百年科技的历史回顾与哲学反思
2019-04-19 20:52:35
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来源:世界科技创新论坛

作者:吴国盛 清华大学科学史系教授

来自:科学的历程(kexuedelicheng)

科学的社会化和社会的科学化是科学的世纪里两个基本的标志。回顾百年科技历程,不只是讲述一个历史故事,更是反省我们当下的处境。

19世纪是第一个科学的世纪,二十世纪是第二个,当然也是离我们最近的一个。科学的社会化和社会的科学化是科学的世纪里两个基本的标志。科学的社会化是指科学家不再是个人关在屋子里头自己拍脑袋想,相反,科学研究成为大规模的集体协作的行为,即所谓的大科学,这里面包含着全社会的支持以及科学共同体大规模的系统运作。社会的科学化则是说社会的运作按照科学的模式进行,例如流水线生产、工厂和学校里严格的作息制度、交通秩序等等,都按照科学在实验室里所规定了的秩序来进行。

本讲的主要内容就是二十世纪是如何完成科学的社会化和社会的科学化的。二十世纪整个的一百年里,理论科学的发展基本上可以概括为两次科技革命和四大理论模型;应用科学也可以概括为两大超级能量和两大生活技术。

两次科技革命的第一次指的是在十九世纪二十世纪之交物理学领域发生的科技革命,包括相对论和量子力学的出现。第二次科技革命,在我看来还是一个正在进行中的、尚未完成的革命。这场革命发生在二十世纪后半期,就是非线性科学的革命。四大理论模型是在二十世纪快结束的时候基本形成的。这个四个模型包括宇宙学中的大爆炸模型、粒子物理学中的夸克模型、分子生物学当中的DNA双螺旋模型、地学中的大地板块模型。也有人说还可以再加一个计算机领域的冯.诺伊曼模型。这四个模型或者五个模型大体可以表达二十世纪最重要的一些理论成就。当然不是说其他的成就就不重要,而是说这几个成就格外的重要,因为它们构成了二十世纪理论科学发展的一个平台。

应用科学的两大超级能量,第一个能量就是核能量的释放,包括核武器的研制、核能量的释放和利用等。这个可以称之为超级能量的释放。第二个是登月工程。登月工程之所以能够称为一种超级能量,是因为它代表了人类对地球引力的征服,代表了人类走向太空。这是一个人类自古以来从未想象过的一种现实,可以称它为一种超级能量的开发。

那么什么是两大生活技术呢?这指的是二十世纪后期发生在我们眼前的两种技术。第一个就是生物技术,第二个是信息技术。人有两方面的存在,一个是社会学存在,一个是生物学存在。人类的生物学存在正在遭受生物技术的改造和改变,这是一种生活技术。人作为社会学意义上的存在,是一种交往性的存在。人是通过交往来认同自己的,每个人都要跟人家交往,把一个人关在一个屋子里老不让他交往,他最后不是发疯就是变成非人。但是交往是要依靠技术的,基本的交往技术就是信息技术。所以今天的信息技术就是我们第二大生活技术。

世界图景的重建

我们先来看物理学革命。科学史越讲到后面越难讲,原因就在于它的科学内容越艰深,越来越不好讲。科学史写到二十世纪就只能写一写外部的历史、一些社会的历史,讲一些内部的历史就不大好讲了。但今天我们还是准备简略地把一些推论、有意思的结论给大家讲一讲,算是科普吧。物理学革命分为相对论革命和量子力学革命。相对论基本上是家喻户晓的了,因为爱因斯坦是二十世纪最大的科学明星。

爱因斯坦曾经跟卓别林说,为什么所有人都喜欢你,是因为他们都理解你;为什么所有人都喜欢我,是因为他们都不理解我。这就反映了爱因斯坦的相对论非常难理解,不要说一般大众,就是学物理的要真正地理解相对论也是很不容易的,所以爱因斯坦就开了这么一个玩笑。

大家知道相对论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论主要是在时间空间问题上的一场革命。关键是引出了同时性的相对性。比如说现在我们正在王府井搞讲座,此刻天安门那儿有一场隆重的仪式,那么在什么意义上说,此刻天安门和王府井的两个事件是同时的呢?你可以说我们看表看到是同时的,都是十点钟开始,那边也十点,我们这儿也十点。可是这毕竟是两块表,如何才能知道它们是一致的呢?的确,我们不能肯定现在这块表定的时间和天安门广场那块表的时间完全一样,因此讲同时性就需要对钟。爱因斯坦说,你必须告诉我你是怎么对钟的,他要求同时性要有一个操作的定义。由于要对钟,所以需要信号。最快的信号是光,可以用光来对钟。但是光的速度仍然是有限的,这就意味着在对钟的过程中光信号从天安门传到王府井是需要时间的,这就会遭遇一种相对性效应。在一个静止的人看你对钟和一个运动的人看你对钟,对出来的是不一样的。爱因斯坦借此提出同时性的相对性,也就是说,对于一个参照系中的观察者来说是同时的,对另一个参照系的观察者就不是同时的。根据这个同时性的相对性,爱因斯坦就推出了他所谓的狭义相对论。同时性的相对性还比较好理解,但由此出发得出了很多很古怪的结果。

第一个古怪的效果叫尺缩钟慢。在不同的参照系里的人看来,尺子的长度是不一样的。一个运动的尺子会比在静止时短,这个叫尺缩;运动的钟要慢一点,这是钟慢。这个尺缩钟慢效应不是任何外力作用造成的,就是参照系本身造成的,是运动学效应不是动力学效应。由于运动是相对的,你看见我的钟慢了,我看见你的钟也慢了,那么到底是谁慢了呢?由于处在不同的参照系,这个问题是没有意义的。但是,要是让一对双生子派一个人先出去跑一圈再回来,由于他们都会发现对方时钟慢了,生命的生长也慢了,于是对方都比自己年轻了,这样再次碰面就会出现悖论:到底是哪一个更年轻?这就是著名的双生子悖论。这个悖论在狭义相对论里解决不了,只有在广义相对论才能解决。大家知道,一个宇宙飞船飞出去又飞回来,它必然要经历一个加速运动才能飞出去,飞出去之后要想再回来,它又要经历一个减速运动。一加速一减速就不符合狭义相对论的条件,就是广义相对论处理的问题了。经历了加速场的人,按照广义相对论来说,他应该是绝对地变年轻了。因此按照广义相对论,这个双生子悖论是可以解决的,答案是坐宇宙飞船出去转一圈的那个人变年轻了。这是我们要说的尺缩钟慢效应。

还有一个很重要的推论,就是很多人都知道的质能转化公式,E等于MC2,E是能量, M是质量,C是光速。根据这个公式,稍微有一点点质量的损失,可以变成巨大的能量。过去分别有质量守恒和能量守恒,现在两者是一回事,合起来叫质能守恒,这个也是狭义相对论所得出的结论。

接着我们说一说广义相对论。广义相对论处理的是加速问题。牛顿力学里面有两个质量,一个是牛顿第二定律规定的那个质量,我们称为惯性质量;另外一个是万有引力定律里面的,叫引力质量。在牛顿时代,引力质量和惯性质量被认为当然是同样一个质量,但是这个并没有予以说明。爱因斯坦认为,这两个质量的同一性实际上表明了引力场和加速场的等效性。说白了就是,引力场和加速场本质上是一回事。爱因斯坦最喜欢用电梯做思想实验,历史上称为爱因斯坦电梯。比如说你坐在封闭的电梯里,并且用台秤秤自己的重量,现在你发现台秤上显示你的重量大于你的体重,那么爱因斯坦说,你不能肯定究竟是你所在的电梯正在向上加速运动,还是地球的引力突然增大了。这就是加速场和引力场两者不可分的意思。根据这个等效原理,他推出了广义相对论。

广义相对论也有很多重要的预言。其中最有意思的一个推论就是,他认为物质和空间之间不能够像过去那样看成相互外在的两个东西,比如说空间是一个篮子,物质就像篮子里的菜;空间是那个书架子,物质就是书架上的书。爱因斯坦说这不对的,实际情况是,空间变成了物质的某种几何性质。广义相对论主张,有什么样的物质,就会有什么样的空间。就好比篮子装了菜,篮子就发生变化;书架装了书,书架会发生变化。任何有质量的物质都会引起周围空间的弯曲,质量越大、引力场越大,空间弯曲得越厉害。过去我们认为月亮绕地球转,是因为有地球的引力在拉着它,现在,按照广义相对论的说法,好是因为地球的引力场让地球周边的空间变弯了。月亮某种意义上是在走一个直路,只不过空间弯了,它走的直路在我们看来也是一个弯路。

空间弯了,一向走直路的光线当然也会弯曲。这个说法当然是非常奇特的,一般人觉得不可思议。爱因斯坦说只有在特别强大的引力场之中,光才能发生弯曲。我们地球周围最大的引力场就是太阳,太阳质量最大,可是白天太阳很亮,没有办法用它来判定光线是否在经过它是否发生了弯曲。但也有办法,就是等日全食的时候,月亮正好把太阳全部遮住的时候,我们再来看一看处在太阳背后的那个恒星的光,能不能绕过太阳被我们看见,如果能的话就证明爱因斯坦说得是对的。这件事情正好发生在第一次世界大战之后,英国的爱丁顿率领一个考察队专门去考察日全食的时候光线是不是发生弯曲,考察的结果居然是真的发生了弯曲。当时就一下子轰动了,爱因斯坦从此成为家喻户晓的科学家。

我们讲这些基本的东西,是要想说明爱因斯坦的相对论,对人类关于时间、空间、宇宙的基本观念产生了一场革命性的转变,因此我们说爱因斯坦是二十世纪的一个科学革命家。下面我们再来讲讲量子力学。量子力学从某种意义上说,比爱因斯坦的相对论还要深刻,它里面所包含着的革命性因素还要多,主要表现在几个方面。

第一个是微观领域里物质的波粒二象性。微观粒子既表现出波的特性,又表现出粒子的特性。粒子的一个特点是它有个定义明确的界限,有自己独一无二的位置。波则是一个弥散的东西,不能说波在什么位置,波是处在整个空间之中。这本来是两种完全不一样的物质形态,但量子力学发现,微观粒子既像是粒子也像波。比如说这个屋子有两个门,我们每个人进来的时候总只能从一个门进来,你不能说我同时从两个门进来的。可是量子力学发现,微观领域的粒子就是从两个门进来的。同样,它也是从两个门出去的,因此,你就不好说它出去之后究竟在什么地方。

第二个叫做测不准原理。一个粒子的能量和时间、质量和动量不能够同时精确测定,也称为不确定性原理。为什么量子领域会发生这个事情呢?主要的一个原因是我们对量子领域的现象必须通过实验才能了解,可是实验总是会对对象有干预。比如说我们这个黑屋子里面有一个球,现在我们来问这个球在什么位置,当然我们不知道在什么位置,因为屋子太黑了我们看不见。为了知道它在什么位置我必须把灯打开。可是把灯一打开之后,那个灯的光线就对那个球产生作用。对一个宏观的球来说,光线不大可能对它产生什么明显的影响,可是在量子微观领域,这个光子跟这个球差不多,它就完全有可能把球打到不知道什么地方去了。即使你打开灯之后看见那个球在某个位置,你也不能说没打开灯之前那个球在什么位置。如果你不开灯你看不见,一开灯球又变了位置了,所以这就是为什么量子力学说搞不清楚它在什么位置的一个根本原因。

量子力学还有很多这类稀奇古怪的现象。经常有物理学家自嘲说,如果你在学过了量子力学之后没有意识到自己根本不懂量子力学,那么你就真是不懂量子力学。只有当你知道自己不懂量子力学之后,你才能说自己稍微懂得一点量子力学。量子力学在二十世纪初产生后,与实验符合得非常好,成了整个二十世纪科学的一个基本的平台。今天诸位都用了手机,用了电子设备,其实里面都包含着量子力学的理论成就。量子力学我们就讲到这里。

下面我们讲讲四大理论模型。

四个理论模型里面宇宙学和相对论联系最深。牛顿以来的宇宙学基本上就没了,因为宇宙被认为是无限的,无限的宇宙没法研究。爱因斯坦相对论提出来之后,他发现可以把宇宙整体作为一个研究对象,建立方程。这个宇宙方程导出的解都表明宇宙不是稳定的,但他当时觉得宇宙总体上应该是一个稳定的东西,所以他加了一个宇宙学项,强行把从相对论宇宙学中导出了一个静止的宇宙模型。也有一些数学家试解爱因斯坦的宇宙方程,提出了好多次数学方案,这些方案都表明宇宙是不稳定的。由于没有观测证据,数学家自己算着玩,也没有人当真。

有意思的是,大概在二十年代末,美国的一位天文学家叫哈勃——哈勃望远镜就是以他的名字命名的——发现银河系外面的星系都有红移现象。红移就是光谱向红端移动,向低频段移动,人们马上联想到多普勒效应。多普勒效应很简单,说的是一个运动的振动源在观察者看来,振动的波长和频率都是要发生改变的。我们都有这个经验,一个火车鸣着汽笛向我们开来的时候声音越来越尖锐,离我们而去的时候声音越来越低沉。这不是因为它这个汽笛声调发生了变化,而是因为我们和火车之间的运动关系发生了变化。它向着我们来的时候是越来越尖锐,声音的频率发生了蓝移;离我们而去的时候声音越来越低沉,发生了红移。河外星系都有这样的红移现象,这就意味着所有的星系实际上都在离我们远去。如果所有的星系都离我们远去,这就意味着整个宇宙都在膨胀。

这个观察证据发现之后,立即就被人联想到那些数学家所给出的宇宙膨胀模型。理论与观测相遇了,现代宇宙学就这样成长起来了。如果说宇宙是膨胀的话,那么往回追溯它应该越来越小,小到一定地步应该就变成一个点。从点状如何膨胀出一个宇宙?点之前又是什么东西?这就是一个大问题。

宇宙学家提出一个理论说,宇宙是从起点处高温、高压、高密度的奇点状态爆炸过来的,爆炸瞬间之后,是一团宇宙雾,或者说一锅宇宙汤,随着温度慢慢变低,依次产生现在我们看到的这些物质,核子啊、电子啊这些东西,后来慢慢再出现星系、星云,出现行星,整个宇宙就出来了。在冷却的过程中实际上还有点雾没有彻底冷却,这个很稀薄的一层雾始终还在,大概相当于绝对温度三度这样子的辐射,是早期宇宙汤的一个遗迹。这个遗迹后来居然也被发现了,这个发现也是非常巧的。几个搞射电天文的人做了一个射电望远镜调试,怎么调试也不能复零,老有一点本底噪音。这个本底噪音当时被认为是望远镜没做好的一种表现,他们很苦恼。

但是他们在普林斯顿大学吃饭的时候跟同事们谈起来,说我们造了一个望远镜,怎么调也调不到零,本底噪音不知道怎么来的。说者无心听者有意,旁边的理论宇宙学家一听,这个本底噪音不就是宇宙背景辐射吗?他们于是结合起来研究,证明那个本底噪音就是宇宙汤在冷却过程中留下的那一点点雾,称为微波背景辐射。

这个辐射的发现就成了对热大爆炸宇宙模型的一个有力的支持,这个模型从此就有力地确立下来了。这个模型也很受理论物理学家喜爱,因为很多高能物理实验在地面上不好做,做不出来,但有了这个模型,我们就可以虚拟地在宇宙早期去做。因为宇宙早期温度又高,密度又大,成了理论物理学家很钟爱的一个模型,他们可以在这个模型的基础上做思想试验。

第二个模型就是所谓的夸克模型。大家知道一分为二的思想。所有的物质都是由分子构成,所有的分子都是由原子构成,所有的原子都是原子核和电子构成,原子核由质子和中子构成,质子和中子由基本粒子构成,还能不能接着分下去呢?过去我们说一尺之捶,日取其半,万世不竭。可是问题是,你想是可以这么想,但能不能真的分得下去得靠科学来说话,得做实验。实验结果却表明,这个夸克模型分不下去了。因为到了量子领域之后,质能转换关系开始起作用了。

打个比方说,你用刀去切苹果,在宏观领域里,苹果是苹果刀是刀,是两个不同的东西。可是到了微观领域,代表着分解方的刀和代表着被分解方的苹果是可以互相转换的,相当于说,你切着切着,刀切没了,变成苹果了。本来应该是苹果越切越小,由于刀切没了,转化成了苹果,因此苹果被切之后有可能变成两个更大的苹果。

由于质量和能量可以相互转化,高能粒子在切割的过程中并不是越变越小,这样一来,所谓的无限可分就变得没有意义了。夸克模型认为夸克实际上根本打不开,一个很重要的原因是道高一尺魔高一丈,你敲击的能量越大,它禁闭的能量也越大,所以根本就打不开。这是夸克模型。

DNA双螺旋模型大家都很熟悉了。今天我们处在一个生物技术的时代,基因的时代。基因时代之所以能够到来,与DNA双螺旋模型的发现是有关系的。过去我们只知道有基因,基因在染色体上,那么具体来说基因是什么样,有什么样的内在结构,过去都不知道,现在都搞清楚了。

五十年代有两位英国的年轻人,在前人的工作的基础上最终发现了DNA实际上是两个链缠在一起,缠成一个双螺旋,有了这个双链条模型后人们才能精细地对基因进行研究和加工。今天我们知道的基因复制、基因修补、基因重组,都是建立在这个DNA双螺旋模型的基础之上。所以这个模型对于今天生物科学的发展,对于我们生物技术的发展都是功莫大焉。

但是大家也要注意到,DNA双螺旋模型的发现是与微观物理学的发现有直接关系的,刚才我们讲的量子论和相对论都是有贡献的。因为DNA这个东西很小,必须用电子显微镜来看。电子显微技术实际上是建立在当时量子力学这样一些物理学基础之上的。所以某种意义上说,这个DNA双螺旋模型的发现,理论物理学也是有很大功劳的。

大地我们过去只知道有纵向的运动,地震就是典型的纵向运动,上下动。人们从来没想到大地还有水平的运动,地那么大的东西怎么会水平运动呢。但是有些人就注意到了,我们的世界地图几大块之间的关系,实际上暗示了它过去可能是一个整体。

有一位地质学家叫魏格纳,有一天他躺在床上看世界地图就发现,非洲大陆跟美洲大陆边界好像能接上,他就想是不是早期它们是一整块的,后来才分开的。这个思想当然过于大胆了,人们很难设想地球那么大的玩意儿还能够水平运动。他有了这个设想之后,就想去验证它,而且写了书,但是得不到大多数人的认同。所以这个大地水平运动理论,一直经历了大概半个世纪的争论,反复地研讨,最终在六十年代终于得到了地质学界的认同,被认为是地质学中的一场革命。这场革命确立了大地的板块模型,以及这个板块的漂移运动。有了这个板块模型,所有的关于地质、地球物理的研究就有了一个崭新的面貌。所以板块模型也被认为是二十世纪最重要的一个模型。

第五个模型我们讲的是冯·诺伊曼模型。冯·诺伊曼模型是计算机领域的一个模型,今天我们用的电脑基本上都属于冯.诺伊曼机。冯.诺伊曼机的一个基本原理就是把操作程序代码化,把数据和程序储存在一起。大家知道我们今天的硬盘里既存数据,也存软件。软件就是操作程序,数据是我们用的,比如说文字、图象等。冯.诺伊曼机发现把它混在一起可以提高效率,过去这两个部分是分开的,操作是操作、数据是数据,但是运算速度很慢。冯.诺伊曼提出来把两者混在一起,统一编码,这样就大大地提高计算机的运算的速度。今天我们用的电脑依然属于这个范畴。因此有人认为冯.诺伊曼模型也是二十世纪最重要的理论模型之一。

20世纪60年代以来,不断出现了一批横断学科、新兴学科,被有人称为第二次科学革命。我同意这种说法,而且,这场科学革命在我看来是比相对论、量子力学更加深远的一场思想变革,它要打破近代自牛顿以来的一些对世界的看法,参与这场科学革命的学科很多,非线性科学、复杂性科学、系统科学、生态科学都卷入其中。

这些新的科学都想破除传统科学里面的机械决定论思想。牛顿力学世界观的一个理想是,给定全部的初始条件我就能告诉你世界的过去、现在和未来。法国科学家拉普拉斯对此有一个形象的表述。他说只要有一个万能的计算者,你告诉他这个宇宙的初始条件,他就能算出宇宙的过去、现在、未来。在他看来,难题只在于有没有这样一个万能的计算者,世界的决定论特征是没有问题的。拉普拉斯的这个形象的说法,现在看来是有问题的。决定论的信奉者也是征服自然、改造自然的信奉者。我们因为能掐会算,能够精确地预言、预测,因此我们什么都不怕,我们可以无所顾忌地改天换地。因为我能够精确地知道,我对自然界的改造会造成什么样的后果。如果你不能够知道后果,那么人类对自然会有所敬畏。

新的科学认为人类对自然的研究,并不能够获取完全的确定性。我们只能或然地了解世界,我们对于世界长远的后果是没法了解。这就是所谓的非线性效应、复杂性效应、生态效应。过去有一个箴言说人算不如天算,包括这个意思。历史上的许多原始文化、传统文化都强调要敬畏自然,主张自然的很多后果我们是难以预料的。但是,这个论调是近代科学所不理会的,近代数理科学传统认为自然界是一个确定的体系,现在看来这个信念过于理想。新的科学发现了路径依赖和初始条件敏感,就是说初始条件微小的变化将会非线性放大,放大到不成样子。通俗的讲法就是所谓的蝴蝶效应,说的是北京的一个蝴蝶扇一下翅膀,结果在纽约造成一场风暴。一个玩笑说,坏了一只马蹄铁,损失一匹战马,损失一匹战马带来一场小小战役的失败,小小战役的失败带来一场大战役的失败,大战役的失败带来战略性的失败,战略性失败带来国家的灭亡。这每一步都是非线性放大,结果是一只马蹄铁坏了导致一个国家灭了。非线性效应在现在看来不是个别的、孤立的,而是普遍的,处处都存在。过去认为整个宇宙尺度上,还是牛顿力学说了算,现在看来牛顿力学只能是小范围说了算,大范围反而都是非线性系统。我想这是一个很重要的观念革命。

第二个方面是整体论的出现。过去的科学都主张对世界进行分割、切割,把宏观的东西还原为微观的东西,把整块的东西切割成小的东西。我们先对小的、简单的东西进行研究,研究了小的东西,那么大的东西自然就可以拼出来了。方程都是微分方程,微分方程算出来之后进行积分。微积分的过程就是一个原子化的过程,积分的过程就是一个拼装的过程。所以近代以牛顿力学为代表的世界观,基本上是一个拼装、拆拼的世界观。我们做什么事、看什么问题,都先是把这个事情把它拆开了、分解了,模块、板块化。现在我们管理学里面经常搞模块化、板块化,其实就是来自经典科学里面的原子论思维。流水线生产也是,把汽车都拆散了。过去造东西是一个工匠从头造到尾,现在是一个人造一点点,造完以后拼起来就行了,又快又好。这是现代性思维的一个很重要的部分,也是古典科学的拼装世界观的反映。

这种拆拼世界观、原子论世界观有个问题,就是忽视了世界、事物本身是个有机的整体,拆和拼的过程中肯定会损坏或者忽略掉有机的部分。我们都知道有许多东西是拆不出来也拼不出来的,这就是整体的东西。比如我们说一个和尚挑水吃,两个和尚抬水吃,三个和尚没水吃,这就是一个整体论效应。如果按照线性相加的原则,一个和尚挑水,两个和尚就挑两担水,三个和尚挑三担水。但这是原子论的思维,实际上并不是这么回事,和尚越多越没有水吃。也有人说,一个中国人是一条龙,三个中国人成了一条虫,这也是整体论效应,搞在一起反而内讧、相互拆台。这个效应你通过拆分拆不出来,拆出来之后的东西就像我们刚才讲的量子效应那样,有可能越拆越大,越拼越小,这就不是线性效应。

还有一个方面是,新科学确认了世界的不可逆性。牛顿力学根本上认为,一个物理系统是可以反演的。时间变成负的无所谓,反正牛顿方程里面的时间都是以平方的方式出现的。不可逆性早在19世纪后期热力学第二定律出现的时候就已经认识到了。人们发现一杯热水放在空气里面,它只会越来越凉,一直凉到和空气温度一样为止。从来没有一杯冷水放在桌上,能从空气中吸热把自个儿烧开了。从来只听说过破镜难圆,没听说过一个破碎的镜子最后自己能重回圆满,打碎的瓷器难复原、覆水难收都是这个意思。可是按照牛顿力学,这种逆转原则上是可以的。宏观上看一个物理系统总是按照一个不可逆的方向发展,一杯水总是慢慢地变冷或者变热和室温保持平衡,从来没有越来越偏离室温的情况出现。

这种不可逆现象出来以后,很多科学家很苦恼。因为所谓的热力学定律不过就是微观定律的一个宏观表现而已,微观领域的粒子肯定都是符合牛顿定律的,因而是可逆的,可是为什么微观里面是可逆的,宏观就不可逆呢?当时有一位奥地利的物理学家叫玻耳兹曼,一直在试图解决这个问题,结果到死也没有解决问题。最后他是自杀的,没解决这个问题很苦恼,自杀了。这个问题到现在也没有完全解决,但是新科学,就是非线性科学、系统科学、复杂性科学、生态科学都试图把这个不可逆性作为一个基本的现象来处理,而让牛顿力学的东西作为一个次级的现象。这是新科学的一个崭新的变化,这个变化将更加符合我们的日常生活经验。

科学与人文在现代之所以分裂有一个重要的原因就是古典的物理学、古典科学不再关注价值问题,只关注事实,造成了事实和价值的二分。事实和价值之所以二分,是因为古典力学、古典物理学、古典科学所面对的对象是一个机械。机械本身是没有目的的,没有目的就没有价值。有机体都是有目的的,机械没有目的。如果你把世界本身看成个机械,那么这个世界本身就谈不上什么价值,价值只属于人。于是,人和自然、事实和价值、科学与人文之间就发生了分裂。可是新的科学认为世界本质上不是一个机械,而是一个有机体。这个有机体有自身的目的、有自身整体的效应。机械论理想局部是合理的,但是它是有限度的。因为特定的目的、特定的目标我们可以把世界看成个机械,但是根本上来看,世界并不是一个机械,而是一个有机体。这个有机体有整体效应,有非线性效应,它的变化过程是不可逆的。一个人只能由小孩长成青年,青年长成中年,中年变成老年,老年最后死掉,不可能倒着长,倒着长不是有机体的模式。想倒着长恰恰是机械自然观的一个必然后果。从这个意义上说爱因斯坦的相对论,特别是狭义相对论总体上看也还属于机械自然观的范围。爱因斯坦相对论是允许时间倒流的,逻辑上它允许时间倒流。好莱坞电影里面特别喜欢借用这个东西,来幻想时间倒流,从而产生一些非常异样的场景叠加,那就有戏可看了。电影总是要有戏可看,所以他们特别喜欢援引相对论这些东西。其实可逆性思想已经遭到了新科学的质疑。

人生在世一个基本的东西是,过去和未来是不对称的。我们能够回忆过去,能够展望未来。你不能说我回忆未来,展望过去。过去和未来的不对称也是人生意义的根本来源。如果人没有这种不可逆性、不对称性的话,也就没有后悔问题、没有憧憬问题,就谈不上人生的意义了。你做什么事跟不做什么事都一样,都无所谓。所有人生意义的来源、价值的来源都根源于人生的不可逆性。可是,这个不可逆性恰恰在过去是被科学所承认的。因此我高度评价新的科学所代表的发展方向。当然,我们现在也很难说新科学是不是已经成熟了,是不是可以替代旧的科学了。从历史上看,新的科学的诞生到成熟需要好几百年。近代科学在西方也经过了大概二三百年的时间才确立自己。但是,总的来说,新的科学的成熟将导致人类一种新的存在方式、新的生活方式。

超级能量的开发

20世纪不但在理论科学方面出现了革命性的成果,而且在技术方面更是取得了人类有史以来最令人震惊的成就。只有在讲技术时,我们才真正地领悟到,科学与社会之间一些复杂的关联。

我们先来讲一讲核能量的开发。核能量的开发非常典型地表达了科学的社会功能、科学与社会之间的相互作用、相互关系。核能的开发直接根源于核物理学的发展,没有核物理学就绝无可能有核能量的开发。而核物理学、粒子物理学、高能物理学,都奠定在二十世纪初相对论和量子力学的革命之上。因此,从某种意义上说核能的释放是二十世纪前期物理学大发展的一个必然的产物。核物理学发展早期的人并没有意识到,核能量真的可以开发。当时的一些新闻记者问爱因斯坦,E=MC2这个公式意味着质量的微小损失就可以带来大量的能量,你觉得它将来能不能造福于人类。爱因斯坦说这根本不可能,完全只是理论上的可能性。爱因斯坦这样的伟人都没有意识到,其实核能的开发已经近在眼前。早期的一些量子力学家像尼尔斯.玻尔这些人,也都没有意识到这一点,英国的卢瑟福也都认为核能的开发是不可能的。

但是事情进展很快,到了三十年代初期的时候,核裂变以及通过高能粒子轰击造成链式反应的机会就有了。链式反应就是指用一个高能粒子撞击一个核,撞的过程中损失一定的质量带来巨大的能量,撞击的结果是出现了更多的适合做轰击炮弹的粒子去轰别的核,这样一来就像滚雪球一样,轰击过程越闹越大。这个链式反应一旦成立,核能的释放和开发就成为可能。大家知道,三十年代初正好是二次世界大战的前夜,那时候希特勒刚刚上台不久,叫嚷要振兴德意志民族,排斥犹太人,叫嚣着要报仇雪恨,因为他们第一次世界大战打输了。当时的人们很担心,因为当时德国的物理学非常发达,可以说是世界第一物理学强国,所以欧洲其它国家的物理学家就很担心,实验室里核能的释放最终可能会变成核武器,而德国人优先拥有这个武器对人类来说不是个好事。所以当时就有科学家很着急,希望物理学家是不是能够放慢研究的速度。放慢一点科学研究的步子,这是人类历史上第一次科学家主动站出来说的。过去认为科学总是好的,科学总是在造福于人类的,科学家总是在做好事,我们要把它做得越快越好。可是核能的释放一开始就遭遇了这么一个难题,当时就怕被坏人所利用,所以反而希望不要搞或者搞慢一点。但是这个设想没有得到认可,因为近代科学的一个基本的原则就是学术自由、出版自由、研究自由。研究没有禁区,不能够轻易破坏这个自由研究的原则,所以核物理学还在飞速地发展,特别是那些德国物理学家都很厉害。转眼间就到了三十年代中期了,纳粹排犹更加厉害,很多有犹太血统的或者背景的物理学家都跑了,大部分跑到美国去了。爱因斯坦也跑到美国去了。美国人在战后之所以成为世界强国,很大程度上是发了战争大财,特别是发了人才财,希特勒把一些优秀的科学家都挤到美国去了,所以美国战后立即成为世界的科学强国。当时一些科学家到了美国之后,继续担心德国人会抢先把这个核武器造出来,就希望美国人也抓紧造。美国人如果抓紧先造出来的话,就可以遏制德国人。但是核武器是个新玩意儿,谁都搞不清是个什么东西。美国当时的罗斯福总统也搞不清楚。那时候马上要打仗,国家的事情很多,所以那位希望美国人尽快研制原子弹的匈牙利籍犹太物理学家希拉德就到处找人签名。他先找爱因斯坦,爱因斯坦那时候已经到了美国,他的名气很大,而且他也很爽快地签了。有人说爱因斯坦是原子弹之父,其实算不上,他那个质能转化公式离造核武器还远着呢,至于他在信上签了名,其实那封信并没有引起美国总统的注意。那个时候爱因斯坦整天给人签名,因为一大批犹太人跑到美国去,找不到工作找不到地方住,他们听说犹太人中最伟大的是爱因斯坦,所以他们都去找爱因斯坦签名写信,帮助改善生活条件。爱因斯坦是所有人找他签名他都签,所以他那封写给美国总统的建议制造原子弹的信并没有真正地起到什么效果。

后来真正起到效果的是美国的总统科学顾问去跟罗斯福讲了一个故事,他说当年有一个美国的发明家叫富尔敦,就是汽船的发明者。他当时到法国去发展,想找拿破仑拿一笔钱去开发他那个新型的用蒸汽机驱动的轮船,拿破仑觉得用机器来驱动船不太可能,作为一个军事老手,他知道军舰是跟天气有关的,可富尔敦跟他说你要是买了我这个船,将来这个军舰风雨无阻,想到哪去就到哪去,想什么时候走就什么时候走,拿破仑不信,没有资助他。这位总统顾问就跟罗斯福讲了这个故事,说你看看由于军事家、政治家缺乏远见、缺乏想象力,结果就没有把蒸汽机用在军舰在,你设想一下如果当年拿破仑用了富尔敦这个军舰的话,那英国很可能就没了,现在的世界格局就完全不一样了。这个故事打动了罗斯福总统,罗斯福当即就说立即上马这个事。这就是大家知道的著名的曼哈顿工程。

曼哈顿工程大体分成三个部分。第一个部分是物理学家去搞反应堆,即可控的链式反应。你得让它反应起来,还要可以控制,别最后不可控制把整个地球都炸了就不行了,必须把它控制住,让它反应它就反应,让它不反应它就不反应。这个事情是在芝加哥大学由一位来自意大利的物理学家叫做费米的来主持。第二个工作就是要提纯大量的铀,铀就是用来做核武器的原料。天然的铀矿不纯,需要把它提纯。做个炸弹不能搞得像个楼那么大不行,要做小一点,做小一点就必须有很纯的铀。据说为了铀的提纯,当时花了美国当时全国电力的三分之一。为了造一个核武器,把美国一个国家的用电量三分之一都耗掉了,可以想见造这个核武器是一个大规模的协作行为。没有政府的投资,没有政府下那么大决心,是不可能做出来的。第三个部分就是组装炸弹。当时一下子造了三颗炸弹出来,第一颗炸弹先在戈壁上试爆了一下,结果威力无比,当时的核物理学家都吓得浑身发抖,腿都软了,没想到能量这么大。

这个核武器造出来的时候,时间已经到了1945年初,这时的德国已经不行了。盟军的特工到了德国境内去侦查他们的核武器的研制点,发现德国人根本搞不出来。这个消息传回美国之后,美国科学家就慌了,说过去我们造核武器是怕德国人抢了先,我们要遏制它。现在知道了德国人根本造不出来,我们还造不造那个核武器呢?物理学家多数说不造了,可是国家不同意,现在由不得你了,我们美国已经花了这么多钱、花了这么多人力物力,全国那么多电力都被你耗掉了,现在不造也得造了。科学一旦引入政治和军事领域,科学家的发言权变得很有限了。结果还是造出来了。造出来以后又争论,究竟要不要扔这个东西。当时的科学家都说我们是不是不要扔了,能不能组织全世界的人来看一下,威慑一下就行了,看看能量有多大。美国说不行,试爆了一个之后威力确实很大。当时德国已经垮掉了,德国是大概五月份就投降了,但日本还很厉害,还在顽强地抵抗。在太平洋的诸岛上美日之间是一个一个地角逐。虽然当时的科学家们反对对日使用核武器,但军方说我们的美国青年每天都在对日前线上牺牲,早一点投核武器对我们是有好处的,可以早一点结束战争。结果美国就发布了一个最后通牒,通牒说得也比较含糊,说你再不投降我就给你毁灭性打击,没有说毁灭性打击是什么意思。日本人当时当然不听它这一套。美国就在8月6号在广岛投了第一颗原子弹。投了之后日本国内也有核物理学家,就派人到广岛去勘察究竟是不是核武器。他一去就知道是核武器,当时就吓坏了,但消息尚未及时地返回来。日本军方还是很强硬的不肯投降。结果两天之后又在长崎投了一颗。这颗投下去之后,日本人立马就在当天宣布无条件投降。

核武器的研制到运用的过程中可以看到科学技术和社会中包含着多种各种因素,犬牙交错在一起。核武器出现了以后,立即变成了一种超级能量,并且最终转化为一种政治权力。所以战后各国竞相研制核武器。所谓核军备竞赛,就是美苏两个超级大国之间为争夺世界霸主搞的。谁掌握的核能量越多,他就越厉害。我们中国也是要研制核武器,两弹一星里面有一弹就是核弹,包括原子弹和氢弹。过去那个时候联合国安理会五个常任理事国,正好是五个有核国家。你没有核武器根本就没有发言权。有了核武器之后,我们才真正成为一个大国,才真正成为一个在安理会有发言权的国家。许多海外华侨听说我们核武器研制成功,那是非常激动的。知识就是力量,科学就是力量,这一点在二十世纪表现得最充分。核能量的开发充分表达了科学成为一种超级能量的这个过程。

讲完核武器,我们再讲讲航空航天计划。重要的科技进展都和战争有关系,这一点是耐人寻味的。航天计划也是和二战之后的冷战有关系。二战之后没有出现第三次世界大战,但有冷战。只有局部的热战,越南战争、朝鲜战争等都是局部的热战。冷战就是互相背对背,也不喊打,但是都互相较劲。冷战里面最重要的一个工程就是——阿波罗计划。阿波罗计划就是登月计划,是一项重大的航天计划。美国在二战之后有了核武器,又有了高速飞机,挺扬扬得意的,开始时对这个火箭不是十分关心。航天需要火箭,因为普通的飞机是在空气里运动。空气有两个用途,第一个是提供浮力,飞机靠两个大翅膀可以浮在空中;第二个空气可以作为助燃剂燃烧。但是进入太空就没有空气了,靠飞机是不行的,需要火箭。火箭技术最厉害的本来也是德国,德国人冯.布劳恩是一个火箭奇才,二十来岁就成为德国火箭总监。冯.布劳恩在二战时期其实为德国也立了功,当时德国V2火箭打英国,把英国人打得没有办法。那个火箭太厉害了,射程又远,大炮通常的射程也就几十公里,火箭几百公里就打过去了,没法防。所以当时V2火箭给德军的垂死挣扎打了一针强心剂。当然德国最终是失败了。德国失败以后,苏联人想起找火箭,结果把火箭工厂包围了,但冯.布劳恩跑掉了。苏联人就把那些东西都给缴获了运回苏联。美国这边更厉害,他把人给抓住了。美国把人抓住以后也是运回美国。德国人有一个特点,他就是职业化程度很高,给谁干都是干。所以冯.布劳恩到了美国之后,很快就效忠美国帮美国干。开始美国人不重视那个火箭技术,又让苏联占了先。我们知道第一颗人造地球卫星、第一次载人上天都是苏联人占先的。美国人后来意识到了问题的严重性,所以也紧追不舍,开始是苏联一直占先。但是美国毕竟实力雄厚,财力、物力、人力都很雄厚。在苏联人把加加林送上太空又把他安全运回来之后,美国国内一片哗然,纳税人纷纷谴责政府。当然那时候把人送上天又送回来比较简单,加加林回来的时候是所有的东西都不要了,飞船火箭全部扔掉,他自己是坐降落伞回来的。但是即使这样的话他的壮举也证明了苏联的太空技术是最厉害的。所以当时的美国总统肯尼迪就发狠,加加林回来之后一个多月后,他马上宣布美国要在十年之内把一个美国人送上月球,而且让他安全回来,借此平息一下民间的愤怒,于是就上马了著名的阿波罗计划。

阿波罗计划分几步走。最终是没花十年,从61年到69年,八年时间它就实现这个计划了,宇航员柯林斯、阿姆斯特朗还有阿尔德林三个人完全了人类首次的登月任务。柯林斯驾着飞船在天上等着,奥尔德林和阿姆斯特朗两人就下去了,阿姆斯特朗第一个踏上了月球的土地。他后来说了一句名言:这一步对一个人来说是一小步,对人类是一次飞跃。这次登月之后,美国又有好几次登月活动。苏联为什么后来始终没有上去,是它的火箭技术始终不太过关,经费消耗太大也是一个原因。我们看到了,阿波罗计划一方面是高科技,另一方面是高耗费,没有国家的支持和介入,这么颇大的工程根本就搞不下去。最近有人怀疑美国人登月是假的。我看这个怀疑是值得怀疑的。你想骗一个人是容易的,骗一群人是难的;你想在短期内骗一群人是容易的,在长期内骗一群人是很难的,所以我想,说它是假的证据应该是不足的。

大家可以注意到,这两次超级能力的开发有几个共同的特点。第一个它是与科学理论上的高度发展直接相关的,核物理学尤其典型。第二个它是与政府和国家的大力支持密不可分,没有国家的力量的介入是根本不可能的。国家为什么会卷入这个事情,也是与这个超级能量本身就代表着这个国家的实力。所以今天的科学技术已经不单纯是一个科学家个人的事情,而是一个国家一个民族一个社会的事情。每一个公民都有权力、都有义务来参加这个科技决策,参加关于科技发展战略的一些讨论和思考。这是我们就这个问题所获得的一个结论。

生活世界的重塑

我们最后来讲一讲目前还在方兴未艾的生物技术和信息技术。生物技术刚才说过了,来源于DNA双螺旋模型的建立,它本身也代表了物理学思维向生命科学的一种扩张。目前所采用的生物技术基本上都在使用物理学的方法,用的是还原论的方法,用的是拼和拆的方法。生命虽说是一个整体,但今天的生命科学仍然想尝试一下机械的方法,对它进行拼装。现在的基因重组、基因移植、基因复制,统统都是按照机械论的方案来进行的,很有效而且很有用。但是另一方面,生命技术的出现也遭遇一个很大的问题,就是会挑战我们日常的一些价值观。我们可以举几个例子来说明。像勇敢、顽强、勤奋都是很好的道德价值,可是现在突然有生命技术告诉你,说那个玩意儿可能和你是否努力没关系,可能是你基因造成的,这样一来,就瓦解了我们这些伦理价值。过去我们崇拜一个人特别勇敢,后来发现没什么可崇拜的,就是基因好。如果我能够把自己的基因改一改,我也能变得勇敢。包括基因技术在内的所谓生命扩展术,肯定会挑战一大堆我们通常所说的伦理上的东西。过去赞扬人的后天努力具有可贵的道德价值,比如说一个人笨鸟先飞,虽然笨但是很勤奋,一样可以取得很好的成就。在生命扩展技术看来,改一改笨基因就可以实现这个目标。

所以一个尖锐的问题摆在人类的面前:是不是我们仅仅通过基因修补术,广义地说,一切高技术,就能解决人类的所有问题。过去人类引以自豪的各种各样道德高尚的东西还有没有用?会不会有一天,你的孩子回家哭着跟你说,我的同学基因都2.3版本了,我才1.5,赶紧花钱给我刷新吧,再不刷新,我的学习成绩不好别怪我。当然现在我们讲这个故事仍然是未雨绸缪,但它的可能性已经很清楚了。因此,我们要在发展基因技术过程中及时地调整、及时地为这些难题的到来做准备。

信息技术也很重要,现在还在方兴未艾。信息技术改变了人类的社会交往模式。目前由于带宽限制,很多信息交往还不能完全依赖网上。但是,如果将来带宽瓶颈一旦突破,我们完全可以想像,将来社会交往的很大一部分会在网上进行。电视、电影院、电话,都可以统一起来,都在网上进行。但是网上上的交往行为与我们传统的交往模式有很大的不同。传统的交往模式是身体出场的。脸部是一个伦理学器官,是一个道德器官。脸怎么红了,你心虚了不是,做了对不起人的事了,是不是害羞?所以说,脸是一个非常丰富的伦理学器官。我们经常说有话当面谈,见面就包含了一种确定性。为什么面谈更给人可靠的感觉呢?因为身体出场。身体包含了许多言语所不能包含的信息。是好人还是坏人,有时一看就知道,或者獐头鼠目、鬼头鬼脑,或者诚实朴实等等。但是网络交往一个大的问题是脸不出现,是蒙面交往。蒙面交往你可以讲得天花乱坠,结果一见面,情况就不是这么回事了。

除了面部的在场外,通常当面交往要握手,可以感受体温,可以感受对面是个活人。因为生活就是跟活人打交道,握手也好,中国人过去见面作揖也一样,总而言之要有身体出场。身体的出场对于我们交往来说很重要,因为我们交往过程有很多是身体语言。当面说话比较容易沟通,有时不用讲几句,一个眼神就可以眉目传情。身体的缺失将会使我们的交往出现僵硬化,丧失人作为有机体的那部分信息,这一部分信息往往无法通过数码化的方式传递出去。数字化生存,been digital,必定要丧失很多信息。没有身体的介入,人性里面很多信息要丢失的。所以我们说在信息技术时代,我们在拥抱高科技的同时也要注意如何捍卫、维系和守护人性化的那部分信息,这一部分信息最终只能靠身体的出场,只能靠面部的出场才能保持下来。

好了,我们今天回顾百年科技的历程,不只是讲述一个历史故事,更是反省我们当下的处境,希望今天的讲座有助于大家建立一个反思的视角。谢谢!

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