天文學的黃金時代與我們的未來

50年來，劍橋大學的知名天體物理學家馬丁·里斯（Martin Rees）為我們對宇宙學的理解做出了傑出的貢獻。在這篇文章中，里斯將為我們講述與他同期的霍金、談論20世紀天文學的黃金時代、給年輕學者的建議……以及在未來50年乃至更長的時間內科學技術的前景和潛在危險。

在英國，劍橋大學76歲的天體物理學家馬丁·里斯、勒德洛的里斯勛爵備受眾人尊敬，這份尊重不僅源自於他對科學的貢獻，還因為他以罕見的輕鬆和自信跨越了科學、政治和文學之間的艱難領域。

自上世紀60年代以來，里斯勛爵一直致力於探索宇宙的方方面面。他尤為感興趣的是早期宇宙、星系形成、暗物質、超大質量黑洞以及多重宇宙，並發表了500多篇相關論文。

在公共領域，里斯被授予皇家天文學家的榮譽稱號，是23位「功績勳章」獲得者之一，這是由英國女王親自頒發的勳章。里斯隸屬於眾多學術機構，其中，宗座科學院（Pontifical Academy of Sciences）是一個最多由80名擁有各種信仰或沒有信仰的科學家組成的國際組織，在那裡，他參與有關氣候變化、生物倫理等地球問題的討論。作為英國上議院的終身成員，他就科學政策問題進行演講和立法。

里斯勛爵曾任英國皇家學會主席，也是八本關於科學和政治主題的通俗著作的作者。他的新書《未來：人類的前景》（On the Future: Prospects for Humanity）剛由普林斯頓大學出版社出版。《科學美國人》的Daniel Ackerman在書中寫道：「里斯巧妙地將其龐大的主題內容打包成一本指南，指導人們負責任地利用科學為人類構建一個健康公平的未來。」

以下是里斯勛爵的一次訪談。

你是那種從小就知道自己想要成為天文學家的人嗎？

不。一開始我不知道自己人生的方向是什麼。我擅長數學，所以在我15歲（按照英國體系的標準）被要求選擇一個專業領域時，我選擇了數學。後來當我在劍橋大學三一學院讀書時，我意識到，自己對數學的享受並不足以支撐我願意終身研究數學。

有段時間我認為我可能要成為一名經濟學家。然而，經過一系列幸運的意外，我最終進入劍橋大學的應用數學系，在那裡，我對宇宙學和天體物理學產生了興趣。在對它進行深入了解之前，我就選擇了這門學科。一年之後，我很高興自己做出了這個選擇。20世紀60年代是天文學史上的一個非凡時代。在那時，這一領域出現了引人注目的發展。

另一件事情是，這個系有一位傑出的導師——Dennis Sciama，他是一位非常好的講授相對論的老師，是《宇宙的統一》這本書的作者。Sciama將許多有趣的學生吸引到他的小組。霍金就是其中之一。

（Sciama對現代宇宙學做出了非常重要的貢獻，並且培養和影響了許多人，包括John Barrow、George Ellis和Roger Penrose等等。）

那時霍金是什麼樣子的？

他比我早兩年，當時在跟隨Sciama攻讀博士學位。那時他剛剛被診斷出病情，他認為自己兩年之後就會死去。可以看出，這件事是如何真正的激勵了他。他結了婚，做出了很棒的工作，包括他的博士論文。令人驚訝的是，他又活了55年。

你和霍金合作過嗎？

我們的工作方向有些偏離。他偏向數學物理，而我學的是現象物理學。我的工作多與觀測有關。

你能告訴我們，為什麼20世紀60年代是天文學中如此非凡的時刻嗎？

當時有那麼多新的信息湧來，我們見證了宇宙大爆炸、黑洞、類星體的第一個證據。想想看：當羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）和阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）在1964年發現大爆炸的餘暉——宇宙微波背景輻射的跡象時，我還只是一名一年級的研究生。

那時有些人是不相信宇宙大爆炸的。有些人相信穩態理論，這個理論說的是，宇宙有著無限的過去，它會永遠存在下去。但是一旦我們對宇宙微波背景輻射進行了第一次觀測，之後很快又有了第二次第三次的觀測，大爆炸就這樣被接受了。同樣，在1967年觀測到第一顆脈衝星後，脈衝星是中子星這一共識就很快出現了。

20世紀60年代末，宇宙學是一門新興學科。我認為對於一個年輕的科學家來說，在一個新事物不斷發生的領域工作是非常重要的。

為什麼這麼說呢？

因為如果你進入一個相當停滯的領域，你唯一可以解決的問題就是那些年長的研究人員被困住或無法解決的難題。然而在事物蓬勃發展的領域——無論是新的觀測、新的理論還是新的技術——你都有可能有機會做出前人沒能做到的事。在這種情況下，年長者的經驗會大打折扣。

這是如何影響你的？

我得到了在這些發現的基礎上繼續建造的機會。我能夠為理解宇宙微波背景輻射的起源以及星系的聚集和形成做出貢獻。

坦率地說，我的思維方式可以被描述為是概括性或者說綜合性的，而不擅長長鏈式的歸納，這非常適合於一個學科的早期階段。我喜歡在一門學科的開始思考整體概念，而不是細節。

這是我所做的許多工作的一個特點。當我提出類星體可能是由巨大的黑洞提供能量的早期想法時，這一點無疑是正確的。對於我在20世紀70年代寫的關於星系形成的關鍵物理過程的論文而言，也是如此。

對於宇宙微波背景輻射，探索是否有其他不是將其歸因於宇宙大爆炸的解釋是很重要的。直到70年代早期，這還是一個懸而未決的問題。1972年，我寫了一篇有點任性的論文，探討宇宙微波背景輻射可能是宇宙膨脹過程中的激波產生的這種可能性。但很快，觀測結果變得足夠精確，排除了這種可能性。

大爆炸模型得到了進一步的證實：它解釋了宇宙中氦和氘的比例問題。到20世紀70年代，至少在輪廓上，我們已經有了一個可以回溯到最初一秒的宇宙歷史模型，這是從60年代以來取得的重大進展，那時還沒有一點大爆炸的明確證據。

我想我也是第一個發表論文討論宇宙微波背景偏振的人。我是在1968年做出這個工作的。大約過了30年，這才被觀測到。

這種時間差讓你覺得沮喪嗎？

不。天文學家甚至有些想法很可能需要幾十年的時間才能觀測到。從預測到觀察到希格斯玻色子，花了50年時間。

對於宇宙學家而言，耐心是一種專業要求嗎？

我不是很耐心。我的注意力持續時間很短。這就是為什麼，在任何時候，我都在做各種各樣的事情。

多年來，這一直是個優勢。這意味著我對任何特定的想法都沒有下巨大的賭注。有些科學家在一個想法上研究多年，以至於他們覺得這是自己的專營。而我傾向於分攤風險。

有時我會對同一個現象同時做出兩種不同的解釋。我覺得沒有必要為了獲得動力而對一個特定的信仰做出承諾。我只是想知道答案。有時候，知道答案的最好方法是探索不同的選項，看看哪個選項最好。

你剛才說60年代是發現的黃金時代。我們今天生活在一個相似的時代嗎？

我想是的。過去五年取得了重大突破。舉幾個例子：我們探測到了引力波，對系外行星有了更多的了解，對宇宙微波背景有了詳細的觀察，對星系形成和宇宙前星系階段的觀測有了新的理論觀點。

這是由兩項發展促成的：一個是更強大的地面和太空望遠鏡，另一個是更好的計算機。在天文學中，我們不能做實驗，所以我們比其他科學家更依賴計算機模擬。例如，我們不能讓兩個星系相撞。但是計算機也許能夠計算出這種場景是什麼樣的。然後我們可以把這個模型和我們在天空中看到的東西進行比較。

最近的突破中，最讓你感到興奮的是哪個？

系外行星。我想每個人都對此感到興奮。在最明顯的層面上，它使夜空變得更加有趣。這些新發現讓我們意識到，每顆恆星都是由一群行星環繞的，就像地球和其他行星環繞著太陽一樣。在我們的星系中可能有幾十億顆像地球一樣的年輕行星，它們的大小與地球相差不多，距離它們的母星有一段距離，所以水可以存在。

在未來10到15年內，我們有希望能夠直接觀測到一些圍繞著附近恆星的類地行星。我們還不能做到這一點。關於太陽系外行星的證據是間接的——觀測者探測它們對所圍繞恆星的亮度或運動的影響。但是，新的望遠鏡即將到來，應該能夠探測和分析圍繞附近恆星運轉的系外行星發出的光。

我想到的是詹姆斯·韋伯望遠鏡，還有極大望遠鏡（ELT），它由一個歐洲財團在智利建造。那將是世界上最大的望遠鏡。它應該能告訴我們，這些系外行星是否有大陸和海洋，或者是否有證據表明它們有生物圈。

有傳統觀點認為，最好的研究是科學家在年輕時做出的。作為一個70多歲的天體物理學家，你對此怎麼看？

這也許是有道理的。年輕人確實更能夠集中精力，有更多時間。

我注意到科學家老去的方式有三種。一些人停止做研究，轉而去做其他事情。第二組人因為感到無聊而進入缺乏背景的新領域，我想到的有鮑林（Linus Pauling）、肖克利（William Shockley）和霍伊爾（Fred Hoyle）。第三種方法是繼續做你擅長的事情，並接受你可能只是在原地踏步的事實。

你是哪一種？

我認為是第一種和第三種的混合。我仍然每天早上看arxiv，但我把越來越多的時間花在了非研究類的事情上，比如寫書和參與公共事務。弗里曼·戴森（Freeman Dyson）說，老年人不應該寫論文，他們應該寫書。

你肯定一直在這麼做。你剛寫了新書《未來：人類的前景》。你也是宗座科學院的非天主教成員，也是上議院的活躍參與者。

我一直參與政治活動。作為一名學生，我參加過遊行和抗議活動。我加入工黨已經40多年了。在過去的幾年裡，我覺得我可以做一些研究之外的其他事情，我參與了更多的公眾事務。作為上議院——議會的第二部分的一員，我一直參與對倫理問題的探討。我們應該允許安樂死、胚胎等研究嗎？

雖然我參與了各種科學技術問題的報告製作，卻沒有提出任何重要的立法。大多數情況下，我會參與到一些尚未被充分討論的長期問題：這些高危害、低概率的威脅既來自地球上更大的碳足跡，也來自新技術，這是我新書的主題之一。

在你的書中，你對未來做了一些預測。科學家善於預測嗎？

我們（預測）的記錄不比任何人差。在這方面我們比經濟學家強！

在這本書中，我區分了我們可以自信預測以及不能預測的事情。展望未來大約50年的時間，我們可以預測兩件事：首先，世界會變得越來越擁擠，除非發生巨大的災難，我們可以預測，到2050年將有大約90億人。第二個可靠的預測是，由於二氧化碳的影響，世界正在變暖。

你看到這些問題的解決方案了嗎？

我確實寫過氣候變化問題是多麼具有挑戰性。這是在要求今天的人們為世界上偏遠地區以及未來50年的人們的利益做出一些犧牲。這對政治家來說是很難做到的。

我認為唯一有效的方法是雙贏，我們努力促進清潔能源的更快速發展。穩定碳排放的唯一現實方法是加強研發，希望這會將清潔能源的成本降至燃煤發電站的成本——這樣一來，比如說印度就可以直接跳到無碳的清潔能源的階段。

儘管你對改進的技術充滿熱情，但你也對生物技術和網路技術可能存在的危險保持警戒。你寫道，這兩者可能都需要一些個體自由的限制。

我這麼說是因為它們（這些技術）使得隱私、安全和自由之間的關係日益緊張。有了網路，一個有組織的團隊可以通過破壞美國大部分地區的電網而製造一場嚴重的災難。在生物領域也是如此。流感病毒的實驗已經證明，人類可以使它更加惡性，更容易傳播。

對我來說，最糟糕的噩夢是存在那種認為這個世界上的人太多了的狂熱分子。這樣的人不會對釋放了某種病原體而感到內疚。有機會進入實驗室的人就可以完成這樣的事。這沒什麼特別的。它不像製造原子彈，還需要顯眼的大型設施。

因此，我擔心的是，這些潛在危險的技術往往很容易實現，卻很難在全球範圍內進行監管，儘管它們的影響可能是全球性的。全球的毒品貿易和稅法監管並沒有很好的效果。事實上，我們在這兩方面幾乎都沒有取得什麼成功。

在書中，你花了六頁討論大型強子對撞機（LHC）。在LHC正式運行之前，你就曾寫過LHC可能引發破壞性過程。為什麼？

其他人提出了這些擔憂，我是回應他們，讓他們不用擔憂的人之一。但我在書中提到了它們，是因為當風險很高時，謹慎的方法是進行詳盡全面的風險評估，這確實應該是義不容辭的。

事實證明，大型強子對撞機中的物理過程和碰撞速度並非史無前例：這種現象已經由宇宙射線粒子的碰撞而出現在自然界中。我寫過一篇論文來說明這些情況是自然發生的，我們不應該為此擔心。

但為什麼要提這個問題呢？

在這個問題和任何其他類似的問題上，當風險如此之高時，必須將風險控制在十億分之一的水平上才可以保持信心。這是不能犯錯的事情。

哈佛大學的一位著名教授（Sydney Coleman）之前在一篇嚴肅的論文中提出「撕裂空間結構」的想法。因此，公眾當然希望物理學家探索這種可能性，並向他們保證，在十億比一的水平上，這是不可能發生的。

我認為這是正確的。如果人們要探索以前沒有探索過的物理領域，或者如果生物學家正在釋放一種新的病原體，他們首先確實應該認真思考。

展望你所在領域的未來，在未來20到50年，你認為將會有什麼發現？

未來會發生什麼在很大程度上將取決於技術的進步。我們將從更強大的望遠鏡接收到新信息，改進的計算能力將使我們能夠對這些信息進行建模和理解。例如，歐洲的蓋亞衛星發現了超過10億顆恆星的數據。我們現在可以分析它們了。幾年前，我們不可能做到這樣的事情。

我認為第二個領域是理解極端現象。我的主要興趣之一——伽瑪射線暴的研究，可以追溯到25年前，我們現在至少有了一個模型的輪廓。快速射電暴是一種新的現象，這仍然是一個謎，在達成一個普遍的共識之前它將被持續地討論。

我希望我們在研究CMB的角度漲落（可能還有偏振方面）也有進展。這也許會給我們一些關於宇宙早期——最初10?3?秒（也就是宇宙暴漲可能發生的時間）——圖像的線索。智利的西蒙斯天文台和芝加哥大學在南極進行的實驗或許有望揭開謎題。

我希望我們能從粒子物理學中看到更多的理論觀點，最近幾年，這種觀點並沒有給我們帶來什麼堅實的理論進展。這個理論的目標是將強相互作用和弱電作用統一起來，同時更好地引入引力。這將使我們能夠確定一些適用於早期宇宙的物理概念。

問題是，在第一納秒之前，宇宙的物理條件比我們在實驗室里——即使是在一個大的加速器里——能夠模擬的要極端得多。所以，我們沒有任何確切的數據。

我們也沒有好的理論。我希望，在未來20年，我們將有更好的數據和理論，使我們更好地理解宇宙大爆炸非常非常早的階段，這將告訴我們，為什麼我們的宇宙包含觀測到的原子混合物、暗物質和輻射。它也許還會告訴我們，宇宙為什麼以現在的方式膨脹，以及我們的大爆炸是否是唯一的。

所有這些問題仍然是推測性的。但是如果我回顧我還是個學生的時候，當時沒有證據表明真的存在大爆炸。今天，我們可以滿懷信心地談論宇宙大爆炸最初的一納秒。這就是巨大的進步。

撰文：Claudia Dreifus

原文標題為「On the Best Use of Science to Safeguard Humanity」，首發於2018年12月5日的QuantaMagazine。原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/martin-rees-on-the-future-of-science-and-humanity-20181205/。中文內容僅供參考，略有增刪，一切內容以英文原版為準。

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