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小木虫2005荣誉版主 (职业作家)
钢虫
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极限的科学和科学的极限——摘自李新洲教授演讲稿
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（一）科学存在极限 科学有极限，说明世界上存在着某些我们不可能知道的东西，甚至于存在着很多无法想象的东西。 我们所能了解的东西必定是我们能实际观测到的，这是唯物主义者的基本原理。那么，我们所能实际观测到的范围是什么呢？宇宙的年龄乘上光速，大约是10的28次方厘米，这样大的一个球。这个球我们的术语叫做visionable univers，可视宇宙。宇宙是无限的，那么这个球外面的东西是你可知的吗？所以，从宇宙的大范围来说，科学就有一个极限。 从小的方面来说，用粒子加速器把分子剖开，就是原子。再下去，把原子打开，是原子核；原子核打开，是质子、中子；质子中子再打开，是夸克；根据很多的哲学思想，物质应该是无限可分的。那么组成夸克的更小的粒子是什么？可能给它取个名字，叫preon，preon就是前，前面的一个粒子，比夸克还要前面的粒子。假如我们有能力把这个preon找到，我们可以把这个preon用更高能量的加速器把它打开，找到prepreon，再这样下去可以找到preprepreon，……但是这是一个想法，是形而上学的东西。事实上我们能做下去吗？不能做了。很简单，夸克发现以后，美国就准备找更深入的东西。他们当时设计建立了一个非常非常大的加速器，它的名称叫SSC：第一个S就是超级；第二个S就是超导；C是对撞机，超级超导对撞机。这样一个大机器他就开始做了，先挖隧道，几十公里，就花掉了22亿美元。美国国会发现这是一个胡子工程，22亿美元只挖了一个隧道，机器还没做，机器做下去要多少钱？所以就开始争论：到底要建不建？最后不建的占了上风。为什么呢？因为即使富裕到像美国这样，也没有足够的经济力量来建造这样大的加速器。国会决定下马，SSC就流产了。这说明地球上目前的经济力量无法维持这个SSC项目。而如果要找到preprepreon的话，估算一下这个加速器将要像整个银河系那样大。我们把地球上的人类所有的财富，所有的物质力量去做这件事，去建造这个加速器都不可能。所以说从小的方面，科学研究也是有极限的、有范围的。 这个问题实际上是个能量的问题，打开更小的粒子需要能量，而地球上的能量、宇宙间的能量终归是有限的。另有一个类似的例子。1995年在日内瓦的实验室里制造了第一个反氢子。它的原子核是反质子，外面绕的是正电子。消息传出，马上就有人成立一个太空船公司，说可以利用反氢子作为燃料推动火箭。学物理的都知道，氢子和反氢子碰在一起，一碰就湮没掉了，同时变成伽玛光子并释放出大量能量。好，唰，火箭就上去了。那么这可能吗？表面上说是可能的，实际上是根本不可能的。为什么呢？你可以算一算，如果把地球上所有的能源去制造反氢子，再把这些反氢子作为燃料推动一部汽车的话，那么这部汽车能开多少公里呢？2000公里。所以说这个计划是不可能的。所以反物质太空船是哄人的，绝对不可能。 我顺便说一下，人为什么会死？当人的DNA在复制过程中出现错误时，基因密码就会纠错。年轻的时候可以很快地纠错，保持年轻。假如我年龄比您大，我的纠错密码就不那么灵敏。比如人脸不该这么胖，这里不该积累脂肪，应该纠错，把它纠过来，如果纠不过来了，无限制地胖下去，胖到四百磅不是死了吗？疾病，就是DNA的复制出现了错误，到无法纠错了，人就要死亡了。科学再这样发展，发展的过程越来越复杂，在这个过程当中难免出错。过去科学发展得不是这么快、这么高，那么发现错误，还来得及给它纠错。到一定程度，来不及纠错的危险性就逼近我们了。所以这也存在着某意义上的极限。 （二）人类存在极限 一个简单的问题：蚂蚁会不会使用火？答案是否定的，蚂蚁不能用火。为什么？因为所有的燃烧过程都存在着“最小火焰面”，小于这个火焰面，火就熄灭了。而最小火焰面的尺寸比蚂蚁大，所以注定蚂蚁不能使用火。如果使用火的话，蚂蚁就把自己烧死了。蚂蚁不能用火是由蚂蚁的尺寸决定的。人类为了改善自己的生存条件，努力地改变环境，这种欲望非常非常强烈。但是，从人类在自然界的地位来说，客观上存在极限。 世界上最矮的人种是非洲刚果河附近的卑格米尔人，男的1米2，女的1米1左右；最高大的人种也在非洲，但是大家不熟悉，就说斯堪的纳维亚半岛的人吧，都人高马大，但平均身高也不超过1米9。人类的高差只不过几十公分，不到1米，为什么？ 猴子和人区别很大的是制造工具使用工具，使工具进化。那么制造工具最基本的事情，用物理的话，科学的话说，就是要破坏固体的分子力。猿人拿两块石头一敲，就是破坏了这个石块的结构的分子力，把石块打碎。所以人的尺寸必须要大到能破坏分子力。也不是越大越好。如果人和一座山一样大，那就可以破坏原子力了，那原子弹手捏捏就可以做了。从另外一个方面来说，一个强壮的人，可以勉强地把另一个人背起来。如果一匹马上面站一匹马，下面一匹马肯定垮掉；如果一头大象上面再站一个大象，那就是粉碎了。如果把你放大到像大象一样大，你根本不可能存在。因为有很多记载：四百磅的胖子，只要一站起来他就要骨折，只能永远躺着。所以人类的身高也是有极限的。 人的尺寸，决定了我们在探索问题的时候，看大的到多大的范围；看小的到多小的范围。分子谁也看不到，要看就得借助仪器，借助电子显微镜。看更小的微观结构，原子、夸克等等，非得用加速器。不借助加速器，电子显微镜也看不到。最后，电子显微镜也有尺度极限，比电子更小的东西电子显微镜也无能为力。所以借助工具总是有限的。 再从另外一个角度来说。我们的大脑并不是为着科学的存在而存在的。因为我们遥远的祖先还没有科学的时候，大脑就已经存在了。大脑进化演变的过程，并不是科学在引导它。恰恰相反，是另外某些原因使我们的大脑发展了。杨振宁说过：20世纪物理当中最重要的概念是对称的概念。这是歪打正着。因为人类偏爱对称，人人都喜欢对称。为什么？ 人人都有父亲，那么爸爸的爸爸，一直推沿下去，推到N代，爸爸的N次幂。爸爸的N次幂旁边有一个打撇的，爸爸的N次幂的弟弟。假定爸爸的N次幂是喜欢对称的，而爸爸的N次幂的弟弟是不喜欢对称的。 在几百万年前，至少一百万年前那个原始的环境中，都是热带森林。人类首先要躲避他的敌人，老虎、狮子或者其它猛兽，这些东西都是对称的。所以他对对称必须要敏感，一看到这些对称的东西就要警觉起来。再就是要寻找食物，兔子、山羊或者苹果，也都是对称的，必须对对称的东西有敏感性，知道这是可以吃的。更重要的一点——配偶，也就是爸爸的N次幂的妻子，那么她是也是对称的，他就必须要有敏感性，才能繁衍后代。而爸爸的N次幂的弟弟，就是不喜欢对称，对对称一点敏感性都没有。那么最后的结果，爸爸的N次幂的弟弟他没有后裔，而且很年轻的时候就死掉了。因为他不能得到食物，不能躲避猛兽。所以这样一代一代地训练下来，偏爱对称的活下来，活得很好，不爱对称的死掉了。所以我们每个人都是喜爱对称的、对对称敏感的人的后裔；而对对称不敏感的人呢？他的后裔没有了，现在我们一个都见不到。所以人类就偏爱对称。这就是说明我们大脑是怎样发展的。 现在知识越分越细。古时候是十年寒窗，现在幼儿园不算，小学、中学、大学、硕士生、博士生、博士后加起来二十多年。黄金时代都念书念掉了。知识再进展，知识爆炸，学历越来越高。将来是念五十年、念七十年、念一百年？一百年就死了呢？ （三）技术上的极限 说一件具体、简单的事情。你们听说过贝那勒斯神庙里的64张金盘吗？贝那勒斯是印度的一座神庙，是婆罗门教的。这个神庙里有64张金盘和三根宝石针。大小不等的64张金盘套在一根宝石针上（即“梵塔”），小盘在上面，大盘在下面。要求把这些盘子全部从一根宝石针上移到另一根宝石针上。规则是，一次只能移一张金盘；不论在哪一根宝石针上，小盘永远在大盘上面。所以必须利用第三根宝石针作过渡。据说此事做成之日，即世界毁灭之时。你们算一下，移一移需要多少时间？一共要移动2的64次方减1次。假定一秒钟移一张盘子，2的64次方减1秒，是5850亿年。宇宙到现在为止多少年？150亿年。那么这件事情能完成吗？当然不能完成。 这就是技术极限的一个最浅显的例子。 很多事情说说很简单，都能做的，事实上是做不成的。过去有很多人想得很天真，计算机只要越做越大、越来越快，我就能计算。事实上现在计算数学当中专门有一门学问：“不可计算题”。就是说它需要用的时间，不是普通的几何级数。它是指数形式的发散级数。所以它的计算量绝对不是加大计算机的容量和速度就可以解决的，是无法计算的。 （四）更深层次上的极限 很多问题都存在着一层一层的极限。19世纪末，数学家们非常乐观，认为数学将要被全部解决。代表人物是伟大的赫伯特，德国哥廷根大学教授，他要把所有的数学理论公理化。你们初中学的平面几何，就是欧几里得几何，欧几里得几何是公理化的，根据这些公理就可以推出全部欧几里得几何。中学的几何就是逻辑思维教育、逻辑推理训练。赫伯特认为，所有的数学理论，都应该存在着公理体系，都要公理化。这件事情从表面上看天经地义，人人都在做。赫伯特自己就做了很多工作。他有一个非常了不起的学生，叫哥顿。哥顿开始证算术的公理化体系。算术比几何复杂，几何只有点、线、面；算术是加法和乘法的体系。减法是加上负数的加法；除法是乘上某数分子一。后来哥顿证好了，论文正要送去发表。自己一查，发现证错了。这刺激了哥顿，他想我这么聪明的人，证了这么长时间还是证不出，他怀疑老师错了，也许算术根本不可能公理化。哥顿就花了很多功夫，很多时间，用乘数学的方法证明了算术体系的公理化的不可能性，它是不自恰的。算术体系不自恰，不是什么1+1=2不自恰，而是指它内在的逻辑体系上面要证明是不可能的。 这件事情非同小可。因为我们无论做什么都要依赖于算术，而算术都无法公理化，都有逻辑上的问题，有内在的矛盾。人类怎么思考问题？往往是把一个生物学的问题回归到化学问题。生化学家提出基因理论，其实就是在分子水平上去讨论生物学，其实就是回归到化学。化学的问题处理不了，回归到物理问题。物理做来做去，像霍金这样，弄到最后弄到数学家大会上来讲，又回归到数学。数学还可以回归，回归到逻辑。逻辑就不能再回归了。假如我今天讲演，讲逻辑了，你们心里想他肯定是有病了。当然要讲逻辑，我们在这里交流的基础就是逻辑。但是逻辑上出问题了，哥顿定理证明数学的逻辑本来就有问题。所以非同小可。这个问题导致20世纪的数学发生了很大很大的变化，20世纪，乃至21世纪的数学，更追求什么？更追求的是应用数学。这就是深层次的逻辑。 结束语 我们从宇宙一直就讲到人自己；又讲到技术上问题；最后讲到更深层次上的极限——哥顿定理。我们得到一个东西——要真正地使科学的发展，首先我们要知道什么是科学。要把科学的界限、边界划起来。我们知道了真正的界限,我们才会知道什么是真正的科学。我演讲的目的绝对不是说有了极限就不要去研究科学，科学就没有希望了；恰恰相反，我是要说，我们认清了科学的界限，我们就更应该正确地投入，使科学更快地发展。 |
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