國家空間科學中心第四屆銀質榮譽獎章獲得者報告：《懂科學》

科技 08-14

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報告人：劉潁

中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室

Will Durant說：「每門科學始於哲學，終於藝術」（Every science begins as philosophy and ends as art）。科學首先是一個形而上的東西，是人類認識宇宙以及人類本身何去何從等最最根本的問題。像中國人的盤古開天地傳說，以及聖經里的創世紀等，是人類早初在這方面的樸素的想法。但那時人類的思維局限在天圓地方、以地球為中心的框架內，非常受限。

後來哥白尼以及被燒死在鮮花廣場的布魯諾的日心說，打破了這一框架。現代的觀測儀器可以看得更遠，發現太陽只不過是宇宙無數恆星中很普通的一顆。既然太陽系裡有生命，其他恆星周圍也必然有生命存在，我們並不是宇宙里孤零零的群體，這對哲學和社會倫理都是一個很大的衝擊。自然科學也直接催生了一些其他的哲學體系，像基於熱力學第二定律的宇宙「熱寂說」。根據熱力學第二定律，作為一個「孤立」系統宇宙的熵會隨時間增加。當熵達到最大值時，宇宙所有物質達到同一溫度，此時宇宙中沒有任何能量可以維持生命的存在，這種狀態稱為「熱寂」（heat death）。由於涉及到宇宙和人類命運這一根本問題，在科學界和哲學界關於這一學說的爭論長達百餘年。

其次，科學研究對社會產生了巨大的經濟效益。比如：工業里常用的光電二級管是基於愛因斯坦獲得諾貝爾獎的光電效應；原子能級的躍遷理論導致了激光的發明；數碼相機的核心部分CCD是基於固體物理的電子-空穴對理論；愛因斯坦的質能方程導致了原子彈的產生，如果說這是一件壞事情的話，那麼現在研究的熱點 - 受控核聚變，將在地面上模擬太陽內部的供能過程。太陽的能量來自內部的核聚變，但太陽並沒有因此而爆炸，而是穩定存在了幾十億年，所謂的「受控」，是指把核聚變的能量一點點地釋放出來。這是清潔能源，原料取之不竭用之不盡，如果能在地面上實現受控核聚變，將會替代其他的能源形式，對人類社會的價值和影響是難以估量的。

我們所從事的空間科學也對社會的經濟起了很大的推動作用，像美國宇航局（NASA）建立的Spinoff項目，所謂的Spinoff是把NASA發明的技術應用於國民經濟和公眾服務。近40年來NASA有超過2000個技術被應用於國家經濟和公眾服務中，譬如：數碼相機里的CMOS主動像素感測器是NASA為準備行星際成像探測而發明的技術；我們常用的導航技術 - GPS，這個大家都很清楚；NASA在準備火星探測時，發現一種叫做Omega 3的脂肪酸對嬰兒的發育非常重要，現在已經用於嬰兒配方奶。

這是科學發展中一個非常重要的人物 - 牛頓。在這張圖片里，有幾乎代表牛頓所有成就的元素。牛頓在26歲之前完成了運動定律、光學定律、以及和萊布尼茨一起發明了微積分。牛頓既是一位物理學家，又是一個數學家，這是他和愛因斯坦不同的地方。左下角的那本書叫做《自然哲學之數學原理》，是牛頓科學思想的集大成者，注意牛頓把自然科學稱為自然哲學。跟我們空間科學相關的是萬有引力定律，牛頓受蘋果落地的啟發發現了這一定律。蘋果可以落地，也可以不落地。牛頓在這方面也有過考慮：你以一定的速度扔出一個蘋果，給它的速度越大，扔出的距離越遠；如果扔出的距離大於地球的尺度，蘋果顯然永遠不會落地。這就是關於人造衛星早期的樸素的想法。

這是科學發展中另一位非常重要人物 - 愛因斯坦，他的代表作是廣義相對論。愛因斯坦晚年致力于思考宇宙大一統理論，所謂的宇宙大一統理論是把不同的理論放在同一框架下來闡述。多年前我曾經在美國跟一位牧師有過關於科學的對話，他有科學方面的學位，對科學有一定程度的了解。

我至今還記著他講過的一句話：「上帝一定用公式創造了世界」（God must have created the world with formulas）。這句話是有道理的，因為看看我們的周圍，公式無處不在，如這幅圖裡面就有核反應方程、麥克斯韋的電磁場方程、愛因斯坦的場方程、流體力學方程、薛定諤方程等等。但這些方程式分屬不同的理論框架，愛因斯坦晚年考慮如何用同一個框架來闡述這些理論，他至死都沒有走出這個隧道。如果愛因斯坦成功的話，從隧道的另一端走出的將是上帝本人。

在這方面一個非常有前途的理論是弦論。當初我讀研究生時為了了解什麼是弦論，特地去選了一門弦論課。弦論的中心思想可以用幾句話來簡單的表述：給你一根弦或繩子，抖動一下可以產生一種波形，不同的抖動可以產生不同的波形；數學上有一個定理認為所有的函數可以用正弦或餘弦的疊加來表示，與此類似，弦論認為所有的粒子或物質可以用這根弦產生的波形的疊加來表示。弦論在數學上是非常優美的理論，至於它能否成為宇宙大一統理論，我們拭目以待。

對很多科學研究者來說，最重要的可能並不是科學的意義和價值，而是科學的美。愛因斯坦年輕時看到麥克斯韋的電磁場方程組，感嘆它的對稱之美。當年麥克斯韋就是基於他的方程組，用紙和筆算出光是一種電磁波，這是非常了不起的成就。愛因斯坦本人的得意之作 - 廣義相對論，預言光線可以彎曲（實際是時空彎曲）。1919年由愛丁頓爵士帶隊的日全食觀測確認光線的確可以彎曲，與愛因斯坦廣義相對論的預言相符，這讓愛因斯坦一夜之間成為一個超級明星。當愛因斯坦被媒體問及如果觀測與廣義相對論不符他會如何反應時，愛因斯坦沒有正面回答，只是說：如此美麗的理論怎會是錯的？

與此類似的是另一位物理學家狄拉克（Paul Dirac）。狄拉克是個非常有趣的科學家，他對物理公式美的追求超過對他的理論能否被實驗驗證的關心。而我們知道物理學實際上是一門實證學，所有的理論必須為實驗所驗證。同樣，狄拉克通過以他的名字命名的方程式，用紙和筆預言了正電子的存在，多年後實驗果真證實了正電子的存在。狄拉克引用詩人John Keats的話說：美即真理，真理之美（Beauty is truth, and truth beauty）。對他來說，美的理論就是對的。這些對應了Will Durant那句話的後半句：科學的終極發展是藝術。在這個意義上，科研工作者了解一些藝術方面的東西，對科研工作是有幫助的。

我們曾經看過一些科學家與藝術家的對話。對於一些藝術家來說，他們不懂科學，所以很難理解科學的藝術之美。其中一個說法是科學不像藝術那樣具備情感方面的因素，這可能是有道理的，因為科學畢竟是客觀而又嚴謹的學問。但科學的發現或所揭示的現象則可以觸動人類的情感甚至靈魂，就像看一幅繪畫，可以給人以情感上的觸動和震撼。下面舉兩個例子。

這張被命名為「暗淡藍點（The Pale Blue Dot）」的圖片，是由美國宇航局的旅行者1號（Voyager 1）太空飛船在離地球60億公里處拍攝的首張太陽系畫像，地球的大小僅為一個點。當時，美國一位行星科學家Carl Sagan建議NASA把旅行者1號掉頭來拍攝地球，於是便有了這張圖片。Carl Sagan以此寫了一本書，揉合了哲學和人類關於太陽系的認知，其中最為著名的一段：「看那個點，那是家，那是我們。在上面，每個你愛的人，你知道的人，聽說過的人，每個曾經的人，都住在那裡 ... 每個英雄和懦夫，每個人類文明的締造者和毀滅者，每個國王和農夫，每對年輕的情侶，每個母親和父親，滿懷希望的孩子 ... 每個腐敗的官員，每個超級明星，每個出色的領袖，每個聖人和罪人，都住在那裡，住在那粒懸掛於陽光中的微塵上。」

這是美國宇航局MAVEN衛星對火星的觀測結果。跟地球不同，火星沒有整體磁場（我們稱為磁層）的保護。火星內部產生整體磁場的機制 - 我們稱為發電機 - 若干年前不知為何死亡，至於死亡的原因，一種說法是小行星對火星的撞擊。因缺乏磁層的保護，太陽風可以直接進入火星大氣。太陽風是帶電粒子，可以電離火星大氣里的中性原子，電離後的原子被太陽風攜帶的電場帶走。如果我沒有記錯的話，因此逃逸的火星大氣為100克每秒。雖然看起來很少，但這只是現在觀測的結果，如果以億年的時間尺度往以前推，數量將非常可觀，而且太陽風暴發生時損失的火星大氣將大大增加。

現在火星大氣的密度非常低，沒有大氣，自然也就沒有海洋、河流和湖泊。但從現在觀測到的殘存的痕迹我們可以感受到火星上湖泊和海洋曾經的存在，早前的火星必然是一個充滿液態水、濃厚大氣還有生命的星球，然而現今卻是一個寒冷的、乾涸的、了無生機的沙塵世界。通過研究火星，可以了解地球可能的演化以及我們地球人的命運。如果說火星就是我們地球的終極宿命，你會有怎樣的感想？