸首”，那么反射光的强度应该会有随灰尘的积累而持续降低的趋势，这也是可以检验的（事实上，墨菲等人已经注意到了历史数据与这种趋势基本相符，更多的检验则有待未来实现）。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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