我们仍然在仰望星空——试谈宇宙的“自然”与“超然” / 言殷

【编者按】

宇宙背后，是否有一位超然的创造主？我们习以为常的阳光、雨露、空气……是否有值得我们探寻的惊奇？……这些问题，曾困扰着许多追求真理的知识分子的心灵，也成为他们了解基督信仰的障碍。本文作者即是其一。来自中国大陆、现在高校任教的他，曾深受唯物主义的影响；而如今归信上帝的他，从物理学角度出发，重新审视宇宙的自然与超然，或许能给有同样困惑的读者一些启发。

当然，文中所涉及的科学家并非都是基督徒，但他们对宇宙奥秘的探寻和解读，从某种程度上也印证着上帝的“普遍恩典”。

 

文/言殷

 

“无中生有”的宇宙

在中国的先秦时代，屈原在《天问》中发问：“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”

古今中外，人们发出了形形色色的“天问”。直到20世纪上半叶，人们才从现代科学角度对天问作出了初步回答：比利时天体物理学教授、同时也是天主教神父的乔治· 勒梅特（Georges Lemaître），提出了关于宇宙起源的“原生原子假说”。该理论历经发展，形成了“宇宙大爆炸”理论，受到了大量实验数据的支持，成为目前最被接受的宇宙起源理论。

该理论认为：如果让时间一直倒流，那么宇宙故事的开场将是138亿年前的体积无限小的大爆炸奇点。宇宙由这一密度极大且温度极高的太初状态，经过不断膨胀到达今天的状态。大爆炸后的百分之一秒，宇宙温度由极高温降到1000亿摄氏度；该温度下，原子甚至是原子核都无法形成，只有游离的基本粒子（电子、正电子、中微子）；此外，宇宙中还充满光。此时的宇宙就像是一锅粒子和辐射的混沌汤。3分钟后，宇宙冷却至10亿摄氏度，质子和中子开始形成原子核（重氢核和氦核）；几十万年后，温度降到足够低，电子与核结合形成氢原子和氦原子。由此产生的气体在引力作用下慢慢凝聚成星系和恒星，而这些原子又会在恒星内聚变成更重的元素。[1]

大爆炸是时空的大爆炸[2]。大爆炸以前，没有时间，没有空间，也没有物质[3]。大爆炸理论最令人震惊的一点是——时间有一个开端，让人不禁联想到“创世时刻”。随之而来的问题是：大爆炸之前的宇宙是什么样的？驱动大爆炸的第一推动力是什么？时空本身是从哪里产生的？这些问题目前都没有确切的答案。大爆炸起始点是一个数学的奇点，它的密度、温度、压力都是无穷大，所有物理理论都已经失效。在大爆炸发生后的极短时间（10^-43秒，即所谓的“普朗克时间”）内，现有的物理理论也不能对其进行描述。

对于粒子的“无中生有”，量子场论可以解释：真空中充满了能量涨落，可以产生粒子（如突然冒出一个电子和一个正电子），尽管它们很快就会消失。伴随着粒子不断产生、湮灭，真空具备一定能量，称为“零点能”。因此，有人说“也许宇宙就是一个真空涨落”。不过，这是某种意义上的、但并非真正的“无中生有”，因为说到底，量子真空还是“有物”的[4]；况且，它也不能解释时空是如何产生的。此外，还有弦理论、圈量子引力、混沌暴涨（暴涨平行宇宙）、反弹学说、共形循环宇宙等理论，试图解决时空起源、以及“无中生有”的问题，但都缺乏实验证据，目前仍留存在假说层面。[5]

也许，我们必须承认自身的有限性：自然的产物难以理解“超然”；我们的“存在”追根究底是大爆炸的产物，这可能注定了我们永远无法理解大爆炸之前和大爆炸那一刻发生了什么。时至今日，科学仍然不能真正回答“遂古之初，谁传道之？（宇宙的第一推动）；上下未形，何由考之？（无中何以生有，时空的起源）”的天问。

 

呵护生命的宇宙

随着现代宇宙学的发展，科学家们惊奇地发现：我们所容身的宇宙，似乎是专为产生和维持生命而存在的。美国著名天体物理学家罗伊·古尔德（Roy R.Gould）在Universe in Creation: A New Understanding of the Big Bang and the Emergence of Life（中译名：《生命是宇宙的偶然吗》）一书中这样写道：“如果你退后一步来欣赏大自然创作的这块由元素组成的画布，你会发现，无论是元素的性质还是种类都恰好满足了行星形成和生命孕育的需要，这真是不可思议。”[6]

宇宙学家、剑桥大学教授约翰·巴罗（John D. Barrow）在《宇宙的起源》一书中，这样描述宇宙中的基本作用力以及物理定律中的常数，与生命的产生、进化间的惊人关系：“如果引力的强度稍有不同，或者电磁力的强度稍有扰动，那么稳定的恒星就不复存在，因为原子核、原子和分子等这些维持生命精妙平衡的特性就会被破坏。生物学家认为，生命的自发进化需要碳的存在，而碳异乎寻常的灵活性，使其成为DNA和RNA的基础。宇宙中碳的存在不仅取决于宇宙年龄和大小，而且还取决于决定着原子核自然能级的那些自然常数值之间惊人的巧合，它们决定了原子核的能级。……如果自然常数稍有不同，氦、铍和碳的共振就不复存在，我们也将不复存在，因为宇宙中的碳含量几乎为零。……宇宙中最复杂结构的存在是由自然常数值的明显巧合组合而成。如果这些常数的值稍有改变，向人类一样有意识的智慧生命的进化便全无可能。……我们需要认识到的是，若想让宇宙诞生出像我们这样的智慧生命，甚至诞生出组成智慧生命的原子或原子核，所有的自然常数（至少是其中大多数常数）的数值需要与所观测到的非常接近。”[7]

关于宇宙演化过程、自然界的物理常数与生命的产生和维持之间惊人的巧合，近年来有很多科普文章，感兴趣的读者不妨以“人择原理”“宇宙微调”为关键词进行搜索，也可参考霍金的名著《时间简史》。下面将目光转回我们所在的太阳系。我们会发现：我们习以为常的宜人光照和气候，实际上来之不易。

太阳和原始地球约形成于46亿年前。自那时起，太阳内部核反应产生的巨大能量顶住了引力收缩，使恒星的表面温度升高并向外发射可见光。天体物理学家古尔德这样赞美太阳：“这颗谦恭仁厚的充满氢气的巨大球体被创造出来，给生命提供稳定的温度环境……它是全宇宙性能最好的恒温器……太阳的表面温度不仅仅在安全范围内，其光谱所带来的温度，对促进地球生命孕育发展来说也是恰到好处的。太阳光线的能量范围，也恰好能为地球上所需的化学反应提供催化作用。这其中也包括那些让我们具有视觉的化学反应。如果没有阳光，动物可能都会进化成瞎子。”[8]

围绕太阳旋转的诸多物质吸引、碰撞，经累积形成了各大行星。木星的存在保护了地球，其引力偏转了大部分入侵地球者的轨道。月球的存在，恰到好处地稳定了地球自转轴相对于黄道面的倾角，使地球不至于向海王星那样（其地轴会指向太阳），出现持续的极高（或极低）温度。呵护人类的月球是怎么来的呢？据推测，有一次像火星这么大的星体撞击了原始地球，星体碎片（另一说为地球内部大量物质喷出）产生了月球。美国生物学家兰札和天文学家伯曼在合著的《超越生物中心主义》一书中，这样描述月球的形成：“月球是一个火星大小的天体，从一个恰当的方向来到地球，以恰当的速度与地球发生了恰当的碰撞而产生的：该天体的速度过快或体积过大都会摧毁地球，太小的话又不足以形成月球。方向很重要，因为与太阳系的其它主要卫星不同，月球是唯一一个不绕行星赤道运行的卫星……（如果它不是按现在的轨道运行）就无法总能发挥它的扭矩作用，并最大限度地稳定地轴了。这又是一个意外！我们的宇宙是一个极度不可能发生的现实。”[9] 关于月球对地球的种种恩遇，可参见英国物理学家格里宾的著作。[10]

“星辰永不超越其界限”——这是数学家庞加莱写在论文《三体问题与动力学方程》扉页上的著名格言。太阳和太阳系八大行星及其卫星严守岗位，运动规律在宇宙的星辰大海中岿然不变，守护着地球上的宜人环境。太阳系这种稳定性令人惊讶，因为：封闭的三体系统是一个混沌系统，很小的扰动就可能对这个系统的长期运动规律产生天翻地覆、难以预测的影响。即使是太阳、地球、月球这个最简单的三体系统，能保持稳定已属不易；而太阳系有八大行星，还有众多的矮行星、小行星和彗星，情况远比三体系统复杂得多，居然会如此稳定！

为了理解太阳系的稳定性，从牛顿时代至今的物理学家和数学家付出了不懈努力。直至20世纪后半叶，人们才对其有了初步的理解（KAM理论），但也远远未到完全理解的程度。大自然的安排如此神奇和周到，远远超出了当前人类的智力边界，令人不得不满怀敬畏。

 

抚慰人心的星空

自古以来，人们仰望星空，思考着宇宙的自然与超然，心灵在仰望中被安慰。正如美国天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）在其名著《宇宙》一书所说的：“人类诞生以来的大部分时间，都没有电视、电影、广播或者书籍的陪伴。我们会在没有月亮的夜晚，坐在篝火余烬前仰望星空……群星代表了一种秩序，一种可预测性，一种永恒。从某些角度来看，它们抚慰人心。”[11]

当今许多人会认为，宇宙按物理规律自发演化，“自然而然”地产生了地球和生命。的确，宇宙塑造了我们的身体。萨根告诉我们：“我们DNA中的氮、牙齿中的钙、血液中的铁，我们的苹果派中的碳，都来自恒星的内核”；天体物理学家古尔德说：“原子也不会变老。你体内的千亿亿亿个氢原子，每一个都有近140亿岁了，本身就是大爆炸的历史遗迹。”令人颇感费解的是，在宇宙这个无意识的母体中，我们发现，自己是有意识的。这促使人们思考：人与宇宙的关系是什么？人的存在是否有意义？面向上述问题，天文学家萨根给出了充满诗意的回答：“宇宙就在我们之中。我们是由星星的材料组成，我们是宇宙认识自己的途径”[12]；“我们是产生了自我意识的局部宇宙。我们已经开始思忖起了自己源于何方：我们由星辰所铸，如今眺望群星；我们由100亿亿亿亿个原子组合而来，而今考虑起了这些原子的悠久演化；我们回溯着意识（至少在地球上）诞生的漫漫长路”[13]。然而，著名物理学家温伯格（Steven Weinberg）在其经典科普书籍《最初三分钟》的结尾，给出了悲观的回答：“宇宙越能被了解，就越显得毫无意义……人类为理解宇宙所做的努力是能让其无聊的生涯略显成就的极少亮点之一，却也赋之于悲剧色彩。”[14] “也许，我们真正的问题不在于了解宇宙的初始，甚至不是确定宇宙是否的确存在一个起点，我们真正的问题在于在时空没有任何意义的情况下去认识自然。”[15]

现代宇宙学的进展，引领部分研究者将宇宙的奇妙指向了一个“超然”的设计者。因为发现宇宙微波背景辐射（该发现是对大爆炸理论最强有力的支持之一）而获得诺贝尔物理学奖的彭齐亚斯（Arno Penzias）这样说道：“天文学带领我们看到一件独特的事件，就是：一个从无中被创造出来的宇宙；这宇宙有精密的平衡，供应着容许生命存在的条件，而且这宇宙的背后是有一个计划的，亦可以说是一个‘超然’计划”。[16] 英国著名天体物理学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）在1982年写道：“物理学被一个超智慧的神作弄了，不仅是物理学，连化学和生物学也被作弄了。自然界中就没有什么值得一提的盲目力量。”[17] 在一个广为流传的视频中，90多岁的杨振宁先生在回答观众提问时谈到：“你如果问说是有没有一个造物者，那我想是有的，因为整个这个世界的结构不是偶然的。你看这个麦克风，妙不可言，这东西它不可能是偶然的，偶然不能搞出来这么妙的东西……（我的）年纪越来越大了，自信心变小了。为什么呢？因为看见的奇妙的东西，多得不得了……自己退缩了一点，比较多有宗教感。”

 

结语

同样是仰望星空，20世纪的物理学家们，萨根从星空读出了诗意和人的自信，温伯格看到的是无意义的时空、冷冰冰的苍穹和悲剧色彩的人生，霍伊尔、彭齐亚斯、以及暮年的杨振宁先生则隐隐看到了造物者的身影。中世纪的宇宙观认为：“人类及其居所地球位于上主的怀抱之中，沐浴着上主的光辉，被圣恩所笼罩。上主处于天球的最外层，推动着宇宙的运行，并看顾着地球上的人类……整个宇宙都以地球为中心，朝着地球闪烁星光。”[18]

在宗教改革500年之后的今天，我们惊讶地发现：被现代人嗤之以鼻的中世纪宇宙观，原来自有其道理。某种程度上说，宇宙就是为人类而存在；处于如此浩瀚的宇宙中，人类既不渺小，也不孤单。在物欲横流、心灵无处安顿的今天，我们仍然要仰望星空，注目于无限和永恒，因为那里既是生命的起源，也是生命的归宿，从中或可寻得我们此生意义之所在。

 

作者简介：

作者系中国大陆某高校副教授。物理学博士，现从事物理与生物、化学交叉领域的研究。

 

注：

[1]《最初三分钟》，史蒂文·温伯格著，王丽译，重庆大学出版社，2018年。参见该书《导论》及第四章。

[2]《永恒的诱惑：宇宙之谜》，张天蓉著，清华大学出版社，2016年。参见该书第九章。

[3]《宇宙的起源》，约翰·巴罗著，黄静译，天津科学技术出版社，2020年。参见该书第144-145页。

[4]《如果宇宙始于大爆炸，那么大爆炸始于？》，《原理》公众号，2022-01-08。作者为伯明翰大学教授Alastair Wilson。

[5]《从夸克到宇宙：理论物理的世界》，中国科学院理论物理研究所，科学出版社，2018年。

[6]《生命是宇宙的偶然吗》，罗伊·古尔德著，陈海滨译，上海科学技术文献出版社，2022年（引文出自该书第107页）。

[7]《宇宙的起源》第160-162页。

[8]《生命是宇宙的偶然吗》第110-112页。

[9]《超越生物中心主义》，罗伯特·兰札、鲍勃·伯曼著，杨泓等人译，湖南科学技术出版社，2017年（引文出自该书第118-120页）。

[10]《奇观：月球之谜，宇宙之始及生命的起点》，约翰·格里宾著，张玫瑰译，北京联合出版公司，2022年。

[11]《宇宙》，卡尔·萨根著，虞北冥译，上海科学技术文献出版社，2022年（引文出自该书第56-57页）。

[12] 这是萨根在纪录片《宇宙》中的话，转引自《宇宙史话：人类如何认识宇宙的故事》，程鹗著，清华大学出版社，2022年（参见该书《前言》）。

[13] 引文出自萨根的书籍《宇宙》的结语。

[14]引文出自《宇宙史话：人类如何认识宇宙的故事》第315、317页，英文原文为：The more the universe seems comprehensible, the more it also seems pointless…The effort to understand the universe is one of the very few things that lifts human life a little above the level of farce, and give it some of the grace of tragedy.

[15]《最初三分钟》第221页。

[16]《是否真有神的存在》，温伟耀著，明风出版社，2015年。引文出自该书第66页。此处文字转引自Ross, The Creator and the Cosmos, p.159；中文翻译参考李伯基译《混沌初开》（美国：中信，1998）。

[17]《生命是宇宙的偶然吗》第107页。Quoted in Helge Kragh, “An Anthropic Myth: Fred Hoyle’s Carbon-12 Resonance Level”, Archive for History of the Exact Science 64(2010): 741。

[18]《科学的历程》，吴国盛著，湖南科学技术出版社，2018年。参见该书第235页。