神奇的宇宙

周方黎

天穹日月交辉，银河高悬；地上山川形胜，香花异草，飞禽走兽，争奇斗艳；最奇妙的是，世上还有得天独厚的人类。万物之中唯独人有超群的理性，能够思考存在的意义和来源，这是人生命的特征。

古代的人类，仅从宇宙的宏伟丶天地给人类供养之慷慨，以及自然界力量的可畏，对造物主怀著崇敬和感谢之情。人类对造物主这种感性认识开始得很早，当时人类对自然的认识还极其肤浅，这种感情也是朴素的。古人仅依靠生活经验，在漫长的岁月中艰难地积累了关於客观世界的简陋知识。

随著时间前进，人类知识不断发展，渐渐形成可实验并以逻辑推理来认识自然规律的科学方法，这是人类文化史中的一个飞跃。科学在不断发现问题和解决问题中前进；然而，所谓解决问题，实际上是发现原有的知识不足；但新的解答同时也带来更多丶更难的问题。在人类知识的前进中，自然却以更大的速度向後退却。这说明自然界的知识是无止境的，认识的序列是发散的，不是收敛的。一个科学规律只在某一特定条件下成立，一旦超出这个条件，规律就不适用。从这个意义上讲，一切科学规律都是在一定条件限制下的相对真理，是暂时的。在任何时候，自然界总是存在更多没有解决的问题，有待人类去认识。“因果关系”是人类的一个基本信念，这个信念激励著人们去求索自然规律，也是科学活动的根据。

科学的进展，使人类越来越清楚地看到大自然的无限奇妙。宇宙间事物的运动所牵涉的能量，难以想像的巨大；然而科学规律却又是如此简练，在严格中包涵著无穷的睿智。人们面对壮丽而又神奇的宇宙，充满由衷的赞美和钦敬。不禁使人想到爱因斯坦的话：“自然界最不可理解的就是它竟然是可以理解的。”自古以来，很多杰出科学家在重大发现之後，第一个感觉就是赞叹造物主的大智大能，并看到自己的渺小。牛顿发现引力定律和力学运动定律，从而解释了行星的运动规律。他对自己的成功有清醒的认识，牛顿说：“我不知道世人怎样评论我，但我自己知道，我仅像一个在海边玩耍的小孩，陶醉在时而找到一块更为光滑的卵石，或者一个更为美丽的贝壳的喜悦之中，然而浩瀚的海洋茫茫地铺展在我面前。”

为了更具体地说明科学对人类知识的影响，也就是对人生观和世界观形成的影响，这里我用物质科学中最基本的分科——物理学的成果作依据，讨论以下问题。物理学讨论物质的特性和运动最单纯的形式，在物质科学中，这是最为简单和明确的问题。物理学面对的经验事实最丰富丶最明确，因此探讨最深入，论证的逻辑性最强，结论也最确定，可和经验进行细致的对照；所以从物理学的角度来分析问题，进行科学和知识关系的讨论最为恰当。

一丶奇妙的能源——太阳

习惯使人产生错觉，即使是最大的奇迹，见惯了也不过尔尔。地球得天独厚的条件正是这样被忽视。太阳中氢变成氦的原子核聚变反应，产生光和热的辐射，供给地球无尽的能量。太阳中的聚变反应进行的快慢，恰好符合生命存在的要求。太快了，能量就过多；太慢了，能量又过少，都不适合生命的存在。

太阳是一座巨大的聚变反应炉。为了不使燃料散开，一切炉子都需要有炉壁，太阳是这聚变反应炉的炉壁，就是整个太阳巨大质量所产生的引力。这个无形的炉壁稳定而可靠，真是最最奇妙的设计。人类也梦寐以求地希望在地上能实现核聚变，以取得无尽的能量，可惜最大的困难在於无法找到一个可靠而稳定的聚变炉壁。

能源只是生命的必要条件，在宇宙中有无数像太阳这样的能源，可是在那附近不一定有生命。对生命存在更重要丶更细致丶更严格的要求，是在适当的恒星旁，有一颗具有很多极其优越的条件的行星，在太阳周围回转的地球就是一个极为难得的例子。

二丶地球的优越条件

地球拥有的优越条件实在太多，这里仅举几个例子。地球和太阳的距离最为恰当；稍远一些就太冷，稍近一些又太热，都不适合动物的生存。地球的大小也适中：小一些就维持不了大气圈；太大则大气中的有害气体将过多。地球自转的速度正适宜人类生活。地球上的水就是最奇妙的物质：它有极多的丶理想的物理和化学性质，它是动物血液的主要成分，在人的全身循环，传送营养，带出废料，它的作用比机器上的传动带奇妙得多。地球还有以氧和氮的适当比例组成的大气，供人维持生命。地球表面的大气层，还担当了保护地球免受宇宙尘埃撞击的护卫任务，地下还贮藏著各种宝藏待人慢慢采掘享用。地球内部更储蓄著大量热能，有待人类去开发利用。地球有一颗美丽的卫星——月亮。月亮在推动潮汐方面起了很大作用，使得海洋不会变成一大潭死水，永远保持清洁。月亮还给夜静的人间充满诗情画意。

天文学研究，由於电子技术和望远镜的巨大进展，能观察到更多丶更详细的星际情况，知道单就我们的银河系中就有二千多亿颗恒星，其中可能携带著行星系。值得注意的是，其中仅有太阳系中的行星的轨道是近乎圆形的椭圆；而其他恒星系中的行星的轨道都是扁长的椭圆形。只有在接近圆形的轨道上的行星和太阳的距离变化很小，因而一年四季的温度起伏不大，适宜人的生存。其他恒星系中的行星系因距离的变化很大，温度也随之剧变，不适宜生命的存在。在茫茫宇宙之中，出现像地球这样得天独厚的行星是无可否认的奇迹。

三丶享受科学

人类知道科学知识可帮助挖掘和冶炼预置在地球中的宝藏；但更奇妙的是潜在的科学规律，有待人发挥他的智慧去理解。人类一旦掌握了这些规律，就可以利用它来创造许多奇妙的东西，例如从原子核的裂变，得到巨大的能量；认识和利用不同原子结构的不同能级的特点，分别造出半导体和激光来，半导体又是当代计算机的基础。这不过是一些事例。

为何在原子结构中，恰好有这可作为半导体和计算机基础的特殊性质的能级存在？为何有这麽大的能量贮藏在小小的原子核中？为何古老的牛顿力学还是现代航空丶航天的基础？如果没有电磁波的存在，远距离的瞬息通讯有可能吗？没有X射线和超声波的存在，会有无损伤地窥测人体内脏的医疗器材吗？这许多事实都是无因之果吗？牛顿的话值得深思，他说：“毫无疑问，我们看到的这个世界，其中各种事物如此绚丽多彩，各种运动如此错综复杂，它不是别的，而只能是指导和主宰万物的上帝的自由意志。”

科学的应用能够在物质方面增加人的福祉，但科学的价值远不止於这些。肉体的物质需要是一切动物所共有的；而唯独人要追求智慧，想知道宇宙和人生的究竟。这些都属最美好，最高贵的真理。如果人不尽量运用他独特的天赋去追求丶欣赏和享受这些高於物质的财富，岂不是废弃自己最突出的才能，浑浑噩噩地虚度一生，辜负了上帝对我们的厚望吗？

四丶宇宙的形成

物理学的规律可以用来理解地上和天空中物质的各种机械式运动。到了二十世纪，物理学已进步到超越人眼所能观察的物质，例如原子丶电子丶光学等的领域。由於观察天象的望远镜和各类电子技术和航天技术的空前进展，扩大了人的视野，人类关於遥远的太空中的天体现象的知识大为丰富起来，促使人想到宇宙的整体问题。二十世纪初，爱因斯坦的广义相对论指出，宇宙结构有一个奇异的点，所谓“奇点”，奇点和宇宙的起始之点相当。在二十世纪四十年代，美国物理学家伽莫夫（George Gamow）和爱尔法（Ralph Alpher）根据地球上各种元素的比例仔细分析，提出宇宙从一个点的大爆炸开始，并据此作出了一些预言。其中之一是，目前地球上还残留著宇宙大爆炸早期的辐射。当时物理学界并没重视这个理论。

直到1965年，美国贝尔实验室的工程师，彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）的仔细微波噪声实验，证实了大爆炸理论。这以後大爆炸理论才被重视，宇宙学和天体物理学也成为物理学的一个热点。迄今研究显明，从大爆炸理论出发，应用现有的物理学知识，可简单而清晰地说明宇宙演化的过程，并且和观测所知事实符合得相当好。下文将简明地介绍这个理论的一些要点。

最初宇宙，所有物质都集中在一个密度接近无穷大，而体积接近为零的一个点上，温度极高。温度越高，物质运动得越快，所以宇宙迅速地向外膨胀，同时渐渐冷却。1929年哈勃观察到来自星系的光波，比地球上相应的光波长。他从声学原理思考，得到宇宙在膨胀的结论。宇宙之所以能不快不慢的方式稳定膨胀，是由於宇宙开始时膨胀的外冲力和物质的向内吸引力的奇妙配合。如果开始时膨胀过快，吸引力控制不住，宇宙就很快崩散；如吸引力太强，宇宙又会收缩，导致坍塌，星系和恒星便无法形成。现存的宇宙恰好在两者之间的临界状态，全系於爆炸的外冲力和向内吸力极其精确平衡（精确度偏差不能超过1/1016），所以能够如此地稳定膨胀。

大爆炸之後的一秒钟，温度下降到大约为100亿度，这个温度是太阳中心温度的一千倍。那时宇宙中的主要成分是光子和电子等，物质和空间同时形成。随著温度下降，物质运动的速度减低，物质之间的极强大且仅在极近距离出现的相互作用渐与膨胀时的外冲力抗衡；於是较大的块块形成，出现质子丶中子和氘核等。当宇宙冷却到几十亿度时，出现了氦核。从大爆炸开始到这里，只过了三分钟，效率之高，难以想像。到了4,000度时，正负电荷之间的吸引力开始生效，中性的原子出现了，最早是氦原子，以後是稍重的氧原子和碳原子，然後是更重的原子。这时宇宙的年龄大约是数千万年。

宇宙开始时有微小的不均匀。在某些密度高的地方，引力更大，形成像我们银河那样的星系。星系由极多的恒星所组成，大的有几亿颗恒星。更多较重的原子被抛出恒星之外，成为行星。恒星和行星形成恒星系，太阳系是其中之一。太阳中最轻的氢聚变成氦，产生巨大的能量，以光和热的形式向周围辐射。行星中没有这种聚变，所以不产生辐射。地球原先也是非常热的，经过漫长的时间，它慢慢地冷却下来。岩石中溢出的气体成为大气。经过更长的时间，地球上出现植物丶动物。最後出现了结构异常复杂，且有极高智慧的人。

大爆炸理论同时引发另外一些问题：何以宇宙会这样开始？又何以它又选择让我们能够理解的科学定律去演化？科学家提出各种解释，都很勉强而有漏洞。最自然丶最简单而又最完整的假设应该数剑桥大学一次物理讨论会上提出的“人择原理”。这个原理的内容是：“宇宙的事情所以这样地展开，是为了人的出现。”它虽然是物理学家提出的理论，但也是人们下意识中的常识。宇宙的发展和地球上出现生命，都显示著一个极其精妙的整体设计。物理学和天文学从多个方面指出，人类的存在需要极其细致的物质运动规律，和宇宙秩序的平衡。这一切都向我们明确地显示了一切都出於一位有无比智慧和能力的设计师。多数物理学家都认同这个原理。

大自然除了严格丶完美的运动规律之外，宇宙设计难以想像之高精确度更是令人敬畏的事实。现代物理学发现，物质之间的基本相互作用只有四种：强作用丶电磁作用丶弱作用和引力作用。每一种作用的强度各由一个基本常量来表征。各种作用相对强度的精确比例，保证了宇宙从创始到星系和恒星的形成，及生命的出现等等演化过程。我再举两个例子：

1.弗里曼．戴森（Freeman Dyson）仔细研究过原子核内部的核子之间的强作用（核力）的强度，和宇宙物质的性质之间的关系。计算的结论是，如果核力比实际值弱百分之几，氘核就不能稳定，要衰变成为一对质子和中子。於是像太阳这一类恒星，就要以核反应的方式来释放能量，当氘被烧尽，就以氦为核燃料，再以後就消耗更重的核，於是恒星的物质结构将大大改变，和现今世界全不一样。假如核力比实际值强一些，那麽质子和质子就会克服它们之间的电磁排斥力，而黏合在一起成为一个质子对，然後每一质子对中的一个质子会衰变成一个中子，这样质子对就变成氘，接著两个氘又由核力黏合成氦。结果将不会有氢从大爆炸时遗留下来，类似太阳这类稳定的恒星也就不会存在，当然更谈不上水和生命了。

2.第二个例子是关於电磁作用和引力作用的相对强度和恒星的性质关系。电磁作用和引力在形成恒星的结构中，扮演著十分重要的角色。恒星靠引力黏合起来，同时又以电磁辐射的形式释放能量。这两种力的具体配合的细节极为复杂，现在还没有彻底搞清楚。一般说来可得以下结论：重的恒星温度较高丶较亮；而轻的恒星则温度较低丶较暗。它们分别称为蓝巨星和红矮星。蓝巨星的辐射太强，红矮星的辐射又太弱，都不适宜於生命的出现。实际情况是电磁作用和引力的均衡竟然使所有的恒星都处在蓝巨星和红矮星之间的一个狭窄的范围内，之所以有这等幸事，完全是因为电磁作用和引力的基本常量之间有奇妙的巧合。假如引力的强度只作难以想像的1/1040的微小变化，也足以破坏这种微妙的巧合，於是所有的恒星将只能是蓝巨星或红矮星，像太阳这类恒星就不会存在，依存於太阳的生命现象也不会出现了。

奇迹太多了，人们习惯了就将它们当作不足为奇的自然。我们所观察到的井然有序的世界结构之所以存在，完全是因为有这样一些微妙的数值巧合。这一切只能出於一位大智大能的造物主的精心设计。人类已经从科学的方向，无可推诿地望见上帝了。