科學也可以如此靠近

為什麼我們能夠測量黑洞,卻對普通感冒束手無策?

6月
09
2018

2018年6月09日19時 今日科學 椰子研究與發展

椰子研究與發展

對於超大質量黑洞藝術渲染圖。圖片來源:NASA / Reuters

作者 MARTIN REES(英國著名理論天文學家、數學家、科普作者、前英國皇家學會會長。)翻譯 葛鵬,審校 阿金 譚坤

阿爾伯特·愛因斯坦曾經說過:「宇宙最不可理解的地方就在於它是可以理解的。」他的驚訝不無道理。人類大腦的進化使得適應能力逐漸變強,但自從我們祖先在熱帶草原四處遊蕩、應對那個時候生活的挑戰以來,我們最基本的神經系統幾乎沒有發生改變。憑藉這樣的大腦,我們可以理解量子與宇宙,理解這些不同於「常識」、遠離我們身處的日常世界的事物,是相當不可思議了。

但我認為,科學會在某一時刻放慢前進的腳步。原因有二:樂觀一些的觀點是,我們已經將某些領域的內容梳理得非常清楚了(例如原子物理學),以至於沒有什麼值得再去解釋的了。第二個可能更讓人憂心,即我們將達到大腦理解能力的極限。可能一些我們毫無察覺的概念正是完整理解物理現實的關鍵所在,正如猴子不懂達爾文學說與氣象學一樣。一些見解可能需要等待後人類智能來發掘。

科學知識實際上是極其「不完整」的,而其中最艱深的奧秘通常就在我們身邊。現如今,我們可以令人信服地解釋測量結果,揭示距地球幾十億光年外的兩個黑洞相撞事件。與此同時,儘管我們在流行病學領域的研究取得了巨大的飛躍,但對治療普通感冒卻一籌莫展。我們充滿信心地探究神秘和遙遠的宇宙現象,卻又對身邊的日常事物束手無策。而這其實並不矛盾。天文學遠比生物學和人類科學簡單。對我們而言,雖說黑洞看起來很奇異,但這是宇宙中最簡單的實體之一。它們可以用簡單的方程表示。

所以,我們要如何定義複雜性呢?科學能走多遠的問題一定程度上取決於這個問題的答案。只由幾個原子構成的東西不可能很複雜。大的事物同樣未必複雜。星空浩瀚,恆星碩大卻也簡單——它內核火熱,使得複雜分子分裂,化合物也煙消雲散,剩下的基本上是由原子核和電子構成的無定形氣體。或者以鹽晶體為例,它由鈉原子和氯原子組成,會堆積在一起不斷地組成結構重複的立方體晶格。如果你切割一個大的晶體,直到將其分解到單個原子尺度,它的結構都不會發生大的變化。即使是巨大的鹽塊,也稱不上複雜。

原子和天文現象——微觀與宏觀——都可能相當基礎。而令人棘手的恰恰是處在這兩者中間的事物。其中最複雜的便是生物。動物的內部結構遍布每一個尺度,從單個細胞的蛋白質到四肢與主要器官。切割鹽晶,鹽晶體繼續存在,但若用相同的方法切割生物,它卻無法存活。它就消亡了。

科學認知有時會被劃分成不同的等級,就像是建築物的樓層一樣。越複雜的問題所處的等級越高,而越簡單的問題則等級越低。數學處於地下室,緊接著是粒子物理學,其次是餘下的物理學,再然後是化學、生物學、植物學與動物學,最終是行為學與社會科學(包括經濟學,毋庸置疑處於頂層)。

給科學排序毫無爭議,但說那些「底層科學」,特別是粒子物理學,其實更深奧、比其他的學科更包羅萬象呢?某種意義而言,它們確實如此。正如物理學家史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)在《終極理論之夢》(Dreams of a Final Theory,

1992)中寫的那樣,所有解釋的箭頭都指向下方。如果你像一個倔強的小孩一樣,不停地問「為什麼、為什麼、為什麼?」,最終你的問題會落在粒子層面。在溫伯格看來,科學家們幾乎都是還原論者。不論多麼複雜的問題,他們堅信其答案都將歸結於薛丁格方程——根據量子理論,這是支配系統行為的基本方程。

但是還原論者的解釋並不總是最佳或者最有效。「多即不同。」這是物理學家菲利普·安德森(Philip

Anderson)的名言。一切都是由原子構成的,不論它多麼複雜——熱帶森林、颶風、人類社會皆是如此,並且都遵循量子物理規律。但是,即使這些方程式可以解決巨大的原子聚合體,它們卻不會給科學家們的尋找帶來啟迪。

含有大量粒子的宏觀系統會「湧現」特有性質,而最好的理解方式則是使用與該系統水平相適應,不可簡化的新概念來解釋。化合價、原腸胚形成(細胞在胚胎髮育中開始分化)、印記和自然選擇均是如此。甚至是像管道和河流中的水流這樣簡單的現象,從粘度和湍流角度,而非原子與原子間的相互作用更易為人理解。流體力學專家並不在意水是由水分子組成的,但因為他們設想液體是連續的,所以他們能理解波浪是如何破裂,而小溪又是如何變得波濤洶湧的。

新的概念對我們了解真正複雜的事物(比如候鳥或人類大腦)至觀重要。大腦是細胞的集合,正如一幅畫是化學顏料的集合。但其中重要且有趣的問題是:當我們進入更複雜的上層時,模式與結構又是如何出現的?這又被稱為「複雜性湧現"。

所以,還原論在某種意義上是正確的。但從實用的角度出發又不太對。只有約1%的科學家是粒子物理學家和宇宙學家。其他的99%在「更高」的「樓層」工作。他們被複雜的課題所困擾,卻並不是因為我們對亞核物理學的認識不足。

實際上,科學與建築物的類比是相當不準確的。建築物結構會受到其脆弱的基礎結構的威脅。相反的,處理複雜系統的「高層次」科學反而不容易受到不安全基礎的影響。科學的每一層都有其獨特的解釋。不同層次的複雜性現象必須用不同且不可簡化的概念來理解。

我們可以期待三個領域的巨大進步:極微觀、極宏觀和極複雜的領域。儘管如此,我還是堅持自己的觀點,直覺告訴我,我們的理解是有限度的。努力去理解非常複雜的系統——例如我們的大腦——可能會使我們達到第一個極限。複雜的原子聚合體,無論是大腦還是電子機器,也許永遠無法知道關於自己的一切。如果我們繼續沿著溫伯格的箭頭往下走,我們可能會遇到另一個障礙:或許會引向弦論學家設想的一種多維幾何學。物理學家可能永遠也不會理解時間與空間的基本性質,畢竟數學太難了。

人類認知存在極限的觀點已經受到大衛·德奇(David Deutsch)的挑戰,他是開創「量子計算」概念的傑出理論物理學家。在他那本具有挑戰性的優秀著作《無限的開始》(The Beginning of

Infinity)中寫到,原則上,任何過程都是可計算的。這點毋庸置疑。然而,能夠計算並不等同於能夠深刻理解。被譽為曼德博集合(Mandelbrot set)的美麗分形圖形可以僅通過幾行算法描述出來。它的形狀甚至可以被一台計算能力中等的計算機繪製出來:

曼德博集合(圖片來源:Flickr / Dominic Alves)

但沒有人僅僅通過一個算法,可以像想像方形或者圓形那樣,一下在腦海中想像出這個無比複雜的圖案。

象棋冠軍加里·卡斯帕羅夫(Garry Kasparov)在《深度思考》(Deep Thinking,

2017)中說:「人類加機器」將會比其中任何單獨的個體都更加強大。利用兩者之間不斷增強的共生關係,或許將會有新的發現。舉例而言,在藥物開發與材料科學中,相比於實驗手段,使用計算機模擬將逐漸變得更加有優勢。機器是否會超越我們達到質的飛躍,甚至擁有自主意識——這是一場正在進行的爭論。

生物大腦的抽象思維支撐著所有文化與科學的出現。但是這場跨越數千年的活動,可能不過時後人類時代出現更強大智慧體的簡短序章——它們通過「智能設計」而非達爾文的選擇進化產生。遙遠的未來究竟是屬於作為生物有機體的後人類,還是電子超級智能機器,仍有待爭議。但我們可能仍會過度地以人類為中心,相信對物理現實的完整理解掌握在人類的手中,並且不會給我們的後代留下任何新的挑戰。

來源:科研圈

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