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現代宇宙學及其哲學啟示
現代宇宙學及其哲學啟示
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  20世紀以來,人類的科學視野日益擴大和精細:宇觀上已從不足十萬光年的銀河系擴大到上百億光年的可觀測宇宙;微觀上已深入到原子內部的基本粒子和細胞內部的生物大分子等諸多層次。與之相一致,人們對宇宙的研究,必然要從單純的哲學思辨階段向現代科學與哲學相結合的階段發展。
  一、現代宇宙學的發展
  1917年愛因斯坦首次根據廣義相對論對宇宙學作了一次開創性工作。他在宇宙的物質密度從大范圍看是均勻各向同性的假設基礎上,驚奇地發現滿足引力場方程的宇宙竟然不是靜止的,它會隨時膨脹或收縮,這一結果不僅與傳統的宇宙觀念不符,而且在當時也沒有任何觀測事實的支持,他只好設法加以避免。即在方程中引入代表斥力作用的宇宙常數項,以便與物質的引力相抗衡,從而得到一個有限無邊的靜態宇宙模型。
  哈勃(E·P·Hubble)在首次確認宇宙中存在河外星系的基礎上,測量了許多星系在視線方向上的運動速度,以及這些星系到觀測點的距離。并在1929年宣布,通過觀測發現的星系都在遠離觀測者而去,而且遙遠星系的退行速度正比于該星系到觀測點的距離,宇宙正在膨脹,這就是被稱為哈勃定律的觀測宇宙學第一項重大發現。這正是弗里德曼(A·Friedmann)于1922年根據沒有宇宙常數項的引力場方程所建立的動態宇宙模型的直接觀測證據。在此基礎上,就可以繼續使用這個模型考察以前的宇宙狀況。結果表明,隨著時間由今天往回追溯,宇宙會越來越小,甚至可以趨近于零,其間所用去的時間,就是今天宇宙的年齡。
  1948年,在弗里德曼關于宇宙膨脹的思想基礎上,蓋莫夫(G·Gamov)發表了“宇宙的演化”等文。他認為年齡很小的早期宇宙,不是抽象的幾何點,而是具有深刻內涵的物理客體。那時的宇宙,占據很小的體積,又具有很高的溫度,是包括星系在內的一切天體乃至化學元素的根源。他還預言,現今的宇宙應存在那時遺留下來的微弱背景輻射。1956年,蓋莫夫又發表了“膨脹宇宙的物理學”論文。更清晰地描繪了宇宙從原始高溫高密狀態膨脹和演化的概貌,并重新算得上述背景輻射溫度約為6K。這就是現代“大爆炸”宇宙模型的原初形式。彭齊亞斯(Amo Pemzias)和威爾遜(R·W·Wilson)于1965年首次發現宇宙微波背景輻射溫度約為3K,生動地證實了蓋莫夫的預言。1996年綜合有關結果后科學家們進一步確認,該宇宙背景輻射,很精確地相當于溫度為(2.728±0.004)K的黑體輻射。這正是早期宇宙赤熱火球遺留至今的暗淡余光。因為從宇宙年齡大約為30萬年開始,光子即退出同實物粒子的耦合,在由中性原子組成的氣體中自由飛行,并具有大約3000 K的輻射溫度。然而,在今天去觀測時,宇宙已脹大了1000多倍,所以相應的輻射溫度也降低到不足3K,同時輻射的峰值波長也從可見光波段“紅移”到毫米波段。
  值得注意的是,實際測量的背景溫度不是處處相同,還是含意頗深的。這意味著早期的宇宙赤熱火球的溫度必然存在漲落,相應的物質密度也必然存在漲落[1]。而物質密度漲落既是往后形成諸多不同星系的必然要求,又是往前追究更早期宇宙起源的基礎。在核物理實驗基礎上的大爆炸理論認為:在宇宙年齡從1秒到1小時期間,宇宙因不斷脹大而逐步降溫。在1秒以后,溫度低于10[10]K,氣體密度在10[6]g/cm[3]以下,中微子開始退耦,質子和中子也隨之處于自由狀態;在3分鐘以后,溫度低于10[9]K,光子分裂作用失效,大量核合成過程很快跟上,即在氫核(質子)的基礎上,相繼產生氫同位素、氦同位素以及氦和鋰等多種輕元素的核,直到1小時基本結束。這些早期宇宙原初核合成的遺跡,已在今天的觀測中日益得到確認。例如,大約23%的氦豐度,就同蓋莫夫最初預言的25%相當一致。而早期宇宙中僅存在三種中微子的假設,也與1989年地面上的高能物理實驗結果基本相容。
  繼續往前追溯原初核合成過程以前的情況表明,年齡約在10[-4]秒的宇宙介質,具有10[12]K的溫度,完成了從夸克到強子的相變,開始主要以質子、中子、電子、光子和中微子等粒子的形式存在。直到年齡為1秒以前,宇宙應是一個逐漸脹大的粒子混合體。那里很高的溫度和密度,使得各種粒子總在頻繁碰撞和相互轉化,都不能退出耦合而逃逸出來。它稱得上是現今宇宙相當可靠的根源。
  年齡從10[-4]秒到10[-43]秒的時期,是宇宙的甚早期。當往回追溯時,宇宙氣體粒子占有的空間會愈來愈小,溫度也會愈來愈高。其中10[15]K的溫度是20世紀末期技術水平的一個重要標志。因為當時地面實驗室內粒子加速器能夠達到的最高能量—10[11]電子伏,就相當于這個溫度。低于這個溫度時的情況,可以通過實驗直接檢驗;而高于這個溫度時的情況,則目前只有理論預言,并且只能間接檢驗有關理論在低能情況時的推論,因而不確定性較大。以下是這一時期最值得關注的幾個時刻的要點。
  1.宇宙年齡為10[-11]秒時,所達到的10[15]K的溫度,是弱作用力與電磁力實現統一的臨界溫度。這里的弱作用力載體,是W粒子和Z粒子,電磁力載體是光子。弱電統一理論認為,當溫度遠遠超過10[15]K時,這兩種力會合而為一種力,因為那時W粒子、Z粒子和光子的行為方式很相似;而當溫度低于10[15]K時,則會出現自發對稱破缺的情況,W粒子和Z粒子獲得較大的質量,使弱作用力具有非常短程的性質,制約著放射性現象,這就顯得與光子不同了。1983年在歐洲核子研究中心(CERN)正式發現的W粒子和Z粒子,就是對上述理論的有力支持。
  2.宇宙年齡為10[-35]秒時,所達到的10[28]K的溫度,是強作用力和弱作用力實現大統一的臨界溫度。膠子是強作用力的載體,能將有關的夸克束縛在一起,而分別形成質子和中子。大統一理論認為,在高于10[28]K的溫度時,這三種力具有相同的強度,并且正反粒子都是對稱的。而對于現今宇宙中正粒子占絕對優勢的情況,則根據物理定律不存在時間對稱的原理予以解釋。此外,對于大統一理論所預言的磁單極子不可能存在于現今宇宙中的情況,則可通過在甚早期宇宙中存在一個急劇加速膨脹的暴脹階段予以解釋。這種暴脹還可使宇宙視界銜接起來,并使宇宙早期物質分布趨于均勻各向同性。
  3.宇宙的10[-43]秒時間和10[32]K溫度,分別稱為普朗克時間和普朗克溫度。此時的能量是量子引力起顯著作用的能量,具有多種多樣的不確定性,需要用量子理論取代經典理論進行描述。林德(A·Linde)于1983年提出的隨機暴脹模型認為:最初的宇宙僅存在標量場,由于標量場的量子漲落,使得其中的某些區域具有很高的能量。這些區域之一后來演變成為今天的宇宙。該特別區域的標量場所具有的巨大能量,既為隨后發生的暴脹提供強大的動力,又按照質能相關原理將其中的一部分能量,轉變成為各種粒子的能量和質量,其中包括使W粒子和Z粒子在較低溫度下獲得較大質量等。
  20世紀70年代以來日益興盛的超弦理論認為,宇宙的最基本成分,不但不是常見的基本粒子,甚至不是所有的粒子,而是能量的線或環,即所謂的“弦”。因為只有弦的不同振動,才可能導致不同粒子的生成。該理論試圖逐步填平相對論和量子力學之間似乎不可逾越的鴻溝,使引力同其他三種力由分離走向超對稱統一,但要求高達11維的時空。由于常見的是4維時空,所以其余的7維空間必須很早就“蜷縮”起來,雖然要證實這種理論還要走漫長的道路,但是根據歷史經驗判斷,第一個關鍵性證據可能也將來自觀測宇宙學。
  二、唯物論與物信論
  馬克思和恩格斯關于人的認識來源于實踐并且必須接受實踐檢驗的思想,對于宇宙學研究具有至關重要的意義。牛頓正是在前人觀測實驗成果的基礎上才發現萬有引力定律的。由于當時不可能在銀河系外更大的時空范圍內檢驗該定律,所以他的這種發現反而使機械論宇宙觀更加盛行。康德提出的關于太陽系起源的星云假說,由于缺乏觀測實驗事實的證據,在一段很長的時間內都未得到公認。愛因斯坦最初建立的靜態宇宙模型,雖然受到機械宇宙論的影響,但當他知道關于宇宙膨脹的觀測事實以后,便很快放棄了這種模型。而他晚年主要從事的統一場論研究,由于沒有任何觀測實驗事實否定這種統一的可能性,所以他一直堅持做下去,從而成為現代統一論思想的先驅。這些典型事例生動地表明,人們對宇宙運行法則的認識,是一種極其復雜而曲折的漫長過程,而且永無止境。即使是牛頓或愛因斯坦所創立的科學理論,也是要在接受實踐檢驗的基礎上與時俱進的。同時,以相對論和量子力學為依據的現代宇宙學,也催促馬克思主義哲學與時俱進。
  恩格斯曾經指出:“隨著自然科學領域中每一個劃時代的發現,唯物主義也必然要改變自己的形式”[2]。這意味著在今天要改變唯物主義的形式,最好從分析20世紀以來幾個劃時代的發現入手。1.相對論的質能關系原理表明,物質和能量是密切相關的。因為物質的質量乘以光速的平方就是相應的能量。這意味著廣義的物質也應當包括能量。考慮到最初的宇宙僅存在標量場的能量,能量在廣義物質中的地位更顯得突出。2.量子力學理論認為,微觀上的能量是不連續的,必須取值為最小能量(能量子)的整數倍。例如,電磁場的能量子就是光子,其最小能量與相應的電磁波頻率之比,等于普朗克常數。與光子的量子性相似,微觀上最普通的其他粒子—電子、質子和中子等,其基本特征參量(電荷、質量等)的取值,也是有效數字達8—9位的物理常量。這表明基本粒子及其特征參量,都是同時出現、相輔相成的,沒有第一性與第二性之分。3.細胞核內脫氧核糖核酸(DNA)雙螺旋結構的發現及其相關研究表明,DNA是生物遺傳信息的載體。雖然它的物質含量很少,但所載信息卻很多。以人為例,人體生殖細胞的DNA只重約6×10[-12]克,但卻由30億個“核苷酸對”按一定順序以雙螺旋形式排列而成。由于DNA的核苷酸只有4種,所以對應的信息就相當于用4個字母寫成的“厚重”密碼本。考慮到4種核苷酸的三聯體與20種氨基酸對應,而這些氨基酸則是成千上萬種蛋白質的結構單體,DNA所載信息的確是生命遺傳和生長發育的基礎,也是區別于一切非生命物質的關鍵。例如,不比1粒普通灰塵大的“非典”病毒,可能危及人的生命,就是由于它載有人體極不相容的信息。
  20世紀中期以來,隨著生命科學、通信科學和計算機科學等不斷地并行發展,日益顯示出這些學科之間在信息技術方面的密切關系。例如,關于信息的編碼、編程、存儲和調控規律等,在哪里幾乎都是普遍適用的。應當指出的是,在信息時代的特征逐步顯露的今天,一些傳統的基礎科學(如物理學、天文學),仍然很少用到信息的概念。這可能是飛速發展的學科高度分化的表現,是不利于從整體上進行綜合研究的。
  事實上,既然在生命科學領域,諸如一氧化氮(NO)這樣的化學分子可以作為“信使”溝通細胞之間的信息;那么,在天文學領域,諸如光子這樣的基本粒子,更可以作為“信使”溝通天體之間的信息。例如,宇宙“大爆炸”的關鍵信息正是由背景光子傳來的。在這里需要用到適用于不同學科領域的通用信息概念,其通用性與《道德經》中的“道”相類似。如果用事物的實在狀態及其相關規律表示廣義的通用信息,則對于宇宙背景光子的實在狀態,可以這些光子的數密度(單位體積內的光子數)及其電磁波輻射頻率等參量確定,而相關規律則包括宇宙的隨時膨脹(背景光子的數密度的隨時減小)以及譜線紅移(頻率向低端移動)等規律。
  在基礎學科領域引進這樣的信息概念,既可使相應的研究更加具有哲理概括性,又可幫助識別傳統專業性信息概念的不足。例如,DNA的遺傳信息一般由4種核苷酸的排序狀態確定,人類基因組工程所要完成的就是這方面的工作。這顯然只是獲得狹義信息的工作,是無法有效地掌握從核苷酸到氨基酸再到蛋白質的相關規律的。而在包括宇宙演化在內的精密科學領域,從基本粒子到原子再到分子的相關規律,早就開始被有效地掌握和運用了。這可能會對DNA信息的全面而深入的研究,以新的刺激和推動。
  恩格斯曾說“除了永恒變化著的、永恒運動著的物質及其運動和變化的規律以外,再沒有什么永恒的東西了”[3]。在這里物質的“運動和變化的規律”,可以理解為物質的信息。以常見的地球繞日運行為例,只要知道日地系統的實在狀態(以地球的初始速度、日地距離、地球和太陽的質量等參量確定)及其相關規律(萬有引力定律),即知道該系統的廣義信息,亦即等同于知道它的“運動和變化的規律。”因此,上述以物質信息表達的論點一物信論,應當認為是既試圖改變唯物論的形式、又保留其合理內涵的一種哲學探索新見解[4—5]。其進一步供探討的要點如下:1.物質與信息的關系。信息要以物質為載體,物質的生存發展要由信息來引導;物質與信息之間存在的既彼此不同、又相輔相成的關系,是永恒不變的;精神不過是發展到高級階段的大腦物質所攜帶的一種復雜信息[6]。2.本體論、發展觀與認識論。宇宙的演化,是宇宙物質在相應信息引導下的運動變化。雖然不同年齡段的宇宙攜帶有不同的信息(如背景輻射信息、星系退行信息),但是,經過實驗檢驗的、具有本體論意義的宇宙信息,則是宇宙早期基本粒子(光子、電子、質子和中子等)攜帶的廣義信息[7]。因為其特征參量(電荷、質量等)的取值如果稍有變動,就會導致后來的宇宙面貌全非,甚至不可能出現生命和人類。即使理論上認為“弦”是宇宙的最基本成分,那它也必然攜帶有相應的信息:弦的振動狀態及其相關規律。
  物質與信息的對立統一規律,是宇宙發展的根本規律。這個規律往往是以中心主導、層次依從、和諧生存的形式展開的。宇宙早期的微小混沌體、甚至一個受精卵細胞核的發展,都不同程度地遵循這種規律。關鍵是相應的核心物質攜帶有全部初始信息。
  宇宙信息是不以人的意志為轉移的客觀自然信息,而人們對宇宙信息的認識則屬于主觀人文信息的范疇。宇宙是在不斷發展的,人們對宇宙的認識也是在不斷發展的,永遠不會停留在一個水平上。關鍵是要以宇宙的自然信息為出發點和落腳點,不斷地溝通人文信息與自然信息之間的聯系,從狹義信息導出廣義信息,使主觀信息符合客觀信息,以便逐步獲得真理性認識。
遼東學院學報:社科版丹東5~8B2科學技術哲學羅先漢20072007
羅先漢,北京大學物理學院天文學系教授,北京大學現代科學與哲學研究中心副主任,研究方向為射電天文、天體演化和科學哲學。
作者:遼東學院學報:社科版丹東5~8B2科學技術哲學羅先漢20072007
2013-09-10 20:43

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