谢选骏全集第170卷： 新的地心说出现了

 新的地心说出现了

A New Geocentric Theory Appears

《宇宙朝圣》第十卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Ten

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第170卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 170

（另起一页）

内容提要

新的地心说出现了——地球是宇宙观测的中心。对于人类来说，事情只能如此。因为人类不可能到太阳上观测宇宙，也不可能前往银河中心进行活动，所以，日心说和银心说，都是臆测甚至是妄想。宇宙或许没有中心，但地球显然是宇宙观测的中心。

Synopsis

A new geocentric theory appeared-the earth is the center of cosmic observation. For humans, things can only be so. Because it is impossible for human beings to observe the universe from the sun, nor to go to the center of the galaxy to carry out activities, the heliocentric theory and the galactic center theory are all speculations or even delusions. The universe may not have a center, but the earth is clearly the center of cosmic observation. 

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自从哥白尼以来，人们长期认为日心说代表了科学和理性而地心说则代表了宗教和愚昧。事实真是如此吗？

首先，日心说指的是太阳是太阳系的中心，而地心说则大部分时间是指地球为宇宙的中心。两者并不是等价的。

其次，日心还是地心，本质上都是一种坐标系原点的选择。日心说以太阳为坐标原点，这无疑能使得描述太阳系九大行星的轨迹的数学公式比较简单明了。但是就浩瀚的宇宙而言，太阳系比之沧海之一粟还要微不足道千千万万倍。仅仅方便了描述九个星体这点优势在千千万万亿亿兆兆的星体的宇宙世界面前，恐怕不是也接近了可以忽略的无穷小量。

再次，即使在太阳系，日心说在提供了一个对九大行星描述的的优势的同时，却带来了对与人们生活更加息息相关的月亮的描述带来了困难。以至于要简单而清晰的描述月亮的轨迹，数学公式还必须是以地球为中心，即采用地心说。这样一来，日心说的所谓优势就更被抵消了。

最后，根据爱因斯坦的相对论计算，宇宙是有空间上的极限的，即空间上宇宙是一个以观察者为原点的半径为120光年的球体。只要是在地球上描述宇宙，那么中心必须是在地球上的人。这么看来，抛开描述九大行星和描述月亮所带来的方便之争不谈，宇宙的中心就是谈论者谈论时所在的位置。持日心说的人，恐怕只能到太阳上去才能主张他们的观点的正确性。

——黄克斌（Kevin Huang）

2021年4月22日 

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总目录

第一部《暗淡蓝点》的谬误

导论1、自吹自擂的现代天文学

导论2、卡尔·萨根的草率结论

导论3、太空活动是冷战的产物

《暗淡蓝点》批判

第二部《时间简史》的无稽之谈

导论4、霍金不想别人占得先机

导论5、霍金是一个极其病态的瘫子

导论6、看来霍金是个道士

导论7、没有时间哪里来的时间简史

《时间简史》批判

第三部《宇宙最后三分钟》的末日神学

导论8、带着口罩扮演上帝

导论9、哈勃望远镜和爱因斯坦

导论10、宇宙间最难确定的，就是人类的科学

《宇宙最后三分钟》批判

（另起一页）

第一部

《暗淡蓝点》的谬误

（另起一页）

如果地球真是孤零零的暗淡蓝点，毫无外来的救助，它怎么可能“悬在空中”数十亿年呢？

2021年4月22日

（另起一页）

第一部目录

导论1、自吹自擂的现代天文学

导论2、卡尔·萨根的草率结论

导论3、太空活动是冷战的产物

《暗淡蓝点》批判

序言　漂泊者

第一章 你在这里

第二章 光行差

第三章 大降级

第四章 并非为我们造的宇宙

第五章 地球上有智慧生命吗？

第六章 “旅行者号”的胜利

第七章 在土星的众多卫星之间

第八章 第一颗新行星

第九章 太阳系边缘的一艘美国飞船

第十章　神圣的黑暗

第十一章 昏星和晨星

第十二章 大地熔化了

第十三章 “阿波罗”的礼物

第十四章 探测其他行星和保护地球

第十五章 奇异世界的大门打开了

第十六章 测天有术

第十七章 日常的行星际暴力事件

第十八章 卡马里纳的沼泽

第十九章 改造行星

第二十章 黑暗

第二十一章 上天去！

第二十二章 踮着脚穿过银河系

附录

后记、绝望的人心里没有上帝

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【导论1、自吹自擂的现代天文学】

《最大太空望远镜 或5年找到外星生命》（2021-05-10 东网）报道：

探索外星生命一直是科学家的梦想，美国物理学会（APS）日前宣布，随着拥有史上最大主镜的“詹姆斯?韦布太空望远镜”（JWST）今年10月启用，科学界有望未来5年至10年内找到外星生命的踪迹。

JWST由美国太空总署、欧洲太空总署等多个组织联合营运，主镜长约6.4米，比其他太空望远镜能探测到更多来自太空物体的光线。

俄亥俄州立大学硕士菲利普斯（Caprice Phillips）近日创建模型，模拟JWST与不同遥远星体云层及大气环境的反应，发现它只需要在轨道上运行数次，就能探测到气体矮行星是否存在氨气等构成複杂生命分子的气体。

菲利普斯指出，模拟反映JWST能快速过滤掉绝对没有生命的星体，令科学家可能短短60小时内，就能探测到太阳系以外其他存在生命迹象的行星。JWST今年10月将在法属圭亚那，由法国阿里安5型火箭搭载升空。

《触动灵魂的的暗淡蓝点（The Pale Blue Dot）》（2017-02-15 刘颍

中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室）报道：

这张被命名为“暗淡蓝点（Pale Blue Dot）”的图片，是由美国宇航局的旅行者1号（Voyager 1）太空飞船在离地球60亿公里处拍摄的首张太阳系画像。地球的大小仅为一个点（0.12个像素）。美国天文学家Carl Sagan以此为名写了一本书，揉合了哲学和人类关于太阳系的认知。其中最为著名的一段：

看那个点，那是家，那是我们。在上面，每个你爱的人，你知道的人，听说过的人，每个曾经的人，都住在那里……每个英雄和懦夫，每个人类文明的缔造者和毁灭者，每个国王和农夫，每对年轻的情侣，每个母亲和父亲，满怀希望的孩子……每个腐败的官员，每个超级明星，每个出色的领袖，每个圣人和罪人，都住在那里，住在那粒悬挂于阳光中的微尘上。

Look again at that dot, That's here. That's home. That's us. On it everyone you love, everyone you know, everyone you ever heard of, every human being who ever was, lived out their lives ... every hero and coward, every creator and destroyer of civilization, every king and peasant, every young couple in love, every mother and father, hopeful child, inventor and explorer, every teacher of morals, every corrupt politician, every superstar, every supreme leader, every saint and sinner in the history of our species lived there – on a mote of dust suspended in a sunbeam.

（来源：gospace，作者：刘颍 中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室）

谢选骏指出：上文拿了一张照片就大做文章，其实别说照片，就算人类亲眼所见，也不见得就是真的——因为人类的感官受到了特殊的局限，仅仅是为了人在地球上的生存而涉及或说“进化出来”的。而再是先进的天文望远镜，也还是要依据人类的眼睛所提供的视觉，这就使得无论怎样自吹自擂的现代天文学，都不可能是客观的真相，而只能是人类的视觉。

【导论2、卡尔·萨根的草率结论】

网文《卡尔·萨根》报道：

卡尔·爱德华·萨根（英语：Carl Edward Sagan，1934年11月9日－1996年12月20日），著名美国天文学家、天体物理学家、宇宙学家、科幻小说及科普作家，亦是行星学会的成立者。萨根收集了发送到太空的第一批物理信息：旅行者金唱片。萨根提出了现在公认的假说：金星表面的高温可以归因于温室效应。

萨根发表了600多篇论文和文章，并且是20多本书的作者，合著者或编辑。1980年的电视系列节目《宇宙：个人游记》在60个国家中至少有5亿人观看过，是美国公共电视台上收视率最高的系列节目（1990年被《The Civil War》剧集超过）。配套发行的同名书籍成为纽约时报畅销书籍第一名70周，也是英国最畅销的科普书籍之一。

萨根提倡怀疑精神和科学方法，他是研究天文生物学的先驱，也是搜寻地外智慧生物项目（SETI）的创始人之一。他在康奈尔大学担任天文学教授，在那里他领导了行星科学实验室。

小行星2709、火星上的一个撞击坑以他的名字命名。

科学研究与科普作品

萨根担任行星研究专业刊物《伊卡洛斯（Icarus）》的技术总监和编辑达12年。

生病期间撰写的《魔鬼出没的世界（The Demon-Haunted World）》是分析批判伪科学的科普作品。他著有著名的科幻小说《接触（Contact）》，1997年罗拔·湛米基斯以小说为蓝本拍摄了同名的电影，并获得1998年雨果奖。

科普著作《伊甸园的龙——人类智力演化的推测（The Dragons of Eden: Speculations on the Evolution of human Intelligence）》获得普利策奖。 《预约新宇宙:为人类寻找新天地（Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space）》被纽约时报评选为1995年最值得注意的书籍之一，有声书则获得格莱美奖提名，并被出版者周刊评选为两本年度最佳有声书之一。他是《无人曾想过的道路——核冬天和武器竞赛的终结（A Path Where No Man Thought: Nuclear Winter and the End of the Arms Race）》的合著者，综合阐述了核冬天现象。

《布鲁卡的脑——对科学妄想的批判（Broca's Brain: Reflections on the Romance of Science）》、《彗星（Comet）》等科普书籍也有很大的影响力。

生活背景/幼年家庭

萨根在纽约市布鲁克林区的一个俄罗斯移民的犹太家庭出生。他的父亲萨姆·萨根是一家制衣厂的裁衣工，而他的母亲雷切尔·莫利·格鲁伯是一位家庭妇女。萨根的名“Carl”来自雷切尔的生母Chaiya Clara。 尽管在这样看来没有什么文化氛围的家庭出生，萨根小时候还是受到了良好的科学教育。

在1939年的时候，父母曾将卡尔带去参观纽约世界博览会，并给年轻的卡尔留下了深刻的印象。不仅如此，父母还让卡尔了解到，既要具有怀疑精神，又要保持求知欲望。

幼年的家庭环境在一定程度上使得萨根拥有了良好的科学素养。

婚姻

萨根一共结婚三次：第一次是1957年与著名生物学家琳·马古利斯（生多里昂·萨根和杰里米·萨根），1968年与艺术家琳达·萨尔茨曼（生尼克·萨根），1981年与作家安·德鲁彦（生萨沙和萨姆）。

大麻使用

萨根还使用大麻。虽然他从来没有公开承认，但在一本1971年的书Marihuana Reconsidered中，用“X先生”的匿名写了一篇有关文章，提到大麻激发了他很多工作的灵感。萨根去世后，该书的编辑者把此事告诉了萨根的传记作家，1999年出版的传记由此激起了媒体注意。

教育和科学生涯

萨根1951年从新泽西的Rahway高中毕业，来到芝加哥大学。他在那里加入了赖尔森天文学社，获得艺术本科学位（1954年）、物理学本科（1955年）和硕士学位（1956年），以及天文学和天体物理学博士学位（1960年）。

在本科期间，萨根曾在遗传学家赫尔曼·约瑟夫·马勒的实验室工作过。

1960至1962年，在加州大学伯克利分校任米勒研究员（Miller Fellow）。1962年至1968年，在马萨诸塞州剑桥的史密松天文物理台工作。1968年后，萨根结束了在哈佛大学的研究和讲学，迁移到纽约州的康奈尔大学。1971年成为终身教授，领导行星研究实验室。1972年至1981年，萨根是康奈尔大学无线电物理学和空间科学研究中心副主任。1968年至1979年还是行星科学期刊伊卡洛斯的总编辑。

萨根从一开始就参与了美国的太空计划。50年代起他就成为美国航空航天局的顾问，其中一项工作是在阿波罗项目的宇航员飞往月球之前向其提供任务简报。

萨根对许多探索太阳系的航天器项目都有贡献，如为探险队安排实验。

他构思了一个向太阳系外发射携带通用信息的航天器的想法，希望地外智慧生命能够收到并解读人类发出的通用信息。他在1972年发射的太空探测器先锋10号上安装了一块金质的蚀刻铭牌。次年发射的先锋11号上也携带了一块同样的复制品。之后他不断改进，1977年发射的旅行者号上携带的是一张旅行者金唱片。

萨根还经常质疑用于航天飞机和空间站的拨款，认为为这些项目牺牲了其他航天机器的发展。

1980年他和Bruce Murray，Louis Friedman在加州帕萨迪纳成立行星学会推动行星科学与天文生物学研究[10]。

萨根在康奈尔大学教授批判思维的课程，每年有数百名学生申请这门课程，但最终每学期只能有20人左右能够听课。1996年，萨根因一种罕见的骨髓癌逝世后，这门课程随即中止，2000年时由耶范特·特奇安（Yervant Terzian）博士恢复。

科学成就

卡尔·萨根的主要贡献在于对金星表面高温的研究。在60年代初期，无人确知行星表面的基本情况，萨根列举出了所有的可能情况，并在时代-生活出版社出版的《行星》一书中进行了详述。他认为金星不像人们想象的那样是怡人的天堂，反倒是干燥而高温的。他研究了金星散发的无线电波，断定其表面温度为500°C。作为美国航空航天局火箭技术试验室的访问学者，萨根参与了考察金星的“水手一号”项目的设计和管理。1962年的水手二号确认了他对金星表面情况的论断。

萨根首次提出土星的卫星泰坦（土卫六）表面有液态有机物和木星的卫星欧罗巴（木卫二）地下有海洋的猜想。于是欧罗巴被认为可能适合生命居住。之后伽利略号航天器间接确认欧罗巴地表下有水。

萨根协助破解了泰坦红霾的谜团，指出红霾的成因是不断有复杂有机分子降落在卫星泰坦的表面。

他还研究了金星和木星如火星一般四季交替的大气。他证实金星的大气温度和气压都很高。他觉察到人类活动可能因为温室效应正导致全球暖化的危险，将之与金星上自然形成高温、不适宜生命的环境做类比。

萨根与康奈尔的同事爱德温·欧内斯特·萨尔皮特推测木星存在生命，靠富含有机分子的行星大气生存。

大多数人猜测火星表面的颜色变化是由季节或植物引起，萨根在研究之后断定原因是行星表面的沙尘暴。

萨根最知名的还是对地外生命的研究，包括在辐射条件下由基本的化学物质产生氨基酸的试验。

荣誉

1994年他因为“对将科学用于公共福利事业的卓越贡献”而获得国家科学院的最高奖项：公共福利奖（Public Welfare Medal）。

此外，他获得美国航空航天局的特殊科学成就和卓越公众服务奖及阿波罗成就奖（Apollo Achievement Award），美国太空航行学会（American Astronautical Society）John F. Astronautics奖、天文协会（Astronomical Society）马瑟斯基奖、苏联太空人联盟（Soviet Cosmonauts Federation）康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基奖及二十二个国家所授予的荣誉学位。

科学观点

70年代初期，萨根首次出现在《今夜秀》（The Tonight Show）节目，和John Carson介绍天文的奇观和理论以及关于生命的起源给数百万观众。

萨根有时候被称为“有知识的苍蝇”，科学界的同行轻视他，认为他所做的太过夸耀而没有足够内涵。而萨根认为科学发展依赖大众的金钱，假如公众不了解科学，要如何去支持它。

萨根是搜寻地外生命的积极支持者。他强烈要求科学团体监控地外无线电信号，分析智慧生命特征。在他的努力下，1982年《科学》杂志上发表了SETI项目的请愿宣传，包括7名诺贝尔奖得主在内的70名科学家签字支持，使得这个备受争议的领域获得了社会的认可。

萨根帮助弗兰克·德雷克博士设计了阿雷西波无线电波讯号，1974年11月16日通过阿雷西波无线电波望远镜向外太空（M13星团，距地球约2.5万光年）发射，期望向地外生命提供地球的信息（二进制的电波）。

在冷战高峰时期，萨根建立气象模型说明全球核战可能导致地球生态失衡，和其他科学家一起提出了“核冬天”的假说。

萨根在晚年主张建立组织搜索对可能撞击地球的近地天体。有人建议使用核武器改变近地天体的轨迹以防止其撞击地球，萨根则指出人类将面临的两难境地：如果有能力让小行星远离地球，我们也有能力让它们偏向地球——毁灭性的末日武器对人类而言本身就是一种可怕的邪恶力量。

萨根曾提出过一段话，就是“特别的主张要有特别的证据”（extraordinary claims require extraordinary evidence），这段话后来被称作萨根标准。

教育背景

艾萨克·阿西莫夫说生平只遇过两个人比他更为聪明，萨根是其中之一，另一个则是计算机科学家马文·闵斯基。

萨根与不明飞行物及外星人

萨根在《魔鬼出没的世界》一书中，用了大量的篇幅来描写大众对不明飞行物与外星人的狂热。 萨根认为，对于这一类没有明确证据的事物，不存在相信与否的问题，一切的推测与结论都应基于事实证据。 他在本书中提到，经常被问起“你相信有外星智慧吗”之类的问题，而他的回答都是，宇宙中存在大量的生命分子，如果没有才令人惊讶。尽管如此，却仍然被追问到底是相信与否。

卡尔·萨根批评艾利希·冯·丹尼肯的著作、观点及说法让许多人信以为真，误人子弟。

谢选骏指出：卡尔·萨根声名很大，但是让人“永垂不朽”的，可能还是那个“暗淡蓝点”——

这是从40亿英里外的太空拍摄的地球照片，可见地球只是太阳光束上的一个小点而已。

《暗淡蓝点》、《苍蓝小点》或译为《淡蓝小点》（英语：Pale Blue Dot），是一张由旅行者1号拍摄的著名地球照片之一，显示了地球悬浮在太阳系漆黑的背景中。亦由这张照片使卡尔·萨根得到灵感，写成了《暗淡蓝点：展望人类的太空家园》（Pale Blue Dot: A Vision of the Human Future in Space）。

照片本身

在1990年2月14日，正当时旅行者1号太空船刚完成其首要任务之际，美国国家航空航天局发出指令指示太空船向后看以拍摄它所探访过的行星。美国国家航空航天局最终从这个动作中编译出60帧照片，辑成了一幅太阳系全家福。当中一张照片刚好把地球摄于镜内。地球在这张从40亿英里外（64亿公里外）拍摄的照片中，只是在粒状照片里的一个渺小“暗淡蓝点”。照片使用了一台窄角度的相机于黄道之上32°拍摄，并使用了蓝色、绿色和紫色的滤光镜。因为相对于阔角度相机来说，窄角度相机可用来拍摄在值得研究的地点上的一些微细特征。当中地球的大小只占整张照片的0.12像素。照片中的色彩条纹是阳光在镜头里产生的光斑所致。

萨根说，从阿波罗8号任务里拍摄得到的著名地球上升（或称地出）照片，可看到整个地球从月球上方冒出，驱使人类退后一步看到地球其实只是这个浩瀚宇宙的一个角落。为了更加体现这一点，萨根说是他推动了让旅行者在这个太阳系边缘的优越位置拍摄一张地球的照片。而且太过靠近太阳的话会损害太空船上的光学镜头。旅行者亦曾替金星、木星、土星、天王星和海王星拍了类似的照片，构成了一幅太阳系全家福。而水星因为太过接近太阳而没被拍摄，火星就因为太阳光线影响了太空船上的镜头而拍不到。

在1996年5月11日的一个学位颁授典礼上，萨根博士透露了从这张照片得到的深层启示。而他的学生，现今的美国天文学家奈尔·德葛拉司·泰森也在其接续当初萨根《宇宙》的纪录片《宇宙时空之旅》中引用了这段话：“再来看一眼这个小点。就在这里。这就是家。这就是我们。在这个小点上，每一个你爱的人，每一个你认识的人，每一个你听说过的人，每一个人，无论他是谁，都曾经生活过。我们所有的快乐和挣扎，数以千万自傲的宗教信仰、思想体系观念意识，以及经济学原理教义，每一个猎人或征服者，每一位勇士或是懦夫，每一个文明的缔造者或摧毁者，每一位君王或农夫，每一对陷入爱河的年轻伴侣，每一位为人父母者，所有充满希望的小孩，发明家或探险者，每一位灵魂导师，每一个腐败的政客，每一个所谓的‘超级巨星’，每一个所谓的‘最伟大领袖’，每一位我们人类史上的圣人或是罪人……我们的一切一切，全部都存在于这样一粒悬浮在一束阳光中的尘埃上。

地球，只是浩瀚宇宙竞技场上一个小小的舞台。想那鲜血流淌成的河流，仍由那些帝王将相挥洒。所以他们的胜利与荣耀，可以让他们成为这样一颗小小点的某一区间上，瞬间而逝的主人。想想有些永无止境的残暴，竟然就发生在这个小点上某个角落里的一群人、与几乎分不出任何区别的同样这一个小点上的另一个角落的另一群人之间。他们之间的误解能有多频繁，他们之间想灭掉对方的愿望能有多迫切，他们之间互相的仇恨能有多炙烈。

我们的故作深沉，我们想象出来的自我重要性，我们以为自己在宇宙里有什么特权的错觉，一直被这颗发着微弱蓝光的小点挑战着。我们的这颗星球，是一粒孤孤单单的微尘，被包裹在宇宙浩瀚的黑暗中。在我们有限的认知里，在这一片浩瀚之中，没有任何迹象表明救助会从别处而来帮助我们救赎自己。

目前为止，地球是我们唯一所知有生命居住的世界。没有其他地方——至少是在不远的未来里，可供我们这一物种移民。造访是可以的，但尚不能常驻。不管你喜欢还是不喜欢，目前为止只有地球是我们的立足之地。

有人说，天文学是一门令人谦卑的、同时也是塑造性情的学问。也许没有什么能比从遥远太空拍摄到的我们微小世界的这张照片，更能展示人类的自负有多愚蠢。对我而言，这也是在提醒我们的责任所在：更和善的对待彼此，并维护和珍惜这颗暗蓝色的小点——这个我们目前所知唯一的家园。”

在艾伯特·高尔2006年的一套纪录片《难以忽视的真相》中，也把这张“暗淡蓝点”照片置于片末。高尔以这张照片来强调停止全球暖化的迫切性，并改述了卡尔萨根博士的讯息：“这已是我们有的一切”。

谢选骏指出：卡尔·萨根说的结论太草率了——“在我们有限的认知里，在这一片浩瀚之中，没有任何迹象表明救助会从别处而来帮助我们救赎自己。”——卡尔·萨根如此草率结论之前没有想想，如果真的想他所说的“没有救赎”的话，如此渺小微尘怎么可能在宇宙之中旋转了几十亿年之久呢？果然没几年草率结论的卡尔萨根他就死了。他死后的墓志铭上还称之为“你是我们在黑暗中的蜡烛”，简直把他封神了。我也不知道这些人的脑子是怎么运作的。反正我是不信卡尔·萨根的草率结论的——你所看见的，不一定为真！因为毕竟，你就是地球上的睁眼瞎人，你的感官是受到严重局限的！

【导论3、太空活动是冷战的产物】

《冷战时期未能实现的太空项目》（BBC 2016年3月18日）报道：

“自由号”计划增加一个机库，可以在里面修理宇宙飞船图像来源,SCIENCE PHOTO LIBRARY

“自由号”计划增加一个机库，可以在里面修理宇宙飞船

每个航天爱好者都会畅想未来的太空探索计划能将我们带往何处。我现在就在设想这样一番场景：地球周围围绕着许多耀眼的太空酒店，飞往月球已经成为常规线路，而首批定居者将会移民到尘土飞扬的火星平原。

然而，尽管理查德·布兰森(Richard Branson)付出了很大努力，但航天事业的未来前景似乎仍然难以捉摸。好在前几周还有一个身着大猩猩制服的人在空间站里追赶一名英国宇航员，所以，情况还算不错。

过去40年间，人类在地球轨道之外的进步一直都很缓慢，整个航天历史上有着成百上千个被废弃的项目和概念。然而，倘若冷战时期的某些项目能够得以推进，或许可以诞生一些截然不同的太空探索方式。

核动力火箭

在美国国家航空航天局(NASA)马歇尔太空飞行中心，有一个用灰色混凝土搭建的小型户外展示区，那里摆放着NASA有史以来最不同寻常的引擎。这台引擎的名字叫NERVA，外形像漏斗一样，固定在又长又细的航天飞机固体火箭推进器旁边的框架上，目的为了将宇航员送上火星。

20世纪60年代开发的NERVA(Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application，火箭飞行器用核动力引擎)包含一个圆柱形铀核裂变反应堆，用来加热液态氢。这些气体之后通过火箭喷管喷出，产生强大的推力。

NASA的第一个火星任务衍生自维纳·冯·布劳恩(Wernher von Braun)的计划，准备在1979年实施。他们将首先用常规火箭将航天员送上轨道，然后再启动NERVA，将其送往火星。

约有20台核动力引擎成功通过了测试，结果表明，这将成为星际旅行中一种颇具前景的技术。马歇尔太空飞行中心展示的这台引擎原本是其中功率最大的一台，但该项目于1973年取消，所以没有人真正使用过这台引擎。

很多火箭工程师仍然认为，核动力推进器有着光明的未来。然而，在装满爆炸性气体的火箭上启动一个含有高放射性铀的反应堆，无疑会引发很多反对的声音。

武装宇宙飞船

苏联计划为“联合号”宇宙飞船装备武器，以便打击美国的卫星

图像来源,SCIENCE PHOTO LIBRARY

图像加注文字,

苏联计划为“联合号”宇宙飞船装备武器，以便打击美国的卫星

最恐怖的宇宙飞船是苏联在20世纪60年代设计的一个项目，试图对“联合号”(Soyuz)宇宙飞船进行军事化改造。这个项目希望开发一艘载人宇宙飞船，以便监视敌区并破坏敌人的卫星。

他们的计划是在太空中部署载人武装宇宙飞船，使之具备袭击其他宇宙飞船的能力，而且可以发射导弹将其炸成碎片。该项目的主要打击目标是美国的间谍卫星以及所有装备了武器的美国宇宙飞船。

航天员可以使用瞄准器定位和攻击宇宙飞船。为了确保“联合号”不会在开火时遭受后坐力，或者发生无法控制的旋转，武器被固定在一个独立的低阻力平台上。

尽管这项技术已经完成了开发，而宇航员也接受了相应的训练，但俄罗斯最终还是取消了这个军事项目，转而支持一个民用空间站项目。随着更加复杂的间谍卫星逐步涌现，也注定了不再需要通过人类来拍摄照片。

Big G

20世纪60年代中期的“双子座”(Gemini)项目肩负了一些有史以来最大胆的使命。这个项目会将两名宇航员塞进跟小型家用轿车前座大小相仿的驾驶舱内，从而创造了航天史上的一系列“第一”：第一次有美国人完成太空行走、第一次长期太空飞行、第一次轨道交会和对接、第一次在航天飞机上配备燃料电池和可编程电脑。

由于表现极佳，因此它的制造商麦道公司(McDonnell Douglas)又为这个小型航天飞机制定了更加宏伟的使命，决定扩大它的尺寸，以便容纳9名航天员。这个项目被称作“Big G”，并在宣传册中自诩为“太空卡车”。

Big G的目的是为规划中的军事空间站运送人员和物资，它共有两个隔间，位于前方的是与常规的“双子座”相同的双人驾驶舱，另外还在后面设计了一个尺寸更大的载人舱。麦道公司为该项目制定了详细的计划，并且建造了全尺寸实体模型，向NASA官员展示它的运行方式。

随着空间站计划的搁置，NASA也最终放弃了Big G，转而在1971年开发航天飞机。不过，通过大尺寸的载人舱在地球和轨道空间之间往返运输航天员的理念现在又再度流行开来。这一次，NASA资助的方案是由波音和SpaceX设计的。

“自由号”空间站

里根总统于1984年签署的空间站与最终诞生于政治残骸的国际空间站有着很大区别。“自由号”最初远不只是一个轨道实验室。

它不仅会配备实验室，还将提供设施齐全的医务室和娱乐设施。或许最令人惊讶的在于，“自由号”还计划增加一个机库，可以在里面修理卫星和宇宙飞船，然后再将其重新放飞到宇宙空间。

简而言之，与现在那个由圆柱体拼装而成的空间站相比，“自由号”跟科幻小说里的空间站更为接近。不幸的是，“自由号”的成本太高，难以实现，而且随着冷战的结束，它也变得没有必要了。

谢选骏指出：众所周知，太空活动是冷战的产物；而据我所知，太空活动从那以来，一直没有摆脱冷战的阴影。现在，随着第二次冷战的复苏，第二次太空活动的热潮也开始搞涨了！

【《暗淡蓝点》批判】

【序言　漂泊者 】

卡尔·萨根

但是请告诉我，这些漂泊者是谁……？ 

——里尔克（Rainer Maria Rilke）《第五哀歌》（1923） 

从一开头，我们就是漂泊者。我们知道在160千米（100英里）之内每棵树的位置。当果实成熟时，我们就在那里。牲畜每年迁徙，我们都跟着走。我们高兴地品尝新鲜肉食。我们中间少数人合作，靠密谋、伪装、伏击和全力进攻，完成了多数人靠单独狩猎办不到的事情。我们相互依赖。想象起来，靠我们自己单干，就和定居一样，是荒唐可笑的。 

我们联合起来，保护孩子们不受狮子和狼群的侵袭。我们教会他们所需的技能和使用工具。那时和现在一样，技术是我们生存的关键。 

每当干旱持续，或者在夏日天气仍令人不安地寒冷，我们便成群地迁徙——有时走向未知的土地。我们寻找更好的地方。当小小的游牧群中跟别人合不来时，我们便离开，在其他地方寻求比较友好的团伙。我们随时都可以再从头干起。 

自从人类出现以来，在99.9％的时间里我们都是猎人和粮秣征集员，也是在沙漠与草原上的流浪汉。那时没有边防卫士，也没有海关官员。到处都是待开发的土地。约束我们的只是大地、海洋和天空——加上偶尔碰到的粗暴邻居。 

在气候惬意食物丰盛时，我们愿意定居下来。这时不再担风险，出现了优势，也不必谨小慎微了。在最近1万年间——这在我们的漫长历史中只是一瞬间——我们已经放弃了游牧生活。我们已经栽培植物和驯养动物。在你能够轻易取得食物的时候，又何必去追捕猎物呢？ 

虽有种种物质利益，定居的生活仍使我们感到不安和不满足。无论在农村还呈城市，甚至在400代人之后，我们也不能忘怀过去。广阔的道路像一首几乎被人遗忘的儿歌那样，仍在柔情地召唤。我们怀着某种幻想，开发遥远的地方。我觉得，由于自然淘汰，精心培育起来的对事物的好奇心已成为我们赖以生存的基本要素。漫长的夏季、温暖的冬天、丰硕的收成、充足的猎物——哪一样都不能永久存在。我们没有能力预测未来。灾难事件惯常在我们不知不觉之中，偷偷地袭击我们。你自己的、你所在的群体的，甚至你的种族的生活，可能全靠少数不守本分的人来决定，被一种他们难以说清或理解的渴望，吸引到未曾发现过的土地或新的世界。 

梅尔维尔（Herman Melville）㈠在长篇小说《白鲸》中，代表古往今来和四面八方的漂泊者谈到：“一种对远方事物的永恒追求使我苦恼。我喜爱去非常凶险的海洋航行……” 

对古代希腊人与罗马人来说，已知的世界包含欧洲以及被缩小了的亚洲和非洲。环绕它们的是一个不可逾越的世界海洋。外出旅行可能遇到被称为野蛮人的劣等人，或遇到被叫做神的优等生灵。每棵树都有它的精灵，每个地区各有其传奇英雄。但是神灵并不太多，至少在早先大约只有几十个。他们住在山间、地下、海中或天上。他们向人们传送信息，干预人间事务，并与人生育儿女。 

随着时间的流逝，人类探测的能力大幅度提高，于是令人惊奇的事情出现了：野蛮人完全能够和希腊人、罗马人同样聪明。非洲和亚洲比以往任何人想象的都要大。世界海洋并非不可逾越。对跖人①是有的。存在三个新的洲，它们在古代就有亚洲人居住，而这些情况欧洲人从不知道。还有，令人失望的是，神灵难以找到。 

人类从旧世界向新世界的第一次大规模迁移，大约出现在11 500年前的最后一次冰期。当时极区冰盖扩大；导致海洋变浅，于是人们可以在陆地上从西伯利亚走到阿拉斯加。1 000年之后，有人到达南美洲的南端美，即火地岛。远在哥伦布之前，印度尼西亚的英勇移民就驾着有桨的独木舟探测西太平洋；婆罗洲人移居马达加斯加；埃及人和利比亚人环绕非洲航行；而来自明代中国的一支庞大的远洋帆船队在印度洋往返航行，在桑给巴尔建立一个基地，绕过好望角，并进入大西洋。从15世纪到17世纪，欧洲的帆船发现新大陆（对欧洲人来说，无论如何也是新的），并环绕地球航行。在18世纪和19世纪，美国与俄罗斯的探险家、商人和移民，分别向西和向东跨越两个大洲，争着奔向太平洋。无论当事人可能是如何轻率无知，这种探险与开发的热忱具有明显的存在价值。它并不局限于一个民族或种族。它是全人类所有成员共有的天赋。 

自从几百万年前人类首次在非洲东部出现以来，人们已经漫游到地球各处。现在到处都有人烟：在每一个洲，在最遥远的岛屿，从北极到南极，从珠穆朗玛峰到死海，在海底，以及有时甚至在320千米（200英里）高处都有人——就像古时候传说中栖息在天穹中的神一样。 

目前至少在地球的陆地区域，剩下来供探测的地方似乎没有了。探险家正成为其成就的受害者，现在只好呆在家里了。 

人们的大规模迁徙——有的是自愿的，但大部分并不是——形成了人类的生存状况。今天我们中间逃离战争、迫害和饥荒的人，比人类历史上的任何时候都多。在今后几十年，随着地球上气候的演变，看来会有更大量的人因环境恶劣而逃亡。较好的地方随时会呼唤我们。在地球上，人潮仍将时涨时落。但是现在我们要去的地方已经有人定居了。别人对我们的困境并不同情，他们已经在我们之前到达那里了。 

19世纪末叶，在欧洲中部辽阔的、多种语言并用的、古老的奥匈帝国的一个偏僻市镇，莱布·格鲁伯（Leib Grubcr）正在成长。在捕捞时节，他的父亲以卖鱼为业，生活是艰辛的。青年时代的莱布能够找到的唯一的正当生计，就是背人渡过附近的巴格（Bug）河。顾客不论男女，骑在莱布的背上；他脚穿珍惜的长统靴（这是他的谋生工具），涉过河流浅滩，在对岸把他的乘客卸下来。有时水深齐腰。那里既无桥梁，也没有渡船。本来可用马匹渡河，但它们有别的用途。于是此事留给莱布和与他一样的一些年轻人去做。他们没有别的用处，找不到其他工作。这伙人在河边上闲逛，高声报价，向可能的顾客自夸他们背得多么好。他们出租自己，就像四条腿的动物。我的外祖父就是一头载重的牲畜。 

我想莱布在他整个青年时代，从来不敢走出他的家乡小镇萨索（Sassow）100千米之外。但是在1904年，他突然跑到了一个新的世界——按家里的传说，这是为了逃避一次杀身之祸。他丢下自己年轻的妻子。和他的死气沉沉的小村庄相比，德国的那些大海港城市真是有天壤之别。大海何等浩瀚，高耸人云的摩天大楼以及新土地上永无休止的喧哗，对他都是不可思议的。我们对他的出走一无所知，但是找到了他的妻子采娅（Chaiya）后来出行所乘船只的船客名单。莱布有了足够的积蓄后，把她接过去了。她乘坐的是一艘在汉堡注册的巴塔维亚号船上最便宜的舱位。读到下面简短的文字记录，真令人伤心：她能够阅读或写字吗？不能。她会讲英语吗？不会。她有多少钱？我可以想象她回答“一元钱”时，是何等狼狈与羞愧。 

她在纽约登陆，与莱布团聚。她只活到生下我的母亲及其妹妹，就由分娩引起的并发症死去了。在她留居美国的短短几年间，她的名字有时英语化成为克拉拉（Clara）。25年后，我的母亲生下了自己的第一个孩子（一个儿子），她用她从来不了解的妈妈的英文名字为这个孩子取名。 

我们的远古祖先观察星星；注意到有五颗星并不像所谓的“恒”星那样按刻板的方式升起和下落。这五颗星有奇特而复杂的运动。接连几个月，它们似乎是缓慢地在恒星之间游荡。它们有时绕出一个个圆圈。今天我们称它们为行星，在希腊文中这个词的意思是游荡者。我想我们的祖先只能用它表达出这样的奇特现象。 

我们现在知道行星并不是恒星，而是受太阳引力束缚的其他世界。就在对地球的探测行将完成之际，我们开始认识到地球只是环绕太阳或银河系中其他恒星的不可胜数的世界之一员。我们的行星和我们的太阳系被一个新的宇宙海洋——即深不可测的太空包围起来。比起地球上的海洋来说，它们将更难逾越。 

也许这话早了一点。也许还完全不是时候。但是那些别的世界——大有希望的、不知其数的机遇——正在召唤我们。 

在过去几十年间，美国和前苏联取得了一些令人震惊的历史性成就——这就是对从水星到土星的所有那些光点进行仔细的近距考察，这些星体引起我们祖先的好奇心并把他们引向科学。自从1962年成功的行星际航行开始以来，我们的飞行器已经飞越70多个新世界，或者环绕它们运行，或在它们上面着陆。我们已经在游星㈡之间游逛。我们发现了使地球上最高山峰相形见绌的庞大火山；还在两颗行星上找到古老的河谷，令人不可思议的是一颗行星太冷，而另一颗却太热，因而都没有流水。我们的发现还有：一个巨行星的内部有容积相当于l 000个地球的液态金属氢；整个儿已经熔化了的若干卫星；一个大气中有腐蚀性的酸雾缭绕的区域，甚至其高原的温度都超过铅的熔点；铭刻着太阳系激烈形成过程真实记录的古老表面；来自冥外深空的隐蔽的冰冻星体；体现出引力之微妙和谐与结构精致的环系；还有一个被复杂有机分子云环绕的星体，而在地球的最早历史时期，这些有机分子导致了生命的起源。它们都默默地环绕太阳旋转，等待着我们去探索。 

我们的祖先最初思考夜空中那些游荡光点的本质时，做梦也想不到由我们发现的种种奇观。我们探索地球和人类自身的起源。通过发现其他事物以及研究与地球或多或少相似的其他行星各种可能的命运，我们对地球更加了解。每一个星体都是可爱的和有启发意义的。但是就我们所知的情况来说，它们也都是荒无人烟和贫瘠的。在那里，找不到“更好的地方”。至少目前知道的情况是这样。 

在从1976年7月开始的“海盗号”遥控探测期间，从某种意义上说，我在火星上度过了一年时间。我考察了巨砾与沙丘，甚至在中午还是红色的天空，古老的河谷，高耸的火山、严重的风暴侵蚀，由薄片叠成的两极区域，以及两个暗黑的土豆形卫星。但是没有生命——没有一只蟋蟀或一片草叶；就我们确切知道的情况而言，甚至连微生物也没有。这些行星并不像地球那样被生命所美化。生命是相当稀罕的。你可以探测几十个星体，而发现其中只有一个出现了生命，并且进化和持续存在下去。 

莱布和采娅的一生中在那时以前跨越过的最宽的只是一条河，但此后他们逐渐变为横渡海洋了。他们得到的最大益处是：在充满异国情调的大洋彼岸，竟有讲他们的浯言的其他人群。与他们至少有一些共同利益，甚至还有与他们休戚与共的人们。 

在我们的时代，我们已经穿越太阳系，向恒星发射了4艘飞船。海王星离地球比纽约距巴格河岸远出一百万倍。但是在那些其他的世界上没有远方亲戚，没有人群，显然也没有期待着我们的生命。没有最近去的移民送信来帮助我们了解新的大陆。我们得到的只是没有知觉的、精确的自动机械使者以光速发送的数据。它们告诉我们，这些新世界并不太像我们的家园。可是我们继续寻找生灵。我们没有办法，只能这样做。生命寻找着生命。 

地球上谁也担负不起太空旅行的费用，即使我们中间的首富。因此无论我们是很烦恼，或者失业了，还是应征入伍，或受到压抑，或者无论是否公正而被指控犯了罪，我们都不可能突如其来地收拾行装，飞赴火星或土卫六。谁也不会认为创办这类私人旅游业，很快就会有高额利润。如果有朝一日人们飞往其他星体，这必定是由于一个国家或国际集团相信这样做对它有利，或者对人类有利。目前有太多的迫切任务在竞争经费，不会让我们把钱花在将人送往别的星体。 

这正是本书的内容：别的世界，它们上面是什么在等待我们？关于我们自己，它们会说些什么？还有，针对人类目前面临的迫切问题，是不是值得到它们那里去？我们是否应该首先解决这些问题？或者这些问题正是该去的一个理由？ 

就许多方面来说，这本书对人类前途都持乐观态度。乍看起来，最前面几章对我们的缺陷似乎讲得太多。但是它们为形成我的论点提供了必要的精神与逻辑基础。 

我竭力为一个问题进行不只是单方面的论述。在有些地方，我好像在和自己争论。我是这样做的。想到不只是从单方面看问题的优点，我常常和自己争辩。我希望到最后一章可以阐明我的论据。 

本书的提纲大致是这样的：首先我们审查在整个人类历史上广泛流传的论点，即我们的世界与人类都是独一无二的，甚至在宇宙的运转和演化中都起了核心作用。我们按最近的空间探测与发现的步伐来考察太阳系，然后评估为把人送入太空而共同提出的理由。在本书最后也是推测性最强的部分，我描绘自己对人类未来的太空家园的长远设想。 

《暗淡蓝点》讲述的是对我们的坐标、我们在宇宙中地位的一种新的认识，而这种认识仍然只是缓慢地为人们所接受。当然，在我们的时代．即便这条开放的道路对我们的呼唤声变低了，人类未来的一个主要部分仍会远在地球之外。 

㈠美国作家（1819-1891）。——译者 

㈡古代对行星的一种称呼。——译者第一章 

谢选骏指出：作者萨根似乎知道——“我考察了巨砾与沙丘，甚至在中午还是红色的天空，古老的河谷，高耸的火山、严重的风暴侵蚀，由薄片叠成的两极区域，以及两个暗黑的土豆形卫星。但是没有生命——没有一只蟋蟀或一片草叶；就我们确切知道的情况而言，甚至连微生物也没有。这些行星并不像地球那样被生命所美化。生命是相当稀罕的。你可以探测几十个星体，而发现其中只有一个出现了生命，并且进化和持续存在下去。”但是，作者萨根却不知道自己说的是什么。因为他人云亦云，自然无法理解“生命是相当稀罕的（你可以探测几十个星体，而发现其中只有一个出现了生命）”，与“并且进化和持续存在下去”之间的根本矛盾！事实上，按照这上面的说法，生命显然是罕见的例外——那么，生命怎么可能是“进化出来”的呢。萨根如此自相矛盾，其实是现代流俗的通病，难怪他屡获喝彩的掌声了。

【第二章 光行差】 

如果把人类从这个世界上迁走，剩下的似乎都杂乱无绪，没有意向或目标……并走向一无所有。 ——培根（Francis Bacon）《古人的智慧》（1619） 

德鲁扬（Ann Druyan）建议做一个实验：再一次回头看看前面一章谈到的淡蓝色光点。好好地看着它。随便你凝视它多久，于是就竭力使你自己相信，上帝是为了居住在这粒尘埃上约1 000万种生物中的一种而创造了整个宇宙。现在更进一步：设想一切事物都只是为了这种生物的个别生灵，或人类两性之一，或某种族或某宗教教派而创造出来的。如果这并不使你感到靠不住，那就另取一个光点吧。设想它上面居住着另一种形式的智慧生命。他们也坚持有一个上帝为他们的利益创造了一切。你对他们的主张会认真对待吗？ 

“你看见那颗星吗？” 

“你说的是那颗红色亮星吗？”他的女儿反问道。 

“是的。你知道它也许已经不在那里了。它此刻可能已不存在了——爆炸了或者出现了别的什么情况。但它的光线仍在跨越太空，现在刚刚射到我们的眼睛。但是我们看不见它现在的样子。我们看见的是以前的它。” 

很多人在第一次面对这个简单的真理时，都有一种激动惊奇的感觉。为什么？为什么竟会如此难以令人置信？在我们小小的世界里，对一切实际效果来说，光线传播都是一瞬间的事情。如果一个灯泡在发光，它当然是在我们看见它的地方发射光线，我们伸手去碰它，它确实是在那里热得烫手。如果灯丝烧坏，那么光就没有了。在灯泡报废并从插座上取走以后，我们不会在原来的地方看见它还在发光照亮房间。这个想法本身似乎是毫无意义的。但是如果我们离太阳非常远，即使它整个消失了，我们仍然看见它光耀夺目；在许多年 

（事实上，这要看传播得很快但并非无限快的光线穿越途中辽阔的太空需要多久）之后，我们可能还不知道它已经消亡了。 

恒星和星系离我们非常遥远，这意味着我们在太空中看见的任何星体都属于过去——它们中有一些还是在地球形成之前的样子呢！望远镜是时间机器。很久以前，当一个早期星系开始把光线射入四周漆黑的空间时，没有一个证人会知道几十亿年后有些遥远的岩石和金属块、冰以及有机分子会聚集起来，形成一个叫做地球的地方；也不会想到生命将出现，并且会思考的生物会进化到某一天能够抓住那个星系的一丝光，并设法猜出是什么东西把它发射出来。 

从现在算起大约再过50亿年，在地球死亡之后，在它被烧焦或甚至被太阳吞没之后，还会出现别的行星、恒星和星系，而它们对以前有过一个叫地球的地方会毫无所知。 

几乎从来没有人认为这是一种偏见。与此相反，这个想法似乎是适当的和公正的，即由于出生的偶然性，我们的群体 （无论是什么样的）应该在整个社会中占有一个中心位置。无论是法老王侯和金雀花王朝㈠的王位觊觎者，抢劫自己领地上过路人的贵族以及中央委员会官僚的子女们，市井恶棍与对别国的侵略者，信心十足的多数派成员，还是默默无闻的派别和受人辱骂的少数派，这种只顾自己的态度就像呼吸空气一样是自然而然的。它从毒害人类的性别歧视、种族主义、国家主义和其他死硬的沙文主义等等精神污染中得到支持。有些人向我们保证说，我们比起同辈人拥有一种明显的，甚至是上帝赋予的优越性。要抵制他们的奉承，我们需要不平凡的品格和毅力。我们妄自尊大得越没有道理，我们对那一类胡言乱语的诱惑就越是招架不住。 

因为科学家也是人，类似的主张侵蚀了科学家的世界观也就不足为奇了。实际上，科学史中许多重大争议（至少有一部分）是与人类是否特殊有关。几乎总是这样，常常开始便假设我们是特殊的。然而对这个前提进行严格检验后，结果表明——往往会令人沮丧——我们并不特殊。 

我们的祖先在露天居住。他们对夜空是熟悉的，就像我们大多数人对令人喜爱的电视节目一样。太阳、月亮、行星和恒星都从东方升起和在西方下落，在这中间穿越头上的天空。天体的运行不只是一种令人肃然起敬地点头和啧啧称道的规则，它还是确定时刻和季节的唯一办法。对猎人和采集者以及农业民族来说，观察天象是一桩生死攸关的大事。 

太阳、月亮、行星和恒星都是构造精美的宇宙时钟的一部分，这对我们是何等幸运的事情！看起来这不是偶然的。它们都为了一个目的，即为我们的利益而安装起来。还有谁会使用它们？它们还会有什么其他的用途？ 

既然太空中的发光体都绕着我们出没，难道我们是在宇宙的中心还不是显而易见的吗？这些天体清清楚楚地是受神灵力量的支配，我们赖以取得光和热的太阳尤其如此。它们都像对君王卑躬屈膝的朝臣一样，绕着我们旋转。即使我们并未预料到，对苍穹最基本的察看就说明我们是特殊的。宇宙看来是为人类设计的。细想这些情景而不因自豪与自信而感到激动，这是难以办到的。整个宇宙都是为我们创造的！我们真是了不起啊！ 

我们的重要地位得到日常天象观测的证实。这种令人心满意足的论证，使地球是宇宙中心的想法成为超越文化的真理。在学校里讲授它，被收入专门用语，并成为文学名著与圣经的重要内容。持不同意见的人受到责难，有时甚至折磨致死。在人类历史的长河中，没有人提出疑问，这是不足为奇的。 

它是我们从事粮秣搜寻和狩猎的祖先的观点，这是无疑的。古代的伟大天文学家托勒玫（Claudius Ptolemaeus）在公元2世纪就知道大地是一个圆球，还知道，与恒星的距离相比，它不过是“一个小点”。他宣称地球“正是在宇宙的中心”。亚里士多德（Aristotle）、柏拉图（Plato）、圣奥古斯丁、阿奎那（Thomas Aquinas），以及在17世纪之前3000年间所有文明国家的几乎全部的伟大哲学家与科学家都有这种错觉。有些人热衷于设想日月星辰怎样能够精巧地依附在完全透明的水晶球上。这些球当然是以地球为中心的大球，可以解释世世代代天文学家精心记录的天体复杂运动。并且他们成功了：经过后来的修改，地心假说能够适当地说明在公元2世纪以及16世纪所知道的行星运动现象。 

从这里出发只须做一点引伸，就可以得出更加宏大的主张——即柏拉图在《蒂迈欧篇》（Timaeus）中断言的，没有人类，世界的“完美”是不完全的。诗人和牧师多恩（John Donne）在1625年写道，“人……是一切。他不是世界的一部分，而是世界本身；仅次于上帝的光辉，他是世界存在的缘由。” 

然而，不管有多少国王、教皇、哲学家、科学家和诗人都持相反的意见，在过去几千年间，地球仍顽强地坚持绕太阳旋转。你可以设想有一位严厉的外星观察家，他从古到今一直在俯视着人类，看见我们兴奋地叫嚷：“宇宙是为我们创造的！我们是在中心！一切东西都效忠于我们！”他会得出结论，说我们的自作聪明是可笑的，我们的雄心壮志是可悲的，这个行星上的人尽是白痴。 

但是这样的判断是太苛刻了。我们已尽力了。可是常见的现象和我们内心的愿望不幸地相符合了。在我们面前明明白白的事实似乎证实了我们的偏见，这时我们不倾向于太认真。伺况只有很少一点反对的证据。 

千百年来，从薄弱的对立面可以听到一点异议的声音，主张要谦逊和有远见。在科学的曙光出现时，古希腊与古罗马首先主张物质是由原子构成的哲学家[诸如德谟克利特（Democritus）、伊壁鸠鲁（Epicurus）及其追随者，还有第一位科普作家卢克莱修（Lucretius）]在一片反对声中提出，众多的世界与外星的生命形式都和我们一样，是由同样的原子构成的。他们提出空间与时间的无限性，供我们考虑。但是按西方广泛流行的信条，无论是世俗的还是僧侣的，异教的还是基督教的，原子论思想都遭到非议。相反地，人们认为，天界毕竟不像人间。天国是不变的和“完美的”。地球是可变的和“腐朽的”。古罗马政治家与哲学家西塞罗（Cicero）把这种共同的观点归纳为：“在天界……没有任何侥幸或意外，没有差错，设有挫折；有的只是完美的秩序、精确性、深思熟虑和规律性。” 

哲学与宗教告诫人们，众神（或上帝）远比我们要强大得多，尽管我们对他们的特权感到妒忌，并急于想反掉他们那种难以忍受的傲慢，取得公平地位。与此同时，这些教规并没有提醒人们，关于宇宙如何安排的教义是一种奇想和骗局。 

哲学和宗教只是把一种见解当做必然的事情，而这种见解也许是可以用观测与实验来推翻的。但是这一点也不会使他们感到困扰。他们几乎没有想到，他们顽固坚持的一些信念原来可能是错的。别人应当遵守教规上的谦逊品德，而他们自己的教义是绝对和一贯正确的。事实上，他们有更好的理由应该比他们所主张的更谦虚。 

在16世纪中叶，从哥白尼（N·Copemicus）开始，一场辩论正式出现了。把太阳而不是地球当作宇宙中心的图象，被认为是危险的。许多学者被迫很快向教廷保证，这种新奇的假说对传统观念并不构成严重的威胁。作为一种平分秋色的折衷方案，可以把日心体系只当作便于计算的设想，而不是真正的天文现实。这就是说，正如尽人皆知的那样，地球确实是在宇宙的中心；但是如果你想预测后年11月的第二个星期二木星在何处，便可让你假定太阳是在宇宙的中心。这样一来，你就可以继续作计算，而不触犯当局。① 

17世纪初期梵蒂冈第一流的神学家贝拉明（Robert Cardi- nal Bellarmine）写道： 

它没有什么危险，并且能满足数学家的需要。但是要肯定太阳真正是固定在天穹的中心，以及地球很快地绕太阳旋转，却是一桩危险的事情。它不仅会激怒神学家和哲学家，还会损害我们的神圣信仰，并使《圣经》也成为错误的了。贝拉明在另一个地方写道，“信仰自由是有害的。它只不过是犯错误的自由。” 

此外，如果地球是在绕太阳运动，那么每隔6个月，我们的视线从地球轨道的一侧移到另一侧时，附近的恒星就会在更远恒星的背景上，看起来是在移动。但是没有发现过这种“周年视差”。哥白尼学说的支持者辩解说，这是因为恒星极为遥远——可能比地球离太阳要远出100万倍。也许将来更好的望远镜会发现周年视差。地心说学者们把这当作拯救一个有毛病的假说的一根可以抓住的稻草，这是荒唐可笑的。 

当伽利略把第一架天文望远镜指向天空时，潮流就转向了。他发现木星有一小批绕着它旋转的卫星，而里面的卫星比外面的转得快，这恰和哥白尼对行星绕太阳运动推断出的结果一样。伽利略发现水星与金星显示出和月亮相同的相位变化（这表示它们绕太阳运转）。进一步说，月球上有环形山以及太阳上有黑子都是对天体完美无缺论的挑战。这可能部分地引起1 

300年前特塔利安（Tertullian）所感到的那种苦恼，当时他辩解说：“如果你有理智和谦逊，就不要窥探天穹，了解宇宙的命运和秘密。” 

正好相反，伽利略主张我们可以通过观测和实验向自然界提出疑问。于是，“乍看起来似乎是不大可能的事实，即使在较少的理性解释情况下，也会脱掉遮掩它们的伪装，让赤裸的和简明的美显现出来”。难道不是这些连怀疑论者都想得到确认的事实，形成比神学家的一切臆测都更为可靠的对神创宇宙的认识？但是对那些坚信宗教不可能出错的人来说，如果他们的信仰与这些事实相抵触，又该怎样说呢？红衣主教们威胁这位年迈的天文学家，如果他坚持宣扬可恶的地动学说，就要对他严刑拷打。他被判处软禁在家度过他的余生。 

在一两代人之后，牛顿（Issac Newton）证明，如果你承认太阳是在太阳系的中心，那么用简明优美的物理学就可以定量地解释（甚至预测）一切观测到的月球与行星的运动。但到这个时候，地心学说的流毒还未肃清。 

1725年，埋头苦干的英国业余天文学家布拉德利（James Bradley）在试图发现恒星的视差时，无意中发现了光行差。我认为“差”这个词含有发现的意外性的意思。对恒星作整整一年的观测，就发现它们在天空背景上扫描出小椭圆，并且所有的恒星都是这样。这不可能是恒星视差，因为近距恒星会有大的视差，而遥远恒星的视差测不出来。与此不同，光行差有如在加速行驶的汽车上的乘客所见的，垂直下落的雨点变成倾斜下落的了；车子开得越快，倾斜就越厉害。如果地球静居于宇宙中心，并不在绕日轨道上奔驰，布拉德利就不会发现光行差。这是地球绕太阳运转的令人不能不相信的证明。大多数天文学家都信服了，但还有一些人不相信。布拉德利认为他们是“反哥白尼主义者”。 

但是到1837年，直接的观测用最明确的方式证明了地球确实绕日运转。争议已久的周年视差终于发现了，不是用更好的论证，而是用更好的仪器发现的。这是因为说清楚它的含义，比起解释光行差更为直截了当。周年视差的发现非常重要，它给地心学说的棺材敲进了最后一根钉子。你只需要先用左眼，然后用右眼看你的手指，就会看到它好像移动了。每个人都能够懂得视差。 

到19世纪，所有科学界的地心主义者都改换门庭或销声匿迹了。一旦大多数天文学家被说服了，流行的舆论很快就改变了，这在若干国家只是三四代人的事。当然，在伽利略和牛顿的时代或甚至还晚得多，仍然有人在反对，他们企图阻止人们接受、甚至阻止人们知道新的以太阳为宇宙中心的学说。至少私下持保留态度的人是很多的。 

到20世纪末叶，如果还有人坚持不让步，我们可以直截了当地解决这个问题。我们能够检验人类究竟是居住在一个以地球为中心的、行星镶嵌在透明水晶球上的系统内呢，还是在一个以太阳为中心的、行星由太阳引力远距控制的体系里面。举例来说，我们用雷达探测过行星。当我们向土星的一个卫星发出信号，收不到从镶嵌着木星的比较近的水晶球上发还的无线电回波。我们的宇宙飞船到达指定目标之精确令人吃惊，与牛顿的引力理论预测的完全吻合。按照几千年来盛行的权威见解，推动金星或太阳毕恭毕敬地绕核心的地球运转的是各个“水晶球”。因此当宇宙飞船飞往某个天体（例如火星）时，它们会撞穿“水晶球”，这时它们的仪器应听到叮当声，并探测到破裂水晶体的碎片，可是这些情况根本没有出现。 

当“旅行者1号”从最外层行星之外审视太阳系时，它所看见的正是哥白尼和伽利略说过的，太阳是在中心，而行星是在环绕它的同心轨道上。地球绝非宇宙的中心，它只是绕日运行的小圆点之一而已。我们已经不再是局限在一个单独的世界上，而是我们现在能够到达其他世界，并明确地断定我们栖息的是哪一种行星系。 

把人类从宇宙中心的舞台上移开的其他方案多得不可胜数，而它们中每一个都或多或少由于类似的理由遭到抵制。我们似乎热中于特权，引以为荣的不是我们的功绩，而是出身——仅仅因为我们是人类，并且生在地球上。我们可以把这种观点叫做以人类为中心的自大狂。 

把这种自大狂引近顶峰的就是：我们是按上帝的形象塑造的观念，因此整个宇宙的创世主和统治者看起来正和我一个样子。与我的形象相似．这是怎样的一种巧合啊！多么舒服和惬意啊！公元前6世纪的希腊哲学家色诺芬尼（Xeno-phanes）了解这种观点是何等狂妄自大： 

埃塞俄比亚人认为他们的神是黑皮肤和塌鼻子的；色雷斯㈡人却说他们的神有蓝眼睛与红头发……。是的，如果牛、马或狮子有手，会用他们的手来作画，并且像人一样制作工艺品，那么马所绘出的神像马，而牛就像牛…… 

过去有人称这种态度是“狭隘的”。它表现为一种朴素的期望，即把一个偏僻省份的政治集团与社会习俗扩充到一个含有许多不同传统和文化的庞大帝国；把我们所熟悉的偏僻乡村看成世界的中心。乡巴佬对外界会出现的事物几乎一无所知。他们不了解自己乡下的微不足道及帝国的形形色色。他们心安理得地把自己的标准与习俗运用于地球的其他部分。但是噗通一下掉入维也纳、汉堡或纽约，他们会沮丧地认识到，自己真是井底之蛙。他们也就“非狭隘化了”。 

当代科学是在未知领域中的航行。走过的每一步都留下怯懦的教训。很多旅客宁可留在家里。 

㈠1154—1399年间的英国王朝，——译者 

㈡爱琴诲北岸的一个地区，分属于希腊和土耳其两国。——译者无标题文档 

谢选骏指出：犹太教徒是敌基督者，所以他她们无法理解“他是爱我，为我舍己”的奇异恩典。萨根也是如此。但是在奇异恩典之中，我却看不到无神论者所说的上帝局限，相反，我看到了上帝确是“为了人类而创造了这个世界”，上帝也确是“为了万物而创造了万物”——因为这就是上帝的爱。不懂得上帝之爱的人，活在罪恶和死亡之中，只能备受折磨。

【第三章 大降级】

[一位哲学家]宣称他了解全部秘密……[他]从头到脚考察了两个天外来客，并当着他们的面断言他们两个人，还有他们的世界、他们的太阳和他们的星星都纯粹是为了供人类使用而创造出来的。听到这样的言论后，我们的两位旅客禁不住大笑起来，相互跌靠在一起。——伏尔泰（Voltaire）《哲学史》（1752） 

到17世纪还有人希望，即使地球并非宇宙的中心，它还会是唯一的“世界”。但是伽利略的望远镜发现“月球肯定没有平滑的表面”，而其他行星看来“恰和地球本身的面目一样”。月球和行星明确无误地表明，它们都很有资格是和地球一样的世界——它们都有山脉、火山口、大气层、极区冰盖、云层，并且在土星周围还有令人眼花缭乱的、前所未闻的一系列圆环。在历时几千年的哲学争论后，这场争论以肯定有利于“存在众多世界”的观点得到了解决。别的世界可能与我们的地球大不一样，未必有哪一个对生命适宜，但是地球不太会是唯一的世界。 

这是一系列大降级中的第二个。它贬低灵性的感受，表明我们显然是微不足道的；井在探究伽利略发现的现象中，科学对人类的骄傲造成创伤。 

有些人希望：“好吧，即使地球不在宇宙中心，太阳总在吧。太阳是我们的太阳，因此地球近似地还是在宇宙中心。’也许这样可以多少挽回一点我们的体面。但是到19世纪，观测天文学已经弄清楚了，在亿万个太阳靠自身引力聚集而威的巨大银河系中，我们的太阳不过是一颗孤独的恒星。它远非位于银河系的中心，它和伴随它的既暗又小的行星一起，是在一条不显眼的旋臂中一个平凡的位置上。我们距中心有3万光年。 

“好吧，那我们的银河系是唯一的星系。”在为数几十亿甚至几千亿个星系中，我们的银河系不过是其中之一，它无论在质量、亮度以及所含恒星的形态与排列上，都没有引人注目之处。有些现代的深空摄影表明，银河之外的星系比起银河之内的恒星还要多。每个星系都是一个大约含有几千亿个太阳的岛宇宙。这样一幅图象深刻地启迪人类应当谦逊。 

“那么，好吧，至少我们的银河系是在宇宙中心。”不是的，这也错了。当宇宙膨胀首次发现时，许多人自然而然地倾向于银河系是在膨胀中心的观念，而其他的一切星系都奔离我们。我们现在认识到，在任何一个星系上的天文学家们都会看见所有别的星系都在奔离他们。如果他们不是很细心，他们也都会得出结论，说他们是在宇宙的中心。事实上膨胀并没有中心，也没有大爆炸的发源点——至少在一般的三维空间中是这样。 

“也好吧，就算有几千亿个星系，每个星系都有几千亿颗恒星，但没有哪一个别的恒星拥有行星。”如果在我们的太阳系之外没有其他的行星，那么在宇宙中大概不会有别的生命。这样一来，我们的唯一论便得救了。由于行星很小，仅靠反射太阳光而傲弱发光，故它们难以被发现。尽管应用技术突飞猛进，在最近的恒星——半人马座α——附近，即使有像木星这样庞大的行星环绕它运行，仍然难以察觉。我们的无知使地球中心论者找到希望。 

曾经有过一个科学假说——虽未得到公认，却很流行——认为我们的太阳系是由古代太阳与另一恒星在近距碰撞形成的。被引力潮相互作用拉出的太阳物质，迅速凝结而成行星。因为太空基本上是空旷的，而恒星近距碰撞极为罕有，于是人们认为现有的其他行星系很少——也许只有一个，就是在很久以前参与形成我们太阳系中行星的另一颗恒星的周围。在我从事研究工作的早期，我感到惊奇和失望，这种观点竟受到认真对待。对于其他恒星有行星的证据不存在竟被当作不存在行星的证据。 

今天我们有确凿的证据表明，有一颗密度极高的恒星（编号为B1257+12的脉冲星，我在后面还会更多地谈到它）至少有3颗行星环绕它旋转。此外我们发现，一半以上质量与太阳相近的恒星，在早期都有环绕它们的巨大气体与尘埃盘，而行星似乎就是从这些盘形成的。现在看来其他的行星系在宇宙中也是寻常事，也许甚至有和地球相似的世界。在今后几十年中我们应该至少能对几百颗近距恒星找出它们可能存在的较大行星。 

“好吧，如果我们在空间的位置并不显示我们的特殊地位，但我们在时间上的地位却是独特的：从开天辟地之时（相差几天无所谓）起，我们就在宇宙中了。造物主把特殊责任托付给我们。”过去一度似乎很合手情理地认为，宇宙的诞生只比人类已知的历史和我们未开化的祖先早一点。一般说来，这是在几百年或几千年以前。声称能够说明宇宙起源的各种宗教，往往含蓄地或明确地指出宇宙创始的大致日期，即我们这个世界的涎生日。 

举例来说，如果把《创世纪》中所有的生育记载集合起来，你得出的地球年龄为6000年，也许稍多或稍少些。把宇宙的年龄说成和地球正好一样，这是犹太教、基督教与伊斯兰教的原教旨主义者至今仍信奉的准则，并在犹太历中明确反映出来。 

但是这样一个年轻的宇宙引起一个令人尴尬的问题：有的天体是在6000光年之外，这是怎么一回事呢？光在1年中走过1光年的路程，10 000年走过10 000光年的路程，等等，当我看见银河系的中心时，我们看到的光在30 000年以前已经离开光源了。与我们的星系相似的最近的旋涡星系为仙女星座中的M31，它是在200万光年之外，因此我们现在见到的光是它在200万年前发出经过漫长旅途才到达地球的。此外，当我们观察50亿光年之外的遥远类星体时，我们看到的是50亿年前的它们，那时地球还没有形成呢！（几乎可以肯定它们今天是大不一样了。） 

如果我们不顾这一切，还要接受这样的宗教典籍中字面上的真理，那么该怎样协调这些数据呢？我想唯一可以接受的结论是，不久前上帝把到达地球的光线中所有的光子都做了一个有条理的安排，故意让历代天文学家误认为有星系和类星体这些东西，迫使他们得出宇宙浩瀚和古老这个虚假的结论。对这种荒谬透顶的神学理论，我还难以相信，对任何一本宗教书籍中神的启示多么虔诚的人，竟会认真地接受它。 

除此之外，岩石的放射性年代确定、众多天体上大量的撞击坑、恒星的演化以及宇宙的膨胀，每一项都提供令人不得不信眼的独立证据，表明我们的宇宙已经有好几十亿年了——尽管受人尊敬的神学家们自信地断言，一个这样古老的世界的看法直接与《圣经》的说法相抵触，而关于世界古老的信息，除了依靠信仰之外，是无论如何也无法得到的。①这一系列的证据也应是一位骗人的和恶毒的神制造的，除非世界真是比犹太一基督一伊斯兰教的盲从者们所设想的要古老得多。有许多信教的人都把《圣经》和《可兰经》当作历史典籍、道德准则与文学巨著看待，对他们来说，自然不存在这样的问题。他们会承认，这些权威著作对自然界的观点反映出在撰写它们时科学还很幼稚。 

在地球出现前．岁月已在流逝。还有更长的时光流逝之后，它才会毁灭。地球有多老（大约45亿年）和宇宙有多老 （从大爆炸算起，约150亿年），应当是有区别的。在宇宙创始与地球出现之间，有着漫长的时间间隔，约为宇宙年龄的2／3。有些恒星及行星系要年轻几十亿年，有的则更古老几十亿年。但是按《创世纪》第一章第一节，宇宙和地球是在同一天创造的。印度教－佛教－耆那教却倾向于不把两者混为一谈。 

至于人类，我们是后来者。人类出现在宇宙时间的最后一瞬间。至今为止，宇宙的历史在人类出现于舞台之前，已经过去了99.998％。在极长的太古时期，我们不可能对我们的行星或生命，或任何其他事物承担任何特殊的责任，因为我们过去还不存在。 

“好吧，如果我们对自己的地位或时代找不到任何特别之处，也许我们的运动有某些特色。”牛顿和所有别的伟大经典物理学家认为，地球在太空中的速度构成一种“特别的参考系。”事实上有过这一名称。终生都对偏见和特权进行严肃批判的爱因斯坦（Albert Einstein），认为这种“绝对的”物理学是越来越变得声名狼藉的地球沙文主义的残余。在他看来，无论对何种观察者的速度或参考系，自然界的规律都是一样的。他以此作为自己的出发点，建立了狭义相对论。它的推论是古怪的、反直观的，并与常识大相径庭——但只对极高速度才是这样。仔细和重复的观察表明，他那理当驰名于世的理论是对世界如何构造的精确描绘。我们的常识性直观可能是错误的。我们的偏爱不能算数。我们并不是生活在一个特殊的参考框架中。 

狭义相对论的一个推论是时间的“膨胀”——当观察者的速度接近光速时，时间变慢了。你仍然可以发现有人声称，时间变慢对于钟表和基本粒子，以及也许对植物、动物与微生物的生理节奏和其他节律都是适用的，可是对人体的生物钟不适用。有人假定，自然规律赋予人类以特别的免疫力，因此这些自然规律必定能够区分值得帮助的与不值得帮助的物质集合。（事实上，爱因斯坦对狭义相对论提供的证明不容许有这样的区分。）认为人类对相对论是个例外的想法，似乎是特殊创生观念的又一种体现。 

“好吧，即使我们的位置、时代、运动以及世界都不是独特的，但也许我们是绝无仅有的。我们和其他动物不一样。我们是特别创造的。宇宙的造物主对我们显然是情有独钟。”有人根据宗教和其他理由，热情地捍卫这个立场。但是，在19世纪中叶，达尔文（Charles Darwin）令人信服地证明，一个物种可以完全由自然过程演变成另一个物种，而这些自然过程使大自然无情地让适应的遗传特征保存下来，并把不适应的摒弃掉。“人类骄傲地自认为是值得由神创造的伟大作品，”而达尔文在他的笔记本中简明地写道，“但是更谦虚的和我认为更真实的想法，是认为人类由动物进化而来的。”这种人类与地球上其他生命形式的深刻和密切联系，在20世纪末叶已经由分子生物学这门新学科令人信服地证实了。 

在每一个年代，沾沾自喜的沙文主义都受到某些科学争论的挑战。举例来说，有20世纪所研究的人类性的本质、无意识心理的存在，以及多种精神病和性格“缺陷”都具有分子的起因的事实。还有：好吧，即使我们和某些其他动物有密切关系，但我们是不一样的——不仅在程度上，还在本质上不同，这表现在一些真正重要的事情上，如推理、自觉性、工具制作、伦理观念、利他主义、宗教、语言以及高贵品格。当然，人类也像其他一切动物那样，具有某些把他们区分开来的特征（否则，我们怎能区分不同的物种？），但是人类的唯一性说得言过其实了，有时夸大得很厉害。黑猩猩就能思维，有自觉性，能制作工具，有热情，等等。黑猩猩和人的活动基因有99.6％是共同的。（德鲁扬和我合著的《被遗忘的祖先影子》一书中，列举了种种证据。） 

虽然通俗文艺也受人类沙文主义（加上想象力的缺乏）的影响，但有完全相反情况出现：儿童读物和动画电影让动物穿上衣服，住进房屋，使用刀叉和讲话。三只熊睡在床上。猫头鹰与猫咪乘一艘漂亮的嫩绿色小船下海。恐龙妈妈搂抱它们的孩子。鹈鹕发送邮件。狗开汽车。一条虫抓住小偷。宠物有人的名字。玩偶、果钳、杯子和茶盘会跳舞和发表议论。盘和匙一起跑开。在《坦克引擎托马斯》系列片中，我们甚至看到描绘得可爱的具有人形的火车头和车厢。不管我们想的是什么，有生命的还是没生命的，我们都倾向于赋予它以人性。我们情不自禁。这些形象很容易被人们记起。孩子们显然喜爱它们。 

当我们谈到“吓人的”天空，“兴风作浪的”海洋，金刚钻“对抗”磨擦，地球“吸引”经过的小行星，或者原子被“激发”，我们又一次接受了泛灵论世界观。我们把它们具体化了。我们脑海中的古老思维方法赋予无生的自然界以生命、感情和深谋远虑。 

地球有自我意识的概念，近年来又流行起来，这可算是“盖娅”假设的延伸。但是对古希腊人和早期基督教徒来说，这却是寻常的信念。奥里根（Origen）怀疑是否“就其本性来说，地球也应对某种罪恶承担责任。”一大批古代学者认为星星是有生命的。这也是奥里根、圣安布罗斯（St·Ambrose，他是奥古斯丁的良师益友），甚至更够格地说，是阿奎那的见解。在公元前l世纪，西塞罗讲述过斯多噶学派关于太阳本质的哲理性主张，他说：“因为太阳很像生物体内含有的那些火焰，太阳一定也是有生命的。” 

泛灵论观点近年来似乎广泛流传。美国在1954年的一次调查表明，75％的人认为太阳没有生命；但在1989年，只有30％支持这个“轻率”的主张。对于汽车轮胎是否有某种感觉，在1954年90％回答者否认它有情感，但在1989年只有73％。 

谈到这里，我们可以承认自己了解世界的能力有缺陷——在某些情况下还很严重。特别是我们不论是否心甘情愿，似乎总是不得不把自己的本性扩展到大自然。虽然这会使世界的形象一直受到歪曲，但却有一个很大的优点——本性的扩展是情感的主要前提。 

“是的，也许我们与猴子关系不大，也许是令人丢脸地有些关系，但至少我们是最优秀的生灵。除掉上帝和天使，我们是宇宙中仅有的智慧生物。”有一位记者写信给我说：“我对这一点和我亲身经历的任何事情一样肯定。在宇宙中其他任何地方都没有有意识的生命。因此人类回到了他作为宇宙中心的理所当然的地位。”然而部分地受科学与科幻小说的影响，今天至少在美国大多数人扬弃了这个观点。这主要是由于古希腊哲学家克里西普斯（Chrysippus）提出的理由：“如果谁认为在整个世界上没有任何人能超过他，那么他便是一个极为愚蠢的自高自大的人。” 

但是我们至今还没有找到地外生命，这是一个确切的事实。我们现在仍是在搜寻的最早阶段，问题远未获得解决。如果我需要猜测——特别是考虑到人类沙文主义屡遭失败——我会猜想宇宙充斥着远比我们更聪明、更先进的生灵。当然我可能出错。这样的结论，充其量是根据行星为数众多，有机物到处都有，可供生物进化的时间极为漫长等而理所当然地得出的。它不是一种科学论证。这是整个科学中最迷人的问题之一。本书将谈到，我们正在创立认真研究它的手段。 

对于人类能否创造出比自己更精明的智能这个有关问题，又该怎样说呢？电脑做数学演算总是胜过赤手空拳的人，还能战胜跳棋世界冠军和国际象棋大师，能讲与听懂英语及其他语言，撰写像样的短篇故事和音乐曲谱，会从自己的错误中吸取教训，并能熟练地驾驶船舶、飞机与太空飞船。电脑的技能不断增进。它们越变越小、越快和越便宜。在人类智慧唯一性观点的孤岛上，仍有沉船的漂流人在设防，科学进步的浪潮逐年推进，拍打着它的岸边。如果在目前人类技术发展的早期，我们已能用硅和金属创造出智慧，那么在今后几十年或若干世纪又将会如何呢？一旦灵巧的机器能够制造更灵巧的机器，将会出现什么样的情景啊！ 

决不会完全放弃为人类寻求一个不该有的特权地位，或许对这一点最明确的象征便是物理学与天文学中所谓的人择原理。更好的名称是人类中心原理，它以各种形式出现。“弱的”人择原理只是认为，如果自然定律和物理常数——诸如光速、电子电荷、牛顿引力常数或普朗克量子力学常数——变得不一样，则那些导致人类起源的事物的演变过程原本永远不会发生。在其他定律与常数的情况下，原子便不会结合在一起，恒星演化会太快，致使附近行星上的生命没有足够的时间进化，行星上形成生命的化学元素就永远不会产生出来，等等。定律不同，便没有人类。 

对下列的弱人择原理并没有争议：如果你能够改变自然界的定律和常数，一个大不一样的宇宙便出现了——在许多情况下，这是一个不容许有生命的宇宙②。单是我们存在这个事实就意味着自然界的规律有限制（但并不是把这些限制强加给自然界）。相比之下，各种“强”人择原理就显得太过火了。它们的一些鼓吹者几乎可以推论出，自然定律与物理常数值的确定（不要问是怎样和由准确定）正是为了使人类终于会出现。他们说，几乎所有的其他可能的宇宙都是不适于人类居住的。就这样，宇宙是为我们创造的这种古已有之的骄傲自大，又卷土重来了。 

这种想法使我想起伏尔泰的《老实人》一书中的潘洛斯 （Pangloss）博士。这个人物深信，尽管我们的世界有种种缺陷，却是可能有的最好的世界。这说起来就像玩桥牌，我拿到第一副牌就赢了。我明明知道自己可能拿到的牌有5.4万亿亿亿（54×1028的次方）种，却愚蠢地断言有一位桥牌之神，他宠爱我，从开天辟地之时起就预先特地把牌安排好，让我取胜。我们不知道在字宙赌桌上有多少副其他的会赢的脾，有多少种别的宇宙、自然规律和物理常数也能导致生命与智慧，甚至还会滋生妄自尊大的错觉。我们几乎完全不知道宇宙是怎样造就的——或者甚至不知道它是不是被造就的——因此要有效地追究这些想法是很困难的。 

伏尔泰问道：“为什么会有一切？”爱因斯坦的提法是要问，上帝在创造世界时是否有任何选择的余地。但是如果宇宙在时间上是无限的——如果大约150亿年前的大爆炸只是宇宙在无穷多次的收缩和膨胀中最近的一个起点——那么它从来没有被开创过，因此它为什么成为现在这样，这个问题就变得毫无意义了。 

在另一方面．要是宇宙的年龄是有限的，它为什么会是现在的样子？为什么不具有大不相同的特征？哪些自然定律与其他哪些相匹配？有没有确定它们之间联系的总定律？我们能否发现它们？例如在所有可以想到的引力定律中，哪些可以和决定宏观物体真正存在的，可能的量子物理定律并存？是不是我们能够想得到的定律都是可能的，或者只有限定数目的定律由于某种原因才能存在？我们显然没有一线希望来确定哪些自然定律是“可能的”，而哪些不是。我们对自然定律之间可以“允许”有什么联系，确实连一点最起码的认识也没有。 

举例来说，牛顿的万有引力定律规定，两个物体相互的引力与它们的距离平方成反比。你离地心的距离加倍，你的重量减到只有四分之一；距离变为10倍远，重量就仅为原来的百分之一；等等。正是这个平方反比定律使行星绕太阳和卫星绕行星的轨道是优美的圆和椭圆，也使我们的行星际飞船有了精确的轨道。令两个物体中心的距离为r，我们说引力随1／r的平方变化。 

但是如果这个指数不一样——如果引力定律不是1／r的平方，而是例如1／r的4次方——那么轨道就不是封闭的。在绕行几十亿圈之后，行星会向内盘旋，并在太阳炽热的深处烧毁；或者盘旋向外，消失在星际空间。如果宇宙不是按平方反比定律，而是按4次方反比定律构成的，那么早就没有供生灵栖息的行星了。 

既然有各种可能的引力定律，为什么我们很幸运能够生活在一个适宜于生命的定律所控制的宇宙中呢？首先，我们当然是很“走运的“，因为如果不是这样，我们就不会在这里提出问题了。那些世代生存在行星上，总喜欢打破沙锅问到底的人们，只能在容纳行星的宇宙中才能找到，这并非秘密。其次，平方反比定律并不是唯一能够稳定存在几十亿年以上的定律。任何一个不像1／r的3次方那样陡的幂律（例如1／r的2.99次方或1／r），都可以让行星在圆形轨道附近运行，即使它受到推力，情况也是这样。其他可以想象得到的自然定律也可能对生命适宜，而我们对这种可能性总是忽视了。 

但是还有一点：我们有一个平方反比的引力定律，这并不是偶然的。在用包括范围更广的广义相对论来理解牛顿的理论时，我们认识到引力定律的指数是2，这是因为我们生存空间的物理维数是3。并非一切引力定律都合用，这不受上帝选择的支配。甚至把无穷多个三维宇宙交给某一位伟大的神来摆布，引力定律总归必须是平方反比定律。我们可以说，牛顿的引力在我们宇宙中并非偶然的，而是必然的。 

根据广义相对论，引力来源于空间的广延性和弯曲。当我们谈到引力时，我们讲的是时空的局部起伏。这决不是显而易见的，甚至违反常识。但是，作深刻的检验后便可知道，引力和质量的概念不可分离，它们都是时空所属几何学的衍生物。 

我怀疑是否有像这样的事物，它并不普遍适用于一切人择假设。我们的生命赖以存在的定律或物理常数，原来只是一批（甚至一大批）定律与物理常数中间的一些——而别的定律和物理常数也可以与某种生命相容。我们往往没有（或不能）弄清楚其他的那些宇宙能让我们做些什么。此外，甚至宇宙的创造者也不能够随意挑选一个自然定律或物理常数。至于哪些自然定律和哪些物理常数可以供人选择，我们对这个问题顶多只是有一点零碎的了解。 

进一步说，我们无法了解任何一个可供挑选的假想宇宙。我们没有验证人择假设的实验方法。即使由公认的理论——例如量子力学或引力理论——肯定地得出有这类宇宙存在，我们还不能确定是否有更好的理论可以预示并没有其他可供选择的宇宙。在那个时刻来临（如果会有这一天的话）之前，我认为，要相信作为人类中心论或唯一论的论据的人择原理仍为时过早。 

最后，即使宇宙是有意识地让生命或智慧出现而创造的，在数不清的世界上还会有其他生灵。如果真是这样，这对认为我们是栖息在容许生命与智慧存在的极少数宇宙之一的人类中心论者来说，无异是一种使人气馁的安慰。 

对人择原理的说法，有些地方狭隘得令人吃惊。是的，只有个别的自然定律和常数与我们的这种生命是相适应的。但是对一块岩石的形成，基本上也需要同样的定律和常数。因此，为什么不说宇宙是为了有一天出现岩石而设计的呢？并且为什么不说强和弱的石择原理？如果石头也能作哲理推究，我想“石择原理”也会成为知识的新领域。 

按目前正在创立的一些宇宙模型，甚至整个宇宙也没有什么特殊之处。林德（Andrei Linde，以前在莫斯科列别捷夫物理研究所，现在在斯坦福大学）就把当代的强核力和弱核力以及量子物理学的理论，纳入一种新的宇宙模型。林德所设想的是一个浩瀚的宇宙，它比我们的宇宙要大得多——也许在空间和时间两方面都延伸到无穷大——它拥有的不是区区 

150亿光年的半径和150亿年的年龄。这样的宇宙和一般了解的宇宙一样，也有一种“量子云絮”㈠，在它里面比电子小得很多的结构到处形成、变形和消散；并且空空如也的空间中的起伏形成基本粒子对——例如电子与正电子。在量子泡组成的泡沫中，绝大部分量子泡都是亚微观的。但是有小部分膨胀、变大，并达到可观的宇宙尺度。它们离我们太远——比一般承认的宇宙尺度，即150亿光年，要远得多——因此如果它们存在，似乎是完全无法取得和发现的。 

这些其他的宇宙，大多在达到最大范围后会坍缩，收缩成一点，并永远消失。别的一些宇宙会振荡。还有其他的会无限制地膨胀。在不同的宇宙中有不同的自然定律。林德主张，我们所栖息的宇宙的物理规律对宇宙的增大、暴胀、膨胀以及星系、恒星、行星和生命都是相宜的。我们设想自己的宇宙是唯一的，但它不过是大量——也许是无穷多个——同样确凿的，同样独立的与同样孤立的宇宙中的一个。有些宇宙有生命，而另一些却没有。这样看来，可观测的宇宙正是一个大得多的，无限古老的和完全观测不到的大宇宙中新近形成的穷乡僻壤。如果类似这样的想法是对的，甚至连我们自认为是生活在唯一宇宙中的这一点残留的骄傲（它应当是奄奄一息的了）也被否定了。 

无论现在有无依据，也许某一天人类会研制出一种工具来窥视邻近的宇宙，那里的物理定律大不相同，于是我们会了解到还可能有什么别的天地。或者邻近宇宙中的居民也能窥视我们的宇宙。当然，我们作这种猜想已经远远超越了知识的界限。但是如果真有林德式的大宇宙，那么就还有一次令人惊讶的、毁灭性的反狭隘地方主义在等待着我们。 

我们的能力还远不能在近期内任何时候创造出新的宇宙。强人择原理的想法还无法证实（虽然林德的宇宙确有某些可以检验之处）。且不谈地外生命，如果说人类中心论的自我安慰性主张现己退却到不接受检验的地步，那么一系列的（至少是大部分）反对人类沙文主义的科学论战似乎都赢了。 

由哲学家康德（Immanuel Kant）总结出的，长期人们信奉的观念，即“没有人……整个宇宙便只是一片荒芜，一切空虚，并且没有最后的结局，”现在发现这是自我放纵的傻

话。一种“平庸原理”似乎适用于我们的一切环境。人类在过去无法预见到，已经反复和彻底检验过的证据会与人类位于宇宙中心的论断水火不相容。但是大部分争论现都已得到最后解决，尽管结论令人痛苦，它肯定是支持这一句简练的话：在宇宙戏剧中，我们不是主角。 

也许别的某种智慧生物是主角，也许根本就没有主角。对这两种情形，我们都有充分的理由保持谦虚。 

㈠ 原文为“quantum fluff”。一译者 

谢选骏指出：萨根很蠢，尽管他很狡猾——因为基督教从来没有认为“我们是主角”，同样，基督的福音也坚决反对“根本就没有主角”之类的胡说——甚至在犹太人本应相信的《约伯记》里，就彰显了永生的主才是创造一切的主角。

【第四章 并非为我们造的宇宙 】

信念之海浩瀚， 

昔日环绕岸边。 

层层巨浪翻卷， 

我今倾听忧伤。 

怒涛起伏往返， 

屏息思绪万千。 

晚风吹拂远方， 

卵石裸露世间。 

——阿诺尔德（Matthew Arnold）㈠《多佛海滨》（1867） 

我们常说，“落日真美”或“日出前我已起床”。无论科学家有什么论断，在日常谈话中我们往往不理睬他们的发现。我们不说地球在旋转，而说太阳升起和下落。不妨试用哥白尼式的说法，难道你会讲，“比利（Billy），在地球转得够多，把太阳遮掩到此处地平线下的时候，你就回家吧”？你这句话还没说完，比利早就转身走掉了。我们甚至还没有找到一种优雅的习惯用语来准确表达日心学说的见解。我们是在中心，而一切天体都绕我们运转，这在我们的语言中已经根深蒂固了。我们也这样教孩子。我们是披着哥白尼外衣的顽固守旧的地心说信徒。① 

1633年，罗马天主教廷谴责伽利略宣扬地球环绕太阳旋转。现在让我们比较详细地了解这场著名的辩论。伽利略在他对比两种假设——地心宇宙与日心宇宙——的著作的序言中写道：通过对天文现象的研究，哥白尼的假说会得到证实，它最后必然取得绝对的胜利。 

后来他在该书中承认：我还不能充分地钦佩（哥白尼及其追随者），他们全靠智慧的力量就强行违反自己的知觉，而选择理智的推论，摒弃直觉明明白白向他们显示的经验…… 

教廷在对伽利略的起诉书中宣称： 认为地球既不是宇宙的中心，又并非静止不动，而是有周日自转，这种学说是荒谬的。从心理学和神学两方面来说，它都是虚假的，至少是一个信念错误。 

伽利略回答说：地球在运动而太阳固定不动的学说受到谴责，根据是《圣经》在多处说太阳在运动而地球固定不动……诚心诚意地说，《圣经》不会说谎。但是谁也不能否认，它往往深奥难解，它的真义难于发现，并且超越单纯的书面含义。我想在讨论自然界的问题时，我们不应当从《圣经》，而是从实验与论证出发。 

但是在伽利略的认罪书（1633年6月22日）中，他被迫说道：承宗教法庭告诫：要完全摒弃太阳是不动的宇宙中心，而地球在动且并非宇宙中心的错误见解，……我已经……怀疑以前持有和相信过的太阳是不动的宇宙中心，而地球在动且并非宇宙中心的异端邪说……我怀着赤诚之心和真实的信念发誓，我诅咒并痛恨那一类谬误邪说，以及违背神圣天主教廷的一切任何错误和教派。 

直至1831年，教会才把伽利略的著作从天主教徒禁读书目中撤销（谁要是阅读禁书，会受到极严厉的惩罚）。 

从伽利略的时代以来，教皇对近代科学感到的焦虑不安已经减退和消失了。在近代历史上，这方面高潮的标志是 1864年庇护九世的《批谬纲领》。（这位教皇还主持了梵蒂冈教廷会议，在他的坚持下，首次公布了教皇一贯正确的训示。）下面是一些片断：神的启示是完美的，因此，它不需要接连不断和无限期的发展，以便适应人类理智的进步……在理智光芒的指引下，任何人都不能不信奉和立誓加入他真诚信仰的宗教……教廷有权断然确定天主教为唯一真正的宗教……甚至在今天．仍然需要确认天主教是唯一的国教，并取缔一切其他形式的信仰……民间对每一种信仰的自由选择，以及给所有人以公开发表意见与想法的充分权利，会很容易造成民众的道德和心灵的腐败……罗马教皇不能够也不应该与进步、自由主义以及近代文明达成和解或表示赞同。 

虽然是太迟了并且是很勉强地，教廷为了维护它的信誉，在1992年否定了它对伽利略的谴责。尽管如此，它仍然不能完全认清自己这样做的含义。教皇约翰·保罗二世在1992年的一次演讲中辩解说： 从启蒙时代开始直到今天，伽利略案件一直是一种“虚构的故事”，它从事件中捏造出来的形象与真实情况大不一样。依照这种看法，伽利略案件象征着天主教廷被假定为抵制科学进步，或“武断地”用愚民政策来反对对真理的自由探索。 

但是当宗教法庭把年老体弱的伽利略带进教廷的地牢并向他展示刑具时，无疑承认并要求有这样的理解。这只不过是对科学的警告和压制，一直到诸如周年视差这种令人不得不信服的证据已经取得的时候，才勉强改头换面。这也是对讨论与争辩的恐惧。对不同观点进行审查，并恐吓迫害其支持者，这暴露出教会宗旨本身对表面上要予以保护的教区居民并不信任。为什么要对伽利略进行威胁和软禁？难道真理在谬误面前不能捍卫自己吗？ 

尽管如此，教皇继续补充说道：当时的神学家在坚信地球的中心地位时出了错．这在一定程度上是由于从《圣经》的字面意义来了解物理世界的结构而造成的。 

在这里确实有相当大的进步——虽然原教旨主义信念的拥护者在听教皇说《圣经》在字面上并不总是对的时，会感到垂头丧气。 

但是如果《圣经》并非每处都对，那么哪些部分是神授的，而哪些部分难免有错并且是人为的呢？一旦我们承认《圣经》有谬误（或者退一步承认当时的愚昧），那么《圣经》怎么能成为伦理和道德的绝对正确的指南呢？现在能否让某些教派和个人把《圣经》中他们所喜欢的部分当成是真实可靠的，而把引起麻烦和累赘的部分扬弃掉呢？举例来说，禁止凶杀对社会是重要的，但是如果认为神对凶杀未必会惩罚，那么会不会有更多的人认为他们杀了人可以不受惩罚？ 

许多人认为哥白尼和伽利略不怀好意，破坏了社会秩序。实际上无论来自何方的对《圣经》字面真理的挑战，都会有这样的下场。我们容易看到科学怎样开始使人们紧张不安。那些把神话长期流传的人不受批评，而对神话提出怀疑的人却成为众矢之的。 

我们的祖先从自身的经历来推测起源。难道他们还有别的办法吗？因此，宇宙是从一只宇宙之蛋孵化出来的，或是一位母神与父神性交受孕而生的，或者是造物主作坊的一种产品——也许是多次有缺陷的试制的最后一次成品。因此宇宙比我们所看见的大不了多少，比我们的书面记录或口头传说古老不了许多，并且与我们所知道的相差无几。 

我们的宇宙学说中倾向于采用熟悉的事物。尽管尽力探寻，但并无太多创新。在西方，天国是安静和松软的，而地狱就像是一个火山的内部。在许多传说中，这两个领域都由以天神或魔鬼为首的统治集团管理。一神论者谈论王中之王。每一种文化都把管理宇宙的政治体系设想得与人间的颇为类似。很少有人认为这种相似是值得怀疑的。 

后来科学发展起来，并让我们了解到自己并非一切事物的准则，有我们想象不到的奇异事情；另外宇宙也不一定像我们所想的那样是舒适的与合情合理的。我们已经知道我们的常识有某些特异性质。科学已经把人的自我意识推进到一个更高的水平。这肯定是进步的过程，也是走向成熟的一步。它与哥白尼之前的观念之幼稚和自我陶醉形成强烈的对比。 

但是为什么我们一定要设想宇宙是为我们创造的？为什么这个想法如此令人神往？为什么我们培育它？是否我们的自尊心太强烈，因此除了一个为我们定做的宇宙之外，就不行？ 

当然，这种想法所仰赖的是我们的虚荣。狄摩西尼（De- mosthenes）㈡说：“一个人需要什么，他就把它想成真实的。”阿奎那高兴地承认：“信念之光让我们看见自己所相信的东西。”但是我想还会有别的东西。灵长类动物有一种种族优越感。无论我们出生在哪一个小的群体，我们对它都怀着热爱和忠诚；而认为其他群体的成员都卑不足道，应当排斥与仇视。就一个旁观者看来，同一种族的两个群体实际上是一模一样的，很难找出差异。对我们在动物王国中最相近的亲戚，即黑猩猩来说，情况正是这样。德鲁扬和我已经谈论过，在几百万年前，从这个观点来看待世界会形成多么重大的进化意识，然而在今天这就变得很危险了。甚至当时以狩猎、采集为生的人群的成员——他们的技能与我们目前全球文明的技术水平相差何其大也——也把他们所在的无论哪一个小团伙都正正经经地说成是“人们”。他们之外的任何人都是异种，甚至不是人。 

如果这是观察世界的一种自然方式，那么我们每一次对自己在宇宙中的地位作出一种朴素的判断——没有经过仔细和严格的科学检验的判断——几乎总是选定自己的群体与环境是在中心，这就不足为奇了。进一步说，我们总要相信这是客观事实，而不是哗众取宠。 

这样看来，一群饶舌的科学家滔滔不绝地向我们宣讲，“你是寻常的，你并不重要，你不配有特权，你并没有什么了不起，”这并不令人太感兴趣。听得多了，甚至不易激动的人对这种咒语以及坚持说教的人也许会产生厌烦。看来科学家从贬低人类中正在获得某种奇怪的满足。为什么他们不能找到我们优越的地方？让我们兴高采烈吧！吹捧我们吧！在这些辩论中，科学以它让人泄气的曼陀罗㈢，使人感到它是冷冰冰的、疏远的、冷漠无情的、孤独的、对人类需求毫无反应的。 

再说，如果我们并不重要，不在中心，不是上帝的宝贝，那么我们根据神学建立的道德准则有什么意义呢？人类在宇宙中真实地位的发现长期来遇到激烈的对抗，至今仍有许多争议的残迹，地心学说支持者的用心有时昭然若揭。试举一例，下面是英国评论性刊物《观察家》在1892年发表的一篇未经署名的揭露问题的评议： 

很清楚的事情是行星的日心运动的发现，使我们的地球在太阳系中蜕化到它固有的、“卑不足道的”地位，也促使地球上占优势的种族迄今受指导和约束的道德准则，退化到一个类似的、但远非固有的、“卑不足道的”地位。许多奉命撰稿的作家笔下的自然科学并非一贯正确，而是错误百出，这便过分地动摇了人们对他们的道德伦理和宗教学说的信任感；这无疑是造成道德准则蜕化的部分原因。但是更多的仅仅是由于人类完全认识到自身的“卑不足道”，因为他发现他栖息的场所只是宇宙的一个偏僻角落，而不是太阳、月球和星星都绕之旋转的中心世界。人类无疑会感到，并且早巳经常感到，自己要成为任何特殊的神灵培育或关注的对象，是太不够格了。

如果把地球当作一座蚁山，人的一生看作是在许多小洞洞进进出出寻找食物与阳光的蚂蚁的一生，那么十分肯定，对人类一生的责任不必太重视，并且可以用一种深刻的宿命论和绝望，而不是抱着新希望，来看待人类的追求…… 

至少就目前而言，我们的视界已经够广阔了……；直到我们对已有的无限广阔的视界感到习以为常，我们在思考它们时不会像通常一样心慌意乱，而渴望得到更为广阔的视界还为时过早。

我们从哲学和宗教真想得到什么？是缓解剂？治疗？还是安慰？我们是否要再次相信无稽之谈，或是了解我们的真实处境？为了宇宙和我们的一相情愿不符合就心灰意懒，这似乎太孩子气了。你不难想到，把这种失望写下来并付印，对成年人来说真是难为悄的。时新的做法不是责怪宇宙——它似乎真是空空洞洞的，而是责怪我们了解宇宙的工具，就是科学。 

肖伯纳（Ceonge Bemard Shaw）在他的剧本《圣琼》（St·Joan）的序言中，描写过科学消灭我们的轻信的观念，把一个陌生的世界观强加于我们，并恫吓我们的信仰： 

在中世纪，人们相信大地是平的，对此他们至少有自己的知觉可以作证。现在我们相信它是圆的，并不是因为有百分之一的人能够为这个古怪的信念提供物理依据，而是因为近代科学已经说服我们，凡是明明白白的事物，没有哪一件是真的，而不可思议的、不大可能的、异常的、庞大的、微观的、无情的或者荒谬绝伦的事物却是科学的。 

一个更新近的和十分有启发意义的例子，是英国新闻工作者阿普尔亚德（Bryan Appleyard）所写的《了解现在：科学和当代人的灵魂》。这本书阐明了全世界许多人都感觉到，但令人难以说出来的东西。阿普尔亚德的坦率使人耳目一新。他是一个真正的信徒，他不愿让我们陷入近代科学与传统宗教之间矛盾的泥沼中。 

他痛惜说，“科学夺走了我们的宗教。”他渴望得到的是哪一种宗教呢？在他所要的宗教中，“人类是整个体系的要害、心脏和最终目的。它肯定把我们自己置于整个世界之上。”……“我们是终点、目的，也是伟大的太空圆穹绕之旋转的合理枢轴。”他渴望一个“天主教正统的宇宙”，在它里面“可以看出整个世界是为演出一场救世戏剧而制造的一架机器”。阿普尔亚德的用意是，尽管有明确的指令，一个女人和一个男人违令吃了一只苹果，这个反抗行动把宇宙转换成控制他们后代子孙的一种机构。 

对比起来，近代科学“认为我们是偶然出现的。我们是宇宙的产物，而不是宇宙的目的。当代的人最后什么也不是，他在宇宙中不起作用。”科学是“精神上的腐蚀剂，它激起对古代权威和传统的仇恨。它不能和任何事物真正地共存。”…… 

“科学不知不觉地说服我们抛弃自我，我们真正的自我。”它揭示“缄默的、异样的自然界景象”。……“人类不能和这样揭示的事物共存，遗留下来仅有的德行便是自慰的谎言。”人类很渺小，这是一个难以忍受的负担，想到它比什么都使人难堪。 

在缅怀庇护九世的一段文字中，阿普尔亚德甚至诋毁这样的事实：“可以指望一个近代的民主社会容纳若干个互相抵触的宗教信仰，它们不得不遵从一定数量的共同禁令，但没有别的限制。它们不得相互烧毁对方的教堂，但是，他们可以否认甚至辱骂对方的上帝。这是有效的、科学的行动方式。” 

但是还有什么选择？把一个难以确定的世界执拗地说成是可以确定的？采用一种自慰的信仰体系，不管它与事实相差多远？如果我们不知道什么是真的，怎么能面对现实呢？由于实际原因，我们不能过多地生活在幻想世界。我们要不要审查彼此的宗教并烧毁彼此的教堂呢？我们怎么能够认定，数以千计的人类信仰体系中哪一个是没有争议的、无所不在的和非信不可的呢？ 

这些引文表明，面对着宇宙——它的宏伟和华丽，尤其是它的冷漠——我们多么缺乏胆量。科学告诉我们，因为我们有欺骗自己的才能，因此主观性不能任意支配一切。这是阿普尔亚德如此不信任科学的一个理由。科学似乎是太理性化、太按步就班，也太不顾个人情感了。它的结论都来自对自然界疑问的解决，而全然不是为满足人们的需要而预先设计的。阿普尔亚德为中庸的主张感到痛惜。他向往绝对正确的教义，废除审判，以及履行信仰而不是质询的义务。他不领会人们难免会出差错。他认为，无论是在我们的社会组织里，还是对宇宙的认识中，都不需要把改正错误形成制度。 

这就是当父母不在时婴儿的生气哭泣。但是大多数人终于弄清楚了事情的真相，原来是父母本会绝对保证小孩不受伤害，但是有人要父母去办事时他们不得不痛苦地走开。大多数人终于找到了适应于宇宙的办法——尤其是在掌握思考工具的时候。 

在科学的年代，阿普尔亚德抱怨说，“我们传授给自己孩子的只是这样的信念：包括培育我们的文化在内，没有一样东西是真实的、不可更改的或持久的。”对于我们遗产的不合适方面，他的话何等正确。但是把没有根据的必然事物加进去，它是否会变得更加丰富？他嘲笑“认为科学和宗教是可以轻易分开的独立领域的这种虔诚希望”。与此相反，“科学就其目前的情况来说，与宗教绝对是水火不相容的。” 

然而阿普尔亚德是否真的要说，现在有些宗教对世界的本质发表直言不讳的错误声明而想不引起争议是难以办到的？我们认识到，甚至备受尊敬的宗教领袖（他们是他们那个时代的产物，正像我们是我们这个时代的产物一样），也可能出了差错。各个宗教之间有矛盾，就琐碎小事来说，诸如走进礼拜堂时应该戴帽还是脱帽，是否应当吃牛肉而不吃猪肉，或反之，可吃猪肉而不能吃牛肉，等等；直到最重要的问题，例如有没有神灵，只是一个上帝还是有许多神。 

科学把我们中的许多人带入如霍桑（Nathaniel Hawthome）㈣所描绘的梅尔维尔的心情，“他既不能信教，又不能为他的无信仰而感到宽慰。”或者如卢梭（Jean-Jacques 

Rousseau）㈤所说的：“他们没有说服我，但他们使我烦恼。他们的论证震动了我，但从没有令我信服……要阻止一个人去相信他渴望得到的东西，是困难的。”由于世俗和宗教的权威所倡导的信仰体系都被破坏了，一般说来，对权威的尊重大概会遭到侵蚀。教训是明明白白的：甚至政治领袖也必然会对接受错误的教条留神。这不是科学的失误，而是它的一个恩惠。 

当然，世界观的一致是令人宽慰的，而意见冲突会使人不安，并要求我们付出更多。但是除非我们不顾一切证据，坚持认为我们的祖先是十全十美的，那么知识的进步要求我们取消然后重新组合他们所达成的一致。 

在某些方面，就引起敬畏的程度来说，科学远远超过宗教。任何一个主要的宗教几乎都不会审视科学并得出结论说，“这比我们想象的更好！宇宙比我们的先哲们所说的更大、更宏伟、更精巧、更优美。上帝必然是比我们想象的更伟大。”这是为什么呢？与此相反，他们会说，“不，不，不！我的神是一个很小的神，我要他以后还是这样。”近代科学揭示出宇宙的宏伟壮丽，一个强调宇宙如此宏伟壮丽的宗教，无论是老的还是新的，也许能博得传统信仰很难得到的尊重与敬畏。这样一个宗教迟早会出现。 

如果你活在两三千年以前，那么坚持认为宇宙是为我们而创造的，就不是一桩丢脸的事情。它是与当年人们所知的任何事物都相符合的有吸引力的命题；它是当年人们中间最有学问的人毫无保留地宣讲的学说。但是从那时以来人类已有许多发现。今天还捍卫这样一种见解就是存心不顾证据和毫无自知之明。 

然而，对我们许多人来说，消除认知上的这种狭隘观念却依然令人痛恨。即使它们不能主宰一切，它们也会伤害信心——不像早期随社会功利而起伏的人类为宇宙中心的信念那样走运。我们是为了一个目的才渴望在这个位置上，至于证据，除掉自我欺骗之外却一点也没有。列夫·托尔斯泰（L·Tolstoy）曾写道：“生活中毫无意义的荒唐事，便是人类能够取得的仅有的无可争辩的知识。”我们的自高自大接连被戳穿，这使我们的时代背着累积而成的沉重包袱。我们是后来者；我们生活在宇宙的荒野中；我们来自微生物和污泥；猿猴是我们的远亲；我们的思想和感觉并不完全由自己控制；其他地方可能还有更灵巧得多的和大不一样的生灵。除了这一切之外，我们正在把自己的行星搅得一团糟，并正在对自己构成威胁。 

我们脚下的陷阱之门打开了。我们发现自己正在坠入无底深渊。我们迷失在一大片黑暗之中，谁也不会派人来搜寻。面对着如此严峻的现实，我们总想闭上眼睛，假装我们是在安全和舒适的家里，而认为下坠只不过是一场恶梦。 

我们对自己在宇宙中的地位缺乏共识。对于我们种族的目标，并没有一个公认的长远见解——也许除掉单纯的求生存。尤其是在艰苦岁月，我们极度渴望得到鼓励，不愿接受接连不断的大降级和希望破灭，而非常乐意听到我们是特殊的——即使证据薄得像一张纸也并不在意。如果用一点神话和宗教仪式就能让我们度过似乎是没有尽头的漫漫长夜，我们之中谁又会不同情和理解呢？ 

但是，如果我们的目标是获得深奥的知识，而不是肤浅的信念，那么从这个新前景所得到的会是远远超过失掉的东西。我们一旦克服了由于人类渺小而引起的恐惧感，就会发现自己是站在一个辽阔的和令人敬畏的宇宙的入口处，这个宇宙使曾让我们的祖先感到惬意的以人类为中心的舞台，无论在时间、空间和潜力上都绝对地相形见绌。我们透过数十亿光年的空间去观察大爆炸之后不久的宇宙，并探索物质的精细结构。我们窥视我们这个行星的核心，以及我们的恒星的炽热的内部。我们从解读遗传密码来了解地球上每种生灵的形形色色的技能和习性。我们揭示记录人类自身起源的隐密篇章，并怀着一定的痛苦更好地了解我们的本性与前景。我们发展和改良农业。如果没有农业，我们几乎全体都会饿死。我们发明了医药和疫苗来拯救亿万人的生命。我们用光的速度进行通讯，并且一个半小时就可以绕行地球一圈。我们已经向70多个世界发送了数十个飞行器，并向恒星发射了4个空间飞船。我们有权为自己的成就而欢欣鼓舞，为人类能看得这样远和评价自己的价值而感到自豪。我们能够这样做，在一定程度上靠的正是戳穿我们自命不凡的科学。 

对我们的祖先来说，自然界有许多可怕的东西——闪电、暴风雨、地震、火山、瘟疫、旱灾、长冬。宗教之所以出现，部分地是由于对大自然暴乱的一面不甚了解，就试图抚慰和控制它。科学革命让我们隐约看到一个潜在的有秩序的宇宙，它具有天体的朴实的和谐[开普勒（Johannes Kepler）的用语]。如果我们了解大自然，就有希望控制它，或至少减轻它造成的祸害。在这个意义上，科学带来了希望。 

大多数反狭隘地方主义的争论起初都没有想到它们的实际意义。热情而好奇的人类希望了解他们的真实环境，他们及其世界是怎样的独一无二或平淡无奇，他们的最初来源和命运，以及宇宙如何运转。奇怪的是，有一些这样的争议产生了最深刻的实际效果。正是牛顿用来解释行星绕日运行的数学推理方法，导致了我们现代世界的大部分技术。工业革命，尽管有种种缺点，仍然是农业国家摆脱贫困的全球模式。这些争论具有国计民生方面的效果。 

也可能是另外一种情况。也可能人类不愿接受，或总的说来，并不想了解一个令人不安的宇宙，也不愿意对流行的学识见解提出挑战。尽管在每一个时代都有人反对这种挑战，值得大加赞扬的是，我们仍让自己根据证据得出一个乍看起来令人沮丧的结论：宇宙非常庞大，极为古老，相比之下，我们个人和历史的经历都显得渺小和低下；在这个宇宙中每天都有若干个太阳诞生和若干个天体湮没；在这个宇宙中新近出现的人类只是依附在一团暗黑的泥土上。 

如果我们被安置在一个为我们定造的花园里，而园内别的物件供我们随心所欲的使用，这该是令人多么惬意啊！在西方传说中有一个与此相似的著名故事，只是花园里并非每样东西都是供我们使用的。有一株特殊的树不归我们分享的，这就是智慧之树。在这故事里，知识、理解和智慧对我们都是禁物。我们注定要成为一无所知的。但是我们毫无办法。我们渴求知识——你可以说，我们生来就是知识饥饿者。这是我们一切苦难的根源。特别要谈到，正是由于这个缘故，我们不再住在花园里面：我们找到的东西太多了。我想，只要我们没有好奇心，也很恭顺，我们便可以用自高自大和中心地位来安慰自己，并告诉自己，宇宙就是为我们创造的。然而当好奇心开始使我们着迷时，要探索，要了解宇宙的真相，我们就把自己赶出了伊甸园。手持闪闪发光的宝剑的天使在极乐园门口站岗，阻止我们回去。园丁们就成了流放犯和浪荡者。有时候我们会为那个失掉的世界而悲痛，但我认为这是感情脆弱和多愁善感的表现。我们不可能永远幸福地停留在一无所知的状态中。 

在这个宇宙中，想起来好像许多东西都是专门设计出来的。我们每一次碰到它们，都宽慰地松一口气。我们永远都希望找到，或者至少是有把握地推断出一位设计者。但是事与愿违，我们一次又一次地发现自然过程——例如星球碰撞创造世界、基因库的自然选择、甚至一壶开水的对流图象——能够从紊乱中得出秩序，并引诱我们去推断并不存在的目的。在日常生活中——在青少年的卧室里或在国家的政治中——我们常常感到紊乱是自然而然的，而秩序是上面强加的。宇宙的规律性比我们对普通境况常说的秩序更为深刻。所有的秩序，无论是简单的还是复杂的，似乎都来自在大爆炸（或更早）时创立的自然定律，而不是一位不完美的神祗干预迟了所造成的结果。“上帝可以在琐碎事情中找到，”这是德国学者沃伯格（Aby Warburg）的一句名言。但是除了高度的优美和精确外，生活中的琐事，甚至宇宙还显示出随意、临时应急的事先安排和大量的计划不周。我们该怎样弄明白这件事情：一幢大厦在建造早期就被建筑师抛弃了？ 

至少是现有的证据以及自然规律，都不需要一位设计师。也许有一位，但他是藏而不现，极不愿意被发现。这似乎往往是一种非常渺茫的希望。 

于是我们的生活以及我们的脆弱行星的意义，只能靠我们自己的智慧与勇气来决定。我们是生活意义的守护神。我们渴望有一位天父来照管我们，宽恕我们的谬误，从我们的幼稚错误中挽救我们。但是知识比无知更为可取。信奉令人难堪的真理远比叫人开心的无稽之谈要好得多了。 

如果我们需要有某种宇宙的目的，那就让我们为自己找一个有意又的目标吧。 

㈠英国诗人（1822-l888）。——译者 

㈡古雅典雄辩家和民主派政治家（公元前384—公元前332）。——译者 

㈢古印度宗教的祈祷词或咒语。——译者 

㈣美国小说家（1804—1864）。——译者 

㈤法国启蒙思想家、哲学家、文学家（1712－1778）。——译者 

谢选骏指出：穿金带银的教廷梵蒂冈“承认了地心说的错误”——这是因为他们不懂日心说也说错的的——不仅日心说错误，银河中心说也错误。在我看来，宇宙没有中心，除了造物主上帝！那么，既然宇宙没有中心，为何不以观察者为中心？或说“哪有可能不以观察者为中心”？对了！如果不以观察者为中心，你们如何可能观察宇宙呢？

【第五章 地球上有智慧生命吗？ 】

他们旅行了很长一段时间，并没有发现什么东西。最后他们察觉到一个小光点，这就是地球……[但是]他们没有丝毫的理由会猜想到，我们和这个星球上的同胞们有生存的荣誉。——伏尔泰《哲学史》（1752） 

在我们的大城市及其周围一些地区，天然的景观几乎都消失了。你可以认出大街、小巷、汽车、停车场、广告牌、玻璃和钢制的纪念碑，但是看不见一棵树或一片绿地，也见不到任何动物——当然除人以外。人是很多的。只有当你穿过摩天大楼之间的峡谷，抬头仰望才能认出一颗星星或一片蓝天——它们提醒你．在人类出现之前老早就有什么东西了。但是大城市明亮的灯光使星光变淡了。甚至蓝天有时也不见了，工业污染把它变成褐色的了。 

我们每天在这样的地方上班，不难取得这样的印象。我们为了自己的利益和方便，已经使地球改变了多少啊！但是在几百千米之上或下都没有人烟。除掉在地球的表面有一个薄薄的生命层，偶尔有一艘勇猛的宇宙飞船．以及一些无线电干扰之外，我们对宇宙的影响等于零。宇宙对我们毫无所知。 

你是一位外来的探险家，经过在漆黑的星际空间中漫长旅行后进入太阳系。你从远处考察这颗平凡恒星的一小撮行星——有的是灰的，有的是蓝的、红的、黄的。你感兴趣的是它们是什么样的世界，它们的环境是稳定的还是在变化，尤其想知道的是有没有生命和智慧。你对地球预先并无所知。你刚才发现它的存在。 

让我们设想出一个天界规则：只能看，不能摸。你可以从这些天体旁边飞过，可以绕它们飞行，但严格禁止着陆。受这样的限制，你能否判断地球有什么样的环境，以及是否有什么人在它上面生活？ 

你接近地球时，对它整体的最初印象是白色的云、白色的极冠、褐色的大陆以及掩盖它三分之二表面的某种带蓝色的物质。当你凭它发射的红外辐射来测量这个世界的温度时，你发现大多数纬度地区都是在水的冰点之上，而极冠是在冰点之下。水是宇宙中一种很丰富的物质；因此你认为，极冠由固态水组成的，以及云由固态和液态水组成，这些都是合理的猜测。 

蓝色物质是大量的液态水——深达几千米，这个想法也会使你感兴趣。但是至少对这个太阳系来说，这种联想是奇特的，因为液态水组成的海洋在其他任何星体的表面都不存在。如果你从可见光和近红外光谱找到泄露其化学成分的若干特征，你就肯定发现了极冠中的水冰，以及空气中形成云的大量水蒸气。水蒸汽存在的数量必然很大，其实这是因为由液态水组成的海洋会蒸发。奇怪的假设就这样证实了。 

用光谱仪进一步发现地球上的空气有五分之一是氧气 （O2[氧气的分子式]）。在太阳系中其他行星上没有这样大量的氧。那么，它从何而来？太阳的强紫外光把水（H2O[水的分子式]）分解成氧与氢，而氢是最轻的气体，它很快就逃逸到太空中去了。这肯定是O2（氧气的分子式）的一个来源，可是它不足以说明有如此大量的氧。 

另外一个可能性是太阳发射的大量普通可见光使地球上的水分解开——只是如果没有生命，还不知道有什么方法能这样做。为此必须有植物——含有能强烈吸收可见光的色素的生物，它用所储存的两个光子能量，把一个水分子分解，保留H与排出O，然后用这样分离出来的氢去合成有机分子。而植物便必须分布在地球上许多地区。对这些事情全都可以提出许多问题。如果你是一个优秀的、善于发现问题的科学家，就会了解到这样多的O2（氧气的分子式）还不足以证明生命的存在，但是它肯定可以成为猜测的依据。 

有了这么多氧，你发现大气里有臭氧（O3[臭氧的分子式]）就不足为奇了，这是因为紫外光可以把氧分子O2（氧气的分子式）变成臭氧。然后臭氧吸收危险的紫外辐射。因此，如果说氧是来自生命，那么就有一种奇妙的感觉，即生命在保护它自己。但是这里谈到的生命也许仅是能进行光合作用的植物，而不包含具有高级智慧的生物。 

当你更仔细地察看大陆时，就会发现大致说来有两类地区。一类展现出在许多行星上都可找到的普通岩石与矿物的光谱。另一类显示的是某种不寻常的东西：一种覆盖辽阔区域，并强烈吸收红光的物质。（太阳射出的当然是各种颜色的光，但最强的是黄光。）这种色素可能正是必须的作用剂，它使普通的可见光能够把水分解并形成空气中的氧。这是又一个说服力稍强的了解生命的线索。由色素形成的并不是到处都有的病菌，而是行星表面的充沛生命。色素实际上是叶绿素，它吸收蓝光和红光，并且是植物呈绿色的原因。你看见的是一个长满了植物的行星。 

因此我们发现地球至少拥有在这个太阳系里独有的三个特征——海洋、氧气和生命。不难想象它们相互有关，海洋是丰富多彩的生命出现的地方，而氧是它的产品。如果你仔细看看地球的红外光谱，就会发现空气中的一些次要的成分。除水蒸气外，还有二氧化碳（CO2）、甲烷 （CH4）和别的气体，它们吸收地球在夜间向太空发散的热量。这些气体使地球变暖。要是没有它们，地球各处便都在水的冰点之下。于是你发现了地球的温室效应。 

甲烷与氧在同一个大气中共存，这是一件奇怪事情。化学原理很清楚：O2过多时，CH4应当全部转变成H2O与CO2。这个过程效率很高，因此全部地球大气不应有一个分子是甲烷。与此不同，你却可以发现每一百万个分子中就有一个是甲烷。这是多么大的差异。它意味着什么呢？ 

唯一可能的解释是，甲烷进入地球大气非常快，它与O2的反应跟不上。这甲烷全都来自何处？也许它是从地球内部深层渗漏出来的——但是定量说来，这个看法似乎靠不住，何况火星与金星都没有这样多的甲烷。仅有的其他说法都是生物学的，所得结论不要求对生命的化学作任何假设，也不管生命看起来像什么．而只需了解甲烷在含氧的大气中如何不稳定。实际上，甲烷来自沼泽中的细菌、稻谷的栽培、植物的燃烧，来自油井的天然气以及牛的肠胃气胀。在含氧的大气中，甲烷是生命的一个征兆。 

从行星际空间可以察觉牛的体内肠道活动，这件事使人感到有一点难堪，尤其在我们珍视的许多事物实际并非如此的时候。但是一位从地球旁边飞过的外星人的科学家目前还不能推断出沼泽、稻谷、火焰、石油或牛。他能推断出的只是生命。 

到这里为止我们所讨论过的一切生命征兆都属于比较简单的形态（牛的瘤胃中的甲烷是由该处寄生的细菌产生的）。如果你的航天器是在一亿年以前飞经地球（那还是恐龙的时代，没有人，也没有技术），你就仍然会看到氧和臭氧、叶绿素色素，以及远多得多的甲烷。然而在现在，你的仪器正在发现的不仅是生命的征兆，而且是高科技的信号——甚至在100年前这种信号都还不可能检测到。 

现在你检测到一种特别的来自地球的无线电波。无线电波不一定象征生命和高智慧。许多自然过程可以产生无线电波。你已经发现其他的，显然无人栖息的行星发出的无线电辐射——这是由行星的强磁场所俘获的电子产生的，也可以由分隔这些磁场与行星际磁场的冲击波波前的混沌运动产生，还可能由闪电产生（无线电“啸声”一般都由高音调延伸到低音调，然后重新开始）。这些无线电辐射有的是连续的，有的重复爆发，有的持续几分钟后就消失了。 

但这是不一样的：来自地球的一部分无线电发射正是在无线电波开始从地球电离层泄漏出来的频率上，而电离层是在平流层上面能反射与吸收无线电波的带电区域。每一个发射都有一个固定的中心频率，叠加在它上面的是一个调制信号（复杂的断断续续的信号序列）。磁场中的电子、冲击波和闪电放电都不能产生与此类似的现象。唯一可能的解释似乎是高智慧生命。无论断断续续的无线电信号意味着什么，你认为无线电发射来自地球上的技术这一结论总是成立的。你不需要译出电文就可以肯定它是一份电报（我们不妨假定，这个电报真的是美国海军传送给远处核潜艇的信息）。 

因此，你作为一位外星的探险家，会知道地球上至少有一种生物已经掌握了无线电技术。这是哪一种生物呢？是不是制造甲烷的生灵？是产生氧气的生物？是用色素把大地染成绿色的生物？或者是其他的生物，更灵巧的生物，在突然降落的航天飞船上无法用别的方法发现的生物？为了搜寻这个具有高度发达技术的生物，你也许要以越来越精细的分辨率来察看地球——即使你寻求的不是那些生物本身，至少也是他们制成的物品。你起先用一架小望远镜观察，这时你能分辨的最小细节的尺度为1—2千米。你认不出雄伟的建筑、奇特的物体、大地的人工改造，也看不见生命的形迹。你看见的是不断运动中的稠密大气。充沛的水源一定会蒸发，然后是降雨。月球上明显可见的古老的撞击坑，在相距不远的地球上几乎完全没有。因此应当有一系列过程，使新的陆地产生出来，然后又被侵蚀掉，这些变化过程所需的时间比地球的年龄短得多。流水不用说是有的。如果你用越来越精细的分辨率观察，就会发现山脉、河谷以及表示我们的行星在地质上很活跃的其他许多迹象。也有被植物环绕的奇怪地方，但是它们本身没有植物。它们看起来就像是风景画上退色的污点。 

当你用大约100米的分辨率来察看地球时，一切都变样了。你发现这个行星上覆盖着直线、正方形、长方形、圆圈——有的在河边上挤成一团，或偎依在低山坡上面，有的伸展在平面之上；但在沙漠或高山上很少见，在海洋中绝对没有。对它们的规律性、复杂性及分布，除掉用生命和智慧，很难加以解释，虽然对它们的功能与目的的更深刻的理解可能是难以捉摸的。也许你只能得出这个结论：处于统治地位的生物同时热中于占有领土和欧几里得几何图形。用这样的分辨率，你不能看见他们，更不用说了解他们了。 

你会发现许多没有植被的小块区域都具有棋盘状的基本几何图形。这些是这个行星上的城市。不仅在城市中，在大部分土地上面都有为数众多的直线、正方形、长方形和圆圈。你会发现城市的暗黑区域都高度几何化了。只有少数植被地段——它们本身具有高度规则的边界——还保持原状。偶尔有三角形，在一个城市里甚至有五角形。 

当你用1米或更好的分辨率拍照时，就会发现城市中纵横交错的直线以及把这些城市与其他城市连接起来的长直线，都充满着流线形的和五彩缤纷的几米长的物体。它们在一个长长的有秩序的行列中，一个接一个地彬彬有礼地缓慢行进。它们很有耐心，一列物体停下来，让另一列在垂直方向上能继续移动。按一定的周期，这种关照又反转过来。在夜里它们打开前面的两盏亮灯，这样可以看清它们正在走向哪里。少数特别的物体开进小房子，它们的工作日结束了，晚上便休息了。大多数却是无家可归，就在街道上睡觉。 

终于弄清楚了！你已经找到一切技术的源泉，就是这个行星上占统治地位的生命形式。城市的大街和乡间的道路显然都是为他们的利益修建的。你可以相信你正在真正开始了解地球上的生命，并且你也许是对的。 

如果分辨率再稍有改进，你会发现那种偶然会进入和离开占统治地位的生物体的微小寄生物。然而它们发挥某种更深刻的作用，这是因为一个不动的统治生物体，在它被寄生物再感染后往往就会又一次起动，并且就在寄生物被排除之前会再次停止。这是令人费解的。但是准也没有说过地球上的生命很容易了解。 

你到目前为止所察看过的图象都是靠反射的太阳光，即在地球的白昼一面拍摄的。当你拍摄夜晚的大地，就会发现一件最有趣的事情：地球被照亮了。最明亮的地区靠近北极圈，它是由北极光照亮的。这种光不是生物制造的，而是由在地球磁场的作用下向下流动的来自太阳的电子与质子产生的。你所见到的其他一切东西都是来自于生物。灯光容易辨认地勾划出你在白天看到的陆地，许多陆地和你已经测绘出的城市相对应。城市集中在靠近海岸线的地方，在大陆内地却较为分散。也许占统治地位的生物体极想得到海水，也可能航海船只对商业和移民一度很重要。 

然而有些光点并非来自城市。例如，在非洲北部、中东和西伯利亚，在比较荒芜的土地上有一些非常明亮的光点——它们原来是来自正在燃烧的油井和天然气井。在日本海，在你首次观看的那一天，有一个奇怪的、三角形的明亮区域。在白昼看来，它是在空旷的大海中，这不是城市，它会是什么呢？事实上它是日本的鱿鱼捕捞船队。它用光耀夺目的灯光来吸引鱿鱼群入网。在别的日子，这个明亮图案在太平洋上流动，到处捕鱼。就实际效果来说，你在这里发现的是寿司。㈠ 

我认为让人头脑清醒的是，你从太空很容易发现的是地球上生物的一些零星事物——反刍动物的肠胃习性、日本的烹饪与能毁灭200个城市的游弋潜艇的通讯工具——然而我们许多宏伟建筑、最伟大的土木工程、我们的相互关心，这些都几乎完全看不见，这值得深省。 

到此为止，你的地球探险可以认为是极为成功的。你已经概略认识了环境，察觉了生命，发现了高智慧生物的显现，你可能已经证认出占据统治地位的种族，他们与几何学和直线图象结下了不解之缘。对这颗行星肯定值得进行更长期与更仔细的研究。这正是你现在把你的太空飞行器驶入环绕地球轨道的原因。 

俯视这个行星，你会发现新的疑团。在地球各处，大烟囱正在把二氧化碳和有毒化学制品倾注到空气中。在道路上奔驰的统治这个行星的生灵也是这样做的。但是二氧化碳是一种温室气体，正如你所看到的，它在大气中的含量年复一年地持续增长。甲烷及其他温室气体也都如此。如果这种情况保持下去，这颗行星的温度将不断升高。你用光谱方法还发现另一种注入空气的分子，这就是氯氟烃。它们不仅是温室气体，还会严重破坏起保护作用的臭氧层。 

你更仔细地察看南美洲的中部地区——你现在知道，这是一大片雨林。每天晚上你都会看见几千处大火。在白天，你发现这个地区云雾缭绕。数年后，在整个地球上你看到森林越来越少，而长着稀疏灌木的沙漠越来越多。 

你往下看，望见大海岛马达加斯加。它的河流都呈褐色，在周围的大海中产生大片的污垢。这是正在被冲刷人海的表土层，冲刷的速度很快，再过几十年，全部表土层就都会流失光。你会注意到，同样的事情在这个行星上各处河口都在发生。 

但是没有表土层就意味着没有农业。在21世纪，人们将吃什么？他们将呼吸什么？他们将怎样对付一个不断变化，更为危险的环境？ 

从你环绕地球视察，你可以看到有的东西毫无疑问是搞错了。占据统治地位的生物体——不管他们是谁——费了很大的劲来改造地面，同时也在摧毁他们的臭氧层和他们的森林，侵蚀他们的表土层，并且对自己的行星上气候正在进行大规模的、无法控制的试验。他们是否注意到了正在发生的是什么事情？他们对自己的命运会漠不关心吗？难道他们不能齐心协力来维护好养育他们全体的环境吗？ 

你想，也许现在是再次断定地球上是否有智慧生命的时候了。 

寻找其他地方的生命：一次校准 从地球出发的空间飞船现在已经飞过几十颗行星、卫星、彗星和小行星。飞船上装有照相机、测量热量与无线电波的仪器、测定化学成分的光谱仪，以及一大批其他装置。我们在太阳系的任何地方都没有找到生命的迹象。但是你也许怀疑我们检测出其他地方的生命（尤其是与我们所知道的不一样的生命）的能力。直到不久以前，我们从来没有进行过一次明显的校准试验：让一艘现代化的行星际空间飞船飞近地球，看看我们能否检测出我们自己。在1990年12月8日，这一切都改变了。 

“伽利略号”是美国国家宇航局设计的一艘航天器，用于探测木星这颗巨行星，以及它的卫星和光环。它以一位英勇的意大利科学家来命名，这位科学家为推翻地心邪说发挥了核心作用。正是他第一个看清了木星的面貌，并发现了它的4颗大卫星。为了到达木星，这艘宇宙飞船需要飞过金星（一次）和地球（两次）的旁边，并靠这些行星的引力来加速，否则它没有足够的力量来到达它的目的地。这种必要的轨道设计使我们破天荒第一次从外空系统地观察地球。 

“伽利略号”飞过离地球表面只有950千米（约为600英里）的上空。除掉少数例外情况（包括显示物体尺度小于1千米的图片以及地球的夜间照片），本章描述的许多空间飞船所得资料实际上都是“伽利略号”取得的。用它的资料，我们能够推断出含氧的大气、水、云、海洋、极区积冰、生命以及智慧。把为探测其他行星而研制的仪器与方案，用来监视我们自己行星的环境卫生——国家宇航局正在认真从事这项工作——这项任务，宇航员赖德（Sally Ride）称它为“对行星地球的使命”。 

在用“伽利略号”检测地球生命的国家宇航局科研组里，和我一道工作的其他成员有康内尔大学的汤普森（W·Reid Thompson）博士、喷气推进实验室的卡尔森（Robert Carlson）博士、衣阿华大学的格内特（Donald Gumett）博士，以及科罗拉多大学的霍德（Charles Hord）博士。 

我们事先对于地球上必定具有何种生命不作任何假设，就用“伽利略号”成功地检测到地球上的生命；这使我们增强信心，认为我们在其他行星上找不到生命这个否定性的结果是有意义的。难道这个判断是人类为宇宙中心论的、地心论的或是狭隘地方主义的？我认为并非如此。我们并不只是在寻找和我们同样的生物。任何分布很广的光合作用色素、任何与大气中其他气体显著不平衡的气体、任何地表上表现为高度几何化的图案、处于夜半球上的任何稳定的灯光构形、任何非天体物理的无线电发射源，都可以表示生命的存在。我们在地球上找到的当然只是我们的类型，但是在其他地方原本会检测到许多其他的类型。我们没有发现它们。对第三颗行星（即地球）的这种考察加强了我们的无把握的结论，即在太阳系的一切星体中，只有我们的地球有幸拥有生命。 

我们刚开始搜寻。也许有生命隐藏在火星或木星、木卫二或土卫六上面。也许像我们这样生命丰富多彩的世界，在银河系中比比皆是。也许我们即将做出这样的发现。但是就现实的知识来说，目前地球是唯一的。还不知道别的星体上有微生物，更不用说科技文明了。 

㈠寿司，日本的鱼制食品。——译者 

谢选骏指出：从无机物的角度看，地球是无足轻重的行星；然而从观察者的角度看，地球确实是宇宙的中心——从宇宙观察的角度看，地心说不是邪说，日心说才是邪说——谁能在太阳上观察宇宙并且进军宇宙？如果不能却侈谈什么日心说，岂非莫名其妙？

【第六章 “旅行者号”的胜利 】

他们乘船下海，在大海上做生意；他们看见了上帝的杰作和他在深处的奇迹。——赞美诗，107（约公元前150年） 

我们给孩子们提出的理想会影响他们的未来。重要的问题是，那是一些什么样的理想。它们往往是一些靠自己能力能达到的愿望的预言。梦想即是图象。 

我并不认为描绘最可怕的未来是不负责任的。如果我们想避免它们，我们就必须知道它们是可能的。可是哪里是可供选择的办法？哪里是发挥促进与鼓舞作用的梦想？我们渴望把使我们引为自豪的世界现实图象交给孩子们。可是描绘人类目标图象的人在哪里？对充满希望的未来的理想在哪里？科学技术是改善人类生活的工具，而不是指着我们脑袋一触即发的一支枪。那么对科技的理想又在何方？ 

国家宇航局在它的常规工作中提出这样的理想。但是在20世纪80年代与90年代初期，许多人都把美国的太空计划视为一系列灾难：在执行一项以放置一颗通信卫星为主旨的任务时，7位勇敢的美国人丧生了，而这颗卫星本来可以较低成本且不需要有任何人冒风险的方式发射的；一架价值10亿美元的望远境在分辨率很差的情况下送上太空；向木星发射的一艘太空飞船的主天线——它对于向地面发回资料是必不可少的——打不开；一个探测器在快要绕火星运转时丢失了。 

每当国家宇航局把几名宇航员送入在320千米（200英里）高处的一个小密封舱，无穷无尽地绕地球旋转．什么地方都去不了，而把这说成是探测时，有些人感到畏缩了。和遥控装置探测的光辉成就相比，载人飞行取得的基础科学发现少得令人吃惊。除掉修配研制失误或发生故障的卫星，或者发射原本恰好也可用无人火箭助推器送上天的卫星之外，从20世纪70年代以来，载人航天飞行似乎没有取得与所化代价相称的成就。也有一些人把国家宇航局看作为实现把武器送入太空的奢侈计划而使用的一匹掩蔽用的假马㈠，全然不顾在许多情况下绕地飞行的武器只是一只坐以待毙的鸭子㈡。于是有许多症状显示国家宇航局是一个衰老的、动脉硬化的、谨小慎微的、没有雄心壮志的官僚机构。也许这种动向正在开始逆转。 

但是这些批评——它们中的许多肯定是正确的——不应让我们对同一时期中国家宇航局的成就视而不见：对天王星和海王星系统的首次探测，对哈勃太空望远镜在其运转轨道上进行检修．证明星系的存在与大爆炸理论相符，对小行星的首批近距观测，对金星从南极到北极的勘测，对臭氧的损耗进行监测，证明在一个近邻星系的中心存在一个质量为太阳的10亿倍的黑洞，以及美国与俄罗斯联合太空作业的历史性实施。 

太空计划具有深远的，梦幻般的，甚至革命性的内涵。通信卫星把我们的行星联成一体，成为环球经济的中枢，并且通过电视经常体现我们是生活在一个全球大家庭里这样一个重要的现实。气象卫星预报天气，减少飓风和龙卷风造成的人员伤亡，并避免每年成十上百亿美元的农产品损失。军事侦察与限制武器等条约核实卫星，使各个国家以及全世界的文明变得更为安全；在一个拥有成千上万件核武器的世界上，它们让各方面头脑发热的狂人镇静下来；它们是使一个苦难的和难以捉摸的行星能够生存下来的主要工具。 

地球观测卫星——尤其是即将发射的新一代卫星——监测全球环境卫生：温室效应使地球变暖、表土层侵蚀、臭氧层损耗、洋流、酸雨、洪涝和干旱的影响，以及我们还没有发现的新的灾害。这是明确的行星卫生学。 

现在全球卫星定位系统已经在运转，因此藉助几个卫星可以通过无线电三角测量定出你的位置。手上拿着像现在的短波收音机那样小的仪器，你就可以读出你所在处非常精确的经、纬度值。将要坠毁的飞机，陷入浓雾中或浅海中的船只，或者在陌生城市中开汽车的人，都决不会再因迷失方向而遭殃。 

天文卫星以前所未有的清晰度从绕地轨道向外凝视，就可以研究从近邻恒星拥有行星的可能性一直到宇宙的起源与命运等种种问题。行星探测器对我们太阳系中千姿百态的其他星体进行近距观察，把它们的命运与我们的地球进行对比。 

所有这些活动都是有远见的、大有希望的、激动人心的，也是节省费用的。它们不需要使用载人航天器。未来的国家宇航局所面临的，也是本书所讨论的一个关键问题，便是就载人空间飞行所声称的辩解是不是有道理的和可行的。值得为它花费那样大的代价吗？ 

但是，首先还是让我们考虑在行星中间航行的遥控空间飞行器所展现的大有希望的前景。 

“旅行者1号”和“旅行者2号”是为人类敞开太阳系，并为子孙后代开辟新途径的两艘飞船。在它们于1977年8月和9月发射之前，我们对太阳系的行星部分几乎是一无所知。在发射后的12年间，它们向我们提供第一批关于许多新世界的详尽资料与特写镜头，而过去在地面望远镜的目镜中，这些新世界有的看起来是模糊的圆面，有的仅是光点，而对有一些连它们的存在都还没有猜想到过。这两个航天器现在还在发回大量资料。 

这些航天器让我们了解其他世界的奇观、我们的世界的唯一性和脆弱性以及宇宙的起源和终结。它们使我们接近太阳系的大部分区域——就范围的广度上与众多的数量上来说都是这样。正是这些飞船首先探测了也许会成为我们远代后裔家园的星体。 

目前美国的运载火箭的威力都不够大，难以单靠火箭的推进仅在几年里把这样的一艘太空飞船送达木星或更远处。但是我们是聪明的（也是幸运的），还有别的办法：我们能够（像“伽利略号”做过的那样）飞到一个天体的近旁，让它的引力把我们推向下一个天体。这叫做引力支援。除掉独出心裁，我们几乎没有花费什么。这有点像玩旋转木马，在它转过来时抓住在它的上面的一根柱子，就会使你加速并转到某个新方向。航天器的加速被行星绕日轨道运动的减速抵销掉一部分。但是因为与航天器相比，行星的质量要大得多，因此行星几乎一点也未慢下来。每一艘“旅行者号”太空飞船都从木星的引力获得近每小时64 000千米（40 000英里）的速度增值。反过来，木星绕太阳的运动则变慢了。这有多少呢？从现在算起50亿年之后，当我们的太阳变成一颗膨胀的红巨星时，木星与20世纪后期“旅行者号”尚未飞越它时的情况相比，将向太阳移近1毫米。 

“旅行者2号”利用罕见的“行星联珠”天象，它飞到木星近旁，受到加速而驶向土星，再由土星到天王星，从天王星到海王星，然后经海王星飞向恒星。但是你并不能在你希望的任何时候都这样办：这种天体“联珠”游戏的上一次机会是在杰斐逊（Thomas Jefferson）㈢当总统时出现的。那时人们处于仅在马背上、独木舟里和帆船上进行探测的时期（当时汽船是即将出现的新技术）。 

由于缺少足够的资金，国家宇航局的喷气推进实验室仅承担得起建造能远到土星仍可靠工作的飞船。超过它，就一筹莫展了。然而由于卓越的工程设计——事实上是用无线电把指令发往飞船的喷气推进实验室工程师们具有非凡才能，他们及时排除了飞船的故障——使得两个航天器都能继续前进，去探测天王星和海王星。目前，它们正在从距太阳已知最远的行星之外的空间，把它们的发现用电讯发送回来。 

我们往往更多地听到探险带回来的辉煌成果，而不是运载它们的船只，也不是造船工人。情况总是这样的。甚至那些使人醉心于哥伦布（Christopher Columbus）航行的历史书籍，对“尼娜号”、“平塔号”和“圣玛丽亚号”船只的建造者以及这些轻快帆船的原理都谈得不多。这些太空飞船，以及它们的设计人、建造者、导航员和操纵人员，都是为了很明确的和平目标而发展的科学技术所能取得的成就的范例。那些科学家和工程师应都是为美国追求卓越成就和国际优势地位的模范人物。应当把他们印在我们的邮票上。 

对木星、土星、天王星和海王星这4颗巨行星中的每一个，上述两艘或其中一艘太空飞船研究了行星本身及其环带和卫星。1979年，它们在木星附近经受了为致人于死地的辐射剂量1 000倍的被俘获带电质点的袭击。在这种辐射的全部包围中，它们发现了这颗最大行星的若干个环，在地球之外首次看到的一些活火山，以及在一个没有空气的世界上可能存在的地下海。此外还有许多惊人的发现。1980年和1981年，它们在冰暴袭击中幸免于难，并且发现了不是几个，而是几千个新的环。它们考察了相对来说不久之前曾神秘地融化了的冰冻卫星，以及一个可能拥有液态碳氢化合物海洋（上面漂浮着有机物质云）的大星体。 

1986年1月25日，“旅行者2号”进入天王星系统并报道了一系列奇异事件。这次会合只持续了几个小时，但是如实传回地球的信息，使我们对这颗蓝绿色行星（包括它的15个卫星、漆黑的环系和俘获的高能带电粒子带）的认识发生了一场革命。1989年8月25日，“旅行者2号”掠过海王星系统，并观察到在遥远太阳的微弱照耀下千变万化的云彩图案；还有一个古怪的卫星，在它上面，稀薄得令人惊异的大气中的风吹起有机微粒的卷流。直到1992年，已经飞越了已知最外面的行星，两个“旅行者”航天器还接收到无线电辐射，它可以认为是来自更遥远的太阳风层顶——即太阳风让位给恒星风的地方。 

因为我们栖息在地球上，我们不得不通过一个使图象变形的大气海洋凝视遥远的星体。它们所发射的紫外光、红外光和无线电波，大部分都不能穿透我们的大气。因此容易了解，为什么我们的太空飞船已经革新了对太阳系的研究：我们升到彻底透明的真空的太空，像“旅行者号”那样接近我们的目标，飞过它们旁边，或者绕它们运转．甚至在它们表面着陆。 

这些航天器已经向地球发回4万亿比特的信息，这大约相当于100 000卷百科全书。我在《宇宙》中描述了“旅行者1号”和“旅行者2号”与木星系统的会合。下面我要谈谈与土星、天王星及海王星的会合。 

在“旅行者1号”正要与天王星系统会合之前，任务设计人员已设定好了一个最后的操纵动作，即让航天器上的推进系统短暂点火以校正航天器的位置，使它在急驰飞翔的卫星中间按照预定的航线穿过。但是实际情况是这种航线改正已经不必要了。在沿一条弧形路径飞行50亿千米之后，飞船还是在离设计轨迹的200千米范围之内。其精度已大致相当于抛出一根针，让它穿过50千米之外的针眼；或者在华盛顿开枪，击中在达拉斯的一头牛的眼睛。 

行星蕴藏的珍贵信息由无线电传回地球。但是地球毕竟太远，地面上的射电望远镜收集到海王星的信号时，其接收功率只有10的负16次方瓦（在小数点与1之间有15个零）。这种微弱信号与一盏普通台灯的功率相比，有如一个原子的直径与地月之间距离之比。要收到这样的信号，就像听到一只变形虫的“脚步”声。 

“旅行者”的任务是在20世纪60年代后期设想的。1972年获得第一笔经费。但是直到两艘飞船完成对木星的侦察后，这个任务（包括与天王星及海王星的会合）才得到最后的批准。两个航天器的发射升空，用的是一个不能再度使用的“大力神／半人马”助推火箭组合。每个“旅行者”重约一吨，可以塞满一间小屋。每一个所需功率约为400瓦——比一个普通美国家庭的能耗少得多——由一台把放射性钚转换成电力的发电机提供。（如果必须依靠太阳能，那么当飞船离太阳越来越远时，它所能得到的能量就迅速减少。如果不是用了核能，“旅行者”除了从木星也许发回一点点资料外，就根本没有外太阳系的资料发送回来了。） 

在航天器内部有电流通过，就会产生颇强的磁场，足以干扰测量行星际磁场的灵敏仪器。因此磁强计是放在一根长吊杆的末端，远远离开引起不良效果的电流。这根吊杆与其他伸出的部件，使“旅行者”航天器看起来有点像一头豪猪。照相机、红外和紫外光谱仪以及一架称为照相偏振测量仪的仪器都放在一个扫描平台上，此平台按指令绕支架转动，使各种装置对准所观测星体。只要天线的指向是正确的，航天器就必定知道地球是在何方，因此信息可以传送回来。它还需要知道太阳以及至少一颗亮星的位置，这样一来它可以确定自己在三维空间中的方位，并正确指向任何一个在附近通过的星体。如果你不能把照相机对准，飞船就无法把几十亿千米外的图象很好地传送回来。 

每一个航天器的成本大致都和一架现代战略轰炸机一样昂贵。但是和轰炸机不一样，“旅行者”一旦发射出去，就不能收回库房进行修配。因此飞船上的计算机及电子仪器都设计得很累赘。许多关键性的部件，包括主要的无线电接收机在内，都至少有一个备件——一旦需要就可投入使用。每当一个“旅行者”航天器出现故障，电脑就使用树形逻辑程序中处理意外事故的分支来制定一套适当的动作程序。要是这不能解决问题，飞船就发电报回家求救。 

太空飞船飞得离地球越来越远，无线电往返传递的时间也变长，当“旅行者号”在海王星的距离处时，这个时间接近 11个小时。因此，一旦出现紧急情况，飞船需要知道怎样让自己进入一个等待地球指令的安全待命状态。随着航天器的老化，它的机械部件和电脑系统的失灵会越来越多；然而直到现在还没有出现过严重的记忆能力衰退和某些自动装置的阿尔茨海默氏病㈣。 

这并不是说“旅行者号”航天器是完美无缺的。严重威胁探测任务的令人神经极度紧张的事故确实出现过。每一次都委派一批工程师——有的人从一开头就参加“旅行者号”计划——组成一个特别小组来“处理”问题。他们研究有关的科技资料，并运用他们对失灵的部件原有的经验，他们用从未发射过的、完全一样的“旅行者号”航天器设备来做实验，或甚至制作许多个失灵的部件，来对它们的失灵方式进行某种统计研究。 

1978年4月，在发射将近8个月之后，飞船正在接近小行星带，这时遗漏了一个地面指令——这是一个人为的差错——使“旅行者2号”上的计算机未与主要的无线电接收机连接，而误连到它的备用机上了。在接下来地面向航天器发送指令时，备用接收机未能锁住来自地球的信号，这是因为一个叫做跟踪环形电容器的部件失灵了。在“旅行者2号”完全失掉联系7天之后，它的故障警戒软件突然命令备用接收机断开，并让主接收机接通。然而主接收机在片刻之后神秘地失灵了，再也听不到它的声音了。（直到今天，谁也不知道究竟为什么。）为了完成任务，航天器上的电瞄此刻愚蠢地坚持要使用已经失灵的主接收机。就这样，由于人为的和电脑的一连串不幸的差错，飞船现在处于真正的危险之中。谁也想不出一个办法让“旅行者2号”恢复使用备用接收机。但即使这办到了，由于电容器失效，备用接收机也不能收到来自地球的指令。许多设计人员曾经担心，这样一来一切都完蛋了。 

但是在一个星期对地球指令冷漠地毫无反应之后，飞船终于接受了两个接收机之间自动转换的指令，并编入了这台反复无常的船载电脑的程序中。也就在那一个星期，喷气推进实验室工程师们设计出一个创新的指令频率控制程序，来保证让受过损伤的备用接收机也能理解主要的命令。 

工程师们现在至少初步地能够和飞船恢复联系了。不幸的是备用接收机现在变得很不稳定，它对航天器各个部件通电和断电时散发的热量极为灵敏。在随后的几个月中，喷气推进实验室的工程师们通过自己设计与进行的一些试验，彻底弄清楚了大多数航天器操作模式受热的影响：哪些因素会阻碍，而哪些会容许接收来自地球的指令？ 

有了这样的知识，备用接收机的难题就完全解决了。此后它收到了地球上发出的、关于如何收集木星、土星、天王星与海王星系统的资料的全部指令。就这样，工程师们拯救了飞行任务。（为了保障安全，在“旅行者2号”后来的大部分飞行中，在与下一个行星会合之前，总是先把一套按计划进行的收集资料的程序存储在船载的电脑中，这样一来，即使航天器再次听不见来自家园的请求，也不碍事。） 

另一个令人痛心的失败，是在1981年8月“旅行者2号”刚从土星背面出现（就地球上看来）后就发生的，扫描平台发疯似的摇摆不定——在靠近土星的十分短暂时间内指向各处，有时指向环，有时指向卫星或行星本身。突然，平台卡住了。扫描平台卡住不动是一个使人急得发疯的困难处境：要知道航天器正在飞越从来没有看见过的奇景，今后好几年或几十年我们将再也不能看见它们了，而漠不关心的飞船固定不动地向外望着太空，什么也没有看到。 

扫描平台由带齿轮组的促动器驱动。因此喷气推进实验室工程师们起先在一次模拟试验中使用一个同样的飞行促动器。它在转动348次后失灵了，而航天器上的促动器转动了 352次后失灵。问题原来出在润滑失灵。知道这一点是好的，可是怎样对付它呢？很清楚，无法给“旅行者号”追加一个加油器。 

工程师们考虑，他们用交替地加热和冷却的办法能否使失灵的促动器再次起动呢？也许由此产生的热应力会引起促动器的部件以不同的速率膨胀和收缩，并使它松动。他们在实验室里用特制的促动器来试验这个设想，于是兴高彩烈地发现，用这个办法他们可以让扫描平台在空间重新起动。设计人员还想出办法及早地诊断促动器失灵的任何别的迹象，因而有足够时间环绕这个问题开展工作。此后，“旅行者2号”的扫描平台运作得完美无缺。由于这项工作，才有了在天王星与海王星系统中拍到的全部图片。工程师们又赢得了一次胜利。 

“旅行者”1号和2号按设计都只用于探测木星系统与土星系统。它们的轨道确实能让它们通过天王星及海王星，但是从来没有正式公开宣布过，把这两个行星也作为“旅行者”探测的目标。这是因为原来投有预料到航天器会存在那样长的一段时间。因为我们希望“旅行者1号”能够飞到土卫六这个神秘世界附近，受到土星引力影响，它进人了一条再也不能碰到任何一个已知星体的飞行路线。飞越天王星和海王星并取得辉煌成功的正是“旅行者2号”。这些星体离我们都很遥远，那里的太阳光越来越暗淡，发回地球的无线电讯号也越来越微弱。这些都是意料中的事，但仍然是喷气推进实验室工程师和科学家们所要解决的非常严重问题。 

由于天王星与海王星都很暗，“旅行者”的电视摄象机不得不作长时间的曝光。但是航天器在飞驰[例如经过天王星系统时，它的速度约为每小时56 000千米（35000英里）]，因此图象便会变得模糊不清。作为补偿，在曝光时间内整个飞船需要转动来抵销这种运动，这就像你在一辆开动的汽车上拍摄街景照片时，向相反方向转动镜头那样。这件事说起来容易，但实际上并非如此：你必须抵销最单纯的运动。在失重的情况下，仅仅是飞船上的磁带记录仪的开动和停止都会使航天器轻轻摇晃，并达到使图象模糊的程度。 

解决这个问题的办法，是给航天器上极为灵敏的小型火箭发动机（称为推进器）发出指令，在每次收集数据过程的开始和结束时，推进器喷出一点气体，使整个航天器稍微转动一点，这样就可补偿磁带记录仪的轻微摇晃。为了解决在地球上接收的无线电讯号太微弱的问题，工程师们设计出一种新的、更有效的办法来记录和传送资料，并把地上的各个射电望远镜用电子线路连接起来，这样可以提高灵敏度。整个说来，用许多判据来评估，照相系统对天王星和海王星的运作，比起土星，甚至木星都要好一些。 

“旅行者”的探测还没有结束。当然有可能某个至关紧要的子系统明天就会失灵，但是就钚能源的放射性衰变来说，两个“旅行者”航天器大概一直到2015年都能向地球送回资料。 

“旅行者”是一种有智慧的存在物——一部分是自动机械的人工智慧，一部分是人的智慧。它把人的知觉扩展到遥远的星体。对于简单问题和短期任务来说，它依仗的是自觉的智慧；但是对复杂问题与长期任务而言，它就须求助于喷气推进实验室工程师们的集体智慧及经验。这种动向肯定还会发展。两架“旅行者”航天器体现出20世纪70年代早期的技术。如果是在今天为同样使命设计太空飞船，它们就会采用在人工智能、微型化、快速数据处理、自行诊断与修配的能力，以及从经验吸取教训等方面的惊人进展，此外，它们还会便宜得多。 

就许多对人过于危险的环境来说——无论是在地球上还是在太空中，未来属于机器与人的合作，而两个“旅行者号”可以认为是这方面的前例和先驱。在此不妨只提到几个有潜力的应用领域：核事故、矿井灾难、海底探测与考古发掘、潜行到火山内部以及家务劳动。对这些行业来说，有一支由灵巧的、机动的、紧凑的和听人指挥的机器人组成的特种预备部队，来诊断和修配它们自身的故障，情况就大不一样了。在不久的将来，这样的部队很可能会越来越多。 

由政府制造的任何东西都会成为一场灾难，这在现今已经是习以为常的看法了。可是两个“旅行者号”航天器是由政府（还与同样吓唬人的学术界合作）研制的。它们按价、按时制成，大大超过原来设计的规格以及研制人最美好的梦想。这些优良的机器并不是要控制、威胁、伤害或者摧毁什么东西，它们代表我们本性中想寻根究底的成分，想要自由自在地邀游太阳系和更遥远的太空。这种技术所发现的宝藏属于世界各地的人民，可为全人类所利用。有人厌恶美国的大部分政策，也有人赞同它的一切；但是近几十年来，美国的所作所为只有少数受到普遍一致的赞誉，太空探测技术便是其中的一项。“旅行者号”从发射到与海王星会合，每一年只花费每一个美国人不到一分钱。我认为对行星的探测，是我们不仅对美国，也是对全人类做得最好的事情之一。 

㈠意即掩饰用的借口。——译者 

㈡意即容易受到攻击的目标。——译者 

㈢美国第三任总统（1743—1826），于1801—1809年连任两届。——译者 

㈣早老性痴呆。——译者 

谢选骏指出：载人飞行的低下效率说明什么问题？是人浮于事？还是人不如机器？

【第七章 在土星的众多卫星之间 】

你让自己像君主一样端坐在土星的卫星之间。——梅尔维尔《白鲸》第107章（1851） 

有这样一个星体，它的大小介于月球与火星之间，它的上层空气带电，并起伏波动——空气是从邻近的典型的带环行星流进来的，行星上永恒的褐色多云天空带有一种奇特的赭橘色，而真正的生命物质从天空掉到下边未知的表面上。这个星体太遥远了，从太阳发出的光要经过一个多小时才能射到它上面。至于航天器就要好些年了。它在许多方面都还是个谜——包括它是否拥有大海。然而我们所了解的情况恰足以说明，在离它的一个够得着地方可能有某些变化过程目前还在进行，而早在洪荒时代它们已经在地球上出现过了。正是这些过程导致生命的起源。 

在我们的星球上有一个持久的——在某些方面来说是十分成功的——物质演化的实验在进行。已知最古老化石的年龄大约有36亿年。当然，早在这以前很久生命就开始出现了。但是在42亿或43亿年以前，地球还在遭受它形成过程最后阶段的折磨，那时生命还不可能存在。剧烈的碰撞使表面熔化，把海洋化为蒸汽．并且把最后撞击以来聚积的大气驱赶到太空中去。因此大约在40亿年前有一个相当短暂的时间之窗——大约只有1亿年——我们的最远代祖先开始出现了。一旦情况许可，生命就很快地滋长起来。它以某种方式成长。 

最早的生物很可能是笨拙的，远逊于今天还活着的最低级微生物——也许只能勉强为自己制作粗糙的复制品。但是首先由达尔文有条有理描述过的自然选择这一重要过程，是一个威力巨大的工具。它把最幼稚的生物体演变成为千姿百态和美丽多彩的生物世界。 

在一个无生命的地球上，受物理与化学规律驱使而自然产生的若干碎片、成分和基本单元，形成了最早的生物体。地球上一切生命的基本单元叫做有机分子，即以碳为主要成分的分子。在多得不可胜数的可能存在的有机分子中，只有极少数与生命有关系。最重要的有两类，即氨基酸（它是蛋白质的构成单元）和核苷酸（这是细胞核酸的构成单元）。 

但是，就在生命出现之前，这些分子从何而来呢？只有两个可能性：来自地球之外或地球内部。我们知道，比现在多得多的彗星和小行星曾经撞击过地球。这些小天体是复杂有机分子的丰富宝库，而在碰撞时有些这样的分子幸存下来了。现在我要谈的不是外来的，而是在地球上自生的有机体，即在原始地球的大气与水域中产生的有机分子。 

不幸的是，我们对早期大气的成分了解不太多，而在某些大气中有机分子远比在其他大气中更容易形成。早期大气不可能有大量的氧，这是因为氧是由绿色植物产生，而那时还没有任何绿色植物。很可能以前氢要多一些，因为氢在宇宙中含量极丰，并且氢比其他任何原子都更容易从地球高层大气逃逸到太空中去（由于氢很轻）。如果我们能够设想出若干种可能的早期大气，就可以在实验室里复制，输入一些能量，看看会产生哪些有机分子，以及有多少。近年来这类实验是饶有趣味的和大有指望的。但是我们对原始大气的情况一无所知，很难找到它们之间的关系。 

我们所需要的是一个真实的星体，它的大气仍然保存那样丰富的氢，在其他方面它要与地球甚为相似，现在它还大量产生构成生命的有机物，通过它我们可以找到自己的起源。在太阳系里只有一个这样的星体①，就是土星的大卫星土卫六。它的直径约为5 150千米（3 200英里），比地球的一半略小一点。它绕土星运转一周需要16个地球日。 

没有哪个星球会与任何其他星球一模一样。土卫六至少有一个重要方面与原始地球大不相同：它离太阳太远，表面极为寒冷，约为摄氏零下180°，远低于水的冰点。当生命出现时的地球和现在一样，表面上主要是海洋，但在土卫六上面根本不可能有液态水构成的海洋（我们以后会谈到，由别的物质形成的海洋是另外一回事了）。然而低温也是有利的，这是因为分子一旦在土卫六上合成，它们往往便固定不变。温度越高，分子分离就越快。在过去40亿年间，分子像雨点一般落在土卫六上，有如从天而降的吗哪（manna）㈠，它们可能还在那里，大部分没有变化，处于深冻状态，等待着地球上的化学家去研究。 

在17世纪，由于望远镜的发明，许多新天体被发现了。 1610年，伽利略首次观察到木星的4个大卫星。这就像是一个小型的太阳系，小月亮们绕着木星旋转，犹如哥白尼所设想的行星绕着太阳旋转一样。这对地球中心主义者是又一次打击。45年后，著名的荷兰物理学家惠更斯（Christianus Huy-gens）发现了有一个卫星在绕土星运动，并给它取名为泰坦（Titan）㈡②。它是15亿千米（约10亿英里）以外的一个光点，因反射太阳光而微弱可见。从发现它之时起（那时欧洲男人披着长长的卷发），到第二次世界大战期间（这时美国男人流行短发），除掉知道它有一种奇特的黄褐色外，对这颗卫星几乎没有任何新的发现。甚至从原理上来说，地面望远镜几乎不可能认清它的神秘面目。在20世纪初期，西班牙天文学家索拉（J·Comas Solá）报告说，有微弱和间接的证据表明它有大气。 

在某种意义上说，我的成长与土卫六有关。我在芝加哥大学在柯伊伯（Gerard P·Kuiper）指导下撰写博士论文，而这位天文学家明确地发现土卫六有大气。柯伊伯是荷兰人，因此可以说他是惠更斯在学术上的嫡系传人。1944年，柯伊伯在对土卫六作光谱观测时，惊奇地发现它有甲烷气体的光谱特征。当他把望远镜指向土卫六时，甲烷的特征出现③；把望远镜移开，这种特征就一点也没有了。但是不能认为卫星有相当可观的大气，地球的卫星，月球就肯定没有大气。柯伊伯认为，虽然土卫六的重力比地球小，但它还是能保留大气，这是因为它的高层大气非常冷，这样一来，分子运动不够快，不会有大量分子达到逃逸速度并向太空散失。 

柯伊伯的一个学生丹尼尔·哈里斯（Daniel Harris）断定土卫六是红的。也许我们看见的是一个火星那样的铁锈色的表面。如果你想更多地了解土卫六，不妨测量它所反射的太阳光的偏振。一般的太阳光是非偏振的。现在我在康内尔大学的同事韦韦尔卡（Joseph Veverka），是以前我在哈佛大学的研究生，因此也可以说是柯伊伯的徒孙。韦韦尔卡在他于1970年前后完成的博士论文中，测量了土卫六的偏振，并发现它随土卫六与太阳、地球的相对位置而变化。但是这种变化与其他星体（例如月球）所显示的偏振变化大不一样。韦韦尔卡的结论是，这种变化的特征与土卫六上面有范围很大的云或雾相符。在我们用望远镜观察土卫六的时候，看不见它的表面。我们对它表面的情况一无所知，根本不知道它的表面离云层有多远。 

因此，在20世纪70年代初期，可以认为从惠更斯开始的学术传人的一项成就，就是我们至少知道了土卫六拥有一个甲烷含量丰富的稠密大气，此外它大概是被一层淡红色隆云笼罩着或被气雾所包围。但是什么样的云会是红色的呢？在70年代初，我的同事哈尔（Bishun Khare）和我在康内尔做了一些实验。我们用紫外光或电子使各种甲烷含量丰富的气体发光，并产生红色或褐色的固体；这些物质沾在我们做反应试验的玻璃器皿的内表。我认为，如果富含甲烷的土卫六大气有红褐色的云，这些云会很像我们在实验室里做出来的东西。我们用“泥土”的希腊词，把这种物质称为“索林”（tholin）。起先我们对它的成分了解得很少。它是由我们原有的分子分裂而得出的有机混合物，是由碳、氢、氮原子和分子碎片重新组合产生的。 

“有机”这个词在生物学方面并没有特殊的含义。它在化学上使用了长达一个多世纪，指的仅是由碳原子构成的分子 （除掉少数诸如一氧化碳和二氧化碳这样很简单的分子）。因为地球上的生命以有机分子为基础，并且因为过了一段时间之后地球上才有生命，所以在第一个有机体出现前，在我们地球上必定有某种制造有机分子的过程。我认为类似的过程今天也许正在土卫六上发生。 

在我们对土卫六的认识中，具有划时代意义的事件是“旅行者”1号和2号分别于1980年和1981年到达土星系统。 

“旅行者”的紫外、红外与无线电仪器测量出了土卫六大气——从隐而不见的表面到太空边缘——的压力和温度。我们弄清楚了到云层顶部有多高。我们发现土卫六的空气和今天的地球一样，主要由氮组成。正如柯伊伯发现的，另一个重要成分是甲烷，就是以碳为基础的有机分子在那里产生的起始物质。 

还找到了一些呈气态的简单分子，主要是碳氢化合物和睛。它们中间最复杂的有4个“重”（碳和／或氮）原子。碳氢化合物是仅由碳与氢原子组成的分子，对此我们熟悉的有天然气、石油和蜡。（它们与糖及淀粉之类的碳水化合物完全不同，碳水化合物含有氧原子。）腈是一个碳原子和一个氮原子用某种特殊方式结合而成的分子。最著名的腈是HCN，即氰化氢。它是一种致人于死命的气体。但是氰化氢参与了地球上形成生命的过程。 

在土卫六的高层大气中找到了这些简单的有机分子——即使只有百万分之一或十亿分之一——是发人深省的。原始地球的大气会与此相似吗？土卫六的大气约为现今地球大气的10倍，而早期地球也可能有过比现在更稠密的大气。 

除此而外，“旅行者号”在土星周围还发现由行星磁场所俘获的高能电子与质子形成的一个大区域。土卫六绕土星运转时，在这个磁层中穿进穿出。电子束（加上太阳的紫外光）射到土卫六的高层大气中，正像原始地球的大气拦截带电粒子（加上太阳的紫外光）那样。 

因此，用紫外光和电子在很低的压力下照射氮与甲烷的特定混合物，并找出由此形成的更为复杂的分子，这就是一个自然而然的想法了。我们能否模拟出正在土卫六高层大气中进行的过程？在康内尔大学我们的实验室里，我和我的同事汤普森（一位关键人物）一起，复制出土卫六上产生的一些有机气体。土卫六上最简单的碳氢化合物是由太阳的紫外光产生的。但是一切其他的在实验室里最容易用电子做成的气体产品，都与“旅行者号”在土卫六上所发现的相对应，并且成分相同。二者呈一一对应。我们在实验室找到的次丰气体，将在对土卫六以后的研究中设法寻找。我们造出的最复杂的有机气体拥有6至7个碳原子和／或氮原子。这些分子成品可以形成索林。 

在“旅行者1号”接近土卫六时，我们曾经希望天气能转好。从远处看去，土卫六像一个小圆盘；在靠得最近时，我们的照相机视场只能看到它的一个小区域。如果雾和云有一个裂口——即使只有几千米大——在我们扫描圆面时就会看到一部分隐蔽的表面。可是缺口连一点踪迹也没有。这个世界被封闭了。地球上没有人知道土卫六的表面有什么东西。如果在那里有一个观测者，他在普通可见光的波段内抬头仰望，根本看不见云层之上的壮观景象，也看不到土星和它的宏伟光环。 

通过“旅行者”、在绕地轨道上的“国际紫外探险者”以及地面望远镜的测量，我们对掩盖土卫六表面的橙褐色雾粒子已经了解得相当多了：它们吸收的是哪些颜色的光；它们容许大量通过的是哪些颜色的光；它们使通过的光线偏转了多少；以及它们有多大。（它们大部分和香烟喷雾中的粒子一样大。）“光学性质”当然和雾粒子的成分有关。 

哈尔和我与美国田纳西州橡树岭国家实验室的荒川（Ed- ward Arakawa）合作，测量了土卫六索林的光学性质。我们发现原来它与真正的土卫六雾极为相似。没有其他的待选物质（无论是矿物的，还是有机的）能与土卫六的光学性质相符。因此我们可以明确地宣称已经弄清楚了土卫六雾的底细——在土卫六大气的高层形成，缓慢地坠落，并在它的表面大量积聚。这种物质是什么东西组成的呢？ 

要想知道一种复杂有机固体的确切成分是非常困难的。举例来说，虽然长时期以来有经济上的需要，但对煤的化学组成至今还没完全弄清楚。但是我们对土卫六的索林已经有所了解。它含有地球上生命的许多重要组成材料。的确，如果你把土卫六的索林滴入水中，就会形成大量的氨基酸、蛋白质的基本成分和核苷酸盐基，以及脱氧核糖核酸（DNA）与核糖核酸（RNA）的组成材料。这样形成的氨基酸，在地球上的生物体内分布很广。其他的属于完全不同的种类。此外还有一大批其他的有机分子，它们有些与生命有关，有些则无关。在过去40亿年中，极其大量的有机分子从大气沉积到土卫六的表面上。如果在以往的漫长岁月中，它们都处于深冻和不变的状态，那么积累的物质至少应该有几十米（100英尺）厚，最高的估计为1千米厚。 

但是你也许会认为，在水的冰点之下180℃时，氨基酸决不会形成。把索林滴入水中可能对早期地球有重大作用的，但对土卫六似乎不同。然而彗星和小行星偶尔会撞击到土卫六的表面。（土星的其他近距卫星上面有大量撞击坑，而土卫六的大气并没有厚到足以阻止巨大的、高速的物体落到它的表面。）虽然我们从来投有看见过土卫六的表面，可是行星科学家们却对它的成分有所了解。土卫六的平均密度是在冰和岩石的密度之间，大概会两者兼而有之。在邻近的星体上冰与岩石都很丰富，而有的几乎纯粹由冰形成。如果土卫六的表面是冰，一次高速的彗星碰撞便会使冰暂时融化。汤普森和我估计，土卫六表面上的任何一处，都有50％以上的机会曾经一度融化过，而这种碰撞融化和泥浆平均几乎要保持1 000年。

这样就形成一种大不相同的经历。地球上的生命大概是在海洋或潮汐浅塘里出现的。地球上的生命主要由水形成，水在物理和化学两方面都起了重大作用。的确，我们这些迷恋着水的生物难以想象出没有水的生命。如果在我们地球上生命的起源经历了不到1亿年，是否可能这在土卫六上只要 1 000年呢？有了搀和到液态水中的索林，甚至只要1 000年，土卫六的表面可能就会向生命起源以比我们想象的要大得多的步伐演进。 

在我参加了一次在法国图卢兹举行的，由欧洲空间局主办的关于土卫六学术讨论会后回家时，不禁这样想：尽管有了这些认识，我们对土卫六的了解仍然是少得可怜。虽然在土卫六上不可能有液态水的海洋，但液态碳氢化合物的海洋就是另一回事了。在土卫六表面之上的低空，估计有甲烷的云，而甲烷是最多的碳氢化合物。次多的碳氢化合物乙烷（C2H6）应当像地面附近水蒸气变成液体那样，在土卫六表面凝聚出来。（地面温度一般是在冰点与融点之间。）在土卫六存在期间，应当已经聚积出液态碳氢化合物的浩瀚海洋，它们可能远在雾与云之下。但是，这并不意味着它们对我们来说是完全无法达到的——这是因为无线电波容易穿透土卫六的大气以及悬浮在它里面的、缓慢下落的细小粒子。 

在图卢兹，加利福尼亚理工学院的米勒曼（Duane O·Muh- leman）向我们讲述了一个技术上非常困难的重大成果：用加州莫哈韦沙漠的射电望远镜，将一组无线电脉冲射向土卫六，穿过它的雾和云直达它的表面，然后反射到太空，并返回地球。为此，在新墨西哥州索科罗附近的一个射电望远镜阵接收到了大为减弱了的信号。这真了不起！如果土卫六有一个由岩石或冰覆盖着的表面，那么由它反射的雷达脉冲，在地球上应当能够检测到。但是，假如是碳氢化合物海洋掩盖着土卫六，米勒曼就什么也看不到：液态碳氢化合物对这些无线电波的吸收很强，于是就不会有回波返回地球。事实上，当土卫六的某些经度区转向地球时，米勒曼的庞大雷达系统就接收到反射电波，但是并非所有的经度区都是这样。不错，你可以说土卫六既有海洋也有大陆，而把信号反射回地球的是大陆。但是如果在这方面土卫六与地球相似——对某些子午线（例如通过欧洲到非洲的）主要是陆地，而对另一些子午线（如通过太平洋中部的）则基本上是大海，那么我们必定碰到另外一个问题： 

土卫六绕土星运转的轨道并不是一个正圆。它显然是扁的，或者说呈椭圆形。然而，如果土卫六拥有广阔的海洋，那么，它绕之旋转的巨行星土星就会在土卫六上引起显著的潮汐，由此产生的潮汐摩擦，定会使土卫六的轨道在远短于大阳系年龄的时期内变成圆形。德莫特（Stanley Dermont，目前在佛罗里达大学）和我在1982年发表的一篇题为“土卫六海洋的潮汐”的学术论文中论证道，由于这个原因，土卫六要么是一个全部是海，要么是一个完全为陆地的世界。如果不是这样，在浅海地区潮汐的摩擦就会起到作用。湖泊和岛屿虽可以存在，但是别的就没有了，于是土卫六的轨道就会和我们现在看到的大不一样。 

这样一来，我们就有三种学术论点：一个认为这个世界几乎完全被碳氢化合物的海洋所覆盖；另一个主张它是大陆与海洋兼而有之；第三个要求我们选择，土卫六是辽阔的海洋，或者全是陆地。要知道答案会是什么，这是一件很有趣的事。 

我上面讲述的是一种科学进展报告。明天可能会有新的发现，使这些谜团和矛盾全部澄清。也许米勒曼的雷达探测结果有某个差错，但很难查出错在哪里：他的仪器测到土卫六的时候，正是土卫六最靠近的时候，也是他应该看见土卫六的时候。也许德英特和我所做的潮汐对土卫六轨道演化作用的计算有某处出错，可是至今还没有人能发现任何错误。此外，难以解释在土卫六表面的乙烷怎么能够免于凝固。尽管温度很低，也许几十亿年来仍有某种化学变化；也许从天而降的彗星撞击与火山或其他大地结构变化结合起来，加上宇宙射线的作用，可以使液态碳氢化合物凝结，并变成某种能把无线电波反射回太空的复杂有机固体。或者也许反射无线电波的有机物只是浮在海的表面。可是液态的碳氢化合物的密度很小，因此每一种已知的有机固体，除非是泡沫极多的，都会像一块石头那样沉入土卫六的海洋。 

现在德莫特和我在怀疑，当我们设想土卫六上面有大陆与海洋时，我们是否过分拘泥于我们在自己星球上得到的经验，我们的思考是否太地球沙文主义了。土星系统中其他卫星的表面尽是破损的、坑凹的地带，还有大量的撞击坑。如果我们想象液态碳氢化合物在一个这样的星球上缓慢地聚积起来，于是出现的不是布满全球的海洋，而是互相隔离的并没有完全装满液态碳氢化合物的大塘。许多圆形的石油海，有的直径超过160千米（100英里），坑坑洼洼地分布在卫星的表面。但是远处的土星不会激起可以察觉的波浪；并且惯常会想到，那里没有船，没有游泳者，没有玩冲浪的人，也没有人钓鱼。按我们的计算，在这种情况下潮汐摩擦可以忽略不计，因而土卫六的拉长的椭圆轨道不会变成圆形。在开始得到表面的雷达或近红外图象之前，我们不能了解确切的情况。但是可以认为，我们目前遇到的难题的答案大概是：土卫六拥有许多碳氢化合物的圆形大湖泊，在有些经度多一些，有些经度少一些。 

我们是否应当指望有一个覆盖着深厚索林沉积物的冰冻表面；一个碳氢化合物海洋，它各处有一些盖满有机物的岛屿；一个布满坑状湖泊的世界；或者还有什么我们想不到的更微妙的东西？这不只是一个学术问题，因为一个正在设计中的太空飞船将要飞往土卫六。如果一切顺利，一个由美国国家宇航局和欧洲空间局联合研制的，名为“卡西尼”的航天器将于1997年10月发射。这艘飞船将两次飞经金星，一次飞经地球和一次飞经木星，以便取得引力加速；在航行7年后它将进入环绕土星的轨道。飞船每一次到达土卫六附近时，将用包括雷达在内的一整套仪器来考察这颗卫星。因为“卡西尼”离土卫六会近得多，它能够分辨出土卫六表面上用米勒曼的地面仪表（这是土卫六探测的先驱）无法察觉的许多细节。表面情况还可以用近红外光察看。在2004年夏天的某个时候，我们手里可能就会有土卫六隐而不见的表面图。 

“卡西尼”还携带一个进入土卫六大气的探测器，它的名字很适当，叫“惠更斯”，它将与航天器的主体分离，并垂直降落到土卫六的大气中。一个大降落伞会打开，仪器包会穿过有机物形成的雾和甲烷云层，缓慢地坠入低层大气。它在降落时将考察有机化合物。如果在着陆时没有坠毁，它还将考察这个星体的表面。 

一切都无法担保。但是飞行任务在技术上是可行的，硬件正在制作。一批志同道合的、令人难忘的专家（包括许多年轻的欧洲科学家）正在埋头苦干，并且有关各国似乎都很认真对待这个项目。它大概会实现。或许在不太遥远的将来，穿越16亿千米（10亿英里）的行星际空间，仪器将会传来土卫六在拥有生命的道路上已经走了多远的信息。 

㈠基督教（圣经》中所说的古以色列人经过旷野时获得的神赐食物。——译者 

㈡按后来的编号，这颗卫星即土卫六。——译者第八章 

谢选骏指出：“在土星的众多卫星之间”的观测表明，科学只能做出事后的解释，无法提供事先的结论，因此可说，这和古代的巫术相比，虽有方法的进步，却无性质的差别。

【第八章 第一颗新行星 】

我恳求你，你不会希望有理由说明为何有这样多的行星吧，你会吗？这个烦恼已经有人解决了……——开普勒《哥白尼天文学概论》第4卷（1621） 

在人类创造出文明之前，我们的祖先主要是在露天生活。在制造出人工光源，出现大气污染以及有了现代的各种夜间娱乐之前，人们经常观察星星。当然，为了编制历法的实际需求是有的，但还有更多的原因。甚至在今天，城市里精疲力竭的居民，一旦望见装点着数以千计闪闪发光的星星的晴朗夜空，也会意想不到地精神为之一振。许多年来，每次看到这种景色，我都会感到兴奋。 

在每一种文化里，天象与宗教神话总是交织在一起。我躺在旷野里，苍穹环绕着我。它的规模令我折服。它是多么浩瀚，多么悠远，相比起来我就显得很渺小。可是我并不感到自己被天国遗弃了。我是它的一部分——肯定是微小的一部分，但是和那种无与伦比的浩瀚相比，任何事物都是微不足道的。当我全神贯注于恒星、行星及其运动时，我无法抑制地感到这是一种机械、时钟式和高度精密的运作。无论我们的抱负多么伟大，它的无比规模总使我们显得很渺小和卑不足道。 

在人类历史上大多数伟大的发明——从石制工具与火的利用，到文字——都是无名的恩人做出的。我们对远古事件的记忆是很差的。我们不知道首先察觉行星与恒星不一样的祖先叫什么名字。他或她应当是活在几万年或甚至几十万年以前。但是全世界的人终于了解到，装饰夜空的明亮光点中有五个——只有五个——与别的光点步伐不一致，它们往往在几个月内古怪地运行，好像它们有自己的主见。 

和这些行星一样，太阳和月亮也有奇怪的视运动。这样一来，在天界漫游的星体总数为七个。这七个星体对古代人都很重要，因此他们用神灵来给它们命名。不是随便哪个古老的神，而是主要的、为首的神，是指点其他神灵（以及世间凡人）如何行动的神。巴比伦人把这些行星之一，明亮而缓慢移动的，㈠用马杜克（Marduk）来命名；斯堪的纳维亚人用奥丁（Odin）；希腊人用宙斯（Zeus）；罗马人用朱庇特（Jupiter）；他们都是神中之王。罗马人把暗淡、快速移动和离太阳不远的一颗行星㈡叫做墨丘利（Mercury），意为众神的使者；把最亮的一颗行星㈢称为维纳斯（Venus），即爱情和美丽之女神；对一颗血红色的行星㈣用战争之神来命名，即马尔斯（Mars）；至于其中一颗行动最迟缓的叫萨图恩（Saturn）㈤，是时间之神。这些是我们祖先所能提出的最好的隐喻和暗示。他们除了肉眼之外，没有科学仪器，他们局限在地球上，并且根本不知地球也是一颗行星。① 

到了要制定星期的时候——星期这个时间间隔与日、月和年都不一样，没有真实的天文含意——人们把它定为7天，每一天都用夜空中这7个反常的星体之一来命名。我们不难找到这种定名的痕迹。在英语中，星期六（Saturday）是土星 （Saturn）之日。星期日（Sunday）和星期一（Mo[o]nday）是够清楚的了。㈥星期二至星期五是用撒克逊人与其同种族的曾入侵凯尔特／罗马不列颠的条顿人的神来命名的。举例来说，星期三（Wednesday）是奥丁（Odin）[或沃丁（Wodin）]的日子。如果我们按现在的拼音把它说成是“韦恩的日子”（Wedn’s Day）就更清楚了。星期四（Thursday）是雷神（Thor）的日子。星期五（Friday）是爱情女神（Freya）的日子。一星期的最后一天仍用罗马神的名字，其余的都已变成德语了。 

在所有罗曼语族的语言（如法语、西班牙语和意大利语）中，这种联系更为明显。这是因为它们都起源于古代拉丁语，而在这种语言里，一周的日子（从星期天开始），是依次用大阳、月亮、火星、水星、木星、金星和土星来命名的。（太阳日成为上帝的日子。）他们原本可按相应的天体亮度次序来为日子定名，即按太阳、月亮、金星、木星、火星、土星与水星的次序，排出星期日、星期一、星期五、星期四、星期二、星期六和星期三；但是他们没有这样做。如果在拉丁语系中一周的日子是按与太阳的距离的次序来排列，就会成为：星期天、星期三、星期五、星期一、星期二、星期四、星期六。然而回溯到为行星、神灵和周日取名的时候，谁也不知道行星的这种次序。周日的排列次序似乎是任意的，虽然可能承认了太阳的首要地位。 

7尊神灵、7个日子和7个星体——太阳、月球与五颗漫游的行星——的这种结合，在世界各地广为流传。7这个数字开始取得神奇的涵义。以前人们认为有七重天，即以地球为中心的7个透明球壳，是它们使天体运转。最外面的球壳，即第七重天，是假想中的“恒”星居留的地方。一共有7个创世日（如果我们把上帝的休息日也包括在内），人的头上有7窍，有7项美德，7大罪恶㈦，苏美尔㈧神话里有7个恶魔，希腊字母中有7个元音（每一个都属于一位行星之神），炼金术士认为有7位主管命运之神，摩尼教有7本巨著，基督教有7次圣餐，古希腊有7位圣人，此外还有7种炼金的“丹源”（金、银、铁、汞、铅、锡和铜——金至今还与太阳有关，银与月亮有关，铁与火星有关，等等）。第7个儿子的第7个儿子具有超自然的魔力。7是一个“幸运”数字。《新约全书》的《启示录》中谈到，把一卷圣谕的7张封条打开时，7只喇叭就会一齐吹响，7个碗一齐盛满。圣奥古斯丁含糊地论证过7的神秘的重要性。他的理由是，3是“第一个为奇数的整数”（那么1算什么呢？），“4是第一个偶数”（2又算什么呢？），并且“它们合起来便是7”，如此等等。甚至在今天，像这样的穿凿附会还在苟延残喘。 

甚至有人不相信伽利略发现的4个木卫（还不是行星呢！）的存在，理由是它损害了7这个数字的优越地位。随着哥白尼体系逐渐为人们接受，地球进入行星的行列，而太阳和月球去掉了。这样一来，似乎只有6个行星（水星、金星、地球、火星、木星与土星）。于是有人杜撰出学术依据来论证，为什么必须是6个。举例来说，6是第一个“完全”数，等于它的除数之和（1+2+3），这就是证明。还有，无论如何只有6个创世日，而不是7个。人们找出各种理由来迎合行星由7个变成6个。 

到了那些善于玩弄数字神秘主义的人也接受哥白尼体系的时候，这种自欺欺人的思维模式便从行星转移到卫星。地球有一个卫星，木星有4个伽利略卫星，加在一起是5个。显然还缺了一个。（请不要忘记，6是第一个完全数。）当惠更斯在1655年发现土卫六时，他和其他许多人都确信，这是最后一个了：6个行星，6颗卫星，而上帝在他的天国里。 

哈佛大学的科学史专家科恩（I·Bemard Cohen）指出，惠更斯确实放弃了对其他卫星的探寻，这是因为从上述论证再也没有其他卫星了。16年以后，令惠更斯啼笑皆非的是他在场时，巴黎天文台的卡西尼②发现了第七颗卫星，即土卫八。它是一个古怪的星体，它的一个半球是黑的，而另一个是白的；它的轨道是在土卫六之外。不久后，卡西尼又发现了另一颗土星卫星，即土卫五。这是在土卫六之内的卫星。 

对玩弄数字游戏的人来说，又一个机会来了。这一次是专门应用于阿谀奉承恩主。卡西尼把行星数（6）与卫星数（8）相加，得到14。当时碰巧的是，为卡西尼兴建天文台并支付薪金的人是法国的路易十四，号称太阳国王。这位天文学家急急忙忙地把这两颗新卫星“奉献”给他的君王，并宣称路易已经“征服”了太阳系的尽头。谨言慎行的卡西尼于是中断了对其他卫星的探寻。科恩认为，大概他害怕再发现一颗卫星会触犯路易——他是一个不能被嘲弄的帝王，他可以粗暴地把他的臣民定为叛逆的新教徒，并投入地牢。尽管如此，12年后，卡西尼重新进行探索，并发现——无疑是战战兢兢地——另外两颗卫星。（幸好人们没有一脉相承地这样做，否则法兰西波旁王朝就会有70多个叫路易的国王，那就麻烦了。） 

在18世纪后叶，当新天体陆续发现时，这个玩弄数字论证的势力大为削弱了。然而在1781年，当人们听说用望远镜发现了一颗新行星的时候，仍然有一种真正的惊奇之感。相比之下，新卫星不太引人注意，尤其是在前面6个或8个发现之后。但是，还有新的行星可以发现，并且人们还创制出发现它的工具，这两件事既令人惊异又使人感到是理所当然的。如果有一颗前所不知的行星，就可能还有许多颗——在我们太阳系以及其他恒星附近都会如此。谁也不知道，在漆黑的天空里，究竟还有多少尚未发现的新世界？ 

这次的发现甚至并非由一位职业天文学家，而是由威廉·赫歇尔（William Hershel）做出的。他是一位音乐家，他的家人跟另一位英国化了的德国人（也就是后来美洲殖民地的压迫者英王乔治三世）的家庭一同来到英国。赫歇尔希望用他的庇护人来命名这颗行星，即称它为乔治（实际上是“乔治之星”）；然而幸运的是，这个名字并没有流传下来。（天文学家似乎都热中于讨好君王。）赫歇尔发现的这颗行星后来被称为天王星（Uranus）（这是每一代讲英语的9岁的孩子都听不厌的故事）。它以古代天神命名，而按希腊神话，是萨图恩（土星名）的父亲，因此是奥林匹亚众神的祖父。 

我们不再把太阳和月球当作行星，并且——忽略不计相对说来不重要的小行星与彗星——把天王星认作按与太阳的距离排列的第七颗行星（水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星）。它是古人不知道的第一颗行星。外面的4颗行星（类木行星）与4颗内行星（类地行星）原来是大不相同的。冥王星是一个独特的例子。 

随着岁月的推移和天文仪器质量的改进，我们对遥远的天王星开始了解得较多了。向我们反射暗淡太阳光的不是固体表面，而是大气与云——正如土卫六、金星、木星、土星及海王星那样。天王星的空气由氢和氦这两种最简单的气体组成，还有甲烷与其他碳氢化合物。地球上观测者看得到的云层之下就是厚实的大气，它含有大量的氨、硫化氢，特别还有水。 

在木星和土星的大气深处，压力大到把原子中的电子挤出，并使空气呈金属性。在质量较小的天王星上似乎没有出现这种情况，这是因为它的大气深处的压力小一些。然而只有通过天王星对其卫星的微妙的引力，可以研究根本看不到的更深处，发现在上面大气的沉重压力下，那里是一个岩石般的表面。那是一个隐而不见的与地球相似的庞大行星，它被浩大的空气掩盖和包裹起来。 

地球表面的温度是由地球拦截的太阳光保持住的。太阳一旦离去，地球就会很快冷却——远不只是像南北两极那样冷，也不仅海洋会冻结，而是严寒甚至于使空气凝固，形成覆盖整个地球的10米厚的氧与氮的冰层。从炽热的地球内部渗透出来的一点点热量不足以融化这些隆冰。对木星、土星和海王星而言，情况就不一样了。从它们内部倾泻而出的热量与它们从远方太阳获得的辐射热大致相等。把太阳“关掉”，它们所受的影响并不很大。 

但是天王星就是另一回事了。它在类木行星中是反常的。天王星像地球：真正从内部渗出的热量很少。我们不了解为什么会是这样，为什么在许多方面与海王星很相似的天王星却缺少一个强大的内部热源。由于这个以及别的原因，我们不能说已经了解这些巨大星体的内部深层的情况。 

天王星是“躺下来”绕太阳旋转的㈨。在20世纪90年代，它的南极受太阳照射，20世纪末地球上的观测者察看天王星时，他们所见到的正是这个极。天王星绕太阳运转一周需要84个地球年。因此在21世纪30年代，其北极将朝向太阳（也是朝向地球）。到21世纪70年代，南极会又一次对着太阳。在中间这段时期，地面天文学家所看见的主要是它的赤道区域。 

所有其他行星都是“直立地”在轨道上自转。谁也不能肯定天王星反常自转的原因。最有可能的假说是，在它早期历史上的某个时候（总是几十亿年之前），一颗在很扁的轨道上运行的，大小与地球差不多的凶猛行星撞上了它。这样的碰撞，如果曾发生过，一定早巳使天王星系统乱成一团。也未可知，这一场古代的浩劫总应该留下一些别的痕迹让我们去发现。但是天王星太遥远，要揭开它的奥秘并非容易的事。 

1977年，由埃利奥特（James Elliot）（当时在康内尔大学）领导的一批科学家偶然发现，天王星也像土星那样有环。当时这些科学家为观测天王星掩一颗恒星，乘一架美国国家宇航局特制的飞机——柯伊伯机载天文台——正飞越印度洋。 （正因为天王星相对于遥远的群星在缓慢地移动，这种掩星现象才常常发生。）观测者大吃一惊地发现，恒星就在走到天王星及其大气背后之前闪烁了几次，随后在它从天王星及其大气背后刚出现后又闪了几次。因为在掩星前后闪耀的情况是一样的，这次的发现（以及后来的大量工作）表明天王星拥有9个很薄、很暗的围绕行星的环，于是天王星在天空中看来像有若干黑圈环绕的一个靶心。 

地球上的观测者了解到．在这些环的外面是当时已知的5颗卫星的同心轨道。这5颗卫星都是用莎士比亚的《仲夏夜之梦》和《暴风雨》，以及蒲伯（Alexander Pope）的《卷发遇劫记》中的人物命名的。具体说来，天卫五是米兰达（Miranda），天卫一是埃里厄尔（Ariel），天卫二是乌姆勃里厄尔（Umbriel），天卫三是泰坦尼亚（Titania），天卫四是奥伯龙（Oberon）。它们之中有2颗是赫歇尔本人发现的。5颗卫星中最里面的一颗，即天卫五，直到1948年才由我的老师柯伊伯发现③。我回想到．当时认为发现天王星的一颗新卫星是一项多么了不起的成就。后来由反射的近红外光连续发现5个卫星的表面都有一般水冰的光谱特征。这不足为奇——天王星距太阳太远了，因此它在正午时的亮度还不如日落后地面的亮度。温度极低，任何水都必然结成冰。 

我们对天王星系统——这颗行星、它的光环和它的卫星——的认识，在1986年1月24扫开始有了一场革命。在那一天，“旅行者2号”飞行了8年半之后到达离天卫五很近的区域，并“击中”了天空中的靶心——天王星。于是天王星的引力把它椎向诲王星。这艘太空飞船发回了4 300张天王星系统的近距照片以及大量其他资料。 

还发现天王星周围有一个强辐射带，它由该行星磁场俘获的电子和质子形成。“旅行者”穿过辐射带，顺便测量它的磁场及俘获的带电粒子的强度。它还检测出由加速的俘获电子产生的无线电波发出的不和谐声音，其音色、和声及细节都在不断变化，但收听到的主要是最强音。在木星与土星上都发现有类似现象，后来在海王星上也发现有，但每个行星始终都有其特定的主旋律和对位特征。 

地球磁场的极与地理南北极很靠近。天王星的磁轴和自转轴有约为60度的交角。还没有人了解为什么会是这样。有人曾认为我们正好赶上天王星磁场的南北两极在对调，这种情况在地球上定期发生。还有人提出这也是古代那次把天王星弄得改变了自转轴方向的猛烈碰撞的后果。但是我们不知道孰是孰非。 

天王星发射的紫外光远比它从太阳接收到的要强，这很可能是由磁层泄漏出的带电粒子冲击高层大气所产生的。太空飞船从天王星系统里的一个有利位置观察到一颗亮星在通过天王星的环时所发生的闪烁。从地球上看去，飞船走到天王星背后；因此它发送回来的无线电讯号在切线方向穿过天王星的大气，这可用来探测直到甲烷云层之下的大气。有人由此推断，有一个也许厚达8000千米的浩大深邃的超热液态水所构成的海洋在空气中漂浮。 

与天王星会合的最辉煌的成就是拍到的照片。用“旅行者”的两部电视摄象机，我们还发现了10个新卫星，测定了在云层中天王星一天的长度（约为17小时），还研究了一打左右的环。最为壮观的是过去已经知道的天王星的5个大卫星的照片，其中最小一颗，即柯伊伯的天卫五的照片尤为突出。它的表面布满了断裂的山谷、平行的山脊、悬崖峭壁、低矮的山脉、撞击坑以及一度熔化的表面物质形成的冻结河流。对于一个远离太阳的小而冰冷的星体来说，很难预料到会有这种混乱的景观。这个表层也许是在好久以前的某个时代熔化和重新形成的，那时天王星、天卫五与天卫一之间的引力共振从该行星里面汲取能量并注入天卫五的内部。或许我们看到的据说是把天王星弄得改变自转轴方向的原始碰撞所留下的痕迹。或者（只是凭想象），天卫五一度被一个猛撞上来的天体全部摧毁、并爆裂成一大堆碎块，许多碎块仍留存在天卫五的轨道上。这些碎块缓慢地相撞，由万有引力而相互吸引，于是重新聚合成今天这样一个乱糟糟、破烂不堪、未经修补的天卫五。 

对我来说，看到黑黝黝的天卫五的照片，我感到甚为震惊，因为我清楚地记得它只是一个几乎被天王星的光芒淹没了的微弱光点，多亏天文学家的本领和耐心，克服很大困难才发现了它。仅仅过了半个人生，它就从一个未经发现的世界变成一个探测目的地，它的古老而奇特的奥秘至少有一部分已被揭示出来了。 

㈠指木星。——译者 

㈡指水星。一译者 

㈢指金星。——译者 

㈣指火星。——译者 

㈤指土星。——译者 

㈥星期日是太阳（Sun）日，星期一是月亮（Moon）日。——译者 

㈦宗教认为该罚入地狱的7大重罪，指骄、贪、欲、怒、馋、妒、懒。——译者 

㈧古代幼发拉底河下游地区。——译者 

㈨天王星的自转轴在黄道面上。——译者 

谢选骏指出：“天文学家似乎都热衷于讨好君王。”——这是他们的自供状。天文学家为什么热衷于讨好君王？因为他们都是无神论者，而且缺乏经费。这让我想到，无神论者不是“没有崇拜对象”，而是“他们崇拜的对象只是人类”。在共和制下，天文学家则讨好公众舆论，萨根先生就是如此。

 

【第九章 太阳系边缘的一艘美国飞船 】

……在特里顿（Triton）㈠湖的岸边…… 

我愿倾诉心中的秘密。 

——欧里庇得斯（Euripides）㈡《伊翁》（lon）（约公元前413年） 

在“旅行者2号”贯穿太阳系的宏伟征途中，海王星是最后一站。一般认为它是倒数第二颗行星，冥王星是最外面的一颗。但是由于冥王星的轨道是很扁的椭圆，所以近年来海王星变成最外面的行星，一直到1999年都是这样。由于海王星离太阳非常远，它的云层上部的典型温度约为－240℃。如果没有来自内部的热量，它还会更冷一些。海王星沿星际夜空的边缘滑行。它太遥远了，以致在它的天空中太阳只不过是一颗极亮的恒星而已。 

究竟有多远呢？它太遥远了，甚至从1846年被发现之后，它还没有绕太阳运行一整圈，即一个海王星年还没有过完①。它太遥远了，以致用肉眼看不见。它太遥远了，以致比其他任何东西都跑得快的光线，也要用5个多小时才能从海王星传到地球。 

1989年，当“旅行者2号”飞经海王星系统时，它的照相机、光谱仪、粒子与磁场探测器以及其他仪器，全都发疯似地忙着考察这个行星、它的卫星和它的环。这个行星本身和它的姊妹星木星、土星与天王星一样．是一个巨行星。每颗行星的核心都与地球相似，但是这4个庞大气团都披上复杂而笨重的伪装。木星和土星都有辽阔的大气和相对说来较小的岩石及冰块组成的内核。而天王星和海王星则基本上由岩石与冰组成，它们被稠密的大气包裹起来，不让我们看见。 

海王星有地球的4倍大。当我们向下看见它的冰冷的、严峻的蓝色外表时，我们又是只见到大气与云层，而看不见固体表面。和天王星相似，海王星的大气主要由氢与氦组成，有少量的甲烷以及一点点其他的碳氢化合物。也可能有些氮。大概是由甲烷晶体组成的亮云，飘浮在成分未知的更深厚的云层之上。我们从云的运动发现有强劲的风．其速度接近当地的声速。还发现一个大暗斑，奇怪的是它所处的纬度几乎与木星的大红斑相同。蔚蓝的颜色看来对这个以海神命名的行星是相宜的。 

在这个暗淡发光、寒冷、多风暴和遥远的星球周围，也有一套环。它们每一个都由无数多个沿轨道运行的物体组成，这些物体小到似烟灰中的微粒，大到犹如小型卡车。和其他类本行星的环相似，海王星环似乎是短命的。计算表明，引力和太阳辐射会使它们在远短于太阳系年龄的时期内瓦解。如果它们很快被毁掉，而我们偏偏看见它们，只能是因为它们不久前才形成。可是这些环是怎样形成的呢？ 

在海王星系统中最大的卫星是海卫一。②它绕海王星运转一周几乎需要6个地球日，它运转的方向与其母行星自转的方向相反。（如果我们把海王星自转说成是反时针方向，那么海卫一绕海王星运转就是顺时针方向。）在太阳系的大卫星中，这种情况是独一无二的。海卫一拥有一个含氮丰富的大气，这与土卫六颇为相似。但是由于海卫一的大气和雾要稀薄得多，所以我们可以看见它的表面。表面的景观是多样的和宏伟壮丽的。这是一个冰的世界——有氮冰、甲烷冰，也许下面还有我们较为熟悉的水冰及岩石。表面上有撞击水潭，它们似乎被液体淹没后再冻结起来。（因此，海卫一上面曾经有过湖泊。）还有撞击坑；长而纵横交错的山谷；覆盖着新降氮雪的辽阔平原；像甜瓜表皮似的起皱的地形；以及大致平行的、长而暗黑的条纹，它们似乎是由风刮出来，然后留存在冰冻表面上的——虽然海卫一的大气十分稀薄，其厚度大约只有地球的万分之一。 

海卫一上面的坑全都保持原始状态，它们好像是由一个巨大的铣床铣出来的。没有陡峭的断壁或隐约可见的起伏地形。甚至尽管定期降雪和积雪蒸发，似乎几十亿年来海卫一的表面没有受到侵蚀。因此这颗卫星形成时的撞击坑，想必已经由某种早期全球表面的改变而填满和掩盖了。海卫一绕海王星运转的方向与海王星自转的方向相反，这与地月系以及太阳系里大多数大卫星的情况都不一样。如果海卫一是由形成海王星的同一个旋转的盘状星云产生的，那么它绕海王星旋转的方向就应当与海王星自转的方向相同。因此，海卫一不是原来在海王星周围的那个原始星云产生的，而是在其他某个地方——也许远在冥王星之外——产生，然后在它偶然运动到离海王星很近的地方时，被海王星的引力俘获的。这个事件应该在海卫一上面引起巨大的固体潮，于是使表面融化，并使过去的地形完全改观。 

海卫一有些地方的表面就像地球南极洲新降的雪那样明亮和洁白。（因此这是整个太阳系中可能提供滑雪运动员大显身手的绝无仅有的地方。）其他的地方有颜色——从粉红到褐色。一种可能的解释是：新降的氮、甲烷与其他碳氢化合物的雪受到太阳紫外光的辐照，也受到海卫一在穿过海王星磁场时所俘获的电子的辐照。我们知道，这种辐照会使雪（和相应的气体一样）转化成复杂、暗黑、微红的有机沉积物，即冰冻的索林。并没有产生生物体，但也含有与40亿年前地球上生命起源有关的某些分子相似的成分。 

那里的冬天，表面上冰雪层层堆积。（感谢上苍，我们的冬季只有海卫一的4％那样长。）到了春天，它们缓慢变化，越来越多的淡红色有机分子积累起来。在夏季，冰雪蒸发掉了，由此释放出的气体穿越半个星体，迁移到正在冬天的半球，并在那里又一次变成冰雪，把表面掩盖起来。但是淡红的有机分子不会蒸发，因而也不转移地方，它们成为停滞的沉积物；到下一个冬季又被新雪掩盖，新雪再受到辐照，于是到第二年的夏天，淡红色有机分子的堆积层更厚了。随着时间的推移，大量有机物在海卫一的表面堆积，这可能就是它的表面有精致的彩色花样的原因。 

这些条纹发端于小而暗的源区，也许是由于春夏两季的热气使表面之下的积雪挥发了。当雪水蒸发时，气体像喷泉一样流出，把不太容易挥发的表面积雪及暗黑有机物吹走。占优势的低速风把暗黑有机物带走，有机物慢慢从稀薄的空气中下沉，并积聚在表面上，于是形成条纹状的外貌。这至少是海卫一近期历史的一种可能情景。 

海卫一大概有由光滑氮冰组成的季节性大极冠，在它下面有若干层暗黑的有机物质。氮雪似乎不久前才降落到赤道区。对于大气如此稀薄的一个星体来说，降雪、气体喷泉、由风吹起的有机尘埃以及高纬度薄雾，都是过去完全预料不到的。 

为什么空气这样稀薄？因为海卫一离太阳太远了。假如你用某种方法能够把这个星体搬进绕土星旋转的轨道，那么氮和甲烷冰块会很快蒸发，于是形成一个由气态氮与甲烷组成的稠密得多的大气，并且辐射会产生一层不透明的索林雾。它就会成为一个很像土卫六的世界。反之，如果你把土卫六移到绕海王星的轨道上，它的大气几乎会整个冻结成雪与冰，索林会落下，而不再进入大气，空气将变成清澈的，且用普通光就可以看见其表面。它也就会变成一个与海卫一非常相似的世界。 

这两个星体并非一模一样。土卫六内部所含的冰似乎远多于海卫一，而岩石却少得多。土卫六的直径几乎为海卫一的两倍。尽管如此，如果把它们放到离太阳同等距离处，它们看起来就像一对姊妹。西南研究所的斯特恩（Alan Stem）提出，它们是在太阳系早期形成的一大群富含氮与甲烷的小天体中的两个成员。尚待太空飞船去访问的冥王星看起来也是这个天体群的一个成员。在冥王星外面还可能有更多个等待我们去发现。所有这些星体的稀薄大气和冰冻的表面都受到辐照——如果没有其他东西，至少是受到宇宙线的辐射——并且富含氮的有机化合物正在形成。看来，构成生命的物质不仅在土卫六上面存在，而且遍布我们行星系的寒冷和暗淡的外围地区。 

近来又发现了另外一类小天体，它们的轨道使它们至少有一部分时间是在海王星与冥王星之外。它们有时被称为小行星，更可能是不活动的彗星（当然没有尾巴，在离太阳这样远的地方，它们的冰块不容易蒸发）。但是它们比我们所知道的一般彗星要大得多。它们可能是从冥王星轨道到最近恒星一半距离处的一大批小天体的先驱。这些新天体可能是奥尔特彗星云的成员，而奥尔特彗星云的最里面的区域用我的导师柯伊伯的名字命名，称为柯伊伯带，因为他第一个提出它的存在。像哈雷彗星这样的短周期彗星就是在柯伊伯带内产生的。它们受引力牵引，掠过太阳系的内区，它们的尾巴变大，并为我们的天空增添光彩。 

回溯到19世纪后叶，这些天体的构成材料（这在当时只是假设）称为“星子”（planelesimal）。我认为这个词与“无穷小”（infinitesimal）甚为相似：你需要有无穷多个无穷小的量才能做成一样东西。诚然，并不是说要形成一个行星真需要无穷个星子，但确实要有极大量的星子。举例来说，要用几万亿个1千米大小的物体才能聚积成一颗质量和地球一样的行星。过去有一段时间，在太阳系的行星区域曾经有过大量的小天体。现在它们大多消失了——抛入星际空间，落进太阳或者变为构成卫星与行星的材料。但是在海王星和冥王星外面，没有聚积起来的、被遗弃的及剩余的小天体还留存下来——少数稍大的约为100千米，而数目多得惊人的大约1千米和更小的物体像雨点一般撒向太阳系的外围，一直远到奥尔特云的边界。 

从这个意义上说，在海王星和冥王星外面还有行星，但是它们不像类木行星那样大，甚至比不上冥王星。但是在冥王星之外的空间，可能会有隐藏在黑暗中，理所当然应称为行星的更大天体，也说不准呢！它们离我们越远，我们便越难察觉它们。然而它们不会刚好在海王星外面，否则它们的引力便会明显改变海王星和冥王星的轨道，以及“先驱者”10号、11号和“旅行者”1号、2号的轨道。 

新近发现的彗星体（就像名为19920B和1993FW那样的），并不是这个意义上的行星。如果我们的检测极限刚好把它们包括在内，那么很可能在它们中间还有更多个停留在太阳系外围等待我们去发现。它们太遥远了，从地球上很难看到它们；它们太遥远了，要作很长距离的飞行才能接近它们。但是我们有能力研制出到达冥王星及更远处的小型、快速飞船。向冥王星及其卫星发射一艘飞船是很有意义的；然后，如果办得到，让它近距飞越柯伊伯彗星带的一个成员。 

天王星和海王星的与地球类似的岩石内核，似乎是首先吸积而成的，然后它们从形成行星的太古星云中，以引力吸取大量的氢和氦气体。它们最初存在于雹暴中。它们的引力只够在冰冻小天体靠得太近时把它们赶跑，赶到行星区域之外很远处，加入奥尔特彗星云。同样的过程也使木星和土星成为富含气体的巨大行星。可是它们的引力太强，因而不能使奥尔特云增长。这是因为冰冻小天体走到它们附近时，就被它们的引力完全赶出太阳系，于是命中注定要在恒星之间茫茫漆黑的太空中永远飘泊。 

可爱的彗星有时使人类感到迷惘和敬畏，它们使内行星与外太阳系的卫星遍布撞击坑，也常会危害地球上的生命。如果天王星和海王星在45亿年前没有形成为巨行星，那么我们就不会知道彗星，也不会感到它们的威胁了。 

说到这里，我想简短地穿插谈谈远在海王星与冥王星之外的行星，即其他恒星的行星。 

在许多近邻恒星的周围，都有绕它们旋转的气体和尘埃薄盘，薄盘往往伸展到距所属恒星几百个天文单位㈢的地方。（太阳系最外围的行星，即海王星与冥王星，离太阳约40天文单位。）比较年轻的类太阳恒星，比起较老的恒星，更可能有盘。在有些情况下，就像唱片那样，盘的中央有一个洞。洞边离恒星也许有30或40天文单位。举例来说，环绕织女星和波江座ε星的盘就是如此。围绕绘架星座β星的盘中央的洞，它的边缘离恒星只有15天文单位。确有可能，这些没有尘埃的内区已经被不久前在该处形成的行星弄干净了。实际上，已经有人预料到我们的行星系在早期历史上会有这种清扫过程。随着观测的改进，我们也许会看到含尘埃与无尘埃区域的能够泄露内情的细微结构，这会显示出太小、太暗因而难以直接看见的行星的存在。光谱资料表明，这些盘状物在剧烈扰动，它们的物质落向中心恒星。物质大概是来自在盘内形成的彗星，看不见的行星使彗星偏离原轨道，而彗星在距中心星太近的地方会蒸发。 

由于行星小，靠反射的光线发光，因此它们往往会淹没在中心恒星的光芒中。尽管如此，天文学家正在多方努力寻找在近邻恒星周围已经完全成形的行星。办法是：当暗黑的行星置身于恒星与地球上观测者之间时，可以察觉星光的短暂变暗；或者探测恒星在受到一个看不见的绕行伴星有时这样有时那样的吸引而产生的微小摆动。航天技术的灵敏度要高得多。在一颗近邻恒星附近绕行的类木行星，比该恒星要暗弱约10亿倍。尽管如此，新一代的地面望远镜可以补偿地球大气的闪烁，就可能仅在短短几个小时的观测时间内很快检测出这样的行星。一个近邻恒星的类地行星会更暗弱100倍；但是现在看来，一艘在地球大气之上飞行的、造价比较便宜的太空飞船，也许就能探测，到其他的类地行星。这样的研究至今还投有任何一项获得成功，可是我们显然已经接近于可以检测到绕近邻恒星运转的至少是与木星一般大的行星——假如有这样的行星可供我们去发现的话。 

最近的一个最重要也是碰运气的发现，是对一颗约1 300光年之外的，难以想象的恒星，找到一个真正的行星系；而使用的是极意料不到的技术。编号为B1257+12的脉冲星是一颗快速自转的中子星，一个密度大到难以置信程度的恒星，也是一颗大质量恒星在遭受一次超新星爆发后的残骸。它的自转周期测量之精确令人惊异，即每0．006 218 531 938 818 7秒钟转动一周。就是说这颗脉冲星每分钟大约自转一万次。 

它的强磁场所俘获的带电粒子产生射向地球的无线电波，每秒钟约闪烁160次。目前在宾夕法尼亚州立大学的沃尔兹赞（Alexander Wolszezan）于1991年对闪烁频率有极小但仍可察觉的变化，提出了尝试性的解释：由于行星的存在，脉冲星才会有细小的反复运动。1994年，他研究了几年间微秒数量级的计时残差，证实了预料中的这些行星之间的引力相互作用；这是一些真正的新行星，而不是中子星表面的“星震” （或其他什么东西），现有的证据是确凿无疑的。或者，如沃尔兹赞所说，是“无可辩驳的”；一个新的太阳系是“毫不含糊地”证实了。和所有其他技术都不一样，使用脉冲星计时法发现靠近的类地行星比较容易，而更远的类木行星倒比较难以检测出来。 

重量约为地球2.8倍的行星C，在距离为0.47天文单位处，每98天绕脉冲星旋转一周；具有大约3.4个地球质量的行星B在0.36天文单位处，它的一年为67个地球日。更小的行星A离脉冲星更近，质量约为0.015地球质量，距离为0.19天文单位。粗略地说，行星B到脉冲星的距离大致相当于水星到太阳的距离；行星C的距离在水星和金星的距离之间；而行星A比这两个行星都更靠里，质量大致与月球一样，而距离是水星至太阳的距离的一半左右。我们不知道，这些行星是由产生脉冲星的超新星爆发中不知怎么地幸存的一个早期行星系遗留下来的呢？还是由继超新星爆发后出现的星周吸积盘形成的？但是，无论是哪一种情况，我们现在都已经知道，宇宙中还有其他的地球。 

脉冲星B1257+12发出的能量约为太阳的4.7倍。但是和太阳不同，它的大部分能量不是在可见光，而是在带电粒子的猛烈风暴中。设想这种粒子碰撞行星并使它们受热，于是甚至在1天文单位处，行星的表面温度都会达到水的正常沸点之上约280℃，这比金星的温度还要高。 

这些暗黑和灼热的行星似乎对生命不适宜，但是离 B1257+12更远的其他一些行星却可能是适宜的。（由观测资料推断，在B1257+12系统中至少还有一颗更靠外的较冷行星。）当然，我们甚至还不知道这些星体是否保留着它们的大气。也许超新星爆发（如果它们当时就已存在）把任何大气都赶跑了。看起来我们确实检测出了一个可以认识的行星系。在未来几十年中，围绕着一般的类太阳恒星以及白矮星、脉冲星和其他处于恒星演化最后状态的星体，我们可能还会发现更多的行星系。 

到最后，我们会有一个行星系清单——也许每个行星系都有类地行星、类木行星，或许还有新类型的行星。我们要用光谱方法和其他方法来考察这些新世界。我们要寻找新的地球与其他的生命。 

“旅行者号”飞船在太阳系外围的任何一个星体中，都没有发现生命的征兆，更不用提有智慧的生物了。找到了大量有机物质——这也许是组成生命的原料，也是生命的预兆——但是就我们迄今所知道的情况来说，没有发现生命。在它们的大气中没有氧．也没有远离化学平衡的气体（例如地球大气中的甲烷）。许多行星世界都涂着微妙的色彩，但是没有哪一个具有特别的、鲜明的吸收征兆，就像覆盖地球表面大部分的叶绿素。“旅行者号”对极少数星体能够分辨出小到l千米宽的细节。按这样的标准，即使我们自己的科技文明已经移植到太阳系外围，“旅行者号”也不会察觉。但是值得提到，我们没有发现有规则的图案，没有几何形象；没有对小圆圈、三角形、正方形或长方形的偏爱。在夜间的半球上，没有稳定光点的集合。在任何这些星体的表面，都找不到被技术文明改造过的征兆。 

类木行星是丰富的无线电波发射源。一部分电波来自在它们磁场中俘获的大量带电粒子束，一部分来自闪电，还有一部分来自它们炽热的内部。但是任何这种辐射，都不具备智慧生命的特征——大概这方面的专家都这样看。 

当然，我们的思路也许太狭窄，我们可能遗漏了某种东西。举例来说，在土卫六的大气中有少量的二氧化碳，这会使它的氮／甲烷大气偏离化学平衡。我想二氧化碳可能来自不断劈劈啪啪地落进土卫六大气的彗星——但也许并非如此。或许在富含甲烷的表面上有某种难以理解的东西在产生二氧化碳。 

天卫五和海卫一的表面，和我们所知道的其他任何卫星的表面都不一样。它们上面有广阔的锯齿状地形以及十字形的直线，甚至头脑清醒的行星地质学家也一度开玩笑似地把它们说成是“公路”。我们（勉强地）把这些地形理解为断层和地壳碰撞的结果．但是当然我们可能出错。 

表面上的有机物斑点——有时像在海卫一上面那样，有精细的花纹——来自带电质点在简单碳氢化合物冰块中引起的化学反应，由此产生较为复杂的有机物质，而这一切都与生命的媒介作用无关。但是当然我们可能出错。 

我们从四颗类木行星全都接收到的复杂形态的无线电天电干扰、爆音和哨声，一般说来可用等离子体物理和热辐射来解释。（对大量细节还不太清楚。）但是当然我们可能出错。 

在几十个天体中，还没有找到像“伽利略号”太空飞船经过地球时所发现的，明显和引人注目的生命象征。生命是当作最后一着的假设，只是在你投有别的办法来解释你看到的事物时，才借助于它。如果让我来裁判，我会说，我们研究过的任何一个世界都没有生命（当然我们自己的世界例外）。但是我可能弄错了。不管是对是错，我的判断只适用于这个太阳系。也许在某一次新的探测时，我们会发现某种不一样的，令人吃惊的，用行星科学的一般手段完全无法解释的事物——于是我们就会战战兢兢地、小心翼翼地向生物学解释慢慢转移。然而，就目前情况来说，还没有任何东西要求我们走这一步。到现在为止，太阳系仅有的生命就是来自地球的生命。在天王星与海王星系统中．唯一的生命迹象，便是“旅行者号”本身。 

在我们确认其他恒星的行星，以及发现大小和质量都与地球大致相等的其他世界的时候，我们会仔细考察它们是否有生命。甚至在一个我们从未想到的世界上，会有可以检测到的稠密含氧大气。对地球来说，有氧便是有生命的征兆。一个含氧的大气以及可以察觉到的甲烷，就像调制的无线电波发射一样，几乎可以肯定是生命的象征。有朝一日，当我们在早晨喝咖啡的时候，可能会听到宣布，从我们的或另一个行星系的探测中发现了生命的新闻。 

“旅行者号”空间飞船是飞往恒星的。它们从太阳系逃逸出来，沿轨道每天几乎要飞驰160万千米（100万英里）。木星、土星、天王星和海王星的引力场都以很高的速度把它们抛射出来，使它们终于摆脱太阳引力对它们的约束。 

它们是否已经脱离了太阳系？答案与你怎样定义“太阳王国”的边界有密切关系。如果边界是最外面的相当大的行星的轨道，那么“旅行者”航天器早已跑出去了；因为大概没有还未发现的和海王星大小相近的行星。假如你指的是最外面的行星，那么在海王星与冥王星之外很远的地方，可能还有和海卫一相似的其他行星。要是这样，那么“旅行者1号”和“旅行者2号”仍然是在太阳系范围之内。如果你把太阳系的外部边缘定为太阳风层顶——在此处，行星际粒子与磁场被恒星际粒子与磁场所取代——那么两艘“旅行者号”飞船都还没有离开太阳系，再过不多的几十年，它们可能会飞出去。③但是，如果你把太阳系的边缘定义为太阳不再能控制星体在轨道上绕它运转的距离，那么“旅行者”在几百个世纪内都不会离开太阳系。 

在天空的任一方向上，都有被太阳引力轻轻抓住的数以万亿计或更多的彗星，它们聚积成浩大的群体，这就是奥尔特云。两艘太空飞船要再过大约20 000年才能穿过奥尔特云。在这之后，它们终于向太阳作漫长的告别，摆脱曾经把它们和太阳束缚在一起的引力的羁绊，两个“旅行者号”才会驶向星际空间的汪洋大海。只有到那个时候，它们的第二阶段探测才算开始。 

那时它们的无线电发射机早巳失效，两艘太空飞船在漫长的岁月中将在宁静、寒冷而又漆黑的星际空间漫游，几乎没有任何东西会侵蚀它们。一旦飞出太阳系，它们在10亿年或更长的时期内会保持完整无损，它们将绕银河系的中心运行。 

我们不知道在银河系里是否还有其他的智慧生物在从事太空探测。如果他们确实存在，我们不知道他们有多少，更不知道他们在何方。但是至少有一次机会，在遥远未来的某个时候，一个“旅行者”会被外星人的飞船截获，并进行考察。 

由于这个缘故，当每个“旅行者号”离开地球飞向行星与恒星时，它都携带着一张镀金的唱片，它装在一个镀金的、亮如明镜的封套内。尤其值得提到的是，唱片录有下列信息：59种人类语言和一种鲸鱼语音的问候浯；一套12分钟的声音集成，包括亲吻、婴儿啼哭，以及一位热恋中的青年女子静思时……每个“旅行者号”本身就是一个信息。它们的探险精神，它们对自己目标的崇高追求，它们完全无意伤害别人，以及它们的设计和性能的出众，这两位机器人雄辩地替我们诉说这一切。 

但是那些外星人一定是比我们高明得多的科学家与工程师——否则他们绝对不能在星际空间找到并回收这小小的、无声的太空飞船——也许他们会毫无困难地了解镀金唱片所传达的信息。也许他们会认识到我们社会的不稳定性，以及我们的技术与我们的智慧多么不相称。他们可能会猜想，我们在发射“旅行者号”之后，是否已经毁灭了自己，还是继续从事更伟大的事业？ 

也许这些唱片永远不会被截取。也许在50亿年内谁也不会碰到它们。50亿年是漫长的岁月。在50亿年中，全体人类谅必都已灭绝，或者进化成其他生灵，不会有什么人造的东西会留存在地球上，大陆谅必已完全变样或毁灭，而太阳的演化谅必己把地球烧成焦土或者把它还转化一大堆紊乱的原子。 

到那个时候，两艘“旅行者号”飞船远离家乡，不会受到这些远方事件的影响，它们怀着对这个不复存在的世界的追忆，仍会继续飞翔。 

㈠特里顿也是本章要详细讨论的海卫一的名字。——译者。 

㈡古希腊三大悲剧剧作家之一（约公元前480-约公元前406）。——译者 

㈢1天文单位等于太阳与地球之间的平均距离，即约为1.496亿千米。 

谢选骏指出：天文怪胎们竟然设想人造物比神造物存在的更为长久——由此可见他们的偏执和疯狂到达了何种地步。现代的天文学家，就像古代的萨满巫师一样，以为自己可以出神入化、预知未来呢。其实正如《圣经》所说，他们的连自己的死期都不知道。

【第十章　神圣的黑暗】

在一切视觉印象中，深邃的天空和感情最为接近。 ——柯勒律治（Samuel Taylor Coleridge）㈠　《札记》（1805） 

五月晨空晴朗无云的蔚蓝色，或是海上日落的红色和橙色，都会引起人们的惊奇、诗兴，并激励他们去钻研科学。无论我们生活在地球上什么地方，不管我们操何种语言，有什么习俗和政治观点，我们都拥有同一个天空。我们中间大多数人企盼的都是蔚蓝色的天空。如果有一天早上日出时醒来，发现一丝云彩都没有的天空是漆黑的，或是黄的或绿的，我们都会理所当然地大吃一惊。（洛杉矶和墨酉哥城的居民们对褐色的天空已经渐渐变得习以为常，而伦敦与西雅图的市民却习惯于看见灰色的天——但是连他们也都仍然认为蓝色的天空才算是正常的。） 

可是确实有一些星体，它们的天空是黑的或黄的，甚至可能是绿色的。天空的颜色是一个世界的特征。如果把我扑通一声扔到太阳系中任何一个行星上面，不让我去感受它的重力，不让我看看地面，只许我匆匆地瞧一下太阳和天空，我想本人就能够相当满意地告诉你我在何处。熟悉的蓝色天幔，点缀着洁白的羊毛状云团，这就是我们世界的特征。法语中的常用语“sacre-bleu！”大致的意思是“天哪”直译出来便是“神圣的蓝色！”真的，假如地球有一面正式的旗帜，它就应该是这种颜色。 

鸟儿在蓝天飞翔，云彩悬挂在蓝天上，人们赞美蓝天，并经常穿过它，太阳和星星的光线照射它。但它是什么？它是由什么形成的？它的边缘在哪里？它有多大？它的蓝色从何而来？如果全人类共享同一蓝天，如果它是我们世界的象征，那么我们就应当对它有所了解。蓝天是什么呢？ 

1957年8月，人类第一次上升到蓝天之上并四处眺望。一位退休的空军军官和内科医生西蒙斯（David Simons）成为有史以来上升到最高处的人。他独自驾驶一个气球，飞到30千米（100 000英尺）之上，并且透过气球的厚玻璃窗瞥见一个不同的天空。现在是加利福尼亚大学欧文分校医学院教授的西蒙斯博士回忆说，那是暗黑和深紫色的天空。他已经到达地面上看见的蓝色被太空的完全漆黑所取代的过渡区域。 

自从西蒙斯那次几乎被人们遗忘的飞行以来，许多国家的人都飞到过大气层之上。人们（以及机器人）多次在太空的直接体验清楚地说明，即使在白昼，天空也是黑的。太阳把太空船照得亮堂堂的，下面的地球也是一片明亮，可是上面的天空像夜晚一样漆黑。 

下面是加加林（Yuri Cagrin）在]961年4月12日驾乘“东方1号”作人类第一次太空飞行的回忆： 

天空是漆黑的，在黑色天空的背景上，星星看起来要亮一些，也更为清楚。地球有一个很特别的，很美丽的蓝色晕圈，你观察地平线时，可以很清楚地看见它。色彩平稳地转变，从嫩蓝到蓝色，再到深蓝，又到紫色，然后变成太空的漆黑色。这个转变太美了。 

白昼天空的蔚蓝色，显然与大气有某种关系。可是当你向餐桌对面望去，你的同伴不会是蓝色的。天空的蓝色必定不是一点点空气，而是大量空气造成的。如果你从太空仔细地观看地球，就会看到有一条薄薄的蓝带把地球围住，这便是低层大气。在这条带的顶部，你可以看出蓝天逐渐消退成漆黑的太空。这就是西蒙斯第一次进入和加加林第一次从上面观察到的过渡区。在常规的太空飞行中，你从蓝带的底层出发，起飞后几分钟就完全穿过它，然后进入无边无际的空间，在那里如果没有精心研制的生命维持系统，连吸一口空气也办不到。人类生命的存在实在有赖于蓝天，我们说它是柔和的、神圣的，这完全正确。

我们在白天看见天空是蓝的，这是因为我们头上和周围的大气在反射太阳光。在一个无云的夜晚，天空是黑的，这是因为没有一个很强的光源被大气反射。不知怎么的，大气总喜欢向我们反射蓝光。这该如何说呢？ 

太阳的可见光包含多种颜色——紫、蓝、绿、黄、橙、红——它们对应于波长各不相同的光。（波长是波动在空气或空间传播时，从一个波峰到下一个波峰的距离。）紫光与蓝光的波长最短，而橙色与红色光波的波长最长。我们看出来的颜色，便是我们的眼睛和头脑“读”出的光的波长（我们也许可以合理地把光的波长，比如说，转换成听的音调，而不是看的颜色，可是我们的感官进化的结果并非如此）。 

当光谱中所有这些彩虹颜色像在太阳光里面那样混合起来，就几乎成为白光。这些光波在8分钟内穿越1.5亿千米 （9300万英里，一齐从太阳传到地球。它们射进主要由氮和氧分子组成的大气。有些波被空气反射回太空。有些在到达地面之前被反射到各个方面，并且可以用肉眼看出。（也有一些被云层或地面反射回太空。）大气对光波的这种全方位反射，叫做“散射”。 

但是空气分子对各种光波的散射情况是很不相同的。波长比分子尺度长得多的光波被散射的机会较少；它们把分子遮掩住了，几乎不受分子的影响。波长与分子大小相近的光波就散射得多一些。波动不容易绕过和它们大小差不多的障碍物。（你从码头上的木桩散射的水波，或从水龙头的滴水在澡盆里形成的波碰上橡皮小鸭，就可以了解波被物体挡住的情形了。）波长越短的光（如紫光和蓝光）比起波长较长的光 （像橙色与红色的光），越容易被散射。当我们在无云的白昼抬头仰望并赞美蓝天时，我们看到的是优先散射的短波太阳光。这种散射称为瑞利散射，用以纪念对这种现象首先作出合理解释的英国物理学家瑞利（Lord Rayleigh）。也是由于这个缘故，香烟的烟雾呈蓝色，因烟雾中的粒子小到与蓝光的波长大致相当。 

那么落日为什么是红的呢？大气把阳光中的蓝色成分散射掉后，剩下的便是落日的红色了；因为大气层是固态地球用重力吸引住的在其四周的一个气体薄层，在日落或日出时，太阳光斜穿大气层要比在中午直穿大气层经过更长的路程。由于紫波与蓝波在更长的路程中比太阳当顶时被散射得更多，我们望着太阳时看到的只是剩余部分，即阳光中几乎没有散射掉的波段，尤其是橙色和红色的光。这样，蓝天形成了红的落日（中午的太阳看来有些偏黄，这一方面是因为太阳发射的黄光稍多于其他颜色的光，另一方面还由于即使在太阳当头时，地球大气还是散射掉了太阳光中的一些蓝光）。 

有人说科学家不懂得浪漫，他们对推理的爱好使世界丧失了美丽与神秘。但是了解世界实际上怎样运作，难道就不激动人心吗？白光是由各种颜色合成的；颜色是我们识别光线波长的方式；透明的空气会反射光线，并在反射中把不同的光波区分开来；天空的蓝色与落日的红色是同样的原因造成的。难道这些都不令人兴奋吗？对落日有所了解并不损害人们对于它的浪漫情调。 

因为大多数简单分子的大小都相差无几（大致是1厘米的亿分之一），所以地球上天空的蓝色与大气的成分关系不大——只要大气不吸收光线。氧和氮分子都不吸收可见光，它们只把光散射到其他方向上去。然而有些别的分子却能“吞食”光线。汽车引擎和工业燃烧产生的氮的氧化物，真的会吸收光，因此它们是烟雾中暗棕色的来由。吸收和散射一样，也能使天空变色。 

其他的星体，其他的天空：水星、地球的月亮，以及其他行星的大多数卫星，都是很小的星体：它们的重力很微弱，因此它们不能保留自己的大气，于是大气会慢慢地向太空流散。这样一来，近乎真空的空间会延伸到它们的表面。太阳光在传播途中既不被散射，也不被吸收，会毫无阻拦地射到它们的表面。这些星体的天空是漆黑的，甚至在正午也是这样。至今为止只有12个人，即“阿波罗”11号、12号、14号、15号、16号和17号的登月宇航员目睹过这种情景。 

下表列出在本书撰写时已知的太阳系内全部卫星的清单。（它们几乎有一半是由“旅行者”发现的。）它们的天空都是漆黑的，但是土卫六，也许还有海卫一，是例外，这两颗卫星很大，因此它们有大气。所有的小行星的天空也都是漆黑的。 

金星的大气大约为地球的90倍。它不像地球那样主要为氧和氮，而是二氧化碳。但是二氧化碳也不吸收可见光。如果金星没有云层，从金星表面望见的天空会是什么样子呢？在视线上有这样厚的大气，不仅是紫光和蓝光，而且所有其他颜色——绿、黄、橙、红——的光都被散射掉了。大气太厚了，几乎投有一点蓝光会射到金星的表面上；一层又一层的大气把蓝光反射回太空。这样一来，射到表面的光线应是非常红的——整个天空就像地球上的落日景色那样。此外．高处云层中的硫会把天空染成黄色。苏联“金星号”着陆器拍摄的照片证实，金星的天空是橙黄色的。 

火星就是另外一回事了。它是一个比地球小的星体，它拥有的大气要稀薄得多。事实上火星表面的气压，大致与西蒙斯在地球的平流层达到的高度处的气压相等。因此我们可以预料火星的天空是漆黑的或深紫色的。1976年7月，美国的“海盗1号”着陆器（在这颗红色行星上成功着陆的第一艘太空飞船）首次从火星表面拍摄照片，并用数字资料准确地从火星传回地球，然后用电脑组合成彩色照片。让所有的科学家（而不是别人）感到大吃一惊的是，向新闻界发布的第一张照片显示火星的天空是令人舒适的，像地球一样的蓝色——这对于大气十分稀薄的行星来说，是不可能的。总有什么事情弄错了。 

你的彩色电视机上的图象是三个单色象的混合物，它们各有自己的颜色——红、绿和蓝色。你从投影式彩电就可以了解这种颜色合成方法：有三个镜头分别放映红、绿和蓝色的象，然后形成全色（包括黄色）图象。要得出合适的颜色，你需要正确地混合或调节这三个单色象。如果你把一种颜色——比如说蓝色——的强度调高了，合成的图象就偏蓝了。从太空传送回来的任何照片都要求作类似的调色。有时电脑分析人员有相当大的权决定如何进行调色。可是“海盗号”的资料分析人员不是行星天文学家，他们在处理火星的这第一张彩色照片时，把色彩调到看起来“可以了”为止。人们习惯于按照自己在地球上取得的经验，当然认为蓝色天空是“可以了”。 

这张照片的颜色很快改正过来，办法是使用太空飞船上为此设置的颜色校准标准系统的数据。这样得出的合成照片上根本就没有蓝天，更确切地说，天空的颜色介乎赭色与粉红之间。不是蓝色，但也并非紫黑色。 

这正是火星天空的颜色。火星表面大部分是沙漠，而红色来自沙土的铁锈色。火星上偶尔有剧烈的沙暴，把地面上的细小沙尘吹到高空。沙尘要过好久才会落下来。在天空完全变清之前，又一次沙暴出现了。几乎在每一个火星年中，都会发生全球性的或接近全球性的沙暴。因为铁锈色的沙尘经常悬浮在火星的天空中，未来移居火星的人的后代，出生并终生居住在火星上，会认为鲑鱼肉色的天空是自然的和人人熟悉的，正如我们认为地球的天空是蔚蓝的那样。只要在白天瞧一下天空，他们大概就能说出上一次大沙暴是多久以前发生的了。 

太阳系外围的行星——木星、土星、天王星与海王星——情况就不同了。它们是庞大的星球，拥有主要由氢和氮组成的深厚大气。它们的固体表面是在大气深处，太阳光根本照射不到。在那里向上望，天空是漆黑的，看不见日出的美景——从来就没有过。也许偶尔有一次闪电，才会照亮渺无星星的漫漫长夜。可是在太阳光能够射到的大气较高处，美丽得多的景色等待着人们去观赏。 

在木星的高空，在一个由氨（而不是水）的冰粒子形成的高雾层之上，天空几乎是漆黑的。在这下面的蓝天范围内，有一些彩色的云——呈浓淡程度不同的黄褐色，其成分未知（可能的物质有硫、磷和复杂的有机分子）。再往下，天空看起来是红褐色的，云层的厚度不一，在薄的地方可以看到一小片蓝天。在更深的地方，又逐渐回到永恒的长夜。土星大气的情况颇为类似，只是颜色比木星淡得多。 

天王星，尤其是海王星，有一种古怪的、朴素的蓝色。高速的风使云团（其中有些云稍白）在蓝天浮动。太阳光射到主要由氢与氦组成的，也富含甲烷的比较干净的大气。在很长的光程上甲烷把黄光，尤其是红光吸收掉了，而让绿光与蓝光通过。一层碳氢化合物的薄雾吸掉一点蓝光。也许在某个深度，天空是淡绿色的。 

按常理推断，天王星和海王星的蓝色是由甲烷吸收以及在深层大气中太阳光所受瑞利散射的联合作用形成的。但是喷气推进实验室的贝恩斯（Kevin Baines）对“旅行者号”资料的分析似乎说明，这些理由不充分。显然在很深的地方——可能是在假定存在的硫化氢云附近——有一种含量丰富的蓝色物质。至今为止还没有人能够认定它是什么。自然界中蓝色物质很罕见。科学研究中常常出现这种情况，老的奥秘刚刚解开，新的奥秘又出现了。我们迟早也会找到这个奥秘的答案。 

所有的天空不是黑色的行星都有大气。如果你站在一个行星的表面上，看见它有一个很厚的大气，就可能有一种办法飞越它。我们现在正在发射仪器，让它们在其他行星上颜色各异的天空中飞翔。总有一天我们自己会飞往那些地方。 

对金星与火星的大气已经实现降落伞探测，按计划还会对木星与土卫六这样做。1985年，两个法国-苏联气球在金星的黄色天空中飞行。“维佳1号”是一个直径约4米的气球，它用13米长的绳索吊着一包仪器。气球在夜半球内充足了气，在表面上空大约54千米处浮动，并在几乎两个地球日的时间里发回资料，直到它的电池耗尽为止。在这段时间里，它在金星的低空飞行了11 600千米（约7 000英里）。“维佳2号”气球的外形几乎同“维加1号”一样。金星大气也已用来作空气制动器——利用稠密空气的摩擦力来改变“麦哲伦号”太空飞船的轨道。这对于将来把高速飞过火星的飞船减速到可以绕火星旋转或在火星上登陆，是一项关键性的技术。 

一个由俄国牵头的火星探测计划，准备在1998年把一个庞大的法国热气球发射到火星。这个热气球看起来像一只号称“葡萄牙军舰”的非常大的水母。㈡按设计，它会在每个寒冷的黄昏时下沉到火星表面，而在第二天由太阳光加热又会上升到高空。火星上风很强，如果一切顺利，气球每天可以飞行几百千米，并蹦蹦跳跳地飞越北极。每天清晨，当它离表面很近时，可以获得分辨率极高的照片和其他资料。气球有一根辅助导绳，它对于气球的稳定非常重要。这根导绳是由加利福尼亚州帕萨迪纳市的一个民办团体“行星学会”构思和设计的。 

因为火星表面的气压与地球上30千米（100 000英尺）高空处的气压大致相同，我们知道飞机已能飞得那样高。例如 U—2或SR—71型“黑鸟”飞机惯常在这种低气压高空飞行。比这些飞机翼展更大，适于在火星上飞行的飞机已经设计出来了。 

在空气中飞行和太空中旅游的梦想，可以说是一对孪生兄弟。它们是由类似的幻想家构思出来，所需技术也互有联系，并且多少是一先一后发展起来的。当在地球空中飞行达到某些实用上和经济上的限度之时，飞越其他行星上不同颜色天空的可能性就出现了。 

我们现在几乎已经能够根据天空和云层的颜色，来认定太阳系每颗行星的颜色的组成——从金星的染成硫色的天空与火星的铁锈色天空，到天王星的海蓝色和海王星的催人入睡的、神秘的蓝色。“神圣的黄色！”“神圣的红色！”“神圣的绿色！”也许有一天，这些颜色会用来装饰人类在太阳系里设立的遥远前哨站的旗帜。到那个时候，新的前沿阵地从太阳推进到恒星，于是探测者们将在无穷无尽的漆黑的太空执行他们的使命。“神圣的黑色！” 

㈠英国浪漫主义诗人和文艺批评家（1772-—1834）。——译者 

㈡“葡萄牙军舰”是一种特大水母，触须长达50米，有剧毒。——译者第十一章 

谢选骏指出：“人类生命的存在实在有赖于蓝天，我们说它是柔和的、神圣的，这完全正确。”——萨根这样的说法完全不像一位“天文学家”，而成为地球中心论者了！为什么他会如此出尔反尔呢？这是因为，“在常规的太空飞行中，你从蓝带的底层出发，起飞后几分钟就完全穿过它，然后进入无边无际的空间，在那里如果没有精心研制的生命维持系统，连吸一口空气也办不到。”——看来，天文学家还是人，不得不把自己的生存放在首要位置。尽管，他们常常忽视了“宇宙观测”的出发点。而在我看来，天文巫师们就会说“地球不是宇宙的中心”，但是他们似乎忘了“地球却是观测的中心”。即使外层空间的电子观测，也是以地球为基地的。即使“旅行者”太空飞行器，也还是要接受来地球的指挥，而这些指挥，正是以地球为中心的。

【第十一章 昏星和晨星】

别有天地非人间。㈠ 

——李白《山中问答》（中国唐朝，约写于公元730年） 

在薄暮中你可以看见它明亮发光，在追随着太阳落到西方的地平线下面。每到晚上人们第一眼瞧见它时，总习惯于许个愿，有时真会如愿以偿。 

或者，你可以在破晓前的东方发现它正在逃离上升的朝阳。同一个星体的这两种化身，在天空中比太阳和月球以外的任何天体都要亮，它以昏星与晨星而著称。我们的祖先并没有认识到它们是同一个星体——金星，由于它的轨道是在地球的轨道之内，所以它从来不会离开太阳很远。在日落前或日出后不久，有时候我们就会在一团白云附近见到它，于是把它与白云相比，发现它具有淡淡的柠檬黄色。 

你通过一架望远镜（即使是大望远镜，甚至是世界上最大的光学望远镜）的目镜来观察它，根本看不见细节。接连几个月下来，你看到的只是一个无特色的，像月球那样有规则地作位相变化的圆面：从新月形的金星，到满月形的金星，再到凸月形的金星，又回到新月形的金星。没有任何大陆或海洋的迹象。 

第一批用望远镜观看金星的天文学家中，有一些人立即认识到他们看到的是一个由云层遮掩起来的世界。我们现在知道，云是由凝聚成微粒的硫酸组成的，由于有一点硫元素而染成黄色。云层高悬在表面上空。用一般的可见光根本无法看清这颗在云层顶部之下约50千米处的行星表面。它究竟是什么样子，几个世纪以来，人们只能瞎猜。 

你也许猜想过，如果能透过云层的缝隙作非常细致的观测，我们可以一天又一天，一点又一点地看清平时看不见的神秘表面。猜测的时代终于过去了。地球平均有一半被云遮住。在金星探测的早期，人们没有理由认为金星是100％被云掩住，如果云覆盖的部分仅为90％，或即使有99％，转瞬即逝的小块晴空也会让我们了解不少情景。 

在1960和1961年，美国设计的探测金星的第一批太空飞船“水手”1号和2号正在作准备之中。有一些人和我一样，认为这些飞船应当携带摄象机，以便把金星的图象用电信传回地球。几年之后，“徘徊者”7、8、9号就是运用相同的技术，在飞往它们的撞击地点（“徘徊者9号“的目标是阿方索[Alphonsus]环形山）途中，拍摄了月球的照片。但是金星探测的时间很短，而摄象机又很重。有些人坚持认为，摄象机不是真正的科学仪器，不过是能抓到什么就抓什么，胡乱迎合公众胃口的玩意儿。它们不能解决任何一个简单明了的、有意义的科学问题。我自己认为，云层是否有缝隙便是这样的一个问题。我争论说，摄象机还有可能回答我们想象不到的一些问题。我还争论道，只有照片才能向公众——他们毕竟是为空间探测提供资金的人——显示，用航天器进行的探测是多么激动人心。无论怎样劝说，这两艘太空船还是没有携带摄象机。而以后对这个特殊星体的探测至少部分地证实了那种判断：在近距飞行中，即使用很高的分辨率，在可见光波段内也找不到金星云层的缝隙，这和土卫六的情况差不多①。这两个世界永远是阴云密布的。 

用紫外光可以看到一些细节，但这不是表面的特征，而是远在主要云层之上的快速流动的高空云团。高空云团绕行星流动比行星本身的自转还要快得多，可以称为特快自转。因此用紫外光看见表面的可能性还更小一些。 

我们认清了金星大气比地球上的空气要稠密得多——现在知道金星表面的气压是地球表面气压的90倍——这就立即会想到，即使云层有缝隙，在一般可见光波段内，我们也不可能看见金星的表面。少得可怜的太阳光曲曲折折地通过稠密的大气射到它的表面，确实也会被反射回来。但光子受低层空气分子的重复反射，其方向完全搞乱了，因此无法得到表面景物的图象。我们看到的只是像极区雪暴时出现的一片白茫茫的景象。然而这种强瑞利散射效应随波长的增加而迅速减弱，因此容易算出，用近红外光来观察，如果云层有缝隙，或者云对红外光透明，我们就能够看见金星的表面。 

于是在1970年波拉克（Jim Pollack）、莫里森（Dave Mom- son）和我同去得克萨斯大学的麦克唐纳天文台，尝试对金星作近红外观测。在把底片装在望远镜上对金星拍照前，我们把底片上的感光乳胶“超敏化”，对优质的老式玻璃照相底片②用氨水浸泡，有时还加热或作短暂曝光。有一段时间，麦克唐纳天文台的地下室充满着刺鼻的氨味。我们拍了许多底片，但没有哪一张显示出任何细节。我们认为，也许我们用的红外波段还不够长，要不就是在近红外区金星的云不透明，也没有裂缝。 

20多年后，“伽利略号”太空船近距飞过金星，以较高的分辨率和灵敏度察看这颗行星，所用波长比我们用原始的玻璃底片乳胶所能感光的红外波段更长一些。“伽利略号”拍到了大的山脉。然而在这之前，由于使用了效力更强得多的雷达技术，我们已经知道有这些山脉。无线电波可以毫不费力地穿透金星的云层与稠密大气，被表面反射并回到地球。把电波收集起来，便可制成图象。这件开创先例的工作，主要由喷气推进实验室在莫哈韦沙漠设立的跟踪站的地面雷达和康内尔大学设在波多黎各的阿雷西博天文台的地面雷达完成的。 

随后美国的“先驱者12号”、苏联的“金星”15号和16号以及美国的“麦哲伦号”都曾装载雷达望远镜环绕金星飞行，测绘出金星从一个极到另一个极的表面图。每一艘太空船都向表面发射雷达讯号，并接收反射的回波。从表面上每一片的反射能力以及信号从发出到回收的时间长短（对山脉来说要短一些，而对山谷则长一些），整个表面的详细图终于缓慢而煞费苦心地绘制成了。 

用上述方法显示出来的这个独一无二的世界，原来是由下一章将要描述的熔岩流（还略微受到风化的影响）塑造出来的。现在金星的云和大气对我们来说都已成为“透明”的了。这样，从地球来的勇敢的机器人探险家已造访了另一个世界。我们探测金星的经验现正应用于其他星体——尤其是土卫六。对土卫六来说，又是穿不透的云层遮掩着神秘的表面，而雷达正开始提示我们，云层下面到底是什么情景。 

长时期以来，人们一直把金星看成地球的姊妹星。它是离地球最近的行星，它的质量、大小、密度和引力都与地球差不多。它离太阳比地球稍近一些，但它上面明亮的云层反射回太空的太阳光多于地球。你的初步猜测很可能是，在那些连绵不断的隆云之下的金星与地球颇为相似。早期的科学臆想就有：像石炭纪时代的地球那样，怪异的巨型两栖动物在发出恶臭的沼泽地爬行；一个遍布沙漠的世界；一片全球性的石油汪洋；以及一个到处点缀着石灰岩岛屿的矿水海。虽然有一点科学资料作依据，金星的这些“模式”——第一个出现在20世纪之初，第二个是在30年代，后面两个在50年代中期——都是和科学幻想差不多的臆测，它们简直不受当时已有的稀少科学资料的约束。 

后来在1956年，《天体物理学杂志》发表了迈耶（Comell H·Mayer）及其同事的一篇论文。他们把部分地是为军事机密研究而在华盛顿海军研究实验室顶层上新安装的一架射电望远镜对准金星，并测量它发射到地球的无线电波的流量。这不是雷达，因为不是测量在金星表面反射的电波，而是测量金星自身向太空发射的无线电波。他们发现金星比遥远的恒星与星系背景要亮得多。这件事本身并不太令人惊异。每一个温度高于绝对零度（-273℃）的物体都会发射出包括无线电波在内的遍布电磁谱的辐射。举例来说，你本人就以大约35℃的有效温度或“亮度”温度发射出无线电波。如果你周围的环境比你的身体冷一些，一架灵敏的射电望远镜就会检测出你向各个方向发射的微弱电波。我们每一个人都是一个冷的电波源。 

迈耶的发现令人惊异之处是金星的亮度温度超过300℃，这远高于地球的表面温度或所测出的金星云层的红外温度。金星上面有些地方的温度似乎比水的正常沸点至少还高出200℃。这意味着什么呢？ 

很快就涌现出一大批解释。我的论点是，很高的射电亮度温度是灼热表面的直接表现，而高温是大量二氧化碳与水气的温室效应引起的（一部分太阳光穿过云层，使表面受热，但是由于二氧化碳和水蒸气对红外辐射高度不透明，表面热量极难消散到太空，这样就形成温室效应）。二氧化碳的吸收波段一直延伸到红外区，但是在其吸收带之间似乎有一些“窗户”，透过它们，表面本来容易散热到太空并因而冷却下来。然而水蒸气在红外的吸收波长一部分正好是在二氧化碳不透明区的窗户处，因此我认为，这两种气体结合起来，几乎可以相当满意地把全部红外辐射都吸收掉——即使只有很少一点水蒸气也会如此。这就好像两道栅栏，一个的条板刚好掩盖住另一个的空隙，这样结合起来就把后面的东西全都遮住了。 

还有另一种大不相同的解释，即认为金星很高的亮度温度与表面无关。它的表面仍然可以气候温和，并适宜于生物生存。有人提出无线电波是从金星大气的某个区域．或从周围的磁层向太空发射的。有人提出金星云层中的水滴相碰时会出现放电。也有人提出在黄昏和破晓时高层大气中的离子与电子重新结合，产生发光放电。更有人提出在一个非常稠密的电离层中，自由电子的相互加速（这称为“自由一自由发射”）也会释放出无线电波（这种想法的一位支持者甚至设想所要求的高度电离是由于金星的放射性平均为地球的一万倍引起的——也许金星上不久前打过一场核战争）。此外，受发现来自木星磁层的辐射的启示，人们自然会想到金星有一个假想中的很强磁场，它俘获的带电粒子形成浩大的云层，并由此发射出无线电辐射。 

我在60年代中期发表了一系列论文，其中许多篇是与波拉克③合写的，我们对这些既有灼热辐射区又有寒冷表面的各种互不相容的模型进行评论分析。到那时我们已有两个重要的新线索：即金星的射电波谱和“水手2号”的探测，其结果都表明金星圆面中心的射电辐射比接近边缘处要强一些。到 1967年，我们已经能够颇有把握地否定别人选择的模型，并得出结论说金星表面是灼热的，温度比地球表面高出400℃。 

但是这个论证是推理性的，在推论过程中有许多中间步骤。我们迫切希望有一个更直接的测量结果。 

1967年10月，为纪念第一颗人造卫星发射10周年，苏联的“金星4号”向金星云层投放了一个进入密封舱。它从炎热的低层大气发回信息，但还没有到达表面就失灵了。一天之后，美国的“水手5号”太空船飞过金星，它掠过大气时，从越来越深处向地球发送无线电信号。从信号衰减的速率可以推导出大气温度。虽然两组太空船所获得数据之间似乎有差异 （这个问题后来澄清了），但两者都表明金星表面是很热的。 

从那以后，一系列的苏联“金星号”太空飞船，以及一批从“先驱者12号”开始的美国航天器，都进入金星大气深处或在表面着陆，这样便可以直接地——主要是各伸出一根温度计——测量表面及其附近的温度。测得的结果约为470℃。在考虑地面射电望远镜的校准误差及表面发射率等因素后，原有的射电观测和新的太空飞船直接测量的结果便很好地吻合了。 

苏联的早期着陆器是按与地球多少相似的大气设计的。它们在高压下破碎了，就像一只锡罐在拗手腕大力士手里一捏就碎，或者就像第二次世界大战时的潜水艇在汤加海沟里撞得粉身碎骨那样。后来苏联的进入舱都像新型潜水艇那样装甲加固，于是在灼热的表面成功着陆。苏联的设计人员在弄清楚大气有多深和云层有多厚之后，他们担心金星表面也许是一团漆黑的。因此“金星9号”和“金星10号”都装配有探照灯。其实这并不需要，还是有百分之几射到云层顶的太阳光能穿透云层落到它的表面，因此金星的表面大约和地球上的阴天一样亮。 

我猜想，人们不愿意接受金星表面很炎热的主张，是由于我们不愿放弃这样的观念：这颗离我们最近的行星对生命的生存和对将来的探测都是适宜的，并且就长远的目标来说，甚至可以让人类迁居过去。可是现在发现，那里没有石炭纪沼泽地，没有全球性的石油诲或矿水海，而是一个令人窒息的、阴云密布的地狱。那里有一些沙漠，但主要是一个凝固的熔岩海的世界。我们的希望落空了。在太空飞船探测的初期，就当时我们所知，认为几乎任何事情都是可能的，我们对金星最浪漫的幻想也许都会实现。而现在比起那时来，要去这个世界探险的呼声减弱下来了。 

许多艘太空飞船都为我们现今对金星的了解作出过贡献。但是成功探测的先驱是“水手2号”。“水手1号”因发射失败而被炸毁了，这可以说是出师不利。“水手2号”干得很漂亮，为金星的气候提供了关键性的早期电信资料。它对云的性质进行了红外观测。它在从地球飞往金星的途中发现并测量了太阳风——这是太阳发射出的带电粒子流，它在一路上使各个行星的磁层充满带电粒子，把彗星的尾巴吹向背后，并形成遥远的太阳风层顶。“水手2号”是第一个成功的行星航天器，它宣告了行星探测时代的开始。 

它至今仍在绕太阳的轨道上运转，每隔几百天仍然大致沿切线方向接近金星的轨道。不巧的是，它每次切过金星轨道时，金星都不在那里，因此未能会合。但是如果我们长期等待，总有一天金星会在附近出现，于是“水手2号“会被这个行星的引力加速，并进入一个完全不同的轨道。到最后，“水手2号”会像远古时代的星子那样，或被另一颗行星俘获，或坠入太阳，或被抛出太阳系。 

在这之前．这个行星探测的先锋，这个微小的人造行星还会静悄悄地环绕太阳运转。这就宛如哥伦布的旗舰“圣玛丽亚号”仍然由它的幽灵水手驾驶在加地兹与伊斯帕尼奥拉之间定期跨越大西洋往返航行一样㈡。在行星际空间的真空环境里，“水手2号”在长久的年代中将完好如初。 

我对这颗昏星兼晨星㈢的希望是：在21世纪末叶，有一艘很大的太空船，在它靠引力帮助定期飞向太阳系外围时，会截获这个古老的、被遗弃的航天器，并把它拖上飞船。于是可将它陈列在一个早期太空技术博物馆里——这个博物馆也许是在火星、木卫二或土卫八上。 

㈠原诗为“问系何意栖碧山，笑而不答心自闲。桃花流水窅然去，别有天地非人间。”此诗实际上作于公元740年前后，此处只摘引了第四句。——译者 

㈡加地兹为西班牙港口，哥伦布发现美洲的舰队由此出发；伊斯帕尼奥拉是美洲东部的岛屿，哥伦布在此登陆。——译者 

㈢指“水手2号”。——译者 

谢选骏指出：本该实事求是的“天文学家”们，却并不恰当地把宇宙拟人化了，例如他们说什么金星像是地狱——他们这种“地心说的态度”，才是他们所谴责的“人类中心主义”的顽症！这种态度脱离了“上帝中心主义”的朝圣态度，显然并不可取，而且有害真正的探索精神。

【第十二章 大地熔化了】

在锡拉㈠和锡拉细亚㈡的中途，火焰从海洋里冒出来，接连烧了四天，于是整个大海都沸腾了，并燃起了熊熊大火。火焰铸造出一个岛屿，它渐渐升高，好像有人用杠杆把它抬起来……爆发平静下来以后，当时称霸海上的罗德岛㈢人，最早敢于前来察看此情景，并在这岛上建了一座庙宇。 

——斯特拉博（Sbnb）㈣《地理学》（约公元前7年） 

在地球上许多地方，你都可以找到一种具有惊人和不寻常特色的山。任何一个儿童都认得出它：山顶好像是用刀子削平的，或修整成方方正正的。如果你爬上或飞越山顶，就会发现它有一个洞，或是一个坑。在这类山中，有一些顶上的坑很小，有一些则几乎和山本身一样大。坑里偶尔装满了水。有时坑里装的是一种更令人惊奇的液体。你踮着脚走到坑边，就会看到广阔的、黄红色发光液体的湖以及火泉。这种山顶的洞称为死火山口（caldera，该词源自caldron，原意为大锅），它们所在的山则理所当然称为火山（vOlcano，源自古罗马火神的名字Vulcan）。地球上已经发现了大约600个活火山。在海洋下面还可以找到一些。 

典型的火山看起来很安全。它的四周都长着自然植被。梯田点缀在它的侧面，山脚下有小村庄与庙宇。然而在沉寂几个世纪之后，没有预警，火山就可能爆发。大块石头形成弹幕，火山灰雨从天而降。热熔岩汇成河流，从火山口向四周倾泻。全世界的人们都想象过，活火山是一个被囚禁的巨人或魔鬼，他总想挣扎着逃出来。 

近年来爆发的圣海伦斯火山和皮纳图博火山提醒我们火山的威力有多大，而类似的例子史不绝书。1902年，培雷火山的红热岩浆横扫加勒比海马提尼克岛，使圣皮尔城的 35 000名居民丧生。1985年，内瓦多·德尔·路易兹火山爆发时形成的大量泥石流，害死了25 000个以上哥伦比亚人。公元一世纪爆发的维苏威火山，把庞贝和赫尔库莱尼恩城的倒霉居民们全部掩埋在灰烬里；还害死了大无畏的博物学家大普林尼（Pliny），当时他为了进一步了解火山爆发的过程，而前往这个火山边。（普林尼并非献身火山研究的最后一位学者，在1979年至1993年间，就有15位火山学家在各种火山爆发中牺牲。）地中海的圣多林岛（又名锡拉岛）实际上就是一个海底火山口边缘冒出水面的顶端部分。①有些历史学家认为，公元前1623年爆发的圣多林火山促成了附近克里特岛上伟大的米诺斯文化㈤的衰落，并改变了早期古典文明的均势格局。这场灾难可能就是柏拉图讲述过的亚特兰蒂斯（Atlantis）传说的来源。照这个传说，一个文明社会“在倒霉的一天一夜里”就被摧毁了。当时人们自然会认为，这是一位神灵在大发雷霆。 

人们对火山自然感到恐惧和敬畏。当中世纪基督教徒看见冰岛上的海克拉火山爆发，并见到山顶上空翻滚的熔岩碎块时，他们认为这是干坏事人的灵魂正在等待被送进地狱。有人郑重其事地说，他们听见了“可怕的呼叫声、哭声和痛苦不堪的磨牙声，”“哀叫及大声啼哭”。他们认为，在海克拉火山口里面的发光红岩浆湖和硫磺气体，正是阴间景象的真实显现，也证实了人们相信的地狱的存在，而地狱正是与天堂相对的。 

事实上，火山是通往地下王国的入口，而地下王国比人类居住的单薄表层辽阔得多也不友善得多。从火山口喷出的熔岩是液态的岩石——达到其熔点（一般在1 000℃左右）的岩石。熔岩从地球里面的洞涌出，冷却时就凝固。一次次产生的固体化岩浆堆积起来，就形成了火山的侧面。 

地球上火山最活跃的场所，往往是沿洋中脊以及岛弧——它们都是海底地壳两大板块交接的地方，两个板块互相分离，或者一个滑到另一个下面。海底有很长的火山爆发地带，火山爆发往往伴随着一大批地震、深海烟柱与热泉，我们刚刚开始用机器人和载人潜艇去观察它们。 

熔岩的喷发必然意味着地球内部极度灼热。实际上，地震资料表明地壳的厚度只有几百千米，在下面的整个地球主体至少也是轻度熔化的。地球内部很热，一部分原因是那里有铀等放射性元素，它们在蜕变时释放出热能；另外还由于地球在形成时释放的固有热量中有一些保存下来了。当许多星子由于相互的引力作用而聚集在一起形成地球时，以及铁下沉形成地核时，都会放出热能。 

熔化了的岩石（即岩浆），可以穿过周围较重固体岩石之间的缝隙向上浮动。我们能想象得到，如果有机会提供一个合适的通道，地底下浩大洞穴中红热、发光、冒气和黏稠的液体就会朝地面喷射而出。射出的岩浆（称为熔岩）从火山口倾泻出来，真可说是从“地狱”流出来的。可是我们至今还没有找到那些被打人“地狱”的冤魂。 

由于接连喷射，一旦整个火山成形，熔岩不再向上涌入火山口，于是一座山就出现了。就像任何其他的山一样，由于风吹雨打，最后，更因为地球表面上有大陆板块运动，火山会缓慢地遭到侵蚀。迪伦（Bob Dylon）在叙事诗《随风而逝》中问道：“要过多少年才能把一座山冲刷到海里去呢？”答案视我们谈论的是哪一个行星而定。对于地球，这大约要1 000万年。因此火山和其他的山都必定是在同样时间范围内形成的，否则地球各处都会像堪萨斯州一样平坦了②。 

火山爆发能把大量物质——主要是硫酸微滴——抛入平流层。在那里，它们会在一两年内把太阳光反射回太空，于是使地球变凉。不久前菲律宾的皮纳图博火山爆发，就出现过这种现象。灾害最严重的是1815-1816年印度尼西亚的坦博拉火山爆发，它造成“没有夏天的年头”，因而发生大饥荒。公元177年新西兰陶波火山爆发使相距半个地球的地中海气候变冷，并且使火山微粒落到格陵兰岛的冰盖上面。在美国俄勒冈州的马扎马山，公元前4803年曾经爆发火山，遗留下现在称为“坑湖”的火山口，这场爆发对整个北半球的气候都有影响。正在积极进行的火山对气候影响的研究，最终导致了“核冬季”的发现㈥。这类研究为用电脑模拟来预测未来的气候变化，提供了重要的试验。火山粒子射入高层大气，也是臭氧层变薄的另一个原因。 

因此发生在地球上某个偏僻地区的一次大的火山爆发，能改变整个地球的环境。无论是就它们的成因还是后果来说，火山爆发都提醒我们，地球内部新陈代谢中轻微的“打嗝”或“打喷嚏”，都会让我们吃不消，因此也提醒我们了解这个地下热机的运转对我们显得多么重要啊！ 

可以认为，在地球——以及月球、火星与金星——形成的最后阶段，小天体的撞击造成了全球性的岩浆海洋。在地表形成之前，熔岩到处泛滥。从地球内部喷射出来并倾注到表面的红热岩浆，形成潮浪高达若干千米的巨流，把流过途中的一切东西——山脉、沟渠、坑口——也许还有在更早、气候更温暖时期遗留下来的最后痕迹，统统埋葬了。地质学的里程表又重新回到起点。我们看到的一切表面地质特征，都是最后一次全球性岩浆洪流留下的。在这些地质特征冷凝之前．熔浆之海可能深达几百甚至几千千米。在几十亿年之后，到了我们的时代，这样一个世界的表面变得安静，不活跃，看不出现时火山活动的迹象。也许在某些天体——如地球——上，还可以找到整个表面岩浆泛滥时代的一些小规模遗迹。 

在早期的行星地质学研究中，一切资料都来自地面的望远镜观测。在半个世纪中，对于月球的坑口究竟是由撞击还是火山爆发形成的，开展过激烈争论。在一些低山之顶发现了火山口，它们几乎可以肯定是月球的火山。但是位于平原而非山顶的巨大的碗状或盘形坑口，就是另一回事了。有些地质学家认为，它们与地球上某些长期遭风雨侵蚀的火山甚为相似。可是另一些学者持不同意见。最好的反证是，我们知道经常有小行星和彗星飞过月球，它们有时必然击中月球，于是碰撞一定会形成坑口。在月球历史上，本应撞出了许多个坑。因此，如果我们看到的坑口不是由碰撞产生的，那么碰撞坑又在哪里呢？我们现在从直接的实验室研究了解到，月球上的坑几乎全部是由碰撞形成的。但是在40亿年之前，这个今天已经接近“死亡”的小世界，在现在早已不存在的内部热量驱动下发生的早期火山活动曾经使它不断地冒泡和沸腾。 

1971年11月，美国国家宇航局的“水手9号”太空飞船到达火星，去探测这个完全被全球性沙暴掩盖住的行星。能够看得见的几乎唯一特征便是从红色隆雾中伸出来的四个圆斑。但是它们很古怪：它们的顶部有洞。在沙暴减弱的时候，我们可以明白无误地了解到，我们曾一直看见的原来是四个穿透沙暴的巨大火山，每一个的顶上都有一个巨大的火山口。 

在沙暴消散后，这些火山的真正规模便看清了。最大的火山——命名为奥林匹斯山，即希腊神话中众神的住所，这是一个恰当的名字——其高度超过25千米（约15英里），它不仅使地球上最大的火山，也使地球上的一切山峰都相形见绌。西藏高原上的珠穆朗玛峰也仅高9千米。火星大约有20个大火山，它们都没有此奥林匹斯山那样高大。这座山的体积大约为地球上最大火山（即夏威夷的冒纳罗亚火山）的100倍。 

火山侧面有许多撞击坑，它们由小行星碰撞而成，与山顶的火山口容易区分开来。从撞击坑的数目可以估计出它们的年龄。火星上有些火山的年龄可长达几十亿年，尽管没有哪一个是和火星本身同时在45亿年前形成的。包括此座典林匹斯山在内的一些火山都比较新——也许只有几亿年。显然可知，火星早期发生的剧烈火山爆发也许形成了比火星现在所拥有的要稠密得多的大气。如果我们那时就访问火星，它看起来会是什么样子呢？ 

火星上的某些已经冷凝的火山熔岩（例如在塞尔伯吕区域），是两亿年前刚形成的。虽然没有正反两方面证据，但我推测，太阳系中我们确实知道的最大的奥林匹斯火山很可能会再次爆发。有耐心的火山学家们无疑会欢迎这一件事。 

在1990-1993年，“麦哲伦号”太空飞船发回了关于金星地形的惊人消息。制图员绘制了几乎整个金星的地图，连100米大小的微小细节都会标在图上（100米只不过是美国橄榄球运动场的大小）。“麦哲伦号”用电讯传回地球的资料比其他行星探测器的资料加起来还要多。因为地球上海底有很大一部分还没有探测过（也许除掉美国和苏联海军取得的仍属机密的资料），所以我们对金星的了解超过包括地球在内的任何别的行星。金星的许多地质特征与地球及其他地方的都大不一样。行星地质学家给这些地形取了名字，但这并不意味着我们已经完全了解它们是如何形成的。 

因为金星表面温度接近470℃，所以金星表面上的岩石远比地球表面上的岩石更加接近熔点。金星上远比地球上在更浅的表层中，岩石就开始软化并变成岩浆了。很可能是由于这个缘故，金星的许多地质特征好像是可塑性的和发生过形变的。 

这个行星的表面布满了火山岩浆形成的平原和高原。地质结构有圆锥形火山（可能是被掩盖的火山）与火山口。我们在许多地方可以看到岩浆洪流喷发过的痕迹。有些平原的范围大小超过200千米，有人把它们戏称为“扁虱”和“蜘蛛网”，这是因为它们是圆形凹地，周围为同心圆环，并且表面有辐射状的长裂痕从中心伸出。还有一种在地球上从未见过的，但也许是火山的奇特、扁平状地质结构，称为“薄饼状穹顶”。它们大概是由既稠又黏的熔岩向四面八方缓慢而均匀地流动形成的。有许多曲折的岩浆流冷凝形成的地质构造。还有一种奇怪的，称为“冠冕”的环形结构，它们的直径可达2 000千米左右。在闷热的金星表面上的奇特熔岩流，为地质探秘提供了丰富的题材。 

最出人意料，也最奇特的地形是蜿蜒的峡谷，弯弯曲曲和牛轭相似，看起来就像地球上的河道。其中最长的比地球上最长的河流还要长。可是金星太炎热了，不可能有液态的水。此外，金星上没有小撞击坑，由此我们可以断言，在现有的地面形成以来，大气就一直是这样厚，并产生巨大的温室效应。（如果大气要稀薄得多，那么中等体积的小行星在进入大气后就不会烧毁，而与金星表面碰撞并撞出坑来。）从山顶向下流动的熔岩形成蜿蜒的峡谷。（有时成为地下岩浆河，后来河顶坍塌，形成峡谷。）但是甚至在金星的高温情况下，熔岩也会辐射出热量，然后冷却，流动减慢，凝固，最后停顿下来，岩浆冻结成固体。熔岩在峡谷中流动的范围不超过总长度的10％就冻结了。有些行星地质学家认为，金星上必能产生一种特殊的、稀薄如水的、能顺畅流动的岩浆。但这只是一种没有凭证的臆测，它表明我们在这方面知识的贫乏。 

稠密的大气移动缓慢；然而正是由于大气如此稠密，它才能很容易把微粒吹上天空并让它们在空中飘动。金星上有刮风的迹象，风主要来自撞击坑，盛行的风在坑内吹出一堆堆沙尘，于是在表面留下风向标似的遗迹。我们到处可以看到沙丘，以及由风化塑成的火山地形。这些风化的过程很缓慢地进行，就像在地球的海底一样。金星表面的风力很弱。可是因为大气稠密，只要一股微风也可以吹起一团微粒云，但是在这个令人窒息的地狱般的环境里，即使微风也很难得有。 

金星上有许多撞击坑，但比起月球与火星来说要少得多了。直径小于几千米的坑少得出奇。这个原因不难理解：小的小行星和彗星进入稠密的金星大气后，还没有来得及撞上金星表面就破碎了。用金星大气现有的密度，可以很好地解释观测到的最小坑径。在“麦哲伦号”照片上看到的某些不规则的斑点，可以认为是在深厚大气中破碎的撞击物体的遗迹。 

大多数撞击坑显然是原始的，都保存完好，只有百分之几后来被熔岩淹没过。“麦哲伦号”发现金星表面非常年轻。撞击坑的数目很少，这表示凡是年龄超过5亿年的地质特征都谅必已经被消除了③——这种情况竟会出现在一个年龄肯定接近45亿年的行星上。只有一种侵蚀因素能解释得通这种现象，这就是火山活动。在此行星上所有的坑口、山脉以及其他地质结构都被一度从内部喷射出来，到处横流并且冻结的熔岩海洋淹没了。 

在察看了如此年轻的、充满凝固岩浆的表面之后，你也许会想知道是否还有一些活火山遗留下来。已经证实的，一个也没有找到；但是有少数几处——例如马特火山——四周好像有新产生的熔岩，因而可能真的还在剧烈地翻腾和喷发。有证据表明，高层大气中的硫化物含量随时间在变化，似乎表面上的火山还不时地把这种物质喷射入大气。在火山平静的时候，硫化物完全会落回表面。还有一个有争议的证据，认为金星上山顶周围有闪电，就像地球上的活火山有时也会出现这种现象。可是我们不能肯定金星现在是否还有火山活动。这是将来探测的问题。 

有些科学家相信，大约5亿年以前金星表面还几乎完全没有地形结构。岩浆流与岩浆海从金星内部严酷无情地倾泻出来，把任何可以成形的地表都填满并盖住。如果你在那些年代降落到金星云层之下，你便会看到表面几乎是平坦的，没有地貌特征。到了夜晚，火红的岩浆一直在发射出令人恐怖的光芒。按这个观点，大约在5亿年前向地面喷射大量岩浆的金星内部的巨大热机，现在已经停止运转。这个行星的热机终于走到尽头了。 

地球物理学家特科特（Donald Turcotte）提出另外一种引人入胜的理论模型。他认为金星拥有和地球相似的板块构造，但是板块活动有时激烈有时停息。他说目前板块活动处于停息期，“大陆”不沿表面漂移，不互相碰撞，因此没有造山现象，后来也不会缩进金星的内部深处。然而在平静几亿年后，板块活动经常发生，于是表面特征被熔岩淹没了，被造山运动毁掉或被其他方面的地壳运动削弱、灭迹了。特科持提出，上一次这样的爆发大约在5亿年前结束，于是从那时起，一切又趋于平静。然而“冠冕”状环形结构的出现可能预示——按地质学上的时间尺度来说，在不远的将来——金星表面大规模的变化就要再次发生。 

比起火星上的大火山或金星被岩浆淹没的表面更加出人意料的，是1979年3月“旅行者1号”太空飞船与木卫一（木星的四个伽利略大卫星中最里面的一个）会合时的发现。我们在那里发现了一个奇怪的、小的、多彩的、确实布满火山的世界。我们吃惊地看见8根活跃的火柱把气体与微粒喷射到天空。其中最大的一根用夏威夷火山女神的名字命名，称为培雷，它向太空抛射出的物质喷泉高出木卫一表面250千米，比地球上有些宇航员达到的高度还要高。4个月后，当“旅行者2号”到达木卫一时，培雷本身已经熄灭了，然而还有6根别的火柱在喷射，发现其中至少有一根是新的。此外，另一个称为苏尔特的火山口，已经颜色大变了。 

即使在美国国家宇航局的图片中木卫一的颜色被过分增强了，可是它的本色还是和太阳系中任何地方都不一样。目前流行的解释是木卫一的火山并非像地球、月球、金星与火星那样，由向上喷射的熔岩驱动的，而是二氧化硫和熔硫喷发所驱动的。它的表面布满着火山、火山口、喷气孔以及熔硫湖。 

在木卫一表面和附近空间已经检测到各种形式的硫及硫化物——火山爆发共同把木卫一的一部分硫抛入太空④。这些发现使有些人认为木卫一有一个液态硫的地下海，这液态硫从一些薄弱地点涌出到表面，形成矮小火山，然后向下流动并冷凝。它最后的颜色取决于喷发时的温度。 

在月球或火星上面，你能够找到10亿年来几乎无变化的许多地方。但是对木卫一来说，在一个世纪内大部分表面都遭受到新熔岩的再次泛滥，许多地方被填满，或其地理特征被冲洗掉。这使木卫一的地图很快就变得陈旧了，因此绘制木卫一地图会成为一个欣欣向荣的行业。 

所有这些结论，从“旅行者号”的观测资料似乎都很容易得出。从目前熔岩流淹没表面的速率可以推测，在50至100年内就会有重大变化。很幸运，这个预言是否正确能够检验出来。我们可以把“旅行者号”对木卫一拍的照片拿来与50年前用地面望远镜拍的质量差得多的照片相比，也与13年后哈勃太空望远镜的照片相比。令人惊奇的结论是，木卫一表面上大的标志几乎完全没有改变。很显然，我们的推理有什么地方搞错了。 

在一定意义上说，火山是行星内部物质的喷发，它的创伤最终靠自身的冷凝来愈合；可是一个创伤告愈，另一个又出现了。不同的星体有不同的内在物质。在木卫一上发现液态硫的火山活动，有点像发现一位老朋友受伤时流出的血竟是紫色的。你无法理解怎么可能有这样大的差别。他看起来也是一个如此普通的人。 

我们当然急于想发现其他世界上火山活动另外的迹象。在水卫二（即木星的伽利略卫星中的第二个，也是木卫一的邻居）上面，根本就没有火山；但是溶冰（即液态水）似乎冒出到表面，流过大量纵横交错的暗条纹，然后再冻结起来。再往外，在土星的卫星上，有迹象表明，液态水从内部喷出，把撞击坑冲毁。然而无论是在木星还是土星的系统中，我们还没有看到过任何与冰火山相似的东西。在海卫一上面，我们也许已经看见了氮或甲烷的火山现象。 

其他星体的火山是一种激动人心的景观。它们增强我们对奇景的感受以及欣赏宇宙的美丽与丰富多彩的欢乐。但是这些地外世界的火山还有另外一种作用：它们有助于我们了解自己世界的火山，也许有朝一日有助于预测它们的爆发。如果我们不了解在物理参数不相同的其他环境中正在发生什么情况，我们对与自身关系最密切的地球上环境又能有多少深刻的认识呢？一种关于火山现象的全面理论，必须适用于各种情况。当我们偶然发现处于地质宁静期的火星上有大量火山隆起时；当我们发现仅仅是在昨天熔岩洪流把金星表面冲刷干净时；当我们找到一个星体不是被像地球这样由放射性衰变释放的热能，而是被近距天体产生的引力湖熔化时；当我们观察到硫化物而不是硅化物的火山现象时；以及当我们开始猜测在外行星的卫星上面我们是否看见了水、氨、氮或甲烷的火山现象时——我们才开始懂得还可能有哪些其他的火山。 

㈠希腊南部爱琴海中的一小岛。——译者 

㈡即现在的亚洲。当时地理学不发达，误认为亚洲很小。——译者 

㈢土耳其南部的一个大岛，岛上居民善于航海。——译者 

㈣古希腊地理学家和历史学家（约公元前63年-公元20年）。——译者 

㈤公元前3 000年-公元前1 100年存在于克里特岛的古希腊文化。——译者 

㈥前些年国外一些科学家用电脑模拟核弹耀炸，认为爆炸引起的大火使大量烟雾进入平流层，由此造成全球冷却。——译者 

谢选骏指出：美国是一个商业社会，而他的对手则是专制社会；商业社会以钱为本，专制社会以权为本——这两者都不利于一种真正的朝圣态度，因此更加无法将之灌注到“极其危险的太空探险”之中去。这就使得太空探险随着时局的变化而时断时续，无法持之以恒地进行。

【第十三章 “阿波罗”的礼物 】

广开兮天门，纷吾乘兮玄云…… 

——屈原《楚辞·九歌》第五歌“大司命” （中国，约公元前3世纪） 

这是7月份一个闷热的夜晚。你已经在扶手椅上睡着了。你突然惊醒了，晕头转向。电视机还开着，但是没有声音。你竭力想弄清楚你在电视机荧光屏上看见的是什么。两个朦胧的穿着白色连身工作服、戴着头盔的人影，在漆黑的天空下面轻飘飘地跳跃。他们奇怪的轻微弹跳，驱使他们往上，处于几乎察觉不出来的尘云的包围中。但是有一点不对头，他们跳起后落下来太慢了。他们虽然显得累赘，但却有一点像是在飞。你揉揉眼睛再看，这个梦幻似的动人场面还在眼前。 

围绕1969年7月20日“阿波罗11号”登月的所有事件，我回想起来印象最深的是，它们好像都不是真实的。尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）和奥尔德林（Buzz Aldrin）沿月球灰色多尘的表面跳跃行走，庞大的地球隐约地出现在空中，而科林斯（Michael Cdlins）当时在月球的卫星㈠上沿着绕月轨道孤独地守卫着他们。的确，这是一项惊人的技术成就，也是美国的一次胜利。的确，宇航员们表现出敢于向死神挑战的勇气。的确，正如尼尔·阿姆斯特朗刚踏上月球所说的，这是人类迈出的历史性一大步。但是如果你把飞船控制中心与静海㈡之间的一段插曲——经过慎重思考但很俗气的例行的喋喋不休的谈话——关掉，凝视着黑白电视机的图象，你就会瞧见人类已经进入神话与传奇的境界了。 

人类老早就知道有月球了。当我们的祖先从树上下来走进大草原的时候，当我们学会直立走路的时候，当我们首次制作石器工具的时候，当我们引入火的时候，当我们发明农业、建造城市和开始征服地球的时候，月球就在那里了。民间传说与民歌，赞美月球和爱情之间的神秘联系。“月份”这个词以及一个星期的第二天都来自月球。月亮的盈亏——从新月到满月，再到残月，又到新月——被人们普遍理解为死亡和再生的天上隐喻。月相与妇女的排卵期有关，而且周期的长度几乎一样。“月经”这个词在英文中是“menstruation”，拉丁文 mensis意为月份（month），它也有“量度”的意思。传说在月光下睡觉的人会发疯，英文中“lunatic”㈢（疯狂的）一词正是由此而来。古代波斯有这样一个故事：有人问一位以才智卓越而负盛名的高官，太阳和月亮哪一个更有用，他回答说：“是月亮，因为太阳在白天照耀，而白天已经有光。”尤其是当我们在户外生活时，尽管月亮触摸不着，它的存在对我们的生活至关重要。 

月球一直是人们对无法达到的事物的一种隐喻。如人们常说：“你还不如把月亮要来，”或者“你办成这件事比飞上月亮还难。”在人类历史上大部分时期，我们一点也不知道月球是什么。它是一种精神？一尊神灵？或是一个物体？它看起来不像是一个遥远的东西，而是一个很近的小玩意儿——也许只是挂在离我们头顶不远的天空中一个盘子大小的东西。古希腊哲学家争论过这一命题：“月球和它看起来的恰好一样大。”（这表明他们把长度大小和角度大小完全混为一谈。）只有疯疯癫癫的人才会想到要在月球上行走。比较合理的想法是用一个长梯子爬上天，或者乘一只大鹏鸟飞上天去摘月球，然后把它带回地球。在神话中已经不乏这样干的英雄，但谁也没有成功。 

直到几个世纪之前，月球是约25万英里（38万千米）之外的一个地方这个概念才广为人知。可以说是在转眼之间，人们就从最早对月球本质的错误认识，一下于变成可以在月球表面上行走和开车兜风。我们学会了计算物体在太空中的运动，学会了从空气制作液化氧，还发明了巨型火箭，掌握了遥测遥感方法、可靠的电于学技术、惯性导航以及其他许多种技术。然后我们就飞入太空。 

我很幸运，能参与“阿波罗”计划，但我并不责怪那些把整个这项工程说成是在好莱坞制片厂中伪造出来的人。在罗马帝国后期，异教哲学家攻击基督教关于耶稣基督的遗体升入天国以及死后复活等信条，因为重力会把所有的“血肉之躯”拉下来。圣奥古斯丁反驳说：“如果人类能够运用某种技能，用会沉入水中的金属制造出在水上漂浮的船舶，……难道就不能相信，上帝当然更会用一种秘法将尘世众生”从把它们束缚在地球上的枷锁中“解放出来”。人类有一天会发现能把自己从地球的束缚中解放出来的这种“秘法”是难以想象的。可是1500年后，我们把自己解放出来了。 

这个成就导致了一种敬畏与焦虑交织在一起的心情。有人想起巴贝尔（Babel）塔㈣的故事。也有人（包括正统的穆斯林）认为登上月球表面是一种鲁莽和亵渎神灵的行为。可是许多人为之欢呼，认为这是历史的一个转折点。 

月球不再是高不可攀的了。从1969年7月以来，已经有2个人（都是美国人）在那种嘎吱嘎吱作响的、布满环形山的、古老的灰色凝固熔岩上一蹦一跳奇特地行走过了。他们把这称为“月球漫步”。但是在1972年以后，没有任何其他国家的人接着去月球探险归来。的确，自从光辉的“阿波罗”时代以来，除掉在绕地球的低轨道外，谁也没有去过太阳系任何地方。这就像一个蹒跚学步的小孩，刚试着向外走几步后，就气喘吁吁地缩回来，为了安全而抓住妈妈的裙子，不敢松手。 

有一段时间我们在太阳系内翱翔。几年之后，我们就急匆匆地赶回来了。这是为什么？出了什么事情？“阿波罗”计划究竟怎么了？ 

1961年5月25日，肯尼迪（John Kennedy）总统向参众两院联席会议作了题为“国家的紧迫需要”的咨文，在这演讲中提出要启动“阿波罗”计划。他的远见和胆略令我震惊。我们要使用还没有设计出来的火箭和从来设想过的合金，要采取没有制定过的太空导航与飞船在太空对接方法，以便把人送入一个未知世界——一个甚至未作初步演习、甚至未用机器人探测过的世界——并且还要让他们平安地返回地球，而这个任务要在20世纪60年代之内实现！何况这个充满信心的宜告，是在美国还没有实现绕地球轨道载人飞行之前作出的！ 

我当时是一个初出茅庐的博士，真的认为这一切的核心都是为了科学。但是那位总统并没有谈到探索月球的起源，甚至连从月球运回一些表面岩石样品作研究也只字未提。他似乎只是关心把一个人送上月球并把他接回来。这是一种姿态。肯尼迪的科学顾问威斯纳（Jerome Wiesner）后来告诉我，他和总统达成了一个协议：如果肯尼迪不宣称“阿波罗”计划是为了科学，那么他就会支持这个计划。可是，如果不是为了科学，那是为了什么呢？ 

别人告诉我，“阿波罗”计划真的是为了政治。这听起来就比较对头了。如果苏联在空间探测中领先，如果美国缺少“国家威力”，那么不结盟国家就会向苏联靠拢。但是我不以为然。实际上，美国在科技的任何领域都比苏联强，美国在全世界的经济、军事，以至有时在道德方面都处于领先地位，难道由于加加林进入绕地轨道领先于格伦（John Glenn），印度尼西亚就会倒向共产主义吗？空间技术有什么特殊之处？想了又想，我突然想通了。 

把人送入绕地球的轨道．或者把机器人送入绕太阳的轨道，都需要火箭——需要巨型、可靠又强有力的火箭。同样的火箭可以在核战争中使用。用把人送上月球的技术，同样也能够把核弹头发射到半个地球之外的目标。把一位天文学家和一架望远镜送入绕地轨道的技术，同样也可用于运载激光“作战装置”。甚至回溯当年，在东方和西方的军界人士中都有一些富于幻想的言论，诸如把太空当作居高临下的新“制高点”，哪个国家“控制了”太空，就能“控制”地球。当然，那时战略性火箭已经在地球上多次试验过了。但是把一枚装有模拟核弹头的弹道导弹打到太平洋中部的一个靶区，并不显得多么荣耀，而把人送进太空却会赢得全世界的关注并唤起大众的想象力。 

你不会单为这个缘故，不惜花费钱财把宇航员送入太空，但是在显示火箭威力的所有方式中，这种作法是最好的。这是一个国家举行成年礼的仪式；实际上不需要任何人作解释，只需要看看助推火箭的样子就一清二楚了。这种信息似乎可不知不觉地传递，而不需要费神去领会到底发生什么事。 

我的从事空间科学的同事们，今天正在一块钱一块钱地争取经费，他们也许忘记了在辉煌的“阿波罗”时代以及稍早一点的时候，为“太空”获得经费是何等容易。这方面可以举出的例子很多，例如在1958年，苏联发射第一颗人造地球卫星之后只有几个月，当着众议院国防拨款小组委员会的面，空军助理部长霍纳（Richaxd E·Hormer）答复众议员弗洛德（Daniel J·Flood，宾夕法尼亚州民主党人）的质询而作证时，两人有这样一段对话： 

霍纳：从军事观点出发，为什么需要把人送上月球呢？一个原因是，从传统观点来说，因为它就在那里㈤。另一个是我们害怕苏联捷足先登而会得到我们没有预料到的存在于那里的利益…… 

弗洛德：如果我们拨给你们需要的经费，要多少给多少，你们在空军任职的人能不能用某种东西，任何东西都行，在圣诞节前击中月球？ 

霍纳：我确信我们能办到。做这类事情总要担一些风险，但是我觉得我们做得到，是的，先生，能做到。 

弗洛德：你有没有请求空军或国防部给你们足够的经费，硬件和人员，从今天晚上半夜起就快马加鞭地干起来，争取从绿色乳酪球㈥上敲下一小块，当作圣诞礼物送给山姆大叔㈦？你们有没有这样请求过？ 

霍纳：我们已经把这个计划提交国防部长办公室。目前正在审议。 

弗洛德（转向主席）：主席先生，我赞成目前就把经费批准给他们使用。可以从我们的预备金拨付，不必等人来闹市区下决心向我们申请。如果这位讲的是正经话，如果他知道该怎么办——我相信他知道——那么本委员会今天连5分钟都不必等了。我们应当把他所要求的全部经费、所有硬件和一切人员都给他，不管别人怎么说和怎么要求。告诉一个人爬上山顶，不必问为什么要爬，只要爬上去就行了。 

在肯尼迪总统制定“阿波罗”计划的时候，国防部有一大批空间计划正在进行：把军事人员送入太空，让他们在绕地轨道上运转；在轨道平台上安装自动控制武器，用以击落其他国家的卫星及弹道导弹。“阿波罗”计划取代了这些计划（它们还从未达到可行的阶段）。可以认为，“阿波罗”计划有助于实现另一目标，即把美苏之间的太空竞争从军事转向民用领域。有人相信，肯尼迪想用“阿波罗”计划来取代太空武器竞赛。也许是这样。 

就我看来，在那个历史性时刻最有讽刺意义的象征是，由“阿波罗11号”送上月球的，有尼克松（Richard Nixon）总统签名的一个徽章，上面刻着这样一句话：“我们代表全人类和平地来到这里。”正当美国在东南亚的一些小国家投掷750万吨常规炸药的时候，我们为自己的人道主义而感到庆幸：在没有生命的岩石上，我们不会伤害任何人。这块徽章还在那里，钉在“阿波罗11号”登月舱的基地上，在没有空气的、荒凉的静海中。如果没有人去干扰它，l00万年后它上面的文字仍将清晰可认。 

继“阿波罗11号”之后，又发射了6艘飞船，除了一艘以外，其余几艘都成功地在月面着陆。“阿波罗17号”首次带去了一位科学家。可是他刚登上月球，“阿波罗”计划就被取消了。到月球上去的第一位科学家和在月球上着陆的最后一个人是同一个人。在1969年7月的那个晚上，“阿波罗”计划的目标就已经达到，后来的6次探测只不过显示了它的后劲而已。 

“阿波罗”计划的主旨不是科学，甚至也不是太空。“阿波罗”计划代表的是意识形态对抗和核战争。经常采用的委婉说法是世界的“领导地位”及国家的“威望”。尽管如此，还是完成了很好的空间科学研究工作。我们现在对月球的组成、年龄和历史，以及对月球表面地形起源的知识，都比以前丰富得多了。我们对月球起源的了解也有新的进展。我们有些人运用月球环形山的统计资料，来更好地了解生命出现时期的地球。但是比这些成就都更为重要的是，“阿波罗”计划为整个太阳系辉煌的无人太空飞船探测提供了帮助和庇护，使我们初步考察了几十个星体。“阿波罗”的子女们已经到达各个行星的疆域了。 

如果没有“阿波罗”计划——就是说，如果没有它所追求的政治目标——我想美国为开发和发现整个太阳系所进行的具有历史意义的探测就不会出现。“水手号”、“海盗号”、“先驱者号”、“旅行者号”以及“伽利略号”都是“阿波罗”计划带给我们的礼物。“麦哲伦号”与“卡西尼号”则是隔得较远的后代。与此相似的，是苏联在太阳系探测上的开拓性工作，包括“月球9号”、“火星3号”及“金星8号”等无人太空飞船在其他世界的首批软着陆。 

“阿波罗”使我们感受到的，是认识未来世界的信心、干劲以及宏伟的远见。这也是它的一个目的。它激发人们对科学技术的乐观态度和对未来的热情。很多人都说，既然我们能够飞往月球，还有什么事情办不到呢？甚至那些反对美国的政策与行动的人，甚至那些把我们想成最坏的人，也承认“阿波罗”计划所蕴含的天赋才智和英勇无畏的精神。“阿波罗”计划使美国成为一个伟大的国家。 

当你整理行装准备出远门时，你不知道情况究竟会怎么样。“阿波罗”的宇航员们在飞往与飞离月球的途中都拍摄了他们的家园——地球的照片。这是当然要做的事情，但是这产生了很少有人能预料的结果。地球上的居民破天荒第一次从天上看见了他们的世界——完整的地球，彩色的地球，以及在辽阔的漆黑太空背景中呈现为不断自转着的，蓝白相间的精致小球的地球。这些照片有助于唤醒我们对行星的迷糊意识。它们提供无可争辩的证据，表明我们大家同在一颗脆弱的行星上面。它们提醒我们，什么是重要的，而什么不是。它们是“旅行者号”拍摄的淡蓝色光点形象的前身。 

我们也许正好及时发现了这种前景，正当我们的科技对我们生存在这个世界上构成威胁的时候。不管“阿波罗”计划原先发起的理由是什么，也无论它在冷战时期的民族主义和成为毁灭人类的工具的泥坑中陷得多深，它不可避免地使我们认识到地球是一个整体，并且它很脆弱。这是它的明确和辉煌的成果，也是“阿波罗”赠送给我们的出人意料的、最后的礼品。以殊死的竞争为起点的“阿波罗”计划，已帮助我们认识到我们能够继续生存下去的重要前提便是全世界的合作。 

旅行使我们眼界开阔。 

现在是重新上路的时候了。 

㈠指”阿波罗11号”。该飞船共载三名宇航员，两名乘登月舱在月面上软着陆，另一名仍然留在飞船的指挥舱内，继续沿着绕月轨道飞行。登月的两名宇航员在完成作业后，驾驶登月舱上升与母船台合，然后一同返回地球。——译者 

㈡月球上一个似海（闭色较深）的平原区，是“阿波罗1l号”在月球着陆的场所。——译者 

㈢英文中“月球的”一词lunar。——译者 

㈣基督教《圣经》中记载的没有建成的通天塔。——译者 

㈤英语中“Because it is there”（因为它就在那里）往往用来回答毋庸详细解释的问题。——译者 

㈥西方古人戏称月球是一个很大的绿色乳酪球。——译者 

㈦美国的绰号。——译者 

谢选骏指出：美苏两个超级大国所进行的太空竞赛，其实都是纳粹的火箭计划的传人。在这种意义上可以说，是地球危机迫使人们走入太空的。天文学家们不知道这一点，还以为是他们的科学发现感动了当权派。其实当权派都是鼠目寸光的，他们斤斤计较、孜孜以求的，只是花天酒地的权力，而不是玄思冥想的真理。 

【第十四章 探测其他行星和保护地球 】

行星在其演化的各个阶段，都受到与地球相同的形成力量的作用，因此它们具有与地球过去（也许还有未来）同样的地质形态，于是可能也有生命。但是，不仅如此，对有些情况而言，这些力量还在与地球完全不同的条件下起作用，因此定会出现与人类所知道的不一样的地理形状。这种资料对比较科学的价值实在太明显了，因此不需要加以讨论。 ——戈达德《札记》（1907） 

我生平第一次看见弧形的地平线。一条薄薄的深蓝色光带——这就是大气——使地平线镶上了边。这显然不是过去许多次人们告诉我的大气“海洋”，它那脆弱的外貌使我感到恐惧。 ——默博尔德（Ulf Merbold），航天飞机的德国宇航员（1988） 

当你从绕地轨道的高度俯视地球，你看见的是一个被暗黑真空包围的、可爱而又脆弱的世界。但是你透过太空飞船的舷窗凝视一块地面，远不及脱离飞船在太空浮游时看见在黑暗背景上的整个地球扫过你的视野那样愉快。第一位取得这种经验的人是列昂诺夫（Atexei Leonov）。他在1965年3月 18日离开“上升2号”．实现了首次太空“行走”。他回忆说： “我向下看地球，在我头脑里出现的第一个想法是‘地球毕竟是圆的’。我一眼就能从直布罗陀海峡一直看到里海……我感到自己像是一只鸟，长了翅膀，能够飞翔。” 

当你像“阿波罗”的宇航员那样，从更远处看地球时，它变小了，直到最后只能见到一些地理遗迹，其他什么也看不清。使你注意的是，地球是何等地自给自足。偶而有一个氢原子逃离了，或者有一点彗星尘埃掉进来。在太阳内部深处由庞大的、无声的热核反应机产生的能量，从太阳向四面八方倾泻。地球截获的极小部分已足够把它照亮，并为我们有限的目的提供充足的热量。除此之外，这个小世界便别无所求了。 

从月球表面，你可以看见地球，它也许呈新月形，这时甚至各大洲也看不清楚了。从最外面的行星的有利地点看地球，它只是一个苍白的光点。 

从绕地轨道上看去．引人注目的是地平圈上嫩蓝色的圆弧——这是从切线方向上见到的地球大气薄层。你现在可以了解，为什么没有“地区性环保问题”这件事。分子很笨拙。工业毒素、温室气体以及对保护我们臭氧层起破坏作用的物质，由于它们的愚鲁无知，都不知道尊重国界，也不顾国家主权。因此，由于人类的技术所具有几乎是神话般的威力，再加上短视的盛行，我们开始在整个大洲或全球的规模上伤害自己。坦率地说，如果想解决这些问题，就需要许多国家在许多年时间里采取联合行动。 

引起我深思的是这样一个出人意料的现象：饱含国与国之间敌对与仇恨的太空飞行，却导致一种令人震惊的超越国界的见解。只要你在绕地轨道上花一点点时间凝视大地，你心中铭刻最深的国家主义观念就会开始消逝。它们就像是在一枚杏子上面小虫们之间的争吵。 

如果我们是粘贴在一个世界上，我们受它的局限，不知道还可能有别的世界。这就好像一位只会欣赏法由（Fayoum）墓㈠壁画的美术行家，一位只知道臼齿的牙科医生，一位只懂得新柏拉图主义的哲学家，一位只研究中文的语言学家，或者一位只知道有关地球上自由落体的重力知识的物理学家——我们的眼光很短浅，我们的见识很狭窄，我们预测未来的本领有很大的局限性。与此形成对比的是，当我们探测其他世界时，以前认为行星只能有的那样一种类型，其实不过是大量可能类型中间的一个而已。在看到其他世界的时候，我们开始了解，在这个方面太多而在那个方面太少，会造成什么结果。我们知道一颗行星会出什么毛病。我们得到了太空飞行先驱戈达德所预见的一种新知识，这称为比较行星学。 

对其他行星的探侧，已经扩大了我们对火山、地震与天气研究的眼界。这在某一天会对生物学有深刻的影响，因为地球上的一切生物都从属于一个共同的生物化学总体系。发现一种地外有机体——即使是微不足道的细菌——也会使我们对生物的认识发生一场革命。但是探测其他行星和保护地球这两者是有联系的，这种联系最明显地表现在对地球气候以及现代人类技术对气候日趋严重的威胁的研究中。对其他行星的研究可以让我们知道，在地球上哪些蠢事不能干，而这是至关重要的。 

近年来发现了以下三个潜在的，都是在全球范围起作用的环境灾害：臭氧层枯竭、温室效应和核冬季。现在认识到，这三个发现都与行星探测有密切联系： 

（1）令人不安的是发现了一种不容易产生化学反应但用途极广的惰性物质——它可以用作冰箱和空调的致冷剂，供除臭及其他用途的喷雾剂，做快餐食品轻便泡沫包装以及微电子装置的清洁剂，等等——会危害地球上的生命。而这有谁会想到呢？ 

我们谈到的是称为氯氟烃（CFC）的分子。它们的化学性质是极其惰性的，这意味着它们很难受到破坏。只是在臭氧层里太阳的紫外光可以使它们分解。这时释放的氯原子会破坏对我们起保护作用的臭氧并使它离解，于是让更多的紫外光射到地面上。紫外线增强会引起一系列潜在的可怕后果，这不仅是皮肤癌和白内障，还会使人类的免疫系统减弱，最危险的是可能损害农业及植物的光合作用，而这正是地球上大部分生物赖以生存的食物链的基础。 

是谁发现了氯氟烃的分子对臭氧层的危害呢？是不是承担法人责任的主要生产厂家杜邦公司？是不是保护我们的环境保护署？是不是保卫我们的国防部？都不是。发现者是两位在象牙塔内穿白大褂，从事其他工作的大学里的科学家，即在加利福尼亚大学欧文分校的罗兰（Sherwood Rowland）和莫利纳（Mario Molina）。这所大学甚至还不属于常青藤联谊会㈡。谁也没有指示他们去关注环境的危险。他们进行的是基础研究。他们是追寻自己的兴趣的科学家。应当让每个学童都知道他们的名字。 

在罗兰与莫利纳原来的计算中，他们使用了含有氯和其他卤素的化学反应的速率常数，而测定这些常数的经费有一部分是美国国家宇航局提供的。为什么国家宇航局会提供经费呢？这是因为金星大气中有氯和氟的分子，而行星科学家想了解金星大气里正在发生的情况。 

不久后，由哈佛大学麦克尔罗伊（Michael McElrov）领导的工作小组确认了氯氟烃分子对臭氧枯竭所起作用的理论研究。为什么他们的电脑里已经储有卤素化学反应动力学的全部分支网络程序？这是因为他们正在研究金星大气中氯与氟的化学性质。于是金星帮助科学家发现并确认了地球的臭氧层正处于危险状态中。在这两个行星的大气光化学之间，找到了一种完全没有预料到的联系。就这样，对地球每一个人都很重要的成果，竟来自很可能已被认为是最不着边际的、抽象的和毫无实用价值的工作，即对另一颗行星的高层大气中次要成分化学性质的研究。 

这项研究与火星也有关系。我们从“海盗号”的探测发现火星表面显然没有生物，甚至显著缺少简单的有机分子。但是那里应该有简单有机分子，这是因为来自附近小行星带的含有丰富有机物的陨星会与火星相撞。这种缺乏有机物的原因，一般认为是由于火星没有臭氧层。由“海盗号”的微生物实验可以知道，从地球带到火星并撒到火星表面尘埃的有机物质很快就被氧化并分解成为无机物了。引起这种分解的尘埃中物质是与过氧化氢相似的分子——我们用过氧化氢作消毒剂，因为它通过氧化来杀死细菌。来自太阳的紫外光在没有臭氧层阻拦的情况下直接射到火星表面。如果那里曾经有过有机物，它很快就会被紫外光本身及其产生的氧化物毁掉。因此，火星最上层的土壤消毒得很干净，一部分原因是火星有一个像行星那样大小的臭氧洞——这对于忙忙碌碌地使自己的臭氧层变薄和开洞的我们来说，自然而然是一个有益的警告。 

（2）已经预料到，全球气候变暖是温室效应不断增长的结果，而温室效应主要是由于化石燃料㈢燃烧所产生的二氧化碳引起的；但是，其他能吸收红外线的气体（氮的氧化物、甲烷、氯氟烃以及别的一些分子）的聚积，也能加剧温室效应。 

假定我们有一个地球气候的三维整体大气环流的计算机模型。它的程序设计人员宣称，如果大气的某个成分增加了，而另一个成分减少了，他们能够推测地球大气有什么变化。这个模型对“预测”现在的气候确实很有用处，但是它有一个恼人的麻烦事：这个模型已经被“调整“到它给出的结果是正确的。也就是说，为它选用的一些可调节的参数不是来自物理学的基本原理，而是为了得出正确答案。这并不完全是欺骗，但是如果我们把同一个计算机模型运用于颇不相同的气候体系，例如极度的全球变暖，于是这种“调整”就可能不适宜了。这个对今天的气候也许适用的模型，不能外推到其他情况。 

考察这个程序的一个办法，是把它运用于其他行星的截然不同的气候。它能否推测火星大气的结构以及它的气候？能否作天气预报？对金星又怎样呢？如果它在这些检验中失灵了，我们就理所当然地不相信它对地球作出的预测。事实上，我们现在使用的气候模型是从物理学的基本原理出发的，它能够很好地预测金星与火星的气候。 

我们知道，在地球上对流作用使地幔深处的熔岩浆以超级喷流方式向上大股喷出，然后形成辽阔的冷凝玄武岩高原。一次壮观的喷发大约在1亿年前出现过，它或许使大气中的二氧化碳含量增加到现在的10倍，由此引起全球显著变暖。可以认为，这种喷发在地球整个历史中多次发生过。类似的地幔岩浆喷发似乎在火星与金星上也出现过。我们有合理的实际原因想了解，从脚底下几百千米的地球深处，怎么会突然发生不明不白的事件，使地球表面和气候产生重大变化。 

近来关于全球变暖的一些最重要的研究，是美国国家宇航局在纽约市的一个机构，即戈达德空间科学研究所的詹姆斯·汉森（James Hansn）及其同事们完成的。他发展了一套主要的计算机气候模型，井用它来预测如果温室气体继续聚积，地球气候会有什么变化。他曾用地球古代气候检验过这些模型（有趣的是，在上次冰河时期大量的二氧化碳及甲烷与气温升高明显有关）。詹姆斯·汉森收集了本世纪和上一个世纪的大量气候资料，以了解全球温度的实际情况，然后把它与计算机模型预测的本应出现的情况进行比对。两者符合的程度都在测量与计算的各自误差范围之内。白宫的管理和预算局出于政治需要[当时是在里根（Reagan）执政年代]，指令詹姆斯·汉森要夸大不确定性和缩小危险性，但是他在国会面前作证时勇敢地拒绝这样做。他对菲律宾皮纳图博火山爆发的预言以及由它引起的地球气温暂时下降（约为0.5℃）的计算结果，都正好说对了。他是说服世界各国政府应当认真对待全球变暖的主要人物。 

詹姆斯·汉森怎样会首先对温室效应感兴趣呢？他的博士论文（1967年在衣阿华大学撰写）是关于金星的。他同意金星的非常炎热的表面产生很强的射电亮度，也同意温室气体保持了金星表面的热量；但是，他提出主要的能源是来自金星内部的热能而不是太阳光。1978年“先驱者12号”飞临金星时把一些探测器投入大气。它们直接探明一般的温室效应——即太阳使表面受热，而空气的屏蔽作用把热量保存下来——是起作用的原因。然而正是金星使詹姆斯·汉森思考温室效应的问题。 

你知道了，射电天文学家发现金星是一个强无线电波源。对射电辐射来源的其他解释都失败了。因此你推断金星表面一定热得难以想象。你要进一步阐明高温从何而来，就只能求助于这种或那种无情的温室效应。再过几十年，你会发现这项研究工作的训练能够让你准备好了解并帮助你预测对地球上人类文明的一个意料不到的威胁。我还知道有许多别的事例都表明，科学家起先想解开其他行星大气之谜，但结果得出对地球很重要并非常实用的发现。因此，其他行星是培养研究地球的学者的极好训练场地。这些学者的知识既要有广度，也要有深度。他们向想象王国挑战。 

谁要是对二氧化碳温室致暖有怀疑，不妨了解一下金星上大规模的温室效应，这是有益的。没有人会提出，金星的温室效应来源于鲁莽的金星人燃烧了太多的煤炭，驾驶燃油效率低下的汽车，并砍倒了他们的森林。我的看法不一样。我们的这颗近邻行星，除掉表面热到可以熔化锡和铅以外，在其他方面都与地球类似。有些人认为，地球上不断增长的温室效应可以不医自愈，我们实在不必为它自寻烦恼，甚至还说温室效应本身便是一个“骗局”（你从有些自称为保守分子的著作中可以读到这些言论）。特别是对这些人来说，金星的气候变迁史很值得借鉴。 

（3）核冬季是预料在一场全球性的热核战争后，主要由于城市及炼油、储油设备的燃烧，细小烟雾粒子喷入大气，使地球变暗变冷的现象。对于核冬季会真正严重到什么程度，接着出现了激烈的科学争论。各种不同的见解现在趋于一致。所有的三维大气环流的计算机模型都预测出，在一场全世界范围的热核战争之后，全球的温度会比地质学上更新世的冰河时期㈣更低一些。由此对世界文明产生的后果——尤其是农业的彻底崩溃——是极为可怕的。在美国、苏联、英国、法国和中国决定积聚远远超过6万件核武器的时候，它们的行政与军事当局都忽视了核战争的后果。虽然这类事情还难以肯定，但可以说核冬季的确起到了一种积极作用（当然还有其他原因），它使拥有核武器的国家——尤其是苏联——相信核战争是徒劳无益的。㈤ 

核冬季是在1982—1983年由5位科学家——我感到很自豪，是其中的一员——组成的小组首先计算和命名的。这个小组用5位科学家姓氏的首字母缩略词命名，为TTAPS。这5个人的名字是特科（Richard P·Turco）、图恩（Owen B· Toon）、阿克曼（Thomas Ackerman）、波拉克和我自己。在TTAPS小组里，两个人是行星科学家，其他三人也在行星科学领域发表过许多文章。最早想到核冬季是在“水手9号”探测火星期间，那时在这颗行星上正出现一场全球性的尘暴，使我们看不见它的表面。飞船上装载的红外光谱仪发现，火星的高层大气比预期的要热一些，而表面却比预期的冷一些。波拉克和我坐下来努力计算，想弄清楚这是怎样一回事。在随后的12年中，这条研究线索从火星上的尘暴引向地球上的火山悬浮微粒，再到可能出现的撞击尘埃使恐龙灭绝，然后想到核冬季。你永远也不知道科学会把你引向何方。 

行星科学促成一种广阔的、跨学科的观点，事实证明，这对发现和试图消除迫在眉睫的环境灾难大有裨益。当你开始了解其他行星的时候，你对我们自己的行星环境的脆弱以及还可能有别的完全不同的环境，会取得一种新的见解。仍然很可能有尚未发现的潜在的全球性灾难。如果确实有这样的灾难，我敢断言，行星科学家在对它们的研究中将发挥核心作用。 

在数学、技术和科学的一切领域中，国际合作性最强的学科（这表现在同一研究论文往往由两个或更多国家的作者合作完成）是“地球与空间科学”。正是由于这门学科的性质，研究它的人往往不是地方主义者、国家主义者或沙文主义者。也很少有人因为是国际主义者而进入这个领域的。几乎没有例外，他们由于其他原因进入这一领域，然后发现这种补充自己原有工作的杰出研究是其他国家的科研人员正在做的；他们还发现，为了解决一个问题，你需要在自己的国家里无法得到的资料或一架望远镜（例如需要观测南天的天象）。你一旦尝到了这种合作的甜头——来自世界不同地区的人们使用彼此都能了解的科学语言一起工作，成为共同关心的事业的伙伴——就不难设想这种合作也可能在其他的非科学性的项目中实施。我个人认为，地球和空间科学的这种特色可以成为世界政治中和解与团结的力量；不管这是否有益，这种趋势已经是不可避免的了。 

当我看到这种证据时，它似乎告诉我，行星探测对我们住在地球上的人来说，是最实用和最迫切的事业了。即使探测其他世界的前景并不使我们感到鼓舞，即使我们没有一丝一毫的冒险精神，即使我们只关心自己，而就最狭隘的意义上来说，行星探测仍然是一种极好的投资。 

㈠在沙特阿拉伯境内的许多古墓。——译者 

㈡美国东北部哈佛、哥伦比亚、普林斯顿等名牌大学的总称。因为它们历史悠久，墙上爬满常青藤，故名。一译者 

㈢如煤炭。——译者 

㈣大约100万年前。——译者 

㈤中国发展核武器是为了打破西方强国的垄断。中国政府再三申明不首先使用核武器，井主张全面禁止核武器试验，最终彻底销毁全部核武器。——译者 

谢选骏指出：太空时代促进了全球化的过程——在此我们是深深意识到了，主权国家无非是一群过时的蠹虫……。它们不仅危害一方，而且正在恶斗之中毁灭地球！废垃以外的人类不能再让国家害虫继续作恶下去了，必须建立人类合作的全球政府——否则，只有共同毁灭的末日在地平线上伏击我们。

【第十五章 奇异世界的大门打开了】

通向奇异世界的大门打开了。 

——梅尔维尔《白鲸》第一章（1851） 

在将来某个时候，说不定就在明后天，会有一个国家——更可能是一个国际联合组织——要实施人类太空探测的下一个重大举措。它大概会绕过官僚机构，并有效地运用现有的科学技术。它也许要使用超越目前的大口径化学燃烧火箭的新工艺。这些新太空船的宇航员们将置身于新的世界上面。在那里将有第一个婴儿诞生。人们开始使用那里的资源生活。我们就要踏上征途了。未来会记住我们。 

既令人好奇又雄伟庄严的，与我们仅一门之隔的火星，是宇航员或太空人可以安全着陆的最近的行星。虽然有时火星会像新英格兰10月份那样暖和，但它却是一个寒冷的地方，冷到它的稀薄的二氧化碳大气会在冬季结成干冰，降落在极区。 

它是我们用小望远镜可以看清表面的、离我们最近的行星。在整个太阳系中它是最像地球的行星。除掉在近距处飞过之外，只有三次完全成功的火星探测，这就是1971年的“水手9号”以及1976年的“海盗l号”和“海盗2号”。它们发现了一条很深的断裂峡谷，其长度相当于从纽约到旧金山的距离；还发现了巨大的火山，其中最大的超出火星平均表面8万英尺（约25千米）即几乎是地球上珠穆朗玛峰高度的3倍。火星极区冰冠之内还有错综复杂的层状结构，就像打牌时乱丢在桌上的一大堆筹码。这种层状结构可能是过去气候变迁留下的遗迹。在风吹过的沙尘在火星表面上留下明、暗两种条纹，这提供了过去几十年和几个世纪火星上的高速风向和风速图。可以看出有环绕星球的尘暴，还有若干奥秘难解的表面形态。 

还可以找到数以百计的、几十亿年前形成的蜿蜒曲折的峡道河床和峡谷网，它们主要是在布满环形山的南方高地。它们表明火星早期的气候比较温和，这与地球相似，而很不像现在在一层稀薄与寒冷的大气覆盖下的情景。有些古老河床好像是被雨水冲刷过，有些在被地下水损毁后坍塌，也有些被地下冒出的大股洪水冲泻过。今天干涸见沙的大撞击坑，以前有江河倾注，积水宽达上千千米。在古代注入火星湖泊的大瀑布，可以使地球上任何瀑布都相形见绌。可能曾经有过深度达几百米甚至1千米的浩瀚海洋，可是今天连它周围缓坡的海岸线也认不出来了。这本来是一个值得我们去探测的行星，但我们毕竟迟了40亿年。① 

正好在同一时期，地球上早期的微生物出现了，并开始进化。由最基本的化学原理，地球上的生命与水密切相关。我们人的身体约有3／4是水构成的。与古代地球上从天空落下来的以及在空气与海洋中产生的同样种类的有机分子，也应当在古代火星上聚积起来。是否可以认为，在早期地球上，生命很快就在水里出现了，但是由于某种原因，在早期的火星上，生命在水里遭到抑制和约束？或许火星的海洋里曾经挤满了生命——它们在那里漂浮、产卵、演变？有哪些奇形怪状的动物曾经在火星的海洋中游过？ 

不管在那些遥远岁月上演过什么历史剧，大约在38亿年前一切都乱套了。我们可以看出，自那时起古代环形山受到的侵蚀突然开始变缓了。在大气变得稀薄的时候，河流不再流动的时候，海洋开始于涸的时候，温度骤然下降的时候，生物只好撤退到少数剩下的可以让它们栖息的地方去，也许是蜷缩在冰封的湖底，直到最后，生物都灭绝了。组成这些生物的异域有机体，也许是按与地球生命截然不同的原理形成的。这些生物的尸体和化石都处于深冻状态，等待着在遥远的未来会到达火星的探测者去发掘。 

陨石是在地球上找到的其他天体的碎片。它们大部分是在火星轨道与木星轨道之间绕太阳旋转的，为数众多的小行星相互碰撞产生的。但是也有少数陨石是由于一个大流星高速撞上一个行星或小行星，砸出一个坑，并把凿开的表面物质抛入太空而产生的。被抛射的岩石中极少的一部分，在千百万年后可能与另一个星球相遇。 

在南极洲的荒凉冰地上到处散布着陨石，它们保存在低温状态下，直到最近都没有被人动过。它们中间有一些叫做 SNC（读做“司尼克”）陨石。②这种陨石有一种初看起来几乎难以置信的奇怪特征：在它们的矿物与玻璃物质的内部有一点封闭起来不受地球大气污染的气体。对这种气体进行分析后发现，原来它的化学成分和同位素比值与火星上的空气刚好一样。我们不仅是由光谱分析，还从“海盗号”登陆器在火星表面的直接测量，对火星空气有透彻的了解。SNC陨石来自火星！这几乎使每个人都大吃一惊。 

这些陨石原先都曾被熔化过并再冷凝。对所有的SNC陨石用放射性元素测定年代的结果表明，它们的原始岩石是在1.8亿年至13亿年前由岩浆冷凝形成的。后来由于碰撞，它们从行星抛向太空。从它们在火星与地球之间的行星际旅途中有多长时间受宇宙射线照射，我们可以知道它们的年龄——即多久以前它们从火星抛射出来。在这个意义上说，它们的年龄是从70万年到1 000万年。因此，它们只是火星历史最近的千分之一年代里的样品。 

它们所含的某些矿物质确切表明，它们曾一度在水里（并且是在温暖的液态水里）浸泡过。从这些被温水浸过的矿物质可以知道，火星上（也许是遍布火星各处）不久前不知什么缘故曾有过水。可能是由内部热能使地下冰层融化成水。但是，无论水是从何而来，我们自然会怀疑生物是否已经完全灭绝。也许在我们的时代来临之前，它们不知怎么地已经转移到地下湖泊里，或者甚至是表土之下的潮湿薄层里继续生存。 

国家宇航局所属约翰逊空间飞行中心的地球化学家吉布森（Everett Gibson）和卡尔松（Hal Karlsson）从一块SNC陨石中提取出一滴水。这滴水所含氧与氢原子的同位素比值和地球上的大不一样。我把这种来自另一世界的水，看作对将来的探险家和移民们的一种鼓励。 

可以想象得到，如果从火星上经过挑选的具有科学意义的地区采集一大批标本（包括从未熔化过的土壤及岩石）并运回地球，我们也许能发现什么好东西。我们能够用小型机器人巡游车去完成这个任务，这已经是指日可待了。 

把一个世界地下的物体转移到另一个世界上去，这是一个引人入胜的问题：40亿年前有两个邻近的行星，它们都是温暖和潮湿的。在这两个行星由星子聚集而成的最后阶段，来自太空的碰撞比今天要频繁得多。每一个世界的样品都不断被抛掷到太空去。我们确信，在这个时期至少在一个世界上有生命。我们知道，在受碰、抛出和被另一世界截获的整个过程中，一部分抛出的碎片一直都是冷的。那么，在40亿年前，地球上早期的有机物会不会有一些被安全地转移到火星，会有小虫吃掉食物，并把它氧化为放射性的二氧化碳。第三个实验是把放射性二氧化碳（和一氧化碳）注入火星土壤，看是否有能够吸收这两种气体的微生物。我认为，所有参与这些实验的科学家起先都大吃一惊，因为每个实验起先似乎都得出肯定的结果：有气体交换，有机物被氧化了，二氧化碳被土壤吸收了。 

但是我们有理由持慎重态度。这些引人注目的结果，并未被普遍认为是火星上有生命的良好佐证。火星微生物的这些假想的新陈代谢过程，是在“海盗号”登陆器内部变化很大的环境中出现的——有时潮湿（从地球带去了水），有时干燥；有时明亮，有时黑暗；有时寒冷（温度只略高于冰点），有时炎热（几乎达到水的正常沸点）。许多微生物学家认为，火星微生物未必能在这些变化很大的条件下生存。更加使人生疑的是第四个实验。这个实验是在火星土壤中寻找有机化合物。测试仪器很灵敏，但得出的是一致否定的结果。我们预料火星上的生命会和地球上的一样，是由以碳为基础的分子组成的。但根本找不到这样的分子，这使外星生物学家中的乐观人土也感到失望。 

现在科学家普遍认为，生命探测实验似乎得到肯定结果，这是由于太阳紫外光最终使土壤氧化所形成的化学物质（这在上一章已经讨论过了）。但是仍然有少数“海盗号”科学家怀疑，是否可能有适应性与生命力极强的微生物稀疏地分布在火星土壤中——因此检测不出它们的有机化学成分，但是它们的新陈代谢过程可以察觉。这些科学家并不否认火星土壤中有紫外光产生的氧化剂，但是他们强调认为，单从现有的氧化剂不能完全说明“海盗号”的生命探测结果。有人尝试性地声称在SNC陨石中找到了有机物质，面它们却可能是在陨石到达地面后混入其中的污染物。到现在为止，没有人主张，在这些从天而降的岩石里有火星的微生物。 

也许是因为这会引起公众的兴趣，国家宇航局和大多数“海盗号”科学家都对验证火星有生物的假说十分谨慎。甚至现在，仔细检查旧有的资料还可以做更多的研究。“海盗号”类型的仪器可以用于南极洲或其他微生物含量很少的土壤的研究，在实验室里对火星土壤中氧化剂作用进行模拟，以及设计出阐明这些事情的实验，为将来的火星登陆器作准备——并不排除对生命的进一步探寻。 

如果在火星上相距5 000千米的两个地点，用各种灵敏仪器确实检测不出有生命存在的明显迹象——何况这个行星上有可以把细微粒子刮到各处的大风——那么这可以说明，至少是在今天，火星可能是一个没有生命的行星。可是，如果火星上真是没有生命，而我们有两个行星，它们的年龄与早期情况实际上相同，又是在同一个太阳系中相邻的位置上一齐演变，结果是在一颗行星有生物进化和繁衍，但在另一颗行星上却不是这样。这是为什么呢？ 

也许火星早期生物的化学及化石遗迹还能够找到——在表层下面，安全地避开了今天仍在烘烤表面的紫外辐射以及由此产生的氧化物的影响。也许在一块团山崩而裸露的岩石表面，或者在一个古代河谷的两岸或干涸湖泊的底部，或者在极区表层的夹层中，在火星上是否有生命的关键性证据，尚待我们去发现。 

虽然火星表面没有有机物，这个行星的两颗卫星（火卫一与火卫二）却拥有丰富的复合有机物，它们可回溯到太阳系历史的早期。苏联的“火卫一2号”太空飞船发现火卫一有水蒸气泄出的证据，这好像是它有一个冰冻的内核，受放射性作用而变热。火星的卫星可能是在很久以前从外太阳系的某处俘获而来的。可以设想它们是属于从太阳系最早期以来就没有变化的物质所组成的、距我们最近而可达到的物体。火卫一和火卫二都很小，它们的直径都仅约为10千米，它们的重力微不足道。因此要与它们会合，在它们上面着陆，考察它们，把它们作为基地去研究火星，以及在工作完毕后离开它们回家，这些事都比较容易办到。 

火星是科学信息的宝库——单是这一点它就很重要，更何况它是对地球环境的借鉴。火星还有若干尚待解开的奥秘：它的内部、它的起源，在一个没有板块构造的世界上怎么会有火山？在一个具有地球上做梦也想不到的沙暴的行星上，地形如何塑造出来？还有冰川和极区地形，行星大气的逃逸，以及卫星的俘获——这些不过是随手拈来的一些例子。如果火星曾经拥有丰富的液态水和温和的气候，后来出了什么乱于？一个与地球相似的世界怎么会变成这样焦干、寒冷和缺少空气？在此是否有我们对地球应当了解的事项？ 

我们人类过去一直是这样办的。古代的探险家就已经了解火星的呼唤。但是单纯的科学探测不需要有人参与。我们随时都可以送灵巧的机器人去。它们要便宜得多，它们不会顶嘴，你可以把它们送到危险得多的地方，我们始终面临探测失败的某种可能性，但不会冒生命危险。 

“你看见过我没有？”牛奶盒的背面印有这样的告示。㈠“‘火星观测者’长约1.8米（6英尺），宽约1.4米（4.5英尺），高约0.9米（3英尺），重2 500千克。最后一次联系是在1993年8月21日，地点在离火星627 000千米处。” 

1993年8月下旬，挂在喷气推进实验室运行设备大楼外面表示哀悼的一面旗帜上写着：“火星观测者，请打电话回家。”美国的“火星观测者”航天器在它刚要进入绕火星轨道之际，突然失灵了，这令人深感失望。这是26年来美国的月球或行星探测器第一次在发射后失事。很多科学家和工程师把他们的10年职业生涯奉献给了“火星观测者”。这是自1976年“海盗号”的两个绕火星的探测器和两个着陆器发射之后的 17年间美国的第一次火星探测。它也是冷战结束后真正的第一艘太空飞船，俄罗斯科学家也参加了几个研究组。俄国原来计划的1994年火星探器着陆器以及雄心勃勃的1996年火星自动巡游车和气球探测，都准备把“火星观测者”用作主要的电信中继站。 

“火星观测者”所载的科学仪器原本会测绘出这个行星的地质化学状态，为后来的探测作准备，并决定登陆地点。这个航天器原本会对似乎发生在火星历史早期的大规模气候变迁提出新的启示。它原本还会以优于2米的分辨率拍摄火星表面一些区域的照片。当然，我们不知道“火星观测者”原本会发现哪些奇异现象。但是每当我们用新仪器和大为增进的分辨率考察一个世界时，就会出现一大批令人眼花缭乱的新发现——这正如伽利略把第一架望远镜指向天空后，现代天文学时代便发端了。 

按质询委员会的意见，失败的原因大概是在加压时燃料箱破裂了，气体和液体喷溅出来，于是受损伤的飞船失去控制而乱转起来。也许这是可以避免的。也许这是一场运气不佳的意外事故。但是为了在未来的探测中记住这次事故的教训，让我们思考美国和前苏联试图探测月球与行星的全过程： 

在开始的时候，我们的成绩记录的情况甚为糟糕。太空飞船在发射时爆炸，没有打中目标，或者到了目的地就失灵了。随着时间的推移，我们人类在行星际飞行中有了进步。 

这里有一个学习和提高的过程。我们学习得很好。至于我们现在对飞行中的太空飞船进行检修的能力，前面描述过的“旅行者号”就是最好的说明。 

我们看到，美国约在第35次向月球或行星发射航天器时，探测的累计成功率达到50％，而俄国人大约到50次发射时才达到。把初期的不稳定情况和近来的比较好的运作都加在一起平均，我们发现美国与俄罗斯的累计发射成功率都约为80％。但是美国的累计探测成功率仍在70％以下，而苏联／俄罗斯则在60％以下。与此相应的说法是，月球与行星探测的失败率平均各为30％和40％。 

从一开始，到其他世界去探险就需要尖端科技。到今天仍然如此。这些探测器都配有备用的各子系统装置，并由专心一致的和富有经验的工程师来操作。可是它们不是十全十美的。令人惊奇的是，并非我们干得这样差，而是我们于得这样好。 

我们不知道“火星观测者”的失败是由于技术不过关呢，抑或只是统计上失败率的表现。但是，我们去其他世界探测，就应当预料到总会有失败。一艘无人太空船失踪时，没有人员伤亡。即使我们把成功率再次大幅度提高，付出的代价毕竟仍很可观。好得多的办法是冒失败的危险，发射更多的无人飞船。 

既然已经知道风险无法减得很低，为什么现在每次执行任务只发射一艘飞船呢？在1962年，原拟探测金星的“水手1号”坠人大西洋。可是与它几乎一模一样的“水手2号“却成为人类有史以来第一个成功的行星探测器。“水手3号”失败了，但它的孪生兄弟“水手4号”在1964年成为第一艘近距拍摄火星照片的太空船。还可以看看1971年同时发射探测火星的“水手8号”和“水手9号”。前者准备绘制这个行星的地图，而后者要研究表面特征的神秘的季节变化和长期变化。除此之外，两艘飞船一模一样。“水手8号”掉进大海，而“水手9号”飞到火星，成为人类历史上第一艘绕另一个行星转动的太空船。它发现了火山、极冠的层状地质结构、古代的河谷，以及由风吹形成的表面变化。它否定了“运河”㈡。它绘制了行星从一极到另一极的地图，并发现了我们今天所知火星的全部主要地质特征。它对自成一类的小天体中的两个成员（火卫一与火卫二）进行了首次近距离观测。假如我们只发射了“水手8号”，那么这个探测项目就彻底失败了。而由于两个飞船一起发射，则取得了辉煌的、历史性的成功。 

也还有过两艘“海盗号”、两艘“旅行者号”、两艘“维佳号”，以及许多成对的“金星号”。为什么只发射了一艘“火星观测者”？标准答案是经费不足。它的费用昂贵，部分原因是它按计划由航天飞机发射，而用航天飞机作为发送探测行星的飞船的助推器，使费用高得出奇。在这种情况下没有经费发射两个“火星观测者”。在与航天飞机有关的多次延期和增加费用之后，国家宇航局改变主意，决定用“大力神”运载火箭来发射“火星观测者”。这样一来，就需要用一个新的承接器把飞船与大力神火箭连接起来，于是发射又推迟了两年。如果不是国家宇航局太热中于为越来越不合算的航天飞机招揽生意，我们可能就会早两年发射，并且可能不是一艘而是两艘太空飞船一起发射。 

可是无论是单独发射还是成对发射，热心于空间事业的国家都认识到，再向火星发送无人探测器的时机已经成熟。发射任务的设计改变了；新的国家参加进来；原有的国家发现它们的资金不足。甚至已经获得的资助计划也并不都靠得住。但是现有的计划确实显示出努力和奉献的程度。 

在我撰写本书的时候，美国、俄罗斯、法国、德国、日本、奥地利、芬兰、意大利、加拿大、欧洲空间局和其他单位都提出初步计划，合作对火星进行自动操纵的探测。在1996年至2003年的7年间，一支约由25艘太空船（它们大多是较小而便宜的）组成的舰队将由地球发射到火星。它们都不是从火星旁边快速飞过，而是长时期在绕火星的轨道上飞行，或在火星上着陆。美国准备把在“火星观测者”上丢失的仪器，全部复制并再度发射。俄罗斯的飞船装载的仪器将可供大约20个国家联合进行雄心勃勃的实验。通信卫星将使火星上任何地点的实验站能把它们的资料传回地球。在绕火星轨道上的飞船将向下发射穿进火星土壤的钻探器，然后从火星表面下发送信息。载有仪器的气球和流动实验室将在火星的沙地上漫游。有些微型自动机器只有几千克（或几磅）重。着陆地点正待选定，它们将相互协调。仪器将能相互校准。数据资料将自由交换。我们有充分的理由相信，在不久的将来，地球上的居民会越来越了解火星及其奥秘。 

你戴上头盔和手套，走进地球上的遥控指挥中心。这是一间特殊的房屋。你把头向左转，这时火星上自动操纵巡游车的照相机也转向左方。你看见了这架照相机所见到的清晰度非常高的彩色图象。你朝前走一步，巡游车也前进了。你伸手拾起一件在泥土里闪亮发光的东西，于是机器人的手臂也做同样的动作。火星上的沙粒沿着你的手指滴下来。这种遥控的实境技术唯一的困难是，这一切都得通过令人厌倦和缓慢的动作才能实现，因为指令从地球传到火星和数据由火星送回地球往返一次需要半小时或更长的时间。但这是我们能够学习的动作。如果这种耐心是探侧火星需要付出的代价，我们能够学会耐心等待。我们可以使巡游车灵巧到足以对付常见的意外事故。如果出现丁某种更麻烦事情，巡游车会先自行完全停下，进入一种安全保护状态，然后发送电讯回地球，让一位非常有耐心的控制人员来接着处理。 

这些受魔法控制，到处巡游的灵巧机器人自动车，每一个都是小型科学实验室。它们在安全而单凋乏味的地方着陆，到处漫游，在近处观赏火星上不可胜数的奇景。也许一个机器人每天都会漫游到它的地平线极端处；于是每天早上我们都可以近距观看昨天还是在远处的高地。这种不断扩展的火星风光漫游会在电视新闻中播出，或者在教室里放映。人们便猜测还将发现什么。每天晚上从另一颗行星传回的新闻，意外发现的新地区和新科学探测结果，会使地球上每一个人都感到，自己好像也参加了这种探险。 

于是出现了一种火星的虚拟实境。从火星传回的信息，储存在一台新式的电脑中，馈送到你的头盔、手套和靴子。你是在地球上一间空房子里踱方步，但是你感觉自己好像是在火星上行走：你看到粉红色的天空，布满巨石的原野，沙丘延伸到地平线处，那里庞大的火山隐约可见；你听见沙石在靴子下面嘎吱作响；你翻转岩石，挖一个洞，采集稀薄空气的样品；拐一个弯，然后面对着……你在火星上无论什么样的新发现——这一切都是火星上确实发生的事物，而这一切都是你在家乡的一间安全的沙龙中感受到的虚拟实境。这并不是我们为什么探测火星的目的，但有一点很清楚，就是我们需要先让机器人探险家把真实情况传送回来，才能重现虚拟实境。 

尤其是在不断向机器人和人工智能研制投资的时候，没有单纯的科学上的理由能够说明需要把人送上火星。此外，能够体验虚拟火星的人比可能登上真正火星的人要多得多。我们用机器人可以干得很好。如果要把人送上火星，我们需要有一个比科学与探测更好的理由。 

在20世纪80年代，我想到了一个送人去火星的合乎情理的理由。我设想美国和苏联这两个把全人类文明置之不顾的冷战对手，能够在一个卓有远见的高科技事业中合作，这会给世界各地的人民带来希望。我想象出一种与阿波罗计划反其道而行的计划，它的原动力不是竞争而是合作。通过这种合作，两个在太空探测中领先的国家会为人类历史上的一个重大进展——人类最终能在另一个行星上定居——奠定基础。 

这个象征似乎是很恰当的。能够发射《启示录》中所预言的洲际武器㈢的技术，同样也可以使第一批人能飞向另一个行星。这是对神话魔力的一种适宜的选择：去拥抱一颗以战神命名的行星，而不是去做战神才会干的疯狂行径。 

我们成功地使苏联科学家和工程师对这种合作感兴趣。早在这种想法流行之前，设在莫斯科的苏联科学院空间研究所当时的所长萨格捷耶夫（Roald Sagdeev）已经认真致力于苏联对金星、火星与哈雷彗星的机器人探测的国际合作。拟议中的合作要使用苏联的“和平号”空间站和“土星5号”级的“能量号”发射火箭㈣，这对苏联研制这些硬件的机构很有吸引力，因为只有这样做才能够表明它们制作这些器件是必要的。经过一系列辩论（它们的主题之一是促使冷战结束），那时的苏联领导人戈尔巴乔夫（Mikhail S·Gorbachev）被说服了。 

1987年2月在华盛顿举行最高级会谈时，有人问戈尔巴乔夫先生，什么是象征美苏两国关系改善的最重要联合行动，他毫不犹豫地回答说：“让我们一起去火星吧。” 

但是里根政府不感兴趣。与苏联人合作，承认某些苏联科技比美国更先进，让苏联人取得美国的一些科技成果，共享荣誉，给武器制造商找到另一条出路——这些都是里根政府不喜欢的事情。合作计划遭到否决。火星便只能耐心等待。

只过了短短几年，时代改变了，冷战结束了。苏联解体了。两国合作的益处丧失了一部分吸引力。其他国家——尤其是日本和欧洲空间局的成员国——也参加了行星际旅行。许多项正当的和急迫的需求，都被列入这些国家可以支配使用的预算。 

但是“能量号”重量级火箭仍在等待发射任务。载重型的“质子号”火箭已是整装待发。几乎连续不断地载有宇航员的“和平号”空间站仍然是每隔一个半小时绕地球转一圈。尽管有内部动乱，俄罗斯的太空计划仍然在起劲地进行。俄罗斯与美国在空间研究方面的合作正在加速进行。一位俄国的宇航员克里卡廖夫（Sergei Krikalev）于1994年在“发现号”航天飞机上完成丁例行的一星期飞行（在这之前，他已在“和平号”空间站上飞行了464天）。美国宇航员将访问“和平号”。一些美国的科学仪器（包括检验被认为能破坏火星土壤中有机分子的氧化剂的仪器）就要由俄国空间飞船带往火星。按原来的设计，“火星观测者”准备用作俄罗斯在火星上的登陆器与地球通讯的转播站。俄国人还提出，在即将由“质子号”火箭发射的多重负载中，把美国的一艘绕火星运转的空间船也包括在内。 

美国与俄罗斯在空间科学方面的才能和技术可以相互补充，就像两只手的手指交错对插一样，在一方的强处，另一方弱。这是在天空中结成的姻缘，可是令人意外的是，它总是难臻美境。 

1993年9月2日，美国副总统戈尔（Al Gore）和俄国总理切尔诺梅尔金（Viktor Chemomyrdin）在华盛顿签署了一项深入合作的协议。克林顿政府已经命令国家宇航局重新设计美国的空间站（在里根执政年代称为“自由号”），使它与“和平号”有相同的轨道，于是两个空间站可以对接。还要附加上日本和欧洲的太空舱，以及加拿大的一只自动机械臂。这些设计现已演变成名为“阿尔法”㈤的空间站。几乎所有从事太空探测的国家都参与这项任务（最引人注目的例外是中国）。 

作为与美国进行空间合作和获取硬通货的交换条件，俄罗斯实际上同意停止向其他国家出售弹道导弹的部件，并广泛地加紧控制它的战略武器技术的出口。这样一来，和在冷战高潮时期一样，太空再次成为国家战略政策的一种工具。 

然而这种新动向已经使美国的一些航天工业和国会中一些关键人物深感不安。没有国际竞争，我们能不能促进这样雄心勃勃的计划呢？如果每次发射都用俄国的火箭，这是否意味着削减对美国航天工业的支持？美国人能否信赖俄国人会持续支持合作项目并作长期努力？（当然，俄国人也会向美国人提出类似的问题。）但是从长远看来，合作项目可以节省经费，利用分散在世界各国的出类拔萃的科技人才，并激起对全球未来的向往。各个国家的许诺都可能有起伏变化。我们很可能前进几步，又后退几步。可是总的趋势似乎是明显的。 

尽管有不愉快的事件，以前两个对手的空间计划仍开始联合起来了。现在已经可以预见到有一个全世界的空间站——它不属于任何一个国家，而属于地球这个行星。这个空间站的轨道与地球赤道的倾角为51°，高度为几百千米。一个正在拟议中引入注目的合作项目称为“火与冰”，它是一艘高速飞行的太空船，要近距飞过冥王星——最后一个尚未探测的行星。为了飞到那里，需要借助于太阳的引力。在离太阳很近的地方，小探测器实际上会进入太阳大气。㈥此外，我们似乎即将组成一个“国际集团”来对火星进行探测。看起来很可能，如果没有全球合作，这些计划都根本无法完成。 

让人去火星上探险，是不是有正当的、合算的和可受到广泛支持的理由，这还是一个悬而未决的问题。无疑还没有定论。这个问题留待下一章讨论。 

我想论证，如果我们最终不打算把人送上像火星这样遥远的世界，那么我们就失去了建立空间站的主要理由（空间站是一个在绕地球的轨道上永远或间断地有人居住的前峭站）。太空船绝不是一个研究科学的最佳场所——无论是朝下看地球，或者向上看太空，还是想利用微重力㈦，都是如此（正是宇航员自身的存在就把微重力弄乱了）。为了军事侦察，太空站远逊于无人空间飞船。太空站在经济或工业生产方面也投有多大用处。与无人空间飞船相比，它要昂贵得多。此外，它当然要冒送命的危险。每次为建造太空站或为它供应物资而发射航天飞机，估计有百分之一二的灾难性失败的概率。以前发射的民用或军用航天器都在绕地球的低轨道上留下一些快速运动的碎片，它们迟早会与空间站相碰撞（虽然至今为止“和平号”空间站还没有遇到过这种危险）。为人类探测月球，也不需要空间站。根本没有空间站，“阿波罗”飞船还是成功地飞到了月球。用“土星5号”或“能量号”级的大型发射器，可以到达近地小行星或甚至火星，而不需要在轨道空间站上装配行星际飞船。 

空间站具有启发智力和教育方面的意义，它肯定有助于加强从事太空开发的国家——主要是美国与俄罗斯——之间的关系。但是就我所知，空间站唯一的实质性的功能是为长期太空飞行服务。微重力对人的行为有什么影响？我们怎样阻止在失重情况下血液中化学成分的不断变化以及骨骼中估计每年6％的钙的流失？（对在失重状态下必须花三四年时间飞往火星的旅行者来说，这个效应累积起来甚为可观。） 

这些问题几乎说不上是与脱氧核糖核酸或进化过程有关的基本生物学问题，而只是应用人体生物学问题。解答这些问题是重要的，但是只有花费很长时间飞往太空中很遥远的地方㈧，才能使问题得到解决。对建造空间站来说，唯一实质性的与合乎情理的目的，便是让人类最终到近地小行星、火星或更远的星体上去探测。国家宇航局对明确说清这一点一直是很谨慎的。这也许是因为它担心国会议员们感到厌烦，把手一伸，指责空间站是极昂贵的楔子上的尖端㈨，并且宣称美国把人送上火星的时机还不成熟。因此，事实上国家宇航局对空间站的真正用途一直保持沉默。即使我们有了空间站，也没有人会要求我们马上就到火星上去。我们可以用空间站来积累和增进有关的知识，并且需要干多久都可以。于是一旦时机成熟，我们准备好去行星时，我们就有了条件和经验。可以安全地到达目的地。 

“火星观测者”的失败，以及1986年“挑战者号”航天飞机的灾难性坠毁都提醒我们，人类将来飞向火星或其他星体时，总会有一定的难以避免的出危险的可能。“阿波罗13号”飞船未能在月球上着陆，勉勉强强地平安返回地球，这说明我们多么走运。虽然人类制造汽车和火车已经一个多世纪了，我们还不能造出绝对安全的车辆。人类开始用火已经有几十万年了，世界上任何城市都有消防队员，他们耐心等待，哪里失火就去扑灭。哥伦布四次远航寻找新大陆时，他的船只多次沉没，1492年出发的那支小船队也损失了三分之一的船。 

如果我们要送人去，必须有很好的理由——并且要有现实的认识，即几乎肯定会有人员伤亡。宇航员们已经了解这一点。尽管如此，志愿献身者从来不乏其人。 

但是，为什么去火星？为什么不再去月球？月球很近，并且我们已经证实能够把人送上去。我关心的是，尽管它很近，到那里去即使不是死胡同，也是绕弯路。我们已经去过了，还从月球带回来一些东西。人们已经看见了月球岩石，而且我有充分理由相信，他们已对月球感到厌倦。它是寂静的，没有空气，没有水，天空漆黑，是一个死的世界。它最令人感兴趣的也许是布满陨石坑的表面，这是在地球与月球上都有过的古代灾难性撞击的遗迹。 

对比起来，火星有气候变化，有尘暴，有自己的卫星、火山、冰极冠，有特殊的地形、古代的河谷，以及在这个曾经与地球类似的世界上有过大规模气候变化的证据。它过去可能有生物，也许现在还有。它是将来对生物最为适宜的行星——从地球迁移过去的人类靠它的土地生活。对月球来说，这一切都不存在。火星也有自己被陨石撞击过的一段历史。如果离我们最近的是火星而不是月球，我们对载人空间飞行就不会畏缩不前。 

月球也不是理想的登陆火星的实习场所，也不是去火星的中途站。火星和月球的环境大不一样，而月球离火星与地球离火星同样远。用于火星探测的机械装备至少可以一样地在绕地轨道上测试，也可在近地小行星上，或在地球本身上（例如在南极洲）测试。 

日本对美国和其他国家规划与实施重大的太空合作计划的诺言，往往持怀疑态度。这至少是一个理由可以说明，为什么日本比其他任何从事空间开发的国家都更倾向于单干。日本的月球与行星学会是一个代表政府、大学及主要工业部门中对空间事业热心的人物的组织。在我撰写这本书时，这个学会正在提议完全用机器人的劳动建造和装备一个月球基地。据说实现这个规划大概需要30年，并且每年要花费大约 10亿美元（这相当于目前美国民用大空经费的7％）。只有在基地完全建好后，才能把人送上去。他们说，按地球上的无线电指令让机器人建设基地，比起送人去干活，经费会减少到十分之一。有消息说，这个计划遇到的唯一麻烦是日本的其他科学家一直在问：“为什么要建这个基地？”对每一个国家来说，这都是一个应该提出的问题。 

第一次把人送上火星，很可能目前任何一个国家都无法单独承担这笔昂贵的费用。由人类少数种族的代表来实现这个历史性的任务也不适当。但在不太遥远的将来，由美国、俄罗斯、日本、欧洲空间局——或许还有其他国家，例如中国——采取联合行动，也许是可行的。国际空间站将会检验人类在太空合作方面进行重大工程项目的能力。 

今天把1千克重的物体送人绕地球的低轨道的费用，大约相当于1千克黄金的价值。这肯定是我们现在还不能在火星上古老的海岸漫步的一个主要理由。多级化学燃料火箭是第一次把人送入太空的工具，正是它们直到现在还在使用。我们一直在努力改进它们，使它们变得更安全、更可靠、更简便、也更省钱。但是这还没有办到，至少几乎不是像许多人所希望的那样很快实现。 

因此也许还有更好的办法：也许可以用单级火箭把负荷直接送入轨道；也许可以用大炮或用从飞机上发射的火箭把许多个小的负荷分别射出；也许可以采用超声速的冲压喷气发动机。或者还可能有比我们已经想到的要好得多的方法。如果我们能够利用目的地星体的空气和土壤制造出回程所需的推进燃料，那么太空航行的困难将大为缓解。 

一旦我们进入太空，并想去其他行星探险，那么，即使用了引力助推，火箭也不一定是运送大负荷的最好工具。现今的办法是，我们先作几次火箭点火，随后进行中途校正，最后靠惯性飞完其余的航程。可是还有一些大有希望的离子和核／电推进系统，它们产生较小的可是持续的加速。或者，像俄罗斯太空先驱齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）所首先设想的，我们可以使用太阳帆——即靠太阳光和太阳风来推动的庞大而极薄的膜，它们宽达几千米，可以在行星之间的真空区来回飞行。尤其是对于去火星或者更远的地方，这种方法比火箭要好得多。 

和大多数技术一样，当一种技术勉强可以使用时，它作为这类技术中最早的，自然会改进它、发展它、利用它。不久，有若干机构对该技术进行投资，因此，即使该技术有什么缺陷，也很难改弦更张。国家宇航局几乎没有资金来探寻其他推进技术。这笔经费只能来自近期的，能够取得具体成果的，并且为国家宇航局的成功记录增光的项目。花钱去研究新技术，要等一二十年后才会有效益。人们对一二十年后的事情几乎没有兴趣。这样就使原先的成功埋下将来失败的种子。这和生物进化中有时出现的例子很类似。但是迟早会有某个国家——也许是一个在或多或少有效用的技术上还设有大量投资的国家——会开发出有效的其他推进技术。 

甚至在新的推进技术研究出来之前，如果我们走合作的道路——也许在新世纪和新千年开头的几十年间——当一个行星际飞船在绕地球的轨道上装配出来时，这种进展的全部实况在晚间新闻中播出的时刻便会到来。宇航员就像来回奔忙的小虫子一样，把预制件装配起来。最后经过调试一切就绪，一队由各国宇航员组成的乘务组登上飞船，并把它开动到逃逸速度。在去火星的整个往返旅程中，乘务组成员们相依为命，这是一个和地球环境的实际情况相似的小天地。第一次联合载人行星际航行，也许只能近距飞过火星或绕它旋转。在这之前，带有气刹、降落伞和制动火箭的无人飞船谅必已平稳地降落在火星表面，在那里收集样品，把它们带回地球，井把供应物资留下来供未来的探测者使用。但是无论我们是否有迫切的、言之有理的理由，我都确信——除非人类先把自己毁灭掉——人类置身于火星之上的日子总会到来。这只是一个时间问题而已。 

按照1967年1月27日在华盛顿和莫斯科同时签署的庄严条约，任何一个国家都不能声称拥有另一个行星的一部分或全部。然而由于哥伦布谅必已很了解的历史上的原因㈩，有些人关心的是，谁会最早踏上火星的土地。如果这真是一个使我们感到困惑的问题，我们可以当乘务组成员们在火星的轻微重力下着陆之际，把他们的脚踝绑在一起。 

飞船乘务员们将会采集到新的或以前取得过的样品，一方面是为搜寻生命，另一方面是要了解火星与地球的过去和未来。为了将来探测的需要，他们要尝试从岩石、空气和表面下永冻层提取出水、氧和氧，用作饮料，供呼吸或开动他们的机器，以及为回程火箭作燃料及氧化剂。为了最终在火星上建设基地和定居，他们会测试火星上的物质。 

他们也会去探测。我想象中的人类在火星上的早期探测，是一辆有点像吉普车的巡游车，在河谷网中上上下下地漫游，乘务员们手持地质取样的锤子、照相机和分析仪器在待命。他们寻找老早的岩石、古代灾难遗留的痕迹、气候变迁的线索、奇特的化学物质、化石或者——这是最激动人心也是最不大可能找到的——某种活着的生物。他们的发现以光速用电视播送回地球。你舒适地和孩子们一起躺在床上，就可以勘察火星上古老的河床。 

㈠美国装牛奶的纸盒上常印有寻人启事。“火星观测者”太空飞船在火星附近失踪后，有人把寻找它的告示印在牛奶盒上。——译者 

㈡以前有些天文学家用地面望远镜观察火星，宣称看到一些条纹，并认为这是“火星人”开凿的运河。——译者 

㈢《圣经·新约全书》最后一章说．在世界末日有一场极大的战争，所用的武器可以从一个大洲射向另一个大洲。——译者 

㈣“土星5号”是美国最大的火箭，也是发射“阿波罗“太空飞船的第一级火箭。“能量号”是苏联最大的火箭。——译者 

㈤希腊文的第一个字母α。——译者 

㈥这个计划称为“火与冰”，是因为太阳是火热的，而冥王星星冰冷的。——译者 

㈦比地球表面的重力约小1O万倍的地区为微重力区。——译者。 

㈧即长期在失重或微重力情况下生活。——译者 

㈨意为昂贵的空间站只是开端：后面还有更昂贵的太空探测项目。——译者 

㈩历史惯例是谁先发现的土地，谁就有权视其为自己的领土。——译者 

谢选骏指出：机器人可以作为铺垫，但却无法完成真正的探险——这是因为，任何成功的探险在本质上都只能是一种朝圣行为。机器可以帮助人们朝圣，却无法代替人类前往朝圣；正如机器可以帮指人们生活，却无法代替人们生活。

【第十六章 测天有术】

我的朋友，谁能够给天空过秤？ 

——《吉尔加梅什㈠史诗》（苏美尔人，约公元前3000年） 

这是怎么一回事？我有时很惊奇地问自己：我们的祖先能够从非洲东部步行到新地岛㈡、艾尔斯山㈢和巴塔哥尼亚㈣，能用石矛捕猎大象，在7 000年前能乘敞蓬小船横渡极区海洋，单靠风力推动环游地球；在进入太空后10年就在月球上行走——而我们竟被去火星飞行吓住了吗？可是我接着又提醒自己，地球上人们的苦难是可以避免的。只要花几块钱就可以救活一个因脱水而快要死亡的儿童。把去火星的经费节省下来能够拯救多少个儿童啊！——于是目前我改变主意了。究竟是不去好呢，还是去好呢？也许我提出了一种虚假的二分法。是不是可能既让地球上每一个人的日子都过得更好，同时又能到达行星与恒星？ 

在60和70年代，我们的航程不断扩大。你大概和我当时一样，已设想，我们人类在20世纪结束前就可以登上火星。但是没有去成，我们退缩了。如果不提机器人，我们在行星和恒星两方面都退缩了。我不断地问自己：这是我们胆怯了，还是成熟了？ 

也许这就是我们本来能够希望得到的最合理结果。从某种意义上来说，已经实现的也许根本就是一个奇迹：我们把 12个人送去月球作了长达一星期的旅行。此外，我们获得资助对整个太阳系进行了初步的考察，往外已经到了海王星。这些探测取得了丰富的资料，但是它们并不具有短期见效的，每天都有用的，让人吃饱肚子的实际意义。然而它们振作了人们的精神。它们启发我们认识自己在宇宙中的地位。不难想象，如果没有登月竞赛，没有行星探测，历史的因果关系会出现怎样的混乱情况。 

但是也可以想象到，如果对太空探测更加积极热忱，那么今天我们就会有自动无人飞船去探测所有类木行星的大气，以及几十个卫星、彗星与小行星；还有一个分布在火星上的自动科学台站网，每天都报告它们的发现；地球上的实验室能检验来自众多星体的样品，揭示出它们的地质、化学，也许甚至还有生物的情况。人类的前哨站可能已经在近地小行星、月球和火星上建立起来了。 

历史上有许多种可能的发展途径。我们特有的紊乱因果关系使我们走上了一个朴实而原始的途径，虽然在很多方面仍然有英勇的系列探测。但是这比起我们原本可以办到的——或者有朝一日能够做到的——还差得很远。 

“把普罗米修斯的绿色生命之火和我们一起带到贫瘠的空地上，然后在那里点燃生命的风暴大火，这就是我们人类的命运。”这句话摘自一个名为“第一个千年基金会”印发的小册子。该组织承诺，只要每年交120美元的会费，“当时机成熟时，就可以取得太空殖民地的公民权”。捐献更多钱的“施主们”还会得到“突飞猛进的星体文明永恒的铭记。他们的名字会刻在将来月球上竖立的巨碑上”。这代表着对人类进入太空的持续热忱的一个极端。而更能代表另一个极端的美国国会却在质问，究竟为什么我们需要到太空去；尤其是不送机器人而是送人去。社会评论家埃齐奥尼（Amitai Etzioni）有一次把阿波罗计划称为“幻月”。持这种倾向的人认为，既然冷战结束了，没有任何理由再实施载人太空计划。在这两个极端政策之间，我们该采取什么立场呢？ 

自从美国在登月竞赛中打败苏联之后，一个言之成理和为人们广泛了解的把人送入太空的理由似乎消失了。美国总统和国会各个委员会对载人空间飞行计划都感到无所适从。它的目的何在？我们为什么需要它？但是宇航员的功勋和登月计划的实现已经理所当然地赢得全世界的赞誉。政治领袖们对自己说，如果放弃载人太空飞行，这就等于抛弃了美国这项令人震惊的成就。难道有哪一位总统和哪一届国会愿意对结束美国的太空计划承担责任？据闻在前苏联也有一种类似的议论：人们自问，我们是否要放弃我们仍然执世界之牛耳的现有高科技？我们是不是齐奥尔科夫斯基、科罗廖夫（Sergei Korolev）㈤和加加林的忠实继承人？ 

官僚机构的第一定律是保障自己的长期存在。没有上级的明确指示，国家宇航局自己管自己，逐渐转变成为只保持自身利益、工作机会和补贴的机构。在长期探测计划的制定和执行中，由国会唱主角的“肉桶政治”㈥成为越来越强大的支配力量。官僚政治僵化了。国家宇航局迷失了方向。 

在1989年7月20日，即“阿波罗11号”登月20周年纪念日，布什（George Bush）总统宣布了美国空间计划的长远方向。这个称为“太空探测创举”（Space Exploration Initiative，简称 SEI）的计划提出一系列目标，包括一个美国空间站，再送人上月球以及人类首次登上火星。在后来的一项声明中，布什先生把实现第一次踏上火星的目标定在2019年。 

然而尽管有上面拟定的明确方向，“太空探测创举”计划还是落空了。在它制定4年后，它在国家宇航局连一个专司其职的机构都没有。本来应当得到顺利批准的用小而不贵的机器人探测月球的计划也被国会否决了。这是因为国会不愿把它和SEI扯在一起。是什么地方出了毛病呢？ 

一个问题是时间长度。SEI的时间跨度约长达5位未来总统的任职期（假定每位总统平均在位一任半），这使每位总统都容易把责任推给他的继任人，但是继任总统是否认真对待这个任务，就大可怀疑了。SEI与阿波罗计划形成鲜明对比——阿波罗计划刚开始时也许己可猜出，它在肯尼迪总统或紧接他的下一任总统的任期内就能完成。 

第二，有人关心安全成问题。国家宇航局最近连把几个宇航员送到地球上空320千米（200英里）都发生了严重事故，它是否能安全地把宇航员送进一个弧形轨道，用一年时间飞到1.6亿千米（1亿英里）以外的目的地，然后把他们活着带回来。 

第三，这个计划完全是从国家主义立场拟定的，在设计与执行中都没有把与其他国家的合作当作基本条件。当时在名义上负责空间事务的副总统奎尔（Dan Quayle）在为空间站辩护时说，它表明美国是“世界上唯一的超级大国”。可是苏联已经领先美国10年拥有可运作的空间站，因此奎尔先生的言论令人难以相信。 

最后，从实际问题考虑，还有钱从何处来的问题。对把人首次送上火星所需的经费，有不同的估计，最高达到5 000亿美元。 

当然，在拟定探测计划之前，不可能估计出实际经费的数目。而探测任务的拟定与下列诸多因素有关：探测队的规模；减轻太阳和宇宙辐射危害以及失重影响的措施要达到的程度；还有为保障男女队员生命需要承担的其他风险。如果每位队员都有自己的专长，他们中间有一个人生病时该怎么办？探测队越大，后备人员就越多。几乎可以肯定你不会把一位专职的牙科医生送上去，但是如果你牙疼，要动手术，而你离最近的牙科医生有1.6亿千米（1亿英里），该怎么办？难道可以让地球上的一位牙科医生用传真方法治疗？ 

影响探测计划与经费的其他不确定因素还有：是否在送人上火星之前先把补给品从地球平安地运过去；是否利用火星上的资源提炼出供呼吸的氧、供饮用的水以及供回程用的火箭燃料；在着陆时是否用火星的稀薄大气作气刹；要带多少备用设备才算是谨慎小心；你所用的生态循环系统有多大的密封程度，是否仅依靠从地球带去的食物、水和废物处理装置；如何设计供队员勘察火星地形所乘的巡游车；以及你愿意带多少仪器去测试我们今后再去火星时靠当地资源过活的能力。 

只有等这些问题都决定，否则确认这项探测计划的任何费用估价都是荒唐的。在另一方面，同样清楚的是实施“太空探测创举”计划的经费也极为昂贵。由于所有这些原因，计划无法启动。它成了一个死胎。布什政府没有作任何有效的努力，运用它的政治资本来推动“太空探测创举”计划。 

给我的教训似乎是明白的：在较近的将来可能无法把人送上火星——尽管我们的科技能力完全可以办到。各国政府都不会只是为科学或探测而花费这样一大笔的钱。它们需要另一个目标，一个必须有现实政治意义的目标。 

火星探测现在大概不能启动，但在能启动时，我认为从它一开头就应当是国际性的，经费和职责分摊；许多国家的专门技能都派上用场；价格必须合理；从批准到发射的时间应当与政治上的实际时间表相协调；此外有关各国的空间部门要证明它们有能力承担此项开拓性的探测任务，让探测队平安和及时地往返，并且不超出预算。如果能设想用不到1 000亿美元的经费，从批准到发射不超过15年，这项探测也许是可行的（就经费而言，只是目前从事空间开发国家每年民用太空预算的一小部分）。如果能用气刹和从火星空气提炼出供回程使用的燃料及氧气，现在已经看得出这样的预算和时间表似乎是切实可行的。 

探测任务的费用越少，时间越短，宇航员就要去冒更大的生命危险。然而已经有不可胜数的例子表明，为了一项伟大的事业总会有能够胜任的志愿者去执行非常危险的任务，中世纪日本的武士便是一例。当我们致力于规模如此宏大的前所来有的计划时，不会有真正可靠的预算和时间表。我们要求的回旋余地越大，实现计划所需的费用就越多，时间也越长。要在政治的可行性与任务的成功之间找到一个正确的折中方案，真是不容易。 

如果说因为我们有些人从小就梦想去火星，或者因为这对人类来说显然是长期探险的目标，这样的理由对于上火星是不充分的。如果我们为此要花大量的钱，应当还要有更充分的理由。 

现在还有许多显然需要国家支持的事务，它们没有大量经费就办不成。与此同时，可以由联邦政府自由支配的预算却在令人痛苦地削减。化学和放射性有毒物品的处理，能源效率的提高，矿物燃料代用品的研制，技术更新速率的下降，城市基础设施的报废，艾滋病的流行，治疗癌症的灵丹妙药，无家可归人的安排，营养不良、婴儿夭折、教育、就业、保健——该办的事情多得令人叫苦不迭。忽视这些问题会危害国家的安宁。所有从事空间探探测的国家都面临相似的进退两难的困境。 

要搞好每一项这样的事务，几乎都得花费上千亿美元。搞好基础设施需要几万亿美元。如果办得到，在全世界使用矿物燃料的代用品显然要花若干万亿美元的投资。有人告诉我们，这些项目都超出我们的支付能力。这样一来，我们哪里有钱去探测火星呢？ 

如果美国联邦政府的预算（或其他从事空间开发国家的预算）再增加20％的自由支配经费，那么，我为送人上火星而进行的辩护，也许就不会感到为难了。如果相反少了20％，我想，即使最热心太空事业的强硬派电不会极力主张去火星探测。肯定有一条分界线．越过了它，国民经济会陷入困境，送人去火星成为难以想象的事情。问题是分界线画在什么地方。分界线当然是有的，参加争议的每一个人都应当说明他认为分界线该画在何处，就是说用于太空探测的经费超过国民生产总值的百分之几就算是太多了。我希望对国防预算也应该这样做。 

民意测验显示，许多美国人都认为国家宇航局的预算与国防预算大致相等。事实上，整个国家宇航局的预算，包括载人与机器人探测以及航空方面的费用在内，只为美国国防预算的5％左右。国防预算减到多少才真会削弱美国的防御能力？纵使把国家宇航局整个砍掉，省下来的钱是否足以解决美国国内的迫切问题？ 

如果采用15世纪时哥伦布和航海家亨利（Henry the Navi- galor）㈦的言论，即应当有一个获利的诱惑，①那么一般说来，载人太空飞行——暂时不提火星探测——就更容易得到公众的支持。已经出现了一些言论。有人说，利用近地空间的高真空、低重力或强辐射环境也许可以获得一些商业利益。对所有这些建议都必须提出这一问题：如果在地球上可得到的开发经费与投入太空计划的费用差不多，那么类似的或更好的产品能不能在地球上生产出来？从企业主愿意投入空间技术的钱非常少来判断——不要提火箭和太空飞船本身的研制费用了——至少在目前，这种想法似乎难以实现。 

有人认为有些稀有原料在太空某处也许可以找到，可是运费极高。据我们所知，在土卫六上可能有石油腈洋，但是把那里的石油运回地球，花费太大。在某些小行星上白金族金属含量可能丰富。如果我们能够把这些小行星移动到绕地球的轨道上，或许我们就可以方便地开采这些金属。但是，如我在本书后面将谈到，至少在可预见到的将来，这是一种危险的鲁莽设想。 

海因莱思（Robert Heilein）在他的经典科幻小说《出售月球的人》中，设想太空旅行的主要动机是获利。他没有预见到冷战会把月球“卖掉”。但是他确实认识到，很难找到一个真正站得住脚的赢利论点。因此，海因莱思虚构出一个骗局，说月球表面撒满了金刚钻，于是探险家们便忙忙碌碌地前往寻找钻石，因而引发了一场淘钻热。虽然此后我们从月球上运回了一些样品，可是有商业价值的钻石连影子也没有。 

然而，东京大学的仓本喜代（Kiyoshi Kuramoto）和松井高文（Takafumi Matsui）研究了地球、金星与火星内部的铁质核心如何形成，并发现火星的地幔（位于地壳与核心之间）应当含有大量的碳，比月球、金星或地球的含量都更丰富。在300千米以下的深处，巨大的压力会使碳转变成钻石。我们知道火星在其历史上地质变迁十分活跃。内部极深处的物质有时会被挤压到表面上来，而不仅是在大火山爆发时才出现这种情况。因此在其他世界上确实可能有钻石——可是这不是在月球上，而是在火星上。至于钻石有多少，品质与大小如何，以及藏在什么地方，我们都还一无所知。 

一艘太空飞船满载着灿烂夺目、重许多克拉的大钻石飞回地球，无疑会压低钻石的（以及德·比尔联合矿产公司㈧与通用电气公司㈨的股票）价格。但是由于钻石具有装饰和工业上的用途，价格下降大概会有一个限度。可以想象，这些受到影响的工业部门也许会找到理由促成早日进行火星探测。 

用火星钻石来支付火星探测的费用，这种想法不过是信口开河罢了，可是它却是在其他世界上可能找到稀有和价值昂贵的物质的一个例子。然而只有笨蛋才会指望这种事情能够成功。如果我们要证明有必要去别的世界探测，必须找到其他的理由。 

除掉讨论利润、价格，甚至降低价格问题，我们还须谈谈太空探测的好处，如果真有好处的话。为载人火星探测辩护的人应当讲清楚，从长远来说，去那里探测是否有希望解决地球上的某些问题。现在要确定判断正误的标准，于是你才知道这些理由是对的、不对的，还是难以确定： 

人类去火星探险将以洋洋大观的方式增进我们对这颗行星的认识，包括对现在和过去生物的探寻。这个计划还可能澄清我们对自己所在行星环境的了解，而机器人探测已经开始这样做了。我们的文明史表明，对基本知识的追求为最重要的实用进步开辟道路。民意测验的结果说明，极大多数人认为“探测太空”是为了“增进知识”。但是为了达到这个目的，是否必须让人进入太空？在我看来，如果把机器人探测列为国家优先项目，并给它配置先进的人工智能，它完全能够像宇航员一样解答我们需要询问的一切问题，而所需费用可能仅为10％。 

有人说太空技术会产生“有用的副产品”㈩——太空技术含有的巨额实惠不应落空——这样可以增进我们的国际竞争力和国内经济。但这是旧话重提了：花800亿美元（折合成现在的钱）把“阿波罗”宇航员送上月球，我们可以免费赠送一只不粘锅Ⅰ。坦率地说，如果我们真想要不粘锅，不妨直接投资来生产，那么800亿美元几乎可以全部省下来。 

还有其他理由可以表明这种论证是似是而非的，其中之一是杜邦公司远在“阿波罗”计划之前就开发出特氟纶 （Teflon）Ⅱ技术了。与此相同的还有心脏起搏器、圆珠笔、粘拉带以及其他声称“阿波罗”计划的有用副产品（我有幸曾和心脏起搏器的发明人交谈过。他本人差一点因冠心病突发而丧生。他为国家宇航局抢夺了他的荣誉而不平）。如果我们迫切需要某些技术，就投资开发它们好了，为什么要到火星上去干呢？ 

当然，国家宇航局需要开发的许多新技术必然会有一些流入民用经济。有些发明在地球上是很有用的，例如粉状的橙汁代用品“唐”（Tang）Ⅲ就是供载人空间飞行使用的一种产品。有用的副产品还表现在无绳工具、植入心脏的停止纤维性颤动器、液冷外衣和数字化成像——而这只不过是略举数例而已。但是它们都不足以证明送人去火星的必要性，或国家宇航局存在的必要性。 

我们看到了里根时代的“星球大战”计划，在它消亡的时候，靠老的有用的副产品苟延残喘的情景。有人告诉我们，准备安装在绕地轨道攻击站上的用氢弹驱动的x射线激光，有助于改进激光外科手术。可是如果我们需要发展激光手术，如果它是国家优先发展的技术，我们就可以想办法拨款来开发它。不要把“星球大战”扯进来。有用的副产品的论调承认该计划不能只靠自己的两只脚站立，不能靠原先宣扬的目的证明自己有道理。 

曾经有一段时间，人们认为根据计量经济学的模式，对国家宇航局投入每一块钱，就会有许多块钱注入美国经济。如果这种收益增值效应对国家宇航局比对大多数政府机构更适用，那么这对太空计划会提供强有力的财政与社会依据。国家宇航局的支持者们大言不惭地宣扬这个论调。但是1994年美国国会预算办公室的研究表明，它是一种错觉。虽然国家宇航局的开支对美国经济的某些生产部门——特别是航天工业——是有益的，但并没有优厚的收益增值效应。同样地，虽然国家宇航局的开支肯定能提供或保持就业机会，让人得到实惠，但在这些方面它并不比许多其他政府部门更强。 

还有一个理由就是教育。这个理由对白宫往往很有吸引力。有理学博士头衔的人数在“阿波罗11号”登月前后达到高峰，也许这是从“阿波罗”计划开始时算起的一段恰当的时间差。这种因果关系难以证明，但也可能存在。但是这又算什么呢？如果我们真想改进教育，去火星是不是最好的途径？让我们想一想，用1 000亿美元可以培训教师、支付薪金、充实学校实验室与图书馆、给贫困学生发补助费、增购研究设施以及向研究生发奖学金。去火星真的是促进科学教育的最好途径吗？ 

另外一个论点是，送人去火星可以把军事工业集团稳住，不让它用强大的政治影响去夸大外来的威胁，从而要求扩大国防费用。尤其是另一方面，为了去火星，我们可以保持一种备用的技术能力，这对于处理未来的军事意外事件可能是重要的。当然，我们可以简单明了地要求那些人去干一些对民用经济直接有用的事情。但是我们在20世纪70年代就看见过格鲁曼公司生产的大客车和波音／韦尔托尔公司制作的上下班火车，航天工业在民用经济领域的竞争中经历了重大困难。的确，一辆坦克一年才行驶1 600千米（1 000英里），而一辆公共汽车一个星期就跑1 600千米，因此它们的基本设计必然不一样。可是至少就可靠性而言，国防部的要求似乎要低得多。 

我已经提到过，太空合作正在成为促进国际合作的工具。例如，它可以减缓战略武器向新兴国家的扩散。由于冷战结束而退役的火箭，也许可有效地使用于绕地球飞行以及对月球、行星、小行星及彗星的探测。可是这一切都是在不执行送人去火星的任务的情况下就能办到的。 

还有人提出别的理由。有人论证，彻底解决世界能源问题的办法是在月球上露天开采，把太阳风射入月球岩石的氦-3同位素运回地球，然后把它用于核聚变反应堆。为什么要提起核聚变反应堆呢？即使它可以研制出来，即使它的价格适当，它的技术也是50至100年以后的事了。我们的能源问题不能这样像蜗牛爬行似地缓慢解决。 

更荒唐的议论是．我们必须把人送入太空是为了解决世界性的人口危机。但是每天出生的人数比死亡人数多出25万左右，这意味着，为了把世界人口保持在现有水平上，我们每天要把25万人送上太空。这远超出我们目前的能力。 

我把这些论据的清单浏览一遍，把赞成和反对的理由综合起来，还把联邦预算中各个急需考虑的项目牢记在心。对我来说，迄今所有的争议可以归纳成这样一个问题：许多单独都不能成立的理由合在一起，是不是就能成为一个可以成立的理由呢？ 

我并不认为我开列的清单上有任何一项声称的理由确实值得花费5 000亿美元，甚至连1 000亿美元也不值得——在短期内肯定是这样。但在另一方面，这些理由大多有一些价值。如果我有5项理由，每项值200亿美元，加起来也就是1000亿美元。要是我们善于降低成本，并真正实现国际合作，那么这些理由就显得更无可非议的了。 

在对这个议题的全国性辩论得出结论之前，在我们对送人去火星的论据以及成本／收益之比有更好的了解之前，我们应当做什么呢？我的建议是，把本身的价值和与其他目标关系这两个方面都靠得住，而且将来如果我们决定去火星时，也能派上用场的研究与发展计划先实施起来，这样的一个项目表应包括： 

●美国的宇航员到俄罗斯的“和平号”空间站上作联合飞行．逐渐延长在站上工作的时间，以去火星的飞行时间（1—2年）为目标。 

●筹划国际空间站，其主要功能为研究空间环境对人的长期影响。 

●在早期的国际空间站上安装旋转的或用缆绳牵挂的“人工重力”舱，先装载其他的动物，然后载人。 

●加强对太阳的研究，包括在绕太阳的轨道上配置一批无人航天器，用以监测太阳活动并尽早向宇航员发布对他们有危害的太阳耀斑警报。（太阳耀斑是从日冕抛射出的电子与质子流。） 

●为美国和国际太空计划，美、俄和多国合作发展“能量号”及“质子号”火箭技术。虽然美国不大可能主要依赖俄国的运载火箭，但“能量号”火箭的推力与把“阿波罗”宇航员送上月球的“土星5号”的推力大致相等。美国把“土星5号”的装配线停掉了，短期内不易恢复。“质子号”是目前仍在服役的最可靠的大型运载火箭。俄国为获得硬通货，急于出售这种技术。 

●与NASDA（日本空间局）、东京大学、欧洲空间局、俄国空间局、加拿大以及其他国家合作。在多数情况下，它们应当是平等的伙伴，不能坚持由美国发号施令。为实现对火星的机器人探测，这些合作计划已经开始实施。载人飞行显然是国际空间站的主要任务。最后我们可以在低地球轨道上对联合模拟行星探测进行演 习。这些计划的主要目的之一应是建立技术优势的合作传统。 

●技术的发展——用最高级的机器人和人工智能——为火星探测以及为第一次国际合作运回样品而研制巡游车、气球和飞机。能从火星运回样品的无人飞船，可以在近地小行星和月球上进行试验。从月球上仔细选定地区取回的样品，可用来测定各地区的年龄，并有助于从根本上了解地球的早期历史。 

●进一步开发从火星上的原材料生产燃料和氧化剂的技术。根据马丁·玛丽埃塔（Martin Marietta）公司的祖布林（Robert Zubrin）及其同事们所设计的原型仪器的估计，用一枚较小而可靠的“德尔塔”级火箭，就可以把几千克重的火星土壤自动送回地球。相对说来，这不比唱一首歌更贵。 

●在地球上模拟去火星的长时期旅程，要特别注意社会和心理方面可能产生的问题。 

●竭力探索新技术，例如恒推力火箭推进器，让我们能更快到达火星；假如考虑到在一整年（或更长时期）的飞行中辐射或微重力的危害，这可能是很重要的。 

●努力研究近地小行星，它们可以为人类的探测提供比月球更优越的中程目标。 

●要求美国国家宇航局及其他空间机构更加重视科学——包括作为太空探测后盾的基础科学的研究，以及对已经取得的资料进行深入的分析。 

这些推荐项目的经费加起来只有送人去火星一次所需费用的一小部分，再考虑到这是分摊在十几年间且与其他国家合作进行，因此只是目前空间预算的一小部分。可是，如果这些项目付诸实施，我们就可以更准确地估计费用，并更好地评估危险和收益。它们会让我们干劲十足地持续为人上火星取得进展，而不需要过早地认定某种探测的硬件是必须的。即使我们肯定在今后几十年中不能把人送到任何一个别的世界，这些推荐项目中的大部分——甚至全部——都还有其他的可以成立的理由。此外，不断地为实现人类去火星旅行所取得的成就欢呼，至少在许多人心目中会消除广泛流传的对未来的悲观论调。 

事情不止如此，还有一些比较抽象的论证。我坦率承认，它们中有许多都是富有吸引力和令人赞赏的。太空飞行说出我们——即使不是全体，也是许多人——的心声。一个正在显现的宇宙前景，一个对我们在宇宙中地位的更正确的了解，一个能影响我们认识自己的显而易见的计划，都表明我们地球环境的脆弱，以及地球上一切国家和人民共有的危险和责任。人类去火星探险会为我们中的爱漫游者，尤其是青年人，提供大有希望和充满奇遇的前景。即使是别人的探测也会有社会效益。 

我一次又一次地发现，当我在大学、企业和军事单位以及专业组织，就太空计划的未来发表演讲时，听众对现实世界中的政治与经济干扰，比我更难容忍。他们渴望扫清这些障碍，重返“东方号”和“阿波罗号”的光辉时代，再次执行这些计划，并踏上其他的世界。他们说，以前我们这样干过，我们能够再次办到。可是，我提醒自己，这些参加听讲的人都是自觉自愿地热心于太空的人士。 

在1969年，只有不到一半的美国人认为“阿波罗”计划花的钱值得。但是到登月25周年的时候，这个数目上升到三分之二。尽管国家宇航局有它的问题，63％的美国人认为它干的工作是在良好与极优之间。根据哥伦比亚广播公司的民意调查，如果不提经费，55％的美国人赞成“美国送宇航员去探测火星”。在年轻人中间，这个数目达到68％。我想“探测”一词是关键。 

无论宇航员有什么个人的缺陷，尽管载人太空计划已经濒临消亡（这种趋势因哈勃太空望远镜的修复而得到扭转），但是广大群众还是把他们看作是人类的英雄，而这并非偶然。一位科学界的同仁告诉我，她最近去新几内亚高地旅行，访问过一个几乎没有接触过西方文明的，还停留在石器时代的土著民族。他们不知道手表、汽水和冷冻食品。但是他们知道“阿波罗11号”，他们知道人类已经在月球上行走过。他们知道阿姆斯特朗、奥尔德林和科林斯这三位宇航员的名字。他们还想知道近来有谁拜访过月球。 

以未来为导向的计划，尽管有政治上的困难，只能在几十年后才能完成，但它们还是不断地提醒人们，将来总会有实现的一天。在其他世界上赢得立足点的计划在我们耳边低语，我们不只是皮克特人Ⅳ，塞尔维亚Ⅴ人或汤加Ⅵ人，我们是人类。 

太空探测飞行把科学观念、科学思想和科学词汇都植入公众的心目中。它普遍提高了人们智能探索的水平。一旦想到我们现在懂得了以前从来没有人了解的事情，从事这方面工作的科学家由此产生的兴奋之情特别强烈，同时几乎每一个人都可以感受得到。这种想法传遍全社会，被墙反弹回来，又回到我们心中。它鼓舞我们去研究其他领域中从来也未解决过的问题。它增强了社会上普遍的乐观情绪。它向我们传播严格思考方法，而这种方法对解决迄今难以处理的社会问题是迫切需要的。它有助于激发新一代的科学家。在传媒中科学的内容越多——特别是科学研究的方法，应有结论及其含义——我相信社会就会变得越健康。全世界的人都有求知的渴望。 

当我还是小孩子时，我最狂热的梦想是飞翔——不是乘某种机器，而是全靠自己飞上天。我在空中蹦蹦跳跳地飞，并且慢慢地越飞越高，这样掉回地面的时间也就越长。很快我就飞到再也不会落到地面的高高苍穹上。我就像一个怪人降落在摩天大楼最高点的一个壁龛里，或者轻柔地坐定在一片云上。在梦中——这类大同小异的梦我做过上百次了——需要某种意志才飞得起来。那种感觉无法用语言来描述，但是直到今天我还记得它是什么样的。你在头脑和心窝里使用一种“内功”，于是单靠意志的力量，就能使自己离开地面，你的四肢松软地悬空，你就飞起来了。 

我知道很多人做过这类的梦。也许大多数人做过。也许每一个人都做过。回溯到1 000多万年前，在原始森林中我们的祖先以优美的姿态从一根树枝荡向另一个树枝时，这种梦境可能就已经出现过了。像鸟儿一样飞翔的愿望激励了许多飞行先驱，包括达·芬奇和赖特（Wright）兄弟。这可能也是太空飞行吸引人的一部分原因。 

在环绕任何一个世界的轨道上，或在行星际飞行中，你可以说是处于失重状态。你把地板轻轻一推，自己就上浮到天花板了。你可以沿太空飞船的长轴，在空中接连翻几个筋斗，就从这一头到达那一头了。几乎每一位宇航员都说，失重环境使人感觉很愉快。但是因为飞船仍嫌太小，而在太空“行走”必须极度小心，所以还没有人享受过这种奇妙的乐趣：你用几乎感觉不出来的微小力量就能把自己推动，不用任何机器推动，也不需要缆绳拴住，你就可以在高空翱翔，飞入漆黑的行星际空间。这时你变成地球的一个活卫星，或是太阳的一个活行星。 

行星探测可以满足自100万年前我们的祖先在东非大草原上打猎和采集时起一直就有的对伟大事业，对漫游和探索的爱好。偶然地——我是说，可以想象由于历史因果的众多紊乱，这原本不会发生——在我们这个时代，我们能重新开始。 

去其他世界探测需要有完成最完美军事行动所必需的恰好同样的品质：胆略、策划、合作精神和勇气。用不着谈论驶向另一个世界的“阿波罗”飞船在夜间发射的情景，其结果是可预断的。只要看看F-14战斗机怎样从航空母舰的甲板上起飞就行了。它优美地左右斜转，加力燃烧器Ⅶ喷出火焰，它好像把你也带走了——至少我是这样想。即使相当了解以航空母舰为主的特混舰队的潜在弊病，也不会影响我的这种深刻的感受。这种感受向我心中的另一部分坦率地倾诉。我不需要反责，也不想谈论政治，我只是想飞翔。 

18世纪探测太平洋的库克（James Cook）船长这样写道：“我……的志向是不仅要走得比以前任何人更远，而且要到人类能够去的最遥远的地方。”两个世纪之后，宇航员罗曼年科（Yuri Romanenko）在完成当时历史上最长的太空飞行后返回地球时说：“宇宙是一块大磁石……你一旦去过，以后就总是想再去。” 

即使是对技术并不热心的卢梭（Jean-Jacques Roussau）Ⅷ也有这种感受： 

星星高悬在我们头上，我们需要基本训练、仪器和机械，它们就像许多长长的梯子一样，让我们走近星星，并抓住它们。 

哲学家罗素（Bertand Russel）Ⅸ在1959年对“将来太空旅行的可能性”这样写道： 

现在基本上还是没有根据的幻想，然而可以头脑清醒地、兴味不减地加以考虑。还可以让一些最富冒险性格的年轻人认识到，一个没有战争的世界，并非一定是没有冒险和危险的光荣。②这种竞争没有极限。每一个胜利只是另一个胜利的前奏。理性的希望没有边界。 

从长远的观点看来，这些——胜过前面讨论过的任一“实用的”理由——可能会成为我们要去火星及其他世界的理由。在这期间，我们为上火星所能采取的最重要的步骤，便是在地球上先取得重大进步。甚至我们在全世界所面临的社会、经济和政治问题上取得一些不大的改进，也能为实现其他目标，在物质与人力两方面释放出大量资源。 

现在在地球上还有很多的“家务事”等着我们去做，而我们对承诺做这些“家务事”应当是坚定不移的。但是由于生物学的基本道理，我们人类总是需要有尚待开发的新领域。每当人类本身发展到一个新的转折点时，它经受巨大活力的推动，能够持续前进若干个世纪。 

在我们的隔壁近邻有一个新世界，我们也知道怎样到那里去。 

㈠传说中的苏美尔与巴比伦文化中的国王，这两种文化大约与古埃及文化同时。——译者 

㈡俄罗斯所属北冰洋上的一群岛屿。——译者 

㈢澳大利亚中部一座很大的孤立红石山。——译者 

㈣阿根廷南部的高原地区。——译者 

㈤苏联人造地球卫星研制的主持人。——译者 

㈥美国俚语。指政客假公济私，给手下亲信好处的恶劣行径。——译者 

㈦为获得地理知识而支持航海探险的葡萄牙王子。——译者 

㈧德·比尔联合矿产公司在南非拥有世界最大的钻石矿。——译者 

㈨通用电气公司制造工业用人造钻石。——译者 

㈩意即利用空间开发拄术可促进民用工业。——译者 

Ⅰ意指在实施“阿波罗”登月计划中发明了制作不粘锅的材料。——译者 

Ⅱ聚四氟乙烯，制造不粘锅的材料。——译者 

Ⅲ即果珍。——译者 

Ⅳ苏格兰东部和北部的一个民族。——译者 

Ⅴ巴尔干半岛的一个地区。——译者 

Ⅵ西太平洋的岛屿。——译者 

Ⅶ由于航空母舰的甲板不够长，喷气式飞机在起飞时由加力燃烧器增加推动力。——译者 

Ⅷ法国启蒙思想家、哲学家和文学家（1712—1778）。——译者 

Ⅸ英国数学家和哲学家（1872－1970）。——译者 

谢选骏指出：为何是德国人开创了空间探索而不是苏美两国？因为苏联是陆上一霸而美国是海上一霸，他们都有富余的生存空间。德国则相反，不仅在陆上遭到两面夹击，而且在海上遭遇全面封锁——所以他们只有面向太空进行扩张。这也可以解释，为和德国班底老去之后，美国的空间探索也陷入了停滞状态。说“太空合作正在成为促进国际合作的工具”，是言不由衷的。事实已经足以说明，太空竞争才是国际冲突的工具。在我看来，唯有全球政府才能完成人类殖民宇宙的事业。与此同时，只有朝圣才是太空探险的充足理由。

【第十七章 日常的行星际暴力事件 】

这是自然界的一条法则：地球和其他一切天体都应当固守其位，只有暴力才能使它们移动。 

——亚里士多德（公元前384—前322）《物理学》 

关于土星有一椿奇怪事情。1610年，当伽利略用世界上第一架天文望远镜观察这颗行星——当时它是已知的最遥远行星——的时候，他在土星两侧各找到一个附属体。他把它们比拟成“把手”。别的天文学家则把它们称为“耳朵”。宇宙中奇景众多，但是一个带耳朵的行星令人惊异。伽利略至死也没有解开这个疑团。 

随着岁月的流逝，观测者发现这两只耳朵……真奇怪，还有盈亏变化。事情终于弄清楚了，原来伽利略发现的是一个极为稀薄的环，它环绕着土星的赤道，但在任何地方都不和土星接触。在有些年份，由于地球与土星在各自轨道上的位置不断变化，环的边缘朝向我们。因为环很稀薄，它看起来似乎消失了。在其他年份，它面向我们，这时“耳朵”变大了。但是，土星有一个环，这意味着什么呢？难道这是一个很薄的、乎坦的和固体的盘片，在中间挖了一个洞把土星装在里面？这个环是从何而来的呢？ 

这一连串问题立刻使我们想起震惊世界的碰撞，对我们人类而言两场完全不同的灾难㈠，以及使我们想起一个理由——除了已经叙述过的那些理由之外——正是为了自身的生存，我们必须到行星中间去。 

我们现在知道土星的环（要强调说明是众多的环）是一个由小冰粒组成的庞大集团，各个冰粒都有自己单独的轨道，都受土星这个巨行星引力的束缚。就体积大小而言，这些冰粒小到微尘，大如房屋。可是甚至在近距飞行拍出的照片中，它们都没有大到可以看得出来的程度。它们分布在一套精致细巧的同心圆周上，就像唱片上的环纹（这实际上自然是螺旋线）。在1980—1981年间当两艘“旅行者号”太空飞船近距飞过时，这些环的真正壮观景象才首次显露出来。在我们的世纪里，土星的风格独特的环已经成为未来的一个偶像。 

在20世纪60年代后期的一次学术会议上，有人要我总结行星科学的主要问题。我提出的一个问题便是，为什么在所有行星中只是土星有环。这已被“旅行者号”证明不是一个问题。我们的太阳系中全部4个巨行星——木星、土星、天王星与海王星——事实上都有环。但是当时还没有人知道这个事实。 

每个环系各有特色。木星环很稀疏，主要由很小的暗黑粒子组成。土星的亮环基本上是冻冰；一共有几千个分离的环，有的环是扭曲的，带有奇形怪状的、尘状的和轮辐式的斑纹，这些斑纹不断形成，又不断消失。天王星的暗环似乎由碳元素与有机分子——有点像木炭和烟囱里的煤灰——组成。天王星有9个主环，其中有几个似乎是在“呼吸”，一会儿膨胀，一会儿收缩。海王星的环最为稀薄，并且稀薄的程度大不一样；因此从地球望去，这些环似乎只是一些圆弧，或不完整的圆。好些环似乎都靠两个守护卫星的引力牵引而保持住，一个卫星离行星比环稍近一些，另——个则稍远一些。每个环系都展示出自身的超越尘世的美。 

环是怎样形成的？一个可能是潮汐作用：如果有一个在太空漂泊的天体走到行星附近，行星对“不速之客”靠近一面的引力作用大于背面。如果这颗外来星体走得更近，如果它的内聚力很小，于是它会被撕裂成碎片。我们偶尔看到在彗星走到离木星或太阳非常近的时候，会出现这种情况。另一个可能是在“旅行者号”对太阳系外围进行考察时发现的，就是星体相撞，卫星被撞得粉碎，于是碎裂物质形成了环。这两个机制都可能起作用。 

在行星之间的太空有众多奇形怪状的恶棍似的小天体在横冲直撞，它们都沿各自的轨道绕太阳旋转。它们有的像一个县、甚至一个州那样大；更多的表面积和一个村或镇一般大。小的小行星比大的要多得多，最小的犹如尘粒。有的小天体在很扁长的椭圆形轨道上运行，因此它们定期跨越一个或多个行星的轨道。 

有时候，真是不幸，会碰上一颗小天体。碰撞使拦路撞来的小天体和被撞的卫星（至少是被撞的那个区域）都粉身碎骨，砸成碎片或粉尘。由此形成的碎片从卫星抛射出来，但速度不够快，因此摆脱不了行星引力作用，它们会暂时形成一个新的环。它的成分由两个相撞的天体决定，但一般说来主要是被撞卫星的成分，而不是恶棍似的小天体的成分。如果相撞物体是冰冻的，那么由此形成的环由冰粒子组成。如果它们的成分是有机分子，则出现有机分子的环。（有机物受日光照射会缓慢地转变成碳。）土星所有环的总质量，不超过完全破碎的单独一个冰冻卫星的质量。用小卫星的瓦解，同样可以说明其他3个巨行星环系的形成。 

除非是离它的行星太近，否则一颗被击碎的卫星会逐渐再次聚积起来（至少有相当大一部分是这样）。这些大大小小的碎片大体上仍然在碰撞前卫星的轨道上运行，它们杂乱无章地堆积在一起。以往位于核心的碎块现在是在表面上了，反过来也如此。由此形成的大杂烩似的表面可能是奇形怪状的。天卫五看起来像是乱七八糟堆集起来的，可能就是这样形成的。 

美国行星地质学家尤金·苏梅克（Eueene Shoemaker）提出，太阳系外围的许多卫星都曾被这样消灭过，然后又重新形成——自从太阳和行星由星际气体与尘埃凝聚而成以来的 45亿年中，每颗卫星都经历过不止一次，而是若干次这样的变化了。“旅行者号”在对太阳系外围的考察中发现了这种情况：这些宁静又孤单的守护卫星不断地会遭到来自太空的“不速之客”的骚扰，于是出现惊天动地的大碰撞；卫星被撞成碎片又重新聚成，它们就像火凤凰一样，从自己的骨灰中再生。 

但是一个离行星很近的卫星，如果被粉碎了，就不能再次形成卫星——附近行星的引力潮阻止它这样做。碎片一旦散布成为一个环系，就会存在很长时间——至少与一个人的寿命相比是这样。现在绕巨行星运转的微小的、不显眼的众多卫星，也许有朝一日会变成既巨大又美丽的环呢。 

太阳系中有大量卫星，这证实了这样的想法。火卫一有一个大陨石坑，叫做斯蒂克尼，而土卫一的大陨石坑名为赫歇尔。这些陨石坑，和月球上的以及太阳系各处的陨石坑一样，都是由碰撞产生的。一个天外来客砸到一个较大星体上，在碰撞点引起一次大爆炸。于是形成一个碗状的坑，而较小的撞击体粉身碎骨了。如果形成斯蒂克尼和赫歇尔陨石坑的不速之客再大一些，它们就有足够的能量可以把火卫一与土卫一砸得粉碎。这两颗卫星算是侥幸逃过了宇宙劫难，而许多其他卫星却是在劫难逃。 

每当一个世界被击得粉碎，就少了一个横行霸道的不速之客，这就好像是太阳系规模的撞车比赛㈡，是一场消耗战。这样的碰撞已经发生了许多次，这正表明恶棍般的小天体已经大部分消耗掉了。那些在圆形轨道上绕太阳旋转的小天体，即不会穿越其他天体轨道的小天体，不大可能撞上一颗行星。那些在极扁椭圆上运转的小天体，也是跨越其他行星轨道的小天体，或迟或早不是撞上某些天体，就是由于近距掠过行星，受到引力加速而被逐出太阳系。 

几乎可以肯定，行星是由小天体或星子聚积形成的，而它们又是从围绕太阳的一大块扁平的气体及尘埃云——现在在年轻的近邻恒星周围可以看见这样的云——凝结形成的。因此在太阳系的早期历史中，在碰撞形成行星之前，小天体应当比我们所见到的要多得多。 

真的，在我们自己的“后院”里也有明显的证据。要是我们把在地球周围横冲直撞的小天体统计一次，就可以估计出它们撞击月球的频数。让我们采取十分保守的假设，即不速之客的数目从来就和现在差不多，那么我们可以算出在月球上应当有多少个陨石坑。得到的数目比我们在月球惨遭蹂躏的荒原上所看到的原来要少得多。人们预料不到的月球上陨石坑充斥的事实告诉我们，在太阳系形成的初期情况是何等馄乱，天体在互撞的轨道上横飞乱闯。这样的解释是很说得通的，因为行星是小得多的星子聚积而成的，而星子本身又来自星际尘埃。在40亿年前，月球上的碰撞比现在要多出几百倍；而在45亿年前，当行星还没有发育成熟时，撞击比起现在平静的时代也许要多10亿倍。 

当时装点行星的环系比现在更为艳丽多姿，也许这些环系缓解了混乱局面。如果那时地球、火星和其他小的行星有小卫星，那么本来也会有装饰它们的环。 

对月球起源最令人满意的解释来自它的化学分析（分析“阿波罗”飞行带回的样品）。这个解释认为几乎在45亿年前，由于一个与火星大小相近的天体撞上了地球，被撞击地方的岩石地幔被砸成尘埃与热气体，冲入太空。一部分碎片进入绕地轨道，然后一个原子又一个原子、一块石头又一块石头地逐渐重新聚积起来，终于形成月球。要是那个未知的撞击天体再大一些，结局就会是整个地球被毁灭掉。太阳系中也许有过别的行星——也许甚至是有生命的行星——它们被某些恶魔般的小天体击中而完全消灭了，而我们今天甚至并不感到有这种威胁。 

太阳系早期演化的情景，并不像一系列循序前进的庄严事件，它们一个接着一个发生，终于形成了地球。与此相反，看来在不可置信的暴乱中，只是由于偶然交上好运，①我们的行星才能够生成并幸存下来。我们的世界似乎并不是能工巧匠雕塑出来的。这又是一个暗示，说明宇宙并不是为我们创造的。 

我们今天给越来越少的小天体取了各种不同的名称：小行星、彗星、小卫星。但是这些都是随意的分类——真正的小天体才不理会人类怎样给它们命名分类呢！有些小行星（英语词asteroid的含义为“像星似的”，但实际上与恒星肯定无关）由岩石构成，有的为金属的，还有一些富含有机物质。小行星的直径都不超过1 000千米，它们主要分布在火星和木星的轨道之间一条带里。天文学家一度认为“主带”小行星是一个行星崩裂后的残余物体，但是正如我曾提到过的，另一种想法现今更为流行：太阳系一度充满了小行星似的天体，其中一部分聚积成行星。只是在木星附近的小行星带上，这颗质量最大的行星的引力潮不让附近的残余碎片聚合成一个行星。因此这些小行星并不是一度存在过的某一颗行星的残骸，而是命中注定无法聚积成行星的小天体。 

把小到1千米的小行星全部计算在内，总共大约有几百万颗小行星。但是在辽阔的行星际空间，这仍然不足以对飞向太阳系外围的太空飞船构成严重的危害。“伽利略号”飞船在它飞往木星的弯弯曲曲的旅途中，于1991和1993年分别拍到了加斯普拉与艾达两颗主带小行星的照片。 

大部分小行星都在主带内运行。要想研究它们，我们必须像“伽利略号”那样去它们那里访问。彗星则与此不同，它们有时前来拜访我们，例如哈雷彗星最近两次于1910和1986年出现。彗星主要由冰和少量岩石及有机物组成。在彗星受热时，冰粒蒸发，被太阳风与太阳光压力向外吹成长长的、可爱的尾巴。在多次经过太阳附近时，全部的冰都蒸发掉了，有时留下的是一个死寂的岩石和有机物的世界。有时因为冰散失了，原先由冰结合在一起的剩余物质粒子散布到彗星轨道上，形成一道围绕太阳的残迹。 

每当像沙粒一样大小的一点儿彗星物质以高速闯入地球大气时，它起火燃烧，产生一条短暂的光迹，地球上的观察者称之为流星。有些溃散彗星的轨道与地球轨道交叉。因此地球在绕太阳持续不断运行时，每年都会穿越也绕太阳运行的彗星碎片带。这时我们看到流星雨，甚至流星暴——整个天空闪现出一条条彗星残骸的光迹。举例来说，大约在每年8月12日见到的英仙流星群，来源于一颗垂死的斯威夫特一塔特尔彗星。可是不能让流星雨的美景欺骗我们：这些在夜空中闪烁发光的天外来客与能够毁灭地球的小天体是一丘之貉。 

有少数小行星偶尔会喷出一点气体，甚至长出一条短暂存在的尾巴，这表明它们是在彗星与小行星之间的转换过程中。有些绕行星旋转的小卫星，可能是被行星俘获的小行星或彗星。火星的卫星以及木星的外围卫星，可能就属于这个范畴。 

重力能把太凸出的东西拉平。但是只有大天体的重力才能强到足以使山脉和其他凸出的物体由于自身重量而崩坍，于是使天体变平。实际上，我们观察小天体的形状，就几乎总会发现它们的表面凹凸不平，不规则，就像马铃薯那样难看。 

有好些天文学家，他们最乐意于的事情就是在寒冷、无月的夜晚通宵不眠地拍摄天空的照片——他们拍的是同样的天空，去年拍过了，前年也拍过了。你会问道，如果上一次拍好了，为什么要再拍？答案是：天空在变化。在任何一年都可能有以前完全不知道的、从未见过的小天体朝地球走来，而这些有献身精神的观测者在注视它们。 

1993年3月25日，一群小行星和彗星的狩猎者在美国加利福尼亚州帕洛玛天文台察看在一个多云之夜断断续续拍摄的照片，发现底片上有一个暗弱的、扁长的斑点。它是在一个很亮的天体——木星附近。于是卡罗琳（Carolyn）和尤金·苏梅克以及利维叫其他观测者一齐来看看。他们发现斑点原来是一个令人惊奇的东西：大约有20个小而亮的物体，一个接一个像一串珍珠，都在绕木星旋转。它们合在一起称为苏梅克一利维9号彗星（这是这些合作者共同发现的第9颗周期彗星）。 

但是把这些天体总称为一个彗星容易引起混乱。它们是一个群体，大概是一颗单一的至今没有发现的彗星的分裂残骸。它在40亿年中寂静地绕太阳运转，直到几十年前跑到离木星很近的地方才被太阳系中这个最大行星的引力所俘获。在1992年7月7日，它被木星的引力潮撕成碎片。 

你可以了解到，这样一颗彗星的靠里面部分受木星吸引的力量应比外面部分稍强一些，这是因为里面部分比外面部分离木星更近一些。吸引力的差异肯定很小。我们的脚离地心比头稍近一点，但是我们不会因此而被地球的重力撕成碎片。既然彗星能被这样的引力潮撕裂，它原来内部的引力必然非常微弱。我们认为，它在分解之前只是很松散地聚集在一起的冰、岩石和有机物。它的直径可能仅约10千米（6英里）。 

不久后，这颗撕裂彗星的轨道被很精确地定出了。在 1994年7月16日至22日之间，彗星的所有碎片，一个接着一个与木星碰撞。最大的碎片大约有几千米大。它们与木星的碰撞是很壮观的。 

事先谁也不知道这一连串的碰撞对木星的大气和云会有什么影响。这些被气尘包裹的彗星碎块，实际上也许比它们看起来的要小得多。也有可能它们根本不是一个整体，而只是松散地结合在一起——就像一把碎石在近似相同的轨道上一同遨游太空。如果这两种可能性中有一个是真的，那么木星可以把这些彗星碎片无影无踪地吞食掉。其他一些天文学家设想，当彗星碎片坠人大气时至少会有明亮火球与巨大烟柱。还有人认为，伴随苏梅克一利维9号彗星碎块的稠密尘云会破坏木星的磁层，或形成一个新的环。 

计算结果表明，像这样大小的彗星撞击木星，每隔1 000年才会发生一次。这不是一生中得见一次的天文事件，而是十几代人才有一次。自从望远镜发明以来，像这种规模的景观还从未出现过。因此在1994年7月中旬，通过完美协调的国际科学合作，整个地球上以及太空中的望远镜都指向木星。 

天文学家用了一年多的时间作准备，算出了彗星碎块绕木星运动的轨道，并认定它们都会撞上木星。碰撞时刻的预报更精确了。令人失望的是，计算表明所有的碰撞都发生在木星的夜晚的一面（即从地球望去看不见的一面）。然而在太阳系外围的“伽利略号”和“旅行者号”飞船都能够看得见。毕竟令人庆幸的是，各次碰撞都发生在木星破晓前仅几分钟（即由于木星自转，撞击地点刚要进人从地球望去的视线之际）。 

为第一个碎片（编号为A片）预定的碰撞时刻来到了并过去了。地面望远镜没有发来报告。在美国巴尔的摩空间望远镜科学研究所，行星科学家们越来越愁容满面地凝视着电视监视器的荧光屏，屏上显示从哈勃太空望远镜传来的信息，但是看不出有什么异常现象。航天飞机上的宇航员们暂时放弃了他们要作的果蝇、鱼和蝾螈繁殖的实验，拿起双筒望远镜观看木星。他们报告说，看不出什么动静。这个千年一遇的碰撞，看来很可能是一场空了。 

可是不久后从加那利群岛㈢拉帕尔马的地面光学望远镜传来报告说，碰撞已经观测到了。接着发来信息的是日本的一架射电望远镜、在智利的欧洲南方天文台，以及芝加哥大学安装在南极冰天雪地的一架仪器。在巴尔的摩，一群青年科学家围聚在电视监测器旁边——他们本身又被美国有线新闻网的摄象机所监视——开始看到了一些动静，并且正是在预定碰撞木星的部位。你可以见到从惊愕到迷惘，再到狂欢的转变过程。他们欢呼、大叫、雀跃。房间里充满了欢笑。他们打开香槟酒。这是一群美国青年科学家，其中约三分之一——包括组长哈梅尔（Heidi Harmmel）都是妇女。你可以想象到，全世界的年轻人都会认为做一个科学家真有乐趣，科学研究是一个好行当，甚至可以让人得到精神上的满足。 

许多碎块击中木星后，地球上的观测者看到火球迅速上升，升到很高的空中。即使碰撞地点还处在木星上的夜晚之中，火球仍能看得清楚。烟柱升起后，很快变成煎饼式的扁平形状。我们接收到了从碰撞地点传播开来的声波和重力波，还看到最大碎块使得和地球一般大的一片地区变了颜色。 

以每秒60千米（每小时130 000英里）的速度撞上木星后，最大碎块的动能有一部分转变为冲击波，一部分成为热能。估计火球内的温度高达几千度。有些火球与烟柱比木星的其余部分要亮得多。 

为什么碰撞后会留下暗黑的污点？它可能是木星云层深处——地球上观测者一般看不见的区域——的物质向上涌出并散布开来。然而碎块似乎不会穿透到这样深的地方。或许是彗星碎块中原先为彗星物质的分子形成了这些污点。苏联的“维佳1号”和“维佳2号”以及欧洲空间局“乔托号”飞船（它们都飞往哈雷彗星）探测的结果告诉我们，彗星中多达1／4的物质可能都是复杂的有机分子。正是它们使哈雷彗星的核心成为漆黑的。如果在碰撞之后有一部分彗星的有机物质留存下来，它们可能形成了污点。最后，还有可能形成污点的有机物并非彗星碎片带来，而是由木星大气的冲击波合成的。 

全世界七大洲都有人亲眼目睹苏梅克一利维9号彗星碎块与木星的碰撞。甚至天文爱好者用小望远镜也看得见烟柱以及随后木星云层的变色。就像在体育比赛时球场各处及头顶上可操纵的高处都安装电视摄象机从各个角度扫视一样，部署在太阳系各处的美国国家宇航局的6艘飞船运用各自的不同观测专长，把这个新的天界奇景记录下来。这6艘飞船是：“哈勃太空望远镜”、“国际紫外探测者”、“远紫外探测者”（以上3个都处在绕地球运行的轨道上）、“尤利西斯号” （Ulysses，当时在观测太阳的南极）、“伽利略号”（正在与木星会合的途中）以及“旅行者2号”（已经远远越过海王星，在飞往其他恒星的途中）。科学家正在收集和分析观测资料，一旦工作结束，我们对彗星、木星以及天体剧烈碰撞的认识将大为增进。 

对于许多科学家——尤其是对卡罗琳和尤金·苏梅克以及利维来说，彗星碎块一个接一个自杀式地撞击木星，这是一件伤心事。不妨说，他们和这个彗星“同住”了16个月，看见它分裂，而被尘埃云遮蔽的碎块散布在它们的轨道上玩捉迷藏游戏。在某种意义上说，每个碎块都各有自己的个性。现在它们都一去不复返了，都在太阳系最大行星的高层大气中融化成为分子和原子。在这个意义上说，我们几乎要哀悼它们。可是从它们在烈火中的消亡，我们学到了知识。当我们了解到在太阳系的浩瀚宝库中还有100万亿颗这样的彗星时，或许我们也就宽心了。 

已经知道有大约200颗会走到地球附近的小行星。它们总称为“近地小行星”，这是名副其实的。仔细察看它们的外形（与它们在主带中的堂兄弟姐妹相似），就可立刻了解到，它们是剧烈碰撞的产物。它们中间的大多数可能是过去某些较大的小天体的碎片与残骸。 

除掉少数例外，近地小行星的大小只有几千米或者更小，它们绕太阳转一圈需要几年的时间。它们中间大约20％迟早会击中地球——其后果不堪设想（但是在天文学中，“迟早”的意思可以长达几十亿年）。西塞罗所作的保证，即在一个绝对有秩序和规律的天空中，找不到“任何机遇和危险”，这是一个根本错误的概念。苏梅克一利维彗星与木星相撞这椿事情提醒我们，行星际的剧烈事件甚至在今天还是常有的，虽然与太阳系早期相比，它可说是小巫见大巫了。 

和主带小行星一样，许多近地小行星由岩石构成。少数以金属为主，因此有人建议把一颗这样的小行星转移到绕地球的轨道上，然后有计划地对它开矿——这会是一座在几百千米高空的高品质矿山——经济回报将大得难以估计。单是一颗这样的天体上的铂族金属的价值就可高达若千万亿美元。（当然，如果可以开采到这样好的矿藏，白金之类的价格将会一泻千里。）有些人——例如美国亚利桑那大学的行星科学家刘易斯（John Lewis）——正在研究从某些适宜的小行星提炼金属和其他矿产的方法。 

有些近地小行星含有丰富的有机物，而这种物质显然是太阳系刚形成时遗留下来的。喷气推进实验室的奥斯特罗 （Steven Ostro）发现，这类小行星中有一些是成双的，即两个小行星接触在一起。也许这是一颗较大的天体在经过一个像木星那样的行星附近时，被引力潮撕裂为二。更有趣的说法是：两个在相似轨道上运转的小行星可能轻轻地相碰并连结在一起。这种过程可能是行星与地球形成的关键。至少有一颗小行星（即“伽利略号”飞船所见到的第243号小行星艾达）有自己的小卫星。我们猜想，两颗接触在一起的小行星和两颗互绕旋转的小行星，两者的起源过程是有联系的。 

有时候，我们听说一颗小行星“差一点没被击中”（为什么我们要这样说呢？其实我们的本意是它“几乎击中目标”）。但是当我们稍许仔细阅读全文才发现：它与地球的最近距离为几十万或几百万千米。无论怎样说都可以——反正它太远了，甚至比月球还远。如果我们有一份所有近地小行星的清单，甚至把直径比1千米还小得多的小行星都包括在内，我们就可以推算出它们未来的轨道，并预定出哪些小行星潜伏着最大的危险。现在估计大于l千米的近地小行星有2 000个，其中我们如今已经观测到的只有百分之几。直径大于100米的小行星，可能有20万颗。 

对近地小行星都取了发人深省的神话名字．诸如俄耳甫斯（Orpheus）、哈索尔（Harhor）、伊卡鲁斯（Icarus）、阿多尼斯 （Adonis）、阿波罗（Apollo）、刻耳柏洛斯（Cerberus）、胡富（Khu-fu）、阿莫尔（Amor）、坦塔罗斯（Tantalus）、阿登（Aten）、弥达斯 （Midas）、拉一沙洛姆（Ra-Shalom）、法厄同（Phaethon）、图塔蒂斯（Toutatis）、奎扎尔科特尔<Quetzalcoatl）。还有几个小行星，例如涅柔斯（Nereus），值得特别探测。一般说来，去近地小行星往返飞行，比去月球要容易得多。涅柔斯的直径仅约为1千米，就是最容易到达的小行星之一。②它正是一个从来没有探测过的新世界。 

有些人（都是前苏联人）在太空中已经生活过的时间比去涅柔斯往返所需时间还要长。去那里的火箭技术已经是现成的了。比起上火星来说，去涅柔斯只是小得多的一步，在某些方面，甚至比再上月球还要简单。然而如果出了什么差错，我们就不能仅在几天之内安全返回。就这方面来说，去涅柔斯的难度是在上火星及登月之间。 

在将来探测涅柔斯的许多个可能的方案中有这样一个：花10个月从地球到达那颗小行星，在它上面停留30天，然后只要3个星期就可返回了。我们可以用机器人去访问涅柔斯，或者——如果我们真想这样干——就送人去。我们可以考察这个小小世界的形状、结构、内部、历史、有机化学性质、在宇宙中的演化以及与彗星的可能联系。我们可以带回一些样品，在地球上的实验室里从容地进行研究。我们可以判断，它是否真正拥有具备商业价值的金属或矿物资源。如果我们一旦决定要送人去火星，那么近地小行星就是方便的和适宜的中途目的地——它们可以让我们鉴定装备和探测计划，同时也研究一个几乎完全未知的小世界。这就好像我们准备再次跳进宇宙海洋之前，先用脚蘸一点水来感觉一下。 

㈠指1994年的彗木碰撞和6 500万年前导致恐龙绝灭的小行星撞击地球。——译者 

㈡参加者各驾破车互擅，最后剩下未撞毁的车获冠军。——译者 

㈢位于大西洋东北部。——译者 

谢选骏指出：对于一个贫瘠的行星来说，碰上小行星是一种福利，可以增强自己的实力；对于富有的行星来说，碰上小行星却是一种灾难，可能瓦解自己的秩序。

【第十八章 卡马里纳的沼泽】

现在要作任何改进都为时已晚。宇宙已经创造成了。 

最后一块基石已经放上，剩下的碎料在一百万年前就已运走了。 

——梅尔维尔《白鲸》第二章（1851年） 

卡马里纳是西西里岛南部的一个城市，它是公元前598年叙拉古的移民建立的。在一二代人之后，这座城市流行一种瘟疫——脓疮，有人说病源来自附近的沼泽。[当然，古代人不会广泛接受细菌传播疾病的理论，但是也有一些点滴知识，例如公元前一世纪时瓦罗（Marcus Vano）就明确地劝告不要在沼泽地带附近建城，“因为那里滋生着某些眼睛看不见的微小生物，它们在空中浮动，可以从嘴或鼻进入人体，并引起严重疾病。”]瘟疫对卡马里纳十分危险。于是有人出主意，要把沼泽的水排干。然而到神殿去请示神谕时，神谕禁止这种行动，而劝告要忍耐。可是城里人生命危殆，因此居民置神灵启示于不顾，把沼泽的水排掉了，于是瘟疫很快就止住了。但是到后来人们才知道，沼泽是防御敌人入侵的屏障，而当时敌人中间包括他们的叙拉古同胞。卡马里纳居民认识到这一点已经太晚了。这就像2 300年后在美洲，移民与自己的祖国争执一样。在公元前552年，一支叙拉古军队越过曾经是沼泽地的旱地，把城内男女老幼全都杀光，把城市夷为平地。这样一来，卡马里纳的沼泽就成为一个谚语，意味着以这样的方式消除一个危险，其后果却又引来一个更加可怕的危险。 

地质白垩纪和第三纪的碰撞（也许不只一次相撞，而已有好几次）。表明小行星与彗星有多么大的危险。碰撞之后，一场祸及全世界的大火可以把草木全部烧焦；平流层的尘云使天空变暗，幸免于难的植物很难靠光合作用生存；地球各处的温度降到冰点；还有酸性的暴雨和臭氧层的大量耗竭。更有甚者，在地球从这些浩劫中恢复过来后，长时期的温室效应来临了。（这是因为强有力的碰撞释放出巨大能量使深层的沉积碳酸盐挥发，把大量二氧化碳输入空气中。）这不只是单独一场灾难，而是一连串的浩劫，一系列的恐怖事件结合在一起。在一次劫难中遭重创的生物，在下次劫难袭来时便消亡了。我们完全无法肯定，我们的文明是否能在一次能量小得多的撞击中幸存下来。 

因为小的小行星比大的要多得多，和地球一般相撞都是小家伙干的。但是如果你准备等待的时间更长久，你就会遇到毁灭性更强的碰撞。平均说来，每几百年中地球会有一次被直径约为70米的小天体撞击；这时释放的能量相当于至今最大的一次核武器爆炸。每10 000年中，我们会有一次被直径200米的小天体撞上，这可以引起严重的地区性气候变化。每100万年发生一次与直径超过2千米的天体的碰撞，这几乎相当于1万亿吨梯恩梯炸药的爆炸，可以引起全球性的灾难。这时除非采取前所未有的预防措施，很大一部分人类将会丧生。1万亿吨梯恩梯是地球上现有全部核武器同时爆炸的能量的100倍。甚至令这样的碰撞也相形见绌的是，在大约1亿年中就会发生一次类似于白垩纪和第三纪那样的事件，即一颗直径为10千米或更大的天体与地球相撞。一颗大的近地小行星所潜藏的毁灭性能量，远大于人类所能制造的任何武器。 

美国行星科学家希巴（Christopher Chyba）及其同事首先指出，大小为几十米的较小的小行星或彗星，在进入地球大气后会碎裂和焚毁。它们相当经常地出现，但不会造成大的灾害。现在已经大概知道它们闯进地球大气层的频数，这是因为美国国防部把监测地球上秘密核爆炸的特殊侦察卫星所得资料解密了。近20年来，看来已有大约几百颗小天体（其中至少有一颗是较大的）撞击过地球。它们都没有酿成灾害。但是我们必须完全有把握，能够区分彗星或小行星的小规模碰撞与大气中的核爆炸。 

能够对人类文明构成威胁的撞击天体的直径至少要有几百米。（1米约为1码，100米大约为一个足球场的长度。）它们大概每20万年光临一次。我们的文明史只有1万年左右，因此在历史上不会有关于最近一次这种碰撞的记载。我们确实也没有。 

在1994年7月苏梅克一利维9号彗星在木星上引发一连串猛烈爆炸，这提醒我们这样的碰撞在现今时代可能会发生。一个大小只有几千米的撞击天体能把它的残骸撒遍和地球一般大的区域，这是一种不祥之兆。 

正是在苏梅克一利维9号彗星撞击的那个星期里，美国众议院科学和空间委员会草拟了有关法规，要求国家宇航局“与国防部及其他国家的空间机构合作”，对所有的正在接近地球的“直径大于1千米的彗星与小行星”作证认并测定其轨道特征。这项工作应在2005年以前完成。许多行星科学家早已倡议进行这项研究计划。但是只有在一颗彗星痛苦地消亡之后，它才能付诸实施。 

在等待的这段时期内，小行星碰撞的危险似乎不太令人担心。可是如果一次大的碰撞出现了，它就是人类历史上前所未有的大劫难。在刚出生的婴儿的一生中，这种碰撞发生的概率大概是1／2000。如果飞机失事的概率是1／2000，我们谁也不会去乘飞机。（事实上，这种概率是200万分之一。即使如此，许多人还认为这太令人担忧了，甚至要去投保。）当我们的生命有危险时，我们往往会改变自己的生活方式来趋吉避凶。那些不愿意改变的人迟早会离我们而去。 

如果一旦情况需要，也许我们应该设法到达这些小天体并改变它们的轨道。尽管有梅尔维尔的宿命论观点，创造宇宙的有些碎料还是保留下来了，并显然需要加以改进。沿着同样的、而相互影响很小的思路，行星科学界与美、俄两国核武器实验场所都认识到上面谈过的情景，并钻研这些问题：怎样监测一切相当大的近地行星际物体？如何确定它们的物理和化学性质？怎样预测哪些物体将来可能与地球相撞？最后，如何阻止碰撞发生？ 

在一个世纪之前，俄罗斯太空飞行先驱齐奥尔科夫斯基就指出，应当有大小介于已经观测到的大的小行星和有时落到地球上的小行星碎片（即陨星）之间的天体。他描写了在行星际空间里小的小行星上生活的情景。他没有想到这会有军事用途。然而在20世纪80年代初期，美国武器研制部门有人议论，苏联人可能使用近地小行星作第一次核打击武器；而这种杜撰的计划被称为“伊凡之槌”。为此需要提出对策。但同时有人提出，让美国学会使用这些小天体作为自己的武器，这也不失为一个好主意。美国国防部的弹道导弹防御组织（即80年代星球大战机构的后继单位）发射了一艘新型的太空飞船，名为“克莱芒蒂娜”（Clementine），让它绕月球运转并飞到近地的1620号小行星“地理星”旁边。（在1994年5月完成对月球卓有成效的考察之后，这艘飞船在接近这颗小行星之前就失灵了。） 

原则上，你可以使用大型火箭发动机抛射物体去撞击，或者在小行星上安装庞大的反射面板，然后用太阳光或地面上强烈的激光使它转向。但是如果运用现成的技术，只有两个办法。首先，用一个或多个威力极强的核武器可以把小行星或彗星炸成碎片，而碎片在进入地球大气层时会分解成微粒。如果来闯的小天体只是松散的结合体，也许只要亿吨级的爆炸力就足够了。因为从理论来说，热核武器的爆炸力没有上限，有些研制武器的专家可能认为制作更大型的炸弹不仅是激动人心的挑战，还可以为核武器在拯救地球的彩车上赢得一个席位，这样可以让令人厌烦的环保人士哑口无言。 

另一个经过更严格论证的方法不太具有戏剧性，但是仍然可以有效地使武器制造业赖以生存下去。这便是在一颗横冲直撞的小天体旁边引爆核武器。这些爆炸（一般是在小行星轨道上的近日点附近）的目的是改变小行星的轨道，使它偏离地球。①用一批小型核武器，每一个都把小行星朝我们希望的方向推动一点，这样就足以使一个中等大小的小行星转向，这只需要提前几个星期发出警告。我们希望用这个办法还可以对付突然检测到的即将与地球相撞的一颗长周期彗星：就是用一个小的转向小行星来拦截这颗彗星。（不用说，这种太空台球游戏比起由我们随意提前几个月或几年对付在已知轨道上正常运行的小行星，会是更为困难，更没有把捏，并且在最近的将来也更加没有实用价值。） 

我们不知道一次在近处的核爆炸对一颗小行星会有什么作用。对这个问题的答案随不同的小行星而异。有的小天体是牢固的结合体；有的只不过是靠自身引力聚集的沙粒堆。比如说，如果爆炸把一个大小为10千米的小行星分裂成几百个1千米的碎块，它们中至少有一块撞上地球的可能性会增加，那么便会出现《启示录》所描述的后果。另一种可能是，如果爆炸使小行星分解成一大群直径为100米或更小的物体，它们进入地球大气层后全都会像大流星一样焚毁。在这种情况下，碰撞引起的灾害是很小的。然而即使整个小行星都被击碎成粉末，在高空可能形成不透明的尘埃层，把太阳光挡住，使气候改变。究竟会产生什么样的后果，我们还不知道。 

有人设想让几十个或几百个装有核弹头的导弹整装待命，随时准备对付威胁地球的小行星或彗星。无论这种奇特的想法多么不成熟，它对我们似乎是熟悉的，只不过是敌人变换了。这同样是十分危险的。 

喷气推进实验室的奥斯特罗和我提出，问题在于如果你有把握让一个对地球有威胁的小天体转向，使它不会撞上地球，那么你也有把握让一个没有危险的小天体转向，使它撞上地球。假定你有一份完整的清单，上面列出直径大于100米而轨道已知的近地小行星（估计有30万颗），它们中任何一颗撞击地球都会造成严重后果。那么，与此同时，你也有另一份清单，它列出大量对地球不构成威胁的小行星。如果用核弹头改变它们的轨道，它们很快就会撞上地球。 

让我们把注意力集中于大约2 000个直径为l千米或更大的近地小行星——即很可能引起全球性灾难的小行星。现在它们中间大约只有100个已经确认列表。大约需要一个世纪才能掌握住其中的一个，轻而易举地改变它的轨道，让它转向地球。可以说我们已经找到了一颗这样的小行星，不过它还没有正式命名，②至今只有编号19910A。到2070年，这颗直径约为1千米的小行星会走到地球轨道之内450万千米处——这只是月地距离的15倍。要使19910A转向，让它击中地球，只需要用适当的方式引爆当量约为6000万吨梯恩梯炸药的核弹——这只是现有核弹头的一小部分。 

现在设想几十年后的某个时候，所有像这样的小行星都已确认出来，轨道也测定了。在这种情况下，喷气推进实验室的哈里斯（Alan Harris）、洛斯阿拉莫斯国家实验室的卡纳万（Greg Canavan）、奥斯特罗和我指出，只须花一年时间就可以挑选出一颗适当的小行星，并改变它的轨道，让它撞击地球，由此造成一场浩劫。 

这样做所需要的技术——大型光学望远镜、灵敏的探测器、能够发射几吨重负荷并在近地空间与小行星精确会合的火箭推进系统，以及热核武器——今天都已具备了。也许除掉最后一项外，对所有这些器件作出改进都是有把握的。在我们不知不觉中，今后几十年内许多国家都会拥有这些技术。到那个时候，我们将会把这个世界弄成什么样子呢？ 

我们有一种尽量缩小新技术危险的倾向。在切尔诺贝利灾难之前一年，有人向苏联核能工业部的一位副部长询问苏联核反应堆的安全状态，这位首长特别选出切尔诺贝利核电站作为最安全的例子，并满怀信心地估计说，一般要过10万年才会发生一次事故。可是，还不到一年……就大祸临头了。在“挑战者号”惨剧发生前一年，美国国家宇航局的合同承包人也做过与此类似的保证。他们估计，人们要等1万年才会见到航天飞机机毁人亡的事件。但是一年之后……伤心事就出现了。 

氯氟烃是一种新开发的完全安全的致冷剂，用来取代氨和其他致冷剂，因为后者一旦泄漏就会引起疾病，甚至死亡。就化学性质来说，氯氟烃是惰性的，在通常的浓度下它无毒、无嗅、无味，不会使人有过敏反应，也不易燃烧。它是对一个意义明确的实用难题在技术上加以解决的范例。除致冷和空调外，它在许多别的工业部门也有用处。但是我在前面谈过，研制氯氟烃的化学家忽视了一件重要事实——正是因为这种分子很稳定，它们可以散布到平流层高空，在那里由于太阳光照射而分解，这时释放的氯原子会破坏起保护作用的臭氧层。多亏几位科学家的工作，人们才及时认识并防止了这种危险。现在人类已经几乎完全停止生产氯氟烃了。可是事实上要等一个世纪左右我们才能确切知道是否真正避免了这种危害，因为要过这样长的时间氯氟烃的一切危害才会显现出来。和古代卡马里纳人一样，我们也会犯错误。③我们不仅常常不顾神灵的警告，我们甚至根本就不向他们祈求指示。 

对有些空间科学家和制订长期规划的人员来说，把小行星移动到绕地球的轨道上是一种有吸引力的设想。他们预见到在这些小天体上开采矿物与贵金属，或者利用它们的资源建造永久性太空基地，而不必克服地球重力把建材运上去。有人发表文章，论述怎样实现这样的目标以及这样做将来的好处。现有的意见是，先让小行星穿进地球大气，进行“气刹”，使它进人绕地轨道。这种方法很危险，不能有一点闪失。我想，在最近的将来我们能够认识到这种行径大冒险、太莽撞，尤其对大于几十米的金属小行星更是这样。在这种操作中，导航、推进或任务设计的差错，都会造成最严重的、灾难性的后果。 

上面谈到的都是粗心大意的例子，但是还有另一类的危险：我们有时听人说这种或那种发明当然不会被用来干坏事。没有一个头脑清醒的人会轻举妄动。这是一种“只有疯子才会干”的论调。每当我听到它（在辩论中经常可以听到），我就提醒自己，世界上真有疯子。他们有时在现代的工业化国家中拥有至高无上的权力。这是一个有希特勒的世界，这样的暴君不仅对人类大家庭的其余部分带来最严重的危险，而且对他们本国的人民也是这样。在1945年冬季和春季，希特勒下令摧毁德国——甚至“人民维持最低限度生存的基本条件也要摧毁掉，这是因为侥幸活下去的德国人“背叛”了他，并且这些幸存的德国人无论如何比起已经死去的要“低劣”。假若希特勒拥有核武器，那么同盟国威胁要用核武器（如果同盟国也有的话）来反击德国，这不可能阻止他，反而会激励他使用核武器。 

让人类掌握毁灭文明的技术，这样做是否可靠呢？如果在21世纪人类的大部分因一颗小行星碰撞而毁灭的概率是千分之一，那么在另一个世纪使小行星转向的技术落入坏人之手的可能性是否会更大一些呢？坏人是有的：有像希特勒那样憎恨人类社会、热中于大屠杀的人，追求“伟大”和“荣耀”的自大狂者，经受过种族暴力伤害企图报复的人，服用睾丸激素过度因而中毒的人，巴不得末日审判早些来临的宗教狂，还有操纵控制与安全装置的不熟练或不谨慎的技术人员。这样的人确实都有。危险看来远大于利益，治病可能比不治更坏。地球所穿越的近地小行星群，可能会成为现代的卡马里纳沼泽地。 

我们很容易想到这一切未必会发生，而只不过是焦虑所引起的错觉。头脑清醒的人肯定会占优势。不妨想一想，需要多少人参加研制与发射核弹头，还要进行太空导航、引爆核弹头、检测每次核爆炸引起的轨道改变，使小行星进入与地球相撞的轨道等等。难道不值得想想，当纳粹军队撤退时希特勒曾经下令焚烧巴黎，还想摧毁德国本土，而这些命令都没有被执行吗？在让小行星成功转向的计划中一定会有某些重要的专家，他们了解这样做的危险。即使有人担保，这个任务只是要歼灭某一个恶毒的敌对国家，大概也不会有人相信。这是因为碰撞的后果是全球性的。（无论如何，要确保小行星在一个特别该受惩罚的国家撞出巨大的坑是非常困难的。） 

但是现在让我们设想一个没有被敌军征服的极权国家，它既繁荣又自信。设想它有一个传统：命令必须服从，不许发问。还设想执行计划的人都相信这个虚构的说法：有一颗小行星即将撞击地球，他们的任务是让它转向；但是为了不使老百姓无端恐慌，行动必须保密。有了等级森严的军事管理体制，有了信息专职管理，还有严格保密和虚构的说法，我们能否保证甚至《启示录》中的命令也会被拒绝执行？难道我们真能担保在今后几十年、几个世纪以至几千年中这样的事情不会发生？我们有多大把握？ 

说一切技术都是为善还是为恶，这毫无用处。这句话肯定是对的，但是当“恶”达到可以毁灭世界的程度时，我们就必须界定哪些技术可以发展。（在某种意义上说，我们总是这样做的，我们没有能力发展一切技术。有的受到青睐，有的则不是。）国际社会需要对疯子、暴君和狂热分子进行压制。 

跟踪小行星和彗星是慎重的措施，是良好的科学项目，花的钱也不多。但是，既然知道人类的弱点，为什么现在要发展使小天体转向的技术？为了安全，我们能否设想让许多国家掌握这种技术，而每个国家都可以进行监测，防止别的国家滥用这一技术，以达到平衡？这远远不像以往的恐怖核平衡。可是这几乎不能制止某些企图毁灭全球的疯子，他们想如果自己不赶快动手，敌人就会先他们而动。我们怎样能保证，国际社会能侦察出一次设计灵巧和隐秘的小行星转向，并及时想出对策来？如果这种技术已经钻研出来，能否想出一套国际防护方案，它的可靠性与它承担的风险相称？ 

即使我们只限于进行侦察监视，也还是有风险。设想在下一代我们能够测定3万颗直径大于100米的小天体的轨道，并理所当然地公布这些信息。会有人绘出近地小行星与彗星的轨道图，它们的轨道曲线挤在一起，显出近地空间是黑糊糊的一片，这就像是悬在我们头顶上的3万把达摩克勒斯之剑。㈠这个数字是在大气清晰度最好的情况下肉跟能看见的恒星数的10倍。到那个时候，人们都了解情况，他们的恐惧比起现在大家不知情时要大得多。公众的压力也许难以抗拒，他们要求提出一些办法来对付还不存在的威胁，这样一来又会滋长滥用小行星转向技术的危险。由于这个缘故，发现和监测小行星可能不只是未来中立政策的一个工具，而是一个饵雷㈡。我认为，唯一可行的解决办法是把精密轨道计算、对威胁的实事求是的评估以及对公众的有效教育结合起来——这样至少可使民主国家的公民们作出自己有见识的决定。这是国家宇航局的任务。 

人们开始认真考虑近地小行星以及如何改变它们轨道的问题。有某种迹象表明，美国国防部和武器研制单位的官员们正开始了解，打算支使小行星可能真会有危险。文职和军职科学家已经聚会讨论这个课题。刚听说小行星的危险时，很多人认为这只是一个“小鸡”㈢式的无稽之谈；刚来到世上的小鸡露西（Lucy）非常激动地向大家报告这个紧急消息：天正在下塌！从长远方面来说．轻率地不予考虑我们未曾亲眼看到的灾难情景，这是很愚蠢的。但是对这个问题来说，确实需要慎重。 

与此同时，我们仍须面对转向问题的进退两难困境。如果我们开发并部署这种技术，它可能毁灭我们自己。但如果不这样干，某个小行星或彗星会把我们摧毁掉。我认为摆脱这种处境的关键在于这两种危险可能发生的时间尺度大不一样——前者短而后者长——这个事实。 

我倾向于认为，我们将来对待近地小行星的办法大致是这样：我们从地面观测发现所有的大家伙，绘出并监视它们的轨道，测定它们的自转速率和成分。勤劳的科学家们会说清楚它们的危险程度——既不夸张，也不掩饰危险的情景。我们发射几艘无人太空飞船到我们挑选的几个小行星附近，绕它们旋转，在它们上面着陆，并从它们表面取回一些样品供地球上实验室分析研究。最后我们送人上去。（由于小行星的重力很弱，这些人在它们上面作立定跳远，就能在空中跳到 

10千米以上，他们扔出一只垒球就可以绕小行星旋转。）在充分认识了各种危险，并在滥用天体转向技术的潜在威胁大为缓解之前，我们不会试图改变小行星的轨道。这也许需要一段时间。 

如果我们开发天体转向技术的动作太快，就可能毁灭自己；如果干得太慢，就肯定会让小行星毁掉。只有在世界上政权机构的可靠性以及它们给人们的信心都大为增进之后，才能把如此严重的问题放心地交给它们去处理。在这同时，似乎没有可以接受的国家级解决方案。如果把毁灭世界的技术交付给某一个存心（或只是有潜力）要毁灭他人的敌对国家，谁会放心呢？无论我们的国家有没有堪与匹敌的力量，我们都会感到不安。在行星际空间存在碰撞的危险，这一旦成为举世的共识，就会使全人类团结起来。面对着共同的危险，我们人类有时可以达到普遍认为是不可能的高境界。我们可以把分歧置诸脑后——至少是在危险消失之前。 

但是这种危险永远不会消失。受引力的扰动，小行星的轨道在缓慢改变；新的彗星不发出任何警告，就从冥王星之外的漆黑太空向我们疾驰而来。我们始终都需要用一种对自己没有危险的办法来对付它们。两种不同的危险——一种是天然的，另一种是人为的——同时呈现在我们面前。小的近地小行星提供了一个新的、强大的动力，促进建立有效的超国家机构，并使人类团结起来。很难找到任何其他令人满意的办法。 

无论怎样说，我们是以一向战战兢兢地进两步退一步的方式，走向统一联合。交通运输和通讯技术，还有相互依存的世界经济与全球性环境危机，都产生了强大的影响。被撞击的危险只会加快我们前进的步伐。 

到头来，我设想只能是小心翼翼地、十分谨慎地先不去动那些可以引起地球劫难的小行星，而是着手研究如何改变小于100米的非金属小行星的轨道。我们从小规模的爆炸开始，然后逐步干下去。我们从改变成分和大小各不相同的小行星与彗星的轨道取得经验。我们要弄清楚，哪些可以推开，面哪些办不到。到了22世纪，我们也许不用核爆炸，而用核聚变发动机或与之等效的新技术（见第十九章），把小天体在太阳系中移来移去。我们先把由贵金属和工业用金属组成的小型小行星移进绕地球的轨道，然后再逐步开发防御技术，使在可预见的将来可能击中地球的较大小行星或彗星转向。与此同时，我们小心谨慎地建立防止滥用这种技术的逐层保护体系。 

因为滥用转向技术的危险，比起近期内一次撞击的危险要大得多，我们有时间等待，采取预防措施，并重新建立政治机构——这肯定要花几十年，也许是几个世纪。如果我们的牌打得对并且运气不坏的话，就可以把在太空取得进展与地上的进展的步伐协调起来。在任何情况下，这两者都是密切相关的。 

小行星撞击的危险促使我们干起来。我们最终要在内太阳系各处建立庞大的驻人空间基地。我并不认为，这样重要的项目可以全靠机器人来运作。要安全地建立驻人空间基地，我们的世界政治体系必须改变。虽然我们将来的许多事情还是扑朔迷离的，但这个结论似乎稍微清楚一些，这与人类社会的变幻莫测无关。 

从长远来说，即使我们不是职业漫游者的后代，即使我们不受探险的激情所鼓舞，我们中间的某些人仍须离开地球——这仅仅是因为要保证所有的人生存下去。一旦进入太空，我们就需要有基地和基础设施。不必等太久，我们中的一些人就会在人造的栖息地或其他世界上生活。这是在前面讨论火星探测时遗漏的两个论点中的一个，即为了在太空中建立永久性的驻人基地。 

其他的行星系也有各自遭撞击的危险，这是因为小行星与彗星都是原始小天体聚合成行星后的残余物体。在行星形成后，许多这样的星子遗留下来。平均说来，两次可以毁灭地球上文明的碰撞相隔约为20万年，这为人类文明史的20倍。地外文明（如果存在的话）需等待的时间可能差别很大，这与诸如行星及其生物圈的物理及化学特征，文明所具有的生物和社会性质，当然还与碰撞本身的频率等因素都有关系。行星的大气压力越高，就越能抵御更大一些天体的撞击。当然压力不能高到温室效应和其他后果致使生命无法存在的程度。如果行星的引力比地球小得多，碰撞体的撞击力就会小一些，危险也小一些。当然行星的引力不能太小，否则大气就逃逸到太空去了。 

其他行星系遭碰撞的频率是未知数。我们的行星系含有两个主要的小天体区，它们可以把潜在的碰撞体送入与地球轨道交叉的旅途。两个小天体区的存在以及保持碰撞率的机制，这两者都取决于小天体的分布情况。举例来说，我们的奥尔特云的成员似乎来自天王星和海王星附近由于它们的引力作用而抛出的冰冻小天体。如果在与太阳系不相同酌其他行星系中没有像天王星与海王星那样起作用的行星，它们的奥尔特云就会稀疏得多了。在疏散星团和球状星团中的恒星，在双星系统与聚星系统中的恒星，接近银河系中心的恒星，在星际空间里与大分子云经常相遇的恒星，它们的行星系中的类地行星被撞击的频率都会更高。按华盛顿特区卡内基研究院韦瑟里尔（George Wetherill）的计算结果，如果太阳系里没有木星，那么地球附近彗星的数目会增加几百或几千倍。在没有类似木星这种行星的行星系中，挡住彗星的引力屏蔽要弱得多，因此威胁文明的碰撞会频繁得多。 

在一定程度上说，行星际空间各种小天体流量的增加可能会加快进化的进程，这犹如在白垩纪和第三纪大碰撞使恐龙绝灭之后，哺乳动物繁荣兴旺并演变出众多品种一样。但是必定会有一个限度。显然，某种小天体流量太高对任何一种文明的持续存在都不利。 

这样一连串论证的一个结论是，即使在整个银河系各处行星上都有文明社会，它们中间也只有极少数是既长期存在又无科技可言的。因为全银河系中有生灵居住的行星都有被小行星或彗星撞击的危险，所以如果有这样的行星，那么那里有智慧的生灵就都必须使各自所在的世界在政治上统一起来，离开他们的行星，并移动周围的小天体。他们的最终选择和我们是一样的，就是如果不飞向太空就会毁灭。 

㈠传说叙拉古僭主狄奥尼西奥斯命其大臣达摩克勒斯坐在用一根细线悬挂的剑下，以此表示大权在握者往住朝不保夕。——译者 

㈡伪装成无害物的地雷。——译者 

㈢安徒生童话说到，有一天树上掉下一粒种子打到一只小鸡头上．小鸡惊恐万状，以为天要塌了。——译者 

谢选骏指出：“星球大战”（Star Wars），本来是一些电影骗子的道具噱头，后来成为老年痴呆的总统指示，因为这个总统是戏子出身。但愿它永远不要成为现实——

战略防御倡议，亦称星际大战（StarWars），正式名称为战略防卫先制（Strategic Defense Initiative, 亦称Star Wars Program，简称SDI），是美国在1980年代研议的一个军事战略计划，目标为建造太空中的激光装置来作为反弹道导弹系统，使敌人的核弹在进入大气层前受到摧毁。该计划源自美国总统罗纳德·里根在冷战后期（1983年3月23日）的一次著名演说。其核心内容是：以各种手段攻击敌方的外太空的洲际战略导弹和外太空航天器，以防止敌对国家对美国及其盟国发动的核打击。其技术手段包括在外太空和地面部署高能定向武器（如微波、激光、高能粒子束、电磁动能武器等）或常规打击武器，在敌方战略导弹来袭的各个阶段进行多层次的拦截。该计划的着眼点在于当苏联发动大规模核武攻击时，相当数目的美国导弹能够存活下来。冷战结束后则再度修正该计划，试图在美国受到少数核武攻击时保障领土安全。美国的许多盟国，包括英国、意大利、西德、以色列、日本等，也在美国的要求下不同程度地参与了这项计划。

星球大战计划的推出背景是在冷战后期，由于苏联拥有比美国更强大的核攻击力量，美国害怕“核平衡”的形势被打破，有需要建立有效的反导弹系统，来保证其战略核力量的生存能力和可靠的威慑能力，维持其核优势。

内容

计划由“洲际弹道导弹防御计划”和“反卫星计划”两部分组成。其预算高达1兆亿美元。拦截系统由天基侦察卫星、天基反导弹卫星组成第一道防线，用常规弹头或定向武器攻击在发射和穿越大气层阶段的战略导弹；由陆基或舰载激光武器摧毁穿出大气层的分离弹头；由天基定向武器、电磁动能武器或陆基或舰载激光武器攻击在再入大气层前阶段飞行的核弹头；用反导导弹、动能武器、粒子束等武器摧毁重返大气层后的“漏网之鱼”。经过上述4道防线，可以确保对来袭弹道导弹有极高摧毁率。同时在核战争发生时，以反卫星武器摧毁敌方的军用卫星，打击削弱敌方的监视、预警、通信、导航能力。

经过

美国总统罗纳德·里根在冷战后期（1983年3月23日）的一次著名演说。“星球大战”发表后，1984年，战略防御计划组织 (Strategic Defense Initiative Organization, SDIO) 成立，由曾任太空总署航天飞机计划总监的詹姆斯·亚伯拉罕森将军 (General James Alan Abrahamson) 任首任局长，以统筹整个计划。1985年1月4日由美国政府立项开发，定名为：反弹道导弹防御系统的战略防御计划，原计划于1994年开始部署。

后续

由于系统计划的费用昂贵和技术难度大，许多计划中的项目，如著名的“X-30”，“X-33”等最终无限期延长甚至终止。加上苏联于1991年解体，美国在已经花费了近千亿美元的费用后，于20世纪90年代宣布中止“星球大战计划”相关资源缩编改组为弹道导弹防御组织(Ballistic Missile Defense Organization)，之后2002年又再次改为导弹防御局(Missile Defense Agency)。

评论

随着美国中央情报局冷战密件曝光，该计划被认为是一场彻底的骗局，有人认为星球大战只是美国政府为了拖垮苏联而采取的一种宣传手段而已。但五角大楼声称，计划之所以没实施，是因为存在技术缺陷，而非外界所说的骗局。不论实际是否为一场骗局，SDI计划的成果与实验的装置仍然发挥着作用。如美国白沙实验场，研究“光束飞船”（用激光代替化学燃料）的激光仍然是来源于星战计划中所使用的仪器。美国现有的洲际弹道导弹预警与拦截系统仍然基于SDI的成果。虽然该计划的物质成果有限，但在1980年代时确实产生了外交效果，苏联高层为美国计划的庞大与先进性而恐慌，因为他们“虽不知道美国人办不办的到，却很清楚自己一定做不到”；由于认识到自身国力难以加码新一轮的太空军备竞赛，苏联开始尝试与美国进行限武谈判以求缓和局势。

【第十九章 改造行星】

谁能否认，只要有了工具和超凡的材料，人类也能够造出天穹？ 

——菲奇诺（Marsilio Ficino）㈠《人的灵魂》（约于1474年） 

在第二次世界大战中期，一位名叫威廉森（Jack Williamson）的美国年轻作家想象一个到处有人居住的太阳系。他设想，到22世纪，中国人①、日本人和印度尼西亚人将移居金星；德国人到火星；而俄国人去木星的卫星。至于那些讲英语（威廉森用来撰写这种预言的语言）的人，只能占有小行星，当然还有地球。 

这个故事是1942年7月在《惊人的科学幻想小说》刊物上发表的。文章的标题是“撞击轨道”，用的笔名是斯图尔特 （Will Stewart）。故事的情节是一颗无人居住的小行星即将撞上一颗已有移民的小行星，于是需要设法改变这些小天体的轨道。虽然这对地球上任何人都没有危险，但这是除报纸上的连环漫画之外，第一篇谈论小行星碰撞对人类形成威胁的作品。（在这之前，彗星撞击地球已是公认的危险了。） 

在20世纪40年代初期，人们对火星与金星的环境了解得很肤浅，认为没有精心研制的维持生命的设施，人就可以在它们上面生活。可是小行星是另外一回事。甚至那时已众所周知，小行星是很小的、干燥的、没有空气的世界。如果要在它们上面住人，尤其是住许多人，就总得想办法对它们进行整修。 

威廉森在“撞击轨道”一文中描述了一群“太空工程师”，他们能够把荒芜的前哨站变成温暖的家园。威廉森造了一个新词，即“地球化过程”（terraforming），来表示把一个星体转化成为地球似的世界。他了解小行星的重力很弱，因此它所产生的或运输过去的任何大气都很快就逃逸到太空里去。这样一来，他的“地球化”的关键技术是“类重力”（paragravity），就是一种可以维系稠密大气的人工重力。 

我们今天几乎可以肯定地说，“类重力”在物理学上是不可能的。但是正如齐奥尔科夫斯基所指出的，我们可以设想在小行星表面构筑有圆顶的、透明的栖息场所；或者像20世纪20年代英国科学家贝尔纳（J·D·Bermal）所建议的，在小行星内部建立社区。因为小行星很小，它们的重力微弱，因此即使构筑大型的地下建筑也比较容易。如果从小行星的一端到另一端挖通一条隧道，你就可以从一端跳进去，大约45分钟后从另一端钻出来，就这样沿小行皇的整个直径永无止境地来回跳动。在一颗合适的、含碳的小行星内部，你可以找到制造石头、金属和塑料成品的材料，以及大量的水。有了这一切必需条件，你能够建成一个地下的封闭生态环境，即一个地下花园。达到了这个目的，比起我们今天所拥有的生态环境要提高一大步。但是这和“类重力”不一样，在这个计划中没有哪样东西看起来是不可能的。一切部件在当代技术领域内都能找到。如果有充分理由要这样办，到22世纪就会有好些人能够在小行星上面（或里面）生活。 

他们当然需要一个能源，这不仅是为了维持他们自身的生存，还如贝尔纳所提出的，要移动他们的小行星家园。（从用爆炸到一两个世纪后用较为缓和的推进技术来改变小行星的轨道，似乎并不是迈出太大的一步。）如果能够从化学上束缚的水生成含氧的大气，那么用焚烧有机物可以产生能量，正如今天地球上燃烧化石燃料一样。还可以考虑使用太阳能，尽管在主带小行星上太阳光的强度只是地球上的10％左右。然而，我们仍可设想在有人居住的小行星表面上布满大量的太阳能面板，它们把太阳能转换为电力。绕地旋转的太空飞船常规使用光电技术，而现今在地面上这种技术也得到日益普遍的推广。居住在小行星上的人类后裔用太阳能来取暖和照明也许是绰绰有余的，但是太阳能似乎不足以用来改变小行星的轨道。 

为此，威廉森建议使用反物质。反物质和普通物质是相似的，只是有一个重要的区别。以氢为例：一个普通的氢原子在内部含有一个带正电荷的质子，而在外面有一个带负电荷的电子。一个反氢原子却是里面有一个带负电荷的质子，而外面为一个带正电荷的电子（称作正电子）。无论所带的电荷是正还是负，质子的质量是一样的，电子也如此。电荷相反的粒子互相吸引。一个氢原子和一个反氢原子都是稳定的，因为它们的正负电荷都正好平衡。 

反物质并不是科幻作家或理论物理学家冥思苦想的虚构产物。反物质确实存在。物理学家在核子加速器中制造它，在高能宇宙射线中也能发现它。那么为什么我们很少听说过它呢？为什么没有人拿出一块反物质给我们瞧瞧呢？这是因为物质与反物质一旦接触．就会发生剧烈的相互湮没过程，发射出强烈的γ射线暴，并且都会消失。单靠观看，我们无法说出一件东西是由物质还是反物质组成的。举例来说，氢和反氢的光谱性质是完全相同的。 

爱因斯坦对于为什么我们只看见物质而看不见反物质这个问题的答复是：“物质赢了”。他的意思是，至少在我们的这一部分宇宙中，很久以前物质与反物质相互作用和彼此湮没后剩下的一些是我们所说的普通物质。②就我们今天所知道的来说，γ射线天文学和其他方法研究的结果都表明，宇宙几乎完全是由物质组成的。这个情况的形成还有最深奥的宇宙学缘由，但我们在这里不准备加以讨论。但只要在宇宙创始时物质的含量比反物质多出十亿分之一，这就足以解释为什么我们今天看见的宇宙中只有物质而没有反物质了。 

威廉森设想，到22世纪时人们能够利用物质与反物质的可以控制的相互湮没来搬动小行星。如果把湮没过程所释放的γ射线聚集起来，就可以形成推进火箭的强大动力。在主小行星带（位于火星与木星的轨道之间）里可以找到反物质，因为这正是他解释小行星带存在的理由。他提出，在遥远的过去，一颗来自太空深处由反物质组成的反小天体闯入太阳系，撞上了当时离太阳第五远的类地行星，并与它一起湮没了。这次猛烈碰撞留下的碎块就是小行星，而它们中有一些仍然由反物质组成。如果能利用一颗反物质小行星作动力——威廉森承认这是很难办到的——你就可以随心所欲地移动小行星了。 

威廉森的想法在刚提出时是对未来的幻想，但是它一点也不愚蠢。可以认为，“撞击轨道”一文中的某些设想是有远见的。然而在今天，我们有充分理由相信太阳系中并没有显著数量的反物质，并且小行星带根本不是被撞击的类地行星的碎片。与此相反，它是一大批由于木星引力潮作用而无法聚集成为类地行星的小天体。 

尽管如此，我们现在确实能够用核子加速器制造出少量的反物质。到22世纪，我们也许可以制造出多得多的反物质。因为它产能的效率太高了——按爱因斯坦的公式E＝mc2，以100％的效率，把所有物质都变成能量——到那个时候反物质发动机或许会成为一项实用技术，这将为威廉森辩护。如果这办不到，我们还能指望哪种切实可用的能源会使小行星变形，为它们照明、供暖，并把它们搬来移去呢？ 

太阳光芒四射，靠的是把质子挤在一起，并把它们转变为氦原子核。这个过程释放出能量，可是它的效率还不到物质与反物质湮没的1％。但是甚至质子一质子反应也远远超过我们在不久的将来所能现实地想象的任何产能方式。质子－质子反应所要求的温度太高了。然而，如果不用挤撞在一起的质子，我们可以使用氢的较重的同位素。我们制造热核武器中已经这样做了。氢的同位素氘的原子核是1个质子靠核力与1个中子结合在一起；而氚则是1个质子与2个中子相结合。再过一个世纪，我们会有包括氘与氚以及氘与氦的可控核聚变在内的实用能源计划。在地球和其他天体上，氘与氚以水的次要成分存在。核聚变所需要的氦是3（上标）He，它的原子核是2个质子与1个中子组成。几十亿年来太阳风已经把这种氦同位素注入小行星的表面。上面提到的两种核反应过程不像太阳内部质子一质子反应那样高效，但是从一个仅几米大小的冰块提取的重氢所释放的能量，就够一个小城市使用一年了。 

研制核聚变反应堆的进程看来太慢了，对解决（甚至只是在较大程度上缓解）温室效应所引起的全球变暖，似乎发挥不了重要作用。但是到了22世纪，它们应当得到广泛的应用。利用核聚变火箭发动机，就可能在太阳系内圈移动小行星和彗星。举例来说，可以把主带里的一颗小行星移到绕地轨道上。利用从一颗1千米大小的冰彗星取出的氢进行核聚变，这样就可以把一个10千米大小的小天体从土星移到火星。 

（我再次假定那时世界在政治上更为稳定和安全得多。） 

你也许会对重新安排天体位置在伦理上感到不安，或者为这样于是否会产生灾难性后果而有疑虑，请你把这些感受都暂时置诸脑后。再过一两个世纪，我们大概有能力把小行星的内部挖空，并为供人居住加以改建，还把小行星在太阳系内移来移去。也许到那个时候我们还会有充分的国际安全保障。但是我们要改变的不只是小行星或彗星，而是行星的环境，这该怎样办呢？如果办不到，我们怎样能够生活在火星上面？ 

至少从原理上容易理解：如果我们想在火星上建立供人栖息的场所，我们办得到。那里有充足的阳光，在岩石里、地下和极冠都有大量的水。大气的主要成分是二氧化碳。附近的火卫一拥有大量的有机物，可以挖掘出来并运送到下面的火星去（实际上，火卫一表面早已有纹路，似乎在我们之前曾经有人去过。但是行星地质学家认为，他们了解潮汐力或撞击怎样形成这些纹路）。似乎有可能在自给自足的栖息地（也许是带圆顶的封闭场所）种植谷物，从水中制氧，并把废弃物再生使用。 

起先我们要依靠从地球不断运来的日用品，但迟早我们自己生产越来越多的日用品。我们逐渐变得自给自足。有圆顶的封闭系统，即便是用普通玻璃制成的，也会让太阳的可见光透过，并挡住太阳的紫外线。戴上氧气面罩和穿上保护外衣（不像太空服装那样笨重），我们就可走出封闭系统到外面去探测，或建造另一些有圆顶的村落与农场。 

这似乎会强烈地唤起对美国早期拓荒经历的回忆，但是至少有一个重要的区别：在火星开垦的初期必须有大量的补贴。所需的技术太昂贵了，对像一个世纪前我的祖父母辈那样贫穷的家庭来说，无法支付自己去火星的旅费。早期去火星的先驱者将是由各个政府送去的，并且都有高级的专业技能。但是过一两代，儿女和孙儿女都在那里出生后，尤其是自给自足实现后，情况会开始变化。在火星上出生的年轻人要接受在新环境中生存所必需的技术的专门训练。移民们的英雄气概和独创性越来越少。人类的各种优缺点开始显露出来。部分地是由于从地球去火星很困难的原因，一种独特的火星文化——与他们生活环境有联系的独特愿望和恐惧、独特的技术、独特的社会问题及其独特的解决办法——将会逐渐形成。和整个人类历史中在每一千相似环境里都出现过的情况一样，火星上的移民在文化上和政治上与母体世界逐渐疏远了。 

来自地球的大型飞船将送来必需的技术、新的移民家庭和稀有的资源。因为我们对火星了解得很有限，还难以确定飞船返航时是否会空载——还是会带回一些只有在火星上才找得到而对地球是很宝贵的东西。起先，火星表面的样品大部分要在地球上做科学分析。但是总有一天，对火星（以及火卫一、火卫二两颗卫星）的科学研究将在火星上进行。 

最终，就同人类的几乎所有其他交通工具一样，行星际旅行将变成一般收入的人们——从事自己的研究项目的科学家，对地球厌倦的移民，甚至喜爱冒险的旅行者，当然还有真正的探险者——都负担得起的。 

如果有一天，能把火星上的环境变得和地球很相似，这时保护人体的外衣、氧气面罩、以及有圆顶的农田及城市，都不需要了。于是火星的引诱力大幅度增加，而去火星也变得容易得多了。当然，对任何一个别的世界，情况也是一样的，只要能对它施工，不用复杂的设施就可以把行星环境隔离开来，让人可以居住。如果不靠完整无损的圆顶或太空服我们的生命也有保障．我们住在自选的房屋里会感到舒适得多。（但是我也许把忧虑说得过分了。荷兰的居民全靠堤坝与大海隔离开来，然而至少看来他们和北欧其他居民一样非常适应环境和过得无忧无虑。） 

如果认识到这是一个猜测性的问题以及我们的知识很有限，是否可以设想用“地球化过程”来改造行星呢？ 

我们不必看得更远，只要看看自己的世界就会知道，人类已经能够使地球环境发生影响深远的改变了。臭氧层的耗竭、温室效应加剧引起的全球变暖以及核战争造成的全球变冷，这些都表明现有的技术能够使我们世界的环境发生重大变化——这些后果都不是故意造成的，而是由于做其他事情无意中引起的。如果我们是存心想改变自己行星的环境，我们完全能够造成更大的变化。当我们的技术具有更大威力时，我们就能促成更加深远的变化。 

可是，正如在并排停车时从很挤的车位退出来比开进去要容易一些，破坏一个行星环境较为容易，而把它纳入一个在温度、压力、成分等因素都限制得很严的范围之内却困难得多。我们已经知道有大量荒凉的、无法居住的世界，而绿色的、气候温和的世界只有一个（它的环境变化的范围很小）。这是在太空飞船对太阳系探测的早期就已得出的一个重要结论。在改变地球或任一个拥有大气的世界时，我们必须非常注重正反馈效应，就是说我们把环境改动一点，它就会自行变化到无法控制的程度。例如让气候变冷一点，便会导致飞速增长的冰河化，正如在火星上可能出现过的情况。或者让气候变热一点，则会导致飞速增长的温室效应，犹如在金星上曾发生的一样。现在根本还不清楚，我们的知识对研究这一问题是否够用。 

据我所知，在科学文献中首先提出行星的地球化过程，是我于1961年写的一篇关于金星的文章。我当时相当肯定，由于二氧化碳和水蒸气的温室效应，金星的表面温度远高于水的正常沸点。我设想在金星高层云中撒播一些由遗传工程产生的微生物，它们可以清除大气中的二氧化碳、氮和水蒸气，并使之转变为有机分子。清除掉的二氧化碳越多，温室效应就越小，表面也就越冷。微生物从大气落到地面后会被烧死，于是水蒸气便返回大气。但是高温使来自二氧化碳的碳不可逆转地变成石墨或其他不易挥发形态的碳。到最后，温度降到水的沸点之下，于是金星表面便变得适于居住，并到处点缀着温水的池塘和湖泊。 

这个构思很快就被好些科幻小说的作家抓住了。他们在科学与科幻之间反复跳跃。科学刺激科幻小说，而科幻又激励新一代科学家，这个过程对双方都有益处。但是在下一步的跳跃中发现，在金星大气中播撒具有光合作用的特种微生物的方法不能奏效。在1961年以后，我们发现金星的云是一种浓的硫酸溶液，这使遗传工程变成颇大的难题。但这本身还不是致命的毛病。（有些微生物可以终生在浓硫酸溶液中度过。）致命的问题是：在1961年我认为金星表面的大气压力是几个“巴”㈡，即为地球表面压力的几倍。现在我们知道，金星表面的大气压为9兆帕（90巴）。因此如果我的设想可行，结果是改变后的金星表面埋藏在几百米厚的石墨粉之下，同时几乎由纯氧分子组成的大气的压力有6.5兆帕（65巴）。一旦到了这样的大气中，不知道我们首先会被这么高的大气压压得粉碎，还是氧气会突然起火把我们烧得精光。可是，早在这样大量的氧气形成之前，石墨会自然，并重新变为CO2（二氧化碳的分子式），这成为一个短路过程。因此这种设想顶多只能使金星部分地球化。 

让我们假想到22世纪初叶，我们有相对说来价格不太昂贵而载重量很大的飞船，因此可以把大件物体运送到其他世界去。那时我们还有大量的、威力强大的核反应堆，也有很发达的遗传工程。从目前的趋势看来，这三项假设全部都有可能实现。在这种情况下，我们能否使行星地球化呢？③国家宇航局艾姆斯研究中心的波拉克和我思考过这个问题。我们的发现可以归纳如下： 

金星：金星的问题显然是它的大规模温室效应。如果我们能把温室效应减少到几乎为零，那么它的气候可能会成为温和宜人的。可是一个9兆帕的二氧化碳大气实在稠密得令人无法承受。在一张邮票大小，即约6.5平方厘米（1平方英寸）的表面上，大气压力相当于6位职业足球运动员叠在一起时的体重。要免除这样大的压力，必需下功夫。 

设想用小行星和彗星来轰击金星。每一次碰撞都会吹走一部分大气。然而，要把大气几乎吹光，那么把所有较大的小行星和彗星都用掉也不够（至少是在太阳系的行星区内）。即使有许多潜在的碰撞天体，即使我们让它们全都与金星相撞（这是解决地球遭碰撞问题的一种矫枉过正的办法），那么不妨想想我们会有什么损失。还有准会知道我们将失掉的这许多小天体的什么奇景，以及它们蕴藏的什么实用知识？我们还将抹掉金星表面壮丽的地质结构——我们刚开始了解它们，并由此大为增进我们对地球的认识。这是一种靠蛮干实现的“地球化过程”。我建议我们完全避免采用这样的办法，即使到某个时候我们有能力这样干（对此我十分怀疑）。我们需要的是更温文尔雅、更精巧，也是更尊重其他世界环境的方法。使用微生物的办法就有这些优点，可是我们刚谈到过，它不能达到目的。 

我们可以设想把—颗暗黑的小行星砸碎成粉末，然后散布到金星的高层大气，或者这种尘埃落到表面后又将它们搅到上空。这实际上相当于核冬季或白垩纪一第三纪的大碰撞后的气候。如果照射到表面的阳光有一大部分被挡住了，表面温度会下降。但是就其原理来说：这种方法会使金星陷入深深的阴暗之中，白昼的亮度也许只像地球上的明月之夜。令人无法承受的9兆帕大气压力仍然存在。因为撒入大气的尘埃隔几年又沉淀到表面，在这段时期里又须进行补充。也许为了短期的探险，这个方法可以采用，但是由此产生的环境似乎太恶劣了，不适宜自给自足的人群在金星上定居。 

我们可以在绕金星的轨道上安装一个庞大的人造遮阳篷，来使表面冷却，但它的代价太昂贵了，并且也有尘埃方法的许多缺点。然而如果温度可以降得够低，大气中的二氧化碳会像雨点一样落下。㈢于是在一段过渡期中金星上有二氧化碳海洋。如果可以把这些海洋完全盖起来以免再蒸发——例如从太阳系外围运来一颗大的冰卫星，把它融化成水的海洋——然后设法把二氧化碳分离开来，于是金星变成一个水（或低泡沫矿泉水）的行星。还有人提出一些办法，可以把二氧化碳变成含碳的岩石。 

总的说来，对金星“地球化过程”所有的建议都仍然是蛮干似的，不考究的和惊人的昂贵。也许在今后很长时期，即使我们愿意并认为有责任这样做，要想把这个行星变成适于人们定居的场所会超出我们力所能及的范围。威廉森所设想的金星上的亚洲移民可能需要另觅一个更适于居住的行星。 

火星：对火星来说，我们遇到的问题刚好相反。那里没有足够的温室效应。这颗行星是冰冻的沙漠。40亿年前——那时太阳不像现在这样明亮——火星似乎有过大量的河流、湖泊，甚至海洋。这个情况使我们怀疑，火星的气候是否有某种天然的不稳定性，它在一触即发间会让这个行星返回它在古代的温暖宜人的状态。请注意，如果出现这种情况，那些保存关键历史资料的地形特征，尤其是南北极区的层状地形，就会被毁掉。） 

我们从地球与金星已经完全了解到，二氧化碳是一种温室气体。在火星上发现有含碳矿物，而在一个极冠中有干冰。它们都可以转化成二氧化碳气体。但是要使温室效应足以在火星上产生舒适宜人的温度，就需要把整个行星表面都挖遍，一直达到几千米的深度。㈣姑且不谈这样大的实际工程所会遇到的令人望而生畏的困难——元沦是否使用核聚变能量都是这样，它给在火星上已经建成的任何一种自给自足封闭生态系统中的移民们会带来诸多不便，它还使独特的科学资料与数据库（即火星表面）遭到不负责任的破坏。 

对其他的温室气体该怎样办呢？我们可以在地球上生产氯氟烃，然后把它们运到火星上去。迄今据我们了解的情况，在太阳系中别的任何地方都还没有找到过这种人造化学物品。我们当然能设想在地球上制造出足以使火星变暖的氯氟烃，这是因为在几十年中，我们利用地球上现有工艺已经出人意料地合成了足以让我们的行星整个变暖所需的这种化合物。然而去火星的运输费用太高，即使每天至少发射一枚“土星5号”或“能量号”级的运载火箭，也需要运一个世纪。但是，也许可以用火星上的含氟矿石，在当地生产。 

此外，有一个严重的缺陷：在火星上和地球上一样，大量的氯氟烃会阻碍臭氧层的形成。氯氟烃可以使火星温度达到温暖适宜的程度，但是也使太阳紫外线的危害仍然极为严重。为了吸收太阳的紫外线，也许可以用小行星粉碎后的微尘形成的大气层，或者把表面尘埃按仔细确定的分量喷射到氯氟烃上面。但是此时我们需要费神对待由此出现的副作用，而每个副作用都需要特有的大规模解决办法。 

使火星变暖的第三种可能的温室气体是氨。只要用少量的氨就足以使火星表面温度上升到水的冰点之上。原则上，用特殊工艺处理过的微生物可把火星大气中的氮变成氨，就如有些微生物在地球上已经发挥了这种作用，但是需要在火星的条件下这样做。同样的转化也许可以在特设的火星工厂内进行。需要用的氮也可以从太阳系其他地方运到火星上去（地球和土卫六大气的主要成分都是氮）。太阳的紫外线会在大约30年内把氨变回为氮，因此需要持续不断地补充氨。 

用精心策划的二氧化碳、氯氟烃与氨合在一起产生的温室效应，似乎可使火星表面温度提高到十分接近水的冰点，足以使火星的地球化过程的第二阶段开始。空气中大量的水蒸气，由遗传工程改造过的植物大量产生的氧气，以及表面环境的微观调控，都使温度进一步上升。在火星整体环境变得适宜于没有保护装置的人类移民定居之前，可以引进微生物和较大的动植物。 

火星的地球化显然要比金星的地球化容易得多。但是用目前的标准来衡量，仍然是极为昂贵，并且会破坏环境。然而如果有令人信服的充足理由，火星的地球化过程到22世纪或许便可着手进行。木卫和土卫：把类木行星的卫星地球化，困难程度各不相同。最容易对付的大概是土卫六了。它已经有了一个与地球类似的主要由氮组成的大气，并且大气压力比金星与火星都更接近于地球。此外，像氨和水蒸气这些重要的温室气体，都几乎是肯定冻结在它的表面上。有朝一日要使土卫六地球化，其关键性的首要措施是生产在目前土卫六温度下不会冻结的初始温室气体，以及用核聚变使表面直接变暖。 

如果真有必须使其他世界地球化的迫切理由，这个人类最伟大的工程项目也许可以在我们谈到过的时间范围内进行——肯定要做的是小行星，可能实现的是火星、土卫六以及外行星的其他卫星，但是大概不会有金星。波拉克和我认识到，把太阳系中其他世界变得适于人类居住的想法对有些人具有强烈的吸引力——在那些地方可以建立天文台、探测基地、社区和住宅。由于有一部不断开拓疆域的历史，这个想法在美国是特别自然和富于吸引力的。 

无论如何，只有在对其他世界的了解比现在好得多的时候，我们才能有把握地和认真负责地实现对它们环境的大规模改造。提倡地球化的人，必须首先提倡对其他世界进行长期和深入的科学探测。 

也许当我们真正了解地球化的各种困难时，费用昂贵和对环境产生严重的不良后果显得太难以接受了，于是我们会降格以求，在其他世界上只建造有圆顶的或地下的城市，或者是其他的局部封闭生态系统，即大为改进的“生物圈2号”模式㈤。也许我们会放弃把其他世界的表面改造成与地球相似的梦想。也许还有我们没有想象到的更好的、经济实惠并且对环境负责任的地球化途径。 

但是如果我们要认真对待这件事，就应当考虑几个问题：已知任何一个地球化方案都要求费用与收益相平衡，我们在实施之前，怎样能确信有些关键性的科学信息不会被地球化过程毁灭掉？我们对实行地球化的世界需要了解多少，才能相信行星工程能达到所希望的最终改造目标？人类的政治机构存在的时期都很短，我们怎能保证有一个长期的人类承诺来维持和补给一个改造过的世界？如果想象中的一个世界已经有生物了——也许只是微生物——人类是否有权去改造它？我们是否有责任为后代人让太阳系中其他世界都保持在现有的荒凉状态，而后代人可能想出一些我们目前由于太无知因此预见不到的用途？这些问题也许可以归结成一个最后的问题：我们已经把这个世界搞得如此一团糟了，能否信任我们去管好其他世界呢？ 

可以想象，最终用来使其他世界地球化的某些技术，也可用于弥补我们对这个世界造成的损害。考虑到各种相对紧急的事务，可以认为把自己的世界弄好，是人类是否有资格认真考虑实行地球化的一个有用的指标。我们可以把这个指标认作对自己的了解深度与自己的承诺的一个考验。改造太阳系的第一步是保证地球适合于人类和其他生物很好地生存下去。 

然后我们将准备好向小行星、彗星、火星、外太阳系的卫星和更遥远的星体移民。威廉森预料这个计划将从22世纪开始实行，实际情况可能不会与此相差太远。 

想想我们的子孙后代，他们可以在其他世界上生活和工作，甚至其中有些人能够便利地从一个世界转移到另一个世界，这似乎是最离奇的科学幻想。我的头脑中有一个声音在提醒自己：要现实一些。可是这确实是现实的。我们现在是在科技的尖端，是在看来不可能的事物与日常例行公事之间的分界处。这种情况容易产生矛盾。在这段过渡时期中，如果我们不做一些令自己望而生畏的事情，那么在另一个世纪实现地球化就不会比今天建造有人居住的太空站看起来更加不可能实现。 

我想，在其他世界上生活的经历必然会改变人类。在别的世界上出生和长大的我们的后裔，不管对地球保留有多少感情，当然主要地会对他们出生的世界效忠。他们的物质需求和满足这些需求的方法，他们的科技，以及他们的社会结构，都会和我们的大相径庭。 

草在地球上到处都有，但是在火星上一片草叶却是一个奇迹。我们住在火星上的后裔会知道一块绿地的价值。如果一片草叶是无价之宝，那么人的价值呢？美国的革命家佩恩（Tom Paine）㈥在描述他的同时代人时，就有类似的想法： 

开垦荒地必然会有一些需求，并由此产生一种社会形态。长时期来．由于各国受到政府间争吵和纠葛的干扰，而忽 

略了对它的抚育。在这种情况下，人就变成他应当是的人。他把自己的种族……都当作亲属。 

亲眼看见一系列贫瘠和荒凉的世界，我们的开拓太空的后裔自然而然地会珍惜生命。他们从人类在地球上的经历接受教训。他们可能希望把这些教训运用到其他世界上——让他们的后代避免他们的祖先不得不忍受的苦难，并从我们开始向太空无尽头地发展时所取得的经验和错误中吸取教训。 

㈠文艺复兴时代最有影响的哲学家和神学家之一，创柏拉图基督教派，并将柏拉图全集译成意大利文。——译者 

㈡压强单位，1巴＝10的5次方帕。——译者 

㈢高压冷凝的二氧化碳会液化而成为”雨”点。——译者 

㈣这样做是为了刨光含碳矿物和干冰，把它们转化成温室效应所需的二氧化碳气体。一译者 

㈤美国人在亚利桑那州建造的—个实驻性封闭生态系统。住进了人，但除了原来带进去的食物、空气，材料外，只靠太阳光及本系统中的生物过活。——译者 

㈥美国独立战争时的政论家 （1737—1809）。——译者第二十章 

谢选骏指出：“地球化”是比“殖民化”更为恶劣的翻版——欧洲殖民者对于非洲、美洲、亚洲、澳洲的殖民化过程，已经严重破坏了地球的生态，现在这些鬼东西的后代有在琢磨着要把这一套鬼蜮的伎俩推广到外星上去。他们的“地球化”，无非就是破坏太空的秩序。他们不是以朝圣的态度，而是以强盗的态度，探索宇宙……这是一个自我毁灭的过程。殖民者的后代正在品尝他们祖先罪孽的恶报，他们想以“外星的地球化”这个新的犯罪来逃避被殖民者们复仇的怒火……真是可谓变本加厉。

【第二十章 黑暗】

守护者躲开日光的注视，在遥远的天空中。 

——欧里庇得斯《酒神女伴》（约公元前406年） 

在童年，我们都害怕黑暗。黑暗中什么都会有。我们所不知道的东西令人恐惧。 

具有讽刺意义的是，我们命中注定要在黑暗中生活。这个意外的科学事实大约是三个世纪之前才发现的。从地球上朝任何方向跑出去，起先是蓝光一闪，接着有较长时间等待太阳消失，然后你就被黑暗包围了，只是到处都有一些暗弱的遥远的星星点缀着太空。 

即使在我们长大以后，黑暗仍然保持吓人的威力。因此有

些人告诉我们，不要太认真地打听有别的什么人也许正住在黑暗之中。他们说，还是不知道为好。 

在银河系里大约有4000亿颗恒星。在如此繁多的星体中，是否仅仅我们这个平凡的太阳才拥有有生物居住的行星？也许如此。也许生命与智慧的起源是太难得了。也有可能文明世界随时涌现．但是一旦办得到时它们就把自己毁灭了。 

或许，在这里或那里，在太空点点繁星之中也有与我们相似的世界在绕其他的恒星旋转。那些世界上的别的生物抬头望天，会和我们一样在问，还有谁生活在黑暗之中。在银河系中是否有生命和智慧在此起彼伏？有些世界正在呼唤别的世界，而我们在地球上生活在一个关键时刻，即刚刚决定要倾听其他世界的呼声。 

我们人类发现了一种可以穿过黑暗，超越遥远距离的通信方法。再没有更快、更便宜和到达更远地方的通信方法了。这个方法便是用无线电波。 

在都经过几十亿年的生物进化之后（在他们的行星和我们的行星上），一个外星文明在技术水平上不会与我们正好相当。人类出现已经有两万多个世纪了，而我们掌握无线电波只有一个世纪左右。如果外星文明落后于我们，他们恐怕离使用无线电还差得很远。如果他们比我们先进，恐怕就会先进得多。请想想我们的世界上就在最近几个世纪里的技术进步有多快。对我们来说是困难或不可能实现的技术，或者我们看起来宛如魔术的技术，对他们而言可能是轻而易举的事情。他们可以使用其他的、非常先进的手段来与他们的同胞联系，但是他们应知道无线电波是新兴文明的通信工具。甚至使用比我们现在的收发报技术高明不了多少的办法，我们今天已能和银河系中众多的外星人取得联系了。他们应当能干得比我们好得多。 

如果他们真正存在。 

但是我们对黑暗的恐惧起到了相反的作用。想到有外星生物，我们感到苦恼。我们硬是要想出一些反对意见： 

“这太贵了！”但是用最现代化的技术来衡量，它每年的费用还抵不上一架攻击型直升飞机。 

“我们根本听不懂他们在讲什么！”可是，信息是用无线电波传送的，而我们一定和他们一样，也懂得无线电物理学、射电天文学和无线电技术。自然规律到处都一样，所以甚至对完全不同世界的生物（只要他们都有科学）来说，科学本身就提供彼此之间交流的工具和语言。如果我们吉星高照，收到外星人发来的一份电报，那么弄懂电报的内容比得到它可能要容易得多了。 

“要是让人家知道我们的科学幼稚落后，这使自己多么难堪呀！”用几个世纪之后的标准来衡量，我们现在的科学至少有一部分是幼稚落后的，不管有没有外星人都是这样。（不只是科学落后，我们目前的政治、伦理、经济与宗教，也都有一部分是落后的。）要超越现代科学，这是科学研究的主要目的之一。认真的学生逐页翻阅教科书，发现一些深一层的内容是作者了解而他还不了解的，这时一般说来他不会陷入阵阵失望之中。学生们往往要努力钻研，弄懂教材，取得新知识，然后遵循人类的老传统，一页又一页地继续翻阅下去。 

“通观历史，先进的文明会毁灭比较落后的文明。”情况确实如此。但是心怀恶意的外星人（如果真有的话），并不能从我们倾听他们的信息而知道我们的存在。寻找外星人的计划，只是接收，而不发送信息。① 

就目前情况来说，这种争议毫无意义。我们正在以史无前例的规模，监听太空深处可能有的其他文明社会发出的无线电信号。现在活着的就是向黑暗提出问题的第一代科学家。可以设想，他们也许是取得联系前的最后一代。目前可能就是我们发现在黑暗中某处的太空人向我们呼唤之前的最后一刻。 

这个搜寻叫做“探索地外文明”（Search for Extraterresttlal Intelligence，简称SETI）。让我讲述到现在为止的进展情况。 

第一个SETI计划是德雷克（Frank Drake）于1960年在西弗吉尼亚州格林班克国家射电天文台开始进行的。他花了两星期时间在一个特定的频率监听两颗类太阳的近邻恒星。［“近邻”是相对的。他监听的最近一颗星与我们的距离是12光年，即约112万亿千米（70万亿英里）］。 

几乎正在德雷克把射电望远镜指向一颗近邻恒星并把接收系统打开的时候，他收到一个很强的信号。它是不是外星人发来的信息？信号随后就没有了。如果信号消失了，你无法仔细检查它。你再也找不到它，这是由于地球的自转，它随天空在移动。如果它不重复出现，你从它几乎一无所获。它可能是地面的电波干扰，或者是你的放大器或检波器有毛病……，也许是外星信号。对于不重复出现的资料，无论科学家把它们吹得多么神乎其神，都几乎是一钱不值。 

几个星期后，这个信号又检测到了。原来它是一架军用飞机在一个未经许可的频率上发射的信号。㈠于是德雷克报告说，他得到的是否定结果，即没有发现外星信息。但是在科学研究中，一个否定结果一点也不等于一次失败。他的重大成就是表明，现代技术完全能够聆听在其他恒星周围行星上假想的文明社会发出的信号。 

从那时起，已有过多次尝试，往往是从射电望远镜观测计划中借用一些时段，几乎都不长于几个月。在俄亥俄州㈡、在波多黎各的阿雷西博㈢、在法国、在俄罗斯和其他地方，有过某些虚惊一场的发现，但都没有通过世界科学界的审核。 

与此同时，检测信号的设备变得更便宜了，其灵敏度不断增进，SETI的科学地位继续提高，甚至美国国家宇航局和国会也不像过去那样害怕支持它。各式各样的补充搜寻方式是可能的，也是需要的。好些年前就可看出，如果这种趋势持续下去，用来广泛开展SETI工作的技术最后甚至会连民间团体（或有钱人）也能做到。政府迟早也愿意支持这样的一个大型计划。经过30年的工作之后，这个时候终于来临。对于我们中间的某些人来说，这是迟了一点，而不是早了一点。 

在1980年，由喷气推进实验室当时的主任默里（Bruce Murray）和我创立的行星学会，是一个非营利的会员组织，它致力于行星探测和地外生命搜寻。哈佛大学的物理学家霍罗威茨（Paul Horowitz）对SETI已经提出一些重要的新方法，很想把它们付诸实施。如果我们能够找到一点经费让他的工作启动，我想以后靠会员们的捐款可以继续支持他的计划。 

在1983年，德鲁扬和我向制片人斯皮尔伯格（Steven Spielberg）提出，这是他可以支持的理想项目。在这之前，他已经打破了好莱坞认为外星人都是恶魔的传统观念，并在两部引起轰动的成功影片中表现出地外生物不一定都是心怀恶意和危险的坏蛋。斯皮尔伯格同意了。有了他通过行星学会提供的初期资助，META计划开始进行了。 

META是“百万频道地外测试”（Megachannel Extra Terrestri- al Assay）的首字母缩略词。德雷克的第一个接收系统的单一频道，一下子增加到840万个频道。但是每一个频道，即每一个“电台”的频率范围，我们都调得极为狭窄。恒星与星系的任何已知辐射过程，都不能产生如此锐细的射电“谱线”。如果我们在如此狭窄的频道内接收到了电波，可以认为它必定是外星人的智慧与技术的一个象征。 

进一步说，地球在自转。因此任何遥远的射电源都会像恒星的出没那样，有相当大的视运动。正如一辆开过的汽车的持续喇叭声，音调从高变低一样，任何一个真正的地外射电源都会因地球自转而显示出持续不断的频率漂移。与此相反，在地球表面上的任何无线电干扰源都会以与META接收机相同的速率转动。META的监听频率需要连续改变，才能补偿地球的自转，因此从外星来的任何窄带信号总是在一个单独的频道中出现。但是地球上的任何无线电干扰波会在邻近的频道上移动，这样就可以检测出来。 

在马萨诸塞州哈佛的META射电望远镜，直径为26米 （84英尺）。地球的自转使望远镜每天在窄于满月宽度的范围内扫过一排排恒星，并监测它们。第二天，又观测下一个天区。经过一年，整个北天和一部分南天都观测到了。也是由行星学会资助的同样一套仪器，安装在阿根延的布宜诺斯艾利斯城郊，用来监测南天。因此这两套META仪器一直在对整个天空进行搜寻。 

被重力拴在地面上的射电望远镜，跟着地球转动，它“观看”任何一颗恒星的时间约为两分钟，随后就转到另一颗恒星上去了。乍听起来，840万个频道真够多了，但要记住，每个频道都很窄，它们合在一起仅占可用射电频道的十万分之几而已。于是在每一年的观测中，我们把这840万个频道安置在射电频谱的某个部位，接近外星人发射信号的频率。外星人对我们一无所知，但他们也许会想到我们在聆听。 

氢是宇宙中含量遥遥领先的元素。它分布在星云以及遍布星际空间酌弥漫气体中。当它取得能量后，它在极为精确的频率，即1 420 405 751 768兆赫，释放出一部分能量。（1赫意味着每秒钟有一个波峰和波谷到达你的检测仪器。因此1 420兆赫表示每秒钟有14.20亿个电波进入你的检波器。因为光的波长就等于光速除以波的频率，所以与1 420兆赫对应的波长是21厘米。）银河系中任何地方的射电天文学家都会用1 420兆赫的频率研究宇宙，并且会预料其他的射电天文学家——不管他们看起来多么不相像——也会这样干。 

这就好像是有人告诉你，在你家里的收音机波段上只有一个广播电台，但是没有人知道它的频率。于是你转动收音机上的旋钮，让一根很纫的指针在收音机的调频度盘上移动，这样来寻找你所要的电台。可是对外星电台来说，啊，是的，那是另外一回事：你的收音机调频度盘上的刻度有如从地球扩展到月球那样长。靠耐心地转动旋钮，要在这样辽阔的无线电频谱区进行系统的搜索，将花费太长的时间。解决问题的办法是从一开头就正确地设置好调频刻度盘，并选出大致正确的频率。如果你能正确地猜中外星人对我们广播所用的频率（这可称为“魔”频），那么便可为自己节省大量的时间和精力。正如德雷克所做的那样，我们有种种理由首先在1 420兆赫附近倾听外星台，而这是氢的“魔”频。 

霍罗威茨和我把5年来按META计划的全部时间所进行的搜寻以及随后两年继续进行搜寻的详细结果都发表了。我们不能说已经发现了外星人的信号，可是我们确实找到了某些令人困惑的现象。每当我静心思考时，这常常令我不安而浑身起鸡皮疙瘩： 

当然，我们收到的信号有来自地球的无线电噪声背景——这是由广播电台、电视台、飞机、移动电话以及近地与较远的太空飞船引起的。此外，和所有的无线电接收机一样，你等待的时间越长，电子仪表就越可能由随机的强扰动而产生虚假的信号。因此我们对比噪声背景强得不多的信号都置之不理。 

我们对单独频道内的任何窄带强信号都很重视。在数据输入电脑后，META的仪表会自动提醒操作人员某些信号值得注意。在5年中，我们监测全部可见天空，在各个频率一共进行了60万亿次观测，筛选出的信号有几十个。但对它们再作进一步审核，几乎全部都摒弃了。举例来说，我们用一架检测错误的微处理机去检验监测信号的微电脑，而发现那架微处理机本身出了毛病。 

通过三度巡天观测后仍然留下来的最强的候选信号，是 11个“事件”。它们几乎满足我们为真正外星人的信号所订立的全部判据．所差的只是头等重要的判据：可以核实。它们中的任何一个，我们都再也找不到了。过了3分钟我们回头看原来的天区，信号不见了。第二天再看，什么也没有。一年之后或七年之后，仍然是一无所有。 

一个外星的文明社会，似乎不大可能在我们开始聆听它的信号后只过几分钟就不发信号了，以后再也不重复发了。 （他们怎么会知道我们在注意倾听呢？）但是，这可能是闪烁效应造成的。恒星在闪烁，这是因为湍动空气团穿越我们与恒星之间的视线。这些空气团有时起到透镜的作用，使某一颗恒星的光会聚一些，于是它在一瞬间略微变亮了。与此相似，天上的射电源也会闪烁——这是由星际辽阔的近似真空区的带电（或电离）气体云形成的。我们观测脉冲星时，经常发现这种现象。 

不妨设想有一个无线电信号，它的强度比我们在地球上所能测出的稍微小一点。这种信号偶尔会被聚焦并增强，于是可以被我们的射电望远镜检测到。有趣的事情是，按星际气体的物理性质推测，这种变亮的时间尺度为几分钟，因此再收到这种信号的可能性很小。我们实在应该把射电望远镜稳定地指向天空中的这些位置，接连观察几个月。 

虽然这些信号一个也没有重复检测到，但是下面的另一件事实使我每次想到它时，就有一股寒气直灌我的脊背：在 11个最好的候选信号中有8个都在银河系平面附近。5个最强的信号分别位于仙后座、麒麟座、长蛇座，而有2个是在人马座，即大致在银河系中心的方向上。银河系像一个扁平的车轮，它由气体、尘埃与恒星聚集而成。因为它是扁平的，所以我们看它像是一条横贯夜空的弥漫光带。在我们的星系中，几乎全部恒星都是在这个光带之内。如果我们的候选信号真是地球上的无线电噪声干扰或电子检测仪表的某种未经察觉的小故障所产生的假电子信号，那么我们就不应该总是在把射电望远镜指向银河时才发现它们。 

但也许是我们特别倒霉或在统计上误人歧途。这种纯属偶然的与银道面相关的概率小于千分之五。设想有一张像墙那样大的天空图，它的顶部为北极星，底部是地球南极所指的暗星。银河的不规则边界蜿蜒横跨这张图。现在假定把你的双眼蒙住，让你向图上随意扔5个飞镖。（把在马萨诸塞州看不见的大部分南天除外。）你要把5枚一组的飞镖掷200多次，才能有一次偶然地让它们都落到银河的附近范围内。这就像MEFA接收到的5个最强信号的情况。然而，如果没有重复收到的信号，你无法肯定我们真正发现了地外文明。 

也有可能，我们发现的事件是从来没有人想到过的某种天体物理新现象引起的。这种现象并非地外文明，而是确实位于银河平面上的恒星或气体云（或其他什么天体）在让人莫明其妙的狭窄频带内发射出的强烈信号。 

然而，让我们暂时作一个很大胆的设想。我们假定所有这些悬而未决的来历不明的无线电信号，真的都是地外文明的电台播发的。于是从我们检测每一片天空只花丁多么少的一点时间，就可以估计在整个银河系有多少这样的发射台。结果是接近100万个。如果它们在空间的分布是随机的，那么最近的发射台离我们有几百光年，这对外星人来说太远了，因此他们现在还不会收到我们的电视或雷达信号。他们在几个世纪之后才会知道地球上出现了一个技术发达的文明社会。银河系到处闪耀着生命与智慧，但是——除非他们在积极探测大量不引人注目的行星系——他们一点也不会知道我们这里近来一直发生的事情。从现在算起再过几个世纪，在他们真的听到我们呼声之后，有趣的事情将会出现。幸运的是，我们还有许多代人的时间来作准备。 

从另一方面来说，如果我们的候选信号都不是真正的外星人播发的无线电信号，那么我们只能下这样的结论，即至少在我们的“魔”频处只有极少数<或甚至一个也没有）外星文明社会用我们听得到的强度在发送无线电信号。 

假设有一个和我们人类相似的文明社会，它把自己拥有的全部电力（约为10万亿瓦）都用来在我们的一个“魔”频率上向四面八方播发信号。在这个情况下，META所得到的否定结果就意味着在25光年范围内（这个空间大约含有12个类太阳恒星）没有这样的文明社会。这个界限不算太苛刻。作为对比，假定那个文明社会使用一个并不比阿雷西博天文台更先进的天线直接向太空中我们所在的方位播送信号，在这个情况下，如果META仍然一无所获，那么可以认为在银河系内任何地方都没有这样的文明社会。即在4000亿颗恒星中，一个也没有。可是即使假定他们想这样干，他们怎么知道我们是在哪个方向呢？ 

现在设想相反的技术极限，即有一个非常先进的文明社会，它以再增大到上述的10万亿倍（即为l0的26次方瓦，这是一颗类太阳恒星的全部能量输出）的功率全方位地播出信号。在这种情况下，如果META仍然得出否定结果，那么我们的结论是不仅在银河系里，而且在7000万光年范围内，都没有这样的文明社会。（离我们7000万光年的太空里包括：M31，即与银河系相似的离我们最近的星系、M33、天炉座星系、M81、涡状星系、半人马座A、室女星系团、以及最近的赛弗特星系。这也意味着几千个近邻星系中的几百万亿颗恒星都没有这种文明社会。）这样一来，自高自大的地心学说，无论它的本质是否被戳穿，又会蠢蠢欲动了。 

当然，为星际（和星系际）通信耗费如此巨大的能量，也许并非智慧而是愚昧的象征。也许外星人有充分的理由不欢迎一切来客。或者他们不关心像我们这样落后的文明。但是在lO万亿颗恒星中难道就没有一个文明社会用这种功率在这一频率上和我们打招呼吗？如果META的结果真是否定的，我们毕竟定出了一个有启发性的界限——可是究竟是很先进的文明社会太少，还是它们的通信策略不一样，我们就不得而知了。即使META毫无收获，仍然有其他可能，其中包括：有许多比我们先进的文明社会用“魔”频率作全方位广播，只是它们的信号还没有被我们收到。 

在1992年10月12日——哥伦布“发现”美洲的500周年纪念日，有人认为这是一个吉祥的日子，也有人不这样想——美国国家宇航局启动了它的新SETI计划。用一架位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠的射电望远镜，对整个天空开始进行系统的搜索——和META一样，不去猜测哪些恒星更可能有地外文明，而是大幅度扩充频率覆盖范围。在阿雷西博天文台，国家宇航局的一个灵敏度更高的计划开始执行，它专门检测更有指望的近邻恒星。如果这两套仪器正常运转，国家宇航局的搜索可以比META检测到微弱得多的信号，因此能指望它接收到META不能接收的某些信号。 

MKTA的经验表明，有一个像灌木丛似的既密又厚的背景天电干扰和无线电干扰。要有把握地发现外星信号，关键是迅速的再次观测和确认它，尤其是用其他射电望远镜作独立观测。霍罗威茨和我向国家宇航局的科学家们提供了我们发现的转瞬即逝和难以确定的信号的坐标。也许他们能够确认并澄清我们的观测结果。按国家宇航局的计划也正在发展新技术，激发新思想，并鼓励学生。在很多人的眼里，每年在这上面花费1 000万美元是很值得的。但是几乎正好在这个计划批准一年之后，国会撤销了国家宇航局的SETI计划，理由是它花钱太多。在冷战结束后，美国的国防预算为这个计划的3万倍左右。 

国家宇航局的SETI计划的主要反对者是内华达州的参议员布里安（Richard Bryan）。他的主要论点如下[摘自1993年9月22日《国会记录》］： 

到目前为止，国家宇航局的SETI计划没有发现任何东西。事实上，所有几十年的SETI研究并未找到可以肯定的地外生物的迹象。 

即使就国家宇航局目前的SETI计划来说，我不认为它的许多科学家愿意保证，我们在[可以预见的]未来很可能会见到任何确切的结果…… 

很少有（要是有的话）科学研究能保证成功——我对这一点是了解的——并且这种研究的全部收益往往要等到研究过程接近结束时才为人们所知。这一点我也承认。 

然而，SETI来说，成功的机会如此渺茫，它的可能收益十分有限，因而几乎没有正当的理由让纳税人为这个计划花费1 200万美元。 

但是在找到地外文明之前，我们怎能“保证”会找得到它？而在另一方面，我们怎会知道这种成功的机会是“渺茫的”？如果我们找到了地外文明，由此得到的可能收益真的是“十分有限”吗？正如所有的伟大探险行动一样，我们并不知道会发现什么，也不知道发现它的概率有多大。如果知道了，我们就不必去探险了。 

有若干搜寻计划会使要求确切知道价格收益比值的人感到恼火，而SETI就是这样一个计划。地外文明能否找到，找到它要等多长时间，要花多少钱，这些都是未知的。收益也许是巨大的，但对此我们也不能真正深信。当然，把国库相当大的一部分经费用于这种探险事业是愚蠢的，但是我在想，是否肯花费一些注意力来争取解决若干重大问题，这可以衡量一个社会的文明水平。 

尽管有这些挫折，在加利福尼亚州帕洛阿尔托的SETI研究所还是聚集了一批有献身精神的科学家和工程师，他们决定不管政府是否支持都要干下去。国家宇航局允许他们使用已经采购的设备；电子工业的巨头们资助了几百万美元；至少有一架合格的射电望远镜可供使用；于是所有SETI计划中这个最宏伟计划的初始阶段步入正轨。如果它能证明不受背景噪声干扰就可以进行有用的巡天观测，尤其是如果像META那样能够找到一些可疑的候选信号，那么国会也许将再次改变主意，资助这项计划。 

正在这个时候，霍罗威茨提出了一个称为BETA的新计划——它与META不一样，与国家宇航局正在干的计划也不一样。BETA代表“10亿频道地外测试”（Billion-channel Ex- traTerrestrial Assay）。它把窄带灵敏度、大频率覆盖范围和验证监测到信号的一个聪明办法，都结合起来了。如果行星学会能够获得额外的资助，这套系统一定会比国家宇航局以前的计划要便宜得多，于是它很快就可以投入天空搜索了。 

我是否愿意相信，利用META计划，我们已经从稀疏散布在漆黑的、浩瀚的银河系里的星体上检测到了其他文明社会发送的信号？当然！经过几十年的惊奇和对这个问题的研究，我当然愿意相信。对我来说，这个发现会是令人激动的。它会使一切改观。我们将会听到外星生灵的声音，几十亿年来他们和我们各自独立地进化，他们对宇宙的看法也许和我们大不相同，他们可能比我们灵巧得多，但他们肯定不是人类。他们的知识有多少是我们所不知道的呢？ 

对我来说，没有信号，谁也不向我们打招呼，这是一个令人沮丧的情景。卢校在不同的场合写道：“完全的沉寂会引起忧伤，它是死神的形象。”但是我赞同梭罗（Henry David Thore- au）㈣的说法：“我为什么要感到孤独？难道我们的行星不是在银河系之中吗？” 

一旦认识到外星人的存在，并且进化过程使他们必然和我们大不一样，于是不言而喻地会有这种令人震惊的想法：在地球上把不同人种区分开的差异，比起我们人类和外星人的差异，真是微不足道了。也许是想得太远了，发现地外智慧生物有可能会使我们这个争吵不休和存在分歧的行星团结起来。这将成为最后一次大降级，是我们人类值得庆祝的大事，也是自古以来探求我们在宇宙中地位的一个转折点。 

由于对SETI的迷恋，即使没有可靠的证据，我们也可能会倾向于相信不确实的信号，但这只是自我陶醉和愚蠢的表现。只有在铁证如山的证据面前，我们必须摒弃我们的猜疑。科学也要求对含糊不清的事物采取容忍的态度。当我们无知时，我们不胡乱相信。不确定性无论怎样令人烦恼，但它有利于进一步的追求，它促使我们积累更好的资料。这种态度是科学与非科学的分水岭。轻易的激动得不出什么科学成果。衡量证据的标准是严格的。可是如果遵循这些标准，我们就能看得很远，甚至把一大片黑暗区域照耀得亮堂堂的。　 

㈠根据国际协议，有些频段专供射电天文学使用。因此这架飞机在该频段发射无线电信号是违规的。——译者 

㈡指韦斯利恩射电天文台和俄亥俄州立大学射电天文台。——译者 

㈢指康内尔大学所属阿雷西博射电天文台。——译者 

㈣美国作家（1917-1862），——译者 

谢选骏指出：这些天文学家及其代表的文明社会，都是贪婪的殖民者，他们所思所想都是如何巧取豪夺——他们的空间勘探，都是为了物质利益，而不是为了朝拜上帝，因此他们的言行极为嚣张乖戾，满脑子都是玛门妖怪。也正因为如此，他们所设想的外星人也都是心怀叵测的，就像他们的殖民者祖先一样心思歹毒——他们没有能力想象一个“善良的外星人”。

【第二十一章 上天去！ 】

天梯已经为他放下，使他能够登天。众神呀，把你们的手放到国王身上。把他抬起来，让他升入天堂。 

上天去！上天去！ 

——献给一位已故法老的赞美诗（埃及，约公元前2600年） 

当我的祖父母是孩童时，电灯、汽车、飞机和无线电都是令人惊愕的技术进步和时代奇迹。你也许会听到关于它们的一些不着边际的传闻，但是在奥匈帝国靠近巴格河畔的小村庄里，你找不到一件样品。可是就在同一时期，在上个世纪之交，有两个人预见到了更加雄心勃勃的发明。他们是齐奥尔科夫斯基——一位理论家，一个住在俄罗斯偏僻小镇卡卢加的半聋中学教师；还有戈达德——一位工程师，美国马萨诸塞州一所同样默默无闻的大学的教授。他们梦想乘火箭去其他行星，甚至去恒星旅行。他们一步又一步地把火箭的基本物理过程和许多细节都钻研出来了。他们的机器逐渐成形了。最后，他们的梦想感染了许多人。 

在他们那个时代，人们认为这种想法是很荒唐的，或者甚至是暖昧的神经错乱的征兆。戈达德发现，只要提起到其他世界去旅行就会遭人嘲笑，因此他不敢发表，甚至不敢公开讨论他关于飞往其他星球的远见。早在青少年时代，太空航行的理想就使他们两人魂牵梦绕，并终生难忘。人到中年的齐奥尔科夫斯基写道，“我仍然梦想乘自己的机器飞往其他星球，”“多年来在逆境中没有一线希望，没有任何人帮助，一切靠自己去干，真是困难。”许多和他同时代的人认为他真是发疯了。那些自认为比他们两人更懂得物理学的人——包括《纽约时报》的一篇，直到“阿波罗11号”登月前夕才宣告撤回的荒谬社论——坚持认为火箭在真空中无法使用，因此人类永远也不能到达月球及其他行星。 

在一代人之后，受到齐奥尔科夫斯基和戈达德启发的冯·布劳恩研制了第一枚可以到达太空边缘的火箭，即V-2火箭。但这似乎是20世纪特别多的讽刺之一，布劳恩并不是为太空航行，而是为纳粹德国制造的。它是不分青红皂白杀伤平民的工具，是为希特勒制造的“复仇武器”。火箭工厂的工人都是奴隶工。每造一枚火箭，他们要遭受多少难以言述的苦难。而布劳恩本人却成为SS㈠的一位官员。他还不自觉地开玩笑说，他本来想以月球为目标，但弄错方向打到伦敦去了。 

又过了一代，在齐奥尔科夫斯基、戈达德两人工作的基础上，继续发挥布劳恩的技术天才，我们升入了大空，寂静地环绕地球飞行，并踏上了古老而荒凉的月球表面。我们的越来越有本领和自主能力的机器遍布太阳系，发现了若干新世界，在近处观察它们，寻找生命，并把它们与地球相比较。 

按照天文学的长远观点，这是一个理由可以说明，为什么“现在”真正是划时代的（我们可以把“现在”定义为以你读这本书的这一年作中心点的少数几个世纪）。还有第二个理由：在我们行星的历史上首次出现这样的时刻，一个种族由于自愿的行动成为自己——以及许多其他种族——的威胁。下面就让我们列举这些行动吧： 

●几十万年来我们一直在燃烧化石燃料。到20世纪60年代，许多人燃烧木材、煤炭、石油和天然气，其规模之大，使科学家开始为与日俱增的温室效应担忧。全球变暖的危险开始逐渐为公众所认识。 

●在20世纪二三十年代发明了氯氟烃。1974年发现它们会破坏起保护作用的臭氧层。15年后，一个停止生产这类化合物的全球禁令开始生效。 

●核武器是1945年发明的。但是直到1983年才开始了解热核战争的全球性后果。到1992年，开始大量拆卸核弹头。 

●1801年发现第一颗小行星。到20世纪80年代，使小行星移动或转向的或多或少认真的建议才开始涌现。不久后认识到小行星转向技术的潜在危险。 

●人类进行生物战争已有几个世纪了，但它与分子生物学相结合的致命危险直到最近才为人们所认识。 

●从白垩纪结束以来，人类已经引发了前所未有的大规模生物绝灭。但是直到最近10年才明确认识到这种绝灭的规模。我们对地球上生物相互关系的无知，也许会危害我们自己的未来。 

请看看上列事项出现的时间，并考虑目前正在开发的新技术领域。是不是还有尚待发现的由我们自身行动所引起的其他危险——也许更为严重的危险呢？ 

在值得怀疑的自我安慰性的沙文主义杂乱堆中，唯一能够持久存在的似乎就是“我们是特殊的”这种感觉。由于我们自己的行动或无所作为，由于滥用我们的技术，我们生活在一个至少对地球来说是非常的时代——第一次有一个种族可以把自己毁灭掉的时代。但是我们知道，这也是第一次有一个种族可以去行星及恒星旅行的时代。相同的技术带来的这两个时代彼此相合在一起——这在地球长达45亿年的历史上是短短的几个世纪。如果你在过去（或将来）任意一个时刻，不知怎么地被偶然抛到地球上来，那么正好是在关键时刻来到地球的概率会小于1000万分之一。我们对未来的影响正是此刻才是很大的。 

也许这种熟悉的进化过程在许多世界上发生——一个行星刚形成，宁静地绕它的恒星运转；生命缓慢地产生；万花筒似的形形色色生物在进化；智慧生物出现了，而至少在某一阶段智慧对生存有很大的价值；然后科技发明出来了。他们才逐渐明白有自然规律这种东西，而这些规律可用实验显示出来，掌握这些规律就能以前所未有的规模来拯救生命，但也可以用同样规律大规模地夺取生命。人们认识到，科学赋予他们以巨大的力量。只在一瞬间，他们就可以想出改变世界的发明。有的行星上的文明社会认清了这一点，它们对可以干和不能干的事情都加以限制，于是安全地度过了危险时期。其他的文明社会不是这样幸运，或者不是如此谨慎，就自行毁灭了。 

因为每一个行星社会总会遇到来自太空撞击的危险，所以任何一个长期存在的文明社会都不得不发展太空事业——这不是由于探险或浪漫的狂热，而是为了可以想象的最实用的理由：要活下去。并且你一旦进入太空，在几个世纪或几千年中把小天体搬来运去，并对行星加以改造，你的种族就从自己的摇篮里解脱出来。如果有许多其他外星文明，他们终将远离自己的家园去探险。① 

有一个办法可以估计我们的环境多么危险——奇妙的是，无论如何并不需要知道危险的性质。普林斯顿大学的天体物理学家戈特三世（J·Richard GotttⅢ）要求我们采用一个普遍化的哥白尼原则。这就是我已经在别处提到过的“平庸原理”。㈡就概率而言，我们不是生活在一个真正的非常时代。几乎没有任何人生活在这样的时代。我们是在人类（或文明，或民族）生存期的漫长中间阶段的某个时期出生、过完自己的一生，然后死亡，这样的概率是高的。戈特说，几乎可以肯定，我们既不是生活在最早，也不是最后的时代。因此，如果你的种族很年轻，它未必会长期存在。这是因为如果它存在的时期很长，那么你（以及我们中间今天还活着的其余的人）就是生活在一个非常时代——相对说来，很靠近文明的启始时代。 

照这样看来，我们人类这个种族的预期寿命会有多长？戈特的结论是，在97.5％的置信度水平上，人类还会存在的时间不超过800万年。这是他的上限，并与许多哺乳动物的平均生存期相当。在这种情况下，我们的科技既无助于延长寿限，也不能缩短它。但是就据称同样的置信度来说，戈特的下限仅为12年。他和你打赌时，不会按40比1的赔率下注来赌当现在的婴儿长成青少年时人类仍然存在。我们在日常生活中绝不会冒这样大的风险。例如民航飞机，如果每飞40次就会坠毁一次，我们不会去搭乘。如果外科医生动手术能使95％的病人活下来而死亡率为5％，那么只有当所患疾病不开刀的死亡率大于5％时，我们才愿意开刀。为人类还能生存12年所下的赔率仅仅40比l的赌注如果正确的话，那就值得特别关注了。要是戈特是对的，我们非但不能去其他恒星探险，而且有相当的概率，我们甚至可能来不及在另一颗行星上开辟一个足球场。 

对我来说，这种议论有一种奇怪的和虚无缥缈的性质。除掉知道我们人类多么古老外，其他一无所知，而在这种情况下还要对它未来的前景作出数值预测，并声称这是非常可靠的。这怎么办得到呢？我们总是跟着胜利者走的。已经存在的很可能还会继续存在。新来者往往会消失。唯一的假设，也是似乎完全合理的假设．是认为我们讨论这个问题的时机没有什么特殊之处。那么我们为什么对这种议论不满意呢？是不是仅仅由于我们被它的含义吓坏了呢？ 

像“平庸原理”这样的原则，应用的范围一定很广阔。但是我们不会无知到认为一切事物都是平庸的。我们的时代确有某些特殊之处——这不仅是在任何时代的人都无疑会感受到的时间上的沙文主义，而且如上面谈到过的，显然是独一无二并与人类的未来希望确实有关的某些事情：这是第一次（a）我们的按指数方式快速发展的技术已经到达自我毁灭的悬崖边缘；（b）要想推迟或避免毁灭，我们可以离开地球到其他星球上去。 

（a）和（b）这两类解决问题的能力使我们的时代变得很特殊，而它们正好互相矛盾——（a）可以加强戈特的论点，而（b）会削弱它。我不知道如何预测新的毁灭性技术对加速人类灭绝的作用，是否更大于新的太空飞行技术对推迟人类灭绝的作用。但是因为在以前我们从未发明过毁灭自己的工具，也从未开发过移居其他世界的技术，所以我想正是在戈特的论证情况下，我们不得不认为我们的时代的确是特殊的时代。如果这是对的，人类未来生存期的这种估计的误差范围就大为增加。坏的更坏，而好的更好。比起戈特的计算结果，我们的短期前景会变得更暗淡，而长期前景——如果我们能够度过短期危机——则会是更加光明。 

但是前者令人绝望的程度，并不高于后者使人自满的程度。没有什么东西能迫使我们成为被动的旁观者，在命运无情地捉弄我们时只会灰心丧气。如果我们不能完全抓住命运的脖子，也许我们可以让它转向，减轻它的影响，或逃脱它的束缚。 

当然我们一定要维护自己的行星，让它适宜于人们居住——这不是从容地以世纪或千年为时间尺度上，而是紧迫地在几十年、甚至几年的时间内做好。这要求政府、工业、伦理、经济和宗教都有所改变。我们从来没有这样干过，当然没有在全球范围内这样干过。对我们来说，这件事太困难了。危险的技术也许扩散得太广了。腐化可能到处泛滥。太多的领袖们都把注意力集中在短期而不是长远项目上。在种族集团、国家和意识形态之间的争吵也许太多了，使得正确的全球性改革无法进行。我们也许愚蠢到难以察觉真正的危险，或者我们听到的大多是既得利益集团的说法，他们要缩小基本的改革。 

然而在人类历史上也曾经实现过几乎每个人都认为是不可能的、持久的社会变革。从远古时代以来，我们就不只是为自身的利益而工作，还为了我们的子孙后代。我的祖父母和父母就这样为我做过。尽管我们之间有分歧，尽管我们互相敌对仇恨，我们往往摒弃这些，而团结起来面对共同的敌人。在目前，我们似乎比10年前更愿意承认我们面临的危机。新近认识到的危机对我们每个人的威胁都是一样的。没有人能预测这里地球上今后会变成怎样的情况。 

在中国古代神话里，长生不老的树木长在月亮上。长寿树（如果不是长生不老树）看来确实长在其他世界上。如果我们生活在它们中的一个上面，如果它们之中许多都有自给自足的人类社区，那么人类可说是与灾难绝缘了。在一个世界上吸收紫外光的保护层耗竭了，就是在警告另一个世界要特别关注保护层。对一个世界酿成大灾难的撞击，大概不会波及其他世界。移居地球之外的人越多，有人类定居的世界就越来越是各式各样的，行星改造工程的种类也越多，社会准则与价值观的范围也就越广——这样一来，人类会更安全。 

如果有一个重力仅为地球百分之一的世界，你在它的表面下长大，穿过隧道口看到的只是漆黑的天空，那么你的感觉、兴趣、偏见及癖性都会和生活在地球表面上的人大相径庭。如果你生活在正处于“地球化”阵痛中的火星、金星或土卫六上面，情况也是如此。这样的策略——分散成许多小的自我繁殖的群体，每一个群体都有些不同的优势和自己关心的事情，但都把本地区引以为荣——在地球上生命进化的过程中已经广泛运用过了，尤其是我们的祖先使用过了。事实上，这种策略可能是了解我们人类之所以成为人类的关键。这是前未谈及的人类要永久在太空中存在的第二个理由：增加我们继续生存的机会，这不仅是为了我们能够预测的大灾难，而且也是为了我们无法预料的大灾难。戈特也认为，在其他世界上建立人类社区会向我们提供战胜灾害的最好机会。 

实行这种保障安全的政策，代价并不太昂贵——还够不上我们在地球上办一些事情的开销。甚至不必把现在从事太空探测国家的太空预算加倍。（在一切情况下，这些国家的太空经费都只占军事预算的一小部分，也只占可视为起码的或甚至无意义的许多自愿消费的一小部分。）我们大概不久就可能向近地小行星移民和在火星上建立基地。我们知道在一个人的有生之年内，甚至只用现成的技术，怎样办成这些事情。技术还会快速发展，我们会越来越有本事进入太空。 

一个认真把人送往其他世界的计划，每年的花费比起地球上紧迫的社会投资来说并不算高。如果我们踏上了这条路，其他世界的影象会以光速源源不断地传回地球。许许多多留在地球上的人将享受虚拟实境的冒险。参加他人代作的探险，比起任何早期探测与发现的真实感都会强得多。这样受到启发和激励的文化和人越多，它就越可能发生。 

可是我们也许会问自己，有什么权力去占据、改变和征服其他的世界？如果在太阳系内还住有别的“人”，这便成为一个重要问题。然而要是在这个系统中除我们外并无他“人”，难道我们没有权利去定居？ 

当然，我们的探测和定居应当尊重行星环境及其蕴藏的科学知识。这是一种慎重的态度。当然，探测与移民都应当由全人类的代表以公平合理及超越国界的方式进行。我们过去的殖民历史在这些方面都不可取；而现在我们的动机不是像15和16世纪的欧洲探险家那样，追求黄金、香料、奴隶，或者把异教徒改造成只信“唯一的真正宗教信仰”的狂热。说实话，这就是各国的载人空间飞行都在经历这种断断续续、忽冷忽热的进程的主要原因之一。 

尽管我在本书前面部分批评过一切狭隘地方主义，我现在发现自己成了一个一点也不表示歉意的人类沙文主义者。如果在太阳系中有其他生物，由于我们要去他们那里，就会给他们带去逼近眼前的危险。在这种情况下，我甚至会相信，为了保护人类而移居某些其他世界的益处至少有一部分被我们带给其他生物的危险抵销了。但是至少在目前就我们所知而言，在太阳系里并没有其他生物，甚至连一个微生物也没有。只是地球上才有生物。 

在这个情况下，我代表地球上的生物强烈要求，在我们能力的有限范围内，我们应当大力增进对太阳系的认识，然后开始向其他世界移民定居。 

这些就是以前没有谈到过的实用论据：保护地球，使它免于可以逃避的灾难性撞击，并避免对养育我们的环境的（已知或未知的）其他种种威胁下赌注。没有这些论据，也许就缺乏把人送往火星或其他世界的使人无话可说的论据。但是有了它们——以及包括科学、教育、前景和希望的旁证——我想进入太空就有了强有力的论据。如果人类的长期生存受到威胁，我们对人类去其他世界的探险就负有基本的责任。 

我们是在宁静的海洋上航行的水手，我们感受到了微风的吹拂。 

㈠Schutzstaffel 缩写，即法西斯德国的秘密警察。——译者 

㈡见本书第三章末。——译者 

谢选骏指出：殖民全球的活动到底使得欧洲人更加强大了？还是使得他们的处境更加危险了？我认为兼而有之。也就是说，殖民全球的活动使得欧洲人更加强大了，同时也使得他们的处境更加危险了。此外我还认为，殖民宇宙的情况也将如此——殖民宇宙的活动可以使得人类更加强大，同时也使得人类的处境更加危险。这就像一个赌棍的赌注越大，就说明他的实力越大；同时，这个赌棍所面临的风险也就越大，直到他或她彻底覆灭的那一天。

【第二十二章 踮着脚穿过银河系 】

我在星星的庇护下发誓（如果你不知道的话，这是一个重誓）…… ——《可兰经》第五十六章（第七世纪） 

不再生活在地球上，这当然是一件怪事，要放弃我们几乎没有时间学习的习俗…… ——里尔克《第一挽歌》（1923） 

攀登苍穹、升入太空，并按我们的目标改造世界的前景——无论我们的意愿多么善良，都会使警告的旗帜飞扬：我们记得人类有狂妄自大的偏向；我们回想起，每当掌握了威力强大的新技术，我们就易出差错和作出错误判断。我们回想起巴别塔的故事，这座建筑的“顶端可以达到天穹”，还有上帝对人类的恐惧，因为现在“他们想干的事，再也无法制止了”。 

我们忽然想到《圣经》中的第十五《诗篇》，它向其他世界提出神圣的声明：“天穹是属于上帝的，而地球是他赐给了人的子女。”也不妨了解一下柏拉图重新叙述的与巴别塔类似的古希腊传说，即奥蒂斯（Otys）和埃菲阿尔特斯（Ephialits）的故事㈠。他们都是“胆敢登天”的凡人。于是众神面临抉择： 

他们是否应该把这些自命不凡的人杀掉，“并且用霹雳雷电把他们整个种族都歼灭掉”？但是一方面，如果这样做了，“就不会再有人奉献祭品和顶礼膜拜”，而神灵需要它们。“然而另一方面，神灵不能容忍这种粗野行径，而不予制止。” 

然而，从长远来说，如果我们没有别的选择，如果我们的选择真的不是有许多世界，就是一个也没有，那么我们需要其他类型的神话，即鼓励人们的神话。我们有这样的神话。从印度教到诺斯替教派的基督教㈡以及摩门教等许多宗教的教义都教导人们——虽然听来未必虔诚——人的目标就是要变成神。（令人怀疑，这种教诲与苹果、智慧树㈢、堕落以及被上帝赶出伊甸园的说法是否相符。）也可以想到《创世记》中遗漏的犹太教法典讲述的一个故事。在伊甸园中，上帝告诉夏娃和亚当，他故意不把宇宙创造完成。“完成创世”是人类的责任，在无数世代中要与上帝分担的一项“光荣的”实验。 

这样一个责任的负担很沉重，尤其是对我们这样软弱和不完善的，历史又如此不幸的人类来说是这样的。如果不用比我们现在拥有的要多得不知多少倍的知识，这种“完成”的任务远远不能办到。但是，即使连自己的生存都危若累卵，我们也许还能想到办法让自己提升到接受这种至高无上挑战的境界。 

虽然戈达德完全没有运用本书前面一章中的论点，但他有一种直觉，即“为了保证人类延续下去，必须实现行星际航行”。齐奥尔科夫斯基也作出了相似的判断： 

（宇宙间）有不可胜数的行星，它们好像是许多地球岛屿……人类只占有其中的一个。但是他为什么不能让其他行星以及无数个太阳的威力为自己所用呢？……当太阳的能量耗尽时，合乎逻辑酌行动便是离开太阳，去寻求一个刚点燃不久、还在青年期的恒星。 

他建议，远在太阳死亡之前，就可以尽早“让具有冒险精神的人们去寻找并征服新的世界”。 

但是当我重新思考这一整套论点时，我感到不安。这样是不是像巴克·罗杰斯（Buck Rogers）㈣的人太多了呢？是否要求对来来的技术有一种荒唐无稽的信赖呢？是否忽略了我本人关于人类易犯错误的告诫呢？这样办，在短期内对技术不发达国家肯定是不利的。有没有切实可行的其他办法，能够避免这些易犯的差错呢？ 

所有我们自己造成的环境问题，所有我们的大规模杀伤性武器，都是科学和技术的产物。因此，你可以说，就让我们对科学技术退避三舍好了。让我们承认掌握这些工具简直太危险了。让我们建立一个比较简单的社会，这样一来无论我们怎样粗心大意或目光短浅，都没有能力在全球范围甚至一个区域内改变环境。让我们倒退到以农业为主，科技水平极低微，并对新知识严加控制的社会。一个专制的神权社会，就是强制执行这种控制的，经过考验而有成效的手段。 

然而，由于科技的迅猛发展，这样一种世界文化即使在短期内趋于稳定，在长时期中肯定是不稳定的。人类追求自我完善、妒忌和竞争的习性，随时都会成为震动的地下岩石。争取短期和局部利益的机会迟早有人抓住不放。除非在思想与行动上有严格约束，否则我们在一瞬间便可回到目前的状态。这样一个受到控制的社会，必定赋予执行控制的高层人士以极大的权力，由此导致明目张胆的滥用职权，最终会引起叛乱。我们一旦见到技术带来的财富、便利和拯救生命的医药，就很难压制人类的发明创造能力与进取心。此外，虽然全球文明的退化（如果这是可能的话）或许有可能解除人类自己造成的科技灾难，但这样也会使我们没有力量防御迟早要发生的小行星及彗星的撞击。 

或者你可以设想倒退更大一步，回到狩猎和采集社会，靠土地的天然产品过活，甚至把农业也摒弃了。于是标枪、挖地的棍棒、弓、箭与火就成为能满足需要的工具。但是地球实在顶多只能养活几千万狩猎者和采集者。如果不引发正是我们在努力避免的灾害，我们又怎能把人口减少到这样的程度呢？此外，我们几乎不知道怎样再过狩猎者与采集者的生活，我们已经忘掉了他们的文化、技能和工具。我们已经把他们几乎都杀光了，并且摧毁了养活他们的大部分环境。除掉我们中间的一小部分残余的渔猎民族外，即使我们给予高度重视，也无法走回头路。并且，即使能够回到原始社会，我们在终将来临的撞击灾难面前也是无能为力的。 

这些可供选择的办法看来比残酷还要坏：它们无济于事。我们所面临的许多危险确实是由科学技术引起的，但是更根本的原因是我们在变得很有威力的同时，并没有聪明到与之相称的程度。技术把改变世界的力量赋予我们，此时它要求我们具有以前从来没有需求过的思考和远见。 

当然，科学是把双刃剑，它的成果既可用来做好事，也可用于干坏事。但是无法从科学中折回。对技术危险的早期警告也来自科学。要想解决问题，技术调整固然需要，但更需要的是我们如何掌握它。必须有许多人懂得科学。我们可能需要改变制度与习性。但是要解决我们的问题——无论问题从何而来，都不能不依靠科学。威胁我们的技术与免除这些威胁的办法，两者都来自同一源泉。它们在并驾齐驱地发展。 

相对说来，如果在几个世界上都有人类社会，我们的前景就会光明得多。我们的职责将是多种多样的。这几乎可以说是把我们的鸡蛋放进许多篮子里，每个社会往往都会以它的世界、它的行星改造工程、它的社会习俗以及它的传统天性等方面的优点而感到自豪。不同社会在文化上的差异必然会受到爱护和扩展。这种多样文化便是人类延续生存的一个工具。 

当远离地球的移民社会能更好地照料自己时，就有种种理由来鼓励技术进步、精神开放和冒险，即使那些留在地球上的人仍然不得不珍视小心谨慎、畏惧新知识并执行严厉的社会控制。当第一批少量的自给自足的社区在其他世界上建立起来后，地球上的人类也许能把管制放松一些，心情变得轻松一些。太空中的人将会向地球人提供真正的保护，使他们免遭在横冲直撞轨道上的小行星或彗星的虽罕见却灾难性的撞击。当然，正由于这个缘故，太空人在与地球人有任何严重争执时都会占上风。 

这样一个时代的前景与有些人的预测形成尖锐的对立。这些人认为科学和技术的进步现在已经接近某个渐近极限；人类在艺术、文学与音乐方面的成就绝不会接近、更不会超过曾经达到过的高度；并且地球上的政治生活快要形成某种坚如磐石的自由民主的世界政府，这就是黑格尔（C·W·F· Hegel）所说的“历史的终结”。向太空扩展也和近代一种不同的、但同样可以察觉的趋势相对立。这种趋势就是专制独裁、思想管制、种族仇恨以及对好奇和好学的深深猜疑。与此相反，我认为经过一段时间的改正错误后，向太阳系移民将预示着科技水无止境的辉煌发展、文化的繁荣，以及在天穹中进行大范围改革政府与社会组织的实验。从若干方面来说，探测太阳系和在其他世界上建立家园，将成为历史的新开端，而绝对不是它的终结。 

至少对我们人类来说，要预见我们的未来，是不可能的。要预测几世纪之后的事情，肯定不行。谁也没有做过前后一致酌、详细的预测。我肯定不会想象自己能够这样做。在这本书中，我怀着惶恐的心情，尽我所能，做到现有的地步，这是因为我们恰好正在认识到技术的发展给我们带来的真正是前所未有的挑战。我认方这些挑战偶尔有明确的含义，我已经尽力简略地阐明了一些。也有某些不够明确，要过很长时期才能了解清楚的含义，我对它们甚至缺乏自信。尽管如此，我还是想把它们写出来供你们考虑： 

即使我们的后代在近地小行星、火星、太阳系外行星的卫星以及柯伊伯彗星带上建立了移民杜区，人类也不是完全安全。从长远来说，太阳会产生巨大的X射线和紫外爆发；太阳系会进入潜伏在附近的某一个辽阔的星际云里，于是行星会变暗和冷却；一大群致命的彗星会从奥尔特云中倾泻而出，对许多邻近世界上的文明社会构成威胁；我们还可能发现一颗近邻恒星即将成为一颗突然爆发的超新星。经过真正的长时期之后，太阳处于逐渐成为一个红巨星的进程中，它变得越来越大，越来越亮。这时地球上的空气和水开始向太空散失，土壤会烤焦，海洋会蒸发和沸腾，岩石会气化．而我们的行星甚至会被太阳吞食到它的内部去。 

太阳系根本不是为我们而形成的，它最终会变得对我们来说是太危险了。无论太阳系在最近是如何稳定可靠，从长远来说，把我们所有的鸡蛋都放进一个恒星的篮子里是太冒险了。正如齐奥尔科夫斯基和戈达德很早已认识到的，从长远来说，我们需要离开太阳系。 

如果这对我们是正确的，你完全有理由问，这对外星人难道就不对吗？要是对外星人这也是正确的，那么他们为什么没有到我们这里来呢？对这个问题可能有许多答案，包括这个有争论的说法：他们已经来过了——虽然这个论点的证据少得可怜。也许没有外星人，这是因为他们在实现星际航行之前几乎没有例外地都把自己毁灭掉了。电可能是在拥有 

4000亿颗恒星的银河系里，我们是第一个科技发达的文明社会。 

我认为更合乎情理的解释是根据这个简单的事实：太空浩瀚，恒星相距太远。即使有比我们更古老和更先进的文明社会，他们从自己本来的世界向外发展，改造出新的世界，然后继续向其他星球扩展；但是按加利福尼亚大学洛杉矶分校的纽曼（William 

Newman）和我的计算结果，他们未必会来到我们这里，现在还没有。此外，因为光速不是无限大，在太阳的某个行星上出现了技术文明的电视与雷达信息还没有传到他们那里，现在还没有。 

如果按乐观的估计，每100万颗恒星中就有一个庇护着附近的技术文明社会，又如果它们在银河系内呈随机分布——假定这些条件成立——那么我们想起前面说过的，离我们最近的一个外星文明社会应是在几百光年开外。最近的距离可能是100光年，更可能是1000光年。当然．不管多远，也可能——个也没有。假设离我们最近的外星文明是在距我们 

200光年的另一恒星的行星上面，那么从现在算起大约150年后他们才会开始接收到我们在第二次世界大战之后发出的微弱的电视和雷达信号。如果收到了，他们会怎样想呢？每过—年，信号会变得更强、更有趣，也许更使他们感到惊慌。到最后，他们可能作出反应：发回一份无线电报，或者来访问我们。无论哪一种反应都可能会受到光速有限的限制。用这些非常粗略的数字来估计，外星人对我们在20世纪中期向太空深处无意间发送的信号的回音，最快也要到2350年左右才会到达地球。当然，如果他们离我们更远，收到回音的时间也会更迟。如果远得更多，就迟得更多。还可能出现这种有趣的情况：当我们第一次收到来自外星文明社会的信息（这是专为我们发出、而不是向四面八方发送的通报）的时候，我们已经在太阳系内许多世界安好了家，并准备向其他星球进军。 

然而，不管有没有这样的信息，我们都有理由继续向外探索，寻找其他的太阳系。或者可以把我们中间的某些人隔离在星际空间的自给自足的栖息所中，远离由恒星引起的危险，那样比在银河系中这样一个难以预测和充满暴乱的角落要安全一些。我想，即使没有星际旅行的宏伟目标，这样的未来远景会通过缓慢增长自然而然地演变出来。 

为了安全，有些社区也许希望割断自己与人类其他部分的联系，这样可以不受其他社会的影响，不受它们的伦理观念的约束，也不受它们的技术规则束缚。到了某一个时代，人类可以把彗星和小行星一个又一个常规地改变位置，这时我们就可以向某一个小世界移民，然后把它送出去。在一代又一代之后，这个小世界向外快速离开，地球从一个明亮的星体蜕化成一个苍白的小点，然后就消失不见了。太阳会变得越来越暗，后来只是一个依稀可见的黄色光点，最终消失在千万颗其他星星之中。旅行者将会来到星际的黑夜中。有些这样的社区可能满足于与老家世界偶尔会有的无线电和激光联系。其他一些社区则会对自己能继续生存的机遇怀着优越感，唯恐受到感染，竭力想和地球母体断绝关系。也许和它们的一切联系最后都会消失，连它们的存在也被人遗忘了。 

然而．即使是一颗相当大的小行星或彗星，它的资源也是有限的，因此移民居住的小世界终归必须向其他地方寻找新资源——特别是水，因为需要饮用；需要制造供呼吸的含氧大气；还需要造出氢，作为核聚变反应堆的燃料。因此，从长远来说，这些社区必须从一个小世界迁移到另一个小世界，而对哪一个都没有永久的眷恋之情。我们可以把这种迁徙称为“开拓”或“兴建家园”。一个不很赞同的旁观者会把它说成是将一个个小天体的资源榨取干净。但是小天体多得很，在奥尔特云里就有1万亿个呢。 

少数人生活在远离太阳的不大的“继母”世界上，就会了解每一小块食物、每一滴水都得靠一种有远见的技术的顺利运作才能取得。但是这些外界状况与我们已经习惯的并没有根本差别。挖掘地下资源，搜索合格的资源，对这些我们都习以为常了，想到它们就像回忆起已经遗忘的童年时代。除掉少数几个重大的改变外，这与我们的靠狩猎和采集为生的祖先所采用的策略并无轩轾。我们人类在地球上99.9％的生存历史都是这样度过的。从人类最后残余的游牧民族来判断，就在他们被现代的世界文明吞没之前，日子可能过得还是比较愉快的。我们就是在这样的生活中磨炼出来的。因此在一段短暂的、只是局部成功的定居尝试之后，我们也许会再次成为漂泊者——比上次更为技术化的漂泊者。但是即使在当时，我们用石制工具与火这样的技术，也是唯一能保护自己免于灭绝的围篱。 

如果隔离和偏僻能保障安全，那么我们有些后代最终会迁移到奥尔特云的外围彗星上去。奥尔特云有1万亿个彗核，它们每两个之间相隔的距离都有火星离地球那样远，那里是可以大有作为的。① 

奥尔特云的外边界，大概是在太阳与最近一颗恒星距离的一半处。并不是每一颗恒星都有自己的奥尔特云，但是许多恒星都可能有。当太阳从近邻恒星的旁边通过时，我们的奥尔特云会遇到并局部地穿过其他的彗星云。这就像两群小昆虫互相穿越，而不是碰撞。于是要想占据另一颗恒星的一个彗星，并不比占据我们自己恒星的一个彗星更困难得多。蓝色光点上的孩子们从另一个太阳系的边缘，也许会用渴望的目光看着不断移动的明亮光点，它们实质上是被照耀得相当亮的行星。有些社区的居民们，在内心感受到古代人类对海洋与阳光的热爱，可能会开始奔向一个新太阳的明亮和温暖宜人的行星的漫长旅程。 

其他社区的居民也许认为这个最后的策略是有缺陷的。行星总是有自然灾害。行星可能已经有生命和智慧生物了。行星很容易被外星人找到。更好的策略是居留在黑暗中，让我们分散到许多不引入注目的小天体上去，躲藏起来。 

一旦我们能够把我们的机器和我们自己运送到远离家园、远离行星的地方，一旦我们真正进人宇宙舞台，我们必然会遇到某些从来没有见到过的事物。下面是三个可能的例子： 

第一：从大约550个天文单位（这大约是木星与太阳距离的10倍，㈤因此这比奥尔特云更容易到达）开始，就有某些不寻常的事物。正如普通的透镜使光线聚焦一样，引力也能聚焦（天文学家现正在检测遥远恒星和星系的引力透镜现象）。离太阳550天文单位的地方——如果我们能以光速的1％的速度飞行，只要1年就可到达——便是太阳引力透镜的焦点区（把日冕——即太阳周围的电离气体晕的作用也考虑在内，焦点可能还要远得多）。在那里，来自远方的无线电信号大为增强，微弱的声音也会放大。远处图象的放大，使我们即便用一架不大的射电望远镜也能在最近恒星的距离上分辨出一块大陆以及在最近的旋涡星系距离处分辨出太阳系的内层行星。如果你自由自在地在一个以太阳为中心，以焦距为半径的假想圆球上漫游，你就可以随意地用大得惊人的放大率探测宇宙，用前所未有的清晰度观察它，窃听遥远文明社会的无线电信号（如果有的话），并窥视宇宙历史上最早时期的事件。或者，还可以用引力透镜把我们的很弱的信号放大，因此非常遥远的地方也能听到它。我们还有理由对几百以至几千天文单位的地方感兴趣。其他的文明社会也有它们自己的引力聚焦区域，这视它们所属恒星的质量与半径而定；有的离自己的恒星比我们的引力聚焦区域稍近一些，有的稍远一些。引力透镜成象有可能成为促使各文明社会去探索恰好处于它们那个行星系统中行星所在范围以外区域的共同诱因。 

第二；请你花一点时间想想褐矮星。这是一种假想的恒星，它们的温度很低，质量比木星大得多，但比太阳小得多。谁也不知道究竟有没有褐矮星。有些专家利用邻近恒星的引力透镜去检测较远的恒星，声称已经发现褐矮星存在的迹象。从他们用这种技术已经观测过的整个天空的极小一部分来推断，褐矮星应当是非常多的。但是其他一些专家不同意。在 

20世纪50年代，哈佛大学的天文学家沙普利（Harlow Shap- ley）㈥提出，褐矮星——他把它们称为利利普特（Liliput）㈦星——上面有生物居住。他形象地描绘它们的表面就像马塞诸塞州的剑桥6月天那样温暖，且具有很多平地。因此褐矮星应是人类可以生存和探测的恒星。 

第三：剑桥大学的物理学家卡尔（B·J·Carr）和霍金 （Stephen Hawking）证明，在宇宙最早阶段，物质密度的波动起伏可能产生各式各样的小黑洞。原始黑洞——如果有——必然由于向太空发出辐射而衰变，这是量子力学定律的结论。黑洞的质量越小，它消散得越快。任何一个在今天处于衰变最后阶段的原始黑洞，它的质量至少相当一座山的质量，更小的都已经消失了。因为原始黑洞的丰度——先不提它们是否存在——与大爆炸后最早时刻所发生的情况有关，没有人能够确定是否能找到一些，我们当然也不能确定在附近是否有原始小黑洞。迄今为止，并没有发现短γ射线脉冲（这是霍金预言的黑洞辐射的一种成分），这为原始黑洞的丰度设置了一个限制性不是很强的上限。 

在另一项研究中，加州理工学院的布朗（C·E·Brown）和康内尔大学核子物理学先驱贝特（Hans Bethe）提出，在银河系中遍布着大约10亿个非原始黑洞，它们是在恒星演化过程中产生的。如果是这样，离我们最近的黑洞可能只有10光年或 

20光年那么远。 

如果有的黑洞是在我们探测能力范围之内——无论它们的质量是和山一样，还是和恒星同样大，我们就有令人惊奇的物理学原理去作第一手的研究，并将拥有几乎是无穷无尽的新能源。我决不是断言在几光年范围内，或在任何地方可能有褐矮星或原始黑洞。但是当我们进入星际空间时，我们不可避免地会邂逅全新类型的奇观和令我们喜爱的事物，其中有些还可转化到实际的应用。 

我不知道自己的思路在哪里才会终止。随着时间的消逝，宇宙动物园中引人入胜的新成员将把我们引向更远的地方，而越来越难以确定的、致命的大劫难必将发生。这种可能性是逐渐增大的。但是，随着时间的推移，掌握技术的种族的能力也会越来越大，远远超过我们今天所能想象的程度。也许，如果我们很有本领（我想，光靠运气好还不够），我们终将扩展到远离家园的地方，在浩瀚银河系的繁星群岛中航行。如果我们遇到某种外星人（或更可能的，如果他们找到我们），我们将与他们和谐地交往。因为其他从事太空航行的文明社会可能比我们要先进得多，喜欢争吵的人不大可能在太空中长久生存。 

到了最后，我们所有人的未来也许就是如伏尔泰所想象的那样： 

有时候借助于太阳光，有时候乘彗星之便，[他们]从一个星球滑翔到另一个星球，就像鸟儿由一根树枝飞到另一根树枝。在一段很短的时间内，[他们]就飞快走过银河系的四面八方了…… 

甚至到现在，我们在众多年轻恒星的周围还不断发现大量的气体和尘埃盘——这正像45亿年前地球和其他行星形成时我们太阳系的结构。我们正在着手了解尘埃微粒怎样缓慢地形成行星世界；与地球相似的行星怎样先吸积，然后迅速俘获氢和氦，成为庞大气体球里面隐藏的核心，以及小的类地行星为何只保留较稀的大气层。我们正在重新构建行星世界的历史，要阐明为什么早期太阳系的寒冷的外围主要是由冰和有机物聚集起来的，而在被年轻的太阳照暖的太阳系内区主要靠岩石与金属才能集合成天体。我们已开始认识早期的碰撞所起的主导作用：袭击行星，在它们的表面和内部形成巨女的坑口及盆地，使行星旋转，产生或消灭卫星，形成环，使整个水域从天空降下，然后在行星表面沉淀出一层有机物——这就像是创造行星的最后一道美妙的修饰。我们现在正着手把这方面的知识应用于其他的行星系。 

在今后几十年中，我们有真正的机会来观察其他许多近邻恒星周围成熟的行星系的布局和组成。我们将会知道我们太阳系的哪些方面的特征是普遍规律，而哪些是特例。哪些行星是更为普遍存在的——像木星的行星？像海王星的行星？还是像地球这样的行星？抑或所有其他的行星系统也都有类似木星、海王星和地球的行星？还有没有目前我们不知道的其他行星类型？是不是所有的行星系都包藏在一个浩大的球形彗星云之中？天上大多数恒星都不像太阳那样是孤独的，而是双星或聚星，这些系统中的星体都相互绕转。这些系统也有行星吗？如果有，是什么样的行星？如果是像我们如今所设想的情况，行星系是恒星形成时的常规产品，那么它们是否遵循大不相同的演化途径？那些比我们早出几十亿年的行星系是什么样子呢？在今后几个世纪中，我们对其他行星系的知识将会变得越来越完整。我们将开始知道，去哪些行星系访问？去哪些行星系播种？去哪些行星系定居？ 

设想我们能够以1个g㈧——这是我们在美好、古老的大地上感到舒适的重力加速度——连续地加速，直到我们旅途的中点，然后以1个g连续减速，到达终点。这样一来，我们只要1天就可以跑到火星，一个半星期到达冥王星，1年到奥尔特云，几年后就到达最近的恒星。 

只要把我们近年来在交通运输方面的进展适度地向未来推进，便可设想在仅仅几个世纪内我们就可以用接近光速的速度旅行。也许这是毫无希望的过分乐观。也许这要过几千年或更长时间才能真正实现。但是只要我们不是先毁灭了自己，我们定会发现现在无法想象的新技术——这些技术对我们的陌生程度，就像我们的靠狩猎和采集为生的祖先对“旅行者号”太空飞船一样。甚至在今天，我们都想得出办法——肯定是笨拙的，昂贵到倾家荡产程度的，也是效率低下的方法——来建造一艘接近光速的星际飞船。总有一天，这种飞船的设计会更完美、更经济、更有效。到了那一天，我们不再需要从一颗彗星跳到另一颗彗星。我们将开始跨越以光年汁量的距离，到太空翱翔。这就像圣奥古斯丁所说的古希腊与罗马的神灵那样，到天上去开拓殖民地。 

这些移民也许是在一颗行星表面上生活过的某些人的几十代或几百代的后裔。他们的文化将是不一样的，他们的技术非常先进，他们的语言变了，他们与智能机器的关系会更密切得多，也许连他们的外观也与他们的几乎是神话传说中的祖先显著不同，而那些祖先是在20世纪末叶才首次试探性地出发到太空去探险的。可是他们还是人类，至少大部分性状是人类遗传的；他们是高科技的里手；他们一定有历史记录。尽管有圣奥古斯丁对洛特（Lot）之妻㈨的评论，即“一个已经获救的人，不应当再留恋他已经离开的困境”，他们不会完全忘记地球。 

但是你会想，我们还没有完全准备好。正如伏尔泰在他的《梅姆农》（Memnon）一书中写道，“我们这个小小的水陆合成的地球，是那些上千亿个②世界中的疯人院。”我们——甚至不能把自己的家园管理得井井有条的我们，被敌对与仇恨分裂开的我们，掠夺环境的我们，以互相激怒、疏忽和罪恶目的而彼此谋杀的我们，并且是直到不久前还认为宇宙只是为自己的个体利益而创造的我们——难道真的要去太空冒险，移动星球，改造行星，并让自己扩张到邻近恒星的行星系里面去？ 

我并没有设想．正是具有现代风俗和社会常规的我们要到那里去。如果我们继续仅仅聚集权力而不是智慧，我们肯定会毁灭掉自己。正是我们想在遥远的未来生存下去，要求我们必须改变我们的制度与我们自己。我怎么敢猜测遥远未来的人类呢？我想，这仅仅是一个自然选择的问题。如果我们变得比现在还更残暴、更短视、更无知和更自私一些，那么几乎可以肯定我们不会有未来。 

如果你还年轻，你在有生之年就能够看到人类踏上近地小行星与火星的第一步。还要再过许多代，才能扩展到类木行星的卫星以及柯伊伯彗星带。去奥尔特云则还须等待更长得多的时间。等到我们准备好要去最近的其他行星系定居时，我们人类谅必已经变样了。单是这么多代的岁月流逝，谅必已够使我们改变了。我们将要生活的不同环境，谅必也会改变我们。器官修复术和基因工程将使我们变化。需要也将改变我们。我们是一个善于适应的种族。 

到半人马座α㈩和其他近邻恒星的人多半不会是我们，而是一个和我们很相像的种族。但它具有比我们更多的长处，更少的短处。它是一个返回到和它原来进化时相类似环境的种族。它更为自信、有远见、有能力和小心谨慎——这是我们希望能在宇宙中代表我们的那种生灵。就我们所知而言，宇宙中应当有许多比我们更古老得多，能力更强得多，也与我们大不相同的外星人。 

恒星之间相距遥远，这是一种天意。生灵以及世界都互相隔离。只是那些有充分自知之明和判断能力的生物，才能消除这种隔离，安全地从一颗恒星到另一颗恒星去旅行。 

在漫长的时间尺度里，在数亿到数十亿年中，星系的核心也会爆发。我们看得见散布在深邃太空之中的种种奇景：具有“活动核”的星系、类星体、因碰撞而变形的星系（它们的旋臂瓦解了）以及遭到高能辐射轰击或被黑洞吞噬的恒星系统。于是我们得到的印象是，在这样的时间尺度内，即使星际空间和星系也都是不安全的。 

在银河系周围有一个由暗物质组成的晕，它也许延伸到另一个旋涡星系（即仙女座中的M31，它也含有几千亿颗恒星）的一半距离处。我们不知道这种暗物质的成分是什么，它是怎样分布的，但是它的一部分，③也许是在与单个恒星没有关系的世界之中。如果真是这样，我们在遥远未来的后代将有一个机会，在难以想象的长时间中，在星系际空间定居，并踮着脚走到其他的星系去。 

但是在向银河系移民的时间尺度上，要是不在老早以前，我们现在也必须问：这种为了安全而驱使我们向外扩张的渴望怎样能长久保持？会不会有朝一日我们对人类已度过的时光和自己的成就感到满足，于是自愿退出宇宙舞台呢？从现在算起几百万年之后——也许更早得多——我们谅必已演变成别的种族。即使我们不故意作什么变动，自然进化过程中的突变和淘汰谅必已使人类灭绝，或者就在这样的时间尺度上，已把人类演变成其他的种族（如果以别的哺乳动物作为判断的依据）。在一个哺乳动物种族生存的典型时间范围内，即使我们能以接近光的速度旅行，并且专事旅行别无他顾，我想我们甚至无法探测到银河系有代表性的一小部分。银河系实在太辽阔了，而在银河系外面还有上千亿个星系。在比宇宙时间尺度短得很多的地质年代内，当我们自己已经演变成其他种族时，我们目前的动机会不会保持不变呢？在这样遥远的时代里，我们也许可为自己的雄心壮志找到比仅仅是去无限个世界居住更宏伟和更有价值的目标。 

有些科学家已经设想，也许有一天我们会创造出新的生命形式，把人们的智慧集中起来。到星球去移民，改造星系，或者在一个附近的空间范围内防止宇宙的膨胀。在1993年，物理学家林德在《核物理》杂志上发表了一篇文章——可以想象得到，以开玩笑的方式——他提出，在实验室（这可真是一个实验室啊！）最终真的可能制造出一个单独的、封闭的、不断膨胀的宇宙。他写信给我说：“然而我自己也不知道（这个建议）是否只是一个玩笑，还是别的什么东西。”在这一类遥远未来的计划表中，我们不难认识到人类从来就始终不断地有野心，要僭越一度被视为是神灵的权力——或者，用别的更令人鼓舞的隐喻来说，要完成创世的壮举。 

我花费许多篇幅谈论令人陶醉、几乎是不着边际的臆想，而现在是脱离似乎有道理的猜测，返回我们自己年代的时候了。 

我的祖父出生在无线电波甚至在实验室里也是新奇玩意儿之前，但他几乎活到第一颗人造卫星从太空向我们发送“嘟嘟”信号的时候。有好些人在出生时连飞机这样的东西都还没有，但他们到老年时却看见有4艘飞船发往外星。尽管我们有种种缺陷、局限性和失误，但人类毕竟能做出伟大的事业。在科学和技术的某些领域，在艺术、音乐、文学、利他主义和同情心方面，甚至偶尔在治理国家的本领方面，情况都是如此。人们在下一代又将创造出哪些我们现在梦想不到的新奇迹呢？再过一代又怎样呢？到21世纪结束的时候，我们这个游牧种族会漫游到多远的地方呢？再过一千年，又将到哪里呢？ 

在20亿年前，我们的祖先是微生物；5亿年前是鱼；1亿年前是像老鼠那样的动物；1000万年前是栖息在树上的猿猴；而100万年前是刚学会用火的原始人。人类进化历程的标志是控制变化的能力。到我们的时代，变化的步伐加快了。 

当我们第一次去一颗近地小行星探险时，我们谅必已进入了人类将永远占有的栖息地。第一批男女宇航员飞向火星，是人类转变成多行星种族的关键性一步。这些事件都是重大的，就像我们的两栖类祖先到陆地上定居以及猿人从树上下降到地面一样。 

具有原始的肺和鳍的鱼勉强可以行走，但它们在陆地上建立永久性的立足点之前必然已大量死亡。当森林逐渐消退时，我们的直立行走的猿人祖先常常会急忙跑回树林，以躲避在平原上横行的猛兽。这些转变是痛苦的，需要几百万年才能完成，而那些有关的生物几乎察觉不出这样的变化。对我们来说，转变只在几代人中完成，只有很少的人牺牲。这个步伐快到我们几乎掌握不住正在发生的事情。 

一旦有了在地球之外出生的首批孩子；一旦我们在小行星、彗星、卫星和行星上有了基地和住所；一旦我们在其他世界上生存并繁衍后代，人类历史上的某些事情就会发生永久性的变化。但是向其他世界移民并不意味着抛弃这个世界，正如两栖动物的进化并不意味着鱼类的终结一样。在很长时间内，只有少数人将会离开地球到其他世界去。 

一位学者林霍尔姆（Charles Lindholm）写道： 

在现代西方社会中，传统的消失和被人们接受的宗教信仰的崩溃，使我们没有一个特洛斯Ⅰ[即我们努力追求的目标]，没有人类潜力神圣不可侵犯的观念。我们丧失了神圣的事业，只有一个毫无神秘感的、脆弱的、容易出差错的人类形象，不再能够成为神圣的人。 

我相信，把我们的脆弱和容易出差错牢记在心中，是一件有益于健康——这确实是必要的——的事情。我为那些想成为“像神一般”的人感到担心。但是谈到长远目标和神圣事业，我们面前倒有一个。人类正是依赖它而生存。如果我们被闭锁在自我的牢狱中，这就是一个可供逃离的出口——这是一个比我们自身更有价值的，气魄更大得多的，为了全人类利益的重要举动。把人送到其他世界去住，能把不同国家和不同种族的人团结起来，能把不同世代的人结合起来，并要求我们变得既灵巧又聪明。它把我们的本性解放出来，并且在某种程度上，让我们回归到自己的摇篮时代。甚至在现在，这个新的特洛斯是在我们的掌握之中。 

心理学先驱威廉·詹姆斯（William James）把宗教说成是一种“在宇宙中就像在家里一样的感觉”。正如我在本书前几章所描述的那样，我们的倾向是假装认为宇宙是我们多么希望的家，而不是把我们对什么是像家里一样的观念改变一下，因此使它能包括宇宙。如果在考虑詹姆斯的定义时，我们的意思是指真正的宇宙，那么我们还没有真正的宗教。真正的宗教出现在另一个时候，就是“大降级”的刺痛已经被我们完全忘掉的时候，是我们适应了其他世界的“水土”的时候，是其他世界也适应了我们的时候，并且也是我们向群星扩张的时候。 

对一切现实的目标来说，宇宙永不停息地在延伸。在过了一段短暂的定居生活后，我们又在恢复古代的游牧生活方式。我们遥远的后代们，安全地布列在太阳系或更远的许多世界上，他们将会联合起来。促使他们联合的因素是他们的共同遗产，他们对地球老家的惦念以及他们都认识到，无论遇到什么样的外星人，整个宇宙中独一无二的人类都来自地球。 

他们将抬头凝视，在他们的天空中竭力寻找那个蓝色的光点。他们不会由于它的暗淡和脆弱而不热爱它。他们会感到惊奇，这个贮藏我们全部潜力的地方曾经是何等容易受伤害，我们的婴儿时代是多么危险，我们的出身是多么卑微，我们要跨越多少条河流，才能找到我们要走的道路。 

㈠这两个希睹神话人物都是海神之子。他们身材高大，都想登天。——译者 

㈡早期基督教的一个派别，主张神秘的宗教顿悟．坚信物质是罪恶的。——译者 

㈢基督教《圣经》中能区分善恶的树。——译者 

㈣1929年首次出现于连环漫画中的科幻电视连续片人物，故事说他一觉醒来已进入25世纪以后的情况。——译者 

㈤原文如此，其实应作100倍。——译者 

㈥美国著名天文学家（1885-1972）。——译者 

㈦英国作家斯威夫特的名著《格列佛游记）中的小人国。——译者 

㈧1g＝9.8米／秒2（平方），为地球表面的重力加速度。——译者 

㈨《圣经》里提及格特的妻子被教出后，因回头后顾而变成盐柱。——译者 

㈩汉文名为“南门二”。离地球最近的恒星之一，距离约为4.3光年。——译者 

Ｉ古希腊哲学家亚里士多德所说的人生终极目的。——译者 

谢选骏指出：如果只是因为贪生怕死而寻求救赎，那么救赎将是无法期待的；如果只是因为物质贪欲去殖民宇宙，那么殖民将是自取灭亡。在我看来，唯有抱定朝圣的态度，“在宇宙中就像在家里一样的感觉”才能实现，而且，那样的在“在宇宙中”，就比不那样而“在家里”的感觉，更加喜悦。至于行星的撞击，恕我直言，既然你们已经预测人类最多只能存活八百万年，那么而在此期间，毁灭性撞击的风险，其实并不很高。倒是你们贪婪地来回折腾地球所招致的毁灭，风险可能更大。

【附录·注释】

序言 漂泊者 

①“至于有对跖人的无稽之谈”，圣奥古斯丁在公元5世纪写道，“即是说在地球的反侧（我们这里日落时，那里日出），人们用对着我们的脚走路，这根本不可信。”纵使那里有未知的大片陆地，而不仅仅是海洋，“原始的祖先只有一对，因此无法想象在那个遥远的地区还有亚当的后裔居住。” 

第二章 光行差 

①哥白尼的名著首次出版时，神学家奥西安德（Andrew Osiander）撰写了一篇序言，它是在濒临死亡的天文学家毫无所知的情况下插入书中的。奥西安德的善意企图是把宗教与哥白尼的天文学说调和起来。他在序言末尾谈到：“谁也不要指望从天文学得到任何肯定的东西，而天文学也提供不出这样的东西。如果不了解这一点，他就会把为另一个目的提出的想法认为是真理，于是在结束这项研究时，比起他刚开始研究时就会成为一个更大的傻瓜。”只有从宗教才能找到肯定的东西。 

第三章 大降级 

①圣奥古斯丁在《上帝之城》中谈到：“既然第一个人出现至今不过6 000年……，那些人试图说服我们承认，与已认定的真理大相径庭甚至截然相反的一段时间，难道不应该予以嘲弄，而不仅仅是驳斥他们吗？……在宗教历史中，受到神权支撑的我们，不会怀疑违背它的任何东西都是虚假的。”他痛斥古埃及认为世界有几十万年的传说，说它是“可恶的谎言”。圣托马斯·阿奎那在（神学大全》中直截了当地说，“世界是新的，这不可能由世界本身来论证。”他们是如此自信。 

②我们的宇宙几乎不容许生命存在——或者至少是我们所了解的生命所需要的东西存在。即使1 000亿个星系中每一颗恒星都有一个和地球类似的行星，那么，在没有优越的技术措施的条件下，生命在宇宙中大约只能在10的负37次方的体积内繁衍。为了表示清楚起见，让我们把它写出来：我们的宇宙只有0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1是适合生命存在的。在l之前共有36个O。其余部分全是冰冷的、有辐射弥漫的漆黑的真空。 

第四章 并非为我们造的宇宙 

①少数准哥白尼式的英浯习惯用语之一是“宇宙并不绕着你打转”。这是想把乳臭未干的自大狂人拉回地球的一个天文真理。 

第七章 在土星的众多卫星之间 

①可能一个也没有。我们很幸运，有这样一个星体可供研究。所有其他星体不是含氢太多，就是不够，或者根本没有大气。 

② 并非惠更斯认为这颗卫星非常大（泰坦是希腊神话中的巨人族。——译者），而是由于在希腊神话中，奥林匹亚神上面一代的成员——萨图恩及其兄弟姐妹和同辈们均称为泰坦神。 

③在土卫六的大气中测不出氧，因此它的甲烷并不像在地球上这样远离化学平衡。所以，它的存在决不是生命的征兆。 

第八章 第一颗新行星 

①在过去4000年间曾经有过一次这7个天体在天空中全都靠在一起。就在公元前1953年3月4日黎明前，蛾眉月正在地平线上，金星、水星、火星、土星和木星就像项链上的珍珠，连成一串。它们处在飞马星座的大正方形旁边，即在现代英仙座流星雨辐射点附近。即使是碰巧观天的人，也必然会被这个现象惊呆了。这是怎么回事？——是众抻在聚餐吗？莱海伊大学的天文学家潘克尼尔（David Pankenier）以及后来喷气推进实验室的彭瓞钧都认为，这个事件是中国古代天文学家所提出的各行星周期的起点。 

过去4000年（或下一个4000年）间，不会再有另一次机会从地球上观看行星绕日运动而见到它们如此靠近。但是在2000年5月5日，所有7个天体又都会在同一天区见到——只是有的是在黎明，有的是在黄昏出现，并且比起公元前1953年晚冬早晨那一次的散布范围扩大了大约10倍。尽管如此，它仍然可能是举行宴会的一个美好夜晚。 

②欧美对土星系统探溯的太空飞船以他的名字命名。 

③他为这颗卫星取名为米兰达，是因为《暴风雨》中的女主角米兰达在刚中说：“啊！勇敢的新世界，有那样一些人住在这里。”[剧中人物普罗斯佩罗（Prospero）回答说：“对你来说，这是新的。”正是如此。和太阳系中所有的其他星体一样，米兰达的年龄大约也是45亿年。） 

第九章 太阳系边缘的一艘美国飞船 

①它绕太阳运转需要这样长的时间，是因为它的轨道太长了——长约368亿千米（230亿英里）。由于离太阳如此遥远，太阳的引力（这个力量使它不致向外飞入星际空间）比较微弱，小于地球附近的干分之一。 

②近代液体燃料火箭的发明人戈达德曾经设想在某一个时候对恒星的探测应在海卫一上装备和发射。这记录在1927年追记的一份 1918年写的题为“最后的迁移”的手稿中。由于考虑到贸然发表未免太大胆，稿件留存在一位朋友的保险柜里。封面上有一个警告：“这些笔记只能由一位乐观主义者仔细阅读。” 

③可以认为两艘“旅行者号”飞船在1992年检测到的无线电信号，来自一阵阵强劲的太阳风与星际稀薄气体的碰撞。从无线电信号的巨大功率（超过10万亿瓦），可以估计出太阳风层顶的距离约为日地距离的100倍。按“旅行者1号”现在飞离太阳系的速度推算，这艘大空飞船大约在201O年穿过大阳风层顶井进入星际空间。如果它的发射无线电波的能源还未耗尽，穿越的消息会由无线电波传回给逗留在地球上的人。冲击波与太阳风层顶的碰撞所释放的能量，是太阳系中最强大的无线电辑射源。这会使你想知道，用我们的射电望远镜是不是也有可能检测到其他行星系中更强烈的冲击波。 

第十一章 昏星和晨星 

①土卫六的情况稍有不同，它的照片显示出在悬浮物的主层之上有一系列分离的云雾。因此，金星是太阳系中用宇宙飞船上在普通可见光波段工作的摄象机没有发现任何重要事物的唯一行星。很幸运，从探测过的几乎每一个星体，飞船都给我们发回了照片。（美国国家宇航局的“国际彗星探险者”于1985年疾驰穿过贾可比尼一金纳彗星的尾巴，它专门探测带电粒子和磁场，没有装备摄象机。） 

②现在许多望远镜的图象都用电荷藕合器件（CCD）和二极管阵等电子设备取得，并用计算机处理。在1970年，所有这些技术都还没有在天文观测中使用。 

③波拉克对行星科学的每一个领域都作出过重要贡献。他是我的第一个研究生，以后成为我的同事。他使国家宇航局的艾姆斯研究中心在行星研究中执世界之牛耳，井成为培养博士后行星科学家的大本营。他的优良作风和他的科学才能一样出色。1994年，他正当才能处于顶峰时逝世了。 

第十二章 大地熔化了 

①本章开头引用的斯特拉博的一段话，就是描述公元前197年在附近海底爆发的一个火山，以及由它迅速形成的一个新岛。 

②尽管有高山和梅沟，地球表面之平滑是惊人的。如果地球像一只台球那样大，那么它的凸起部分最多也不超过0.1毫米大小——小到几乎看不见也摸不出来。 

③由“麦哲伦号”雷达成象定出的金星表面的年龄，最终否定了维利科夫斯基Immanuel Velikovsky）的理论。他在1950年左右提出一种得到当时媒介喝采的令人惊异的说法，即3500年前木星抛出一个巨型“彗星”，它与地球几次擦肩撞过，并引起许多民族古籍中记载的形形色色的事件（例如《圣经》中的人物约书亚（Joshua）命令太阳停止不动），后来这颗彗星摇身一变成为金星。现在竟然还有人对这种邪说信以为真。 

④木卫一的火山也是氧、硫等离子的丰富源泉，这些离子聚集成环绕木星的一个朦胧的面包围状的物质管中。 

第十五章 奇异世界的大门打开了 

①但是也有少数相对说来很年轻的地方，例如阿尔巴·帕特拉高地斜坡上分叉的河谷网。甚至在最近的10亿年中，火星的沙漠中有些地方还不知怎么地似乎不时有水流来流去。 

②SNC是三位发现人姓氏首字母缩略词。这三个姓（Shergotty， Nakhla，Chassigny）都难念，所以很自然地会使用这个缩略问。 

第十六章 测天有术 

①即使如此也不容易办到。葡萄牙历史学家祖拉拉（Comes Eanes de Zurara）所报道的“航海家亨利”王子的这个言论是：“本王子认为，如果他或其他王子不鼓励获得这种知识，那么不会有任何水手或商人胆敢这样做。这是因为他们中显然谁也不会自找麻烦，航行到一个没有肯定获利希望的地方去。” 

②罗素的措词“冒险和危险的光荣”值得注意。即使我们能保证太空飞行完全安全——我们当然办不到，这也许会违反太空探险的本意。危险是光荣的不可分割的一部分。 

第十七章 日常的行星际暴力事件 

①如果地球没有这样的好运气，也许今天在一个离太阳稍近或稍远的行星上面，和我们人类完全不同的生物正在设法探求他们的来源。 

②编号为1991JW的小行星的轨道和地球轨道十分相似，因此比去4660号小行星涅柔斯更容易。但是它的轨道太像地球轨道了，因此令人怀疑它是不是一个真的天然小行星。也许它是发射阿波罗登月飞船的“土星5号”火箭失落的上面一级。 

第十八章 卡马里纳的沼泽 

①美国和俄罗斯都签署的外层空间条约，禁止在“外层空间”使用大规模杀伤性武器。使小行星转向的正是这样的武器——并且是现有的威力量强的大规模杀伤性武器。那些热心于钻研小行星转向技术的人士，希望修改这个条约。可是即使不作修改，如果一旦发现有一颗小行星正沿着与地球相撞的轨道奔驰而来，那么大概谁也不会受国际法规细节的限制。然而放宽在太空使用这种武器的禁止是危险的，因为这会使我们对为发动攻击而在太空部署核弹头放松警惕。 

②我们该怎样称呼这颗小行星呢？用希腊神话中的名字，把它称为“命运之神”、“惩罚女神”或”复仇女神”，似乎都不恰当。这是因为它是否击中地球，都完全由我们决定。如果不管它，它与地球不沾边。如果我们灵巧地、准确地推动一下，它就会击中地球。也许我们应当把它叫做“8号球”（译者按：台球游戏术语）。 

③人类最近发明的破坏力极强的新技术，当然会导致许多其他的问题。但是在大多数情况下，它们不是卡马里纳那样的灾难，就是说不管你干不干都会遭殃。与此相反，它们在学识和时间选择上都令人进退两难。举例来说，人们从许多种可能情况中挑选了错误的致冷剂和致冷原理。 

第十九章 改造行星 

①在现实世界中，中国空间机构的官员提出在世纪之交发射一个载有两名宇航员的太空舱到近地轨道上去。它将用改进的长征-2E型火箭在戈壁沙漠发射。即使中国的经济呈持续的适度增长——比20世纪90年代初期至中期的指数增长低得多，中国在21世纪中叶或更早一些，就将成为世界上领先的太空强国之一。 

②如果情况与此相反，那么我们以及这一部分宇宙中的任何东西都是反物质组成的。当然，我们会把它称作物质。于是我们认为，世界和生命都由电荷相反的另一类物质组成这种念头乃是虚妄的猜想。 

③现年85岁的东新墨西哥大学名誉英语教授威廉森写信告诉我，自从他首先提出地球化以后，他“惊奇地看到如今的科学已经有了多么大的进步”。我们正在积累有朝一日可以进行“地球化过程”的科技知识，但是目前我们所有的只是一些建议而已，总的说来，它们不像威廉森原来设想的那样具有创新意义。 

第二十章 黑暗 

①令人吃惊的是，包括《纽约时报》社论撰写人在内的许多人，都在担心一旦外星人知道我们在哪里，就会到我们这里来并把我们吃掉。姑且不谈假想中的外星人与我们在生理上必然会有的很大差异；假设我们是星际美味佳肴，他们又有什么必要把人类大批运送到外星人的餐馆里去？运费很昂贵。如果就偷运几个人去，查出我们的氨基酸。或找出我们好吃的其他原因，然后从头开始合成同样的食品，这样做岂不是更好？ 

第二十一章 上天去！ 

①一个安全度过了青少年时期的外星文明，是否愿意鼓励那些以其新生技术正在奋斗的其他外星文明？也许它们会特别起劲地广播它们存在的消息，并洋洋得意地宣告它们能够逃脱自我毁灭的命运。或者，在开始时它们是否会非常小心翼翼呢？在避免自己造成的灾难之后，也许它们害怕把自己存在的信息散布出去，否则在黑暗中有某一个未知的、侵略成性的、正想取得“生存空间”或奴役别人的外星文明，会把它们视为潜在的对手而消灭掉。这也许是我们探测近邻恒星的行星系的一个理由，但是要小心谨慎地去做。 

它们保持沉默或许还有另外一个理由：因为播送一个高度发达的外星文明存在的信息，可能会鼓励其他剐出现的外星文明不必尽最大努力来保护自己的未来，而希望在黑暗中会有人挺身而出，把他们从困境中拯救出来。 

第二十二章 踮着脚穿过银河系 

①即使我们不特别急于去什么地方，我们到那个时候可能使小天体运动得比现今的太空飞船还快。果真如此，我们的后裔就能在很久以前的20世纪发射的两艘“旅行者号”飞船离开奥尔特云之前，在它们进入星际空间之前，追上它们。他们也许将收回这些在许多年前发射的被遗弃的飞船，也许会让它们继续飞行。 

②这个数字与当代对银河系中绕恒星旋转的行星数目的估计颇为接近。 

③它的大部分也许是”非重子”物质，即不是由我们所熟悉的质子与中子组成的物质，也不是反物质。宇宙中90％以上的质量似乎是属于这种暗黑的、在地球上完全未知的、深奥神秘的“第五种”（即空气、水、火、土之外的）物质。也许有朝一日我们不但能了解这种物质，并且还能为它找到某种用途。 

【后记、绝望的人心里没有上帝】

《宇宙的终极 为何让科学家感到绝望？》（2021-07-12 宇宙观察记录）报道：

一个已经碎了的杯子不可能在没有外部力量的参与下，自动从碎片再恢复到杯子的形态。

这一简单又显而易见的道理反映到物理学上，就是大名鼎鼎的热力学第二定律，也是让无数科学家心灰意冷的熵增定律。

不断上升的无序度

熵增定律最早脱胎于热力学，是在研究永动机和热机效率时被发现的，后来随着宇宙学的进步，科学界发现熵增定律放在宇宙层面也同样适用，因为我们所处的宇宙就是一个最大的孤立系统，内部的星系和原子们在漫长时间过后，都会因为熵值的上升而消亡。

具体到恒星上来看，虽然现在银河系每年都还能产出50多颗新的恒星，但随着时间的推移，几十亿年到几百亿年后，以太阳为代表的黄矮星，以及质量更大寿命更短的恒星们，就会集体寿终正寝，以白矮星或者中子星，甚至是黑洞的形式存在于宇宙中。

在此期间虽然还会恒星从星云中坍塌形成，但和数百亿上千亿年的时光比起来，这些新恒星的寿命也是远远不够的。

热寂与大撕裂

在宇宙学家最开始的设想中，足够漫长的时间过后：白矮星和中子星会熄灭，黑洞会蒸发，宇宙中残余的星云也不足以产生新的恒星。

最后的最后，宇宙中所有恒星都会熄灭，整个宇宙空间将没有一丝光亮，整体温度也会因为黑暗而变成绝对零度，最终达到“死得不能再死”的热寂状态。

但近些年来有关宇宙加速膨胀和暗能量的研究，却指出宇宙最后不会被熵增定律毁灭，因为人类现在观测到的宇宙中的物质，只占了宇宙质能总量的4.9%，属于占比最小的重子物质，剩下占比26.8%的暗物质和占比68.3%的暗能量，才是宇宙的主流。

谁能决定宇宙的命运？

人类现在的宇宙学和物理学，只是建立在占比仅有4.9%的普通物质上的，对于真正能决定宇宙命运的暗物质和暗能量还知之甚少。

根据现有的观测结果，是暗物质的存在让星系获得了额外的引力，才不至于因速度过快而分崩离析，而宇宙大爆炸138.2亿年后的今天，暗能量还在让宇宙加速膨胀中，这也是为什么天文学家眼中的其他星系都在远离地球的原因，而且距离地球越远的星系，远离地球的速度就越快。

如果宇宙一直加速膨胀，那么星系与星系间的距离就会越来越大，久而久之星系内恒星的距离也会越来越大，随着宇宙物质密度的不断下降，终有一天宇宙加速膨胀的力量会作用到太阳系内，让行星与行星间的距离越来越大。

在有关大撕裂的最终推测里，宇宙膨胀之力会施加在宇宙中每个原子身上，到时候宇宙中所有原子都会被撕碎，宇宙也将被撕裂。

宇宙的命运能被逆转吗？

在阿西莫夫《最后的问题》中，超级计算机存在的意义只为回答一个问题：熵增能被逆转吗？

最后的结局是计算机算出了答案，但那时宇宙中已没有了人类，于是计算机成了新的“上帝”，说了句“有光吧”，而后新的恒星便诞生了，宇宙从热寂状态又回到了低熵状态。

但在现实的宇宙中，以人类文明为代表的低熵体们，虽然能用技术手段降低某一区域内的熵值，甚至是再点燃一颗恒星，但放到宇宙层面上来看，低熵体们的这些行为其实只是局部熵减，整体熵增，整个宇宙仍然在向混乱发展。

熵增这样的宇宙规律，也许就是物理学的底线，它让毁灭比重生更简单，让一切都有了寿命，让混乱比秩序更容易出现，但也正因为有了熵增，低熵体们才会分外珍惜时间，热爱一切值得热爱的事物。

谢选骏指出：为什么宇宙的终极会让科学家们感到绝望？因为这些人心里没有上帝，所以才会感到绝望。因为这些人都太相信自己所看见和所想到的东西，以管窥天，以蠡测海，所以才会感到绝望。

（另起一页）

第二部

《时间简史》的无稽之谈

（另起一页）

时间是没有历史的。因此“时间简史”说的不过是“人类时间观念的历史”。但是，“人类的时间观念”等于“时间”吗？如果等于，那么“时间”就不是“客观”；如果不等于，那么“时间简史”就不是客观的。

（另起一页）

第二部目录

导论4、霍金不想别人占得先机

导论5、霍金是一个极其病态的瘫子

导论6、看来霍金是个道士

导论7、没有时间哪里来的时间简史

《时间简史》批判

前言 霍金是英联邦垂死的哀鸣

第一章 我们的宇宙象 

第二章 空间和时间

第三章 膨胀的宇宙 

第四章 不确定性原理

第五章 基本粒子和自然的力 

第六章 黑洞

第七章 黑洞不是这么黑的 

第八章 宇宙的起源和命运

第九章 时间箭头 

第十章 物理学的统一

第十一章 结论 阿尔贝特·爱因斯坦/伽利雷·伽利略/伊萨克

后记、霍金是幸灾乐祸的同情心产物

（另起一页）

【导论4、霍金不想别人占得先机】

《月球背面的“秘密”被揭开？中国卫星传回图像，原来霍金没说错！》（2020-12-29 探索日记）报道：

"烟笼寒水月笼沙，夜泊秦淮近酒家。"——杜牧《泊秦淮》

自古以来，中国人对月亮有着美好的寓意，每年月圆之夜，就是中国人的团圆之夜，也同时寓意着圆圆满满。中国古籍当中，关于月亮的记载数不胜数，古诗词中，用月亮作比喻的也非常多，总之，月亮在中国的心中，有着非常重要的意义。

月球是离地球最近的星球之一，而全世界各国，对月球的考察也是接踵而至，大家都希望知道，月球上究竟有没有生物存在？

随着现代科技的不断发展，人类早就已经探知月球了，一次比一次更加精准。据现代科学探知，月球上应该是没有生命体的，月球上面的温差非常惊人，我们人类是没有办法在上面生存的。

中国，其实早就通过卫星探知月球了，那么，在月球的背面究竟还有其他什么秘密呢？中国卫星拍到了一张照片，可以揭开谜底，难道霍金说得不错？下面，我们就一起来看看！

中国人的"月亮情结"

王维在《九月九日忆山东兄弟》中说："每逢佳节倍思亲"，中国人对于月亮有着深深的情结，每年的月圆之夜，就是一个家庭团圆的日子。

这一天，不管你在多远的地方，都一定要回家，大家围聚在一起，谈谈家常，说说境况，这是一份深情，让人觉得十分感动。

月亮，承载着太多中国人的情谊了，而关于月亮的传说也非常多，在我们心中，月亮，是一种美好的象征。

李白在《静夜思》中说："举头望明月，低头思故乡"，这两句没有华丽的辞藻修饰，却听着十分感人肺腑。

在古人的很多著作里，月亮是一种感情的寄托，可以跟亲情有关，也可以跟爱情有关，如果心中有情想要抒发的时候，抬抬头，看看月亮，心中便有了无尽的情感。在那个没有电话，没有互联网，没有微信的年代，也许，只有月亮能够带去我们的万千情愫。

"嫦娥号"探知月球背面

月球，对于全世界的人类都有着很大的吸引力。为了探知更多宇宙文明，世界各国通过最先进的科学方式去探知月球，中国的"嫦娥号"便是其中之一。

你知道么？在月球的背面，竟然隐藏了一个巨大的秘密，这个秘密，是中国的"嫦娥号"卫星传回的一张图片，才被我们所知晓的。当然，月球的背面并不是你所以为的很恐怖，而是在这里发现了比较特殊的东西。

通过卫星传回的图片发现，在月球的背面，竟然出现了很多陨石坑，还有大量人类制造的垃圾。我们先来说一说陨石坑，既然存在陨石坑，就说明，月球经常会跟其他行星发生碰撞，陨石肯就是相互撞击留下的痕迹。

而且，在月球上的这里，没有任何的光照，所以这里乌黑一片，根本看不到东西。当然月球和其他行星撞击应该力度不大，要不然不仅仅是陨石坑了。

再来谈一谈月球背面的垃圾问题，其实，这些都是因为人类一直探知月球，在月球上面留下来的。由于人类制造的卫星都是通过金属制造的，有些直接坠毁在月球上，而这些金属根本就没有办法降解，只能堆积在月球上。

所以，这就形成了垃圾。人类一直在对月球孜孜不倦的进行研究，所以，这里的垃圾越来越多，其实，这并不是一个好现象，但想解决真的很难。

月球内部发现大量不明金属

除了陨石坑和垃圾之外，其实，这张图片还发现了一样东西！我们竟然在月球上发现了不明的金属。这些金属属于天然的金属，并不是人类因为探知月球带去的外空垃圾。对于这些不明的金属，科学家们也一直都在尝试探知。

只不过人类虽然一直在反复探知月球，但是所能探索到的也仅仅是冰山一角，想要完全确定这些金属的来源，以目前我们的科技还很难达到。

不过，针对这些不明的金属，科学家们也做了大胆的猜测，科学家们猜测，应该是两点原因才在月球形成金属。第一点，月球在宇宙中经常会跟其他星球进行撞击，撞击之后就会形成陨石，这些陨石留在了月球上，通过长时间的变化形成了金属；第二点，月球上有很多火山，这些都是活火山，火山经常喷发，流淌进了月球的地下，经过千万年变化，便形成了金属。

霍金：不要过多探索周边星球

霍金，大家应该都非常熟悉，他是一位非常著名的科学家。人类知道，地球未来的环境应该会发生恶化，所以，我们在尝试，能不能往其他星球上面迁移。于是，人类开始大量探知宇宙当中的星球，而月球便是其中之一。

不过，霍金却并不赞成这种做法，当然，他并不是说，人类不能去探知其他星球，他的意思是不要在科技不那么成熟的情况下，去探索其他星球。

如今，人类的科技还没有发展到很强大的地步，如果强行探知宇宙中的其他星球，可能会摧毁我们人类所创造出来的文明。因为，我们并不知道，其他星球是不是有比我们人类更发达的文明存在，所以，不要贸然行动！

因为我们一直在探知别的星球，会对那些星球形成干扰，除非我们科技已经发展到非常强大的地步，就算去探知别的星球，也可以让外星人不发现。

结语

如今，全世界的科技都在发展，虽然我们人类一直在探索其他星球，不过所探知的也仅仅是皮毛。不过，我相信凭借现在世界的不断发展，未来科技将会日新月异，也许在不久的将来，我们就可以完全探知宇宙当中的其他星球。

虽然地球的环境在恶化，但是至少现在维持人类的生存肯定是不成问题的，而且，现在我们人类十分重视地球的环境，也在一步步改善地球的环境，我认为，这是一个好的开始。

谢选骏指出：霍金丧失了行动能力，所以也不想别人占得先机。

【导论5、霍金是一个极其病态的瘫子】

网文《为何霍金警告人类不要接触外星人？背后原因让人害怕》（UFO之家2019-07-15）报道：

作为目前宇宙中已知的唯一的智慧生命，人类文明的发展速度可以说是非常惊人的，尤其是当人类拿起“科学”这个工具之后进步的速度更是惊人，甚至只用了短短的数百年就实现了飞出地球探索宇宙的梦想。

当人类踏足宇宙面对一个浩浩无垠的空间时，油然而生的“孤独感”让人类不得不思考一个问题：宇宙中有像人类一样的智慧生命吗？如果有，他们在哪呢？这个问题也就是现在著名的“费米悖论”。

因为现在寻找外星文明和研究外星文明已经成为了一项严肃的科研课题，所以大多数科学家是很相信宇宙中存在外星文明的，这其中就包括物理学家斯蒂芬·威廉·霍金。

霍金在生前曾经多次公开表示，不要寻找外星人更不要试图和他们取得联系，因为这样做很可能会发生危险，甚至可能让人类文明毁于一旦。那么为什么霍金会认为找到外星文明对人类来说可能是一场灾难呢？

可能许多朋友收到影视情节的影响，觉得找到外星文明之后有可能会得到他们的帮助，要知道，即使是比人类先进数千年的文明，他们所谓的“落后”技术都有可能比人类现在顶尖的技术先进。所以不可否认的是，如果真的能得到一些外星技术，即便是“落后”的外星技术，对于人类文明和科技发展的帮助都有可能是巨大的，即便是他们不给我们科学技术，我们也可以把他们当作是一个科技发展道路上的“灯塔”，这对于目前人类科学“摸石头过河式”发展帮助同样也是巨大的。

当然这只是人类理想中的状态，而在现实中只要是智慧生物肯定就会有善恶之分和立场之分，霍金警告人类不要联系外星文明，就是怕人类不小心联系上了一个邪恶的外星文明，这种外星文明一旦知道了地球的位置会发生什么大家应该可想而知。

或许电影中外星人侵略地球的镜头将在现实中上演，而以人类目前的军事水平和科技水平来看，可能根本无法对能到达地球的外星文明造成任何伤害，或许在他们看来，人类的核武器就是个笑话。

当然，有坏的结果发生自然就有好的结果出现，如果接收到人类信息的外星文明比人类文明先进非常多，或者说科技水平完全碾压人类的话，或许他们真的会如人们所想的那样，会给予人类一定的帮助。因为之前有研究表明，当智慧生物的文明程度越高道德约束就会越强，所以科学家们认为一个发展水平可以碾压人类文明的外星文明，可能会具有“普世之心”，也就是所谓的“圣母心”。所以在看到弱小的人类文明之后，他们有很大的几率会帮助人类或者指引人类的发展。

最重要的是，实力碾压人类的外星文明或许根本看不上地球上的资源，他们可以用的能源实在太多了，比如恒星能源、黑洞、暗物质等等，这些能源的价值远超地球。

还有一种可能，就是这些发展水平远超人类文明的外星文明可能并没有“普世之心”，但是人类对于他们来说太低级了，他们并没有闲工夫来跟人类建立联系。

这种情况其实很好理解，假如人类已经成为了可以利用恒星能源的星际文明，突然有一天在宇宙中发现了一个刚刚萌芽的文明，其文明程度可能和地球当时的古埃及文明差不多，除非是想研究他们的发展过程，或者是他们的星球上有我们需要的资源，否则我们和他们交流的可能性肯定是极低的。所以对于这些文明程度远超人类文明的外星文明，科学家根本不担心他们会对人类造成威胁，而真正让科学家们害怕的是比地球先进几百年的外星文明。因为这个时期的文明很可能已经居优乐初步星际旅行的能力，但是他们所使用的能源可能还是比较依赖母星，还没有研发出恒星能源的使用方法，所以这种文明一旦发现地球可能会入侵地球，掠夺地球和太阳系的资源。

总而言之，面对实力远超人类文明的外星文明，我们想再多也没有用，而那些跟人类发展水平差不多的外星文明，才是人类应该真正防备的对象。

当然了，目前因为还没有在宇宙中发现任何一个外星文明的痕迹，所以外星文明离我们或许很遥远，但是不管怎么样人类还是应该“隐藏”起来悄悄的发展，或许地球上的“丛林法则”在宇宙空间中同样适用，这就意味着只有自身强大了，在宇宙中才有发言权。

谢选骏指出：霍金是一个极其病态的瘫子，所以，正常的人千万不要遵循他的说法，否则就会跟他一样了。实际上，我们很需要知道“外星人看地球”是怎样的——即使没有外星人，这也可以为我们提供另外的思想维度。

【导论6、看来霍金是个道士】

《霍金是科学骗子？他的外星人预言为何那么惊人？》（2018-03-14 青梅煮英雄）报道： 

史蒂芬·霍金去世，享年76岁。

霍金的去世，掀起了网络的热议。

很多人都哀悼：霍金这一生取得了非凡成就。让我们悼念伟人，一起送伟人最后一程。

有的人佩服：世界上曾经有这么一个人，就眼皮能动，思想却在遨游太空。而很多人身强力壮，但是思想却一辈子都瘫在轮椅上。这是最值得我们敬佩的地方。

有人感叹：在下一位天才的到来之前，世界将有多么的空虚。

有人唏嘘：霍金肯定觉得人类没救了，才选择死的，他看到的世界太遥远了。

竟然还有人说他：是一个科学骗子，脑瘫傻子。

要正确的评价一个人，就要认真的看他的一生，包括他的思想，他的贡献，他的奋斗。

毫无疑问，霍金可以称得上是，现代最伟大的物理学家之一、20世纪享有国际盛誉的伟人之一。

他主要研究领域是宇宙论和黑洞，证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理，提出了黑洞蒸发理论和无边界的霍金宇宙模型，在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。

他这一生获得很多荣誉，CH（英国荣誉勋爵）、CBE（大英帝国司令勋章）、FRS（英国皇家学会会员）、FRSA（英国皇家艺术协会会员）等荣誉。

也许是天妒英才吧，霍金21岁时患上肌肉萎缩性侧索硬化症（卢伽雷氏症），全身瘫痪，不能言语，手部只有三根手指可以活动。

他的著作《时间简史：从大爆炸到黑洞》，从研究黑洞出发，探索了宇宙的起源和归宿，尝试解答过去只有神学才能触及的题材：时间有没有开端，空间有没有边界。

正如他的家人所说：他的勇气与坚持鼓舞了全世界。

历数霍金的预言，多是对未来的悲观和担忧。

1、一定有“外星人”在看着你

霍金说过：“在无限的茫茫宇宙中，一定存在着其它形式的生命。”

他说：“或许外星生命会正盯着我们看呢。”

“不管最终地外智慧生命到底存在还是不存在，现在该是有人正式投入进来。这个问题，我们必须要弄个明白。”

2、宇宙不是上帝创造的

霍金曾多次公开表示，宇宙的创造不需要有上帝参与，“宇宙的爆炸和诞生不需要任何神力的帮助”。因为存在像引力定律这样的物理法则，所以宇宙能够并且也将会从虚无中创造自己。其实这正符合我国道家思想，无极生太极……

3、希格斯玻色子会毁灭宇宙

霍金的观点是，假如希格斯玻色子达到非常高的能量级，超过1000亿千兆电子伏特，那么这种粒子就可能变得不稳定，进而引起时间和空间的崩溃。

4、200年内人类须移民外星否则“灭绝”

霍金认为人类要么想出办法离开地球，要么就将永远地消亡。霍金认为人类在几百年内就会将地球变为一片不宜居住之地。此外，在更远的未来，人类很有可能遭遇小行星撞击或其他来自太空的危险。

霍金预言时间表

2032年地球进入冰河时代，全球变冷。

2060年人类必须离开地球。

2100年人类进入外太空，新人种出现。

2215年地球将面临毁灭。

2600年地球变成炽热的“火球”。

5、人类与外星人接触是危险的事情

霍金警告人类应当想尽一切办法避免与这些外星生命接触。霍金预言外星人可能会为资源入侵地球。

霍金表示：“我们只需要看看自己，就能知道这些外星生命会如何变得让我们宁愿没碰见过他们。如果外星人来拜访人类，我想其结果会变得与哥伦布到达新大陆时非常相似，那对美洲土着可并不有利。”

6、智能机器是真正人类“终结者”

霍金在讨论约翰尼德普主演的新片《超验骇客》时称，人工智能或许不但是人类历史上最大的事件，而且还有可能是最后的事件。他的意思是：人工智能可能会导致人类的灭亡。

谢选骏指出：看来霍金是个道士，不相信上帝却想要炼丹。

【导论7、没有时间哪里来的时间简史】

《“包养”霍金近20年的技术团队究竟是谁？》（硅谷密探 2016-09-12）报道：

如果你知道霍金，那你一定不会忘记他那世上独一无二的“性感”声音，在生活大爆炸中他也献声了呢~但是，你知道这声音背后的团队吗？

使得，没错，从1997年开始，英特尔的团队就开始以每两年的更新换代速度帮助霍金改进自己的交流系统——ACAT（Assistive Context Aware Toolkit）。Intel只是个做芯片的？其实人家还是能做医疗的。

1942年出生的剑桥理论物理学瘫痪教授史蒂芬·霍金，对黑洞会放出黑体辐射的理论性预测有着卓越的贡献，其1988年的科普读物《时间简史》更是全球销售超1000万册。

没有时间哪里来的时间简史？——别急，这是一个商业噱头。“时间简史”指的仅仅是“人们对于时间的认识简史”。但就是这样一位善于推销的卓越科学家，却患有一种不寻常的疾病——肌萎缩性脊髓侧索硬化症，俗称渐冻人症，临床表现是全身瘫痪。而且这还是《时间简史》的写作背景。

早在1985年前后，霍金由于严重的肺炎，接受了气管切开手术，来帮助他呼吸，但从此以后，他再也无法发声了。一开始为了解决这个问题，助手会通过指字母卡的方式，配合霍金扬起的眉毛，慢慢地把整个单词给拼出来。但后来电脑专家华特·沃特斯送给了他一个叫做”平等者”的程序，可以让他在屏幕上选择单字，单词或字母，并且内建了一个语音合成器。而霍金的护士伊莲的丈夫大卫正好是电脑工程师，于是在大卫的帮助下，霍金的轮椅上多出来了一台小电脑，这就是霍金语音系统最初的样子。

到了1997年，英特尔的联合创始人高登·摩尔（Gordon Moore）在一场会议上碰到了霍金，摩尔发现霍金的电脑用的是友商AMD处理器。于是摩尔开玩笑的询问到：“霍金先生，你愿不愿意尝试一下装载我们英特尔处理器的‘真电脑’？”也就是从那时起，英特尔开始给霍金提供定制版的PC和技术支持。

随着时间的推移，霍金的手指神经敏感度也是不断恶化，到了2008年的时候，他就已经虚脱到不能再敲击键盘了。不过霍金的一个研究生助理想出了一个“脸颊开关”的装置。这个装置会被安置到霍金的眼镜上，上面会发出红外光来检测霍金的面颊肌肉，就这样，霍金靠着脸上的这一块肌肉写电子邮件，上网，写书和说话。这样的速度非常慢，于是这位助理写了一封信给摩尔：“请问Intel可以帮助我改进语言的输入速度吗？”

Moore立刻要求时任英特尔首席技术官的Justin Rattner去研究这一问题。于是，英特尔实验室的人机交互专家们尝试用面部表情识别，眼球追踪和脑机交互等最前端的技术，但是都无法取得良好的效果。在经过几个月的研究之后，英特尔的团队在原有的用户界面上做了稍许改变，包括增加了后退按钮，预测算法， 后续单词导航等等，这些改变帮助霍金解决了用户体验上最大的麻烦——“按错键”。但是，霍金却无法适应新的系统，因为英特尔的团队忘记了重要一点：霍金从未使用过现代科技。他们一直在用技术教全世界最知名、最聪明的老爷爷学习新的交互方式。不过，英特尔的信条中，就从没出现过“放弃”这个词。

他们的团队开始给霍金录成千上百小时的视频，观察他输入时候的每一个动作，神态，感受，从最最细节的点出发，最终做出了属于霍金的输入系统。在2015年，英特尔开源了为霍金定制的这套交流系统ACAT。于是，就有工程师和技术爱好者们试用了其中的脸颊抽动探测技术，微小的动作也被捕捉到了。

在可见的未来，英特尔希望通过霍金可以上下左右活动的下巴，来让其自由控制自己的轮椅乃至鼠标。并且通过将其交流系统软件化，让霍金发出自己的原声！

谢选骏指出：这就是霍金的生存状态。难怪他的言论是那么极端离奇。

《霍金去世，他的这些惊人预言你知道吗？》（综合新闻 2018-03-14）报道：

据英国媒体报道，英国著名物理学家斯蒂芬·霍金14日在位于剑桥的家中去世，享年76岁。

斯蒂芬·霍金是当代伟大的理论物理学家，是英国乃至全世界的科学“瑰宝”。他是一位运动神经元疾病患者，身体被“禁锢”在轮椅上，但其科学思想早已传遍世界。霍金同样以敢说著称，从“地球毁灭说”到“外星人不好惹”，从“大脑可独立于人体存在”到“人工智能终将超越人类”，这位“预言帝”的论断总是那么惊世骇俗。

预言一：人工智能超越人类智慧——从《银翼杀手》到《人工智能》，人类对人工智能（AI）发展的忧虑频繁体现在大银幕上。而“AI”这个听起来酷酷的词，也让人感觉亦幻亦魔。霍金曾多次表示，人工智能技术应谨慎发展，否则人类智慧或将被其超越。事实上，霍金并不否认人工智能为人类生活带来的便利，他本人也是此类科技的受益者之一。由于患有运动神经元疾病，霍金需要利用一台机器与外界交流。受智能手机输入法启发，美英两家科技公司合作，为霍金量身定制了一款打字软件，使这位科学家“说话”的速度提升了一倍。这种软件利用基础的人工智能技术，可“猜测”使用者的思维，推荐下一个可能用到的字词。2014年12月，霍金坦陈人工智能的初步发展已证明了其有用性，但他担心这类技术最终会发展出与人类智慧相当甚至超越人类的机器，“到时它可能以不断加快的速度重新设计自己。而人类则受制于生物进化速度，无法与其竞争，最终被超越。”

预言二：1000年内地球毁灭——相比于人工智能威胁人类，“地球毁灭论”更加惊悚。“末日说”其实并不新鲜，但出自霍金这样一位重量级科学家之口，那就不得不认真思量了。更何况，霍老还给地球寿命加了一个明确的期限——1000年。2012年，霍金在70岁生日前夕参加了英国广播公司的节目。在谈及有关世界末日的问题时，霍金表示，基本可以确定的是，未来1000年内，地球会因某场大灾难而毁灭，比如核战争或者温室效应。霍金所说的灾难，包括战争、资源殆尽、人口过剩等等，他认为这些都是正在膨胀的威胁。对于人类社会和地球的“健康状况”，霍金的确不那么有信心。他说，人类基因中携带“自私、贪婪”的遗传密码，人类对地球掠夺日盛，地球资源正在一点点耗尽。因此，他认为人类不能“把所有的鸡蛋都放在一个篮子里”，不能将赌注押在一个星球上，人类社会在未来灾难中得以逃脱的唯一机会不在地球，而应该在太空中。　

预言三：时间旅行不是梦——在科学界，时间旅行一度被认为是“歪理邪说”。“过去因为担心有人会把‘怪人’的标签贴在自己身上，我对这个问题常常避而不谈。但现在，我不再那么谨小慎微了。”霍金说，“我对时间痴迷已久，如果有一台时间机器，我会去拜访风华正茂的玛丽莲·梦露，或是造访将望远镜转向宇宙的伽利略。或许，我还会走到宇宙的尽头，破解整个宇宙湮灭之谜。”不只是美好幻想，霍金还从科学角度分析了未来实现时间旅行的现实问题。他认为，时光机的关键是第四维。他说，一切物体都有时间以及空间的长度，时间旅行意味着我们要经过第四维。如何才能穿越第四维通道？霍金说，“虫洞”（wormhole）提供了一种可能。虫洞又称时空洞，被认为是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。霍金认为，宇宙万物都存在小孔或裂缝，这种基本规律同样适用于时间，时间也有细微的裂缝和空隙。比分子、原子还要小的空隙被称作“量子泡沫”，而虫洞就存在于“量子泡沫”中。霍金说，也许在未来的某一天，人类能够捕获某一个虫洞，并将它放大到足以使人类甚至宇宙飞船从中穿过。

预言四：大脑可能“独立”存在——霍金在21岁时就患上了罕见的运动神经元疾病，全身肌肉逐渐萎缩，只有几根手指能够活动，后来连说话也只能依靠特制的声音合成装置。但在这种情况下，他在宇宙和黑洞研究等领域取得了卓越成果，赢得了全球科学界的尊敬。有媒体称，霍金一直是在用“残存的肢体”来表达这颗“世界最聪明大脑”里的所思所想。为避免日渐衰弱的身体将那些弥足珍贵的思想永久“封存”，也有人在研究脑神经设备，试图帮助这颗“最强大脑”绕开身体的局限，直接与外界沟通。而关于大脑与身体的关系，霍金也有自己的思考。他曾在2013年对英国《卫报》记者表示，他笃信人的大脑是可以不依附于身体而独立存在的，而思维就像储存在大脑中的一段程序，可以被复制。霍金说：“大脑在某种程度上就像一台计算机，而我们可以将其中的‘程序’复制到电脑里面，这在理论上是可行的。”

霍金“语录”

语录一：“外星人”在看着你——在伦敦皇家科学学会寻找外星生命迹象的启动仪式上，霍金就说：“在无限的茫茫宇宙中，一定存在着其它形式的生命。”他说：“或许外星生命会正盯着我们看呢。” “不管最终地外智慧生命到底存在还是不存在，现在该是有人正式投入进来。这个问题，我们必须要弄个明白。”据介绍，这个项目将动用部分目前世界上最大的望远镜，更远地深入宇宙中去捕捉任何无线电波和激光信号。

语录二：“黑洞”不存在？只有“灰洞”？——在一篇《黑洞的信息保存与气象预报》的论文中，霍金指出黑洞其实是“不存在”的，不过“灰洞的确存在”，再次震惊物理学界。霍金1976年提出著名的“霍金辐射”理论，即黑洞在形成中质量减少的同时，还不断在以能量形式向外界发出辐射。但一旦黑洞浓缩并蒸发消失后，其中所有信息就随之消失，与量子力学认定该类物质信息永不会完全消失的理论相矛盾。这就是所谓的“黑洞悖论”。30多年来，霍金试图以各种推测来解释这一矛盾观点。现在看来，他给了一个更具说服力的答案。霍金承认，自己最初有关黑洞边界“视界”的认识是有缺陷的，光线其实是可以穿越视界的。他称，黑洞从来都不会完全关闭自身，物质和能量在被黑洞困住一段时间以后，又会被重新释放到宇宙中。

语录三：我要打赌！额……好吧，愿赌服输——霍金曾与美国密歇根大学的教授戈登凯恩打赌，认为希格斯玻色子不会被找到，但此后，欧洲核子研究中心科学家宣布称，他们发现了一种新的亚原子粒子，它与半个世纪前以理论物理学家彼得·希格斯命名的一种玻色子的特征一致。霍金表示祝贺称：“希望这会为他带来一个诺贝尔奖”，但也承认自己“失落”，原因是打赌输了100美元。希格斯说，霍金给他寄了支票：“他不仅是给我一个人钱。我想他还会寄100美元给密歇根大学的戈登凯恩。”

语录四：在我地盘这，你就得听我的！——患有肌肉萎缩性侧面硬化病的霍金丧失肢体行动能力，通过红外线侦测他的眨眼动作转化为文字，并通过语音合成器读出相关文字。霍金大方承认，他的声音的确听起来“很机器”，不过坚持他不想要更加自然的声音。他幽默解释，“这已经是我的标志，我不想变成更自然的英国腔调的声音”，“我听说很多需要智能声音的孩子，都要像我这样的声音。”作为一名学术成就闻名全球的教授，为建立个人基金会，霍金还申请了姓名专利，杜绝不法分子利用他的名字制造或贩卖不良商品。剑桥大学表示，霍金申请姓名专利一事属私人事务，校方并未参与。

谢选骏指出：上面这些并非真说出来的信息与其说是“预言”，不如说是一个病态生命的回光返照。

（另起一页）

【前言 霍金是英联邦垂死的哀鸣】

网文《人类若不殖民其他星球 只能再活千年》鼓噪说，“英国天文物理学大师霍金”2016年11月在一场论坛中再度释出警告，人类在地球上可生存的时间，仅剩不到1000年。

霍金（Stephen Hawking）为知名的“牛津大学辩论社”（Oxford Union）发表演讲，其先先赞扬了人类所取得的成就：“我们人类只是自然界的基本粒子，能够如此接近了解统治我们的法则和宇宙，这无疑是一种胜利。”

稍后霍金话锋一转，警告在场听众：“人类在地球上生存的时日，仅剩下1000年。”

74岁的霍金多次预示人类命运，他曾说核战以及全球气候变迁威胁，威胁人类存续。他也曾警告，人工智慧发展可能让人类灭亡。

霍金不只一次呼吁人类应该要往太空找出路，因为地球经历了数10亿年的发展，现在已经是危机四伏。

霍金预言未来一定会发生一场毁灭性的大灾难，可能是核灾，也有可能是基因变异的强大病毒，或者是越来越先进的人工智慧。

2016年1月，霍金就在英国广播公司（BBC）年度节目“芮斯讲座”（Reith Lectures）指出，“人类正迈向灭绝，而且是我们咎由自取。”

谢选骏指出：瘫痪的霍金就是英联邦的缩影，霍金的怪异形象就是当代英国的写照，霍金的疯人疯语就是英联邦的垂死的哀鸣。这甚至不是“西方文明的缩影”、“西方文明垂死的哀鸣”，因为英联邦注定要先于西方文明而死，虽然它通过大肆贩卖鸦片，为西方文明的无情扩张，立下了汗马功劳。至于牛津，正如谢选骏《“后真相”其实也不是真相——英国完了。脱欧也来不及了！》所指出的：

牛津也许是英国的象征之一，但其表现确实证实英国的牛皮已经爆裂了。因为它从贝克莱-休谟揭示的基本常识大大堕落了，竟然侈谈什么“客观事实”，而完全不懂任何“客观事实”都是人类感知（情感、信念……）的延伸。如此谁来，“后真相”其实也不是真相，只是自称为真相的“情感和个人信念”。

真的，作为血肉之躯的人，又怎么可能知道“客观事实”呢？除非，那只是某些人主观认定的“客观”。

看来，牛津提供了一个最新的示例，证明大英帝国的瓦解不仅毁灭了英国的霸权，也限制了英国人的学术视野，使其“精神青光眼”进入了晚期。

从长期来看，英国完了。脱欧也来不及了！

【第一章　我们的宇宙象】

一位著名的科学家（据说是贝特郎·罗素）曾经作过一次关于天文学方面的讲演。他描述了地球如何绕着太阳运动，以及太阳又是如何绕着我们称之为星系的巨大的恒星群的中心转动。演讲结束之时，一位坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道："你说的这些都是废话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上的一块平板。"这位科学家很有教养地微笑着答道："那么这只乌龟是站在什么上面的呢？""你很聪明，年轻人，的确很聪明，"老妇人说，"不过，这是一只驮着一只一直驮下去的乌龟群啊！"

大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们自以为知道得更多一些呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是怎样才知道的呢？宇宙从何而来，又将向何处去？宇宙有开端吗？如果有的话，在这开端之前发生了什么？时间的本质是什么？它会有一个终结吗？在物理学上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技术得以实现，从而对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有所启发。也许有一天这些答案会像我们认为地球绕着太阳运动那样显而易见——当然也可能像乌龟塔那般荒唐可笑。不管怎样，唯有让时间来判断了。

早在公元前340年，希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中，就已经能够对于地球是一个圆球而不是一块平板这一论点提出两个很好的论据。第一，他认为月食是由于地球运行到太阳与月亮之间而造成的。地球在月亮上的影子总是圆的，这只有在地球本身为球形的前提下才成立。如果地球是一块平坦的圆盘，除非月食总是发生在太阳正好位于这个圆盘中心之下的时候，否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。第二，希腊人从旅行中知道，在越往南的地区看星空，北极星则显得越靠近地平线。（因为北极星位于北极的正上方，所以它出现在处于北极的观察者的头顶上，而对于赤道上的观察者，北极星显得刚好在地平线上。）根据北极星在埃及和在希腊呈现出来的位置的差别，亚里士多德甚至估计地球大圆长度为 400斯特迪亚。现在不能准确地知道，一个斯特迪亚的长度究竟是多少，但也许是200码左右，这样就使得亚里士多德的估计为现在所接受数值的两倍。希腊人甚至为地球是球形提供了第三个论据，否则何以从地平线外驶来的船总是先露出船帆，然后才是船身？

亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围绕着它转动。他相信这些，是由于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且圆周运动最为完美。在公元后两世纪，这个思想被托勒密精制成一个完整的宇宙学模型。地球处于正中心，包围着它的是八个天球，这八个天球分别负载着月亮、太阳、恒星和五个当时已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。这些行星被认为是沿着附在相应天球上的更小的圆周运动，以说明它们在天空中被观察到的相当复杂的轨迹。最外层的天球被镶上固定的恒星，它们总是停在不变的相对位置，但是总体绕着天空旋转。最后一层天球之外为何物一直不清楚，但有一点是肯定的，它不是人类所能观测到的宇宙的部分。

托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了相当精密的系统。但为了正确地预言这些位置，托勒密必须假定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍，这意味着月亮有时看起来要比其他时候大一倍。托勒密承认这个瑕疵，尽管如此，他的模型虽然不是普遍地、却是广泛地被接受。它被基督教接纳为与《圣经》相一致的宇宙图象。这是因为它具有巨大的优点，即在固定恒星天球之外为天堂和地狱留下了很多地方。

然而，1514年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一个更简单的模型。（起初，可能由于害怕教会对异端的迫害，哥白尼只能将他的模型匿名地流传。）他的观念是，太阳是静止地位于中心，而地球和其他行星绕着太阳作圆周运动。将近一个世纪以后，他的观念才被认真地接受。后来，两位天文学家——德国的约翰斯·开普勒和意大利的伽利雷·伽利略开始公开支持哥白尼的理论，尽管它所预言的轨道还不能完全与观测相符合。直到1609年，亚里士多德——托勒密的理论才宣告死亡。那一年，伽利略用刚发明的望远镜来观测夜空。当他观测木星时，发现有几个小卫星或月亮绕着它转动。这表明不象亚里士多德和托勒密所设想的，并不是所有的东西都必须直接围绕着地球转。（当然，仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中心，而木星的卫星沿着一种极其复杂的轨道绕地球运动，表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理论是简单得多了。）同时，开普勒修正了哥白尼理论，认为行星不是沿圆周而是沿椭圆（椭圆是被拉长的圆）运动，从而使预言最终和观察相互一致了。

就开普勒而言，椭圆轨道仅仅是想当然的，并且是相当讨厌的假设，因为椭圆明显地不如圆那么完美。虽然他几乎是偶然地发现椭圆轨道能很好地和观测相符合，但却不能把它和他的行星绕太阳运动是由于磁力引起的另一思想相互调和起来。对这一切提供解释是晚得多的事，那是由于1687年伊萨克·牛顿爵士出版了他的《数学的自然哲学原理》，这部也许是有史以来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中，牛顿不但提出物体如何在空间和时间中运动的理论，并且发展了为分析这些运动所需的复杂的数学。此外，牛顿提出了万有引力定律，根据这定律，宇宙中的任一物体都被另外物体所吸引，物体质量越大，相互距离越近，则相互之间的吸引力越大。这也就是使物体落到地面上的力。（由于一个苹果落到牛顿的头上而使他得到灵感的故事，几乎肯定是不足凭信的。所有牛顿自己说过的只是，当他陷入沉思之时，一颗苹果的落下使他得到了万有引力的思想。）牛顿继而指出，根据他的定律，引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转。

哥白尼的模型摆脱了托勒密的天球，以及与其相关的宇宙存在着自然边界的观念。"固定恒星"除了由于地球绕着自身的轴自转引起的穿越天空的转动外，不改变它们的位置，很自然会使人设想到固定恒星是和我们的太阳类似的物体，只是比太阳离开我们远得多了。

按照他的引力理论，牛顿意识到恒星应该相互吸引，看来它们不能保持基本上不动。那么它们会一起落到某处去吗？在1691年写给当时另一位最重要的思想家里查德·本特里的一封信中，他论证道，如果只有有限颗恒星分布在一个有限的空间区域里，这确实是会发生的。但是另一方面，他推断如果存在无限多颗恒星，多少均匀地分布于无限的空间，这种情形就不会发生，因为这时不存在任何一个它们落去的中心点。

当人们议论到无穷时，这种论证是你会遭遇到的一种陷阱。在一个无限的宇宙，每一点都可以认为是中心，因为在它的每一边都有无限颗恒星。正确的方法是很久以后才被意识到的，即是先考虑有限的情形，这时所有恒星都相互落到一起，然后在这个区域以外，大体均匀地加上更多的恒星，看情况会如何改变。按照牛顿定律，这额外的恒星平均地讲对原先的那些根本没有什么影响，所以这些恒星还是同样快地落到一起。我们愿意加上多少恒星就可以加上多少，但是它们仍然总是坍缩在一起。现在我们知道，由于引力总是吸引的，不可能存在一个无限的静态的宇宙模型。

在20世纪之前从未有人暗示过，宇宙是在膨胀或是在收缩，这有趣地反映了当时的思维风气。一般认为，宇宙或是以一种不变的状态已存在了无限长的时间，或以多多少少正如我们今天所看的样子被创生于有限久的过去。其部分的原因可能是，人们倾向于相信永恒的真理，也由于虽然人会生老病死，但宇宙必须是不朽的、不变的这种观念才能给人以安慰。

甚至那些意识到牛顿的引力理论导致宇宙不可能静止的人，也没有想到提出宇宙可能是在膨胀。相反的，他们试图修正理论，使引力在非常大距离时成为斥力。这不会对行星运动的预言有重大的影响，然而却允许无限颗恒星的分布保持平衡——邻近恒星之间的吸引力被远隔恒星之间的斥力所平衡。然而，现在我们知道，这样的平衡是不稳定的：如果某一区域内的恒星稍微互相靠近一些，引力就增强，并超过斥力的作用，这样这些恒星就会继续落到一起。反之，如果某一区域内的恒星稍微互相远离一些，斥力就起主导作用，并驱使它们离得更开。

另一个反对无限静止宇宙的异见通常是归功于德国哲学家亨利希·奥勃斯，1823年他发表了这个理论。事实上，牛顿的同时代的一些人已经提出过这个问题。甚至奥勃斯的文章也不是貌似有理地反驳这模型的第一篇。不管怎么说，这是第一篇被广泛注意的文章。这无限静止模型的困难，在于几乎每一道视线必须终结于某一恒星的表面。这样，人们可以预料，整个天空甚至在夜晚都会像太阳那么明亮。奥勃斯反驳说，远处恒星的光线由于被它所穿过的物质吸收所减弱。然而如果真是如此，这相干的物质将会最终被加热到发出和恒星一样强的光为止。唯一的能避免整个天空像太阳那么亮的结论的方法是，假定恒星并不是永远那么亮，而是在有限久的过去才开始发光。这种情况下，吸光物质还没加热，或者远处恒星的光线尚未到达我们这儿。这使我们面临着是什么首次使恒星发光的问题。

当然，宇宙开端的问题在这之前很久就被讨论过。根据一些早先的宇宙论和犹太人／基督教／穆斯林传统，宇宙开端于有限的、并且不是非常远的过去的某一时刻。对这样一个开端，有一种议论是感到必须有"第一原因"来解释宇宙的存在。（在宇宙中，你总可以将一个事件解释为由于另一个更早的事件所引起的，但是宇宙本身的存在只有当存在某个开端时才能被解释。）另一种论证是圣·奥古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出的。他指出，文明在进步，我们将记住创造这些业绩和发展技术的人们。这样人，也许宇宙，不可能已经存在了太长的时间。圣·奥古斯丁根据《创世纪》一书，接受公元前5000年作为宇宙的被创生的时间。（有趣的是，这和上一次的冰河时间的结束，大约公元前1 年相距不远。考古学家告诉我们，文明实际上是从那时开始的。）

另一方面，亚里士多德和大多数其他希腊哲学家不喜欢创生的思想，因为它带有太多的神学干涉的味道。所以他们相信，人类及其周围的世界已经并且将继续永远存在。古代的人们已经考虑到上述的文明进步的论点，用周期性洪水或其他灾难的重复出现，使人类回到文明的开初，来回答上面的话难。

1781年，哲学家伊曼努尔·康德发表了里程碑般的（也是非常模糊的）著作——《纯粹理性批判》，在这本书中，他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、空间上是否有极限的问题。他称这些问题为纯粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因为他感到存在同样令人信服的论据，来证明宇宙有开端的正命题，以及宇宙已经存在无限久的反命题。他对正命题的论证是：如果宇宙没有一个开端，则任何事件之前必有无限的时间。他认为这是荒谬的。他对反命题的论证是：如果宇宙有一开端，在它之前必有无限的时间，为何宇宙必须在某一特定的时刻开始呢？事实上，他对正命题和反命题用了同样的论证。它们都是基于他的隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间均可无限地倒溯回去。我们将会看到，在宇宙开端之前时间概念是没有意义的。这一点是圣·奥古斯丁首先指出的。当他被问及：上帝在创造宇宙之前做什么？奥古斯丁没有这样地回答：他正为问这类问题的人准备地狱。而是说：时间是上帝所创造的宇宙的一个性质，在宇宙开端之前不存在。

当大部分人相信一个本质上静止不变的宇宙时，关于它有无开端的问题，实在是一个形而上学或神学的问题。按照宇宙存在无限久的理论，或者按照宇宙在某一个有限时刻，以给人的印象似乎是已经存在了无限久的样子启动的理论，我们可以同样很好地解释所观察到的事实。但在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的观测，即是不管你往那个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以那时候宇宙的密度无限大。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。

哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧密。在这种条件下，所有科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻之前有过些事件，它们将不可能影响现在所发生的一切。所以我们可以不理它们，因为它们并没有可观测的后果。由于更早的时间根本没有定义，所以在这个意义上人们可以说，时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是，这个时间的开端是和早先考虑的非常不同。在一个不变的宇宙中，时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予；宇宙的开端并没有物理的必要性。人们可以想像上帝在过去的任何时刻创造宇宙。另一方面，如果宇宙在膨胀，何以宇宙有一个开端似乎就有了物理的原因。人们仍然可以想像，上帝是在大爆炸的瞬间创造宇宙，或者甚至在更晚的时刻，以便它看起来就像发生过大爆炸似的方式创造，但是设想在大爆炸之前创造宇宙是没有意义的。大爆炸模型并没有排斥造物主，只不过对他何时从事这工作加上时间限制而已！

为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在开端或终结的问题，你必须清楚什么是科学理论。我将采用头脑简单的观点，即理论只不过是宇宙或它的受限制的一部分的模型，一些联结这模型和我们所观察的量的规则。它只存在于我们的头脑中，（不管在任何意义上）不再具有任何其他的实在性。如果它满足以下两个要求，就算是好的理论：它必须在只包含一些任意元素的一个模型的基础上，准确地描述大批的观测，并对未来观测的结果作出确定的预言。例如，亚里士多德关于任何东西是由四元素，土、空气、火和水组成的理论是足够简单的了，但它没有做出任何确定的预言。另一方面，牛顿的引力理论是基于甚至更为简单的模型，在此模型中两物体之间的相互吸引力和它们称之为质量的量成正比，并和它们之间的距离的平方成反比。然而，它以很高的精确性预言了太阳、月亮和行星的运动。

在它只是假设的意义上来讲，任何物理理论总是临时性的：你永远不可能将它证明。不管多少回实验的结果和某一理论相一致，你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实，即可证伪之。正如科学哲学家卡尔·波帕所强调的，一个好的理论的特征是，它能给出许多原则上可以被观测所否定或证伪的预言。每回观察到与这预言相符的新的实验，则这理论就幸存，并且增加了我们对它的可信度；然而若有一个新的观测与之不符，则我们只得抛弃或修正这理论。至少被认为这迟早总会发生的，问题在于人们有无才干去实现这样的观测。

实际上经常发生的是，所设计的新理论确实是原先理论的推广。例如，对水星的非常精确的观测揭露了它的运动和牛顿理论预言之间的很小差异。爱因斯坦的广义相对论所预言的运动和牛顿理论略有不同。爱因斯坦的预言和观测相符，而牛顿的预言与观测不相符，这一事实是这个新理论的一个关键证据。然而我们在大部分实际情况下仍用牛顿理论，因为在我们通常处理的情形下，两者差别非常小。（牛顿理论的另一个巨大的优点在于，它比爱因斯坦理论容易处理得多！）

科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。然而，大部分科学家遵循的方法是将这问题分成两部分。首先，是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律；（如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的，则这些定律即能告诉我们以后的任一时刻宇宙是什么样子的。）第二，关于宇宙初始状态的问题。有些人认为科学只应过问第一部分，他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。他们会说，全能的上帝可以随心所欲地启动这个宇宙。也许是这样。但是，倘若那样，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是，看起来他选择宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演化。所以，看来可以同样合理地假定，也存在着制约初始状态的定律。

毕全功于一役地设计一种能描述整个宇宙的理论，看来是非常困难的。反之，我们是将这问题分成许多小块，并发明许多部分理论。每一部分理论描述和预言一定有限范围的观测，同时忽略其他量的效应或用简单的一组数来代表之。可能这方法是全错的。如果宇宙中的每一件东西都以非常基本的方式依赖于其他的任何一件东西，很可能不能用隔离法研究问题的部分去逼近其完备的答案。尽管如此，这肯定是我们在过去取得进展所用的方法。牛顿引力理论又是一个经典的例子，它告诉我们两个物体之间的引力只决定于与每个物体相关的一个数——它的质量；而与物体由何物组成无关。这样，人们不需要太阳和行星结构和成份的理论就可以计算它们的轨道。

今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构，也就是从只有几英哩直到大至1亿亿亿（1后面跟24个0）英哩，即可观测到的宇宙范围的尺度的结构。另一方面，量子力学处理极小尺度的现象，例如万亿分之一英寸。然而，可惜的是，这两个理论不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个主要的努力，以及这本书的主题，即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没有这样的理论，要获得这个理论，我们可能还有相当长的路要走，然而我们已经知道了这个理论所应具备的许多性质。在以下几章，人们将会看到，我们已经知道了相当多的量子引力论所应有的预言。

现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由确定的定律所制约的，你最终必须将这些部分理论合并成一套能描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而，在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的自相矛盾。在前面概括的关于科学理论的思想中，假定我们是有理性的生物，既可以随意自由地观测宇宙，又可以从观察中得出逻辑推论。在这样的方案里可以合理地假设，我们可以越来越接近找到制约我们宇宙的定律。然而，如果真有一套完整的统一理论，则它也将决定我们的行动。这样，理论本身将决定了我们对之探索的结果！那么为什么它必须确定我们从证据得到正确的结论？它不也同样可以确定我们引出错误的结论吗？或者根本没有结论？

对于这个问题，我所能给出的回答是基于达尔文的自然选择原理。这思想是说，在任何自繁殖的群体中，存在有不同个体在遗传物质和发育上的变异。这些差异表明，某些个体比其他个体对周围的世界更能引出正确的结论，并去适应它。这些个体更可能存活、繁殖，因此它们的行为和思维的模式将越来越起主导作用。这一点在过去肯定是真的，即我们称之为智慧和科学发现的东西给我们带来了存活的好处。这种情况是否仍会如此不是很清楚：我们的科学发现也可以将我们的一切都毁灭。即使不是这样，一个完整的统一理论对于我们存活的机会不会有很大影响。然而，假定宇宙已经以规则的方式演化至今，我们可以预期，自然选择赋予我们的推理能力在探索完整统一理论时仍然有效，并因此不会导致我们得到错误的结论。

因为除了最极端的情况外，我们已有了对所有一切都足够给出精确的预言的部分理论，看来很难以现实的理由为探索宇宙的终极理论辩护。（值得指出，虽然可用类似的论点来攻击相对论和量子力学，但这些理论已给我们带来了核能和微电子学的革命！）所以，一套完整的统一理论的发现可能对我们种族的存活无助，甚至也不会影响我们的生活方式。然而自从文明开始，人们即不甘心于将事件看作互不相关而不可理解的。他们渴求理解世界的根本秩序。今天我们仍然渴望知道，我们为何在此？我们从何而来？人类求知的最深切的意愿足以为我们所从事的不断的探索提供正当的理由。而我们的目标恰恰正是对于我们生存其中的宇宙作完整的描述。 

谢选骏指出：霍金自以为他要比贝特郎·罗素和矮个的老妇人来得聪明，这其实得益于他那不由自主的身躯。

【第二章　空间和时间】

我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛顿。在他们之前，人们相信亚里士多德，他说物体的自然状态是静止的，并且只在受到力或冲击作用时才运动。这样，重的物体比轻的物体下落得更快，因为它受到更大的力将其拉向地球。

亚里士多德的传统观点还以为，人们用纯粹思维可以找出制约宇宙的定律：不必要用观测去检验它。所以，伽利略是第一个想看看不同重量的物体是否确实以不同速度下落的人。据说，伽利略从比萨斜塔上将重物落下，从而证明了亚里士多德的信念是错的。这故事几乎不可能是真的，但是伽利略的确做了一些等同的事——将不同重量的球从光滑的斜面上滚下。这情况类似于重物的垂直下落，只是因为速度小而更容易观察而已。伽利略的测量指出，不管物体的重量是多少，其速度增加的速率是一样的。例如，在一个沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你释放一个球，则1秒钟后球的速度为每秒1米，2秒钟后为每秒2米等等，而不管这个球有多重。当然，一个铅锤比一片羽毛下落得更快，那是因为空气对羽毛的阻力引起的。如果一个人释放两个不遭受任何空气阻力的物体，例如两个不同的铅锤，它们则以同样速度下降。

伽利略的测量被牛顿用来作为他的运动定律的基础。在伽利略的实验中，当物体从斜坡上滚下时，它一直受到不变的外力（它的重量），其效应是它被恒定地加速。这表明，力的真正效应总是改变物体的速度，而不是像原先想像的那样，仅仅使之运动。同时，它还意味着，只要一个物体没有受到外力，它就会以同样的速度保持直线运动。这个思想是第一次被牛顿在1687年出版的《数学原理》一书中明白地叙述出来，并被称为牛顿第一定律。物体受力时发生的现象则由牛顿第二定律所给出：物体被加速或改变其速度时，其改变率与所受外力成比例。（例如，如果力加倍，则加速度也将加倍。）物体的质量（或物质的量）越大，则加速度越小，（以同样的力作用于具有两倍质量的物体则只产生一半的加速度。）小汽车可提供一个熟知的例子，发动机的功率越大，则加速度越大，但是小汽车越重，则对同样的发动机加速度越小。

除了他的运动定律，牛顿还发现了描述引力的定律：任何两个物体都相互吸引，其引力大小与每个物体的质量成正比。这样，如果其中一个物体（例如A）的质量加倍，则两个物体之间的引力加倍。这是你能预料得到的，因为新的物体A可看成两个具有原先质量的物体，每一个用原先的力来吸引物体B，所以A和B之间的总力加倍。其中一个物体质量大到原先的2倍，另一物体大到3倍，则引力就大到6倍。现在人们可以看到，何以落体总以同样的速率下降：具有2倍重量的物体受到将其拉下的2倍的引力，但它的质量也大到两倍。按照牛顿第二定律，这两个效应刚好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同样的。

牛顿引力定律还告诉我们，物体之间的距离越远，则引力越小。牛顿引力定律讲，一个恒星的引力只是一个类似恒星在距离小一半时的引力的4分之1。这个定律极其精确地预言了地球、月亮和其他行星的轨道。如果这定律变为恒星的万有引力随距离减小得比这还快，则行星轨道不再是椭圆的，它们就会以螺旋线的形状盘旋到太阳上去。如果引力减小得更慢，则远处恒星的引力将会超过地球的引力。

亚里士多德和伽利略——牛顿观念的巨大差别在于，亚里士多德相信存在一个优越的静止状态，任何没有受到外力和冲击的物体都采取这种状态。特别是他以为地球是静止的。但是从牛顿定律引出，并不存在一个静止的唯一标准。人们可以讲，物体A静止而物体B以不变的速度相对于物体A运动，或物体B静止而物体A运动，这两种讲法是等价的。例如，我们暂时将地球的自转和它绕太阳的公转置之一旁，则可以讲地球是静止的，一列火车以每小时90英哩的速度向北前进，或火车是静止的，而地球以每小时90英哩的速度向南运动。如果一个人在火车上以运动的物体做实验，所有牛顿定律都成立。例如，在火车上打乓乒球，将会发现，正如在铁轨边上一张台桌上一样，乓乒球服从牛顿定律，所以无法得知是火车还是地球在运动。

缺乏静止的绝对的标准表明，人们不能决定在不同时间发生的两个事件是否发生在空间的同一位置。例如，假定在火车上我们的乓乒球直上直下地弹跳，在一秒钟前后两次撞到桌面上的同一处。在铁轨上的人来看，这两次弹跳发生在大约相距100米的不同的位置，因为在这两回弹跳的间隔时间里，火车已在铁轨上走了这么远。这样，绝对静止的不存在意味着，不能像亚里士多德相信的那样，给事件指定一个绝对的空间的位置。事件的位置以及它们之间的距离对于在火车上和铁轨上的人来讲是不同的，所以没有理由以为一个人的处境比他人更优越。

牛顿对绝对位置或被称为绝对空间的不存在感到非常忧虑，因为这和他的绝对上帝的观念不一致。事实上，即使绝对空间的不存在被隐含在他的定律中，他也拒绝接受。因为这个非理性的信仰，他受到许多人的严厉批评，最有名的是贝克莱主教，他是一个相信所有的物质实体、空间和时间都是虚妄的哲学家。当人们将贝克莱的见解告诉著名的约翰逊博士时，他用脚尖踢到一块大石头上，并大声地说："我要这样驳斥它！"

亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说，他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时间都是一样的。时间相对于空间是完全分开并独立的。这就是大部份人当作常识的观点。然而，我们必须改变这种关于空间和时间的观念。虽然这种显而易见的常识可以很好地对付运动甚慢的诸如苹果、行星的问题，但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效。

光以有限但非常高的速度传播的这一事实，由丹麦的天文学家欧尔·克里斯琴森·罗麦于1676年第一次发现。他观察到，木星的月亮不是以等时间间隔从木星背后出来，不像如果月亮以不变速度绕木星运动时人们所预料的那样。当地球和木星都绕着太阳公转时，它们之间的距离在变化着。罗麦注意到我们离木星越'远则木星的月食出现得越晚。他的论点是，因为当我们离开更远时，光从木星月亮那儿要花更长的时间才能达到我们这儿。然而，他测量到的木星到地球的距离变化不是非常准确，所以他的光速的数值为每秒14 英哩，而现在的值为每秒186000英哩。尽管如此，罗麦不仅证明了光以有限速度运动，并且测量了光速，他的成就是卓越的——要知道，这一切都是在牛顿发表《数学原理》之前11年进行的。

直到1865年，当英国的物理学家詹姆士·马克斯韦成功地将当时用以描述电力和磁力的部分理论统一起来以后，才有了光传播的真正的理论。马克斯韦方程预言，在合并的电磁场中可以存在波动的微扰，它们以固定的速度，正如池塘水面上的涟漪那样运动。如果这些波的波长（两个波峰之间的距离）为1米或更长一些，这就是我们所谓的无线电波。更短波长的波被称做微波（几个厘米）或红外线（长于万分之一厘米）。可见光的波长在百万分之40到百万分之80厘米之间。更短的波长被称为紫外线、X射线和伽玛射线。

马克斯韦理论预言，无线电波或光波应以某一固定的速度运动。但是牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念，所以如果假定光是以固定的速度传播，人们必须说清这固定的速度是相对于何物来测量的。这样人们提出，甚至在"真空"中也存在着一种无所不在的称为"以太"的物体。正如声波在空气中一样，光波应该通过这以太传播，所以光速应是相对于以太而言。相对于以太运动的不同观察者，应看到光以不同的速度冲他们而来，但是光对以太的速度是不变的。特别是当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。1887年，阿尔贝特·麦克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。他们将在地球运动方向以及垂直于此方向的光速进行比较，使他们大为惊奇的是，他们发现这两个光速完全一样！

在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克·罗洛兹，他是依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变慢的机制。然而，一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特·爱因斯坦，在1905年的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话，整个以太的观念则是多余的。几个星期之后，一位法国最重要的数学家亨利·彭加勒也提出类似的观点。爱因斯坦的论证比彭加勒的论证更接近物理，因为后者将此考虑为数学问题。通常这个新理论是归功于爱因斯坦，但彭加勒的名字在其中起了重要的作用。

这个被称之为相对论的基本假设是，不管观察者以任何速度作自由运动，相对于他们而言，科学定律都应该是一样的。这对牛顿的运动定律当然是对的，但是现在这个观念被扩展到包括马克斯韦理论和光速：不管观察者运动多快，他们应测量到一样的光速。这简单的观念有一些非凡的结论。可能最著名者莫过于质量和能量的等价，这可用爱因斯坦著名的方程E＝mc＾2来表达（这儿E是能量，m是质量，c是光速），以及没有任何东西能运动得比光还快的定律。由于能量和质量的等价，物体由于它的运动所具的能量应该加到它的质量上面去。换言之，要加速它将变得更为困难。这个效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如，以10％光速运动的物体的质量只比原先增加了0.5％，而以90％光速运动的物体，其质量变得比正常质量的2倍还多。当一个物体接近光速时，它的质量上升得越来越快，它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速，因为那时质量会变成无限大，而由质量能量等价原理，这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因，相对论限制任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。只有光或其他没有内禀质量的波才能以光速运动。

相对论的一个同等卓越的成果是，它变革了我们对空间和时间的观念。在牛顿理论中，如果有一光脉冲从一处发到另一处，（由于时间是绝对的）不同的观测者对这个过程所花的时间不会有异议，但是他们不会在光走过的距离这一点上取得一致的意见（因为空间不是绝对的）。由于光速等于这距离除以所花的时间，不同的观察者就测量到不同的光速。另一方面，在相对论中，所有的观察者必须在光是以多快的速度运动上取得一致意见。然而，他们在光走过多远的距离上不能取得一致意见。所以现在他们对光要花多少时间上也不会取得一致意见。（无论如何，光所花的时间正是用光速——这一点所有的观察者都是一致的——去除光所走的距离——这一点对他们来说是不一致的。）总之，相对论终结了绝对时间的观念！这样，每个观察者都有以自己所携带的钟测量的时间，而不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致。

每个观察者都可以用雷达去发出光脉冲或无线电波来测定一个事件在何处何时发生。脉冲的一部分由事件反射回来后，观察者可在他接收到回波时测量时间。事件的时间可认为是发出脉冲和脉冲反射回来被接收的两个时刻的中点；而事件的距离可取这来回过程时间的一半乘以光速。（在这意义上，一个事件是发生在指定空间的一点以及指定时间的一点的某件事。）这是空间——时间图的一个例子。利用这个步骤，作相互运动的观察者对同一事件可赋予不同的时间和位置。没有一个特别的观察者的测量比任何其他人更正确，但所有这些测量都是相关的。只要一个观察者知道其他人的相对速度，他就能准确算出其他人该赋予同一事件的时间和位置。

现在我们正是用这种方法来准确地测量距离，因为我们可以比测量长度更为准确地测量时间。实际上，米是被定义为光在以铂原子钟测量的O. 3335640952秒内走过的距离（取这个特别的数字的原因是，因为它对应于历史上的米的定义——按照保存在巴黎的特定铂棒上的两个刻度之间的距离）。同样，我们可以用叫做光秒的更方便更新的长度单位，这就是简单地定义为光在一秒走过的距离。现在，我们在相对论中按照时间和光速来定义距离，这样每个观察者都自动地测量出同样的光速（按照定义为每0.3335640952秒之1米）。没有必要引入以太的观念，正如麦克尔逊——莫雷实验显示的那样，以太的存在是无论如何检测不到的。然而，相对论迫使我们从根本上改变了对时间和空间的观念。我们必须接受的观念是：时间不能完全脱离和独立于空间，而必须和空间结合在一起形成所谓的空间——时间的客体。

我们通常的经验是可以用三个数或座标去描述空间中的一点的位置。譬如，人们可以说屋子里的一点是离开一堵墙7英尺，离开另一堵墙3英尺，并且比地面高5英尺。人们也可以用一定的纬度、经度和海拔来指定该点。人们可以自由地选用任何三个合适的坐标，虽然它们只在有限的范围内有效。人们不是按照在伦敦皮卡迪里圆环以北和以西多少英哩以及高于海平面多少英尺来指明月亮的位置，而是用离开太阳、离开行星轨道面的距离以及月亮与太阳的连线和太阳与临近的一个恒星——例如α－半人马座——连线之夹角来描述之。甚至这些座标对于描写太阳在我们星系中的位置，或我们星系在局部星系群中的位置也没有太多用处。事实上，人们可以用一族互相交迭的坐标碎片来描写整个宇宙。在每一碎片中，人们可用不同的三个座标的集合来指明点的位置。

一个事件是发生于特定时刻和空间中特定的一点的某种东西。这样，人们可以用四个数或座标来确定它，并且座标系的选择是任意的；人们可以用任何定义好的空间座标和一个任意的时间测量。在相对论中，时间和空间座标没有真正的差别，犹如任何两个空间座标没有真正的差别一样。譬如可以选择一族新的座标，使得第一个空间座标是旧的第一和第二空间座标的组合。例如，测量地球上一点位置不用在伦敦皮卡迪里圆环以北和以西的哩数，而是用在它的东北和西北的哩数。类似地，人们在相对论中可以用新的时间座标，它是旧的时间（以秒作单位）加上往北离开皮卡迪里的距离（以光秒为单位）。

将一个事件的四座标作为在所谓的空间——时间的四维空间中指定其位置的手段经常是有助的。对我来说，摹想三维空间已经足够困难！然而很容易画出二维空间图，例如地球的表面。（地球的表面是两维的，因为它上面的点的位置可以用两个座标，例如纬度和经度来确定。）通常我将使用二维图，向上增加的方向是时间，水平方向是其中的一个空间座标。不管另外两个空间座标，或者有时用透视法将其中一个表示出来。（这些被称为空间——时间图。）例如，时间是向上的，并以年作单位，而沿着从太阳到α-半人马座连线的距离在水平方向上以英哩来测量。太阳和α-半人马座通过空间——时间的途径是由图中的左边和右边的垂直线来表示。从太阳发出的光线沿着对角线走，并且要花4年的时间才能从太阳走到α-半人马座。

正如我们已经看到的，马克斯韦方程预言，不管光源的速度如何，光速应该是一样的，这已被精密的测量所证实。这样，如果有一个光脉冲从一特定的空间的点在一特定的时刻发出，在时间的进程中，它就会以光球面的形式发散开来，而光球面的形状和大小与源的速度无关。在百万分之一秒后，光就散开成一个半径为300米的球面；百万分之二秒后，半径变成600米；等等。这正如同将一块石头扔到池塘里，水表面的涟漪向四周散开一样，涟漪以圆周的形式散开并越变越大。如果将三维模型设想为包括二维的池塘水面和一维时间，这些扩大的水波的圆圈就画出一个圆锥，其顶点即为石头击到水面的地方和时间。类似地，从一个事件散开的光在四维的空间——时间里形成了一个三维的圆锥，这个圆锥称为事件的未来光锥。以同样的方法可以画出另一个称之为过去光锥的圆锥，它表示所有可以用一光脉冲传播到该事件的事件的集合。

一个事件P的过去和将来光锥将空间——时间分成三个区域：这事件的绝对将来是P的将来光锥的内部区域，这是所有可能被发生在P的事件影响的事件的集合。从P出发的信号不能传到P光锥之外的事件去，因为没有东西比光走得更快，所以它们不会被P发生的事情所影响。过去光锥内部区域的点是P的绝对过去，它是所有这样的事件的集合，从该事件发出的以等于或低于光速的速度传播的信号可到达P。所以，这是可能影响事件P的所有事件的集合。如果人们知道过去某一特定时刻在事件P的过去光锥内发生的一切，即能预言在P将会发生什么。空间——时间的其余部分即是除P的将来和过去光锥之外的所有事件的集合。这一部分的事件既不受P的影响，也不能影响P。例如，假定太阳就在此刻停止发光，它不会对此刻的地球发生影响，因为地球的此刻是在太阳熄灭这一事件的光锥之外。我们只能在8分钟之后才知道这一事件，这是光从太阳到达我们所花的时间。只有到那时候，地球上的事件才在太阳熄灭这一事件的将来光锥之内。同理，我们也不知道这一时刻发生在宇宙中更远地方的事：我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前发出的，在我们看到的最远的物体的情况下，光是在80亿年前发出的。这样当我们看宇宙时，我们是在看它的过去。

如果人们忽略引力效应，正如1905年爱因斯坦和彭加勒所做的那样，人们就得到了称为狭义相对论的理论。对于空间——时间中的每一事件我们都可以做一个光锥（所有从该事件发出的光的可能轨迹的集合），由于在每一事件处在任一方向的光的速度都一样，所以所有光锥都是全等的，并朝着同一方向。这理论又告诉我们，没有东西走得比光更快。这意味着，通过空间和时间的任何物体的轨迹必须由一根落在它上面的每一事件的光锥之内的线来表示。

狭义相对论非常成功地解释了如下事实：对所有观察者而言，光速都是一样的（正如麦克尔逊——莫雷实验所展示的那样），并成功地描述了当物体以接近于光速运动时的行为。然而，它和牛顿引力理论不相协调。牛顿理论说，物体之间的吸引力依赖于它们之间的距离。这意味着，如果我们移动一个物体，另一物体所受的力就会立即改变。或换言之，引力效应必须以无限速度来传递，而不像狭义相对论所要求的那样，只能以等于或低于光速的速度来传递。爱因斯坦在1908年至1914年之间进行了多次不成功的尝试，企图去找一个和狭义相对论相协调的引力理论。1915年，他终于提出了今天我们称之为广义相对论的理论。

爱因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他种类的力，而只不过是空间——时间不是平坦的这一事实的后果。正如早先他假定的那样，空间——时间是由于在它中间的质量和能量的分布而变弯曲或"翘曲"的。像地球这样的物体并非由于称为引力的力使之沿着弯曲轨道运动，而是它沿着弯曲空间中最接近于直线的称之为测地线的轨迹运动。一根测地线是两邻近点之间最短（或最长）的路径。例如，地球的表面是一弯曲的二维空间。地球上的测地线称为大圆，是两点之间最近的路。由于测地线是两个机场之间的最短程，这正是领航员叫飞行员飞行的航线。在广义相对论中，物体总是沿着四维空间——时间的直线走。尽管如此，在我们的三维空间看起来它是沿着弯曲的途径（这正如同看一架在非常多山的地面上空飞行的飞机。虽然它沿着三维空间的直线飞，在二维的地面上它的影子却是沿着一条弯曲的路径）。

太阳的质量引起空间——时间的弯曲，使得在四维的空间——时间中地球虽然沿着直线的轨迹，它却让我们在三维空间中看起来是沿着一个圆周运动。事实上，广义相对论预言的行星轨道几乎和牛顿引力理论所预言的完全一致。然而，对于水星，这颗离太阳最近、受到引力效应最强、并具有被拉得相当长的轨道的行星，广义相对论预言其轨道椭圆的长轴绕着太阳以大约每1万年1度的速率进动。这个效应虽然小，但在1915年前即被人们注意到了，并被作为爱因斯坦理论的第一个验证。近年来，其他行星的和牛顿理论预言的甚至更小的轨道偏差也已被雷达测量到，并且发现和广义相对论的预言相符。

光线也必须沿着空间——时间的测地线走。空间是弯曲的事实又一次意味着，在空间中光线看起来不是沿着直线走。这样，广义相对论预言光线必须被引力场所折弯。譬如，理论预言，由于太阳的质量的缘故，太阳近处的点的光锥会向内稍微偏折。这表明，从远处恒星发出的刚好通过太阳附近的光线会被折弯很小的角度，对于地球上的观察者而言，这恒星显得是位于不同的位置。当然，如果从恒星来的光线总是在靠太阳很近的地方穿过，则我们无从知道这光线是被偏折了，还是这恒星实际上就是在我们所看到的地方。然而，当地球绕着太阳公转，不同的恒星从太阳后面通过，并且它们的光线被偏折。所以，相对于其他恒星而言，它们改变了表观的位置。

在正常情况下，去观察到这个效应是非常困难的，这是由于太阳的光线使得人们不可能观看天空上出现在太阳附近的恒星。然而，在日食时就可能观察到，这时太阳的光线被月亮遮住了。由于第一次世界大战正在进行，爱因斯坦的光偏折的预言不可能在1915年立即得到验证。直到1919年，一个英国的探险队从西非观测日食，指出光线确实像理论所预言的那样被太阳所偏折。这次德国人的理论为英国人所证明被欢呼为战后两国和好的伟大行动。具有讽刺意味的是，后来人们检查这回探险所拍的照片，发现其误差和所企图测量的效应同样大。他们的测量纯属是运气，或是已知他们所要得的结果的情形，这在科学上是普遍发生的。然而，光偏折被后来的许多次观测准确地证实。

另一广义相对论的预言是，在像地球这样的大质量的物体附近，时间显得流逝得更慢一些。这是因为光能量和它的频率（每秒钟里光振动的次数）有一关系：能量越大，则频率越高。当光从地球的引力场往上走，它失去能量，因而其频率下降（这表明两个波峰之间的时间间隔变大）。从在上面的某个人来看，下面发生的每一件事情都显得需要更长的时间。利用一对安装在一个水塔的顶上和底下的非常准确的钟，这个预言在1962年被验证到。发现底下的那只更接近地球的钟走得更慢些，这和广义相对论完全一致。地球上的不同高度的钟的速度不同，这在目前具有相当的实用上的重要性，这是因为人们要用卫星发出的信号来作非常精确的导航。如果人们对广义相对论的预言无知，所计算的位置将会错几英哩！

牛顿运动定律使空间中绝对位置的观念告终。而相对论摆脱了绝对时间。考虑一对双生子，假定其中一个孩子去山顶上生活，而另一个留在海平面，第一个将比第二个老得快。这样，如果他们再次相会，一个会比另一个更老。在这种情形下，年纪的差别非常小。但是，如果有一个孩子在以近于光速运动的空间飞船中作长途旅行，这种差别就会大得多。当他回来时，他会比留在地球上另一个人年轻得多。这即是被称为双生子的佯谬。但是，只是对于头脑中仍有绝对时间观念的人而言，这才是佯谬。在相对论中并没有一个唯一的绝对时间，相反地，每个人都有他自己的时间测度，这依赖于他在何处并如何运动。

1915年之前，空间和时间被认为是事件在其中发生的固定舞台，而它们不受在其中发生的事件的影响。即便在狭义相对论中，这也是对的。物体运动，力相互吸引并排斥，但时间和空间则完全不受影响地延伸着。空间和时间很自然地被认为无限地向前延伸。

然而在广义相对论中，情况则相当不同。这时，空间和时间变成为动力量：当一个物体运动时，或一个力起作用时，它影响了空间和时间的曲率；反过来，空间——时间的结构影响了物体运动和力作用的方式。空间和时间不仅去影响、而且被发生在宇宙中的每一件事所影响。正如一个人不用空间和时间的概念不能谈宇宙的事件一样，同样在广义相对论中，在宇宙界限之外讲空间和时间是没有意义的。

在以后的几十年中，对空间和时间的新的理解是对我们的宇宙观的变革。古老的关于基本上不变的、已经存在并将继续存在无限久的宇宙的观念，已为运动的、膨胀的并且看来是从一个有限的过去开始并将在有限的将来终结的宇宙的观念所取代。这个变革正是下一章　的内容。几年之后又正是我研究理论物理的起始点。罗杰·彭罗斯和我指出，从爱因斯坦广义相对论可推断出，宇宙必须有个开端，并可能有个终结。 

谢选骏指出：亚里士多德没有什么创见，和他的学生亚历山大类似，他不过是古代世界的收割者。亚里士多德所收割的图书馆资料，记载了当时人们的观察所得——那被后人总结为“地心说”。那么，“日心说”富有创见吗？也没有太多。因为伽利略（Galileo Galilei，1564年2月15日－1642年1月8日）是在荷兰镜片的基础上进行观察的，他同样记载的是观察所得。至于牛顿（Sir Isaac Newton，1643年1月4日－1727年3月31日），伽利略死的时候他还没有出生。而那个号称推动了天文革命的哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473年2月19日－1543年5月24日），虽然富得流油、买得起天文观测台，却没有能力进行观测——因为他那个时候，荷兰的工匠们还没有磨出新的镜片，就是观测了也是白搭。那么，哥白尼一个斯拉夫人，哪来的创见呢？原来，那是古希腊人阿利斯塔克斯（Aristarkhos；公元前310年－公元前230年）教给他的。

阿里斯塔克斯生于古希腊萨摩斯岛。他是史上有记载的首位创立日心说的天文学者，他将太阳而不是地球放置在整个已知宇宙的中心，他也因此被称为“希腊的哥白尼”。他的观点并未被当时的人们理解，并被掩盖在亚里士多德和托勒密的光芒之下，直到大约1800年以后，哥白尼才很好地发展和完善了他的理论。

阿里斯塔克斯流传至今的唯一著作，就是关于太阳和月球的体积以及到地球的距离的论著，是基于地心说的宇宙观的。但是，通过其他人的引证，可以知道他还写了另一本书，在书中他发展了一个变通的日心说模型。

月球的大小

阿里斯塔克斯观察到月球穿过地球的阴影需要一个恒星月的时间。因此他估计到地球的直径是月球的三倍。根据埃拉托色尼所计算的42000公里的地球周长，他认为月球的周长应为14000公里。事实上，月球的周长约为10916公里。

到太阳的距离

阿里斯塔克斯认为太阳，月球和地球在每个月的首个或最后的四分之一时期内，构成了一个近似的直角三角形。他估计最大角约为87°。尽管他应用的几何理论没有错，但由于观测数据有偏差，他得出了日地距离是月地距离的20倍的结论。事实上，前者是后者的390倍。阿里斯塔克斯指出，月球和太阳有几乎相同的视角，因此他们的直径与他们到地球的距离是成正比的。尽管计算结果是错误的，他的方法却符合逻辑。这指出了太阳明显大于地球，恰恰可以用来证明日心说模型。

谢选骏指出：没有基于现代望远镜的观察，阿里斯塔克斯仅凭数学模型算出这样的结果，显然要比亚里士多德更有创见、聪明多了。

【第三章　膨胀的宇宙】

如果在一个清澈的、无月亮的夜晚仰望星空，能看到的最亮的星体最可能是金星、火星、木星和土星这几颗行星，还有巨大数目的类似太阳、但离开我们远得多的恒星。事实上，当地球绕着太阳公转时，某些固定的恒星相互之间的位置确实起了非常微小的变化——它们不是真正固定不动的2这是因为它们距离我们相对靠近一些。当地球绕着太阳公转时，相对于更远处的恒星的背景，我们从不同的位置观测它们。这是幸运的，因为它使我们能直接测量这些恒星离开我们的距离，它们离我们越近，就显得移动得越多。最近的恒星叫做普罗希马半人马座，它离我们大约4光年那么远（从它发出的光大约花4年才能到达地球），也就是大约23万亿英哩的距离。大部分其他可用肉眼看到的恒星离开我们的距离均在几百光年之内。与之相比，我们太阳仅仅在8光分那么远！可见的恒星散布在整个夜空，但是特别集中在一条称为银河的带上。远在公元1750年，就有些天文学家建议，如果大部分可见的恒星处在一个单独的碟状的结构中，则银河的外观可以得到解释。碟状结构的一个例子，便是今天我们叫做螺旋星系的东西。只有在几十年之后，天文学家威廉·赫歇尔爵士才非常精心地对大量的恒星的位置和距离进行编目分类，从而证实了自己的观念。即便如此，这个思想在本世纪初才完全被人们接受。

1924年，我们现代的宇宙图象才被奠定。那是因为美国天文学家埃得温·哈勃证明了，我们的星系不是唯一的星系。事实上，还存在许多其他的星系，在它们之间是巨大的空虚的太空。为了证明这些，他必须确定这些星系的距离。这些星系是如此之遥远，不像邻近的恒星那样，它们确实显得是固定不动的。所以哈勃被迫用间接的手段去测量这些距离。众所周知，恒星的表观亮度决定于两个因素：多少光被辐射出来（它的绝对星等）以及它离我们多远。对于近处的恒星，我们可以测量其表观亮度和距离，这样我们可以算出它的绝对亮度。相反，如果我们知道其他星系中恒星的绝对亮度，我们可用测量它们的表观亮度的方法来算出它们的距离。哈勃注意到，当某些类型的恒星近到足够能被我们测量时，它们有相同的绝对光度；所以他提出，如果我们在其他星系找出这样的恒星，我们可以假定它们有同样的绝对光度——这样就可计算出那个星系的距离。如果我们能对同一星系中的许多恒星这样做，并且计算结果总是给出相同的距离，则我们对自己的估计就会有相当的信赖度。

埃得温·哈勃用上述方法算出了九个不同星系的距离。现在我们知道，我们的星系只是用现代望远镜可以看到的几千亿个星系中的一个，每个星系本身都包含有几千亿颗恒星。从生活在其他星系中的人来看我们的星系，想必也是类似这个样子。我们生活在一个宽约为10万光年并慢慢旋转着的星系中；在它的螺旋臂上的恒星绕着它的中心公转一圈大约花几亿年。我们的太阳只不过是一个平常的、平均大小的、黄色的恒星，它靠近在一个螺旋臂的内边缘。我们离开亚里士多德和托勒密的观念肯定是相当遥远了，那时我们认为地球是宇宙的中心！

恒星离开我们是如此之远，以致使我们只能看到极小的光点，而看不到它们的大小和形状。这样怎么能区分不同的恒星种类呢？对于绝大多数的恒星，只有一个特征可供观测——光的颜色。牛顿发现，如果太阳光通过一个称为棱镜的三角形状的玻璃块，就会被分解成像彩虹一样的分颜色（它的光谱）。将一个望远镜聚焦在一个单独的恒星或星系上，人们就可类似地观察到从这恒星或星系来的光谱线。不同的恒星具有不同的光谱，但是不同颜色的相对亮度总是刚好和一个红热的物体发出的光谱完全一致。（实际上，从一个不透明的灼热的物体发出的光，有一个只依赖于它的温度的特征光谱——热谱。这意味着可以从恒星的光谱得知它的温度。）并且，我们发现，某些非常特定的颜色在恒星光谱里找不到，这些失去的谱线可以因不同的恒星而异。既然我们知道，每一化学元素都有非常独特的吸收光谱线族，将它们和恒星光谱中失去的谱线相比较，我们就可以准确地确定恒星大气中存在什么元素。

在20年代天文学家开始观察其他星系中的恒星光谱时，他们发现了最奇异的现象：它们和我们的银河系一样具有吸收的特征线族，只是所有这些线族都向光谱的红端移动了同样相对的量。为了理解这个含意，我们必须先理解多普勒效应。我们已经知道，可见光即是电磁场的起伏或波动，其频率（或每秒的振动数）高达4到7百万亿次的振动。对不同频率的光，人的眼睛看起来为不同颜色，最低的频率出现在光谱的红端，而最高频率在蓝端。想像在离开我们一个固定的距离处有一光源——例如恒星——以固定的频率发出光波，显然我们接受到的波频率和发出时的频率一样（星系的引力场没有足够强到对它有明显的效应）。现在假定这恒星光源开始向我们运动，当光源发出第二个波峰时，它离开我们更近一些，这样此波峰到达我们处所用的时间比恒星不动时要少。这意味着，这两个波峰到达我们的时间间隔变小了，所以我们接收到的波的每秒振动数（频率）比恒星静止时高。同样，如果光源离我们而去，我们接收到的波频率就变低了。所以对于光来说，这意味着，当恒星离开我们而去时，它们的光谱向红端移动（红移）；而当恒星靠近我们而来时，光谱则蓝移。这个称之为多普勒效应的频率和速度的关系是我们日常所熟悉的，例如我们听路上来往小汽车的声音：当它开过来时，它的发动机的音调变高（对应于声波的高频率）；当它通过我们身边而离开时，它的音调变低。光波或无线电波的行为与之类似。警察就是利用多普勒效应的原理，以无线电波脉冲从车上反射回来的频率来测量车速。

在哈勃证明了其他星系存在之后的几年里，他花时间为它们的距离以及观察到的光谱分类。那时候大部份人相信，这些星系的运动相当紊乱，所以预料会发现和红移光谱一样多的蓝移光谱。但是，十分令人惊异的是，他发现大部份星系是红移的——几乎所有都远离我们而去！更惊异的是1929年哈勃发表的结果：甚至星系红移的大小也不是杂乱无章的，而是和星系离开我们的距离成正比。换句话讲，星系越远，则它离开我们运动得越快！这表明宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态，而实际上是在膨胀；不同星系之间的距离一直在增加着。

宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智慧革命之一。事后想起来，何以过去从来没有人想到这一点？！牛顿或其他人应该会意识到，静态的宇宙在引力的影响下会很快开始收缩。然而现在假定宇宙正在膨胀，如果它膨胀得相当慢，引力会使之最终停止膨胀，然后开始收缩。但是，如果它膨胀得比某一临界速率更快，引力则永远不足够强而使其膨胀停止，宇宙就永远继续膨胀下去。这有点像一个人在地球表面引燃火箭上天时发生的情形，如果火箭的速度相当慢，引力将最终使之停止并折回地面；另一方面，如果火箭具有比某一临界值（大约每秒7英哩）更高的速度，引力的强度不足以将其拉回，所以它将继续永远飞离地球。19世纪、18世纪甚至17世纪晚期的任何时候，人们都可以从牛顿的引力论预言出宇宙的这个行为。然而，静态宇宙的信念是如此之强，以至于一直维持到了20世纪的早期。甚至爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时，还是如此之肯定宇宙必须是静态的，以使得他在其方程中不得不引进一个所谓的宇宙常数来修正自己的理论，使静态的宇宙成为可能。爱因斯坦引入一个新的"反引力"，这力不像其他的力那样，不发源于任何特别的源，而是空间——时间结构所固有的。他宣称，空间——时间有一内在的膨胀的趋向，这可以用来刚好去平衡宇宙间所有物质的相互吸引，结果使宇宙成为静态的。当爱因斯坦和其他物理学家正在想方设法避免广义相对论的非静态宇宙的预言时，看来只有一个人，即俄国物理学家和数学家亚历山大·弗利德曼愿意只用广义相对论着手解释它。

弗利德曼对于宇宙作了两个非常简单的假定：我们不论往哪个方向看，也不论在任何地方进行观察，宇宙看起来都是一样的。弗利德曼指出，仅仅从这两个观念出发，我们就应该预料宇宙不是静态的。事实上，弗利德曼在1922年所做的预言，正是几年之后埃得温·哈勃所观察到的结果。

很清楚，关于在任何方向上宇宙都显得是一样的假设实际上是不对的。例如，正如我们所看到的，我们星系中的其他恒星形成了横贯夜空的叫做银河系的光带。但是如果看得更远，星系数目就或多或少显得是同样的。所以假定我们在比星系间距离更大的尺度下来观察，而不管在小尺度下的差异，则宇宙确实在所有的方向看起来是大致一样的。在很长的时间里，这为弗利德曼的假设——作为实际宇宙的粗糙近似提供了充分的证实。但是，近世出现的一桩幸运的事件所揭示的事实说明了，弗利德曼假设实际上异常准确地描述了我们的宇宙。

1965年，美国新泽西州贝尔电话实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊正在检测一个非常灵敏的微波探测器时（微波正如光波，但是它的频率只有每秒100亿次振动的数量级），他们的检测器收到了比预想的还要大的噪声。彭齐亚斯和威尔逊为此而忧虑，这噪声不像是从任何特别方向来的。首先他们在探测器上发现了鸟粪并检查了其他可能的故障，但很快就排除了这些可能性。他们知道，当探测器倾斜地指向天空时，从大气层里来的噪声应该比原先垂直指向时更强，因为光线在沿着靠近地平线方向比在头顶方向要穿过更厚的大气。然而，不管探测器朝什么方向，这额外的噪声都是一样的，所以它必须是从大气层以外来的，并且在白天、夜晚、整年，也就是甚至地球绕着自己的轴自转或绕太阳公转时也是一样的。这表明，这辐射必须来自太阳系以外，甚至星系之外，否则当地球的运动使探测器指向不同方向时，噪声必须变化。事实上，我们知道这辐射必须穿过我们可观察到的宇宙的大部分，并且由于它在不同方向都一样，至少在大尺度下，这宇宙也必须是各向同性的。现在我们知道，不管我们朝什么方向看，这噪声的变化总不超过万分之一。这样，彭齐亚斯和威尔逊无意中极其精确地证实了弗利德曼的第一个假设。

大约同时，在附近的普林斯顿的两位美国物理学家，罗伯特·狄克和詹姆士·皮帕尔斯也对微波感兴趣。他们正在研究乔治·伽莫夫（曾为亚历山大·弗利德曼的学生）的一个见解：早期的宇宙必须是非常密集的、白热的。狄克和皮帕尔斯认为，我们仍然能看到早期宇宙的白热，这是因为光是从它的非常远的部分来，刚好现在才到达我们这儿。然而，宇宙的膨胀使得这光被如此厉害地红移，以至于现在只能作为微波辐射被我们所看到。正当狄克和皮帕尔斯准备寻找这辐射时，彭齐亚斯和威尔逊听到了他们所进行的工作，并意识到，自己已经找到了它。为此，彭齐亚斯和威尔逊被授予1978年的诺贝尔奖（狄克和皮帕尔斯看来有点难过，更别提伽莫夫了！）

现在初看起来，关于宇宙在任何方向看起来都一样的所有证据似乎暗示，我们在宇宙的位置有点特殊。特别是，如果我们看到所有其他的星系都远离我们而去，那似乎我们必须在宇宙的中心。然而，还存在另外的解释：从任何其他星系上看宇宙，在任何方向上也都一样。我们知道，这正是弗利德曼的第二个假设。我们没有任何科学的证据去相信或反驳这个假设。我们之所以相信它只是基于谦虚：因为如果宇宙只是在我们这儿看起来各向同性，而在宇宙的其他地方并非如此，则是非常奇异的！在弗利德曼模型中，所有的星系都直接相互离开。这种情形很像一个画上好多斑点的气球被逐渐吹胀。当气球膨胀时，任何两个斑点之间的距离加大，但是没有一个斑点可认为是膨胀的中心。并且斑点相离得越远，则它们互相离开得越快。类似地，在弗利德曼的模型中，任何两个星系互相离开的速度和它们之间的距离成正比。所以它预言，星系的红移应与离开我们的距离成正比，这正是哈勃所发现的。尽管他的模型的成功以及预言了哈勃的观测，但是直到1935年，为了响应哈勃的宇宙的均匀膨胀的发现，美国物理学家哈瓦·罗伯逊和英国数学家阿瑟·瓦尔克提出了类似的模型后，弗利德曼的工作在西方才被普遍知道。

虽然弗利德曼只找到一个模型，其实满足他的两个基本假设的共有三种模型。在第一种模型（即弗利德曼找到的）中，宇宙膨胀得足够慢，以至于在不同星系之间的引力使膨胀变慢下来，并最终使之停止。然后星系开始相互靠近，宇宙开始收缩。这表示随时间增加两个邻近的星系的距离的变化。刚开始时距离为零，接着它增长到最大值，然后又减小到零；在第二类解中，宇宙膨胀得如此之快，以至于引力虽然能使之缓慢一些，却永远不能使之停止。这表示此模型中的邻近星系的距离随时间的变化。刚开始时距离为零，最后星系以稳恒的速度相互离开；最后，还有第三类解，宇宙的膨胀快到足以刚好避免坍缩。正如星系的距离从零开始，然后永远增大。然而，虽然星系分开的速度永远不会变为零，这速度却越变越慢。

第一类弗利德曼模型的奇异特点是，宇宙在空间上不是无限的，并且是没有边界的。引力是如此之强，以至于空间被折弯而又绕回到自身，使之相当像地球的表面。如果一个人在地球的表面上沿着一定的方向不停地旅行，他将永远不会遇到一个不可超越的障碍或从边缘掉下去，而是最终走到他出发的那一点。第一类弗利德曼模型中的空间正与此非常相像，只不过地球表面是二维的，而它是三维的罢了。第四维时间的范围也是有限的，然而它像一根有两个端点或边界即开端和终端的线。以后我们会看到，当人们将广义相对论和量子力学的测不准原理结合在一起时，就可能使空间和时间都成为有限的、但却没有任何边缘或边界。

一个人绕宇宙一周最终可回到出发点的思想是科学幻想的好题材，但实际上它并没有多大意义。因为可以指出，一个人还没来得及绕回一圈，宇宙已经坍缩到了零尺度。你必须旅行得比光波还快，才能在宇宙终结之前绕回到你的出发点——而这是不允许的！

在第一类弗利德曼模型中，宇宙膨胀后又坍缩，空间如同地球表面那样，弯曲后又折回到自己。在第二类永远膨胀的模型中，空间以另外的方式弯曲，如同一个马鞍面。所以，在这种情形下空间是无限的。最后，在第三类刚好以临界速率膨胀的弗利德曼模型中，空间是平坦的（所以也是无限的）。

但是究竟可用何种弗利德曼模型来描述我们的宇宙呢？宇宙最终会停止膨胀并开始收缩或将永远膨胀吗？要回答这个问题，我们必须知道现在的宇宙膨胀速度和它现在的平均密度。如果密度比一个由膨胀率决定的某临界值还小，则引力太弱不足于将膨胀停住；如果密度比这临界值大，则引力会在未来的某一时刻将膨胀停止并使宇宙坍缩。

利用多普勒效应，可由测量星系离开我们的速度来确定现在的宇宙膨胀速度。这可以非常精确地实现。然而，因为我们不是直接地测量星系的距离，所以它们的距离知道得不是非常清楚。所有我们知道的是，宇宙在每10亿年里膨胀5％至10％。然而，我们对现在宇宙的平均密度测量得更不准。我们如果将银河系和其他所有能看到的星系的恒星的质量加起来，甚至是按对膨胀率的最低的估值而言，其质量总量比用以阻止膨胀的临界值的1％还少。然而，在我们以及其他的星系里应该有大量的"暗物质"，那是我们不能直接看到的，但由于它的引力对星系中恒星轨道的影响，我们知道它必定存在。况且人们发现，大多数星系是成团的。类似地，由其对星系运动的效应，我们能推断出还有更多的暗物质存在于这些成团的星系之间。将所有这些暗物质加在一起，我们仍只能获得必须用以停止膨胀的密度的十分之一。然而，我们不能排除这样的可能性，可能还有我们未能探测到的其他的物质形式几乎均匀地分布于整个宇宙，它仍可以使得宇宙的平均密度达到停止膨胀所必要的临界值。所以，现在的证据暗示，宇宙可能会无限地膨胀。但是，所有我们能真正了解的是，既然它已经膨胀了100亿年，即便如果宇宙还要坍缩，则至少要再过这么久才有可能。这不应使我们过度忧虑——到那时候。除非我们到太阳系以外开拓殖民地，人们早由于太阳的熄灭而死亡殆尽！

所有的弗利德曼解都具有一个特点，即在过去的某一时刻（约100到200亿年之前）邻近星系之间的距离为零。在这被我们称之为大爆炸的那一时刻，宇宙的密度和空间——时间曲率都是无穷大。因为数学不能处理无穷大的数，这表明广义相对论（弗利德曼解以此为基础）预言，在宇宙中存在一点，在该处理论自身失效。这正是数学中称为奇点的一个例子。事实上，我们所有的科学理论都是基于空间——时间是光滑的和几乎平坦的基础上被表述的，所以它们在空间——时间曲率为无穷大的大爆炸奇点处失效。这表明，即使在大爆炸前存在事件，人们也不可能用之去确定之后所要发生的事件，因为可预见性在大爆炸处失效了。正是这样，与之相应的，如果我们只知道在大爆炸后发生的事件，我们也不能确定在这之前发生的事件。就我们而言，发生于大爆炸之前的事件不能有后果，所以并不构成我们宇宙的科学模型的一部分。因此，我们应将它们从我们模型中割除掉，并宣称时间是从大爆炸开始的。

很多人不喜欢时间有个开端的观念，可能是因为它略带有神的干涉的味道。（另一方面，天主教抓住了大爆炸模型，并在1951年正式宣布，它和《圣经》相一致。）所以，许多人企图避免大爆炸曾经存在过的这一结论。所谓的稳态理论得到过最广泛的支持。这是由两个纳粹占领的奥地利来的难民，赫曼·邦迪和托马斯·高尔德，以及一个战时和他们一道从事研制雷达的英国人，弗雷得·霍伊尔于1948年共同提出的。其想法是，当星系互相离开时，在它们中的间隙由正在连续产生的新物质不断地形成新的星系。因此，在空间的所有地方以及在所有的时间，宇宙看起来大致是相同的。稳态理论需要对广义相对论进行修正，使之允许物质的。连续生成，但是其产生率是如此之低（大约每立方公里每年才产生一个粒子），以至于不与实验相冲突。在第一章　叙述的意义上，这是一个好的科学理论：它非常简单，并做出确定的预言让观察检验。其中一个预言是，我们在宇宙的任何时候任何地方看给定的空间体积内星系或类似物体的数目必须一样。本世纪50年代晚期和60年代早期，由马丁·赖尔（他战时也和邦迪·高尔德以及霍伊尔共事作雷达研究）领导的一个天文学家小组在剑桥对从外空间来的射电源进行了普查。这个小组指出，这些射电源的大部分是位于我们星系之外（它们之中的许多确实可被认证与其他星系相关），并且存在的弱源比强源多得多。他们将弱源解释为更遥远的源，强源为较近的源。结果发现，单位空间体积内普通的源在近处比远处稀少。这可能表明，我们处于宇宙的一个巨大区域的中心，在这儿的源比其他地方稀少。另外的一个解释是，宇宙在射电开始发出的过去的那一时刻具有比我们现有的更密集的源。任何一种解释都和稳态理论相矛盾。况且，1965年彭齐亚斯和威尔逊的微波背景辐射的发现又指出，宇宙在过去必须密集得多。因此稳态理论必须被抛弃。

1963年，两位苏联科学家欧格尼·利弗席兹和伊萨克·哈拉尼可夫做了另一个尝试，设法避免存在大爆炸并因此引起时间起点的问题。他们提出；大爆炸可能只是弗利德曼模型的特性，这个模型毕竟只是真实宇宙的近似。也许，所有大体类似实在宇宙的模型中，只有弗利德曼模型包含大爆炸奇点。在弗利德曼模型中，所有星系都是直接互相离开——所以一点不奇怪，在过去的某一时刻它们必须在同一处。然而，在实际的宇宙中，星系不仅仅是直接互相离开——它也有一点横向速度。所以，在现实中它们从来没必要在同一处，只不过非常靠近而已。也许，现在膨胀着的宇宙不是大爆炸奇点的结果，而是从早期的收缩相而来的；当宇宙坍缩时，其中的粒子可以不都碰撞，而是互相离得很近穿过然后又离开，产生了现在的宇宙膨胀。何以得知这实际的宇宙是否从大爆炸开始的呢？利弗席兹和哈拉尼可夫研究的模型大体和弗利德曼模型相像，但是考虑了实际宇宙中的星系的不规则性和杂乱速度。他们指出，即使星系不再总是直接互相离开，这样的模型也可从一个大爆炸开始。但是他们宣称，这只可能发生在一定的例外的模型中，星系在这儿以正确的方式运动。他们论证道；似乎没有大爆炸奇点的类弗利德曼模型比有此奇点的模型多无限多倍，所以我们的结论应该是，实际中没有过大爆炸。然而，他们后来意识到，存在更为广泛的具有奇性的类弗利德曼模型，星系在那儿并不需要以任何特别的方式运动。所以，1970年他们收回了自己的宣布。

利弗席兹和哈拉尼科夫的工作是有价值的。因为它显示了，如果广义相对论是正确的，宇宙可以有过奇点，一个大爆炸。然而，它没有解决关键的问题：广义相对论是否预言我们的宇宙必须有过大爆炸或时间的开端？对这个问题，英国数学家兼物理学家罗杰·彭罗斯在1965年以完全不同的手段给出了回答。利用广义相对论中光锥行为的方式以及引力总是吸引这一事实，他指出，坍缩的恒星在自己的引力作用下被陷入到一个区域之中，其表面最终缩小到零。并且由于这区域的表面缩小到零，它的体积也应如此。恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里，所以物质的密度和空间——时间的曲率变成无限大。换言之，人们得到了一个奇点，它被包含在叫做黑洞的空间——时间的一个区域中。

初看起来，彭罗斯的结果只适用于恒星，它并没有涉及到任何关于整个宇宙的过去是否有个大爆炸奇点的问题。然而，正当彭罗斯在创造他的定理之时，我是一个正在尽力寻求一个问题可用之完成博士论文的研究生。两年之前我即被诊断得了ALS病，通常又被称为卢伽雷病或运动神经细胞病，并且我被告知只有一两年可活了。在这种情况下，看来没有很多必要攻读我的博士学位了——我预料不能活那么久。然而两年过去了，我没有糟到那种程度。事实上，我的事情还进行得相当好，还和一个非常好的姑娘简·瓦尔德定婚了。但是为了结婚，我需要一个工作；为了得到工作，我需要一个博士学位。

1965年，我读到彭罗斯关于任何物体受到引力坍缩必须最终形成一个奇点的定理。我很快意识到，如果人们将彭罗斯定理中的时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀，假定现在宇宙在大尺度上大体类似弗利德曼模型，这定理的条件仍然成立。彭罗斯定理指出，任何坍缩必须终结于一个奇点；其时间颠倒的论断则是，任何类弗利德曼膨胀模型必须从一个奇点开始。为了技巧上的原因，彭罗斯定理需要以宇宙在空间上是无限的为条件。所以事实上，我能用它来证明，只有当宇宙膨胀得快到足够以避免重新坍缩时（因为只有那些弗利德曼模型才是空间无限的），必须存在一个奇点。

以后的几年中，我发展了新的数学技巧，从证明奇性必须发生的定理中除去了这个和其他技术上的条件。最后的结果是1970年彭罗斯和我的合作论文。那篇论文最后证明了，假定广义相对论是正确的，宇宙包含着我们观测到的这么多物质，则过去必须有一大爆炸奇点。我们的工作遭到许许多多的反对，部分来自苏联人，由于他们对科学宿命论的信仰；另一部分来自某些人，他们不喜欢整个奇点的观念，并认为这糟蹋了爱因斯坦理论的完美。然而，人实在不能辩赢数学定理。所以最终我们的工作被广泛接受，现在几乎每个人都假定宇宙是从一个大爆炸奇点开始的。颇具讽刺意味的是，现在我改变了想法，试图去说服其他物理学家，事实上在宇宙的开端并没有奇点——正如我们将看到的，只要考虑了量子效应，奇性则会消失。

从这一章我们看到，在不到半个世纪的时间里，人们几千年来形成的关于宇宙的观点被改变了。哈勃关于宇宙膨胀的发现，并意识到我们的行星在茫茫的宇宙中的微不足道，只不过是起点而已。随着实验和理论证据的积累，人们越来越清楚地认识到，宇宙在时间上必须有个开端。直到1970年，在爱因斯坦的广义相对论的基础上，这才被彭罗斯和我所证明。这个证明显示，广义相对论只是一个不完全的理论，它不能告诉我们宇宙是如何开始的。因为它预言，所有包括它自己在内的物理理论都在宇宙的开端失效。然而，广义相对论宣称自己只是一个部分理论，所以奇点定理真正所显示的是，在极早期宇宙中有过一个时刻，那时宇宙是如此之小，以至于人们不能再不管20世纪另一个伟大的部分理论——量子力学的小尺度效应。20世纪70年代初期，我们被迫从对极其巨大范围的理论研究转到对极其微小范围的理论研究。下面在我们进而努力将这两个部分理论结合成一个单独的量子引力论之前，首先描述量子力学这个理论。

谢选骏指出：流俗都说“天文学家用哈勃望远镜发现证实爱因斯坦相对论”，但是其实，是爱因斯坦从哈勃望远镜里面受益良多。没有现代的电子望远镜，爱因斯坦就无法脱离荷兰镜片工匠、伽利略、牛顿的世界观。在这种意义上，斯宾诺莎（Baruch de Spinoza，1632年11月24日－1677年2月21日）的磨工手艺比他的哲学更有意义。

【第四章　不确定性原理】

科学理论，特别是牛顿引力论的成功，使得法国科学家拉普拉斯侯爵在19世纪初论断，宇宙是完全被决定的。他认为存在一组科学定律，只要我们完全知道宇宙在某一时刻的状态，我们便能依此预言宇宙中将会发生的任一事件。例如，假定我们知道某一个时刻的太阳和行星的位置和速度，则可用牛顿定律计算出在任何其他时刻的太阳系的状态。这种情形下的宿命论是显而易见的，但拉普拉斯进一步假定存在着某些定律，它们类似地制约其他每一件东西，包括人类的行为。

很多人强烈地抵制这种科学宿命论的教义，他们感到这侵犯了上帝干涉世界的自由。但直到本世纪初，这种观念仍被认为是科学的标准假定。这种信念必须被抛弃的一个最初的征兆，是由英国科学家瑞利勋爵和詹姆斯·金斯爵士所做的计算，他们指出一个热的物体——例如恒星——必须以无限大的速率辐射出能量。按照当时我们所相信的定律，一个热体必须在所有的频段同等地发出电磁波（诸如无线电波、可见光或X射线）。例如，一个热体在1万亿赫兹到2万亿赫兹频率之间发出和在2万亿赫兹到3万亿赫兹频率之间同样能量的波。而既然波的频谱是无限的，这意味着辐射出的总能量必须是无限的。

为了避免这显然荒谬的结果，德国科学家马克斯·普郎克在1900年提出，光波、X射线和其他波不能以任意的速率辐射，而必须以某种称为量子的形式发射。并且，每个量子具有确定的能量，波的频率越高，其能量越大。这样，在足够高的频率下，辐射单独量子所需要的能量比所能得到的还要多。因此，在高频下辐射被减少了，物体丧失能量的速率变成有限的了。

量子假设可以非常好地解释所观测到的热体的发射率，但直到1926年另一个德国科学家威纳·海森堡提出著名的不确定性原理之后，它对宿命论的含义才被意识到。为了预言一个粒子未来的位置和速度，人们必须能准确地测量它现在的位置和速度。显而易见的办法是将光照到这粒子上，一部分光波被此粒子散射开来，由此指明它的位置。然而，人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间距离更小的程度，所以必须用短波长的光来测量粒子的位置。现在，由普郎克的量子假设，人们不能用任意少的光的数量，至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子，并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。而且，位置测量得越准确，所需的波长就越短，单独量子的能量就越大，这样粒子的速度就被扰动得越厉害。换言之，你对粒子的位置测量得越准确，你对速度的测量就越不准确，反之亦然。海森堡指出，粒子位置的不确定性乘上粒子质量再乘以速度的不确定性不能小于一个确定量——普郎克常数。并且，这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法，也不依赖于粒子的种类。海森堡不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质。

不确定性原理对我们世界观有非常深远的影响。甚至到了50多年之后，它还不为许多哲学家所鉴赏，仍然是许多争议的主题。不确定性原理使拉普拉斯科学理论，即一个完全宿命论的宇宙模型的梦想寿终正寝：如果人们甚至不能准确地测量宇宙的现在的态，就肯定不能准确地预言将来的事件了！我们仍然可以想像，对于一些超自然的生物，存在一组完全地决定事件的定律，这些生物能够不干扰宇宙地观测它现在的状态。然而，对于我们这些芸芸众生而言，这样的宇宙模型并没有太多的兴趣。看来，最好是采用称为奥铿剃刀的经济学原理，将理论中不能被观测到的所有特征都割除掉。20世纪20年代。在不确定性原理的基础上，海森堡、厄文·薛定谔和保尔·狄拉克运用这种手段将力学重新表达成称为量子力学的新理论。在此理论中，粒子不再有分别被很好定义的、能被同时观测的位置和速度，而代之以位置和速度的结合物的量子态。

一般而言，量子力学并不对一次观测预言一个单独的确定结果。代之，它预言一组不同的可能发生的结果，并告诉我们每个结果出现的概率。也就是说，如果我们对大量的类似的系统作同样的测量，每一个系统以同样的方式起始，我们将会找到测量的结果为A出现一定的次数，为B出现另一不同的次数等等。人们可以预言结果为A或B的出现的次数的近似值，但不能对个别测量的特定结果作出预言。因而量子力学为科学引进了不可避免的非预见性或偶然性。尽管爱因斯坦在发展这些观念时起了很大作用，但他非常强烈地反对这些。他之所以得到诺贝尔奖就是因为对量子理论的贡献。即使这样，他也从不接受宇宙受机遇控制的观点；他的感觉可表达成他著名的断言："上帝不玩弄骰子。"然而，大多数其他科学家愿意接受量子力学，因为它和实验符合得很完美。它的的确确成为一个极其成功的理论，并成为几乎所有现代科学技术的基础。它制约着晶体管和集成电路的行为，而这些正是电子设备诸如电视、计算机的基本元件。它并且是现代化学和生物学的基础。物理科学未让量子力学进入的唯一领域是引力和宇宙的大尺度结构。

非常令人惊异的是，如果将光源换成粒子源，譬如具有一定速度（这表明其对应的波有同样的波长）的电子束，人们得到完全同样类型的条纹。这显得更为古怪，因为如果只有一条裂缝，则得不到任何条纹，只不过是电子通过这屏幕的均匀分布。人们因此可能会想到，另开一条缝只不过是打到屏幕上每一点的电子数目增加而已。但是，实际上由于干涉，在某些地方反而减少了。如果在一个时刻只有一个电子被发出通过狭缝，人们会以为，每个电子只穿过其中的一条缝，这样它的行为正如同另一个狭缝不存在时一样——屏幕会给出一个均匀的分布。然而，实际上即使电子是一个一个地发出，条纹仍然出现，所以每个电子必须在同一时刻通过两个小缝！

粒子间的干涉现象，对于我们理解作为化学和生物以及由之构成我们和我们周围的所有东西的基本单元的原子的结构是关键的。在本世纪初，人们认为原子和行星绕着太阳公转相当类似，在这儿电子（带负电荷的粒子）绕着带正电荷的中心的核转动。正电荷和负电荷之间的吸引力被认为是用以维持电子的轨道，正如同行星和太阳之间的万有引力用以维持行星的轨道一样。麻烦在于，在量子力学之前，力学和电学的定律预言，电子会失去能量并以螺旋线的轨道落向并最终撞击到核上去。这表明原子（实际上所有的物质）都会很快地坍缩成一种非常紧密的状态。丹麦科学家尼尔斯·玻尔在1913年，为此问题找到了部分的解答。他认为，也许电子不能允许在离中心核任意远的地方，而只允许在一些指定的距离处公转。如果我们再假定，只有一个或两个电子能在这些距离上的任一轨道上公转，那就解决了原子坍缩的问题。因为电子除了充满最小距离和最小能量的轨道外，不能进一步作螺旋运动向核靠近。

对于最简单的原子——氢原子，这个模型给出了相当好的解释，这儿只有一个电子绕着氢原子核运动。但人们不清楚如何将其推广到更复杂的原子去。并且，对于可允许轨道的有限集合的思想显得非常任意。量子力学的新理论解决了这一困难。原来一个绕核运动的电荷可看成一种波，其波长依赖于其速度。对于一定的轨道，轨道的长度对应于整数（而不是分数）倍电子的波长。对于这些轨道，每绕一圈波峰总在同一位置，所以波就互相迭加；这些轨道对应于玻尔的可允许的轨道。然而，对于那些长度不为波长整数倍的轨道，当电子绕着运动时，每个波峰将最终被波谷所抵消；这些轨道是不能允许的。

美国科学家里查德·费因曼引入的所谓对历史求和（即路径积分）的方法是一个波粒二像性的很好的摹写。在这方法中，粒子不像在经典亦即非量子理论中那样，在空间——时间中只有一个历史或一个轨道，而是认为从A到B粒子可走任何可能的轨道。对应于每个轨道有一对数：一个数表示波的幅度；另一个表示在周期循环中的位置（即相位）。从A走到B的几率是将所有轨道的波加起来。一般说来，如果比较一族邻近的轨道，相位或周期循环中的位置会差别很大。这表明相应于这些轨道的波几乎都互相抵消了。然而，对于某些邻近轨道的集合，它们之间的相位没有很大变化，这些轨道的波不会抵消。这种轨道即对应于玻尔的允许轨道。

用这些思想以具体的数学形式，可以相对直截了当地计算更复杂的原子甚至分子的允许轨道。分子是由一些原子因轨道上的电子绕着不止一个原子核运动而束缚在一起形成的。由于分子的结构，以及它们之间的反应构成了化学和生物的基础，除了受测不准原理限制之外，量子力学在原则上允许我们去预言围绕我们的几乎一切东西。（然而，实际上对一个包含稍微多几个电子的系统所需的计算是如此之复杂，以至使我们做不到。）

看来，爱因斯坦广义相对论制约了宇宙的大尺度结构，它仅能称为经典理论，因其中并没有考虑量子力学的不确定性原理，而为了和其他理论一致这是必须考虑的。这个理论并没导致和观测的偏离是因为我们通常经验到的引力场非常弱。然而，前面讨论的奇点定理指出，至少在两种情形下引力场会变得非常强——黑洞和大爆炸。在这样强的场里，量子力学效应应该是非常重要的。因此，在某种意义上，经典广义相对论由于预言无限大密度的点而预示了自身的垮台，正如同经典（也就是非量子）力学由于隐含着原子必须坍缩成无限的密度，而预言自身的垮台一样。我们还没有一个完整、协调的统一广义相对论和量子力学的理论，但我们已知这理论所应有的一系列特征。在以下几章我们将描述黑洞和大爆炸的量子引力论效应。然而，此刻我们先转去介绍人类的许多新近的尝试，他们试图对自然界中其他力的理解合并成一个单独的统一的量子理论。

谢选骏指出：“爱因斯坦广义相对论制约了宇宙的大尺度结构，它仅能称为经典理论，因其中并没有考虑量子力学的不确定性原理，而为了和其他理论一致这是必须考虑的。”——一种人类的理论竟然可以制约宇宙的结构！这是什么理论？这是什么人类？也许你可以为之辩解——这虽然荒唐，但是人们向来如此充满迷信，还自以为得计，其实不过“自缢为得鸡”了。

【第五章　基本粒子和自然的力】

亚里士多德相信宇宙中的所有物质是由四种基本元素即土、空气、火和水组成的。有两种力作用在这些元素上：引力，这是指土和水往下沉的趋势；浮力，这是指空气和火往上升的倾向。将宇宙的内容分割成物质和力的这种做法一直沿袭至今。

亚里士多德认为物质是连续的，也就是说，人们可以将物质无限制地分割成越来越小的小块，即人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。然而有几个希腊人，例如德漠克里特，则坚持物质的固有的颗粒性，而且认为每一件东西都是由不同种类的大量的原子所组成（在希腊文中原子的意义是"不可分的"）。争论一直持续了几个世纪，任何一方都没有任何实际的证据。直至1803年英国的化学家兼物理学家约翰·道尔顿指出，化合物总是以一定的比例结合而成的。这一事实可以用来解释所谓分子的单元是由原子组成的。然而，直到本世纪初这两种学派的争论才以原子论的胜利而告终。爱因斯坦提供了一个重要的物理学证据。1905年，在他关于狭义相对论的著名论文发表前的几周，他在所发表的另一篇文章里指出，所谓的布朗运动——悬浮在液体中的尘埃小颗粒的无则规的、随机的运动——可以解释为液体原子和灰尘粒子碰撞的效应。

当时已经有人怀疑这些原子终究不是不可分割的。几年前，一位剑桥大学三一学院的研究员汤姆逊演示了一种称为电子的物质粒子存在的证据。电子所具有的质量比最轻原子小1千倍。他使用了一种和现代电视显像管相当类似的装置：由一根红热的金属细丝发射出电子，由于它们带负电荷，可用一电场去将其加速飞到一个涂磷光物质的屏幕上。电子一打到屏幕上就会产生一束束的闪光。人们很快即意识到，这些电子必须从原子里出来。英国物理学家恩斯特·卢瑟福在1911年最后证明了物质的原子确实有内部结构：它们是由一个极其微小的带正电荷的核以及围绕着它转动的一些电子组成。他是根据从放射性原子释放出的带正电荷的。粒子和原子碰撞会引起的偏折这一现象，以及分析了此偏折的方式后而推出这一结论的。

最初，人们认为原子核是由电子和不同数量的带正电的叫做质子的粒子所组成。质子是由希腊文中的"第一"演化而来的，因为质子被认为是组成物质的基本单位。然而，卢瑟福在剑桥的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年发现，原子核还包含另外称为中子的粒子，中子几乎具有和质子一样大的质量但没有带电荷；查德威克因此而获得诺贝尔奖，并选为剑桥龚维尔和凯尔斯学院（我即为该学院的研究员）院长。后来，他因为和其他人不和而辞去院长的职务。一群战后回来的年轻的研究员将许多已占据位置多年的老研究员选掉后，曾有过一场激烈的辩论。这是在我去以前发生的；在这场争论尾声的1965年我才加入该学院，当时另一位获诺贝尔奖的院长奈维尔·莫特爵士也因类似的争论而辞职。

直到20年以前，人们还总以为质子和中子是"基本"粒子。但是，将质子和另外的质子或电子在高速度下碰撞的实验表明，它们事实上是由更小的粒子构成的。加州理工学院的牟雷·盖尔曼将这些粒子命名为夸克。由于对夸克的研究，他获得1969年的诺贝尔奖。此名字起源于詹姆斯·约依斯神秘的引语："Three quarks for Muster Mark！"夸克这个字应发夸脱的音，但是最后的字母是k而不是t，通常和拉克（云雀）相押韵。

存在有几种不同类型的夸克——至少有六种以上的"味"，这些味我们分别称之为上、下、奇、魅、底和顶。每种味都带有三种"色"，即红、绿和蓝。（必须强调，这些术语仅仅是记号：夸克比可见光的波长小得多，所以在通常意义下没有任何颜色。这只不过是现代物理学家更富有想像力地去命名新粒子和新现象而已——他们不再将自己限制于只用希腊文！）一个质子或中子是由三个夸克组成，每个一种颜色。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克；一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。我们可用其他种类的夸克（奇、魅、底和顶）构成粒子，但所有这些都具有大得多的质量，并非常快地衰变成质子和中子。

现在我们知道，不管是原子还是其中的质子和中子都不是不可分的。问题在于什么是真正的基本粒子——构成世界万物的最基本的构件？由于光波波长比原子的尺度大得多，我们不能期望以通常的方法去"看"一个原子的部分，而必须用某些波长短得多的东西。正如我们在上一章　所看到的，量子力学告诉我们，实际上所有粒子都是波动，粒子的能量越高，则其对应的波动的波长越短。所以，我们能对这个问题给出的最好的回答，取决于我们的设想中所能得到多高的粒子能量，因为这决定了我们所能看到的多小的尺度。这些粒子的能量通常是以称为电子伏特的单位来测量。（在汤姆逊的电子实验中，我们看到他用一个电场去加速电子，一个电子从一个伏特的电场所得到的能量即是一个电子伏特。）19世纪，当人们知道如何去使用的粒子能量只是由化学反应——诸如燃烧——产生的几个电子伏特的低能量时，大家以为原子即是最小的单位。在卢瑟福的实验中，α粒子具有几百万电子伏特的能量。更近代，我们知道使用电磁场给粒子提供首先是几百万然后是几十亿电子伏特的能量。这样我们知道，20年之前以为是"基本"的粒子，原来是由更小的粒子所组成。如果我们用更高的能量时，是否会发现这些粒子是由更小的粒子所组成的呢？这一定是可能的。但我们确实有一些理论的根据，相信我们已经拥有或者说接近拥有自然界的终极构件的知识。

用上一章　讨论的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子来描述。这些粒子有一种称为自旋的性质。自旋可以设想成绕着一个轴自转的小陀螺。但这可能会引起误会，因为量子力学告诉我们，粒子并没有任何很好定义的轴。粒子的自旋真正告诉我们的是，从不同的方向看粒子是什么样子的。一个自旋为0的粒子像一个圆点：从任何方向看都一样。而自旋为1的粒子像一个箭头：从不同方向看是不同的。只有把当它转过完全的一圈（360°）时，这粒子才显得是一样。自旋为2的粒子像个双头的箭头：只要转过半圈（180°），看起来便是一样的了。类似地，更高自旋的粒子在旋转了整圈的更小的部分后，看起来便是一样的。所有这一切都是这样的直截了当，但惊人的事实是，有些粒子转过一圈后，仍然显得不同，你必须使其转两整圈！这样的粒子具有1／2的自旋。

宇宙间所有已知的粒子可以分成两组：组成宇宙中的物质的自旋为1／2的粒子；在物质粒子之间引起力的自旋为0、1和2的粒子。物质粒子服从所谓的泡利不相容原理。这是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1925年发现的，他并因此获得1945年的诺贝尔奖。他是个模范的理论物理学家，有人这样说，他的存在甚至会使同一城市里的实验出毛病！泡利不相容原理是说，两个类似的粒子不能存在于同一个态中，即是说，在不确定性原理给出的限制内，它们不能同时具有相同的位置和速度。不相容原理是非常关键的，因为它解释了为何物质粒子在自旋为0、1和2的粒子产生的力的影响下不会坍缩成密度非常之高的状态的原因：如果物质粒子几乎在相同位置，则它们必须有不同的速度，这意味着它们不会长时间存在于同一处。如果世界创生时不相容原理不起作用，夸克将不会形成不相连的、很好定义的质子和中子，进而这些也不可能和电子形成不相连的、很好定义的原子。所有它们都会坍缩形成大致均匀的稠密的"汤"。

直到保尔·狄拉克在1928年提出一个理论，人们才对电子和其他自旋1／2的粒子有了相当的理解。狄拉克后来被选为剑桥的卢卡逊数学教授（牛顿曾经担任这一教授位置，目前我担任此一位置）。狄拉克理论是第一种既和量子力学又和狭义相对论相一致的理论。它在数学上解释了为何电子具有1／2的自旋，也即为什么将其转一整圈不能、而转两整圈才能使它显得和原先一样。它并且预言了电子必须有它的配偶——反电子或正电子。1932年正电子的发现证实了狄拉克的理论，他因此获得了1933年的诺贝尔物理奖。现在我们知道，任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。（对于携带力的粒子，反粒子即为其自身。）也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否则，你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。为何我们周围的粒子比反粒子多得多？这是一个极端重要的问题，我将会在本章的后部分回到这问题上来。

在量子力学中，所有物质粒子之间的力或相互作用都认为是由自旋为整数0、1或2的粒子承担。物质粒子——譬如电子或夸克——发出携带力的粒子，由于发射粒子所引起的反弹，改变了物质粒子的速度。携带力的粒子又和另一物质粒子碰撞从而被吸收。这碰撞改变了第二个粒子的速度，正如同两个物质粒子之间存在过一个力。

携带力的粒子不服从泡利不相容原理，这是它的一个重要的性质。这表明它们能被交换的数目不受限制，这样就可以产生根强的力。然而，如果携带力的粒子具有很大的质量，则在大距离上产生和交换它们就会很困难。这样，它们所携带的力只能是短程的。另一方面，如果携带力的粒子质量为零，力就是长程的了。在物质粒子之间交换的携带力的粒子称为虚粒子，因为它们不像"实"粒子那样可以用粒子探测器检测到。但我们知道它们的存在，因为它们具有可测量的效应，即它们引起了物质粒子之间的力，并且自旋为0、1或2的粒子在某些情况下作为实粒子而存在，这时它们可以被直接探测到。对我们而言，此刻它们就呈现出为经典物理学家所说的波动形式，例如光波和引力波；当物质粒子以交换携带力的虚粒子的形式而相互作用时，它们有时就可以被发射出来。（例如，两个电子之间的电排斥力是由于交换虚光子所致，这些虚光子永远不可能被检测出来；但是如果一个电子穿过另一个电子，则可以放出实光子，它以光波的形式为我们所探测到。）

携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出，将力划分成四种是种人为的方法；它仅仅是为了便于建立部分理论，而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理论，该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。确实，许多人认为这是当代物理学的首要目标。最近，将四种力中的三种统一起来已经有了成功的端倪——我将在这章描述这些内容。而关于统一余下的另一种力即引力的问题将留到以后再讨论。

第一种力是引力，这种力是万有的，也就是说，每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有两个特别的性质，我们根本就不可能注意到它。这就是，它会作用到非常大的距离去，并且总是吸引的。这表明，在像地球和太阳这样两个巨大的物体中，所有的粒子之间的非常弱的引力能迭加起来而产生相当大的力量。另外三种力或者由于是短程的，或者时而吸引时而排斥，所以它们倾向于互相抵消。以量子力学的方法来研究引力场，人们把两个物质粒子之间的引力描述成由称作引力子的自旋为2的粒子所携带。它自身没有质量，所以所携带的力是长程的。太阳和地球之间的引力可以归结为构成这两个物体的粒子之间的引力子交换。虽然所交换的粒子是虚的，它们确实产生了可测量的效应——它们使地球绕着太阳公转！实引力构成了经典物理学家称之为引力波的东西，它是如此之弱——并且要探测到它是如此之困难，以致于还从来未被观测到过。

另一种力是电磁力。它作用于带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，但不和不带电荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力强得多：两个电子之间的电磁力比引力大约大100亿亿亿亿亿（在1后面有42个0）倍。然而，共有两种电荷——正电荷和负电荷。同种电荷之间的力是互相排斥的，而异种电荷则互相吸引。一个大的物体，譬如地球或太阳，包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了，因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。然而，电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在带负电的电子和带正电的核中的质子之间的电磁力使得电子绕着原子的核作公转，正如同引力使得地球绕着太阳旋转一样。人们将电磁吸引力描绘成是由于称作光子的无质量的自旋为1的粒子的交换所引起的。而且，这儿所交换的光子是虚粒子。但是，电子从一个允许轨道改变到另一个离核更近的允许轨道时，以发射出实光子的形式释放能量——如果其波长刚好，则为肉眼可以观察到的可见光，或可用诸如照相底版的光子探测器来观察。同样，如果一个光子和原子相碰撞，可将电子从离核较近的允许轨道移动到较远的轨道。这样光子的能量被消耗殆尽，也就是被吸收了。

第三种力称为弱核力。它制约着放射性现象，并只作用于自旋为1／2的物质粒子，而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。直到1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出了弱作用和电磁作用的统一理论后，弱作用才被很好地理解。此举在物理学界所引起的震动，可与100年前马克斯韦统一了电学和磁学并驾齐驱。温伯格——萨拉姆理论认为，除了光子，还存在其他3个自旋为1的被统称作重矢量玻色子的粒子，它们携带弱力。它们叫W＋（W正）、W－（W负）和Z0（Z零），每一个具有大约100吉电子伏的质量（1吉电子伏为10亿电子伏）。上述理论展现了称作自发对称破缺的性质。它表明在低能量下一些看起来完全不同的粒子，事实上只是同一类型粒子的不同状态。在高能量下所有这些粒子都有相似的行为。这个效应和轮赌盘上的轮赌球的行为相类似。在高能量下（当这轮子转得很快时），这球的行为基本上只有一个方式——即不断地滚动着；但是当轮子慢下来时，球的能量就减少了，最终球就陷到轮子上的37个槽中的一个里面去。换言之，在低能下球可以存在于37个不同的状态。如果由于某种原因，我们只能在低能下观察球，我们就会认为存在37种不同类型的球！

在温伯格——萨拉姆理论中，当能量远远超过100吉电子伏时，这三种新粒子和光子的行为方式很相似。但是，大部份正常情况下能量要比这低，粒子之间的对称就被破坏了。W＋、W－和Z0得到了大的质量，使之携带的力变成非常短程。萨拉姆和温伯格提出此理论时，很少人相信他们，因为还无法将粒子加速到足以达到产生实的W＋、W－和Z0粒子所需的一百吉电子伏的能量。但在此后的十几年里，在低能量下这个理论的其他预言和实验符合得这样好，以至于他们和也在哈佛的谢尔登·格拉肖一起被授予1979年的物理诺贝尔奖。格拉肖提出过一个类似的统一电磁和弱作用的理论。由于1983年在CERN（欧洲核子研究中心）发现了具有被正确预言的质量和其他性质的光子的三个带质量的伴侣，使得诺贝尔委员会避免了犯错误的难堪。领导几百名物理学家作出此发现的卡拉·鲁比亚和发展了被使用的反物质储藏系统的cERN工程师西蒙·范德·米尔分享了1984年的诺贝尔奖。（除非你已经是巅峰人物，当今要在实验物理学上留下痕迹极其困难！）

第四种力是强作用力。它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。一般认为，称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力。它只能与自身以及与夸克相互作用。强核力具有一种称为禁闭的古怪性质：它总是把粒子束缚成不带颜色的结合体。由于夸克有颜色（红、绿或蓝），人们不能得到单独的夸克。反之，一个红夸克必须用一串胶子和一个绿夸克以及一个蓝夸克联结在一起（红＋绿＋蓝＝白）。这样的三胞胎构成了质子或中子。其他的可能性是由一个夸克和一个反夸克组成的对（红＋反红，或绿＋反绿，或蓝＋反蓝＝白）。这样的结合构成称为介子的粒子。介子是不稳定的，因为夸克和反夸克会互相湮灭而产生电子和其他粒子。类似地，由于胶子也有颜色，色禁闭使得人们不可能得到单独的胶子。相反地，人们所能得到的胶子的团，其迭加起来的颜色必须是白的。这样的团形成了称为胶球的不稳定粒子。

色禁闭使得人们观察不到一个孤立的夸克或胶子，这事实使得将夸克和胶子当作粒子的整个见解看起来有点玄学的味道。然而，强核力还有一个叫做渐近自由的性质，它使得夸克和胶子成为定义得很好的概念。在正常能量下，强核力确实很强，它将夸克很紧地捆在一起。但是，大型粒子加速器的实验指出，在高能下强作用力变得弱得多，夸克和胶子的行为就像自由粒子那样。这是张一个高能质子和一个反质子碰撞的照片。碰撞产生了几个几乎自由的夸克，并引起了在图中可以看到的"喷射"轨迹。一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。

对电磁和弱力统一的成功，使许多人试图将这两种力和强核力合并在所谓的大统一理论（或GUT）之中。这名字相当夸张，所得到的理论并不那么辉煌，也没能将全部力都统一进去，因为它并不包含引力。它们也不是真正完整的理论，因为它们包含了许多不能从这理论中预言而必须人为选择去适合实验的参数。尽管如此，它们可能是朝着完全的统一理论推进的一步。GUT的基本思想是这样：正如前面提到的，在高能量时强核力变弱了；另一方面，不具有渐近自由性质的电磁力和弱力在高能量下变强了。在非常高的叫做大统一能量的能量下，这三种力都有同样的强度，所以可看成一个单独的力的不同方面。在这能量下，GUT还预言了自旋为1／2的不同物质粒子（如夸克和电子）也会基本上变成一样，这样导致了另一种统一。

大统一能量的数值还知道得不太清楚，可能至少有1千万亿吉电子伏特。而目前粒子加速器只能使大致能量为100吉电子伏的粒子相碰撞，计划建造的机器的能量为几千吉电子伏。要建造足以将粒子加速到大统一能量的机器，其体积必须和太阳系一样大——这在现代经济环境下不太可能做到。因此，不可能在实验室里直接证实大统一理论。然而，如同在弱电统一理论中那样，我们可以检测它在低能量下的推论。

其中最有趣的是预言是，构成通常物质的大部分质量的质子能自发衰变成诸如反电子之类更轻的粒子。其原因在于，在大统一能量下，夸克和反电子之间没有本质的不同。正常情况下一个质子中的三个夸克没有足够能量转变成反电子，由于测不准原理意味着质子中夸克的能量不可能严格不变，所以，其中一个夸克能非常偶然地获得足够能量进行这种转变，这样质子就要衰变。夸克要得到足够能量的概率是如此之低，以至于至少要等100万亿亿亿年（1后面跟30个0）才能有一次。这比宇宙从大爆炸以来的年龄（大约100亿年——1后面跟10个0）要长得多了。因此，人们会认为不可能在实验上检测到质子自发衰变的可能性。但是，我们可以观察包含极大数量质子的大量物质，以增加检测衰变的机会。（譬如，如果观察的对象含有1后面跟31个0个质子，按照最简单的GUT，可以预料在一年内应能看到多于一次的质子衰变。）

人们进行了一系列的实验，可惜没有一个得到质子或中子衰变的确实证据。有一个实验是用了8千吨水在俄亥俄的莫尔顿盐矿里进行的（为了避免其他因宇宙射线引起的会和质子衰变相混淆的事件发生）。由于在实验中没有观测到自发的质子衰变，因此可以估算出，可能的质子寿命至少应为1千万亿亿亿年（1后面跟31个0）。这比简单的大统一理论所预言的寿命更长。然而，一些更精致更复杂的大统一理论预言的寿命比这更长，因此需要用更灵敏的手段对甚至更大量的物质进行检验。

尽管观测质子的自发衰变非常困难，但很可能正由于这相反的过程，即质子或更简单地说夸克的产生导致了我们的存在。它们是从宇宙开初的可以想像的最自然的方式——夸克并不比反夸克更多的状态下产生的。地球上的物质主要是由质子和中子，从而由夸克所构成。除了由少数物理学家在大型粒子加速器中产生的之外，不存在由反夸克构成的反质子和反中子。从宇宙线中得到的证据表明，我们星系中的所有物质也是这样：除了少量当粒子和反粒子对进行高能碰撞时产生出来的以外，没有发现反质子和反中子。如果在我们星系中有很大区域的反物质，则可以预料，在正反物质的边界会观测到大量的辐射，该处许多粒子和它们的反粒子相碰撞、互相湮灭并释放出高能辐射。

我们没有直接的证据表明其他星系中的物质是由质子、中子还是由反质子、反中子构成，但二者只居其一，否则我们又会观察到大量由涅灭产生的辐射。因此，我们相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克构成；看来，一些星系为物质而另一些星系为反物质也是不太可能的。

为什么夸克比反夸克多这么多？为何它们的数目不相等？这数目有所不同肯定使我们交了好运，否则，早期宇宙中它们势必已经相互湮灭了，只余下一个充满辐射而几乎没有物质的宇宙。因此，后来也就不会有人类生命赖以发展的星系、恒星和行星。庆幸的是，大统一理论可以提供一个解释，尽管甚至刚开始时两者数量相等，为何现在宇宙中夸克比反夸克多。正如我们已经看到的，大统一理论允许夸克变成高能下的反电子。它们也允许相反的过程，反夸克变成电子，电子和反电子变成反夸克和夸克。早期宇宙有一时期是如此之热，使得粒子能量高到足以使这些转变发生。但是，为何导致夸克比反夸克多呢？原因在于，对于粒子和反粒子物理定律不是完全相同的。

直到1956年人们都相信，物理定律分别服从三个叫做C、P和T的对称。C（电荷）对称的意义是，对于粒子和反粒子定律是相同的；P（宇称）对称是指，对于任何情景和它的镜像（右手方向自旋的粒子的镜像变成了左手方向自旋的粒子）定律不变；T（时间）对称是指，如果我们颠倒粒子和反粒子的运动方向，系统应回到原先的那样；换言之，对于前进或后退的时间方向定律是一样的。

1956年，两位美国物理学家李政道和杨振宁提出弱作用实际上不服从P对称。换言之，弱力使得宇宙的镜像以不同的方式发展。同一年，他们的一位同事吴健雄证明了他们的预言是正确的。她将放射性元素的核在磁场中排列，使它们的自旋方向一致，然后演示表明，电子在一个方向比另一方向发射出得更多。次年，李和杨为此获得诺贝尔奖。人们还发现弱作用不服从C对称，即是说，它使得由反粒子构成的宇宙的行为和我们的宇宙不同。尽管如此，看来弱力确实服从CP联合对称。也就是说，如果每个粒子都用其反粒子来取代，则由此构成的宇宙的镜像和原来的宇宙以同样的方式发展！但在1964年，还是两个美国人——J·W·克罗宁和瓦尔·费兹——发现，在称为K介子的衰变中，甚至连CP对称也不服从。1980年，克罗宁和费兹为此而获得诺贝尔奖。（很多奖是因为显示宇宙不像我们所想像的那么简单而被授予的！）

有一个数学定理说，任何服从量子力学和相对论的理论必须服从CPT联合对称。换言之，如果同时用反粒子来置换粒子，取镜像和时间反演，则宇宙的行为必须是一样的。克罗宁和费兹指出，如果仅仅用反粒子来取代粒子，并且采用镜像，但不反演时间方向，则宇宙的行为于保持不变。所以，物理学定律在时间方向颠倒的情况下必须改变——它们不服从T对称。

早期宇宙肯定是不服从T对称的：当时间往前走时，宇宙膨胀；如果它往后退，则宇宙收缩。而且，由于存在着不服从T对称的力，因此当宇宙膨胀时，相对于将电子变成反夸克，这些力更容易将反电子变成夸克。然后，当宇宙膨胀并冷却下来，反夸克就和夸克湮灭，但由于已有的夸克比反夸克多，少量过剩的夸克就留下来。正是它们构成我们今天看到的物质，由这些物质构成了我们自己。这样，我们自身之存在可认为是大统一理论的证实，哪怕仅仅是定性的而已；但此预言的不确定性到了这种程度，以至于我们不能知道在湮灭之后余下的夸克数目，甚至不知是夸克还是反夸克余下。（然而，如果是反夸克多余留下，我们可以简单地称反夸克为夸克，夸克为反夸克。）

大统一理论并不包括引力。这关系不大，因为引力是如此之弱，以至于我们处理基本粒子或原子问题时，通常可以忽略它的效应。然而，它的作用既是长程的，又总是吸引的，表明它的所有效应是迭加的。所以，对于足够大量的物质粒子，引力会比其他所有的力都更重要。这就是为什么正是引力决定了宇宙的演化的缘故。甚至对于恒星大小的物体，引力的吸引会超过所有其他的力，并使恒星自身坍缩。70年代我的工作是集中于研究黑洞。黑洞就是由这种恒星的坍缩和围绕它们的强大的引力场所产生的。正是黑洞研究给出了量子力学和广义相对论如何相互影响的第一个暗示——亦即尚未成功的量子引力论的一瞥。

谢选骏指出：科学家们的愚蠢，就在于他们想要为宇宙制规律，进而冒充宇宙的代言人。科学家的这一原罪，是他们成了神学家。世界上没有比神学家更加可能冒犯上帝的人了；正如，世界上没有比科学家更加可能胡说宇宙的人了。

【第六章　黑洞】

黑洞这一术语是不久以前才出现的。它是1969年美国科学家约翰·惠勒为形象描述至少可回溯到200年前的这个思想时所杜撰的名字。那时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。我们现在知道，实际上这两者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。

1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。它是名符其实的——在空间中的黑的空洞。几年之后，法国科学家拉普拉斯侯爵显然独自提出和米歇尔类似的观念。非常有趣的是，拉普拉斯只将此观点纳入他的《世界系统》一书的第一版和第二版中，而在以后的版本中将其删去，可能他认为这是一个愚蠢的观念。（此外，光的微粒说在19世纪变得不时髦了；似乎一切都可以以波动理论来解释，而按照波动理论，不清楚光究竟是否受到引力的影响。）

事实上，因为光速是固定的，所以，在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理实在很不协调。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响呢？）直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。甚至又过了很长时间，这个理论对大质量恒星的含意才被理解。

为了理解黑洞是如何形成的，我们首先需要理解一个恒星的生命周期。起初，大量的气体（大部分为氢）受自身的引力吸引，而开始向自身坍缩而形成恒星。当它收缩时，气体原子相互越来越频繁地以越来越大的速度碰撞——气体的温度上升。最后，气体变得如此之热，以至于当氢原子碰撞时，它们不再弹开而是聚合形成氦。如同一个受控氢弹爆炸，反应中释放出来的热使得恒星发光。这增添的热又使气体的压力升高，直到它足以平衡引力的吸引，这时气体停止收缩。这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀，橡皮的张力试图使气球缩小，它们之间存在一个平衡。从核反应发出的热和引力吸引的平衡，使恒星在很长时间内维持这种平衡。然而，最终恒星会耗尽了它的氢和其他核燃料。貌似大谬，其实不然的是，恒星初始的燃料越多，它则燃尽得越快。这是因为恒星的质量越大，它就必须越热才足以抵抗引力。而它越热，它的燃料就被用得越快。我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年，但是质量更大的恒星可以在1亿年这么短的时间内用尽其燃料，这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料，它开始变冷并开始收缩。随后发生的情况只有等到本世纪20年代末才初次被人们理解。

1928年，一位印度研究生——萨拉玛尼安·强德拉塞卡——乘船来英国剑桥跟英国天文学家阿瑟·爱丁顿爵士（一位广义相对论家）学习。（据记载，在本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论，爱丁顿停了一下，然后回答："我正在想这第三个人是谁"。）在他从印度来英的旅途中，强德拉塞卡算出在耗尽所有燃料之后，多大的恒星可以继续对抗自己的引力而维持自己。这个思想是说：当恒星变小时，物质粒子靠得非常近，而按照泡利不相容原理，它们必须有非常不同的速度。这使得它们互相散开并企图使恒星膨胀。一颗恒星可因引力作用和不相容原理引起的排斥力达到平衡而保持其半径不变，正如在它的生命的早期引力被热所平衡一样。

然而，强德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。强德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（这质量现在称为强德拉塞卡极限。）苏联科学家列夫·达维多维奇·兰道几乎在同时也得到了类似的发现。

这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。如果一颗恒星的质量比强德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英哩和密度为每立方英寸几百吨的"白矮星"。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。我们观察到大量这样的白矮星。第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——天狼星转动的那一颗。

兰道指出，对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英哩左右，密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时，并没有任何方法去观察它。实际上，很久以后它们才被观察到。

另一方面，质量比强德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足够的物质，使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩。但是很难令人相信，不管恒星有多大，这总会发生。怎么知道它必须损失重量呢？即使每个恒星都设法失去足够多的重量以避免坍缩，如果你把更多的质量加在白矮星或中子星上，使之超过极限将会发生什么？它会坍缩到无限密度吗？爱丁顿为此感到震惊，他拒绝相信强德拉塞卡的结果。爱丁顿认为，一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点：爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家，尤其是他以前的老师、恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使强德拉塞卡抛弃了这方面的工作，转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而，他获得1983年诺贝尔奖，至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。

强德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于强德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。但是，根据广义相对论，这样的恒星会发生什么情况呢？这个问题被一位年轻的美国人罗伯特·奥本海默于1939年首次解决。然而，他所获得的结果表明，用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。以后，因第二次世界大战的干扰，奥本海默本人非常密切地卷入到原子弹计划中去。战后，由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍缩的问题被大部分人忘记了。但在本世纪60年代，现代技术的应用使得天文观测范围和数量大大增加，重新激起人们对天文学和宇宙学的大尺度问题的兴趣。奥本海默的工作被重新发现，并被一些人推广。

现在，我们从奥本海默的工作中得到一幅这样的图象：恒星的引力场改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示光线从其顶端发出后在空间——时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星收缩时，其表面的引力场变得很强，光线向内偏折得更多，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径时，表面的引力场变得如此之强，使得光锥向内偏折得这么多，以至于光线再也逃逸不出去。根据相对论，没有东西会走得比光还快。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被引力拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或空间——时间区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞，将其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。

当你观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，为了理解你所看到的情况，切记在相对论中没有绝对时间。每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。

但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。你离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将我们的航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂！然而，我们相信，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。

罗杰·彭罗斯和我在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和我们预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达他那儿。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为："上帝憎恶裸奇点。"换言之，由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。

广义相对论方程存在一些解，这些解使得我们的航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去，而穿过一个"虫洞"来到宇宙的另一区域。看来这给空间——时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有这些解似乎都是非常不稳定的；最小的干扰，譬如一个航天员的存在就会使之改变，以至于他还没能看到此奇点，就撞上去而结束了他的时间。换言之，奇点总是发生在他的将来，而从不会在过去。强的宇宙监督猜测是说，在一个现实的解里，奇点总是或者整个存在于将来（如引力坍缩的奇点），或者整个存在于过去（如大爆炸）。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去，所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。这对科学幻想作家而言是不错的，它表明没有任何一个人的生命曾经平安无事：有人可以回到过去，在你投胎之前杀死你的父亲或母亲！

事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。（记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间——时问轨道，没有任何东西可以比光运动得更快。）人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界："从这儿进去的人必须抛弃一切希望。"任何东西或任何人一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。

广义相对论预言，运动的重物会导致引力波的辐射，那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。引力波和电磁场的涟漪光波相类似，但是要探测到它则困难得多。就像光一样，它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走，所以可以预料，一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。（这和扔一块软木到水中的情况相当类似，起先翻上翻下折腾了好一阵，但是当涟漪将其能量带走，就使它最终平静下来。）例如，绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量损失的效应将改变地球的轨道，使之逐渐越来越接近太阳，最后撞到太阳上，以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器，这意味着要用大约1干亿亿亿年地球才会和太阳相撞，没有必要立即去为之担忧！地球轨道改变的过程极其缓慢，以至于根本观测不到。但几年以前，在称为PSR1913＋16（PSR表示"脉冲星"，一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星）的系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星，由于引力波辐射，它们的能量损失，使之相互以螺旋线轨道靠近。

在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动会更快得多，这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的状态。这最终的状态将会是怎样的呢？人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征——不仅仅它的质量和转动速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端，一般来讲，对之作任何预言都将是非常困难的。

然而，加拿大科学家外奈·伊斯雷尔（他生于柏林，在南非长大，在爱尔兰得到博士）在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出，根据广义相对论，非旋转的黑洞必须是非常简单、完美的球形；其大小只依赖于它们的质量，并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。事实上，它们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔·施瓦兹席尔德找到的。一开始，许多人（其中包括伊斯雷尔自己）认为，既然黑洞必须是完美的球形，一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以，任何实际的恒星——从来都不是完美的球形——只会坍缩形成一个裸奇点。

然而，对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所接受。

伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。1963年，新西兰人罗伊·克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些"克尔"黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零，黑洞就是完美的球形，这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样），而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测，如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形，则任何旋转物体坍缩形成黑洞后，将最后终结于由克尔解描述的一个静态。

1970年，我在剑桥的一位同事和研究生同学布兰登·卡特为证明此猜测跨出了第一步。他指出，假定一个稳态的旋转黑洞，正如一个自旋的陀螺那样，有一个对称轴，则它的大小和形状，只由它的质量和旋转速度所决定。然后我在1971年证明了，任何稳态旋转黑洞确实有这样的一个对称轴。，最后，在国王学院任教的大卫·罗宾逊利用卡特和我的结果证明了这猜测是对的：这样的黑洞确实必须是克尔解。所以在引力坍缩之后，一个黑洞必须最终演变成一种能够旋转、但是不能搏动的态。并且它的大小和形状，只决定于它的质量和旋转速度，而与坍缩成为黑洞的原先物体的性质无关。此结果以这样的一句谚语表达而成为众所周知："黑洞没有毛。""无毛"定理具有巨大的实际重要性，因为它极大地限制了黑洞的可能类型。所以，人们可以制造可能包含黑洞的物体的具体模型，再将此模型的预言和观测相比较。因为在黑洞形成之后，我们所能测量的只是有关坍缩物体的质量和旋转速度，所以"无毛"定理还意味着，有关这物体的非常大量的信息，在黑洞形成时损失了。下一章　我们将会看到它的意义。

黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据：你怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢？然而，1963年，加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特测量了在称为3C273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离我们如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的，进而表明此物体离我们非常远。由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到，产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星，而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移。但是它们都离开我们太远了，所以对之进行观察太困难，以至于不能给黑洞提供结论性的证据。

1967年，剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体，这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师安东尼·赫维许以为，他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触！我的确记得在宣布他们发现的讨论会上，他们将这四个最早发现的源称为LGM1－4，LGM表示"小绿人"（"Little Green Man"）的意思。然而，最终他们和所有其他人都得到了不太浪漫的结论，这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星，这些中子星由于它们的磁场和周围物质复杂的相互作用，而发出无线电波的脉冲。这对于写空间探险的作者而言是个坏消息，但对于我们这些当时相信黑洞的少数人来说，是非常大的希望——这是第一个中子星存在的证据。中子星的半径大约10英哩，只是恒星变成黑洞的临界半径的几倍。如果一颗恒星能坍缩到这么小的尺度，预料其他恒星会坍缩到更小的尺度而成为黑洞，就是理所当然的了。

按照黑洞定义，它不能发出光，我们何以希望能检测到它呢？这有点像在煤库里找黑猫。庆幸的是，有一种办法。正如约翰·米歇尔在他1783年的先驱性论文中指出的，黑洞仍然将它的引力作用到它周围的物体上。天文学家观测了许多系统，在这些系统中，两颗恒星由于相互之间的引力吸引而互相围绕着运动。他们还看到了，其中只有一颗可见的恒星绕着另一颗看不见的伴星运动的系统。人们当然不能立即得出结论说，这伴星即为黑洞——它可能仅仅是一颗太暗以至于看不见的恒星而已。然而，有些这种系统，例如叫做天鹅X－1的，也刚好是一个强的X射线源。对这现象的最好解释是，物质从可见星的表面被吹起来，当它落向不可见的伴星之时，发展成螺旋状的轨道（这和水从浴缸流出很相似），并且变得非常热而发出X射线。为了使这机制起作用，不可见物体必须非常小，像白矮星、中子星或黑洞那样。从观察那颗可见星的轨道，人们可推算出不可见物体的最小的可能质量。在天鹅X－1的情形，不可见星大约是太阳质量的6倍。按照强德拉塞卡的结果，它的质量太大了，既不可能是白矮星，也不可能是中子星。所以看来它只能是一个黑洞。

在靠近照片中心的两个恒星之中更亮的那颗是天鹅X－1，被认为是由互相绕着旋转的一个黑洞和一个正常恒星组成。

还有其他不用黑洞来解释天鹅X－1的模型，但所有这些都相当牵强附会。黑洞看来是对这一观测的仅有的真正自然的解释。尽管如此，我和加州理工学院的基帕·索恩打赌说，天鹅X－1不包含一个黑洞！这对我而言是一个保险的形式。我对黑洞作了许多研究，如果发现黑洞不存在，则这一切都成为徒劳。但在这种情形下，我将得到赢得打赌的安慰，他要给我4年的杂志《私人眼睛》。如果黑洞确实存在，基帕·索思将得到1年的《阁楼》。我们在1975年打赌时，大家80％断定，天鹅座是一黑洞。迄今，我可以讲大约95％是肯定的，但输赢最终尚未见分晓。

现在，在我们的星系中和邻近两个名叫麦哲伦星云的星系中，还有几个类似天鹅X－1的黑洞的证据。然而，几乎可以肯定，黑洞的数量比这多得太多了！在宇宙的漫长历史中，很多恒星应该已经烧尽了它们的核燃料并坍缩了。黑洞的数目甚至比可见恒星的数目要大得相当多。单就我们的星系中，大约总共有1千亿颗可见恒星。这样巨大数量的黑洞的额外引力就能解释为何目前我们星系具有如此的转动速率，单是可见恒星的质量是不足够的。我们还有某些证据说明，在我们星系的中心有大得多的黑洞，其质量大约是太阳的10万倍。星系中的恒星若十分靠近这个黑洞时，作用在它的近端和远端上的引力之差或潮汐力会将其撕开，它们的遗骸以及其他恒星所抛出的气体将落到黑洞上去。正如同在天鹅X－1情形那样，气体将以螺旋形轨道向里运动并被加热，虽然不如天鹅X－1那种程度会热到发出X射线，但是它可以用来说明星系中心观测到的非常紧致的射电和红外线源。

人们认为，在类星体的中心是类似的、但质量更大的黑洞，其质量大约为太阳的1亿倍。落入此超重的黑洞的物质能提供仅有的足够强大的能源，用以解释这些物体释放出的巨大能量。当物质旋入黑洞，它将使黑洞往同一方向旋转，使黑洞产生一类似地球上的一个磁场。落入的物质会在黑洞附近产生能量非常高的粒子。该磁场是如此之强，以至于将这些粒子聚焦成沿着黑洞旋转轴，也即它的北极和南极方向往外喷射的射流。在许多星系和类星体中确实观察到这类射流。

人们还可以考虑存在质量比太阳小很多的黑洞的可能性。因为它们的质量比强德拉塞卡极限低，所以不能由引力坍缩产生：这样小质量的恒星，甚至在耗尽了自己的核燃料之后，还能支持自己对抗引力。只有当物质由非常巨大的压力压缩成极端紧密的状态时，这小质量的黑洞才得以形成。一个巨大的氢弹可提供这样的条件：物理学家约翰·惠勒曾经算过，如果将世界海洋里所有的重水制成一个氢弹，则它可以将中心的物质压缩到产生一个黑洞。（当然，那时没有一个人可能留下来去对它进行观察！）更现实的可能性是，在极早期的宇宙的高温和高压条件下会产生这样小质量的黑洞。因为一个比平均值更紧密的小区域，才能以这样的方式被压缩形成一个黑洞。所以当早期宇宙不是完全光滑的和均匀的情形，这才有可能。但是我们知道，早期宇宙必须存在一些无规性，否则现在宇宙中的物质分布仍然会是完全均匀的，而不能结块形成恒星和星系。

很清楚，导致形成恒星和星系的无规性是否导致形成相当数目的"太初"黑洞，这要依赖于早期宇宙的条件的细节。所以如果我们能够确定现在有多少太初黑洞，我们就能对宇宙的极早期阶段了解很多。质量大于10亿吨（一座大山的质量）的太初黑洞，可由它对其他可见物质或宇宙膨胀的影响被探测到。然而，正如我们需要在下一章　看到的，黑洞根本不是真正黑的，它们像一个热体一样发光，它们越小则发热发光得越厉害。所以看起来荒谬，而事实上却是，小的黑洞也许可以比大的黑洞更容易地被探测到。

谢选骏指出：“黑洞这一术语是不久以前才出现的。它是1969年美国科学家约翰·惠勒为形象描述至少可回溯到200年前的这个思想时所杜撰的名字。那时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。我们现在知道，实际上这两者都是正确的。”——作者不懂，两者都正确其实就是两者都不正确；因为两者都自以为是地排了他。作者不懂，是因为他坐着不动；所以无法理解——世界必须在运动之中才能接近真相。

【第七章　黑洞不是这么黑的 】

在1970年以前，我关于广义相对论的研究，主要集中于是否存在一个大爆炸奇点。然而，同年11月我的女儿露西出生后不久的一个晚上，当我上床时，我开始思考黑洞的问题。我的残废使得这个过程相当慢，所以我有许多时间。那时候还不存在关于空间——时间的那一点是在黑洞之内还是在黑洞之外的准确定义。我已经和罗杰·彭罗斯讨论过将黑洞定义为不能逃逸到远处的事件集合的想法，这也就是现在被广泛接受的定义。它意味着，黑洞边界——即事件视界——是由刚好不能从黑洞逃逸而永远只在边缘上徘徊的光线在空间——时间里的路径所形成的。这有点像从警察那儿逃开，但是仅仅只能比警察快一步，而不能彻底地逃脱的情景！

我忽然意识到，这些光线的路径永远不可能互相靠近。如果它们靠近了，它们最终就必须互相撞上。这正如和另一个从对面逃离警察的人相遇——你们俩都会被抓住：（或者，在这种情形下落到黑洞中去。）但是，如果这些光线被黑洞所吞没，那它们就不可能在黑洞的边界上呆过。所以在事件视界上的光线的路径必须永远是互相平行运动或互相散开。另一种看到这一点的方法是，事件视界，亦即黑洞边界，正像一个影子的边缘——一个即将临头的灾难的影子。如果你看到在远距离上的一个源（譬如太阳）投下的影子，就能明白边缘上的光线不会互相靠近。

如果从事件视界（亦即黑洞边界）来的光线永远不可能互相靠近，则事件视界的面积可以保持不变或者随时间增大，但它永远不会减小——因为这意味着至少一些在边界上的光线必须互相靠近。事实上，只要物质或辐射落到黑洞中去，这面积就会增大；或者如果两个黑洞碰撞并合并成一个单独的黑洞，这最后的黑洞的事件视界面积就会大于或等于原先黑洞的事件视界面积的总和。事件视界面积的非减性质给黑洞的可能行为加上了重要的限制。我如此地为我的发现所激动，以至于当夜没睡多少。第二天，我给罗杰·彭罗斯打电话，他同意我的结果。我想，事实上他已经知道了这个面积的性质。然而，他是用稍微不同的黑洞定义。他没有意识到，假定黑洞已终止于不随时间变化的状态，按照这两种定义，黑洞的边界以及其面积都应是一样的。

人们非常容易从黑洞面积的不减行为联想起被叫做熵的物理量的行为。熵是测量一个系统的无序的程度。常识告诉我们，如果不进行外加干涉，事物总是倾向于增加它的无序度。（例如你只要停止保养房子，看会发生什么？）人们可以从无序中创造出有序来（例如你可以油漆房子），但是必须消耗精力或能量，因而减少了可得到的有序能量的数量。

热力学第二定律是这个观念的一个准确描述。它陈述道：一个孤立系统的熵总是增加的，并且将两个系统连接在一起时，其合并系统的熵大于所有单独系统熵的总和。譬如，考虑一盒气体分子的系统。分子可以认为是不断互相碰撞并不断从盒子壁反弹回来的康乐球。气体的温度越高，分子运动得越快，这样它们撞击盒壁越频繁越厉害，而且它们作用到壁上的向外的压力越大。假定初始时所有分子被一隔板限制在盒子的左半部，如果接着将隔板除去，这些分子将散开并充满整个盒子。在以后的某一时刻，所有这些分子偶尔会都呆在右半部或回到左半部，但占绝对优势的可能性是在左右两半分子的数目大致相同。这种状态比原先分子在左半部分的状态更加无序，所以人们说熵增加了。类似地，我们将一个充满氧分子的盒子和另一个充满氮分子的盒子连在一起并除去中间的壁，则氧分子和氮分子就开始混合。在后来的时刻，最可能的状态是两个盒子都充满了相当均匀的氧分子和氮分子的混合物。这种状态比原先分开的两盒的初始状态更无序，即具有更大的熵。

和其他科学定律，譬如牛顿引力定律相比，热力学定律的状况相当不同，例如，它只是在绝大多数的而非所有情形下成立。在以后某一时刻，所有我们第一个盒子中的气体分子在盒子的一半被发现的概率只有几万亿分之一，但它们可能发生。但是，如果附近有一黑洞，看来存在一种非常容易的方法违反第二定律：只要将一些具有大量熵的物体，譬如一盒气体扔进黑洞里。黑洞外物体的总熵就会减少。当然，人们仍然可以说包括黑洞里的熵的总熵没有降低——但是由于没有办法看到黑洞里面，我们不能知道里面物体的熵为多少。如果黑洞具有某一特征，黑洞外的观察者因之可知道它的熵，并且只要携带熵的物体一落入黑洞，它就会增加，那将是很美妙的。紧接着上述的黑洞面积定理的发现（即只要物体落入黑洞，它的事件视界面积就会增加），普林斯顿一位名叫雅可布·柏肯斯坦的研究生提出，事件视界的面积即是黑洞熵的量度。由于携带熵的物质落到黑洞中去，它的事件视界的面积就会增加，这样黑洞外物质的熵和事件视界面积的和就永远不会降低。

看来在大多数情况下，这个建议不违背热力学第二定律，然而还有一个致命的瑕疵。如果一个黑洞具有熵，那它也应该有温度。但具有特定温度的物体必须以一定的速率发出辐射。从日常经验知道：只要将火钳在火上烧至红热就能发出辐射。但在低温下物体也发出辐射；通常情况下，只是因为其辐射相当小而没被注意到。为了不违反热力学第二定律这辐射是必须的。所以黑洞必须发出辐射。但正是按照其定义，黑洞被认为是不发出任何东西的物体，所以看来，不能认为黑洞的事件视界的面积是它的熵。1972年，我和布兰登·卡特以及美国同事詹姆·巴丁合写了一篇论文，在论文中我们指出，虽然在熵和事件视界的面积之间存在许多相似点，但还存在着这个致命的困难。我必须承认，写此文章的部份动机是因为被柏肯斯坦所激怒，我觉得他滥用了我的事件视界面积增加的发现。然而，最后发现，虽然是在一种他肯定没有预料到的情形下，但他基本上还是正确的。

1973年9月我访问莫斯科时，和苏联两位最主要的专家雅可夫·捷尔多维奇和亚历山大·斯塔拉宾斯基讨论黑洞问题。他们说服我，按照量子力学不确定性原理，旋转黑洞应产生并辐射粒子。在物理学的基础上，我相信他们的论点，但是不喜欢他们计算辐射所用的数学方法。所以我着手设计一种更好的数学处理方法，并于1973年11月底在牛津的一次非正式讨论会上将其公布于众。那时我还没计算出实际上辐射多少出来。我预料要去发现的正是捷尔多维奇和斯塔拉宾斯基所预言的从旋转黑洞发出的辐射。然而，当我做了计算，使我既惊奇又恼火的是，我发现甚至非旋转黑洞显然也以不变速率产生和发射粒子。起初我以为这种辐射表明我所用的一种近似无效。我担心如果柏肯斯坦发现了这个情况，他就一定会用它去进一步支持他关于黑洞熵的思想，而我仍然不喜欢这种思想。然而，我越仔细推敲，越觉得这近似其实应该有效。但是，最后使我信服这辐射是真实的理由是，这辐射的粒子谱刚好是一个热体辐射的谱，而且黑洞以刚好防止第二定律被违反的准确速率发射粒子。此后，其他人用多种不同的形式重复了这个计算，他们所有人都证实了黑洞必须如同一个热体那样发射粒子和辐射，其温度只依赖于黑洞的质量——质量越大则温度越低。

我们知道，任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来，何以黑洞会发射粒子呢？量子理论给我们的回答是，粒子不是从黑洞里面出来的，而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的"空"的空间来的！我们可以用以下的方法去理解它：我们以为是"真空"的空间不能是完全空的，因为那就会意味着诸如引力场和电磁场的所有场都必须刚好是零。然而场的数值和它的时间变化率如同不确定性原理所表明的粒子位置和速度那样，对一个量知道得越准确，则对另一个量知道得越不准确。所以在空的空间里场不可能严格地被固定为零，因为那样它就既有准确的值（零）又有准确的变化率（也是零）。场的值必须有一定的最小的不准确量或量子起伏。人们可以将这些起伏理解为光或引力的粒子对，它们在某一时刻同时出现、互相离开、然后又互相靠近而且互相湮灭。这些粒子正如同携带太阳引力的虚粒子：它们不像真的粒子那样能用粒子加速器直接探测到。然而，可以测量出它们的间接效应。例如，测出绕着原子运动的电子能量发生的微小变化和理论预言是如此相一致，以至于达到了令人惊讶的地步。不确定性原理还预言了类似的虚的物质粒子对的存在，例如电子对和夸克对。然而在这种情形下，粒子对的一个成员为粒子而另一成员为反粒子（光和引力的反粒子正是和粒子相同）。

因为能量不能无中生有，所以粒子反粒子对中的一个参与者有正的能量，而另一个有负的能量。由于在正常情况下实粒子总是具有正能量，所以具有负能量的那一个粒子注定是短命的虚粒子。它必须找到它的伴侣并与之相湮灭。然而，一颗接近大质量物体的实粒子比它远离此物体时能量更小，因为要花费能量抵抗物体的引力吸引才能将其推到远处。正常情况下，这粒子的能量仍然是正的。但是黑洞里的引力是如此之强，甚至在那儿一个实粒子的能量都会是负的。所以，如果存在黑洞，带有负能量的虚粒子落到黑洞里变成实粒子或实反粒子是可能的。这种情形下，它不再需要和它的伴侣相湮灭了，它被抛弃的伴侣也可以落到黑洞中去。啊，具有正能量的它也可以作为实粒子或实反粒子从黑洞的邻近逃走。对于一个远处的观察者而言，这看起来就像粒子是从黑洞发射出来一样。黑洞越小，负能粒子在变成实粒子之前必须走的距离越短，这样黑洞发射率和表观温度也就越大。

辐射出去的正能量会被落入黑洞的负能粒子流所平衡。按照爱因斯坦方程E＝mc＾2（E是能量，m是质量，c为光速），能量和质量成正比。所以往黑洞去的负能量流减少它的质量。当黑洞损失质量时，它的事件视界面积变小，但是它发射出的辐射的熵过量地补偿了黑洞的熵的减少，所以第二定律从未被违反过。

还有，黑洞的质量越小，则其温度越高。这样当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。人们并不很清楚，当黑洞的质量最后变得极小时会发生什么。但最合理的猜想是，它最终将会在一个巨大的、相当于几百万颗氢弹爆炸的发射爆中消失殆尽。

一个具有几倍太阳质量的黑洞只具有千万分之一度的绝对温度。这比充满宇宙的微波辐射的温度（大约2.7K）要低得多，所以这种黑洞的辐射比它吸收的还要少。如果宇宙注定继续永远膨胀下去，微波辐射的温度就会最终减小到比这黑洞的温度还低，它就开始损失质量。但是即使那时候，它的温度是如此之低，以至于要用100亿亿亿亿亿亿亿亿年（1后面跟66个O）才全部蒸发完。这比宇宙的年龄长得多了，宇宙的年龄大约只有100到200亿年（1或2后面跟10个0）。另一方面，正如第六章提及的，在宇宙的极早期阶段存在由于无规性引起的坍缩而形成的质量极小的太初黑洞。这样的小黑洞会有高得多的温度，并以大得多的速率发生辐射。具有10亿吨初始质量的太初黑洞的寿命大体和宇宙的年龄相同。初始质量比这小的太初黑洞应该已蒸发完毕，但那些比这稍大的黑洞仍在辐射出X射线以及伽玛射线。这些X 射线和伽玛射线像是光波，只是波长短得多。这样的黑洞几乎不配这黑的绰号：它们实际上是白热的，正以大约1万兆瓦的功率发射能量。

只要我们能够驾驭黑洞的功率，一个这样的黑洞可以开动十个大型的发电站。然而，这是非常困难的：这黑洞的质量和一座山差不多，却被压缩成万亿之一英寸亦即比一个原子核的尺度还小！如果在地球表面上你有这样的一个黑洞，就无法阻止它透过地面落到地球的中心。它会穿过地球而来回振动，直到最后停在地球的中心。所以仅有的放置黑洞并利用之发出能量的地方是绕着地球转动的轨道，而仅有的将其放到这轨道上的办法是，用在它之前的一个大质量的吸引力去拖它，这和在驴子前面放一根胡罗卜相当像。至少在最近的将来，这个设想并不现实。

但是，即使我们不能驾驭这些太初黑洞的辐射，我们观测到它们的机遇又如何呢？我们可以去寻找在太初黑洞寿命的大部分时间里发出的伽玛射线辐射。虽然它们在很远以外的地方，从大部分黑洞来的辐射非常弱，但是从所有它们来的总的辐射是可以检测得到的。我们确实观察到了这样的一个伽玛射线背景：表示观察到的强度随频率的变化。然而，这个背景可以是也可能是除了太初黑洞之外的过程产生的。中点线指出，如果在每立方光年平均有300个太初黑洞，它们所发射的伽玛射线的强度应如何地随频率而变化。所以可以说，伽玛射线背景的观测并没给太初黑洞提供任何正的证据。但它们确实告诉我们，在宇宙中每立方光年不可能平均有300个以上的太初黑洞。这个极限表明，太初黑洞最多只能构成宇宙中百万分之一的物质。

由于太初黑洞是如此之稀罕，看来不太可能存在一个近到我们可以将其当作一个单独的伽玛射线源来观察。但是由于引力会将太初黑洞往任何物质处拉近，所以在星系里面和附近它们应该会更稠密得多。虽然伽玛射线背景告诉我们，平均每立方光年不可能有多于300个太初黑洞，但它并没有告诉我们，太初黑洞在我们星系中的密度。譬如讲，如果它们的密度高100万倍，则离开我们最近的黑洞可能大约在10亿公里远，或者大约是已知的最远的行星——冥王星那么远。在这个距离上去探测黑洞恒定的辐射，即使其功率为1万兆瓦，仍是非常困难的。人们必须在合理的时间间隔里，譬如一星期，从同方向检测到几个伽玛射线量子，以便观测到一个太初黑洞。否则，它们仅可能是背景的一部份。因为伽玛射线有非常高的频率，从普郎克量子原理得知，每一伽玛射线量子具有非常高的能量，这样甚至发射一万兆瓦都不需要许多量子。而要观测到从冥王星这么远来的如此少的粒子，需要一个比任何迄今已造成的更大的伽玛射线探测器。况且，由于伽玛射线不能穿透大气层，此探测器必须放到外空间。

当然，如果一颗像冥王星这么近的黑洞已达到它生命的末期并要爆炸开来，去检测其最后爆炸的辐射是容易的。但是，如果一个黑洞已经辐射了100至200亿年，不在过去或将来的几百万年里，而是在未来的若干年里到达它生命的终结的可能性真是相当小！所以在你的研究津贴用光之前，为了有一合理的机会看到爆炸，必须找到在大约1光年距离之内检测任何爆炸的方法。你仍需要一个相当大的伽玛射线探测器，以便去检测从这爆炸来的若干伽玛射线量子。然而，在这种情形下，不必去确定所有的量子是否来自同一方向，只要观测到所有它们是在一个很短的时间间隔里来到的，就足够使人相当确信它们是从同一爆炸来的。

整个地球大气可以看作是一个能够认出太初黑洞的伽玛射线探测器。（无论如何，我们不太可能造出比这更大的探测器！）当一个高能的伽玛射线量子打到我们大气的原子上时，它会产生出电子正电子（反电子）对。当这些对打到其他原子上时，它们依序会产生出更多的电子正电子对，所以人们得到了所谓的电子阵雨。其结果是产生称作切伦科夫辐射的光的形式。因而，我们可以由寻找夜空的闪光来检测伽玛射线爆。当然，存在许多其他现象，如闪电和太阳光从翻跟斗的卫星以及轨道上的碎片的反射，都能在天空发出闪光。人们可在两个或更多的隔开相当远的地点同时观察这闪光，将伽玛射线爆从以上所说的现象中识别出来。两位都柏林的科学家奈尔·波特和特勒伏·威克斯利用阿历桑那州的望远镜进行了这类的探索。他们找到了一些闪光，但没有一个可以确认为是从太初黑洞来的伽玛射线爆。

即使对太初黑洞的探索证明是否定的，并且看来可能会是这样，仍然给了我们关于极早期宇宙的重要信息。如果早期宇宙曾经是紊乱或无规的，或者物质的压力很低，可以预料到会产生比我们对伽玛射线背景所作的观测所设下的极限更多的太初黑洞。只有当早期宇宙是非常光滑和均匀的，并有很高的压力，人们才能解释为何没有观测到太初黑洞。

黑洞辐射的思想是第一个这样的例子，它以基本的方式依赖于本世纪两个伟大理论即广义相对论和量子力学所作的预言。因为它推翻了已有的观点，所以一开始就引起了许多反对："黑洞怎么会辐射东西出来？"当我在牛津附近的卢瑟福——阿普顿实验室的一次会议上，第一次宣布我的计算结果时，受到了普遍质疑。我讲演结束后，会议主席、伦敦国王学院的约翰·泰勒宣布这一切都是毫无意义的。他甚至为此还写了一篇论文。然而，最终包括约翰·泰勒在内的大部分人都得出结论：如果我们关于广义相对论和量子力学的其他观念是正确的，黑洞必须像热体那样辐射。这样，即使我们还不能找到一个太初黑洞，大家相当普遍地同意，如果找到的话，它必须正在发射出大量的伽玛射线和X射线。

黑洞辐射的存在看来意味着，引力坍缩不像我们曾经认为的那样是最终的、不可逆转的。如果一个航天员落到黑洞中去，黑洞的质量将增加，但是最终这额外质量的等效能量会以辐射的形式回到宇宙中去。这样，此航天员在某种意义上被"再循环"了。然而，这是一种非常可怜的不朽，当他在黑洞里被撕开时，他的任何个人的时间的概念几乎肯定都达到了终点，甚至最终从黑洞辐射出来的粒子的种类一般都和构成这航天员的不同：这航天员所遗留下来的仅有特征是他的质量或能量。

当黑洞的质量大于几分之一克时，我用以推导黑洞辐射的近似应是很有效的。但是，当黑洞在它的生命晚期，质量变成非常小时，这近似就失效了。最可能的结果看来是，它至少从宇宙的我们这一区域消失了，带走了航天员和可能在它里面的任何奇点（如果其中确有一个奇点的话）。这是量子力学能够去掉广义相对论预言的奇点的第一个迹象。然而，我和其他人在1974年所用的方法不能回答诸如量子引力论中是否会发生奇性的问题。所以从1975年以来，根据理查德·费因曼对于历史求和的思想，我开始发展一种更强有力的量子引力论方法。这种方法对宇宙的开端和终结，以及其中的诸如航天员之类的存在物给出的答案，这些将在下两章中叙述。我们将看到，虽然不确定性原理对于我们所有的预言的准确性都加上了限制，同时它却可以排除掉发生在空间——时间奇点处的基本的不可预言性。

谢选骏指出：霍金的有关黑洞的说法是，“具有10亿吨初始质量的太初黑洞的寿命大体和宇宙的年龄相同。初始质量比这小的太初黑洞应该已蒸发完毕，但那些比这稍大的黑洞仍在辐射出X射线以及伽玛射线。”——在这里十分明显的是一个神学家在说话，而不是一个科学家在说话。这里展现的是一个现代版的创世神话！至于“即使对太初黑洞的探索证明是否定的，并且看来可能会是这样，仍然给了我们关于极早期宇宙的重要信息……”的说法，就更像是一篇牧师的布道了！而且和牧师类似的是，霍金也从他的布道中赚钱维生甚至大发利市。

【第八章　宇宙的起源和命运】

爱因斯坦广义相对论本身预言了：空间-时间在大爆炸奇点处开始，并会在大挤压奇点处（如果整个宇宙坍缩的话）或在黑洞中的一个奇点处（如果一个局部区域，譬如恒星要坍缩的话）结束。任何抛进黑洞的东西都会在奇点处被毁灭，只有它的质量的引力效应能继续在外面被感觉得到。另一方面，当计入量子效应时，物体的质量和能量会最终回到宇宙的其余部分，黑洞和在它当中的任何奇点一道被蒸发掉并最终消失。量子力学对大爆炸和大挤压奇点也能有同样戏剧性的效应吗？在宇宙的极早或极晚期，当引力场是如此之强，以至于量子效应不能不考虑时，究竟会发生什么？宇宙究竟是否有一个开端或终结？如果有的话，它们是什么样子的？

整个70年代我主要在研究黑洞，但在1981年参加在梵蒂冈由耶稣会组织的宇宙学会议时，我对于宇宙的起源和命运问题的兴趣重新被唤起。天主教会试图对科学的问题立法，并宣布太阳是绕着地球运动时，对伽利略犯下了大错误。几个世纪后的现在，它决定邀请一些专家就宇宙学问题提出建议。在会议的尾声，所有参加者应邀出席教皇的一次演讲。他告诉我们，在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但是我们不应该去过问大爆炸本身，因为那是创生的时刻，因而是上帝的事务。那时候我心中暗喜，他并不知道，我刚在会议上作过的演讲的主题——空间-时间是有限而无界的可能性，就表明着没有开端、没有创生的时刻。我不想去分享伽利略的厄运。我对伽利略之所以有一种强烈的认同感，其部分原因是刚好我出生于他死后的300年！

为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想，必须首先按照"热大爆炸模型"来理解为大家所接受的宇宙历史。它是假定从早到大爆炸时刻起宇宙就用弗利德曼模型描述。在此模型中，人们发现当宇宙膨胀时，其中的任何物体或辐射都变得更凉。（当宇宙的尺度大到二倍，它的温度就降低到一半。）由于温度即是粒子的平均能量——或速度的测度，宇宙的变凉对于其中的物质就会有较大的效应。在非常高的温度下，粒子会运动得如此之快，以至于能逃脱任何由核力或电磁力将它们吸引一起的作用。但是可以预料，当它们变冷下来时，互相吸引的粒子开始结块。更有甚者，连存在于宇宙中的粒子的种类也依赖于温度。在足够高的温度下，粒子的能量是如此之高，只要它们碰撞就会产生出来很多不同的粒子／反粒子对——并且，虽然其中一些粒子打到反粒子上去时会湮灭，但是它们产生得比湮灭得更快。然而，在更低的温度下，碰撞粒子具有较小的能量，粒子／反粒子对产生得不快，而湮灭则变得比产生更快。

就在大爆炸时，宇宙体积被认为是零，所以是无限热。但是，辐射的温度随着宇宙的膨胀而降低。大爆炸后的1秒钟，温度降低到约为100亿度，这大约是太阳中心温度的1千倍，亦即氢弹爆炸达到的温度。此刻宇宙主要包含光子、电子和中微子（极轻的粒子，它只受弱力和引力的作用）和它们的反粒子，还有一些质子和中子。随着宇宙的继续膨胀，温度继续降低，电子／反电子对在碰撞中的产生率就落到它们湮灭率之下。这样只剩下很少的电子，而大部分电子和反电子相互湮灭，产生出更多的光子。然而，中微子和反中微子并没有互相湮灭掉，因为这些粒子和它们自己以及其他粒子的作用非常微弱，所以直到今天它们应该仍然存在。如果我们能观测到它们，就会为非常热的早期宇宙阶段的图象提供一个很好的证据。可惜现今它们的能量太低了，以至于我们不能直接地观察到。然而，如果中微子不是零质量，而是如苏联在1981年进行的一次没被证实的实验所暗示的，自身具有小的质量，我们则可能间接地探测到它们。正如前面提到的那样，它们可以是"暗物质"的一种形式，具有足够的引力吸引去遏止宇宙的膨胀，并使之重新坍缩。

在大爆炸后的大约100秒，温度降到了10亿度，也即最热的恒星内部的温度。在此温度下，质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引，所以开始结合产生氘（重氢）的原子核。氘核包含一个质子和一个中子。然后，氘核和更多的质子中子相结合形成氦核，它包含二个质子和二个中子，还产生了少量的两种更重的元素锂和铍。可以计算出，在热大爆炸模型中大约4分之1的质子和中子转变了氦核，还有少量的重氢和其他元素。所余下的中子会衰变成质子，这正是通常氢原子的核。

1948年，科学家乔治·伽莫夫和他的学生拉夫·阿尔法在合写的一篇著名的论文中，第一次提出了宇宙的热的早期阶段的图像。伽莫夫颇有幽默——他说服了核物理学家汉斯·贝特将他的名字加到这论文上面，使得列名作者为"阿尔法、贝特、伽莫夫"，正如希腊字母的前三个：阿尔法、贝他、伽玛，这特别适合于一篇关于宇宙开初的论文！他们在此论文中作出了一个惊人的预言：宇宙的热的早期阶段的辐射（以光子的形式）今天还应在周围存在，但是其温度已被降低到只比绝对零度（一273℃）高几度。这正是彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现的辐射。在阿尔法、贝特和伽莫夫写此论文时，对于质子和中子的核反应了解得不多。所以对于早期宇宙不同元素比例所作的预言相当不准确，但是，在用更好的知识重新进行这些计算之后，现在已和我们的观测符合得非常好。况且，在解释宇宙为何应该有这么多氦时，用任何其他方法都是非常困难的。所以，我们相当确信，至少一直回溯到大爆炸后大约一秒钟为止，这个图像是正确无误的。

大爆炸后的几个钟头之内，氦和其他元素的产生就停止了。之后的100万年左右，宇宙仅仅只是继续膨胀，没有发生什么事。最后，一旦温度降低到几千度，电子和核子不再有足够能量去抵抗它们之间的电磁吸引力，它们就开始结合形成原子。宇宙作为整体，继续膨胀变冷，但在一个略比平均更密集的区域，膨胀就会由于额外的引力吸引而慢下来。在一些区域膨胀会最终停止并开始坍缩。当它们坍缩时，在这些区域外的物体的引力拉力使它们开始很慢地旋转；当坍缩的区域变得更小，它会自转得更快——正如在冰上自转的滑冰者，缩回手臂时会自转得更快；最终，当这些区域变得足够小，自转的速度就足以平衡引力的吸引，碟状的旋转星系就以这种方式诞生了。另外一些区域刚好没有得到旋转，就形成了叫做椭圆星系的椭球状物体。这些区域之所以停止坍缩是因为星系的个别部分稳定地绕着它的中心旋转，但星系整体并没有旋转。

随着时间流逝，星系中的氢和氦气体被分割成更小的星云，它们在自身引力下坍缩。当它们收缩时，其中的原子相碰撞，气体温度升高，直到最后，热得足以开始热骤变反应。这些反应将更多的氢转变成氦，释放出的热升高了压力，因此使星云不再继续收缩。正如同我们的太阳一样，它们将氢燃烧成氦，并将得到的能量以热和光的形式辐射出来。它们会稳定地在这种状态下停留一段很长的时间。质量更大的恒星需要变得更热，以去平衡它们更强的引力，使得其核聚变反应进行得极快，以至于它们在1亿年这么短的时间里将氢用光。然后，它们会稍微收缩一点。当它们进一步变热，就开始将氦转变成像碳和氧这样更重的元素。但是，这一过程没有释放出太多的能量，所以正如在黑洞那一章　描述的，危机就会发生了。人们不完全清楚下面还会发生什么，但是看来恒星的中心区域会坍缩成一个非常紧致的状态，譬如中子星或黑洞。恒星的外部区域有时会在叫做超新星的巨大爆发中吹出来，这种爆发会使星系中的所有恒星相形之下显得黯淡无光。一些恒星接近生命终点时产生的重元素就抛回到星系里的气体中去，为下一代恒星提供一些原料。我们自己的太阳包含大约2％这样的重元素，因为它是第二代或第三代恒星，是由50亿年前从包含有更早的超新星的碎片的旋转气体云形成的。云里的大部分气体形成了太阳或者喷到外面去，但是少量的重元素集聚在一起，形成了像地球这样的、现在绕太阳公转的物体。

地球原先是非常热的，并且没有大气。在时间的长河中它冷却下来，并从岩石中溢出的气体里得到了大气。这早先的大气不能使我们存活。因为它不包含氧气，但有很多对我们有毒的气体，如硫化氢（即是使臭鸡蛋难闻的气体）。然而，存在其他在这条件下能繁衍的生命的原始形式。人们认为，它们可能是作为原子的偶然结合形成叫做宏观分子的大结构的结果而在海洋中发展，这种结构能够将海洋中的其他原子聚集成类似的结构。它们就这样地复制了自己并繁殖。在有些情况下复制有误差。这些误差多数使得新的宏观分子不能复制自己，并最终被消灭。然而，有一些误差会产生出新的宏观分子，在复制它们自己时会变得更好。所以它们具有优点，并趋向于取代原先的宏观分子。进化的过程就是用这种方式开始，它导致了越来越复杂的自复制的组织。第一种原始的生命形式消化了包括硫化氢在内的不同物质而放出氧气。这样就逐渐地将大气改变到今天这样的成份，允许诸如鱼、爬行动物、哺乳动物以及最后人类等生命的更高形式的发展。

宇宙从非常热开始并随膨胀而冷却的景象，和我们今天所有的观测证据相一致。尽管如此，还有许多重要问题未被回答：

（1）为何早期宇宙如此之热？

（2）为何在大尺度上宇宙是如此一致？为何在空间的所有地方和所有方向上它显得是一样的？尤其是，当我们朝不同方向看时，为何微波辐射背景的温度是如此之相同？这有点像问许多学生一个考试题。如果所有人都刚好给出相同的回答，你就会十分肯定，他们互相之间通过话。在上述的模型中，从大爆炸开始光还没有来得及从一个很远的区域传到另一个区域，即使这两个区域在宇宙的早期靠得很近。按照相对论，如果连光都不能从一个区域走到另一个区域，则没有任何其他的信息能做到。所以，除非因为某种不能解释的原因，导致早期宇宙中不同的区域刚好从同样的温度开始，否则，没有一种方法能使它们有互相一样的温度。

（3）为何宇宙以这样接近于区分坍缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的速率开始，以至于即使在100亿年以后的现在，它仍然几乎以临界的速率膨胀？如果在大爆炸后的1秒钟那一时刻其膨胀率甚至只要小十亿亿分之一，那么在它达到今天这么大的尺度之前宇宙就已坍缩。

（4）尽管在大尺度上宇宙是如此的一致和均匀，它却包含有局部的无规性，诸如恒星和星系。人们认为，这些是从早期宇宙中不同区域间的密度的很小的差别发展而来。这些密度起伏的起源是什么？

广义相对论本身不能解释这些特征或回答这些问题，因为它预言，在大爆炸奇点宇宙是从无限密度开始的。在奇点处，广义相对论和所有其他物理定律都失效：人们不能预言从奇点会出来什么。正如以前解释的，这表明我们可以从这理论中除去大爆炸奇点和任何先于它的事件，因为它们对我们没有任何观测效应。空间一时间就会有边界——大爆炸处的开端。

看来科学揭露了一组定律，在不确定性原理极限内，如果我们知道宇宙在任一时刻的状态，这些定律就会告诉我们，它如何随时间发展。这些定律也许原先是由上帝颁布的，但是看来从那以后他就让宇宙按照这些定律去演化，而不再对它干涉。但是，它是如何选择宇宙的初始状态和结构的？在时间的开端处"边界条件"是什么？

一种可能的回答是，上帝选择宇宙的这种初始结构是因为某些我们无望理解的原因。这肯定是在一个全能造物主的力量之内。但是如果他使宇宙以这种不可理解的方式开始，何以他又选择让它按照我们可理解的定律去演化？整部科学史是对事件不是以任意方式发生，而是反映了一定的内在秩序的逐步的意识。这秩序可以是、也可以不是由神灵主宰的。只有假定这种秩序不但应用于定律，而且应用于在空间-时间边界处所给定的宇宙初始条件才是自然的。可以有大量具有不同初始条件的宇宙模型，它们都服从定律。应该存在某种原则去抽取一个初始状态，也就是一个模型去代表我们的宇宙。

所谓的紊乱边界条件即是这样的一种可能性。这里含蓄地假定，或者宇宙是空间无限的，或者存在无限多宇宙。在紊乱边界条件下，在刚刚大爆炸之后，寻求任何空间的区域在任意给定的结构的概率，在某种意义上，和它在任何其他的结构的概率是一样的：宇宙初始态的选择纯粹是随机的。这意味着，早期宇宙可能是非常紊乱和无规则的。因为与光滑和有序的宇宙相比，存在着更多得多的紊乱和无序的宇宙。（如果每一结构都是等几率的，多半宇宙是从紊乱无序态开始，就是因为这种态多得这么多。）很难理解，从这样紊乱的初始条件，如何导致今天我们这个在大尺度上如此光滑和规则的宇宙。人们还预料，在这样的模型中，密度起伏导致了比由伽玛射线背景所限定的多得多的太初黑洞的形成。

如果宇宙确实是空间无限的，或者如果存在无限多宇宙，则就会存在某些从光滑和一致的形态开始演化的大的区域。这有一点像著名的一大群猴子敲打打字机的故事——它们大部分所写的都是废话。但是纯粹由于偶然，它们可能碰巧打出莎士比亚的一首短诗。类似地，在宇宙的情形，是否我们可能刚好生活在一个光滑和一致的区域里呢？初看起来，这是非常不可能的，因为这样光滑的区域比紊乱的无序的区域少得多得多。然而，假定只有在光滑的区域里星系、恒星才能形成，才能有合适的条件，让像我们这样复杂的、有能力质疑为什么宇宙是如此光滑的问题、能自然复制的组织得以存在。这就是被称为人择原理的一个应用的例子。人择原理可以释义作："我们看到的宇宙之所以这个样子，乃是因为我们的存在。"

人择原理有弱的和强的意义下的两种版本。弱人择原理是讲，在一个大的或具有无限空间和／或时间的宇宙里，只有在空间一时间有限的一定区域里，才存在智慧生命发展的必要条件。在这些区域中，如果智慧生物观察到他们在宇宙的位置满足那些为他们生存所需的条件，他们不应感到惊讶。这有点像生活在富裕街坊的富人看不到任何贫穷。

应用弱人择原理的一个例子是"解释"为何大爆炸发生于大约100亿年之前——智慧生物需要那么长时间演化。正如前面所解释的，一个早代的恒星首先必须形成。这些恒星将一些原先的氢和氦转化成像碳和氧这样的元素，由这些元素构成我们。然后恒星作为超新星而爆发，其裂片形成其他恒星和行星，其中就包括我们的太阳系，太阳系年龄大约是50亿年。地球存在的头10亿或20亿年，对于任何复杂东西的发展都嫌太热。余下的30亿年左右才用于生物进化的漫长过程，这个过程导致从最简单的组织到能够测量回溯到大爆炸那一瞬间的生物的形成。

很少人会对弱人择原理的有效性提出异议。然而，有的人走得更远并提出强人择原理。按照这个理论，存在许多不同的宇宙或者一个单独宇宙的许多不同的区域，每一个都有自己初始的结构，或许还有自己的一套科学定律。在这些大部分宇宙中，不具备复杂组织发展的条件；只有很少像我们的宇宙，在那里智慧生命得以发展并质疑："为何宇宙是我们看到的这种样子？"这回答很简单：如果它不是这个样子，我们就不会在这儿！

我们现在知道，科学定律包含许多基本的数，如电子电荷的大小以及质子和电子的质量比。至少现在，我们不能从理论上预言这些数值——我们必须由观察找到它们。也许有一天，我们会发现一个将它们所有都预言出来的一个完整的统一理论，但是还可能它们之中的一些或全部，在不同的宇宙或在一个宇宙之中是变化的。令人吃惊的事实是，这些数值看来是被非常细致地调整到使得生命的发展成为可能。例如，如果电子的电荷只要稍微有点不同，则要么恒星不能够燃烧氢和氦，要么它们没有爆炸过。当然，也许存在其他形式的、甚至还没被科学幻想作家梦想过的智慧生命。它并不需要像太阳这样恒星的光，或在恒星中制造出并在它爆炸时被抛到空间去的更重的化学元素。尽管如此，看来很清楚，允许任何智慧生命形式的发展的数值范围是比较小的。对于大部份数值的集合，宇宙也会产生，虽然它们可以是非常美的，但不包含任何一个能为如此美丽而惊讶的人。人们既可以认为这是在创生和科学定律选择中的神意的证据，也可以认为是对强人择原理的支持。

人们可以提出一系列理由，来反对强人择原理对宇宙的所观察到的状态的解释。首先，在何种意义上可以说，所有这些不同的宇宙存在？如果它们确实互相隔开，在其他宇宙发生的东西，怎么可以在我们自己的宇宙中没有可观测的后果？所以，我们应该用经济学原理，将它们从理论中割除去。另一方面，它们若仅仅是一个单独宇宙的不同区域，则在每个区域里的科学定律必须是一样的，因为否则人们不能从一个区域连续地运动到另一区域。在这种情况下，不同区域之间的仅有的不同只是它们的初始结构。这样，强人择原理即归结为弱人择原理。

对强人择原理的第二个异议是，它和整个科学史的潮流背道而驰。我们是从托勒密和他的党人的地心宇宙论发展而来，通过哥白尼和伽利略日心宇宙论，直到现代的图象，其中地球是一个中等大小的行星，它绕着一个寻常的螺旋星系外圈的普通恒星作公转，而这星系本身只是在可观察到的宇宙中万亿个星系中的一个。然而强人择原理却宣布，这整个庞大的构造仅仅是为我们的缘故而存在，这是非常难以令人置信的。我们太阳系肯定是我们存在的前提，人们可以将之推广于我们的星系，使之允许早代的恒星产生重元素。但是，丝毫看不出存在任何其他星系的必要，在大尺度上也不需要宇宙在每一方向上必须如此一致和类似。

如果人们能够表明，相当多的宇宙的不同初始结构会演化产生像我们今天看到的宇宙，至少在弱的形式上，人们会对人择原理感到更满意。如果这样，则一个从某些随机的初始条件发展而来的宇宙，应当包含许多光滑的、一致的并适合智慧生命演化的区域。另一方面，如果宇宙的初始条件必须极端仔细地选择，才能导致在我们周围所看到的一切，宇宙就不太可能包含任何会出现生命的区域。在上述的热大爆炸模型中，没有足够的方向使热从一个区域流到另一区域。这意味着宇宙的初始态在每一处必须刚好有同样的温度，才能说明我们在每一方向上看到的微波背景辐射都有同样温度，其初始的膨胀率也要非常精确地选择，才能使得现在的膨胀率仍然是如此接近于需要用以避免坍缩的临界速率。这表明，如果直到时间的开端热大爆炸模型都是正确的，则必须非常仔细地选择宇宙的初始态。所以，除非作为上帝有意创造像我们这样生命的行为，否则要解释为何宇宙只用这种方式起始是非常困难的。

为了试图寻找一个能从许多不同的初始结构演化到象现在这样的宇宙的宇宙模型，麻省理工学院的科学家阿伦·固斯提出，早期宇宙可能存在过一个非常快速膨胀的时期。这种膨胀叫做"暴涨"，意指宇宙在一段时间里，不像现在这样以减少的、而是以增加的速率膨胀。按照固斯理论，在远远小于1秒的时间里，宇宙的半径增大了100万亿亿亿（1后面跟30个0）倍。

固斯提出，宇宙是以一个非常热而且相当紊乱的状态从大爆炸开始的。这些高温表明宇宙中的粒子运动得非常快并具有高能量。正如早先我们讨论的，人们预料在这么高的温度下，强和弱核力及电磁力都被统一成一个单独的力。当宇宙膨胀时它会变冷，粒子能量下降。最后出现了所谓的相变，并且力之间的对称性被破坏了：强力变得和弱力以及电磁力不同。相变的一个普通的例子是，当水降温时会冻结成冰。液态水是对称的，它在任何一点和任何方向上都是相同的。然而，当冰晶体形成时，它们有确定的位置，并在某一方向上整齐排列，这就破坏了水的对称。

处理水的时候，只要你足够小心，就能使之"过冷"，也就是可以将温度降低到冰点（0℃）以下而不结冰。固斯认为，宇宙的行为也很相似：宇宙温度可以低到临界值以下，而没有使不同的力之间的对称受到破坏。如果发生这种情形，宇宙就处于一个不稳定状态，其能量比对称破缺时更大。这特殊的额外能量呈现出反引力的效应：其作用如同一个宇宙常数。宇宙常数是当爱因斯坦在试图建立一个稳定的宇宙模型时，引进广义相对论之中去的。由于宇宙已经像大爆炸模型那样膨胀，所以这宇宙常数的排斥效应使得宇宙以不断增加的速度膨胀，即使在一些物质粒子比平均数多的区域，这一有效宇宙常数的排斥作用超过了物质的引力吸引作用。这样，这些区域也以加速暴涨的形式而膨胀。当它们膨胀时，物质粒子越分越开，留下了一个几乎不包含任何粒子，并仍然处于过冷状态的膨胀的宇宙。宇宙中的任何不规则性都被这膨胀抹平，正如当你吹胀气球时，它上面的皱纹就被抹平了。所以，宇宙现在光滑一致的状态，可以是从许多不同的非一致的初始状态演化而来。

在这样一个其膨胀由宇宙常数加速、而不由物质的引力吸引使之减慢的宇宙中，早期宇宙中的光线就有足够的时间从一个地方传到另一个地方。这就解答了早先提出的，为何在早期宇宙中的不同区域具有同样性质的问题。不但如此，宇宙的膨胀率也自动变得非常接近于由宇宙的能量密度决定的临界值。这样，不必去假设宇宙初始膨胀率曾被非常仔细地选择过，就能解释为何现在的膨胀率仍然是如此地接近于临界值。

暴涨的思想还能解释为何宇宙存在这么多物质。在我们能观察到的宇宙里大体有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿（1后面跟80个0）个粒子。它们从何而来？答案是，在量子理论中，粒子可以从粒子／反粒子对的形式由能量中创生出来。但这只不过引起了能量从何而来的问题。答案是，宇宙的总能量刚好是零。宇宙的物质是由正能量构成的；然而，所有物质都由引力互相吸引。两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量，因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开。这样，在一定意义上，引力场具有负能量。在空间上大体一致的宇宙的情形中，人们可以证明，这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量，所以宇宙的总能量为零。

零的两倍仍为零。这样宇宙可以同时将其正的物质能和负的引力能加倍，而不破坏其能量的守恒。在宇宙的正常膨胀时，这并没有发生。这时当宇宙变大时，物质能量密度下降。然而，这种情形确实发生于暴涨时期。因为宇宙膨胀时，过冷态的能量密度保持不变：当宇宙体积加倍时，正物质能和负引力能都加倍，总能量保持为零。在暴涨相，宇宙的尺度增大了一个非常大的倍数。这样，可用以制造粒子的总能量变得非常大。正如固斯所说的："都说没有免费午餐这件事，但是宇宙是最彻底的免费午餐。"

今天宇宙不是以暴涨的方式膨胀。这样，必须有一种机制，它可以消去这一非常大的有效宇宙常数，从而使膨胀率从加速的状态，改变为正如同今天这样由引力减慢下的样子。人们可以预料，在宇宙暴涨时不同力之间的对称最终会被破坏，正如过冷的水最终会凝固一样。这样，未破缺的对称态的额外能量就会释放，并将宇宙重新加热到刚好低于使不同力对称的临界温度。以后，宇宙就以标准的大爆炸模式继续膨胀并变冷。但是，现在找到了何以宇宙刚好以临界速率膨胀，并在不同的区域具有相同温度的解释。

在固斯的原先设想中，有点像在非常冷的水中出现冰晶体，相变是突然发生的。其想法是，正如同沸腾的水围绕着蒸汽泡，新的对称破缺相的"泡泡"在原有的对称相中形成。泡泡膨胀并互相碰撞，直到整个宇宙变成新相。麻烦在于，正如同我和其他几个人所指出的，宇宙膨胀得如此之快，甚至即使泡泡以光速涨大，它们也要互相分离，并因此不能合并在一起。结果宇宙变成一种非常不一致的状态，有些区域仍具有不同力之间的对称。这样的模型跟我们所观察到的宇宙并不吻合。

1981年10月，我去莫斯科参加量子引力的会议。会后，我在斯特堡天文研究所做了一个有关暴涨模型和它的问题的讲演。听众席中有一年轻的苏联人——莫斯科列别提夫研究所的安德雷·林德——他讲，如果泡泡是如此之大，以至于我们宇宙的区域被整个地包含在一个单独的泡泡之中，则可以避免泡泡不能合并在一起的困难。为了使这个行得通，从对称相向对称破缺相的改变必须在泡泡中进行得非常慢，而按照大统一理论这是相当可能的。林德的缓慢对称破缺思想是非常好的，但过后我意识到，他的泡泡在那一时刻必须比宇宙的尺度还要大！我指出，那时对称不仅仅在泡泡里，而且在所有的地方同时被破坏。这会导致一个正如我们所观察到的一致的宇宙。我被这个思想弄得非常激动，并和我的一个学生因·莫斯讨论。然而，当我后来收到一个科学杂志社寄来的林德的论文，征求是否可以发表时，作为他的朋友，我感到相当难为情。我回答说，这里有一个关于泡泡比宇宙还大的瑕疵，但是里面关于缓慢对称破缺的基本思想是非常好的。我建议将此论文照原样发表。因为林德要花几个月时间去改正它，并且他寄到西方的任何东西都要通过苏联的审查，这种对于科学论文的审查既无技巧可言又很缓慢。我和因·莫斯便越俎代庖，为同一杂志写了一篇短文。我们在该文中指出这泡泡的问题，并提出如何将其解决。

我从莫斯科返回的第二天，即去费城接受富兰克林研究所的奖章。我的秘书朱迪·费拉以其不差的魅力说服了英国航空公司向她和我免费提供协和式飞机的宣传旅行座席。然而，在去机场的路上被大雨耽搁，我没赶上航班。尽管如此，我最终还是到了费城并得到奖章。之后，应邀作了关于暴涨宇宙的讲演。正如在莫斯科那样，我用大部分时间讲授关于暴涨模型的问题。但在结尾时，我提到林德关于缓慢对称破缺的思想，以及我的修正意见。听众中有一位年轻的宾夕凡尼亚大学的助理教授保罗·斯特恩哈特，讲演后他和我讨论暴涨的问题。次年2月份，他寄给我一篇由他和一个学生安德鲁斯·阿尔伯勒希特合写的论文。在该文中，他们提出了某种非常类似林德缓慢对称破缺的思想。后来他告诉我，他不记得我描述过林德的思想，并且只是在他们几乎完成论文之时，才看到林德的文章。在西方，现在他们和林德分享以缓慢对称破缺的思想为基础，并发现所谓新暴涨模型的荣誉。（旧的暴涨模型是指固斯关于形成泡泡后快速对称破缺的原始设想。）

新暴涨模型是一个好的尝试，它能解释宇宙为何是这种样子。然而我和其他几个人指出，至少在它原先的形式，它预言的微波背景辐射的温度起伏比所观察到的情形要大得多。后来的工作还对极早期宇宙中是否存在这类所需要的相变提出怀疑。我个人的意见是，现在新暴涨模型作为一个科学理论是气数已尽。虽然有很多人似乎没有听进它的死讯，还继续写文章，好像那理论还有生命力。林德在1983年提出了一个更好的所谓紊乱暴涨模型。这里没有相变和过冷，而代之以存在一个自旋为0的场，由于它的量子涨落，在早期宇宙的某些区域有大的场量。在那些区域中，场的能量起到宇宙常数的作用，它具有排斥的引力效应，因此使得这些区域以暴涨的形式膨胀。当它们膨胀时，它们中的场的能量慢慢地减小，直到暴涨改变到犹如热大爆炸模型中的膨胀时为止。这些区域之一就成为我们看到的宇宙。这个模型具有早先暴涨模型的所有优点，但它不是取决于使人生疑的相变，并且还能给出微波背景辐射的温度起伏，其幅度与观测相符合。

暴涨模型的研究指出：宇宙现在的状态可以从相当大量的不同初始结构引起的。这是重要的，因为它表明不必非常细心地选取我们居住的那部份宇宙区域的初始状态。所以，如果愿意的话，我们可以利用弱人择原理解释宇宙为何是这个样子。然而，绝不是任何一种初始结构都会产生像我们所观察到的宇宙。这一点很容易说明，考虑现在宇宙处于一个非常不同的态，例如一个非常成团的、非常无规则的态，人们可以利用科学定律，在时间上将其演化回去，以确定宇宙在更早时刻的结构。按照经典广义相对论的奇点定理，仍然存在一个大爆炸奇点。如果你在时间前进方向上按照科学定律演化这样的宇宙，你就会得到你一开始给定的那个成团的无规则的态。这样，必定存在不会产生我们今天所观察到的宇宙的初始结构。所以，就连暴涨模型也没有告诉我们，为何初始结构不是那种产生和我们观测到的非常不同的宇宙的某种态。我们是否应该转去应用人择原理以求解释呢？难道所有这一切仅仅是因为好运气？看来，这只是无望的遁词，是对我们理解宇宙内在秩序的所有希望的否定。

为了预言宇宙应该是如何开始的，人们需要在时间开端处有效的定律。罗杰·彭罗斯和我证明的奇点定理指出，如果广义相对论的经典理论是正确的，则时间的开端是具有无限密度和无限空间——时间曲率的一点，在这一点上所有已知的科学定律都失效。人们可以设想存在在奇点处成立的新定律，但是在如此不守规矩的点处，甚至连表述这样的定律都是非常困难的，而且从观察中我们没有得到关于这些定律应是什么样子的任何提示。然而，奇点定理真正表明的是，该处引力场变得如此之强，以至于量子引力效应变得重要：经典理论不再能很好地描述宇宙。所以，人们必须用量子引力论去讨论宇宙的极早期阶段。我们将会看到，在量子力学中，通常的科学定律有可能在任何地方都有效，包括时间开端这一点在内：不必针对奇点提出新的定律，因为在量子理论中不须有任何奇点。

我们仍然没有一套完整而协调的理论，它将量子力学和引力结合在一起。然而，我们相当清楚这样一套统一理论所应该具有的某些特征。其中一个就是它必须和费因曼提出的按照对历史求和的量子力学表述相一致。在这种方法里，一个粒子不像在经典理论中那样，不仅只有一个历史。相反的，它被认为是通过空间——时间里的每一可能的路径，每一条途径有一对相关的数，一个代表波的幅度，另一个代表它的相位。粒子通过一指定点的概率是将通过此点的所有可能途径的波迭加而求得。然而，当人们实际去进行这些求和时，就遇到了严重的技术问题。回避这个问题的唯一独特的方法是：你必须不是对发生在你我经验的"实"的时间内的，而是对发生在所谓"虚"的时间内的粒子的途径的波进行求和。虚时间可能听起来像科学幻想，但事实上，它是定义得很好的数学概念。如果你取任何平常的（或"实的"）数和它自己相乘，结果是一个正数。（例如2乘2是4，但－2乘－2也是这么多）。然而，有一种特别的数（叫虚数），当它们自乘时得到负数。（在这儿的虚数单位叫做i，它自乘时得－1，2i自乘得－4，等等。）人们必须利用虚时间，以避免在进行费因曼对历史求和的技术上的困难。也就是为了计算的目的人们必须用虚数而不是用实数来测量时间。这对空间-时间有一有趣的效应：时间和空间的区别完全消失。事件具有虚值时间坐标的空间-时间被称为欧几里德型的，它是采用建立了二维面几何的希腊人欧几里德的名字命名的。我们现在称之为欧几里德空间-时间的东西除了是四维而不是二维以外，其余的和它非常相似。在欧几里德空间-时间中，时间方向和空间方向没有不同之处。另一方面，在通常用实的时间坐标来标记事件的实的空间-时间里，人们很容易区别这两种方向——在光锥中的任何点是时间方向，之外为空间方向。就日常的量子力学而言，在任何情况下，我们利用虚的时间和欧几里德空间-时间可以认为仅仅是一个计算实空间-时间的答案的数学手段（或技巧）。

我们相信，作为任何终极理论的一部分而不可或缺的第二个特征是爱因斯坦的思想，即引力场是由弯曲的空间-时间来代表：粒子在弯曲空间中试图沿着最接近于直线的某种途径走，但因为空间-时间不是平坦的。它们的途径看起来似乎被引力场折弯了。当我们用费因曼的路径求和方法去处理爱因斯坦的引力观点时，和粒子的历史相类似的东西则是代表整个宇宙历史的完整的弯曲的空间-时间。为了避免实际进行历史求和的技术困难，这些弯曲的空间-时间必须采用欧几里德型的。也就是，时间是虚的并和空间的方向不可区分。为了计算找到具有一定性质，例如在每一点和每一方向上看起来都一样的实的空间-时间的概率，人们将和所有具有这性质的历史相关联的波迭加起来即可。

在广义相对论的经典理论中，有许多不同的可能弯曲的空间-时间，每一个对应于宇宙的不同的初始态。如果我们知道宇宙的初始态，我们就会知道它的整个历史。类似地，在量子引力论中，存在许多不同的可能的宇宙量子态。如果我们知道在历史求和中的欧几里德弯曲空间-时间在早先时刻的行为，我们就会知道宇宙的量子态。

在以实的空间-时间为基础的经典引力论中，宇宙可能的行为只有两种方式：或者它已存在了无限长时间，或者它在有限的过去的某一时刻的奇点上有一个开端。而在量子引力论中，还存在第三种可能性。因为人们是用欧几里德空间-时间，在这儿时间方向和空间方向是同等的，所以空间-时间只有有限的尺度，却没有奇点作为它的边界或边缘是可能的。空间-时间就像是地球的表面，只不过多了两维。地球的表面积是有限的，但它没有边界或边缘：如果你朝着落日的方向驾船，你不会掉到边缘外面或陷入奇点中去。（因为我曾经环球旅行过，所以知道！）

如果欧几里德空间-时间延伸到无限的虚时间，或者在一个虚时间奇点处开始，我们就有了和在经典理论中指定宇宙初态的同样问题，即上帝可以知道宇宙如何开始，但是我们提不出任何特别原因，认为它应以这种而不是那种方式开始。另一方面，量子引力论开辟了另一种新的可能性，在这儿空间-时间没有边界，所以没有必要指定边界上的行为。这儿就没有使科学定律失效的奇点，也就是不存在在该处必须祈求上帝或某些新的定律给空间一时间设定边界条件的空间-时间边缘。人们可以说："宇宙的边界条件是它没有边界。"宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被创生，也不被消灭。它就是存在。

我正是在早先提到的那次梵帝冈会议上第一次提出，时间和空间可能会共同形成一个在尺度上有限而没有任何边界或边缘的面。然而我的论文数学气息太浓，所以文章中包含的上帝在创造宇宙的作用的含义在当时没有被普遍看出来（对我也正是如此）。在梵蒂冈会议期间，我不知道如何用"无边界"思想去预言宇宙。然而，第二年夏天我在加州大学的圣他巴巴拉分校渡过。我的一位朋友兼合作者詹姆·哈特尔在那里，他和我共同得出了如果空间-时间没有边界时宇宙应满足的条件。回到剑桥后，我和我的两个研究生朱丽安·拉却尔和约纳逊·哈里威尔继续从事这项工作。

我要着重说明，时间一空间是有限而无界的思想仅仅只是一个设想，它不能从其他原理导出。正如任何其他的科学理论，它原先可以是出于美学或形而上学的原因而被提出，但是对它的真正检验在于它所给出的预言是否与观测相一致。然而，在量子引力的情况下，由于以下两个原因这很难确定。首先，正如将在下一章　所要解释的，虽然我们对能将广义相对论和量子力学结合在一起的理论所应具有的特征，已经知道得相当多，但我们还不能准确地认定这样一个理论。其次，任何详尽描述整个宇宙的模型在数学上都过于复杂，以至于我们不能通过计算做出准确的预言。所以，人们不得不做简化的假设和近似——并且甚至这样，要从中引出预言仍是令人生畏的问题。

在对历史求和中的每一个历史不只描述空间-时间，而且描述在其中的任何东西——包括像能观察宇宙历史的人类那样复杂的生物。这可对人择原理提供另一个支持，因为如果任何历史都是可能的，就可以用人择原理去解释为何我们发现宇宙是现今这样子。尽管我们对自己并不生存于其中的其他历史究竟有什么意义还不清楚。然而，如果利用对历史求和可以显示，我们的宇宙不只是一个可能的，而且是最有可能的历史，则这个量子引力论的观点就会令人满意得多。为此，我们必须对所有可能的没有边界的欧几里德空间-时间进行历史求和。

人们从无边界假定得知，宇宙沿着大多数历史的机会是可以忽略不计的，但是有一族特别的历史比其他的历史有更多机会。这些历史可以描绘得像是地球的表面。在那儿与北极的距离代表虚的时间，并且离北极等距离的圆周长代表宇宙的空间尺度。宇宙是从作为单独一点的北极开始的。当你一直往南走去，离开北极等距离的纬度圈变大，这是和宇宙随虚时间的膨胀相对应。宇宙在赤道处达到最大的尺度，并且随着虚时间的继续增加而收缩，最后在南极收缩成一点。尽管宇宙在北南二极的尺度为零，这些点不是奇点，并不比地球上的北南二极更奇异。科学定律在这儿有效，正如同它仍在地球上的北南二极有效一样。

然而，在实的时间里宇宙的历史显得非常不一样。大约在100或200亿年以前，它有一个最小的尺度，这相当于在虚时间里的最大的半径。在后来的实时间里，宇宙就像由林德设想的紊乱暴涨模型那样地膨胀（但是现在人们不必假定宇宙是从某一类正确的状态产生出来）。宇宙会膨胀到一个非常大的尺度，并最终重新坍缩成为在实时间里看起来像是奇点的一个东西。这样，在某种意义上说，即使我们躲开黑洞，仍然是注定要毁灭的。只有当我们按照虚时间来描绘宇宙时才不会有奇点。

如果宇宙确实处在这样的一个量子态里，在虚时间里宇宙就没有奇点。所以，我近期的工作似乎完全使我早期研究奇点的工作成果付之东流。但是正如上面所指出的，奇点定理的真正重要性在于，它们指出引力场必然会强到不能无视量子引力效应的程度。这接着导致也许在虚时间里宇宙的尺度有限但没有边界或奇点的观念。然而，当人们回到我们生活于其中的实时间，那儿仍会出现奇点。陷进黑洞那位可怜的航天员的结局仍然是极可悲的；只有当他在虚时间里生活，才不会遭遇到奇点。

上述这些也许暗示所谓的虚时间是真正的实时间，而我们叫做实时间的东西恰恰是子虚乌有的空想的产物。在实时间中，宇宙的开端和终结都是奇点。这奇点构成了科学定律在那儿不成立的空间-时间边界。但是，在虚时间里不存在奇点或边界。所以，很可能我们称之为虚时间的才真正是更基本的观念，而我们称作实时间的反而是我们臆造的，它有助于我们描述宇宙的模样。但是，按照我在第一章　所描述的方法，科学理论仅仅是我们用以描述自己所观察的数学模型，它只存在于我们的头脑中。所以去问诸如这样的问题是毫无意义的："实"的或"虚"的时间，哪一个是实在的？这仅仅是哪一个描述更为有用的问题。

人们还可以利用对历史求和以及无边界假设去发现宇宙的哪些性质可能发生。例如，人们可以计算，当宇宙具有现在密度的某一时刻，在所有方向上以几乎同等速率膨胀的概率。在迄今已被考察的简化的模型中，发现这个概率是高的；也就是，无边界假设导致一个预言，即宇宙现在在每一方向的膨胀率几乎相同是极其可能的。这与微波背景辐射的观测相一致，它指出在任何方向上具有几乎完全同样的强度。如果宇宙在某些方向比其他方向膨胀得更快，在那些方向辐射的强度就会被一个附加的红移所减小。

人们正在研究无边界条件的进一步预言。一个特别有趣的问题是，早期宇宙中物质密度对其平均值小幅度的偏离，这些偏离首先引起星系，然后是恒星，最后是我们自身的形成。测不准原理意味着，早期宇宙不可能是完全均匀的，因为粒子的位置和速度必定有一些不确定性或起伏。利用无边界条件，我们发现，宇宙事实上必须是从仅仅由测不准原理允许的最小的可能的非均匀性开始的。然后，正如在暴涨模型中预言的一样，宇宙经历了一个快速膨胀时期。在这个期间，开初的非均匀性被放大到足以解释在我们周围观察到的结构的起源。在一个各处物质密度稍有变化的膨胀宇宙中，引力使得较紧密区域的膨胀减慢，并使之开始收缩。这就导致星系、恒星和最终甚至像我们自己这样微不足道的生物的形成。因而，我们在宇宙中看到的所有复杂的结构，可由宇宙无边界条件和量子力学中的测不准原理给予解释。

空间和时间可以形成一个没有边界的闭曲面的思想，对于上帝在宇宙事务中的作用还有一个深远的含义。随着科学理论在描述事件的成功，大部分人进而相信上帝允许宇宙按照一套定律来演化，而不介入其间促使宇宙触犯这些定律。然而，定律并没有告诉我们，宇宙的太初应像什么样子——它依然要靠上帝卷紧发条，并选择如何去启动它。只要宇宙有一个开端，我们就可以设想存在一个造物主。但是，如果宇宙确实是完全自足的、没有边界或边缘，它就既没有开端也没有终结——它就是存在。那么，还会有造物主存身之处吗？

谢选骏指出：“宇宙的起源和命运”开篇预言“空间-时间在大爆炸奇点处开始，并会在大挤压奇点处（如果整个宇宙坍缩的话）或在黑洞中的一个奇点处（如果一个局部区域，譬如恒星要坍缩的话）结束。任何抛进黑洞的东西都会在奇点处被毁灭，只有它的质量的引力效应能继续在外面被感觉得到。”这像不像是巫师的作法？还有所谓的强人择，更能说明问题了。“为什么我们的宇宙是这样的？”“因为我们是这样的，所以我们的宇宙只能是这样的”——有什么样的人，就有什么样的物理学……这样的问题还不清楚吗。人们所说的宇宙，其实不过是人们自己。所以，借助于望远镜的人们，就会发展出现代天文学来了！理论的出现是技术进步的结果，正如达尔文主义不过是大航海的结果。

【第九章　时间箭头】

我们在前几章中看到了，长期以来人们关于时间性质的观点是如何变化的。直到本世纪初，人们还相信绝对时间。也就是说，每一事件可由一个称为"时间"的数以唯一的方式来标记，所有好的钟在测量两个事件之间的时间间隔上都是一致的。然而，对于任何正在运动的观察者光速总是一样的这一发现，导致了相对论；而在相对论中，人们必须抛弃存在一个唯一的绝对时间的观念。代之以每个观察者携带的钟所记录的他自己的时间测量——不同观察者携带的钟不必要读数一样。这样，对于进行测量的观察者而言，时间变成一个更主观的概念。

当人们试图统一引力和量子力学时，必须引入"虚"时间的概念。虚时间是不能和空间方向区分的。如果一个人能往北走，他就能转过头并朝南走；同样的，如果一个人能在虚时间里向前走，他应该能够转过来并往后走。这表明在虚时间里，往前和往后之间不可能有重要的差别。另一方面，当人们考察"实"时间时，正如众所周知的，在前进和后退方向存在有非常巨大的差别。这过去和将来之间的差别从何而来？为何我们记住过去而不是将来？

科学定律并不区别过去和将来。更精确地讲，正如前面所解释的，科学定律在称作C、P和T的联合作用（或对称）下不变。（C是指将反粒子来替代粒子；P的意思是取镜象，这样左和右就互相交换了；T是指颠倒所有粒子的运动方向，也就是使运动倒退回去。）在所有正常情形下，制约物体行为的科学定律在CP联合对称下不变。换言之，对于其他行星上的居民，若他们是我们的镜像并且由反物质而不是物质构成，则生活会刚好是同样的。

如果科学定律在CP联合对称以及CPT联合对称下都不变，它们也必须在单独的T 对称下不变。然而，在日常生活的实时间中，前进和后退的方向之间还是有一个大的差异。想像一杯水从桌子上滑落到地板上被打碎。如果你将其录像，你可以容易地辨别出它是向前进还是向后退。如果将其倒回来，你会看到碎片忽然集中到一起离开地板，并跳回到桌子上形成一个完整的杯子。你可断定录像是在倒放，因为这种行为在日常生活中从未见过。如果这样的事发生，陶瓷业将无生意可做。

为何我们从未看到碎杯子集合起来，离开地面并跳回到桌子上，通常的解释是这违背了热力学第二定律所表述的在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加。换言之，它是穆菲定律的一种形式：事情总是趋向于越变越糟：桌面上一个完整的杯子是一个高度有序的状态，而地板上破碎的杯子是一个无序的状态。人们很容易从早先桌子上的杯子变成后来地面上的碎杯子，而不是相反。

无序度或熵随着时间增加是一个所谓的时间箭头的例子。时间箭头将过去和将来区别开来，使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头：第一个，是热力学时间箭头，即是在这个时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。

我将在这一章　论断，宇宙的无边界条件和弱人择原理一起能解释为何所有的三个箭头指向同一方向。此外，为何必须存在一个定义得很好的时间箭头。我将论证心理学箭头是由热力学箭头所决定，并且这两种箭头必须总是指向相同的方向。如果人们假定宇宙的无边界条件，我们将看到必然会有定义得很好的热力学和宇宙学时间箭头。但对于宇宙的整个历史来说，它们并不总是指向同一方向。然而，我将指出，只有当它们指向一致时，对于能够发问为何无序度在宇宙膨胀的时间方向上增加的智力生命的发展，才有合适的条件。

首先，我要讨论热力学时间箭头。总存在着比有序状态更多得多的无序状态的这一事实，是使热力学第二定律存在的原因。譬如，考虑一盒拼板玩具，存在一个并且只有一个使这些小纸片拼成一幅完整图画的排列。另一方面，存在巨大数量的排列，这时小纸片是无序的，不能拼成一幅画。

假设一个系统从这少数的有序状态之中的一个出发。随着时间流逝，这个系统将按照科学定律演化，而且它的状态将改变。到后来，因为存在着更多的无序状态，它处于无序状态的可能性比处于有序状态的可能性更大。这样，如果一个系统服从一个高度有序的初始条件，无序度会随着时间的增加而增大。

假定拼板玩具盒的纸片从能排成一幅图画的有序组合开始，如果你摇动这盒子，这些纸片将会采用其他组合，这可能是一个不能形成一幅合适图画的无序的组合，就是因为存在如此之多得多的无序的组合。有一些纸片团仍可能形成部份图画，但是你越摇动盒子，这些团就越可能被分开，这些纸片将处于完全混乱的状态，在这种状态下它们不能形成任何种类的图画。这样，如果纸片从一个高度有序的状态的初始条件出发，纸片的无序度将可能随时间而增加。

然而，假定上帝决定不管宇宙从何状态开始，它都必须结束于一个高度有序的状态，则在早期这宇宙有可能处于无序的状态。这意味着无序度将随时间而减小。你将会看到破碎的杯子集合起来并跳回到桌子上。然而，任何观察杯子的人都生活在无序度随时间减小的宇宙中，我将论断这样的人会有一个倒溯的心理学时间箭头。这就是说，他们会记住将来的事件，而不是过去的事件。当杯子被打碎时，他们会记住它在桌子上的情形；但是当它是在桌子上时，他们不会记住它在地面上的情景。

由于我们不知道大脑工作的细节，所以讨论人类的记忆是相当困难的。然而，我们确实知道计算机的记忆器是如何工作的。所以，我将讨论计算机的心理学时间箭头。我认为，假定计算机和人类有相同的箭头是合理的。如果不是这样，人们可能因为拥有一台记住明年价格的计算机而使股票交易所垮台。

大体来说，计算机的记忆器是一个包含可存在于两种状态中的任一种状态的元件的设备，算盘是一个简单的例子。其最简单的形式是由许多铁条组成；每一根铁条上有一念珠，此念珠可呆在两个位置之中的一个。在计算机记忆器进行存储之前，其记忆器处于无序态，念珠等几率地处于两个可能的状态中。（算盘珠杂乱无章地散布在算盘的铁条上）。在记忆器和所要记忆的系统相互作用后，根据系统的状态，它肯定处于这种或那种状态（每个算盘珠将位于铁条的左边或右边。）这样，记忆器就从无序态转变成有序态。然而，为了保证记忆器处于正确的状态，需要使用一定的能量（例如，移动算盘珠或给计算机接通电源）。这能量以热的形式耗散了，从而增加了宇宙的无序度的量。人们可以证明，这个无序度增量总比记忆器本身有序度的增量大。这样，由计算机冷却风扇排出的热量表明计算机将一个项目记录在它的记忆器中时，宇宙的无序度的总量仍然增加。计算机记忆过去的时间方向和无序度增加的方向是一致的。

所以，我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头，是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。正像一个计算机，我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。这几乎使热力学定律变成为无聊的东西。无序度随时间的增加乃是因为我们是在无序度增加的方向上测量时间。拿这一点来打赌，准保你会赢。

但是究竟为何必须存在热力学时间箭头？或换句话说，在我们称之为过去时间的一端，为何宇宙处于高度有序的状态？为何它不在所有时间里处于完全无序的状态？毕竟这似乎更为可能。并且为何无序度增加的时间方向和宇宙膨胀的方向相同？

在经典广义相对论中，因为所有已知的科学定律在大爆炸奇点处失效，人们不能预言宇宙是如何开始的。宇宙可以从一个非常光滑和有序的状态开始。这就会导致正如我们所观察到的、定义很好的热力学和宇宙学的时间箭头。但是，它可以同样合理地从一个非常波浪起伏的无序状态开始。在那种情况下，宇宙已经处于一种完全无序的状态，所以无序度不会随时间而增加。或者它保持常数，这时就没有定义很好的热力学时间箭头；或者它会减小，这时热力学时间箭头就会和宇宙学时间箭头相反向。任何这些可能性都不符合我们所观察到的情况。然而，正如我们看到的，经典广义相对论预言了它自身的崩溃。当空间——时间曲率变大，量子引力效应变得重要，并且经典理论不再能很好地描述宇宙时，人们必须用量子引力论去理解宇宙是如何开始的。

正如我们在上一章　看到的，在量子引力论中，为了指定宇宙的态，人们仍然必须说清在过去的空间-时间的边界的宇宙的可能历史是如何行为的。只有如果这些历史满足无边界条件，人们才可能避免这个不得不描述我们不知道和无法知道的东西的困难：它们在尺度上有限，但是没有边界、边缘或奇点。在这种情形下，时间的开端就会是规则的、光滑的空间-时间的点，并且宇宙在一个非常光滑和有序的状态下开始它的膨胀。它不可能是完全均匀的，否则就违反了量子理论不确定性原理。必然存在密度和粒子速度的小起伏，然而无边界条件意味着，这些起伏又是在与不确定性原理相一致的条件下尽可能的小。

宇宙刚开始时有一个指数或"暴涨"的时期，在这期间它的尺度增加了一个非常大的倍数。在膨胀时，密度起伏一开始一直很小，但是后来开始变大。在密度比平均值稍大的区域，额外质量的引力吸引使膨胀速度放慢。最终，这样的区域停止膨胀，并坍缩形成星系、恒星以及我们这样的人类。宇宙开始时处于一个光滑有序的状态，随时间演化成波浪起伏的无序的状态。这就解释了热力学时间箭头的存在。

如果宇宙停止膨胀并开始收缩将会发生什么呢？热力学箭头会不会倒转过来，而无序度开始随时间减少呢？这为从膨胀相存活到收缩相的人们留下了五花八门的科学幻想的可能性。他们是否会看到杯子的碎片集合起来离开地板跳回到桌子上去？他们会不会记住明天的价格，并在股票市场上发财致富？由于宇宙至少要再等一百亿年之后才开始收缩，忧虑那时会发生什么似乎有点学究气。但是有一种更快的办法去查明将来会发生什么，即跳到黑洞里面去。恒星坍缩形成黑洞的过程和整个宇宙的坍缩的后期相当类似；这样，如果在宇宙的收缩相无序度减小，可以预料它在黑洞里面也会减小。所以，一个落到黑洞里去的航天员能在投赌金之前，也许能依靠记住轮赌盘上球儿的走向而赢钱。（然而，不幸的是，玩不了多久，他就会变成意大利面条。他也不能使我们知道热力学箭头的颠倒，或者甚至将他的赢钱存入银行，因为他被困在黑洞的事件视界后面。）

起初，我相信在宇宙坍缩时无序度会减小。这是因为，我认为宇宙再变小时，它必须回到光滑和有序的状态。这表明，收缩相仅仅是膨胀相的时间反演。处在收缩相的人们将以倒退的方式生活：他们在出生之前即已死去，并且随着宇宙收缩变得更年轻。

这个观念是吸引人的，因为它表明在膨胀相和收缩相之间存在一个漂亮的对称。然而，人们不能置其他有关宇宙的观念于不顾，而只采用这个观念。问题在于：它是否由无边界条件所隐含或它是否与这个条件不相协调？正如我说过的，我起先以为无边界条件确实意味着无序度会在收缩相中减小。我之所以被误导，部分是由于与地球表面的类比引起的。如果人们将宇宙的开初对应于北极，那么宇宙的终结就应该类似于它的开端，正如南极之与北极相似。然而，北南二极对应于虚时间中的宇宙的开端和终结。在实时间里的开端和终结之间可有非常大的差异。我还被我作过的一项简单的宇宙模型的研究所误导，在此模型中坍缩相似乎是膨胀相的时间反演。然而，我的一位同事，宾夕凡尼亚州立大学的当·佩奇指出，无边界条件没有要求收缩相必须是膨胀相的时间反演。我的一个学生雷蒙·拉夫勒蒙进一步发现，在一个稍复杂的模型中，宇宙的坍缩和膨胀非常不同。我意识到自己犯了一个错误：无边界条件意味着事实上在收缩相时无序度继续增加。当宇宙开始收缩时或在黑洞中热力学和心理学时间箭头不会反向。

当你发现自己犯了这样的错误后该如何办？有些人从不承认他们是错误的，而继续去找新的往往互相不协调的论据为自己辩解——正如爱丁顿在反对黑洞理论时之所为。另外一些人首先宣称，从来没有真正支持过不正确的观点，如果他们支持了，也只是为了显示它是不协调的。在我看来，如果你在出版物中承认自己错了，那会好得多并少造成混乱。爱因斯坦即是一个好的榜样，他在企图建立一个静态的宇宙模型时引入了宇宙常数，他称此为一生中最大的错误。

回头再说时间箭头，余下的问题是；为何我们观察到热力学和宇宙学箭头指向同一方向？或换言之，为何无序度增加的时间方向正是宇宙膨胀的时间方向？如果人们相信，按照无边界假设似乎所隐含的那样，宇宙先膨胀然后重新收缩，那么为何我们应在膨胀相中而不是在收缩相中，这就成为一个问题。

人们可以在弱人择原理的基础上回答这个问题。收缩相的条件不适合于智慧人类的存在，而正是他们能够提出为何无序度增加的时间方向和宇宙膨胀的时间方向相同的问题。无边界假设预言的宇宙在早期阶段的暴涨意味着，宇宙必须以非常接近为避免坍缩所需要的临界速率膨胀，这样它在很长的时间内才不至坍缩。到那时候所有的恒星都会烧尽，而在其中的质子和中子可能会衰变成轻粒子和辐射。宇宙将处于几乎完全无序的状态，这时就不会有强的热力学时间箭头。由于宇宙已经处于几乎完全无序的状态，无序度不会增加很多。然而，对于智慧生命的行为来说，一个强的热力学箭头是必需的。为了生存下去，人类必须消耗能量的一种有序形式——食物，并将其转化成能量的一种无序形式——热量，所以智慧生命不能在宇宙的收缩相中存在。这就解释了，为何我们观察到热力学和宇宙学的时间箭头指向一致。并不是宇宙的膨胀导致无序度的增加，而是无边界条件引起无序度的增加，并且只有在膨胀相中才有适合智慧生命的条件。

总之，科学定律并不能区分前进和后退的时间方向。然而，至少存在有三个时间箭头将过去和将来区分开来。它们是热力学箭头，这就是无序度增加的时间方向；心理学箭头，即是在这个时间方向上，我们能记住过去而不是将来；还有宇宙学箭头，也即宇宙膨胀而不是收缩的方向。我指出了心理学箭头本质上应和热力学箭头相同。宇宙的无边界假设预言了定义得很好的热力学时间箭头，因为宇宙必须从光滑、有序的状态开始。并且我们看到，热力学箭头和宇宙学箭头的一致，乃是由于智慧生命只能在膨胀相中存在。收缩相是不适合于它的存在的，因为那儿没有强的热力学时间箭头。

人类理解宇宙的进步，是在一个无序度增加的宇宙中建立了一个很小的有序的角落。如果你记住了这本书中的每一个词，你的记忆就记录了大约200万单位的信息——你头脑中的有序度就增加了大约200万单位。然而，当你读这本书时，你至少将以食物为形式的1千卡路里的有序能量，转换成为以对流和汗释放到你周围空气中的热量的形式的无序能量。这就将宇宙的无序度增大了大约20亿亿亿单位，或大约是你头脑中有序度增量——那是如果你记住这本书的每一件事的话——的1千亿亿倍。我试图在下一章更增加一些我们头脑的有序度，解释人们如何将我描述过的部分理论结合一起，形成一个完整的统一理论，这个理论将适用于宇宙中的任何东西。

谢选骏指出：所谓“绝对时间”其实就是“时间的客观性”或曰“客观的时间”。而消灭了绝对时间的“相对时间”，则是“时间的主观性”或曰“主观的时间”。当然，科学家们是不能承认这一点的，否则他们和神学家甚至艺术家就没有区别了——那就是所谓的“一个完整的统一理论，这个理论将适用于宇宙中的任何东西”。他们也不想想，人类的脑袋怎么可能装得下“一个将适用于宇宙中的任何东西的完整的统一理论”？而且还要理解它！人们可以理解的，永远只是和自身水平相一致的东西！

【第十章　物理学的统一】

正如在第一章中所解释的，一下子建立一个包括宇宙中每一件东西的完整的统一理论是非常困难的。取而代之，我们在寻求描述发生在有限范围的部分理论方面取得了进步。我们忽略了其他效应，或者将它们用一定的数字来近似。（例如，当我们用化学来计算原子间的相互作用时，可以不管原子核内部的结构。）然而，最终人们希望找到一个完整的、协调的、将所有这些部分理论当作它的近似的统一理论。在这理论中不需要选取特定的任意数值去符合事实。寻找这样的一个理论被称之为"物理学的统一"。爱因斯坦用他晚年的大部分时间去寻求一个统一理论，但是没有成功，因为尽管已有了引力和电磁力的部份理论，但关于核力还知道得非常少，所以时间还没成熟。并且，尽管他本人对量子力学的发展起过重要作用，但他拒绝相信它的真实性。看来，不确定性原理还是我们在其中生活的宇宙的一个基本特征。所以，一个成功的统一理论必须将这个原理合并进去。

正如我将描述的，由于我们对宇宙知道得这么多，现在找到这样的一个理论的前景似乎是好得多了。但是我们必须小心，不要过份自信——我们在过去有过错误的奢望！例如，在本世纪初，曾经以为每件东西都可以按照连续物质（诸如弹性和热导）的性质予以解释。原子结构和不确定性原理的发现使之彻底破产。然后又有一次，1928年物理学家、诺贝尔奖获得者马克斯·玻恩告诉一群来哥丁根大学的访问者："据我们所知，物理学将在6个月之内结束。"他的信心是基于狄拉克新近发现的能够制约电子的方程。人们认为质子——这个当时仅知的另一种粒子——服从类似的方程，并且这是理论物理的终结。然而，中子和核力的发现对此又是当头一棒。讲到这些，在谨慎乐观的基础上，我仍然相信，我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点。

在前几章中，我描述了引力的部分理论即广义相对论和制约弱、强和电磁力的部分理论。这后三种理论可以合并成为所谓的大统一理论（GUT）。这个理论并不令人非常满意，因为它没有包括引力，并且因为包含譬如不同粒子的相对质量等不能从理论预言，而必须人为选择以适合观测的一些量。要找到一个将引力和其他力相统一的理论，困难在于广义相对论是一个"经典"理论；也就是说，它没有将量子力学不确定性原理合并在里面。另一方面，其他的部分理论以非常基本的形式依赖于量子力学，所以第一步必须将广义相对论和量子力学结合在一起。正如我们已经看到的，这能产生一些显著的推论，例如黑洞不是黑的；宇宙没有任何奇点并且是完全自足的、没有边界的。正如第七章　所解释的，麻烦在于不确定性原理意味着甚至"空的"空间也是充满了虚的粒子和反粒子，这些粒子对具有无限的能量，并且由爱因斯坦的著名方程E＝mc＾2可知，这些粒子具有无限的质量。这样，它们的引力的吸引就会将宇宙卷曲到无限小的尺度。

相当类似地，在其他部分理论中也发生颇似荒谬的无限大，然而，所有这些情形下的无限大都可用称之为重正化的过程消除掉。这牵涉到引入其他的无限大去消除这些无限大。虽然在数学上这个技巧相当令人怀疑，而在实际上似乎确实行得通，并用来和这些理论一起作出预言，这预言极其精确地和观测相一致。然而，从企图找到一个完全理论的观点看，由于重正化意味着质量和力的强度的实际值不能从理论中得到预言，必须被选择以去适合观测，因此重正化有一严重的缺陷。

试图将不确定性原理合并到广义相对论时，人们只有两个可以调整的量：引力强度和宇宙常数的值。但是调整它们不足以消除所有的无穷大。所以人们得到一个理论，它似乎预言了诸如空间一时间的曲率的某些量真的是无穷大，但是观察和测量表明它们地地道道是有限的！人们对于合并广义相对论和不确定性原理的问题怀疑了许久，直到1972年才为仔细的计算所最后确证。4年之后，人们提出了一种叫做"超引力"的可能的解答。它的思想是将携带引力的自旋为2称为引力子的粒子和某些其他具有自旋为3／2、1、1／2和0的新粒子结合在一起。在某种意义上，所有这些粒子可认为是同一"超粒子"的不同侧面。这样就将自旋为1／2和3／2的物质粒子和自旋为0、1和2的携带力的粒子统一起来了。自旋1／2和3／2的虚的粒子反粒子对具有负能量，因此抵消了自旋为2、1和0的虚的粒子对的正能量。这就使得许多可能的无限大被抵消掉。但是人们怀疑，某些无穷大仍然存在。然而，人们需要找出是否还留下未被抵消的无穷大，这计算是如此之冗长和困难，以至于没有人会准备着手去进行。即使使用一个计算机，预料至少要用4年功夫，而且犯至少一个或更多错误的机会是非常高的。这样，只有其他人重复计算，并得到同样的答案，人们才能判断已取得了正确的答案，但这似乎是不太可能的！

尽管存在这些问题，尽管超引力理论中的粒子似乎不与观察到的粒子相符合的这一事实，大部分科学家仍然相信，超引力可能是对于物理学统一问题的正确答案。看来它是将引力和其他力相统一起来的最好办法。然而1984年，人们的看法显著地改变为更喜欢所谓的弦理论。在这些理论中，基本的对象不再是只占空间单独的点的粒子，而是只有长度而没有其他线度、像是一根无限细的弦这样的东西。这些弦可以有端点（所谓的开弦），或它们可以自身首尾相接成闭合的圈子（闭弦）。在每一时刻每一个粒子占据空间的一点。这样，它的历史可以在空间一时间用一根线代表（"世界线"）。另一方面，在每一时刻一根弦占据空间的一根线。所以它在空间-时间里的历史是一个叫做世界片的二维面（在这世界片上的任一点都可用两个数来描述：一个指明时间，另一个指明这一点在弦上的位置。）一根开弦的世界片是一带子，它的边缘代表弦的端点通过空间-时间的路径；一根闭弦的世界片是一个圆柱或一个管；一个管的截面是一个圈，它代表在一特定时刻的弦的位置。

两根弦可以连接在一起，形成一根单独的弦。在开弦的情形下只要将它们端点连在一起即可；在闭弦的情形下，像是两条裤腿合并成一条裤子。类似地，一根单独的弦可以分成两根弦。在弦理论中，原先以为是粒子的东西，现在被描绘成在弦里传播的波动，如同振动着的风筝的弦上的波动。一个粒子从另一个粒子发射出来或者被吸收，对应于弦的分解和合并。例如，太阳作用到地球上的引力，在粒子理论中被描述成由太阳上的粒子发射出并被地球上的粒子所吸收的引力子。在弦理论中，这个过程相应于一个H形状的管（弦理论有点像管道工程）。H的两个垂直的边对应于太阳和地球上的粒子，而水平的横杠对应于在它们之间传递的引力子。

弦理论有一个古怪的历史。它原先是60年代后期发明来试图找出一个描述强作用的理论。其方法是，诸如质子和中子这样的粒子可被认为是一根弦上的波动。这些粒子之间的强作用力对应于连接于其他一些弦之间的弦的片段——正如蜘蛛网一样。这弦必须像具有大约10吨拉力的橡皮带，才能使理论给出粒子之间强作用力的观察值。

1974年，巴黎的朱勒·谢尔克和加州理工学院的约翰·施瓦兹发表了一篇论文，指出弦理论可以描述引力，但是只不过其张力要大得多，大约是1千万亿亿亿亿吨（1后面跟39个0）。在通常尺度下，弦理论和广义相对论的预言是相同的，但在非常小的尺度下，比十亿亿亿亿分之一厘米（1厘米被1后面跟33个0除）更小时，它们就不一样了。然而，他们的工作并没有引起很大的注意，因为大约正是那时候。大多数人抛弃了原先的强作用力的弦理论，而倾心于夸克和胶子的理论，后者似乎和观测符合得好得多。谢尔克死得很惨（他受糖尿病折磨，在周围没人给他注射胰岛素时昏迷死去）。这样一来，施瓦兹几乎成为弦理论的唯一支持者，只不过现在设想的弦张力要大得多而已。

1984年，因为两个明显的原因，人们对弦理论的兴趣突然复活。一个原因是，在证明超引力是有限的，以及解释我们观察到的粒子的种类方面，人们未能真正取得进展。另一个原因是，约翰·施瓦兹和伦敦玛丽皇后学院的麦克·格林发表的一篇论文指出，弦理论可以解释内禀的左旋性的粒子存在，正如我们观察到的一些粒子那样。不管是什么原因，大量的人很快开始作弦理论的研究，而且发展了称之为异形弦的新形式，这种形式似乎能够解释我们观测到的粒子类型。

弦理论也导致无穷大，但是人们认为，它们在一种类似异形弦的变体中会被消除掉（虽然这一点还没被确认）。然而，弦理论有更大的问题：似乎只有当空间-时间是十维或二十六维，而不是通常的四维时它们才是协调的！当然，额外的空间-时间维数是科学幻想的老生常谈；的确，它们几乎是必不可少的，因为否则相对论对人们不能旅行得比光更快的限制意味着，由于要花这么长的时间，以至于在恒星和星系之间的旅行成为不可能。科学幻想的办法是，人们可以通过更高的维数抄近路。这一点可用以下方法描述。想像我们生活的空间只有二维，并且弯曲成像一个锚圈或环的表面。如果你是处在这圈的内侧的一边而要到另一边去，你必须沿着圈的内边缘走一圈。然而，你如果允许在第三维空间里旅行，则可以直穿过去。

如果这些额外的维数确实存在，为什么我们没有觉察到它们呢？为何我们只看到三维空间和一维时间呢？一般认为，其他的维数被弯卷到非常小的尺度——大约为1英寸的一百万亿亿亿分之一的空间，人们根本无从觉察这么小的尺度。我们只能看到一个时间和三个空间的维数，这儿空间-时间是相当平坦的。这正如一个桔子的表面：如果你靠非常近去看，它是坑坑洼洼的并有皱纹；但若离开一定的距离，你就看不见高低起伏而显得很光滑。对于空间-时间亦是如此。因此在非常小的尺度下，空间-时间是十维的，并且是高度弯曲的；但在更大的尺度下，你看不见曲率或者额外的维数。如果这个图像是正确的，对于自愿的空间旅行者来讲是个坏消息，额外附加的维实在是太小了，以至于不能允许空间飞船通过。然而，它引起了另一个重要问题：为何是一些而不是所有的维数被卷曲成一个小球？也许在宇宙的极早期所有的维都曾经非常弯曲过。为何一维时间和三维空间摊平开来，而其他的维仍然紧紧地卷曲着？

人择原理可能提供一个答案。二维空间似乎不足以允许像我们这样复杂生命的发展。例如，如果二维动物吃东西时不能将之完全消化，则它必须将其残渣从吞下食物的同样通道吐出来；因为如果有一个穿通全身的通道，它就将这生物分割成两个分开的部分，我们的二维动物就解体了。类似的，在二维动物身上实现任何血液循环都是非常困难的。

多于三维的空间维数也有问题。两个物体之间的引力将随距离衰减得比在三维空间中更快。（在三维空间内，如果距离加倍则引力减少到1／4。在四维空间减少到1／8，五维空间1／16，等等。）其意义在于使像地球这样绕着太阳的行星的轨道变得不稳定，地球偏离圆周轨道的最小微扰（例如由于其他行星的引力吸引）都会引起它以螺旋线的轨道向外离开或向内落到太阳上去。我们就会被冻死或者被烧死。事实上，在维数多于三维的空间中，引力随距离变化的同样行为意味着，太阳不可能由于压力和引力相平衡，而存在于一个稳定的状态，它若不被分解就会坍缩形成黑洞。在任一情况下，作为地球上生命的热和光的来源来说，它没有多大用处。在小尺度下，原子里使电子绕着原子核运动的电力行为正和引力一样，这样电子或者从原子逃逸出去，或者以螺旋的轨道落到原子核上去。在任一情形下，都不存在我们所知道的原子。

看来很清楚，至少如我们所知，生命只能存在于一维时间和三维空间没被卷曲得很小的空间-时间区域里。这表明，只要人们可以证明弦理论至少允许存在宇宙的这样的区域——似乎弦理论确实能做到这一点，则我们可以用弱人择原理。同样，也会存在宇宙的其他区域或其他宇宙（不管那是什么含意），那里所有的维都被卷曲得很小，或者多于四维几乎是平坦的。但在这样的区域里，不会有智慧生物去观察这有效维数的不同数目。

弦理论被欢呼为物理学的终极统一理论之前，除了空间-时间呈现出来的维的数目这一问题外，还有几个其他问题必须解决。我们还不能确定，是否所有的无穷大会被对消去，或如何准确地将弦的波动和我们所观测到的粒子的特殊类型相关联。尽管如此，很可能在几年的时间里，这些问题的答案就能找到了，并且到了本世纪末，我们将知道弦理论是否确实是长期梦寐以求的物理学的统一理论。

但是，确实存在这样的一个统一理论吗？或者我们也许仅仅是在追求海市屋楼。看来存在三种可能性：

（1）确实存在一个完整的统一理论，如果我们足够聪明的话，总有一天将会找到它。

（2）并不存在宇宙的最终理论，仅仅存在一个越来越精确地描述宇宙的无限的理论序列。

（3）并不存在宇宙的理论；事件在一定程度之外不可能被预言，仅仅是以一种紊乱或任意的方式发生。

有些人基于以下理由会赞同第三种可能，如果存在一套完整的定律，这将侵犯上帝改变其主意并对世界进行干涉的自由。这有点像那古老的二律背反：上帝能制造一个重到以至于它也不能将其举起的石块吗？但是上帝可能要改变主意的这一思想，这正如圣·奥古斯丁指出的，是一个想像上帝存在在时间里的虚妄的例子：时间只是上帝创造的宇宙的一个性质。可以设想，当它创造宇宙时它知道企图做什么！

随着量子力学的发现，我们认识到，由于总存在一定程度的不确定性，不可能去完全精确地预言事件。如果有人愿意，他可以将此紊乱性归结为上帝的干涉。但这是一种非常奇怪的干涉：没有任何证据表明它具有任何目的。的确，如果它有目的，则按定义就不会是紊乱的。现代由于我们重新定义科学的目标，所以已经有效地排除了上述的第三种可能性：我们的目的只在于表达一套定律，这些定律能使我们在不确定性原理的极限内预言事件。

第二种可能性，也就是存在一无限的越来越精确的理论序列，是和迄今为止我们的经验相符合。在许多场合我们增加了测量的灵敏度，或者进行了新的类型的观测，只是为了发现还没被现有理论预言的新现象，为了囊括这些，我们必须发展更高级的理论。现代的大统一理论预言：在大约100吉电子伏的弱电统一能量和大约1千万亿吉电子伏的大统一能量之间，没有什么本质上新的现象发生。所以，如果这个预言是错的话，人们并不会感到非常惊讶。我们的确可以预料，能够去找几个新的比夸克和电子——这些我们目前以为是"基本"粒子——更基本的结构层次。

然而，看来引力可以提供这个"盒子套盒子"的序列的极限。如果人们有一个比1千亿亿（1后面跟19个0）吉电子伏的所谓普郎克能量更高能量的粒子，它的质量就会集中到如此的程度，以至于会脱离宇宙的其他部分，而形成一个小黑洞。这样看来，确实当我们往越来越高的能量去的时候，越来越精密的理论序列应当有某一极限，所以必须有宇宙的终极理论。当然，普郎克能量离开大约几百吉电子伏——目前在实验室中所能产生的最大的能量——非常远，我们不可能在可见的未来用粒子加速器填补其间的差距！然而，宇宙的极早期阶段是这样大能量应该发生的舞台。我以为，早期宇宙的研究和数学一致性的要求，很有可能会导致我们中的某些人在有生之年获得一个完整的统一理论。当然，这一切都是假定我们首先不使自身毁灭的前提下而言的。

如果我们确实发现了宇宙的终极理论，这意味着什么？正如第一章　所解释的，我们将永远不能肯定我们是否确实找到了正确的理论，因为理论不能被证明。但是如果理论是数学上协调的并且总是给出与观察一致的预言，我们便可以适度地有信心认为它是正确的。它将给人类为理解宇宙的智力斗争历史长期的光辉篇章打上一个休止符。但是，它还会改变常人对制约宇宙定律的理解。在牛顿时代，一个受教育的人至少在梗概上掌握整个人类知识。但从那以后，科学发展的节奏使之不再可能。因为理论总是被改变以囊括新的观察结果，它们从未被消化或简化到使常人能理解。你必须是一个专家，即使如此，你只能希望适当地掌握科学理论的一小部分。另外，其发展的速度是如此之快，以至于在中学和大学所学的总是有点过时。只有少数人可以跟得上知识快速进步的前沿，但他们必须贡献他们的毕生，并局限在一个小的领域里。其余的人对于正在进行的发展和它们产生的激动只有很少的概念。70年以前，如果爱丁顿的话是真的，那么只有两个人理解广义相对论。今天，成千上万的大学研究生能理解、并且几百万人至少熟悉这种思想。如果发现了一套完整的统一理论，以同样方法将其消化并简化，以及在学校里至少讲授其梗概，这只是时间的迟早问题。我们那时就都能够对制约宇宙的定律有所理解，并对我们的存在负责。

即使我们发现了一套完整的统一理论，由于两个原因，这并不表明我们能一般地预言事件。第一是我们无法避免不确定性原理给我们的预言能力设立的极限。然而，更为严厉的是第二个限制。它是说，除了非常简单的情形，我们不能准确解出这理论的方程。（在牛顿引力论中，我们甚至连三体运动问题都不能准确地解出，而且随着物体的数目和理论复杂性的增加，困难愈来愈大。）除了在最极端状态下，我们已经知道规范物体行为的定律。特别是，我们知道作为所有化学和生物基础的基本定律。我们肯定还没有将这些学科归结为可解问题的状态；我们在从数学方程来预言人类行为上只取得了很少的成功！所以，即使我们确实找到了基本定律的完整集合，在未来的岁月里，仍存在着发展得更好的近似方法，使得我们在复杂而现实的情形下，能完成对可能结果的有用预言的、这一智慧的、富有挑战性的任务。一个完全的、协调的统一理论只是第一步，我们的目标是完全理解发生在我们周围的事件以及我们自身的存在。

谢选骏指出：物理学的结束或不结束，和“物理”（如果说有这个东西的话）一点关系也没有。因为物理学只是人们对于“物理”的认知，而不是物理本身（假定由此存在的话）——而物理学结束的时候，就是神学登堂入室的时候了。在此之前，科学家们会假装“一下子建立一个包括宇宙中每一件东西的完整的统一理论是非常困难的”。然后呢？他们就端出了自己炮制的理论骗局！

【第十一章　结论】

我们发现自已是处于使人为难的世界中。我们要为自己在四周所看的一切赋予意义并问道：什么是宇宙的性质？我们在它之中的位置如何，以及宇宙和我们从何而来？为何它是这个样子的？我们采用某种"世界图"来试图回答这些问题，如同无限的乌龟塔——一个支持平坦的地球是这样的一种图象一样，超弦理论也是一种图象。虽然后者比前者更数学化、更精确，但两者都是宇宙的理论。两个理论都缺乏观察的证据：没人看到一个背负地球的大龟，但也没有人看到超弦。然而，龟理论作为一个好的科学理论是不够格的，因为它预言了人会从世界的边缘掉下去。除非发现它能为据说在百慕达三角消失的人提供解释。这个预言和经验不一致！

最早先在理论上描述和解释宇宙的企图牵涉到这样的思想，事件或自然现象是由具备人类感情的灵魂所控制，它们的行为和人类非常相像，并且是不可预言的。这些灵魂栖息在自然对象之中，诸如河流和山岳，包括诸如太阳和月亮这样的天体之中。它们必须被祈祷并供奉，以保证土壤的肥沃和四季的变化。然而，一些规律性逐渐地被注意到：太阳总是东升西落，而不管是否用牺牲去对之进贡。更进一步，太阳、月亮和行星沿着以被预言得相当精确的轨道穿越天穹。太阳、月亮仍然还可以是神祗，只不过是服从严格定律的神。如果你不将耶和华停止太阳运行之类的神话当真，则这一切显然是毫不例外的。

首先，只有在天文学和一些其他情形下，这些规则和定律是显而易见的。然而随着文明的发展，特别是近300年期间，越来越多的规则和定律被发现。这些定律的成功，使得拉普拉斯在19世纪初主张科学的宿命论。他提议只要给定宇宙在某一时刻的结构，由给定的一组定律即能精确地决定它的演化。

拉普拉斯的宿命论在两个方面是不完整的。它没讲定律应该如何选择，也没指定宇宙的初始结构。这些都留给了上帝。上帝会选择让宇宙如何开始并要服从什么定律，但是一旦开始之后它将不再干涉。事实上，上帝是被限制于19世纪科学不能理解的领域里。

我们现在知道，拉普拉斯的宿命论的希望，至少在按照他头脑中的方式，是不能实现的。量子力学不确定性原理表明，某些诸如粒子的位置和速度的对偶的量，不能同时以完全的精确度去预言。

量子力学通过一族量子理论来处理这种情形，粒子没有很好定义的位置和速度，而是由一个波来代表。它们给出了这波随时间演化的定律，在这种意义上，这些量子理论从属于宿命论。这样，如果某一时刻这个波是已知的，便可以将任一时刻的波算出。只是当我们试图按照粒子的位置和速度对波作解释之时，不可预见性的紊乱的要素才出现。但这也许是我们的错误：也许不存在粒子的位置和速度，只有波。只不过是我们企图将波硬套到我们预想的位置和速度的观念之中而己。由此导致的不一致乃是表面上不可预见性的原因。

事实上，我们已经重新将科学的任务定义为发现能使我们在由不确定性原理设定的极限内预言事件的定律。然而，还存在如下问题：宇宙的定律和初始条件是如何及为何选取的？

在本书中，我特别将制约引力的定律突出出来，因为正是引力使宇宙的大尺度结构成形，即使它是四类力中最弱的一种。引力定律和直到相当近代还被坚持的宇宙随时间不变的观念不相协调：引力总是吸引的这一事实意味着，宇宙必须或者在膨胀或者在收缩。按照广义相对论，宇宙在过去某一时刻必须有一无限密度的状态，亦即大爆炸，这是时间的有效起始。类似地，如果整个宇宙坍缩，在将来必有另一个无限密度的状态，即大挤压，这是时间的终点。即使整个宇宙不坍缩，在任何坍缩形成黑洞的局部区域里都会有奇点。这些奇点正是任何落进黑洞的人的时间终点。在大爆炸或其他奇点，所有定律都失效，所以上帝仍然有完全的自由去选择发生了什么以及宇宙是如何开始的。

当我们将量子力学和广义相对论相结合，似乎产生了以前从未有过的新的可能性：空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的没有奇点或边界的空间，这正如地球的表面，但有更多的维数。看来这种思想能够解释观察到的宇宙的许多特征，诸如它的大尺度一致性，还有像星系、恒星甚至人类等等小尺度的对此均匀性的偏离。它甚至可以说明我们观察到的时间的箭头。但是如果宇宙是完全自足的、没有奇点或边界、并且由统一理论所完全描述，那么就对上帝作为造物主的作用有深远的含义。

有一次爱因斯坦问道："在制造宇宙时上帝有多少选择性？"如果无边界假设是正确的，在选择初始条件上它就根本没有自由。当然，它仍有选择宇宙所服从的定律的自由。然而，实在并没有那么多的选择性；很可能只有一个或数目很少的完整的统一理论，它是自治的，并且允许复杂到像能研究宇宙定律和询问上帝本性的人类那样的结构的存在。

即使只存在一个可能的统一理论，那只不过是一组规则或方程。是什么赋予这些方程以生命去制造一个为它们所描述的宇宙？通常建立一个数学模型的科学方法不能回答，为何必须存在一个为此模型所描述的宇宙这样的问题。为何宇宙陷入其存在性的错综复杂之中？是否统一理论是如此之咄咄逼人，以至于其自身之实现成为不可避免？或者它需要一个造物主？若是这样，它还有其他的宇宙效应吗？又是谁创造了造物主？

迄今，大部分科学家太忙于发展描述宇宙为何物的理论，以至于没工夫去过问为什么的问题。另一方面，以寻根究底为己任的哲学家不能跟得上科学理论的进步。在18世纪，哲学家将包括科学在内的整个人类知识当作他们的领域，并讨论诸如宇宙有无开初的问题。然而，在19和20世纪，科学变得对哲学家，或除了少数专家以外的任何人而言，过于技术性和数学化了。哲学家如此地缩小他们的质疑的范围，以至于连维特根斯坦——这位本世纪最著名的哲学家都说道："哲学仅余下的任务是语言分析。"这是从亚里士多德到康德以来哲学的伟大传统的何等的堕落！

然而，如果我们确实发现了一套完整的理论，它应该在一般的原理上及时让所有人（而不仅仅是少数科学家）所理解。那时，我们所有人，包括哲学家、科学家以及普普通通的人，都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨论。如果我们对此找到了答案，则将是人类理智的最终极的胜利——因为那时我们知道了上帝的精神。 

阿尔贝特·爱因斯坦 

爱因斯坦和核弹政治的瓜葛是众所周知的：他签署了那封著名的致富兰克林·罗斯福总统的信，说服美国认真考虑他的想法，并且他在战后从事阻止核战争的各项努力。但是，这些不仅仅是一位科学家被拖入政界的孤立行动。事实上，爱因斯坦的一生用他自己的话来说是"踌躇于政治和方程之间。"

爱因斯坦最早从事政治活动是在第一次世界大战，当时他在柏林当教授。由于目睹草菅人命而不胜厌恶，他卷入了反战示威。他拥护国内反抗以及公开鼓励人民拒绝征兵，因而不讨他的同事们喜欢。后来，在战时他又致力于调解和改善国际关系。这也不得人心，而且他的政治态度很快使他难以访问美国，甚至连讲学都有困难。

爱因斯坦第二个伟大的事业是犹太复国主义。虽然他在血统上是犹太人，但他拒绝《圣经》上关于上帝的说法。然而，第一次世界大战之前和期间，他越发看清反犹主义，这导致他逐渐和犹太团体相认同，而后成为一个直言不讳的犹太复国主义的拥护者。再度不受欢迎也未能阻止他发表自己的主张。他的理论一发表就受到攻击，甚至成立了一个反爱因斯坦的组织。有一个人被定罪为教唆他人去谋杀爱因斯坦（只罚了6美金）。但爱因斯坦是冷静的：当一本书以题为《100个反爱因斯坦的作家》出版时，他反驳道："如果真是我错了的话，那么一个人反对我就足够了！"

1933年，希特勒上台了，爱因斯坦正在美国，他宣布不再回德国。后来纳粹义勇军抄查了他的房子，并没收了他的银行账号。一家柏林报纸的头条写道："来自爱因斯坦的好消息——他不回来了。"面对着纳粹的威胁，爱因斯坦放弃了和平主义，终于忧虑到德国科学家会制造核弹，因而建议美国应该发展自己的核弹。但是，即使在第一枚原子弹爆炸之前，他就曾经公开警告过核战争的危险，并提议对核武器进行国际控制。

贯穿爱因斯坦一生，他致力于和平的努力可能成效甚微——肯定只说服了很少的朋友。然而，他对犹太复国主义事业的口头支持在1952年被及时承认，其时他被推荐为以色列的总统。但他谢绝了。他说他认为自己在政治上太天真。可是，也许其真正的原因却并非如此，再次引用他自己的话："方程对我而言更重要些，因为政治是为当前，而一个方程却是一种永恒的东西。" 

伽利雷·伽利略 

伽利略可能比任何其他的人更有资格称为近代科学的奠基人。其与天主教会名闻遐迩的冲突是他哲学的中心事件。这是因为伽利略是作如下论断最早的人之一：人类有望理解世界是怎样运行的，而且我们还能通过观察现实世界来做到这一点。

伽利略很早就相信哥白尼理论（即行星绕太阳公转），但只有当他发现了证据来支持这一学说时，才公开表示支持。他用意大利文写有关哥白尼理论的文章（没有用普通的学院式拉丁文），并且他的观点很快就广泛地得到大学界之外的支持。这惹怒了亚里士多德派的教授们，他们联合起来反对他，并极力说服天主教会禁止哥白尼主义。

伽利略为此而担心，他赶到罗马去向天主教权威当面申诉。他争辩道，《圣经》并未试图告诉我们任何关于科学理论的东西，通常都是假定，当《圣经》和常识发生矛盾时，就成为比喻。但是教会害怕这丑闻可能伤害它对新教徒的斗争，所以采取了镇压的手段。1616年，它宣布哥白尼主义是"虚伪的、错误的"，并命令伽利略不准再"保卫或坚持"这一学说。伽利略勉强接受了。

1623年，伽利略的一位长期朋友成为教皇。伽利略立即试图为1616年的判决翻案。他失败了，但他设法获得了准许，在两个前提下写一本叙述亚里士多德派和哥白尼派理论的书：他不能有倾向，同时要得出结论，人类在任何情况下都无法决定世界是如何运行的，因为上帝会以人类不能想像的方法来达到同样的效果，而人类不能限制上帝的万能。

这本题为《关于两个主要世界体系的对话》的书，于1632年在检查官的全面支持下完成并出版了，并且立刻被全欧洲欢呼为文学和哲学的杰作。不久教皇就意识到，人们把这本书看作是确认哥白尼主义的论证，后悔允许该书出版。教皇指出，虽有检查官正式批准出版该书，但伽利略依然违背了1616年的禁令。他把伽利略带到宗教法庭面前，宣布他终身软禁，并命令他公开放弃哥白尼主义。伽利略又第二次被迫从命。

伽利略始终是一个忠实的天主教徒，但是他对科学独立的信仰从来未被动摇过。1642年，即他逝世前4年，当他仍然被软禁时，他第二本主要著作的手稿被私下交给一个荷兰的出版商。正是这本被称为《两种新科学》的书，甚至比支持哥白尼更进一步，成为现代物理学的起源。 

伊萨克·牛顿 

伊萨克·牛顿不是一个讨人喜欢的人物。他和其他院士的关系声名狼藉。他晚年的大部分时间都是在激然的争吵纠纷中渡过。随着那部肯定是物理学有史以来最有影响的书——《数学原理》的出版，牛顿很快就成为名重一时的人物。他被任命为皇家学会主席，并成为第一个被授予爵士的科学家。

牛顿不久就与皇家天文学家约翰·夫莱姆斯梯德发生冲突。他早先曾提供牛顿许多《原理》一书所需的数据，后来他扣压了牛顿需要的资料。牛顿是不许别人回答"不"字的，他自封为皇家天文台的大总管，然后迫使立即出版这些数据。最后，他指使夫莱姆斯梯德的冤家对头爱德蒙·哈雷夺得夫莱姆斯梯德的工作成果，并且准备出版。可是夫莱姆斯梯德告到法庭去，在最紧要关头，赢得了法庭的判决：不得散发这剽窃的著作。牛顿被激怒了，作为报复，他就在后来的《原理》版本中系统地删除所有来自夫莱姆斯梯德的引证。

他和德国哲学家高特夫瑞德·莱布尼兹之间发生了更严重的争吵。莱布尼兹和牛顿各自独立地发展了叫做微积分的数学分支，它是大部分近代物理的基础。虽然现在我们知道，牛顿发现微积分要比莱布尼兹早若干年，可是他很晚才出版他的著作。随着关于谁是第一个发现者的严重争吵的发生，科学家们激烈地为双方作辩护。然而值得注意的是，大多数为牛顿辩护的文章均出自牛顿本人之手，只不过仅仅用朋友的名义出版而已！当争论日趋激烈时，莱布尼兹犯了向皇家学会起诉来解决这一争端的错误。牛顿作为其主席，指定了一个清一色的由牛顿的朋友组成的"公正的"委员会来审查此案。更有甚者后来牛顿自己写了一个委员会报告，并让皇家学会将其出版，正式地谴责莱布尼兹剽窃。牛顿还不满意，他又在皇家学会自己的杂志上写了一篇匿名的、关于该报告的回顾。据报道，莱布尼兹死后，牛顿扬言他为伤透了莱布尼兹的心而洋洋得意。

在这两次争吵期间，牛顿已经离开剑桥和学术。在剑桥他曾积极从事反天主教运动，后来在议会中也很活跃，最终作为酬报，他得到皇家造币厂厂长的肥缺。在这里，他以社会上更能接受的方式，施展他那狡狯和刻薄的能耐，成功地导演了一场反对伪币的重大战役，甚至将几个人送上了绞刑架。

1982年我在哈佛作过洛伊伯（Loeb）演讲之后，决定尝试写一本关于空间和时间的通俗读物。从像史蒂芬·温伯格《最初三分钟》那么好的，到那些甚至我都不想点名的差劲的，关于早期宇宙和黑洞的书已经出版了可观的数量。然而，我觉得它们之中的任何一本都未真正提到那些导致我研究宇宙学和量子理论的动机的问题：宇宙从何而来？它为什么，井怎么样开始的？它会有末日吗？如果有的话，会发生什么？这些是我们大家都感兴趣的问题。但是现代科学变得如此之技术化，以至于仅有极少数的专家能掌握解释这些问题所用到的数学。不过关于宇宙的起源和命运的基本概念则可以离开数学，以一种没有受过科学训练的人也能理解的形式来加以陈述。这就是我在这本书里试图要做的，是否成功则要由读者判断了。 

有人告诉我，我放在书中的每一个方程都会使本书的销售量减半，为此我决定一个方程也不用。然而，在最后我确实用了一个方程，即爱因斯坦著名的方程E＝mc＾2，我希望这个方程不会吓跑一半我的潜在读者。 

除了够倒霉地得了卢伽雷即运动神经细胞的病外，我几乎在其他每个方面都是幸运儿。我从我的妻子筒、我的孩子罗伯特、露西和梯米那儿得到的帮助和支持，使我能有一个相当正常的生活和成功的事业。我选择了理论物理是又一大幸，因为它是整个用脑进行的。所以我的瘫痪并没有成为一个严重的障碍。我的科学同事无一例外地都是非常乐于助人的。 

在我生涯的第一个"经典"相期间，我主要的合作者及助手有罗杰·彭罗斯、罗伯特·格罗许、布兰登·卡特和乔治·埃里斯。我对他们给予我的帮助以及我们一起做的工作深表感谢。这一相被概括为我和埃里斯合写于1973年的《空间时间的大尺度结构》一书中。我并不主张本书的读者去啃那本书来获得进一步的了解：它是高度技术性的，很难读通。我希望从写了那本书之后我懂得了用何种写法才能容易被理解。 

在我的工作的第二个"量子"相期间，从1974年起我主要的合作者是盖瑞·吉朋斯、当·佩奇和詹姆·哈特尔。我欠了他们和我的学生们很多情。他们不仅在身体上，而且在理论上都给了我极大的帮助。保持和我的学生相处在一起是一个巨大的激励，同时我希望这能帮助我免于因循守旧。 

就这本书而言，我从我的一个学生布里安·维特那儿得到许多帮助。1985年我在完成了第一稿后得了肺炎。我不得不接受穿气管的手术。这个手术使我丧失了说话的能力，从而使我几乎无法和人交谈。我想可能完成不了这本书了。然而，布里安不仅帮助我修改，还使我学会使用一个叫做"生活中心"的通讯程序。这是由加利福尼亚太阳谷峨而兹·帕拉斯公司的瓦特·沃尔托兹捐赠的，我可以用它写书和写论文，并用语言合成器对人讲话。这合成器也是由加利福尼亚太阳谷的语言及其他公司捐赠的。语言合成器和一个小型的个人计算机由大卫·梅森装在我的轮椅上。这个系统使我有了巨大的变化：实际上我现在能够通讯得比我失声之前还要好。 

我从大量看过最初稿的人那儿得到如何改进此书的建议，特别是我的拜泰姆书社的编辑彼得·古查底送给我厚厚的一迭关于他觉得我还没有适当说清楚的地方的评语和疑问。我必须承认。当我收到他长长的要修改的地方的清单时相当恼火。可是，他是完全对的。我相信在他的酷使下，最终使这本书变得更好。 

我非常感谢我的助手柯林·威廉斯、大卫·托玛斯和雷蒙·拉夫勒蒙；我的秘书朱迪·费拉、安·若尔夫、谢锐尔·比林顿和舒·马赛以及我的护士班。若没有龚维尔和凯尔斯学院、科学工程研究协会、赖佛荷尔姆、马克阿瑟、纳菲尔德及若尔夫·斯密斯基金会所提供的我的研究和医药费用，所有这一切都是不可能的。对此谨表谢意。 

——史蒂芬·霍金 

1987年10月20日 

谢选骏指出：科学家本来应该是有一说一的，但实际上他们却像哲学家那样——“我们要为自己在四周所看的一切赋予意义并问道：什么是宇宙的性质？我们在它之中的位置如何，以及宇宙和我们从何而来？为何它是这个样子的？”……这就是科学家们的狡猾。如此不敬业的态度，严重干扰了科学活动，最终使得渴望终极答案的科学家成为一群骗子。在我看来，既然你们选择了科学这一职业，你们就不再有资格询问终极问题了。

【后记、霍金是幸灾乐祸的同情心产物】

《霍金是犹太集团用来证明媒体和金钱力量的试验品》（ 田原 2021-01-18）报道：

下面一篇文章非常详细的列出了霍金成就的邪门之处。其实，如果你认真去查询一下霍金背后是什么人，你就一目了然了。

无论是霍金的导师，霍金的学生，合作者，还是霍金的助手，都是犹太人。

可以相当肯定的认为，支持霍金的资金也是犹太资金。

宣传霍金的媒体，肯定也是犹太媒体。霍金作为一个冰冻症患者，不仅身体行动很难进行，思考问题，科学演算，几乎都是完全不可能的。

没有哪个科学家可以不用笔纸，进行书写，演算，和逻辑推导，就可以得出伟大的结论。而霍金，竟然就做到了。而且出版了很多文章和书，还参加很多的社会活动。可以说，他完全是被犹太人像木偶一样牵着行动的。

所谓的霍金论文，不过是犹太合作者写出来的，挂了霍金当第一作者。

所谓发表演讲时的语言，不过是幕后的犹太人，人工发音而已。和霍金的手势根本没有任何关系。

所谓霍金的观点，政治影响力，不过是犹太人用媒体，进行鼓吹，宣传，造假，愚弄观众制作的结果。

犹太人之所以这样做，不过是为了一个目的：只要有强大的媒体和金钱，哪怕是一个植物人，也可以吹嘘成一个伟大的科学家。

《霍金就是一个骗子！》

有些习以为常的事，却可能隐藏着不为人知的秘密。关于科学大师霍金，这篇文章，提出了一个很独特的看法。本号转发并不代表赞同其观点，但这个话题值得讨论。

背景信息：在1963年21岁时，霍金患上了罕见的“渐冻人症”，这是医学绝症，最多只有两三年存活。55年来，霍金不断挣扎在死亡边缘，全身肌肉逐步萎缩，惟一能动的只有眼睛和三根手指。因为无法谈话，他经过红外线侦测本人的眨眼举措转化为文字，并经过语音分解器读出相干文字。虽然霍金身患稀有绝症，他依然热衷大众演讲，乐于与公众进行思维交流，将政治观点传播到世界各地。霍金以倔强的求生欲和旺盛的生命力，成为“渐冻人症”患者中存活最长的人。

1974年霍金发布论文——黑洞有辐射

1983年宇宙无限，提出无边界条件

1988年发布《时间简史》，风靡世界

重度残疾的霍金经常妙语频出、快言快语：

1、宇宙中肯定存在着其它方式的生命，或许外星生命正盯着人类看；

2、地球将在二百年内毁灭，人类要移民；

3、2600年能源消耗增加，地球很可能将变成“火球”；

4、人工智能可能招致人类沦亡；

5、黑洞其实不存在，不过“灰洞”存在

正文

站在当代医学角度，霍金存在于2010年代这事本身就是反科学的。 

霍金当年患的什么病呢——肌萎缩侧索硬化症/运动神经细胞病，俗称“渐冻人症”，这是比癌症还可怕的人类五大绝症之一。渐冻人患者发病后的寿命是2-5年，根据霍金病情的严重程度，当时英国最好的医院诊断为还有2年寿命。此病发端自神经，会导致所有与运动神经相关的肌肉萎缩。比如面部表情肌停摆，导致脸部僵硬塌陷，以及喉部的声带肌停止运作导致无法发声。

最终是维持生命的呼吸肌停摆，一旦肺部停止工作、患者生命体征停止。

这个过程推进迅速且不可逆，目前的人类医学均回天乏术。世界上没有任何生命维持系统可以针对渐冻人成功地运转，直到二十一世纪都是世界级难题。各国医学前沿都束手无策，更不用说那个遥远的，霍金患病的1960年代。

在全世界病人被全力抢救都活不过5年的年代，霍金一路流畅地又活过了55年，比多数健康男子还长命。你有没有想过——这并非一个生命的奇迹而是个精心设计的局？不仅如此，他竟然频繁地写书、做讲座、接受采访、公众演讲、做电视节目，还到夜总会和脱衣舞娘玩游戏。

哪怕是个健康老人，这种频率也被折腾死了。更不用说此君从头到尾都是在积极参与各种政治活动。心肺功能早已衰竭、呼吸困难的他，更从未安静地搞过科研。

霍金团队编制了一个巨大的科幻神话，每个篇章都希望别人无条件相信，而且几乎办到了。如果他们的教主是个普通人，这些措辞不严谨的句子将会无人理睬。然而这是个“身残志坚”的奇迹男子说的箴言，公众不得不为之拜倒。

霍金这些年都在干什么？研究科学吗？

看看他的各种公开活动吧！“霍金”忙着会见各种政要，并发表政治演说：他极力反对英国脱欧；他在演讲中讽刺美国川普总统；他在采访中坚决反对苏格兰独立；讨伐美国脱离巴黎协定；他鼓吹全球正在变暖；他还说地球即将毁灭；要把不相信的人都送去金星体验生活。

他的举动越来越不像个科研领域的从业者，更像是开创了一门新宗教的先知。然而他赖以发号施令的那把神奇的椅子，号称人工智能前沿科技的集大成者，却从来未向世人展示过。让咱们来围观一下，直到现在，霍金团队没敢同意任何志愿者上去测试。

眼球传感器，以及面部表情输入法的效率。眼神驱动轮椅上坡及开门，相比别的功能还有一定的可信度。然而对于神经病变肌肉萎缩的面瘫的渐冻患者，这功能可执行度依然很低。

和眼神驱动比起来，即兴演讲功能这是个大BUG。请注意，霍金的所有演讲，据称都是通过面部抽动，来打字造句并通过电脑翻译成语音的！正常人可以试试，哪怕在高科技辅助下，你用面部抽动控制键盘的速度，能赶得上双手的效率吗？ 

YouTube上有个摄制组找到了NASA神级打字员，让他用灵巧的双手输入英文并译成语音，这个速度依然远不及人类说话，请问霍金接受采访时那些妙语连珠是咋回事？

即便他的大脑在心肺功能失调下、供氧不足，我也敢相信他的思维效率依然很高，然而他的脸打字真的如此神速吗？

姑且连这也信了吧。

可是整个采访中，他的脸看上去都毫无动静啊！不要忘了他是60年代的渐冻人，面部肌肉几乎完全萎缩了！正常人的脸都办不到，甚至正常人的手都办不到的信息录入效率，一位患病数十年的渐冻人办到了！

这真的太“科学”了？！

所谓科学主义者的双重标准，是用科学的借口去压制质疑的声音。同时用非理性的执念，来欺骗自己相信他们认准的东西。

就在上周，NASA的官推说霍金是本世纪最伟大物理学家？哈哈，请容我不怀好意地笑五分钟。请问他在科研领域发明了什么？又发现了什么？ 

NASA的低效和腐败咱已经不止一次吐槽过，埃隆·马斯克早已把这个国有大机构扇得啪啪作响，咱就只想要一个实证。请霍金团队告诉我：

黑洞、红移、宇宙膨胀、宇宙大爆炸，这些他常玩的概念里，哪一项可以归功于霍金？

黑洞是广义相对论中，宇宙空间内存在的一种天体。理论奠基人是爱因斯坦。而首次通过计算得出实体概念，是在1916年由德国天文学家卡尔·史瓦西完成的。首次命名该类天体为黑洞，是美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒。

之后的一个世纪，数以千计的科学家着手研究黑洞。霍金身处其间，却并不能脱颖而出。红移是基于多普勒效应推导出的物理现象，理论奠基人是多普勒。

法国物理学家斐索，在1848年首先观测到了恒星红移。1901年贝罗波斯基用实验证明了可见光红移。1912年开始的一系列观测，斯莱福等人发现绝大多数的螺旋星云，都有明显的红移。1929年哈勃定律问世，爱因斯坦等人不得不接受了宇宙膨胀理论。

而与之相比匹配的宇宙大爆炸理论，是1927年由比利时天文学家勒梅特提出的，请问这跟霍金有什么关系吗？

依然不服？咱们再来聊聊20世纪物理学的冰山一角吧。先说点直接和天文宇宙相关的，射电天文四大发现：类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射。

哪一个不伟大？

主导这些重大科学突破的科学家们，哪个敢宣称“本世纪最伟大”了？与宇航科技以及数十个前沿科学领域相关的量子光学、激光科学的奠基人，难道不伟大？

激光科学理论的提出、实验的巧妙，以及其衍生科学对人类社会的巨大影响。无论是激光显示、激光通讯、激光医学，还是激光制造，哪个不伟大？但是哪个敢自称最伟大？

粒子物理学。直至六十年代初，实验发现的基本粒子的数目已达到近百种，参与大发现的科学家数以千计。在此我简短盘点一下。

1932年查德威克在α粒子轰击核的实验中，发现了中子。爱因斯坦提出了光子，而密立根和康普顿的实验证实了它。泡利提出的中微子在1956年被实验证实。

狄拉克提出的正电子被安德森在1932年观测到。1936年安德森还从宇宙线中发现了渺子。1935年汤川秀树预测了介子的存在。1947年鲍威尔、拉特、奥卡里尼合作，发现了第一个真正的介子。

………

在物理学史中有重大发现的20世纪科学家，简直是灿若繁星。

1964年，英国物理学家彼得·希格斯，提出了希格斯玻色子，它也被称为“上帝粒子”，2013年3月14日欧洲核子研究组织公开确认上帝粒子被发现。当年的希格斯玻色子，是物理学基本粒子“标准模型”理论中，最后一种未被发现的基本粒子，其自旋为零，其他粒子在希格斯玻色子作用下产生质量，为宇宙形成奠定基础，它的发现使得当代物理学近乎完美。

请问以上伟大科学发现中，“最伟大的科学家霍金”担纲了什么？没获诺奖只因运气？既无颠覆性的科学发现，又没主导或参与重大科学实验项目，请问这也叫“最伟大物理学家”？

有朋友问我，霍金比不上爱因斯坦，那比杨振宁伟大吧？

今天我给个结论吧，得过诺贝尔奖的杨振宁远比霍金强。为什么？因为他配合李政道发现了“宇称不守恒定律”，颠覆了之前物理学界的共识。

杨振宁李政道的理论，及之后吴健雄女士巧妙的实验告诉人类，上帝并不公平，互为镜像的物质的运动是不对称的。

换个说法，如果用反粒子代替粒子，把左换成右，以及颠倒时间的流向，变换后的物理过程仍遵循同样的物理定律吗？No No！之前大师们的想法都错了啊！之后的科学研究发现，连时间本身也不再具有对称性了。

该发现不但完善了宇宙大爆炸理论，同时还彻底颠覆了现代物理学的各种“守恒”，充分解释了宇宙为何有这么多瑰丽奇幻的星云，与生命的痕迹。

这是划时代的发现，对于宏观世界及微观世界的研究都有很大帮助。诺奖当之无愧，但这样的发现依然不能被称为“最伟大”，物理学发现的沧海一粟而已。

还有群友问到，霍金他虽然没有科研成就，至少在科普领域做出了贡献，写了很多书。咦，科普作家能被称为“最伟大科学家”？请容我调皮一下，哎，这类话题你该去找方舟子聊聊。

人生有很多悲伤困苦，还有无法解脱的生老病死，所以人们总喜欢膜拜点什么。科学也是高大上的一类，看霍金的标签：

一个人定胜天的抗争传奇；

一位没有卓越创见的科学大师；

一位热衷人类政治的物理作家；

一张无法造福世人的神奇椅子；

一套无法重现的用脸说话系统；

……

相比这位指点宇宙、引导人类前行的霍金大师，我倒是更喜欢流浪的沈先生，他说：“请大家不要关注我。我就是喜欢公益，坚持垃圾分类而已。”就这么简单，这么自得其乐。

子非鱼，焉知鱼之乐。知鱼之乐，焉知鱼之痛。这个世界的大部分问题，都因为太多的人，关注别人太多，反省自己太少。在这个高度物化的年代，网络信息泛滥，观点碎片化成灾，还有多少人能够安静地通读几本好书呢？请尊重沈先生，让他安静地做自己喜欢的事情吧。

霍金究竟是人间奇迹，还是精心布局？

谢选骏指出：我觉得霍金既非人间奇迹，亦非精心布局；而是幸灾乐祸的同情心产物。就像梵高和尼采因为悲惨的命运，而获得了世人的垂青。试问这样的垂青，如此残忍，谁愿意交换承受呢？至于其他投机取巧，那是人情难免的结果。

（另起一单页）

第三部

《宇宙最后三分钟》的末日神学

（另起一单页）

第三部目录

导论8、带着口罩扮演上帝

导论9、哈勃望远镜和爱因斯坦

导论10、宇宙间最难确定的，就是人类的科学了

《宇宙最后三分钟》批判

前言

第一章 “世界末日”

第二章 走向死亡的宇宙

第三章 最初三分钟

第四章 恒星的末日

第五章 黑夜降临

第六章 给宇宙过磅

第七章 悠悠岁月

第八章 慢道上的生命

第九章 快道上的生命

第十章 暴卒与再生

第十一章 世界无尽头吗

后记

（另起一页）

【导论8、带着口罩扮演上帝】

《人类要在月球建永久基地 成多星球物种》（2021-04-24 科技在线）报道：

4月23日，在SpaceX执行Crew-2航天飞行任务后，马斯克称距离人类上一次登上月球，已经将近半个世纪，我们需要回到那里，在月球上建立一个永久的基地，还要在火星上建造一座城市，成为一个太空文明，一个多星球物种。

马斯克认为，SpaceX可以帮助美国宇航局（NASA）实现其雄心勃勃的目标，即在2024年之前让宇航员登上月球。

马斯克今日在SpaceX执行“Crew-2 ”任务之后表示：“我认为这是可以做到的。事实上，我们的目标会比这更早，我认为这是可行的。我们正在建造很多火箭，相信会实现这一目标的。”

上周，SpaceX从NASA赢得了一份价值29亿美元的合同。根据该合同，SpaceX将建造其“星际飞船”火箭的变种，最快在2024年将宇航员送至月球。

马斯克对此表示：“能被NASA选中，让人类重返月球是一种莫大的荣幸。”此外，马斯克还强调了SpaceX在等登陆月球和火星方面的愿景。

马斯克说：“距离人类上一次登上月球，已经将近半个世纪了。这太漫长了，我们需要回到那里，在月球上建立一个永久的基地。然后，还要在火星上建造一座城市，成为一个太空文明，一个多星球物种。我们不想成为那些单一星球物种中的一员，我们想成为一个多星球物种。”

马斯克此前曾预计，开发“星际飞船”将耗资约50亿美元。他今日表示，此次赢得NASA载人着陆系统合同真的大有帮助，因为到目前为止，“星际飞船”的开发大多是由内部资助的，而且相当昂贵。

马斯克说：“这是一种很难制造的运载火箭，因为我们正试图破解这种快速且完全可重复使用的火箭。要彻底改变太空，真正需要的是一种快速可重复使用的火箭，且非常可靠。”

谢选骏指出：看看这个圈钱大王，翻手为云、覆手为雨，带着口罩却扮演上帝。他哪里知道，在太空中生活，比在地球瘟疫中生活，困难百倍！对疫情无法忍受的人类，可能移植太空吗？

【导论9、哈勃望远镜和爱因斯坦】

《天文学家用哈勃望远镜发现证实爱因斯坦相对论》（2015年03月10日 科技日报）报道：

日前，天文学家利用哈勃望远镜，首次捕获了来自一颗被星系团扭曲的爆炸恒星的图像，证实了爱因斯坦的广义相对论。

据英国《独立报》网站3月6日报道，一个世纪以前，世界上最伟大的科学家爱因斯坦首次预言了这一效应。现在，经过对太空长达50年的观测，该效应终于被观测到。

图像显示，4个光斑都源自一颗超新星的爆炸，它们在一个遥远星系团周围排列成一个“爱因斯坦十字”。光斑的形成原因是，星系团中的暗物质使来自超新星的光线发生弯曲，尽管超新星与星系团有许多光年的距离，但从哈勃望远镜上看，超新星就位于星系团的后面。

美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家帕特里克·凯利说，4个光斑在宇宙中的运动轨迹各不相同，而它们运动的时间受其穿越的暗物质的数量影响。凯利所在的国际研究小组得到了美国航天局和欧洲航天局的支持。

美国约翰斯·霍普金斯大学的科学家史蒂夫·罗德尼说，这就好比几列火车同时从同一个站台出发，前往同一个目的地，但路线各不相同，速度也不一样。

爱因斯坦的广义相对论预言，宇宙物质的高度集中将形成强大的引力，能让穿过其中的光线发生弯曲，就像光线穿过透镜一样。

尽管引力透镜效应早在1979年就被发现，而且随后被证实存在于星系和类星体等天体中，但此次是天文学家首次通过恒星——一个距离地球93亿光年的超新星——爆炸释放的强烈光线发现引力透镜效应。

2014年11月11日，天文学家在分析哈勃望远镜收集的图像时首次看到，4个光斑围绕一个距离地球50亿光年的星系团形成十字，随后天文学家利用地球上的其他望远镜分析了这些图像。哈勃望远镜捕获的这颗超新星的4个图像出现的时间彼此相距几天或几周。凯利博士说：“当我在这个星系团周围发现这4个图像时，我十分诧异。这完全出乎我的意料。”

凯利博士说：“我们可以看到这颗超新星4次，通过测量其在4个图像上出现的时间差，我们希望能对这颗超新星、其在爆炸前的形态以及引力透镜效应有一些了解。”

谢选骏指出：上文荒谬至极——用哈勃望远镜来证实爱因斯坦理论！这岂不是本末倒置了吗？事实上，爱因斯坦才是错误的一方。

《从哈勃到哈勃深空场（三）——爱因斯坦一生中最大的Bug

思考》（中国科学技术大学 力学硕士 宇航探索局出品）报道：

本期为从哈勃到哈勃深空场第三篇，上一篇为：《从哈勃到哈勃深空场（二）——膨胀在气球上的宇宙》

上期讲到哈勃定律，哈珀定律看似简单，它却预示着宇宙是在膨胀之中。当时爱因斯坦还远在大西洋的欧洲彼岸，读到哈勃的论文，震惊地好几天睡不着觉，因为哈珀的发现和他提出的广义相对论相互印证。

故事要从一个数说起

这可不是一个普普通通的数，它是维持宇宙稳定的常数。时间要退回到1916年，那年爱伊斯坦发表了几个描述引力如何在广义相对论中起作用的方程式。这是一个伟大的功绩，但也确实存在着重大的失误。

1917年2月，根据广义相对论的推论，爱因斯坦在一篇论文中提出了“有限无界”的宇宙模型，但该模型直接说明宇宙不能是静态的，要么膨胀，要么收缩。

这在当时是一个离经叛道之说，爱因斯坦自己也不愿相信，于是在引力场方程中硬生生地加入了一个常数，以保证宇宙处于静态。后来我们称这个常数为“宇宙学常数”。

添加了宇宙学常数的广义相对论方程吻合了爱因斯坦的静态宇宙哲学信念。宇宙学常数抵消了宇宙中引力收缩的趋势，从而得到静态宇宙的解。

大爆炸之父

提起宇宙所有人都会条件反射地说起宇宙大爆炸，而一般的科普书都把勒梅特，伽莫夫，哈勃作为宇宙大爆炸理论的创始人。然而事实出乎所有人意料，用数学方式提出宇宙大爆炸模型的第一人是苏联人弗里德曼。他的工作集中在去世前的3年之中。若不是这位数学巨匠英年早逝，宇宙爆炸理论恐怕要归功于他。然而就在论文发表后不久，一个苏联数学家弗里德曼发现在广义相对论方程等式两边作除法时，除数有可能为0，这可是个低级错误。

弗里德曼首次阐述了爱因斯坦的广义相对论存在非静态的解。他发现这些解可以描述宇宙的膨胀、收缩、坍缩，甚至可能从奇点中诞生。随即他在1922年发表论文求出了广义相对论方程的动态解，明确提出了“膨胀着的宇宙”的观点，这个解也被称为“弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规”。以此倒推回去，弗里德曼指出宇宙最初的时候只是一个质量和密度都接近无限大的一个点。

弗里德曼1922年的文章引用了爱因斯坦和德西特的原始论文，以及爱丁顿1920年的书Space,Time and Gravitation。弗里德曼没有在爱因斯坦和德西特的解之间取舍，而是从更广泛的角度来讨论宇宙学解的问题。

来自爱因斯坦的眼神

俄国人似乎一直以来不为西方世界所接受，当弗里德曼1922年的文章出现时，其主要思想被绝大多数人忽视或者拒绝了，爱因斯坦的即刻回应说明了非静态的宇宙当时是如何不受欢迎。在他看来，合适的理论必须坚持宇宙具有明显的静态特性。

爱因斯坦最初对弗里德曼的解充满怀疑。1922年的9月，爱因斯坦在Zeitschrift für Physik 上发表了一篇短文，提出弗里德曼的推导过程中可能存在一个数学错误。得知爱因斯坦的文章后，弗里德曼给爱因斯坦写了一封长信阐述自己的推导过程。但是爱因斯坦正在进行环球的巡回演讲，直到1923年5月他返回柏林时才读到弗里德曼的信件。那个月的晚些时候，弗里德曼的俄国同事克鲁托夫在莱顿遇见了爱因斯坦，并向他澄清了误解。因此，爱因斯坦迅速地在Zeitschrift für Physik上发表了另一篇短文，承认弗里德曼结果的数学正确性。不过他评论说，“这个解没有物理意义”。但是，在最终校阅清样的时刻，他明智地删掉了这一不够谨慎的评论。

弗里德曼发现了另外一个更令人惊叹的论据，以破除宇宙必然是有限的的观念。他试图寻找广义相对论是否允许无限体积的超双曲面解的存在，这种解的空间曲率处处为负，由-6/r2 给出。在这样的空间中，每个点是一个鞍点。

实际上，弗里德曼1924年的文章给出了肯定的答案：存在静态和非静态的解。静态解中密度必须为零。非静态的解有非零平均密度和负曲率。因此，不能简单地通过测量密度ρ来确定宇宙的曲率。

弗里德曼第一个认识到单靠广义相对论理论是不足以决定真实宇宙的几何、拓扑或者运动学模型。从众多宇宙学解中选择其中的一种必须根据于观测事实。

令人无不遗憾地是，爱因斯坦也没有注意弗里德曼1924年的论文。爱因斯坦的轻慢也许是由于固执，也许是由于他对静态宇宙观的深信不疑，但终究要为之付出代价的。弗里德曼英年早逝，但他收了一个顽皮学生，将理论物理、核物理、天体物理、生物、数学、化学界搅得天翻地覆，顺带黑了爱因斯坦一道，为老师报了“仇”。

不见棺材不落泪

1927年勒梅特以法语在比利时的《布鲁塞尔科学学会年鉴》（Annals of the Scientific Society of Brussels）期刊上，发表了解释河外星云的径向速度（法译英的标题：A homogeneous universe of constant mass andgrowing radius accounting for the radial velocity of extragalactic nebulae，中文标题具有恒定质量与扩展半径的均匀宇宙）的文章。

在这篇论文中，勒梅特发现了爱因斯坦广义相对论方程的一个严格解（所以这个时期所有的纠结都来自于广义相对论这个复杂的偏微分方程组），并就此推导出后来被称为“哈勃定律”的方程（遗憾地是，后人将这一成果归因于哈勃），即星系退行的速度正比于它与我们之间的距离，而相应的比例系数，就是著名的“哈勃常数”。勒梅特还利用维斯托·斯莱弗（Vesto Slipher）当时观测的星系退行速度数据和哈勃发表的星系距离数据，求得两者的比例大约等于每秒每百万秒差距625千米。但观测数据样本太小，不足以验证他所发现的星系退行速度与距离之间的线性正比关系。勒梅特在他的论文中指出并对这一不足进行了标注。

也许正是由于样本数量不足，这一结果只在小范围内为学者所熟知。同时在那个年代，德语（没办法，哥廷根学派太强悍了）和英语才是科学论文的主要语言，因此勒梅特的这一重要工作没有得到国际同行的注意。尽管如此，勒梅特独立求出了与弗里德曼同一解。从数学角度证明了宇宙不是静态的，而是均匀膨胀或者收缩着的。

得知勒梅特的论文后，爱因斯坦还是固执静态宇宙观，觉得膨胀理论太荒谬，坚持不肯接受这个结果。

五年前弗里德曼用凭借数学天赋得到了宇宙膨胀的数学特殊解，弗里德曼的数学证明并不十分完美以至于爱因斯坦认为弗里德曼的数学证明存在错误。而这一次，爱因斯坦仔细看完勒梅特的证明后不禁倒吸了一口凉气，他束手无策，勒梅特的数学证明太完美了。图为1927年勒梅特和爱因斯坦。

勒梅特价值连城的论文非但没有引起人们的广泛重视，反而没能被其他天文学家所接受，特别是爱因斯坦本人。

1927年，在著名的第五届索尔维会议（爱因斯坦与波尔关于量子的大辩论）上，勒梅特和爱因斯坦首次相遇，爱因斯坦对勒梅特说：“你的计算是正确的，但你的物理糟糕透了。”这句话表明，爱因斯坦对勒梅特的数学推理没有疑问，但他认为推出的结果荒谬至极。

爱因斯坦无法反驳勒梅特，却仍然是不见棺材不落泪，死不认错，坚持自己静态宇宙观。这让勒梅特无可奈何。

看来爱因斯坦的棺材板勒梅特是别指望撬开了，爱因斯坦信服的是实验观测，而勒梅特做的是理论工作。我们先把爱因斯坦的棺材板放在一边，花些笔墨来介绍一下勒梅特。因为没有他的工作，很可能就没有哈勃的发现。

勒梅特是比利时天主教神父、天文学家及天主教鲁汶大学物理学教授。他是第一位推导出现在被称作“哈勃定律”的人，率先估算了现在被称作“哈勃常数”的大小，其论文发表于1927年，比哈勃的论文早两年。

1927年索尔维会议之后，勒梅特并没有因为被极富盛名的爱因斯坦嘲讽了几句就停止自己的研究。他推导出的定律两年后被哈勃用天文望远镜观测到，才终于得到证实，爱因斯坦和物理界的其他人才承认勒梅特关于宇宙持续膨胀的理论。搞笑的是，这个定律现在被称为“哈勃定律”。他提出的宇宙膨胀的理论，在很大程度上也被张冠李戴到了埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的头上。

是谁撬开了爱因斯坦的“棺材板”

是哈勃。

两年之后，哈勃在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上发表了题为“河外星云中距离与径向速度之间的关系”（A relation between distance and radialvelocity among extragalactic nebulae）的论文。哈勃和他的助手利用更精确的观测数据确立了“哈勃定律”的有效性，并计算出“哈勃常数”的数值：约为每秒每百万秒差距500千米。

爱因斯坦特意去哈勃工作的威尔逊山天文台，以确认宇宙是不是膨胀的。

很显然，哈勃的工作使得这个时候的样本数据量更为充足，这既归功于哈勃本人也归功于他的助手赫马森，这在上期已经做了介绍《从哈勃到哈勃深空场（二）——膨胀在气球上的宇宙》。哈勃定律和宇宙膨胀理论自一推出就被广泛接受并在天文物理界引起了轩然大波，静态宇宙观随之土崩瓦解。爱因斯坦主动承认：广义相对论引力场偏微分方程中的宇宙常数纯属多余，随即发表论文对广义相对论方程进行修正。

这或许就是大科学家所具有的科学精神吧。

勒梅特的奶酪？

本质上，哈勃的工作仅仅是勒梅特工作中最后验证的一部分，只可惜提出并从理论上证明“哈勃定律”的勒梅特没有充足的样本数据佐证他的理论。所以说哈勃的结果验证了勒梅特的工作，因此发现“哈勃定律”的荣誉似乎应该主要归属勒梅特，至少两个人应该分享这块“奶酪”。那么，为什么哈勃独享了“奶酪”？差错究竟出在哪里呢？

2011年11月10，美国天体物理学家马里奥·利维奥（Mario Livio）在《自然》（Nature）杂志撰文揭开了这个谜团。

原来为了使更多学者了解勒梅特的工作，英国《皇家天文学会月报》编辑威廉·斯玛特（William Smart）曾于1931年2月17日致信勒梅特，表达了如下几层意思：第一、皇家天文学理事会认为勒梅特发表于1927年的论文没有得到学界应有的重视，希望能得到允许，在《皇家天文学会月报》上重新发表该论文的英文版；第二、如果勒梅特想要在自己的论文中增加新的内容，只需要对新增的内容标注清楚即可；第三、希望勒梅特本人完成法文英译的工作。

勒梅特以及《布鲁塞尔科学学会年鉴》杂志社都欣然应允。但是发表的文章中却不包括法文原版文章中勒梅特描述“哈勃定律”、推导宇宙膨胀率和估算“哈勃常数”的段落。也就是说，即便学术界的同仁注意到了勒梅特的论文英文版，仍旧无法获得他早于哈勃所做出的重要科学贡献的证据。

最终让这件事真相大白的关键证据，来自利维奥教授所发现的一封信，即勒梅特于1931年3月9日写给斯玛特编辑的回信！

这封信传递了如下几方面的信息：第一、他很高兴自己那篇法语论文能够以英语重新发表；第二、他亲自动手做了法文英译的工作，但是恐怕翻译得不够好，希望编辑部能够帮助审阅修改；第三、他认为讨论径向速度等内容是不明智的，因此在翻译过程中删除了有关段落；第四、公式和表格没有变动；第五、他通过新的方法得到了膨胀宇宙的方程式，但不打算添加到英文版中，而是准备另外写成文章发表；第六、他很想成为皇家天文学会的会士，希望得到对方以及亚瑟·埃丁顿（Arthur Eddington）教授的推荐。原来偷走了勒梅特的奶酪的“罪魁祸首”就是勒梅特本人。

与勒梅特相比，虽然哈勃的工作得到了更广泛的认可，但他最终也没有获得诺贝尔奖。究其原因，当年的诺贝尔物理学奖并不承认天文学方面的杰出工作。

爱因斯坦一生中最伟大的错误

似乎是因果循环，也似乎是“存心耻笑”，弗里德曼收了一个学生，这个学生十分顽皮，在他的研究领域中遍布出类拔萃的成就，他业余性质的研究可以在很广的科学领域中相继得到最新例证。

他提出了宇宙大爆炸，并证明这次旷世爆炸还留有余温，他提出用质子代替α粒子轰击原子核，并将核物理学用于解决恒星演化问题，提出超新星的中微子理论和红巨星的壳模型；他还还提出蛋白质遗传密码的设想：DNA双螺旋结构中由氢键生成而形成空穴的4个角为4个碱基，4个碱基的不同排列组合就构成遗传密码……

谢选骏指出：哈勃为何能够窃取勒梅特的发现？因为他握有望远镜。如果没有哈勃望远镜，勒梅特神父只是爱因斯坦的嘲弄对象。

《谁发现了宇宙膨胀？》（《科学世界》杂志2017年8、9期）报道：

伟大的天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble，1889～1953）于1929年发表了一篇划时代的论文，研究了24个银河系外“星云”的速度与距离的关系，得到了著名的哈勃定律：距离越远，退行速度越大。因为这篇划时代的伟大论文，哈勃被誉为观测宇宙学之父。然而，哈勃的这篇论文至少有40%的功劳当属维斯托·斯里弗（Vesto Slipher，1875～1969）。正是他的工作，揭开了观测宇宙学的序幕。

后退的星云：斯里弗的划时代发现

斯里弗于1875年出生于美国印第安纳州，1901年毕业于印第安纳大学，然后被帕西瓦尔·洛威尔（Percival Lowell，1855～1916）所雇佣，进入洛威尔天文台。在天文台工作期间，斯里弗于1903年与1909年分别获得印第安纳大学授予的硕士与博士学位。

洛威尔对天上的星云很感兴趣，认为里面正在形成行星。因此他希望斯里弗去观测研究“旋涡星云”的光谱移动规律。所谓旋涡星云，就是形状像旋涡的星云。后来的观测与分析表明，当时所谓的“星云”有两种：一种是如今所说的真正的星云，由尘埃与分子云组成；另一种则是遥远的、类似于银河系的星系，旋涡星云即现在所说的漩涡星系。但在当时，大多数天文学家都没有认识到第二种可能性。

当时已经知道光也是一种波。当光源运动时，光波的波长就会变化，使得整个光谱发生移动。当光源远离观测者运动时，光波变长，称为“红移”；当光源朝着观测者运动时，光波变短，称为“蓝移”或者“紫移”。

1912年，37岁的斯里弗获得了重大突破，根据他得到的仙女星云的4条光谱，发现了仙女星云光谱的蓝移，据此计算出仙女星云靠近地球的速度大约是300千米/秒。到1914年，斯里弗累计测定出了15个星云的光谱移动的情况。当斯里弗在美国天文学会的会议上宣布了他的结果时，在场的所有人起立，鼓掌欢呼。这个重大成果为斯里弗带来了莫大的荣誉。他于1915年成为洛威尔天文台的代理台长，1916年成为执行台长。

到1917年，斯里弗获得了25个旋涡星云的光谱，其中4个出现蓝移，21个出现红移。到1922年，斯里弗已经测得41个旋涡星云的运动速度，其中有36个离我们而去，对应的最大速度达到了1800千米/秒。

截至1917年，斯里弗得到的25个星云的运动速度表（来源：Slipher, V. M. 1917, Proceedings of the American Philosophical Society, 56, 405）

由于仪器能力的限制，斯里弗在测量星系（即当时所说的旋涡星云）红移方面的探索已经无法更进一步了。但是，为什么这些星系中的绝大部分成员都在退行？理论家们在1917年之后的几年时间内得到了线索。

爱因斯坦与德西特的静止宇宙

1915年底，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）正式建立了广义相对论。1917年，他用广义相对论研究了宇宙学，他假定宇宙像一个球，体积有限，但没有边界。这是（现代）宇宙学的开端，2017年恰好是宇宙学诞生100周年。

爱因斯坦惊讶地发现，根据他的方程得到的宇宙是不稳定的。为消除这种看似荒谬的结果，他在方程中加了一个起到排斥力作用的常数项。它的数值非常小，但足以维持宇宙静止，这就是著名的“宇宙学常数”。这样，爱因斯坦的方程里就有了两个互相对立的成分在控制着宇宙：起吸引作用的物质和起排斥作用的宇宙学常数。二者互相平衡，宇宙保持静止。

接着，荷兰莱顿大学教授、莱顿天文台台长威廉·德西特（Willem de Sitter，1872～1934）在同年（1917年）提出了一个新的模型，所描述的宇宙也是闭合的，但省略掉物质的贡献，只留下宇宙学常数。在德西特模型描述的宇宙中，距离会导致时间流逝变慢。由于时间变慢，光波的波长变长，这也成了一种红移！而且越遥远的物体走过的路程越长，产生的红移也越大。因此，德西特说道：“结果，光振动的频率随着与坐标原点的距离的增大而降低，非常遥远的恒星或者星云的光谱线会系统性地朝着红端移动，给出了一个假的、大于零的径向速度。”在德西特看来，在这种宇宙中观测到天体的红移并不意味着天体真正的运动。

要记住，之前所说斯里弗测得的红移被认为是由于发光天体远离观测者导致的。而在德西特模型中，即使天体不运动，也会产生红移。后来的计算表明，在这种模型中，红移与距离的平方成正比。

爱因斯坦与德西特一开始都认为自己的模型所描述的宇宙是静止的。只不过，德西特模型中的天体虽然不动，但发出的光会因为时间变慢而产生红移。这至少与观测到的一些星系的的红移一致。德西特希望能有更多的数据来验证自己的理论。

著名天文学家阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington，1882～1944）对德西特的宇宙学很感兴趣。在研究了德西特模型后，他认为这种模型中天体光谱的红移有可能来自宇宙学常数的贡献。因为这一常数起排斥力作用，会让放进去的“实验粒子”（天体）彼此加速远离，产生速度，于是就出现了红移。也就是说，天体真的动了，但宇宙本身依然没有动。爱丁顿曾经如此总结道：“爱因斯坦的宇宙有物质却没有运动；德西特的宇宙有运动却没有物质。”

对相对论与宇宙学的传播起到重要作用的爱丁顿

德西特模型所提出天体距离与红移的关系，是能够在观测中验证的，因此引起了观测天文学家的兴趣。但在当时，精确测定遥远天体的距离是一件困难的事情。德国的卡尔·维尔兹（Carl Wirtz，1876～1939）找到了一个粗略判断星云距离的方法：假设旋涡星云有着相同的大小，那么看上去越小的星系，距离地球就越远。根据这个近似方法定出的距离，再与星系的红移相比较，就可以验证德西特模型是否正确。维尔兹收集、研究了42个星云的红移，在1924年发表了论文《德西特的宇宙学模型与旋涡星云的运动》。同年，瑞典的克努特·伦德马克（Knut Lundmark，1889～1958）也发表了一篇论文，研究各种天体的红移（速度）与距离的关系，试图据此确定德西特宇宙的曲率。他在论文中说明：这些天体速度主要来自斯里弗精彩的光谱学工作。遗憾的是，这些研究对距离的确定都有很大误差，因此没有得到可靠的结果。

弗里德曼与勒梅特的动力学宇宙

1922年，俄国气象学家和数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann, 1888～1925）研究了爱因斯坦理论。他把宇宙学常数去掉，得到了一组方程，可以用来描述膨胀、收缩，甚至以“膨胀-收缩-膨胀……”的方式振荡着的宇宙，此后被称为“弗里德曼方程”。如果宇宙在膨胀的话，那其中的星系自然彼此远离。可惜的是，他没有把自己的理论与斯里弗的观测联系起来。

爱因斯坦一开始认为弗里德曼搞错了。不过他很快认识到弗里德曼没有错，但还是认为这个模型虽然在数学上正确，但在物理上没什么意义。同一年，匈牙利数学家和物理学家科内留斯·兰措什（Cornelius Lanczos，1893～1974）也提出了类似的模型，但同样没有引起注意。1924年，弗里德曼又发表了一篇讨论动力学宇宙的论文，依旧被冷落。

接着上场的是比利时人乔治·勒梅特（Georges Lematre，1894～1966）。勒梅特17岁时进入卢万天主教大学，26岁博士毕业。然后进了神学院，3年后被任命为罗马天主教神父。1923年，他到剑桥大学学习天文，导师是爱丁顿。第二年到哈佛大学天文台学习，接着又转到麻省理工学院。在美国期间，他还访问了斯里弗和哈勃。1925年，勒梅特在《数学与物理杂志》发表了一篇论文，指出了德西特模型的几个缺点，并提出德西特的宇宙不是静止的。

1927年，33岁的勒梅特在拿到麻省理工学院的博士学位后成为卢万天主教大学的教授。同年，在不知道弗里德曼的工作的情况下（但却知道兰措什的工作并引用了），勒梅特重新推导出了弗里德曼方程。这篇文章的模型包含了宇宙学常数，以法语发表于一家不知名杂志《布鲁塞尔科学学会年鉴》。

在这篇论文中，勒梅特从理论上推导出：星系退行是宇宙膨胀导致的宇宙学效应，而且退行速度与距离成正比。这正是2年后被哈勃所发现的“哈勃定律”。

为与观测相结合，他间接引用了斯里弗的星系速度以及哈勃1926年一篇论文中提供的星系的视星等（并将其转换为距离）。根据这两组数据，他计算出速度与距离的比例常数，大约是575或625。而哈勃2年后得到的比例是500，二者惊人地接近，以至于有宇宙学家对此惊叹不已。其实根本不需要惊讶，因为他们的数据来源几乎完全一样：速度数据几乎都由斯里弗测出，距离数据本质上都是哈勃先后给出的。勒梅特没有画出速度-距离关系图，但根据他搜集列举的数据，后人做出了下面这张图，从中已经可以看出一些相关性，虽然依旧有较大的弥散。

完成这篇论文后，勒梅特将其寄给爱丁顿，但爱丁顿没有在意。爱因斯坦的评价则是：数学不错，但物理上很糟糕。爱丁顿的冷漠与爱因斯坦的差评，深深地打击了勒梅特。

1928年，霍华德·罗伯逊（Howard Robertson，1903～1961）发表了一篇论文，也研究了德西特的宇宙。他同样推导出“速度与距离成正比”的公式，然后比较斯里弗的红移数据与哈勃1926年的观测数据，得到空间曲率，将光速除以这个曲率半径值，可以轻易算出速度与距离的比例常数为463。

总结直到1928年时观测家与理论家对星系光谱红移的看法：斯里弗认为光谱红移表示星系在远离我们；德西特认为光谱红移是因为距离越远，时间越慢；弗里德曼不了解星云红移的观测结果，没有评论；勒梅特最激进，他认为光谱红移是因为空间自身在膨胀，导致星云远离，速度与距离成正比。罗伯逊也得到了速度与距离的比值的表达式。

因此，到1928年，宇宙膨胀及其规律已经被预言了。但此时却尚未被精确地验证，更不为绝大多数人所知。谁来验证勒梅特的理论？历史选择了哈勃和他的助手米尔顿·赫马森（Milton Humason，1891～1972）。

爱因斯坦“一生中最大的错误”

爱因斯坦很快得知哈勃的发现以及德西特、爱丁顿对勒梅特模型的认可。他立即放弃了自己之前的立场，承认宇宙不是静止的。爱因斯坦表示，在场方程中引入维持静止宇宙的宇宙学常数是他一生中最大的错误。

假如爱因斯坦及时注意到斯里弗的观测结果并抛弃宇宙学常数的概念，他本可以独享“预测宇宙在膨胀的伟大科学家”的荣誉。毕竟斯里弗的工作只是说明星系在高速运动，并不说明宇宙本身在膨胀。

1931年，爱因斯坦访问了加州理工学院和威尔逊山天文台。在哈勃与当时的台长沃尔特·亚当斯（Walter Adams，1876～1956）的陪同下，爱因斯坦参观了威尔逊山天文台，特别关注了其中的60英寸与100英寸望远镜。哈勃也因为其自身的工作以及爱因斯坦的认可而声名鹊起。

爱因斯坦也开始肯定弗里德曼的贡献。1931年，他说道：“一些调查者尝试用一个半径可以变化的球状空间来应对新的事实，第一个不受到观测影响的尝试者是弗里德曼。”但不幸的是，弗里德曼在一次气象气球飞行中感染了肺炎，已于1925年去世，年仅37岁，无缘见证自己的理论得到认可。

1931年，勒梅特又往前迈了一步，他在《自然》发表了题为《从量子理论的观点看世界的开端》的论文。这篇论文提出一个模型：宇宙起源于一个“本初原子”（primeval atom），这个本初原子只有几十个太阳那么大，但包含了宇宙中所有的物质。然后由于放射性而不稳定，本初原子发生了衰变，然后开始膨胀，直到形成当今的宇宙。这是后来所说的“大爆炸”理论的滥觞。

1932年，德西特与爱因斯坦合作给出了一个宇宙学模型，这是弗里德曼-勒梅特模型的一个简单特例。这个模型没有宇宙学常数，以物质为主导，宇宙空间是平坦的。有意思的是，基于斯里弗、哈勃、赫马森的观测以及弗里德曼、勒梅特的理论，爱因斯坦放弃了宇宙学常数，但勒梅特却一辈子都坚持要保留宇宙学常数。

过大的哈勃常数

哈勃并不满足于1929年时的成果，他继续与赫马森一起测量更远的星系的距离与退行速度。根据后来获得的新数据，哈勃与赫马森于1931年发表了一篇长达38页的论文，将此前的速度-距离图拓展到3000万秒差距（约1亿光年）之外，退行速度最大达到2万千米/秒。在这张哈勃图中，原先的那些数据都处在左下角，整体弥散大大降低，正比例关系更加确定无疑。这次，哈勃与赫马森得到的哈勃常数为558，比此前的500还大一些。

1934年5月，哈勃访问了母校牛津大学，牛津大学授予他名誉理学博士学位。校方发言人介绍其功绩时说：“就是这个人发现了众多天体远远离开我们的地球，且确立了它们的运动规律——距离我们越远，运动得越快，似乎它们正在逃离我们。”然而，事实上发现众多天体正在远离我们的人并不是哈勃，而是斯里弗。哈勃是在斯里弗的基础上结合自己测到的星系距离，才发现了它们的运动规律。从中我们可以看到，斯里弗被遗忘得多么严重。事实上，这种错误说法一直持续至今，例如记录20世纪人类探索宇宙奥秘历程的科普著作《环宇孤心》中说道：“接下来哈勃又有了一个更为惊人的发现：那些星云好像正在离我们远去”，显然也把斯里弗的发现归到哈勃头上了。

相对于公众的轰动，科学界内部的态度却并不那么一致。这是因为哈勃所得到的哈勃常数无论是500还是558，都显得过大了。如果宇宙在匀速膨胀，那么哈勃常数的倒数就是宇宙的年龄，500对应的宇宙年龄大约是20亿年。而当时已经有地质学的证据表明地球的年龄大约是40亿年。宇宙年龄小于地球年龄实在过于荒谬，这也让很多人无法相信宇宙在膨胀。比如，弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky，1898～1974，后因提出“超新星”这个概念并首次发现宇宙中的物质大多为暗物质而知名）就在1929年的一篇论文中提出：红移不是因为宇宙膨胀引起，而是由于光子在传播过程中受到引力吸引而“疲劳”（即能量降低），导致频率降低，光波变长。

而那些相信宇宙膨胀的学者，为了解决这个问题，只能对理论进行修改。例如，勒梅特在1934年提出一个模型，根据这个模型，宇宙学常数会导致宇宙先减速膨胀，再停滞一段时间，随后加速膨胀。根据这个模型，宇宙年龄就不是哈勃常数的倒数（20亿年），而会比哈勃常数的倒数大得多。虽然前提并不正确，勒梅特却意外获得了最后的胜利：1998年，两个小组证明宇宙中存在类似于宇宙学常数的、起排斥作用的暗能量，而且宇宙确实是先减速膨胀再加速膨胀，不过不存在停滞的阶段。

爱因斯坦与勒梅特

二战期间，沃尔特·巴德（Walter Baade，1893～1960）使用100英寸胡克望远镜观测了仙女星系与银河系中的造父变星，发现造父变星其实有两类。而由于哈勃将之混在一起，低估了仙女星云中的造父变星的真实亮度，因此使得对仙女星系的距离的计算结果偏小。根据巴德的重新分析，仙女星系的距离至少是60万秒差距，而不是哈勃认为的30万秒差距。由于哈勃对其他星系的测量都使用仙女星系的距离为尺子，因此得到的距离都缩小了同样的比例。使得虽说获得了最重要的正比例关系，但距离被低估，哈勃常数被高估，于是宇宙年龄被低估。通过修正后，宇宙的年龄一下子增加了一倍

1958年，哈勃曾经的学生艾伦·桑德奇（Allan Sandage，1926～2010）根据当时的新观测，进一步修正了距离，将哈勃常数降到了100，对应的宇宙年龄大约是100亿年，这才算基本解决了宇宙年龄的难题。如今，通过对遥远星系中一类超新星的测量，得到的哈勃常数的精确值大约是70，直接将这个值取倒数，得到的宇宙年龄大约是140亿年，与真实的宇宙年龄（138亿年）非常接近。

余波绮丽为

1948年，弗里德曼当年的学生乔治·伽莫夫（George Gamow，1904～1968）与弟子拉尔夫·阿尔菲（Ralph Alpher，1921～2007)在勒梅特大爆炸思想的基础上，完善了大爆炸模型；阿尔夫和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman，1914～1997）的论文还预测了微波背景辐射的温度大约为5K。

1965年，大爆炸模型预测的微波背景辐射被射电望远镜探测到，数值约为3K，与大爆炸理论高度吻合。这使得大爆炸宇宙学一跃成为主流学科。1966年6月20日，勒梅特去世，他去世前一年看到了自己首先提出的大爆炸理论所发展出来的最重要预言被观测所证实。

三代卫星探测的微波背景辐射

如果说膨胀的宇宙是波澜四起的海洋，那这些探究宇宙的先驱就是探寻海洋奥秘的伟大水手。他们一路追溯到宇宙的诞生时期，让人类对浩瀚宇宙的认知从蒙昧黑暗走向智慧光明。（撰文/王善钦（美国加州大学伯克利分校天文系）

谢选骏指出：哈勃是靠着他的望远镜青史留名的，爱因斯坦则因为“代表了”很多人的成就而永垂了不朽——这些人间的纠纷还是印证了我所说的一个事情——正如近代天文学是靠着伽利略的荷兰望远镜站立起来的；现代天文学也是哈勃望远镜的产物。有一天，新的望远镜或是比望远镜更有效的工具产生了，那时，就会出现新的宇宙论。

【导论10、宇宙间最难确定的，就是人类的科学了】

《那个疑似外星侦察飞船的奥陌陌，科学家已基本锁定它的老巢了！》（2021-04-14 科学的纠缠态）报道：

奥陌陌暂定是一颗小行星或彗星，被认为是地球有史以来我们已知的第一个星际来客。2017年10月，在它偷偷潜入我们的太阳系，并悄悄溜走的时候，科学家们才发现了它惊艳的背影。

地球上能用的望远镜都对准了奥陌陌的背影，各种研究和猜测也相继出炉。奥陌陌是一颗雪茄状的小行星；啊不，奥陌陌的长宽比是10：1，我们发现的小行星没有超过3：1的，所以奥陌陌很可能是一艘星际飞船；啊？对了，奥陌陌是锈红色的，密度比小行星大，可能真的是星际飞船呢；奥陌陌开始加速离开太阳系了，难道真是外星侦察飞船吗？不，奥陌陌应该是一颗彗星，在太阳辐射下蒸发了，溢出的气体产生了推力。

这就是奥陌陌迄今为止在地球上投下的众多涟漪，每一个都令人无限遐想。但科学容不得猜想，科学家们一直在做一件事，奥陌陌既然来自星际空间，科学家们希望找到它究竟来自哪个恒星系。

经过不懈的努力，奥陌陌的“老巢”已经越来越清晰了。欧洲空间局8位科学家组成的一个研究小组，利用盖亚卫星测绘的由17亿颗恒星组成的星图，对其中拥有详细运动数据的700万颗恒星，进行了数百万年的轨迹“回放”，然后将奥陌陌的轨迹与之比对，把奥陌陌的家乡星系缩小到了4个恒星系的范围。其中最有可能的是矮恒星HIP3757，100万年前，它和奥陌陌的轨迹相会在两光年之内。另一颗则是HD292249，距离稍远一些，其它两颗还没有名字的，则被科学家们暂时命名为home-3和home-4。

鉴于奥陌陌被驱逐出了自己的家园，这个恒星系肯定应该有一个巨型的“恶霸”——气态行星，才能百般欺凌并将它踢出家门，科学家们据此可以再次缩小搜索范围。然而，这四个恒星系目前都还没有发现有行星的存在，所以科学家们对这个结果还不是很满意。另外，地球周围实际存在着1.8亿颗恒星，奥陌陌在到达太阳系之前也可能跋涉了上千万甚至几千万年，所以研究人员正在等待盖亚卫星的第三张星图，这张星图将更加详细，能够得到精确轨迹的恒星将增加10倍，科学家们希望通过这张星图最终锁定奥陌陌的家乡。

看来我真的要回顾一下拉普拉斯的决定论了。奥陌陌虽然惊鸿一瞥，正在离开我们的太阳系，但它数百数千万年前的轨迹，地球周围上亿颗恒星数百数千万年前的轨迹，我们都可以回溯并追踪，确定它们数千万年前的相互位置；如果我们愿意，我们也可以预测数千万年后这片星空各恒星系的相对方位，宇宙井然有序，还有什么是不能确定的呢？

谢选骏指出：宇宙井然有序，还有什么是不能确定的呢？真的。宇宙井然有序，什么都能确定的。相比之下，生物世界则复杂多变，难以确定；比生物世界更难确定的，就是人间历史了。而人间历史中最不能确定的，就是人类的科学了。

（另起一页）

【《宇宙的最后三分钟》批判】

【前言】

保尔·戴维斯

60年代初，在我还是个学生时就对宇宙的起源问题产生了非常浓厚的兴趣。大爆炸理论诞生于20年代，但直到50年代才引人注目。当时这种理论虽已广为流行，但远未使人信服。稳恒态学说与大爆炸理论相悖，它断然否认宇宙存在着起源问题。在半个多世纪里，稳恒态学说是最为流行的理论。1965年，罗伯特·彭齐亚斯（Robert Penzias）和阿诺·威尔逊（Arno Wilson）发现了宇宙背景热辐射。这一发现，使大爆炸理论被更多的人所接受。那么，这能否被看作是宇宙在炽热的猛烈爆炸中突然诞生的确实证据呢？

宇宙学家们异常兴奋地在探索这一发现的意义。大爆炸100万年后的宇宙有多热？

大爆炸1年之后、1 秒钟之后情况又如何？在原初的炽热状态中曾出现过多少种物理过程？是否可能找到宇宙诞生时的遗物，而这种遗物还保留着当时曾压倒一切的极端条件的痕迹？

1968年，我曾参加了一次有关宇宙学的讲座。那次讲座对我来说依然记忆犹新。

在即将结束演讲时，那位教授根据背景热辐射的发现这一事实，评估了大爆炸理论。“一些理论家已开出了宇宙化学成分的清单，”他微笑了一下说道，“这份清单的根据是大爆炸最初三分钟发生的核反应过程。”所有的听众哄然大笑。这给人一种印象，即试图描述宇宙刚诞生时的状态似乎是极其荒谬的。甚至就连那位异常仔细地研究了《圣经》之后宣称宇宙诞生于公元前4004年10月23日的詹姆斯·厄谢尔（James Ussher）大主教，也没有胆量列出宇宙最初三分钟所发生的事件的准确顺序。

在宇宙背景热辐射发现约10年之后，最初三分钟的理论已在大学里进行讲授，这是科学的进步。美国物理学家和宇宙学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）在1977年写了一本畅销书，书名为《最初三分钟》（The First Three Minutes）。此书被公认为科普读物的里程碑。作为一位知名的权威和专家，温伯格在书中向世人描绘了一幅完全令人信服的宇宙起源图，包括在大爆炸之后仅仅数秒或几分钟内出现的详细过程。

当大众还陶醉于那些令人兴奋的成就时，科学家们却已在向前迈进。他们的注意力开始从对“早期宇宙”（大爆炸后数分钟）的研究转向了对“极早期宇宙”（大爆炸后极短暂一瞬间）的研究。约过了10年后，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）大胆地在《时间简史》（A Brief History of Time）一书中提出了关于大爆炸后最初一万亿亿亿亿分之一秒时的最新观念。现在看来，1968年那次讲座结束时听众发出的哄笑显得是多么无知。

随着大爆炸理论逐渐被大众和科学界所充分接受，人们越来越注重对宇宙未来的研究。我们现在已有了宇宙如何诞生的很好的概念，但宇宙将如何结束呢？它最终的命运又将如何？宇宙是否会以爆炸或抽搐的形式终其一生，或甚至永久消失？那时人类又将如何？人类或其后裔——无论是机器人还是人类自己——能否幸免于难而永复存在？

即使哈米吉多顿（Armageddon，哈米吉多顿是圣经《启示录》中 3 个魔鬼聚集天下众王的总称，作为世界末日的代名词或预言家——译者注）正好不在附近，对这类事情如果不产生好奇是不可能的。由于近来因人为危机的困扰，我们不得不思考现实宇宙学尺度时，我们为在地球上生存下去而奋争便成为备受欢迎的新内容。《宇宙的最后三分钟》正是一本描述宇宙未来的书。此书根据一些著名物理学家和宇宙学家的最新研究成果，并尽我们所能来对宇宙的未来作一番预测。这种预测绝非基督式的启示。事实上，经验的发展和累积蕴育着空前的潜能，而宇宙的未来使这种潜能充满了希望。然而，我们决不能忽视物之有生亦必有死的事实。死亡或许正是为创生而不得不付出的代价。

这本书是为普通读者撰写的，阅读时无需具备专业知识，也不需要数学。然而，在书中我有时不得不讨论一些很大或很小的数字。使用一种简洁的数学符号来表示这些数字是很有用的，这种符号就是“10的幂次方”。这里介绍一下它的用法。一个数，例如1000亿，完整地写出来是100000000000，这是相当麻烦的事。在这个数里 1 后面跟着11个零，因此我们可以用 1011 来表示。类似地，100 万为 106，10000 亿是 1012。当幂指数增加时，这种符号会掩盖数字的增大速度。例如，1012 比 1010 大 100 倍，前者是个大得多的数，尽管看上去它们几乎相同。也可用 10 的负幂指数来表示很小的数。例如，十亿分之一，即 1／1000000000 可写成 10-9，因为这个分数的分母为 1 后面有 9 个零。

最后，我要忠告读者，本书无疑在很大程度上是推测性的。宇宙的基本演化图象是建立在相当科学的基础上的，它先从大爆炸起源，随后膨胀并向某种物理终态退化冷却，或可能是灾变性地坍缩。但是，对于在所涉及的无限时标上可能会出现什么样的起支配地位的物理过程我们还很不清楚。天文学家对普通恒星的总体命运已有清晰的观念，对中子星和黑洞的基本特征也理解得越来越深刻。但是，如果宇宙能存在好几万亿年或更长的时间，或许会存在一些非常微妙的、我们仅能推测其存在的物理作用，而这种作用最终会变得极为重要。

既然我们面对着因对自然规律一知半解而产生的问题，因而试图推演宇宙最终命运的最好方法就是，利用现有最完善的理论来演绎出合乎逻辑的结论，然而问题在于，许多与推测宇宙最终命运有重大关联的理论仍有待于实践的检验。我在这里讨论的一些物理过程，如引力波发射、质子衰变和黑洞辐射等，虽然理论家已深信不疑，但这些过程至今尚未观测到。更重要的是，毋容置疑还存在着一些我们一无所知的其他物理过程，这些过程或许会大大地改变我的结论。

这些不确定因素在技术领域以及宇宙智能生命的作用方面显得更为突出，在这一点上，我们将一起进入科学幻想的王国。不仅如此，我们还不能忽视这样一种情况：经过千秋万代之后，生命体或许能极大地改变空前巨大尺度上物理系统的特性。在本书中，我打算把宇宙中的生命体作为一个议题，这是因为就许多读者来说，对宇宙命运的关注是与他们对人类及其后裔的命运的关注紧密相连的。我们应该始终记住，科学家们还远没有真正认识人类意识的本质，以及能容许意识活动在宇宙遥远的未来继续下去所必需的物质需求。

在编写本书时，我曾与约翰·巴罗（John Barrow）、弗兰克·蒂伯勒（Frank Tipler）、贾森·特瓦姆利（Jason Twanley）和罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）就本书的主要内容进行了有益的探讨，在此表示诚挚的谢意，并要感谢本系列丛书的编辑杰里·莱昂斯（Jerry Lyons）对书稿一丝不苟的评阅。

谢选骏指出：“大爆炸1年之后、1 秒钟之后情况又如何？”——这真是一个白痴问题。因为“大爆炸”那时候根本没有太阳系和地球，那又哪来的地球绕着太阳转一周而形成的一年呢？那又哪来的基于“一年之分割”的一秒呢？但是，敌基督者为了抢夺人们的眼球，却不惜售卖自相矛盾的东西。

【第一章 “世界末日”】

 日期：公元2126年8月21日，世界末日。

 地点：地球。

 绝望的人们在整个星球上四处寻觅藏身之处，数以十亿计的人已走投无路。一些人绝望地在寻找废弃的矿井、洞穴，甚至潜水艇，恐慌之中想在地下深处找到逃生之地，但另一些人却毫不在意，他们横冲直撞，杀气腾腾。然而，大多数人只是痴呆而静悄悄地坐着，等待死神的降临。世界末日来临了。

 高空中，一道巨大的闪电印在天幕上。初时，一条轻絮般细管形辐射状星云逐日膨胀，形成一股气旋，翻滚着向空寂的天宇涌去。长条形气旋的顶部是一个外形狰狞、令人恐惧的黑团，这是一颗彗星，虽然头部不大，却携带着与其很不相称的、具有毁灭性的巨大能量。它夹带着 1 万亿吨冰块和岩石，以每小时 6.4 万公里，即每秒近 18 公里的惊人速度逼近地球。

 人类唯一能做的就是坐以待毙。面对着已注定了的命运，科学家们早就抛弃了他们的望远镜，悄然地关上计算机。对灾难无休止的模拟，结果仍然模棱两可，而他们的结论又使人惊恐万分，无法公诸于世。一些科学家利用普通老百姓所没有的尖端技术优势，精心准备好了逃生计划。另一些科学家则打算尽他们所能来仔细观察这世界的末日，并把观察数据传至深埋于地球内部的时代信息密封器。他们在最后一刻，仍然起到一个真正的科学家应起的作用。

 撞击时刻临近了。全世界成千上万的人都在紧张不安地看着手表。这正是宇宙的最后三分钟。

 爆心投影点正上方的天空被劈开了，掀起几千立方公里的气浪。一条比城市还宽的灼热火焰沿弧线冲来，15 分钟之后急速击中地球。一万次地震才具有的巨大力量使地球不停地震颤。空气被挤压而产生的冲击波横扫地球表面，沿途所有建筑被夷为平地，一切的一切都被碾成粉末。撞击点周围的平地升起一个几公里高的液态环形山，在 100 多公里直径的撞击坑穴中，地球内层暴露无遗。熔岩壁波浪式地向外涌出，地面颠簸起伏，宛如一条因受拍打而缓慢蠕动的毛毯。

 坑穴内部数以万亿吨计的岩石被汽化，而数量比这多样多的物质则被高高抛起，其中一部分直接抛入太空，更多的则被扔过半个大陆，暴雨般地撒落在数百乃至数千公里以外。受害之地万物尽遭严重毁坏。急射而出的熔岩一部分会落入大洋，激起巨大的海啸，从而加剧了悲剧的蔓延。大量的尘埃碎屑在地球大气中飘散，导致全球遮天蔽日。不过，当抛入太空的物质返回大气层时，照射地面的将不是阳光，而是由数以十亿计流星所发出的眩目不祥之光，这种强光所带来的无情的酷热将使大地变为焦土。

 上述景象也许会发生，也许并不会发生。天文学家已经算出，一颗名为斯威夫特－塔特尔（Swift-Tuttle）的彗星，在公元 2126 年 8 月 21 日与地球相撞的概率为百万分之一。假若真的发生了，全球性的毁灭是不可避免的。全部人类文明便有可能毁于一旦。要是没有相撞，人类便会宽慰地舒一口气，并安心返回工作岗位。但是，斯威夫特－塔特尔彗星或者别的某个类似的天体早晚会撞击地球。人们作过估计，至少有 2 万颗直径为半公里或更大一些的天体的运动轨道与地球轨道相交，这些天外来客起源于寒冷的太阳系外部区域，有些来自位于火星和木星之间的小行星带，另一些则是彗星的残骸，后者可能是从一个极其巨大的碎片团中分离出来的。这个碎片团距太阳约 1 光年之远，称为奥尔特（Orrt）云，它是以荷兰天文学家奥尔特的名字命名的。

 许多这类天体所能造成的破坏比全世界所有核武器所能造成的破坏的总和还大。因此，问题仅在于某个天体撞击前人类究竟还有多少时间作准备。要是真的发生这种事，对人类来说将是个糟透了的新闻：人类的历史将会发生前所未有的突发性中断。然而，对地球来说这只是件颇为寻常的事。平均说来，这种量级的彗星或小行星撞击地球的事件每几百万年便会发生一次。人们普遍认为，6500 万年前的一次或数次这类事件的发生结束了恐龙时代。下一次轮到的可能就是我们人类了。

 对世界末日深信不疑的观念深深扎根于大多数宗教和文化之中。圣经《启示录》中有一段关于死亡和毁灭的生动描写：“又有闪电、声音、雷轰、大地震。自从地上有人以来，没有这样大、这样厉害的地震……列国的城池都倒塌了……，众山也不见了。又有大雹子从天落在人身上，每一个约重 1 他连得。因为这雹子的灾难极大，人就亵渎上帝。”（注：该段引自《新约全书》启示录的第十六章。文中 1 他连得即 100 镑，约 45 千克——译者注。）

 宇宙中到处都有剧烈活动，地球只是宇宙中一个微不足道的天体，因而地球上以前很可能发生过许多可怕的事情。不过，我们的行星保持适宜生命的环境至少已有 35 亿年了，因而宇宙并非完全充满敌意。

 我们在地球上得以生存的秘密在于空间——巨大无比的空间。我们太阳系只是在茫茫宇宙海洋中的一个极小的活动岛。距太阳最近的一颗恒星远在 4 光年之外。为了认识一下这段距离有多远，想一想光只需 8 分半钟就可从太阳超越约 150 百万公里到达地球。而在 4 年的时间内，光将越过 37 万亿公里的距离。

 太阳是我们的星系——银河系中一个典型区域里的一颗典型恒星。银河系约包含1000 亿颗恒星，它们的质量从太阳质量的百分之几到太阳质量的 100 倍。这些恒星，连同许多气体云和尘埃，还有不计其数的彗星、小行星、行星及黑洞一起，缓慢地绕银河系中心旋转。只要考虑到银河系可见部分的尺度达 10 万光年这一事实，这个巨大的天体集团就不会给人以银河系处处拥挤不堪的印象。银河系的形状像个盘子，中心部分鼓起，几条由恒星和气体组成的旋臂从中心向外伸展。我们的太阳位于一条旋臂之中，离银心约 3 万光年。

 据目前所知，银河系毫无特殊之处。在仙女座方向上有一个名叫仙女星系的类似星系，它位于距地球 200 万光年之远处，它看上去像个模糊的光斑，肉眼勉强可见。点缀在可观测宇宙中的星系有好几十亿个之多，有的呈旋涡状，有的呈椭圆形，也有的很不规则。它们的距离非常遥远。高倍望远镜能够观测到几十亿光年远的单个星系的像。某些星系发出的光到达我们这里所需的时间比地球的年龄（40 亿年）还要长。

 这样大的空间意味着宇宙中碰撞是罕见的。对地球的最大威胁可能来自我们自己的家园。小行星的轨道一般不靠近地球。大部分小行星都位于火星和木星之间的一条带上。但是，木星的巨大质量会干扰小行星的轨道运动，偶而将其中某个小行星推向太阳，从而对地球构成威胁。

 另一种威胁来自彗星。人们认为，这些看上去很壮观的天体起源于离太阳约 1 光年远的一块观测不到的云团。彗星对地球形成的威胁并非源自木星，而是来自过路的恒星。银河系不是静止不动的，这是因为随着恒星绕银河核心作轨道运动，因而银河系呈现缓慢的自转。太阳连同它的行星小伙伴们每 2.5 亿年绕银心运动一周，沿途它们会有许多奇遇。附近的恒星或许会掠过彗星云，把一些彗星引向太阳。当彗星穿入内太阳系时，彗星的某些易挥发物为太阳所蒸发，而后又被太阳风吹成长流，形成壮观的彗尾。在非常偶然的情况下，某颗彗星在内太阳系的逗留期内会与地球相撞。这颗彗星便造成了对地球的破坏。但是，真正的罪魁祸首应是那些过路的恒星。幸运的是，由于恒星间的距离相隔很远，这种恒星间交会是不多的。能造成全球性严重破坏的彗星撞击事件充其量也不过几百万年发生一次。

 其他天体在环绕银心运转的途中也会穿越我们的轨道。当巨大的气体云缓慢地从附近飘过时，尽管它们比实验室里的真空还要稀薄，但仍会极大地改变太阳风或影响来自太阳的热流。更可怕的也许是潜伏在黑沉沉太空深处的那些天体。游离漂泊的行星、中子星、棕矮星、黑洞，所有这些天体可能会无声无息地向我们突然袭来，造成太阳系的浩劫。

 要是换一种情况，威胁或许更为凶险。有些天文学家认为，我们的太阳可能与银河系里大多数恒星一样实际上是个双星系统。太阳的这颗伴星——我们称之为复仇女神或死亡之星，可能因为大暗又太远，至今尚未被发现。但是，从引力效应上仍可察觉它的存在。在它绕太阳作缓慢转动的过程中，会周期性地影响那个遥远的彗星云，导致约每3000万年一次的彗星风暴，并进而引发一系列蹂躏地球的碰撞。幸好，太空再次成为我们的保护屏。银河系里的天体密度非常低，因而来自太阳系外的引力扰动尽管不是绝无可能，但也毕竟极为罕见。

 更往远处看，天文学家可以观测到似乎正在碰撞中的两个星系所组成的系统。银河系与另一个星系碰撞的可能性有多大呢？某些快速运动恒星的存在证明，银河系也许已经与附近一些小星系发生过碰撞，受到了扰动。但是，两个星系的碰撞不一定会使其中的个别恒星招致灾难。星系内部恒星分布极其稀疏，星系可以彼此并合，却不发生恒星之间的直接碰撞。

 大多数人为世界的末日——世界突然遭到大规模破坏——而惊慌失措。不过，与缓慢地衰亡相比，暴卒产生的恐惧要更少些。有许多种情况会使地球环境逐渐变得不宜居住。生态的缓慢退化，气候的变迁，太阳输出热量的少许变化，所有这些假如会使人类不能生存下去的话，那么都会令生活在这脆弱行星上的人寝食不安。

 然而，这些变化发生在几千年甚至百万年的时间尺度上，人类有可能运用新技术与之搏斗。例如，只要有足够的时间采取措施去重新组织我们的活动，一个逐渐开始的新冰川期便不会招致人类种族的大灾难。如果我们认真地推测一下，在未来的几千年里技术得以继续飞速发展，则有理由相信，人类或者他们的后代将能控制越来越大的物理系统，并最终能避免哪怕是天文尺度上的灾难。这是否意味着人类原则上能够万劫不朽吗？这是可能的。但是，我们将看到，永存并不那么容易实现，也许还可证明那是不可能的。宇宙作为整体必定受物理定律的支配，因此它也有自己的生命循环：诞生，演化，以及可能还有死亡。我们自己的命运不可避免地会与恒星的命运纠缠在一起。

谢选骏指出：大家有没有发现——现代天文学家似乎代替古代的巫师和中世纪的神学家，扮演起了人类命运的操纵者。于是，理所当然地，天文学家果然从神学家那里抢到了生意——通过“候选登天”、“宇宙移民”、“延迟末日”等若有若无的许诺，他们不仅从火刑柱上逃了下来，并且能和王公贵族富贾名流杯觥交错了。

【第二章 走向死亡的宇宙】

 1856 年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Herman vonHelmholtz）作过一项调查，以图了解在科学史上哪一个预言可能最令人灰心丧气。亥姆霍兹声称，那就是宇宙正在走向死亡。这种启示式断言的根据来自所谓热力学第二定律。这一定律（现在常简称为“第二定律”）最早是在 19 世纪初提出的，当时此定律专门用于说明热机的效率。人们不久就认识到它有着宇宙学意义：事实上也差不多就是宇宙的结局。

 以最简洁的方式来说，第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。当然，对于物理系统来说，这是众所周知和显而易见的特性。无论是煮饭或让一杯热咖啡冷却，都可认识到这条定律在起作用：热量从温度高的地方流向温度低的地方，对此丝毫没有神秘奥妙可言。物质的热量以分子的无规则运动表现出来。在空气之类的气体中，分子作无规则运动并相互碰撞。在固体中，原子通常被束缚在一定的位置上，尽管如此，原子同时又在这一位置附近作强烈的振动。物体越热，分子运动的能量越大。要是让两个不同温度的物体相互接触，温度高的物体中比较强烈的分子运动很快会把它的活动性传递给温度低的物体的分子。

 热流的这种方向性并非仅仅是冷的区域缺乏热能的缘故。例如，一个房间拥有大量的热能，但你决不会指望任何热能会自发地流入一杯热咖啡里而将它煮沸。我们会把这种逆向事件看作一种奇迹。强迫热量从冷处流向热处是可能的（这就是冰箱的原理），但是，要做到这一点就必须不停地消耗能量。热量是不会自发地“误入歧途”的。

 因为热量沿一个方向（由热到冷）流动，所以这种过程在时间上是不对称的。要是放映一部记录热量从冷处流向热处的影片，那看上去就像河水流上高山，或者雨滴上升到云层一样荒唐可笑。所以，我们可以对热流确定一种基本的方向性，通常用从过去指向未来的箭头来表示。这种“时间箭头”表明了热力学过程的不可逆性，物理学家曾为此迷惑了 150 年。亥姆霍兹和其他— 些学者发现了一个称为“熵”的物理量。在最简单的热流情况中，熵等于被传递的热能除以温度。当热量自发地从热处流向冷处时，熵便增加。当驱使热量从冷处流向热处时，系统的熵就减少，但由于外部媒介需要消耗能量，结果是媒介熵的增加比系统熵的减少要多，因而一个封闭系统的总熵总是增加的。这就是第二定律的本质。

 冰块的融化决定时间的方向：热量从温水流向冷水。要是一部影片按（c）、（b）、（a） 的顺序放映，人们立刻会认为是一种特技摄影。这种不对称性是用一个称为熵的物理量来描述的。冰融解时熵增加。

 如果你把宇宙看作一个整体，多数地方的熵是不断增加的。若哪个地方的熵在减少的话，作为代价，总有另外一个地方的熵要增加。总之，宇宙的熵始终是增加的。一个很好的例子就在我们的家门口，那就是太阳。太阳（它是热的）每天把热量倾入太空（它是冷的）。这些热量消失在宇宙深处，永不返回，因此这是一个十分壮观的不可逆过程。

 一个明显的问题是：熵会永远不断地增加下去吗？想象一个绝热封闭容器，内有两个相互接触的热物体和冷物体。热量从热物体流向冷物体，熵便增加，最后是冷物体温度升高，而热物体的温度会下降．直到它们达到相同的温度。一旦到达这种状况，就不再会有热交换。容器内的系统便达到某个均匀的温度，这种稳定状态称为热动平衡。一旦热动平衡建立了，熵就不再增加，它代表最大熵状态。

 只要系统保持与外界隔离，就不会再有进一步的变化。但如果通过某种方式对物体进行干扰，譬如从容器外向内再注入热量，那么热交换又将继续发生，熵也会增加到一个新的更大的最大值。这时，只要没有来自系统外部的任何干扰，熵就不会再继续增加。

 对于太阳和大多数恒星来说，热量外流可以持续好几十亿年，但这种热量不是用不完的。太阳的热量产生于太阳内部的核过程。正如我们将会看到的那样，太阳最终会耗尽燃料，只要没有意外变故，它会一直冷却下去，直至与周围空间的温度相同。

 虽然亥姆霍兹对热核反应一无所知（太阳巨大能量的来源在当时还是个谜），但是，他认识到这样一个普遍性原理：宇宙中所有的物理活动都是朝着热动平衡，或者说朝着最大熵这个最终状态发展的，随后，很可能再也不会发生任何有意义的活动。早期的热力学家已经认识到这种向平衡态的单向变化过程，并称之为宇宙的“热寂”。单个系统也许可能通过外界干扰可使它复生，但整体宇宙按其定义不存在“外界”，所以没有东西可以挽救宇宙免遭万劫不复的热寂之难。这是无法逃避的。

 宇宙正按这一方式走向死亡，这是热力学定律不可抗拒的推论。这项发现曾使几代科学家和哲学家为之悲观失望。例如，伯特兰·罗素（Bertrand Russel l）在《为什么我不做个基督教徒》一书中写下了一段悲观而感人的评述：“……一切时代的结晶，一切信仰，一切灵感，一切人类天才的光华，都注定要随太阳系的崩溃而毁灭。人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋葬在崩溃宇宙的废墟之中——所有这一切，几乎如此之肯定，任何否定它们的哲学都毫无成功的希望。唯有相信这些事实真相，唯有在绝望面前不屈不挠，才能够安全地筑起灵魂的未来寄托。”还有许多作者委婉地提到热力学第二定律和正在死亡中的宇宙的含义，断言宇宙的前景渺茫，认为人类的生存到头来也是毫无价值的。我将在第十章再回到这类悲观的议题上来，讨论这类带有悲观色彩的评论是否会是某种误解。

 关于宇宙最终热寂的预言不仅使我们对宇宙的未来有了某种了解，也暗示了宇宙在过去的一些大事件。显然，如果宇宙一直在以某一有限速率不可逆地衰退，那么它不可能永远存在。理由很简单：假如宇宙无限老，那它应早就已死亡了。以有限速率演变的某种事物显然不可能永远持续下去。换句话说，宇宙必定是在某个有限时间之前诞生的。

 值得注意的是，这个有深远意义的结论却没有被 19 世纪的科学家们很好地认识。宇宙以大爆炸形式突然起源的思想只能依托于 20 年代的天文观测，但是纯热力学研究似乎早已强烈暗示了宇宙的年龄有限，它是在过去的某个时刻诞生的。

 不过，因为这个简单的事实没有深入人心，19 世纪的天文学家，如海因里希·奥伯斯（ Heinrich Olbers ）就曾为一个难以理解的宇宙学佯谬而困惑不解。这个佯谬涉及一个简单却又十分重要的问题：夜空为什么是黑暗的？初看起来这个问题似乎不值一提。夜空之所以里黑色是因为恒星离我们很远，光线又很弱。然而，要是空间无限，就会有无限多颗恒星。无限多颗暗弱的恒星可以迭加产生大量的光芒。

 假设有无限颗恒星，它们没有光变，而且大体呈空间均匀分布，那么要计算这些恒星所产生的累积星光强度并不困难。恒星的亮度与距离的平方成反比。这意味着距离增大一倍，星光减弱为四分之一；距离增大 3 倍，亮度减小为九分之一，依次类推。另一方面，给定距离越远，你看到的恒星数目就越多。事实上，简单的几何学就可以证明这一点。譬如说，200 光年远处的恒星数是 100 光年远处恒星数的 4 倍，而 300 光年远的恒星数则是后者的 9 倍。因此，恒星数按距离的平方增加，而亮度则按距离的平方减少。这样，两个因素相互抵消，便引出一个简单的结果：来自给定距离上所有恒星的累积星光强度全都一样，与距离远近无关。 200 光年远恒星的总亮度与100 光年远恒星的总亮度是相同的。当我们把各种距离上全部恒星的光累加时，问题就来了。如果宇宙没有边界，地球上所接收到的总的星光量好像是无限的。夜空根本不会是黑的，而应当是无限地亮。

 设想有一个不变的字宙，其中的恒星在某个平均密度之下作随机分布。一批恒星位于一个以地球为中心的薄球壳空间内（略去球壳以外的恒星）。射到地球上的星光总流量中有一部分来自这个球壳中的恒星星光。某一颗恒星的光强度随球壳半径的平方而减小，但球壳内的总星数与球壳半径的平方成正比。因此这两个因素相互抵消，而该球壳的总光度便与它的半径无关。对一个无限宇宙来说有无限多个球壳。显然，到达地球的光流量就会是无限大。

 要是考虑到恒星实际上有一定的大小，情况会稍有改善。虽然肉眼看来恒星都是一些光点，但实际上都是些球体。离地球越远，恒星的视直径越小。如果两颗恒星位于相同的视线上，则近的一颗便会遮住较远的那颗。在一个无限宇宙中，这种情况会出现无限多次。考虑到这一点，前面计算的结论就变了，到达地球上的光通量不再是无限大，而只是很大而已。事实上，这等价于把太阳圆面充满整个天空。这种情况相当干把地球放在离太阳表面一百万公里的地方一样。这实在是个十分不好适的地点！地球会很快被酷热所汽化。 一个无限宇宙应当是一个宇宙熔炉这个结论，实际上是前面讨论过的热力学问题的另一种表现形式。恒星把热量和光辐射倾注入太空，这种辐射慢慢地在真空中堆积起来。假如恒星可以一直燃烧下去，那么这种辐射看来必定会达到无限大的强度。但有些辐射在太空中旅行时，会因碰到其他恒星而被再吸收（注意这等价于近距恒星遮挡住远距恒星的星光）。因此，一旦建立起某种平衡，辐射的强度便不再上升，这时发射率正好同吸收率相平衡。当空间中辐射达到恒星温度（几千开）时，就会出现这种情况，即处于热动平衡状态。因此，整个宇宙应当充满温度为几千开的热辐射，夜晚的天空应当在这个温度上发光发热，而不是漆黑一片。 奥伯斯提出了解决这个问题的一种方法。他注意到宇宙中存在大量的尘埃，指出这种物质会吸收大部分的星光，因而天空就变黑了。遗憾的是，他的思想虽然富于想象力，然而从根本上说是不能成立的。这种尘埃最终也会热起来，并开始发光发热，其强度与它们吸收的辐射强度相同。

 另一种可能的解决办法是放弃宇宙空间上无限的观念。假定恒星很多，但数量有限，这样宇宙便由一个巨大的恒星集团组成，四周为无限的黑暗真空所包围。于是，大部分星光会通过流往外部空间而损失掉。

 可惜，这个简单的解答也有致命的缺陷。对于这一点，事实上在 17 世纪艾萨克·牛顿（Issac Newton）就已很熟悉了。问题涉及到引力的本质。每颗恒星通过引力作用吸引其他所有恒星，这样，在这个集团中所有恒星会一起向引力中心跌落、集聚。因此，如果宇宙有一个确定的中心和边界，它似乎一定会自行向内坍缩。一个无支撑的、有限而静止的宇宙是不稳定的，不能阻止引力坍缩。

 以后本书还要讨论这个问题，这里我们只要注意一个巧妙的方法。牛顿就是试图用它来回避困难，其推理方式如下：宇宙会向它的引力中心坍缩，仅仅是因为假定它有一个引力中心。如果宇宙既是无限延伸的，而平均来说恒星又处于均匀分布，那么宇宙将既无中心也无边界。某颗恒星会受到它周围许多相邻恒星来自四面八方的引力作用，这情况就好比一场巨大的、四周全是绳子的拔河游戏。平均说来，所有的拉力会彼此抵消，结果恒星保持不动。

 因此，如果我们接受牛顿关于坍缩宇宙佯谬的解答，我们就会再次退回到一个无限的宇宙，出现奥伯斯佯谬的问题。看来我们必然面临进退维谷的两难境地。但是，利用以后的认识，我们可以在进退两难的夹缝中找到一条出路。错的并不是假定宇宙在空间上无限，而是假定它在时间上无限。火焰般天空的佯谬是由于天文学家假定宇宙不变而产生的，即假定恒星是静止的，并以相同的强度永恒燃烧。但是，现在我们知道，这两个假定都是错误的。首先，宇宙不是静止的，而是在不断膨胀，对此后面我还要略作解释。其次，恒星不能永恒燃烧，尽管它们在用完燃料后还会长久存在。它们现在正在燃烧的事实意味着宇宙必定诞生于过去某个确定的时刻。

 如果宇宙年龄有限，奥伯斯佯谬马上可以解决。为了说明这一点，不妨考虑一颗非常遥远的恒星。因为光以有限的速度（每秒 30 万公里）穿越空间，我们看不到今天的这颗恒星，看到的只是光离开它时的星象。例如，亮星参宿四位于约 650 光年处，所以现在我们看到的其实是大约 650 年前的星象。如果宇宙诞生于 100 亿年以前，那么我们不可能看到任何离地球距离远于 100 亿光年的恒星。宇宙在空间范围上也许是无限的，不过要是它的年龄有限，那么在任何情况下，我们都不能看到某个有限距离以外的东西。因此，有限年龄而无限数目的恒星所累积的星光应是有限的，而且可能很微弱。 从热力学角度得到了同样的结论。恒星的热辐射充满空间，并达到相同的温度所需要的时间非常之长，原因在于宇宙空间茫无边际。简单地说，从宇宙创生至今还没有足够的时间来达到热动平衡。

 因此，所有的证据表明：宇宙的寿命是有限的。它诞生于过去某个确定时刻，虽然现在充满着活力，但正不可避免地朝未来某个阶段将发生热寂的方向衰退。然而，这立刻会产生一大堆问题。末日何时来临？末日的形式怎样？末日是缓慢地到来还是突然降临？再则，按科学家现在对热寂说的认识，是否可以想象出结果也许证明它是错误的呢？

谢选骏指出：罗素所说的“基督教徒”其实并非基督徒，而是他所交往的宗教市侩，这些脑满肠肥的人们没有绝望感。没有绝望感怎么可能走向基督和上帝呢？但是仅有绝望感也是无法走出深渊的，因为走出绝望感的深渊需要神所赐予的特殊恩典。罗素等人没有神所赐予的特殊恩典，所以只能忽视上帝的福音。

【第三章 最初三分钟】

 像历史学家一样，宇宙学家认识到开启未来的钥匙在于过去。前一章已经解释了热力学定律是如何指出宇宙寿命是有限的。整个宇宙起源于大约 150 亿年前的一次大爆炸，而且这个事件确定了宇宙朝着它最终归宿演变的方式。这已是几乎所有科学家公认的观点。只要考虑到宇宙是怎样开始的，再研究一下原初阶段出现的各种过程，就可找到有关遥远未来的一些关键性线索。

 宇宙并非永恒存在，而是从虚无创生的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。

 大爆炸理论的科学性令人不得不信服。最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究。20 年代，天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）研究了维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）所作的观测。他注意到，远星系的颜色比近星系的要稍红些。哈勃仔细测量了这种红化，并作了一张图。他发现，这种红化是系统性的，星系离我们越远，它就显得越红。

 光的颜色与它的波长有关。在白光光谱中蓝色光位于短波端，红色光位于长波端。遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了。在仔细测定许多星系光谱中特征谱线的位置后，哈勃证实了这个效应。他认为，光波变长是由于宇宙正在膨胀的结果。哈勃的这个重大发现奠定了现代宇宙学的基础。

 膨胀中宇宙的性质使许多人困惑不解。从地球的角度来看，好像遥远的星系都正飞快地远离我们而去。但是，这并不意味着地球是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨胀图象都是相同的。每个星系，或更准确地说每个星系团都彼此远离。我们最好把它想象成星系间的空间在伸长或膨胀，而不是星系在空间中运动。

 空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪，不过这却是 1915年爱因斯坦广义相对论发表以来科学家们早就熟知的概念。广义相对论认为，引力实际上是空间（严格地说是时空）弯曲或变形的一种表现。从某种意义上来说空间是有弹性的，可以按某种方式弯曲或伸长，具体情况取决于引力的排列。这种思想已为观测所充分证实。一维膨胀宇宙模型——钮扣代表星系，橡皮带代表空间，橡皮带伸长时钮扣彼此远离，伸长所起的作用是使沿橡皮带传播的波的波长变长。这对应于哈勃所发现的光的红移。

 膨胀空间的基本概念可通过一项简单的模拟来加以理解。想象在一条松紧带上缝有一排钮扣。现在假定从松紧带的两端把它拉长，结果所有的钮扣都彼此远离。不论我们选择从哪个钮扣来看，它邻侧的钮扣似乎都在远离，而且这种膨胀是处处相同的，不存在特殊的中心。当然，我们在画这排钮扣时，它有— 个中心钮扣，但这与系统的膨胀方式毫不相干。只要把这条带钮扣的松紧带无限加长，或环成一个圆圈，这个中心点便不存在了。

 从任意一个钮扣来看，离它最近的钮扣以某种速度退行，再下一个钮扣则以 2 倍速度退行，依次类推。在你看来，钮扣离得越远，它退行得越快。因此，这种膨胀意味着退行速率与距离成正比——这是一个极为重要的关系。借助这个图象，我们现在就可想象出光波是如何在膨胀空间中或星系间传播的。当空间伸长时，光波波长也跟着变长，这就解释了宇宙学红移现象。哈勃发现，红移量与距离成正比，同这个简单的图象模拟结果完全一致。

 如果宇宙正在膨胀，它在过去必定比较小。哈勃的观测和后来进行的大量更好的观测提供了测量膨胀速度的方法。如果能倒放这部“宇宙影片”，我们会发现，所有的星系在遥远的过去是聚合在一起的。根据现在的膨胀速度，我们可推断这种聚合状态必定出现在好几十亿年前。不过，这个数字要说得准并不容易。原因有两个。首先，因受到各种误差的影响，很难测得精确。即使现代望远镜已大大扩展被研究星系的数目，但测定膨胀速度仍有上下一倍的不确定性，而且这还是个有激烈争议的问题。宇宙膨胀速度大致按图示的方式随时间逐步减小。在这个简单模型中，时间轴上标上 O 的那一点的膨胀速度为无限大，它对应着大爆炸。

 其次，宇宙膨胀的速度会随时间而发生变化，这一点与引力有关。引力作用于星系之间，实际上它作用于宇宙中一切形式的物质和能量之间。引力起刹车的作用，阻止星系往外跑，这使膨胀速度随时间逐渐变小。结论是宇宙在过去必定比现在要膨胀得快。如果就宇宙某个代表性区域画出一张尺度对应时间的关系图，我们便得到一条普通曲线。从这幅图我们可以看出，宇宙从高度压缩的状态开始十分迅速地膨胀，随着时间的推移，物质密度会因体积的增大而逐渐减小。如果把这幅图一直追溯到宇宙创世时刻（图中原点），它意味着宇宙起源时尺度为零，而膨胀速度为无限大。换句话说，组成今天我们见到的所有星系的物质都是从一个点以极快速度爆炸而产生的！这是对所谓大爆炸理论的理想化描述。根据这一观点，今天我们所观测到的宇宙膨胀是原初爆炸的某种遗迹。

 把这条曲线一直追溯到宇宙创世时刻是不是有道理呢？许多宇宙学家对此深信不疑。根据我在上一章中讨论过的，假定宇宙曾有过一个开端，那么大爆炸肯定是真实的。如果确实如此，则曲线的起点所标志的不仅仅是一次爆炸。记住这里图中所表示的爆炸是空间本身的爆炸，所以零体积并不意味着物质被压缩至无限大的密度，而是指空间被压缩到不复存在。换句话说，大爆炸是空间的起源，也是物质和能量的起源。最重要的是要认识到，事先并不存在使大爆炸得以发生的空虚的东西。

 现在把同样的基本思想用到时间上来。物质的无限大密度和无限压缩的空间也标志着时间的边界，其理由是，在引力的作用下，时间和空间都拉长了。这个效应也是爱因斯坦广义相对论的结论，并已得到实验验证。大爆炸时的条件意味着时间的无限弯曲，所以，时间（还有空间）的实际概念不能外推到大爆炸之前。看来我们不得不得出这样的结论，即大爆炸是一切——空间、时间、物质和能量的最初开端。如果要问（许多人就是这样问的）大爆炸以前发生了什么，或者问什么引起了大爆炸，这显然是没有意义的。不存在以前。在没有任何时间的地方，也没有任何常识中的因果关系。

 如果大爆炸理论仅仅依托于宇宙膨胀这单一证据的话，那末很可能许多宇宙学家会抛弃它，因为这种宇宙起源理论有着奇特的内涵。然而，1965年出现了另一个支持大爆炸理论的重要证据，即发现宇宙沐浴在一种热辐射之中。这种辐射以相同的强度从空间的各个方向射向地球。它的谱与达到某种热动平衡态的熔炉内的发光情况精确相符。这种辐射就是物理学家所熟知的“黑体”辐射。由于符合程度非常之好，因而不可能是一种巧合。由此我们得出这样的结论：宇宙曾一度处于平衡状态，处处都有相同的温度。

 对背景热辐射的测量表明，它的温度大约比绝对零度（约等于 -273 度）高 3 开，但这个温度随时间在缓慢变化。随着宇宙的膨胀，它按一个简单的公式冷却；半径增加一倍，温度下降一半。这是红移效应的另一个结果，它表明辐射波长随宇宙膨胀而变长。平均而言，低温辐射的波长比高温辐射来得长。还有，要是把这部影片往回放，宇宙在过去必然要热得多。大爆炸后 30 万年左右，宇宙的温度约为 4000 开，这足以使所有物质汽化，并创造出热平衡所必需的熔炉条件。宇宙背景热辐射至今仍然保持完美的黑体谱这一事实表明，从大爆炸后的 30 万年以来，辐射几乎一直在平稳地传播着，没有受到任何干扰。与大爆炸后已过去的 150 亿年左右的历史比起来，30 万年是很早的时期。这意味背景热辐射是宇宙原初阶段的直接遗迹，可以把它看作为宇宙诞生时炽热光焰的余辉。

 宇宙背景辐射的特性不仅仅是有黑体谱的形式，而且在整个天空中它极其均匀。这种辐射的温度和强度在空间不同方向上的变化之小甚至不超过十万分之一，表明宇宙在大尺度上必定是极其均匀的，因为在某个空间区域或某个特殊方向上有任何系统性的物质成团，都会通过温度的变化反映出来。另一方面，我们知道宇宙不是完全均匀的。物质集聚成星系，星系常常形成星系团。这些星系团又进一步构成超星系团。在好几百万光年的尺度上，宇宙呈一种泡状结构，也就是在一些巨大的空洞周围包围着星系膜和星系纤维。

 必定有某种原因使宇宙的大尺度成团性从非常均匀的原始状态成长起来。虽然科学家们提出过各种可能的物理机制，但最可能的解释也许是引力的缓慢吸引作用。如果大爆炸理论是正确的，我们可望找到隐匿在宇宙背景热辐射中初期成团过程的某些证据。1992年，美国宇航局的 COBE 卫星（宇宙背景探测卫星）指示这种辐射并不是完全均匀的，在天空的不同区域，它们无疑有着强度的起伏或者说变化。这些极小的不规则性看来就是超级成团过程温和的开端。背景辐射可靠地保存了极早时期原初凝聚的痕迹，它所记录的内容证明了宇宙并不是始终以我们今天所见到的特定方式构成的。物质聚集成星系和恒星是一个演化过程，从几乎完全均匀的原初状态开始便长时间来一直在发生着。

 最后还有一个证实炽热高密度宇宙起源理论的证据。只要知道今天热辐射的温度，很容易计算出宇宙诞生后约 1 秒时各处的温度约为 100 亿度，这对现有的原子核的合成来说也是太高了。那时，物质必定被撕裂成最基本的成分，形成一锅基本粒子汤，诸如质子、中子和电子。但是，随着这锅汤变冷，核反应就可能出现了。特别是，中子和质子就很容易成对聚合在一起。接下来，这些粒子对便合成元素氦的核。计算表明，氦核的活动延续了大约 3 分钟（这就是温伯格一书书名的由来），并大约有四分之一物质的质量聚合成氦。这个过程用完了所有可利用的中子。余下的核子——没有聚合的质子——自然就成了氢原子核。因此，这一理论预言宇宙应当由大约 75% 的氢和 25% 的氦组成，这与天文测量结果极为吻合。

 原初核反应也可能产生极少量比较重的元素，如锂和碳。重元素的总量不到宇宙物质的百分之一，但它们大多数并不是大爆炸的产物。相反，它们的形成要晚得多，而且是在恒星内部形成的，形成方式我将在第四章中进行讨论。

 把宇宙膨胀、宇宙背景热辐射和化学元素的相对丰度综合在一起，便成为支持大爆炸理论的强有力的证据。不过，还存在许多悬而末决的问题。例如，现在宇宙为什么恰恰以这样的速度在膨胀，换句话说，大爆炸为什么如此之大？早期宇宙为什么如此均匀？空间各个方向和不同区域中的膨胀速度为什么这样类同？宇宙背景辐射探测卫星所发现的少量密度涨落对星系形成至关重要，而这又是如何起源的？

 近年来为揭开这些奥秘，人们付出了巨大的努力，所采取的途径是把大爆炸基本理论与高能粒子物理的最新概念相结合。需要强调的是，这种“新宇宙学”所依赖的科学基础，其可靠性还远不及前面所讨论的话题。特别是，这些饶有趣味的过程所对应的粒子能量大大超过了迄今任何已直接观测到的结果，而涉及的宇宙时期所对应的是宇宙刚诞生后远小于一秒的极短暂时刻。那时的条件很可能异常极端，因而唯一合适的途径就是几乎完全只根据理论思想来建立数学模型。

 这种新宇宙学的关键假设是，可能发生过一种称之为暴胀的过程。它的基本思想是，在第一秒刚开始的某一时刻，宇宙的尺度突然急剧猛增（暴胀）。为弄清楚这个假设带来些什么，再看一下曲线始终是向下弯的，这表明尽管任意给定的某个空间区域的尺度在增加，但这种增加的速率在减小。与此相反，暴胀意味着在一个很短的时期内，膨胀速度实际上在加快。最初，膨胀是缓馒的，然后它加快速度，有一小段曲线笔直向上，最后曲线恢复它的正常走向。但是，表示空间区域的尺度大超曲线上同一位置的尺度（比这里面的大得多）。

 按这个理论，宇宙在大爆炸中起源后不久，它的尺度便突然增大。垂直方向比例已被大大缩小。暴胀相之后，膨胀速度不断减小。为什么宇宙表现出这样诡异的行为？请记住，曲线向下弯曲是由于引力的吸引对膨胀起刹车作用的结果。向上弯曲可设想成一种反引力，或斥力，它造成宇宙的尺度增长得越来越快。虽然反引力似乎是一种异端邪说，但一些近代纯理论研究表明，在极早期宇宙由于极端温度和极端密度条件占主导地位，这种效应可能曾经出现过。

 在讨论暴胀是怎么回事之前，先说明一下为什么能用暴胀说来解开前面列举的一些宇宙难题。首先，逐步升级的膨胀可以令人信服地说明大爆炸为什么如此之大。反引力效应是一种不稳定过程，即失控过程，这就是说宇宙尺度呈指数式增加。从数学上说，这意味着一个给定的空间区域在每个固定时间周期里尺度扩大一倍，我们称这种周期为1 个滴答。 2 个滴答之后尺度增大到 4 倍； 3 个滴答，尺度增加到 8 倍；10 个滴答，这个空间区域膨胀到 1000 倍以上。因此，一个给定空间区域以逐步升级的速率如气球般地膨胀。计算表明，暴胀纪元末的膨胀速度非常接近于测量值（我将在第六章中严格地解释它的含义）。

 暴胀造成的尺度急剧猛增也为宇宙均匀性提供了一种现成的解释机制。任何初始不规则性会被这种空间扩展平滑掉，这非常像一只汽球，当它胀大时其上的皱纹便会消失。同样，不同方向上早期膨胀速度的任何变化也很快被暴胀所淹没，因为暴胀在各个方向上都有相同的作用力，最后，宇宙背景辐射探测卫星所揭示的微小不规则性可用暴胀也许并不是处处都在同一瞬间结束这一事实得到解释（其理由后面马上就要讨论），所以某些区域比其他区域会暴胀得稍多一些。

 现在来举一些数字。在最简单的暴胀理论中，暴胀力（反引力）变得异常之强，使得大约每隔 100 亿亿亿亿分之一秒（10-34 秒）宇宙尺度就扩大一倍。这几乎是个无限小的时间间隔，它就是前面所说的 1 个滴答。仅仅 100 个滴答后，一个原子核大小的区域就会暴胀到大约 l 光年的直径。这足以轻而易举地解决上面讨论的各种难题。

 人们运用亚原子粒子物理理论发现了几种会导致暴胀行为的可能机制。所有这些机制都用到被称为量子真空的概念。为了理解什么是量子真空，首先必须知道量子物理的某些知识。量子理论是自发现诸如热和光之类电磁辐射性质的时候开始发展起来的。虽然电磁辐射以波的形式在空间中传播，然而有时它会表现出类似粒子的行为，特别是光的发射和吸收以一份份微小能量或量子的形式出现。电磁波情况下的量子称为光子。这种波和粒子性质的奇持混合有时称为波粒两象性。现已证明，这适用于原子尺度和亚原子尺度上的一切物理实体。因此，通常认为是粒子的东西，如电子，光子和中子，或者甚至整个原子，都会表现出类似于波的行为。

 量子理论的基本原则是沃纳·海森伯（Werner Heisenberg） 的不确定原理。根据这一原理，量子物体的所有属性都不具有完全确定的值。例如，一个光子或一个电子不可能同时具有确定的位置和确定的动量。对一确定的时刻，它也不可能有确定的能量。这里我们关心的是能量不确定性。尽管在宏观世界里能量是守恒的（它既不能创造也不会消失），但是在亚原子量子领域里这个定律就失效了。能量可随时自发出现无法预言的变化。所考虑的时间间隔越短，这种量子随机涨落就越大。实际上，粒子可以从我们不知道的某个地方借来能量，只要这份能量马上归还就行。海森伯不确定原理的准确数学形式要求大宗的能量借贷必须很快归还，而少量的借贷则可保留较长的时间。

 能量的不确定性会引出一些奇怪的效应，诸如光子那样的粒子可以突然从虚无中生成，不过过后它又马上再度消失，出现这种现象的概率便是上述奇怪效应中的一种。这种粒子依靠借来的能量，因而也是依靠借来的时间得以生存。我们看不到它们是因为它们只是闪电般地一现即没，但是又确实在原子系统的特性中留下它们曾存在过的痕迹，而这些痕迹是可以测量的。事实上，通常认为的真空确实充满着川流不息的一群群这类瞬时存在的粒子，它们不仅有光子，还有电子、质子相别的所有粒子。为了把这种瞬时粒子与我们比较熟悉的永久粒子相区别，前者称为“虚”粒子，而后者则称为“实”粒子。 除瞬时性外，虚粒子与实粒子是完全相同的。实际上，如果用某种方法从外界补充足够的能量偿还海森伯能量借贷的话，那么虚粒子就有可能升格为实粒子，而且与其他同种实粒子没有任何区别。例如，一个虚电子在典型情况下只能存在大约 10-21 秒。 在它短促的生存期中，虚电子并非静止不动，它在消失之前可以走过 10-11 厘米的距离（作为比较，原子的直径约为 10-8 厘米）。如果这个虚电子在这么短的时间内得到能量（譬如说从电磁场），它就未必会消失，而是可以作为一个完全普通的电子继续存在。 尽管看不见这些虚粒子，但它们实实在在存在于真空之中。这不仅因为真空包含一个潜在的永久性粒子库，还因为尽管它们以半真半虚的形式出现，这些幽灵般的量子实体依然会留下它们的活动痕迹，而且可以探测到。例如虚光子的效应之一是使原子的能级发生极少量的偏移。它们也能使电子磁矩发生同样细微的变化。这些细微然而却很重要的变化已用光谱技术精确地测量到。

 考虑到亚原子粒子一般不自由移动，但要受到各种与粒子种类有关的力的作用，对上述简单的量子真空图象要作些修正。这种种力也在相应的虚粒子之间发生作用。因此，也许存在不止一种真空态。许多可能的“量子态”的存在是量子物理的普遍特征。最为熟知的是原子的各种能级。这里，一个绕原子核转动的电子可以有某些非常确定的能态，而这些能态又对应着确定的能量。最低的能级称为基态，它是稳定的。较高的能级称为激发态，它们是不稳定的。如果一个电子闯入一个较高的能态，它会向下跃迁返回基态，而跃迁的途径可以不止一种。这种激发态有很确定的“衰变”半衰期。

 类似的原理适用于真空。它可以有一种或多种激发态。这些激发态有各不相同的能量，不过它们的实际表象完全相同，即都是真空。最低的能态，也就是基态，有时称为“真”真空，以反映它是稳定态这一事实，大体上对应今天宇宙的真空区域。激发真空则称为“伪”真空态。

 应当说，伪真空态仍然是一种纯理论的观念，其性质在很大程度上取决于所用的特定理论。但是，伪真空态很自然地出现在现今所有试图统一各种自然力的理论中。现在已确认的基本力看来有 4 种：日常生活所熟悉的引力和电磁力，以及两种短程核力——弱力和强力。这份清单过去还要长些。例如，电和磁就曾被看作是截然不同的东西， 电与磁的统一过程开始于 19 世纪初。当时，汉斯·克里斯琴·奥斯特（Hans Christian Oersted）发现电流产生磁场，而迈克尔·法拉第（Michel Faraday）则发现运动的磁铁会产生电流。很清楚，电与磁是有内在联系的。但是，直到 19 世纪 50 年代，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）才指示了这种联系的细节。麦克斯韦通过一组数学方程精确描述这些“电磁”现象，并预言电磁波的存在。不久，人们便意识到光也是这种波的一个例子，而且还应当存在其他形式的波，如射电波和 X 射线。因此，表面上两种不同的自然力——电力和磁力——原来是单一电磁力的两种表现，它有着自身特有的一些现象。

 最近几十年来，这种统一过程有了更深入的发展。根据现在的认识，电磁力和弱核力是有联系的，是单一“电弱”力的组成部分。许多物理学家相信、作为所谓大统一理论的一部分，将来也会证明强力与电弱力有联系。不仅如此，所有 4 种力可能在某种足够深的层次上合成为单一的超力。

 企图统一电弱力和强力的一些大统一理论预言了一种最有前途的暴胀力。这些理论的一个关键特征是，伪真空态的能量大得惊人：典型情况是，1 立方厘米的空间含有1087 焦耳的能量！甚至一个原子的体积也会拥有 1062 焦耳的能量。一个受激原子却只具有 10-18 焦耳左右的能量，两者相比，后者简直是微乎其微。因此，要激发真空，需要极大的能量，而在今天的宇宙中我们不企望会找到这种状态。另一方面，一旦有了大爆炸的极端条件，这些数字就比较说得通了。

 与伪真空联系在一起的巨大能量具有强大的引力效应。这是因为能量具有质量，这一点爱因斯坦已经为我们指出了，所以它可以像正常物质一样受引力吸引。量子真空的巨大能量拥有巨大的吸引力：1 立方厘米伪真空的质量重达 1064 吨，这比今天整个可观测宇宙的质量（约 1048 ）还大！这种异常的引力对暴胀的产生毫无用处，后者要求某种反引力过程。但是，巨大的伪真空能量是和同等巨大的伪真空压力联系在一起的，而正是这种压力起着奇妙的作用。通常，我们并不把压力看作为引力源，但这种压力却是一种引力源。在一般物体中，物体压力的引力效应与物体质量的引力效应相比是微不足道的。例如，人体重量中只有不到十亿分之一是由地球内部压力产生的，不过，这种效应确实存在，而且在一个压力极其巨大的系统中，压力引力可以与质量引力相比拟。

 在伪真空的情况下，既有巨大的能量，又有与之相仿的巨大压力，它的相互争夺对引力的支配权，但是，关键的性质在于压力是负的。伪真空起的作用不是排斥而是吸引。现在，负压力产生负引力效应，这就是所谓的反引力。因此，伪真空的引力作用归结为它的能量的巨大吸引效应和它的负压力的巨大排斥效应之间的竞争。最终压力获得了胜利，其净效应是产生一种非常大的排斥力，它可以在一刹那间把宇宙冲开。就是这种庞大的暴胀推力，使宇宙的尺度以极快的速度即每 10-34 秒增大一倍。

 就内禀性质来说，伪真空是不稳定的。像所有的激发量子态一样，它要发生衰变以回到基态——真真空。在几十个滴答之后，它就可能衰变。作为一种量子过程，它必然表现出上面讨论过的无法避免的不可预测性和随机涨落，这些性质都与海森伯不确定原理有关。这意味着衰变的发生就整个空间而言不是均匀的，而是会有涨落。某些理论家认为，这些涨落可能就是宇宙背景辐射探测卫星观测到的强度起伏的缘由。

 在伪真空衰变后，宇宙重新恢复它正常的减速膨胀，由暴胀进入爆炸。封闭在伪真空中的能量得以释放，并以热的形式出现。由暴胀产生的巨大膨胀使宇宙冷却，直到温度十分接近绝对零度，然后暴胀的突然结束再次把宇宙加热到 1028 度的极高温度。今天，这个巨大的热库已几乎完全消失，残留下来的就是宇宙背景热辐射。作为真空能量释放的副产品，量子真空中的许多虚粒子获得其中的一部分能量，并转变成实粒子。这些粒子的遗骸留存至今，成为组成你、我、银河系和整个可观测宇宙的 1048 吨物质。

 许多一流宇宙学家相信，暴胀宇宙的演化图象是正确的。如果是这样，那就意味着仅经过 10-32 秒之后，决定宇宙基本结构和物理成分的过程，便已告完成了。字宙在暴胀后肯定经受过亚原子层次上的许多附加变化，使原初物质发展成粒子和原子，而正是这些粒子和原子组成了现代宇宙的原材料。这些进一步的附加变化一直是重点研究的课题。但是，大多数附加的物质过程仅在约最初三分钟后便告完成，这一点已经解释过了。最初三分钟与最终结局有什么关联？正像射向靶子的子弹，其命运主要取决于枪瞄得是否准，宇宙的命运则完全取决于它的初始条件，两者完全一样。下面我们将会看到，宇宙从初始原点开始膨胀的方式，及大爆炸产物的性质，是怎样决定了宇宙的最终命运。宇宙的创生和终结是不可分割地相互交织在一起的。

谢选骏指出：“即大爆炸是一切——空间、时间、物质和能量的最初开端。如果要问（许多人就是这样问的）大爆炸以前发生了什么，或者问什么引起了大爆炸，这显然是没有意义的。不存在以前。在没有任何时间的地方，也没有任何常识中的因果关系。”——这像不像是回到了《圣经·创世纪》？

【第四章 恒星的末日】

 1987年2月23日的夜晚，加拿大天文学家伊恩·谢尔顿（Ian Shelton）正在智利安第斯山上的拉斯坎珀纳斯天文台工作。他的智利籍夜间助手在户外走了一会儿，漫不经心地望了望黑暗的夜空。由于熟悉星空，他很快注意到一件不寻常的事。在大麦哲伦云（LMC）的明亮云块边上有一颗星，它并不特别亮，大约和猎户腰带上其他星的亮度差不多。引起他注意的是以前那里并没有这颗星。

 这位助手的发现引起了谢尔顿对这颗星的注意。在几小时内，谢尔顿和他的这位助手发现了一颗超新星的消息闪电似地传遍了整个世界。这是自 1604 年开普勒（Kepler）记录到超新星以来第一颗肉眼可见的这类天体。一些国家的天文学家马上把他们的望远镜对准了大麦哲伦云。随后几个月里，人们对超新星 1987A （译注：超新星以发现的年份加英文字母命名，英文字母 A 表示该年份发现的第一颗超新星）的变化作了最详尽的观测和记录。

 在谢尔顿的轰动性发现前几小时，在完全不同的另一个地方——日本神冈地下深锌矿里记录到了又一件不寻常的事件。那个地方一些物理学家正在雄心勃勃地实施一项长期实验，他们的目的是要测试一切物质的基本成分——质子的极限稳定性。 70 年代发展起来的一些理论预言，质子也许并不绝对稳定，它们偶而会衰变成某种异乎寻常的放射性变种。如果预言正确，那么这种现象对宇宙的命运将具有深远的意义。我们在以后会看到这一点。

 为测试质子衰变，日本实验学家在一个极大的容器中灌满了 2000 吨纯度极高的水，容器周围放置了一些高灵敏度的质子探测器。这些探测器的用途是要记录可能是由单个衰变事件的高速产物所引起的闪烁次数。为减少宇宙射线的影响，实验放在地下进行，不然的话探测器所记录到的就全是虚假事件了。

 1987 年 2 月 22 日，神冈探测器突然在 11 秒内触发了不下 11 次。在地球的另一侧，美国俄亥俄州一座盐矿里安装的一个类似的探测器也记录到了 8 次事件。因为19 个质子的质量同时自行消失是不可思议的，这些事件必有另外的起因。物理学家很快找到了这个原因。他们的仪器所记录下的质子毁灭必定是由另一种更为普遍的过程造成的，这就是质子与中微子的碰撞。

 中微子是亚原子粒子，在我的故事中扮演着关键角色，所以值得先对它作一番较为详尽的了解。1931 年，沃尔夫冈·泡利（Wolfgan Pauli）在考察称为衰变的放射性过程中首次推测有中微子存在。在一次典型的衰变事件中，一个中子衰变成一个质子和一个电子。相对来说电子的质量很轻，却携带可观的能量。问题是，每次衰变事件产生的电子似乎有着不同的能量。因为在任何情况下可利用的总能量必然相同，于是看上去似乎末能量可以与初能量不同。这是不可能的，因为能量守恒是物理学的基本定律，所以泡利认为失去的能量被一种看不见的粒子带走了。所有企图捕获这种粒子的努力都告失败，于是人们开始清楚地认识到，如果存在这种粒子，那么它们必定具有惊人的穿透力。因为任何带电粒子很容易被物质所捕获，所以泡利粒子一定是电中性的，并由此取名为中微子。

 虽然当时没有人真正找到过中微子，理论学家却能推算出它的许多性质，衰变事件常常会抛出一个带走近乎所有可用能量的电子，几乎什么能量也没留给中微子。这意味着中微子实际上能够以几乎为零能量的形式存在。按爱因斯坦的著名公式 E ＝mc2 ，能量 E 和质量 m 是等效的，所以零能量意味着零质量。这表明中微子可能是没有质量的，即一种以光速运动的无质量粒子。

 还有一个基本性质涉及到亚原子粒子的自旋方式。人们发现，中子、质子和电子总有自旋。这种自旋的大小有固定的值，而且事实上它对所有这 3 种粒子来说都是相同的。自旋是角动量的一种形式。与能量守恒定律一样，角动量守恒也是一条基本定律。一旦中子发生衰变，它的自旋必定保留在衰变产物中。自旋与能量不同，能量始终是相加的，而自旋则可加可减：如果两个粒子自旋方向相同，它们的自旋就相加；如果转动方向相反，它们的自旋便相减。无论哪种方式，只有一个电子和一个质子时，有关自旋的帐就总不能平衡。如果把它们的自旋相加，得出两倍的中子自旋，而两者相减时结果为零。只要中微子带有与其他粒子相同的单位自旋，便能巧妙地克服这一困难。

 因此，尽管物理学家以前一直没有检测到中微子，却已经推断它必定是一种零电荷、与电子有相同自旋、没有或几乎没有质量的粒子，它与普通物质的相互作用极其微弱，因而在穿过物质时几乎不留下任何痕迹。简而言之，这是一种会旋转的幽灵。所以，在泡利预言中微子存在之后，过了大约 20 年时间才在实验室里最终得以证实也就毫不奇怪了。核反应堆中所产生的中微子数量极多，因此尽管它们极其难以捉摸，还是能偶而地被检测到。

 在神冈铅矿中中微子暴的到达与超新星 1987A 出现决不是某种巧合，于是被科学家用来作为超新星理论的最重要验证。事实上，中微子暴正是天文学家在超新星事件中所预期出现的现象。

 虽然“nova”（译注：超新星 supernova 由前缀 super- 和词根 nova 组成）这个词在拉丁文中是“新”的意思，但超新星 1987A 却不是新诞生的一颗星。事实上，它是一颗老年恒星走向死亡前的一次宏伟壮观的爆发。这颗超新星出现在大麦哲伦云中，那是一个 17 万光年远的小星系。它离银河系相当近，因而成为我们银河系的一个卫星系。在南半球肉眼可以见到这个星系，但只表现为一个模糊的光斑，要看清其中一颗颗恒星则需要用高倍望远镜。就在谢尔顿的发现之后几个小时，澳大利亚天文学家已经能在组成大麦哲云的几十亿颗恒星中，证认出哪一颗恒星发生了爆发。这项成就是他们在仔细检查了这个天区的早期底片后完成的。这颗恒星原来是颗典型的 B3 型蓝超巨星，直径约为太阳的 40 倍，它甚至还有个名字：桑杜里克（Sanduleak） - 69202。 50 年代中期，弗莱德·霍伊尔（Fred Hoyle），威廉·福勒（William Fowler）和伯比奇夫妇（Geoffreg and Magreet Burbidge）首先研究了恒星爆发理论。为了理解一颗恒星为何会遭受这样一场浩劫，必须知道它内部活动的情况。我们最熟悉的恒星是太阳。与大多数恒星一样，太阳看上去是不变化的。然而事实并非如此。实际上太阳一直在与毁灭它的力作不停的斗争。所有恒星都是些靠引力维持在一起的气体球。如果唯一起作用的力只有引力，那么恒星会因自身巨大的重量很快向内坍缩，要不了几小时便会消亡。没有发生这种情况的原因在于向内的引力被恒星内部压缩气体产生的向外的巨大压力所平衡了。

 气体压力与温度之间存在着一个简单的关系；一定体积的气体在受热时，压力以正比关系随温度而上升，反之，温度下降时压力也下降。恒星内部压力极大的原因在于温度高，达几百万开。这种热量是由核反应产生的。在恒星的大半生中，氢聚变成氦是为恒星提供能源的主要核反应，这种反应要求很高的温度以克服作用于核之间的电斥力。聚变能可以使恒星维持几十亿年，不过核燃料迟早会越来越少，从而使恒星反应堆开始萎缩。发生这种情况时压力支撑已发发可危，恒星在这场与引力的长期搏斗中开始溃退。从本质上说恒星已是在苟延残喘，只是通过调整它的核燃料储备来推迟引力坍缩的发生。但是，从恒星表面流出并进入太空深处的能量都在加速恒星的死亡。

 依靠氢的燃烧估计太阳可以生存 100 亿年左右。今天，太阳的年龄约为五十亿年，它已消耗了一半左右的核燃料储备。今天我们完全不必惊慌失措。恒星消耗核燃料的速度极大程度依赖于它的质量。大质量恒星核燃料的消耗要比小质量恒星快得多，这是毫无疑问的，因为大质量星既大又亮，因而辐射掉的能量也就多。超额的重量把气体压得很密，温度又高，从而加快了核聚变的反应速度。例如，10 个太阳质量的恒星在 l 千万年这么短的时间内就会把它的大部分氢消耗殆尽。

 让我们来观察一下这样一颗大质量恒星的命运。大多数恒星最初主要由氢组成。氢“燃烧”使氢核（质子）聚变成氦核，后者由两个质子相两个中子组成。详细过程是很复杂的，不过在这儿无关紧要。氢“燃烧”是最为有效的核能源，但却不是唯一的核能源。如果核心温度足够高，氦核可以聚变成碳，并通过进一步的核聚变生成氧、氖以及其他一些元素。一颗大质量恒星可以产生必要的内部温度——可达 10 亿开以上，从而使上面的一系列核反应得以进行，但随着每一种新元素的慢慢出现产能率下降。核燃料消耗得越来越快，恒星的组成开始逐月变化，然后逐日变化，最后每小时都在变化。它的内部就像一个洋葱，越往里走，每一层的化学元素以越来越疯狂的速度依次合成。从外部看来，恒星像气球那样膨胀，体积变得十分巨大，甚至比整个太阳系还大。这时天文学家称之为红超巨星。

 这条核燃烧链终止于元素铁，因为铁有特别稳定的核结构。合成比铁更重元素的核聚变实际上要消耗能量而不是释放能量。因此，当恒星合成了一个铁核，它的末日便来临了。恒星中心区一旦不能再产生热能，引力必然会占尽上风。恒星摇摇晃晃地行走在灾变不稳定性的边缘，最后终究跌进它自己的引力深渊之中。

 这就是恒星内部所发生的事，而且进行得很快。由于恒星的铁核不可能再通过核燃烧产生热量，因而也就无法支撑它自身的重量，它便在引力作用下剧烈压缩，甚至把原子都碾得粉碎。最后，恒星核区达到原子核的密度，这时一枚顶针的体积便可容纳近 1 万亿吨的物质。在这一阶段，恒星的典型直径为 300 公里，而核物质的坚硬性格引起恒星核区的反弹。由于引力的吸引作用极强，这种强力反弹所经历的时间只有几毫秒。当这场戏剧性事件在恒星中心区展现之际，外围各层恒星物质在一场突发性的灾变中朝核区坍缩。数以万亿吨计的物质以每秒几万公里的速度向内暴缩，与正在反弹着的比金刚石壁更为坚硬的致密恒星核区相遭遇，发生极为强烈的碰撞，同时穿过恒星向外发出巨大的激波。

 同激波一起产生的还有巨大的中微子脉冲。这些中微子是恒星在最后核嬗变期间从它的内区突然释放出来的。在这次核嬗变中，恒星内原子的电子和质子放紧紧地挤压在一起而形成中子，恒星核区实际上成了一个巨大的中子球。激波和中微子两者一起携带着巨额能量穿过恒星外部各层向外传递。被压紧了的物质的密度非常之高，即使是极其微小的中微子也得费尽周折才能冲开一条出路。激波和中微子携带的能量有许多为恒星外层所吸收，结果导致恒星外层发生爆炸。这是一场核浩劫，其剧烈程度是无法想象的。在几天时间内恒星增亮至太阳光的 100 亿倍，不过再经过几个星期后又渐渐暗淡下去。 在像银河系这样的典型星系中，平均每百年出现 2 至 3 颗超新星，历史上天文学家对此已有所记载，并深感惊讶。其中最著名的一个是由中国和阿拉伯观测家于 1054 年在巨蟹座中发现的。今天，这颗已遭毁灭的恒星看上去就像一团很不规则的膨胀气体云，称为蟹状星云。

 超新星 1987A 爆发时，不可见的中微子闪光充斥了整个宇宙。这是一个强度极大的脉冲。虽然地球离爆发点有 17 万光年之远，但每平方厘米仍能穿过 1000 亿个中微子。十分幸运的是，地球上的居民丝毫没有察觉到自己曾在倾刻间被来自另一个星系的数以万亿计的粒子所穿透。不过，位于神冈和俄亥俄州两地的质子衰变探测器却拦截了其中 19 个中微子。要是没有这种仪器，中微子便会像 1054 年事件那样在毫无察觉之中逝去。

 虽然超新星会给有关恒星带来死亡，但是爆炸也会带来积极的一面。巨大能量的释放使恒星外层得以加热，这种加热非常有效，因而就有可能在短暂时期内发生进一步核聚变反应，不过这些核反应是吸收而不是释放能量。比铁更重的元素，如金、铅和铀，就是在最后而又最强的那个恒星熔炉中冶炼出来的。这些元素，连同该聚变早期阶段产生的较轻元素（如碳和氧）一起被抛入太空，并且在那儿同许许多多其他超新星的碎屑混合在一起。在数以十亿年计的漫长时光中这些重元素也许会被掺入下一代的恒星和行星中。要是没有这些元素的产生和传播，就不可能有地球一类行星。使生命得以出现的碳和氧，我们戴的金戒指，屋顶上的铅板以及核反应堆中的铀棒，它们之所以能在地球上存在，都得归功于一些恒星在濒临死亡时所发出的呻吟，而这些恒星甚至在太阳诞生之前就消匿不见、无影无踪了。一种令人感兴趣的观点认为，组成我们身体的原材料归根结底来自早就死亡了的恒星的核灰烬。

 超新星爆发不一定会彻底摧毁一颗恒星。虽然大多数物质随这场灾变而消散，触发这场事件的暴缩核还留在原地。但是，它的命运也是危如累卵。如果核质量很小，譬如说只有一个太阳质量，那么它会形成一颗小城市那么大小的中子球。这颗“中子星”非常可能作极快的旋转，也许每秒钟转数会高达一千多圈，也就是说它的表面线速度达到光速的百分之十。这是因为暴缩极大地加快了原始恒星相对缓慢的自转速度，其原理与溜冰运动员收起双臂时会使自转加快的道理一样。天文学家已探测到许多这类快速自转的中子星。但是，随着天体能量的损失，自转很快会慢下来。例如，蟹状星云中央的中子星现在已减慢到每秒只转 33 圈。

 如果核的质量更大些，如几倍太阳质量，它就不可能以中子星的形式安居下来。引力实在太强了，即使中子物质（现在所知最结实的物质）也不能抵抗进一步的收缩。这时必然出现比超新星更可怕、更具灾变性的事件，恒星核继续坍缩，用不了 1 毫秒，它就消失在一个黑洞之中，彻底湮没。

 因此，大质量星的命运是把自身撕成碎片作为遗迹留下一颗中子星，或一个黑洞，而外面则包围着抛射出来的弥漫气体。没有人知道已经有多少颗恒星以这种方式寿终正寝。但是，仅仅在银河系内可能就有数十亿颗这类恒星残骸。

 我在童年时就为太阳也许会发生爆炸而提心吊胆。不过，太阳根本不可能会变成一颖超新星，这是因为它太小了。小质量恒星的命运与它们的大质量兄弟完全不同，远远没有后者那么剧烈。首先，吞食燃料的核过程进行得比较温和。事实上，处于恒星质量范围低端的一颗矮星可以持续发光 1 万亿年。其次，一颗小质量恒星所能产生的内部温度是不够高的，不足以合成铁，因此不会出现一场灾变性的暴缩。

 太阳是一颗典型的质量不大的恒星，它平稳地燃烧自身的氢燃料，并把核区转变成氦。目前，就有些核反应来说它的内核是不活泼的，因此内核无法提供足够高的热能以维持太阳不出现毁灭性的引力收缩。为了防止坍缩的发生，太阳必须使它的核区活动向外扩展，以寻找未经反应的氢。同时，氦核逐步收缩。因此，尽管在过去几十亿年中太阳内部发生了一些变化，其外貌却几乎没有任何的改变。它的体积将会膨胀，但表面温度却略有下降，颜色也会变得红一些。这种趋势一直要持续到太阳变成一颗红巨星，那时它的直径也许会增大 500 倍。天文学家对红巨星是很熟悉的。夜间天空中几颗很著名的亮星，如毕宿五（金牛 a ）、参宿四（猎户 a ）和大角（牧夫 a ）都属于这一类。红巨星阶段标志着小质量恒星生命结束期的开始。

 虽然红巨星相对来说温度比较低，但是它的直径很大，因而有着巨大的辐射表面，这意味着总光度更大了。随着热流量增强并袭击太阳系行星时，这些行星将面临一个艰难的时期，这一阶段大约要延续 40 亿年。在这一阶段结束之前，地球早就变得不适应人类居住了，海洋因蒸发而干涸，大气也都己被剥离。随着太阳不断地膨胀变大，它首先会吞没水星，接着是金星，最后连地球也都落入熊熊燃烧着的太阳壳层之内。即使经历了彻底的焚烧和葬礼，我们的行星缩成一堆灰烬之后，它仍然固守着自己的运动轨道。太阳那红色炽热的体密度非常之低，接近于真空，因而对地球的运动几乎不会产生任何阻力。

 我们能在宇宙中生存，这件事情的本身得归功于太阳一类恒星的极端稳定性。它们可以在几十亿年时间内稳定地燃烧而几乎没有发生任何变化，这段时间之长已足以使生命进化并繁荣起来。但是，随着红巨星阶段的到来，这种稳定性便不复存在。太阳一类恒星在其生涯中红巨星后的各个阶段情况复杂，活动激烈而又变化无常；相对而言它的行为和外貌会发生较快的变化。上了年纪的恒星可能会经历几百万年时间的脉动，或抛掉外层气体。恒星核区中的氦可能会点燃，生成碳、氮和氧，并提供能使恒星维持较长一段时间所必须的能量。一旦外壳被抛入太空，恒星便不再继续剥落，最后露出的是它的碳氧核。

 在这一复杂活动时期以后，小质量和中等质量恒星不可避免地会向引力屈服，并开始收缩。这种收缩是不可逆转的，并一直要进行到恒星被压缩至小的行星那么大为止。恒星变成一个天文学家称之为白矮星的天体。因为白矮星非常之小，所以极其暗弱，尽管它们的表面温度实际上要比太阳表面温度还高得多。在地球上只有用望远镜才能看到它们。

 白矮星就是太阳遥远未来的归宿。当太阳到达那一阶段时，它仍能在好几十亿年时间内维持炽热状态。它的绝大部份密度非常高，结果内部热量被有效地封闭起来，其绝热性能比我们现在已知道的最好的绝热体还要好。但是，热辐射在向寒冷的外部空间缓慢地泄漏，而由于内部核熔炉永久性地关闭，因而再也不能指望有任何燃料贮备来补充这种热辐射。我们曾经拥有过的太阳现在成了白矮星残骸，它将非常非常缓慢地冷却下来并变得越来越暗，直到进入它的最终变化形态。在这一过程中它逐渐变硬，成为一种刚性极好的晶体。最终，它会继续变暗直至完全消失，销声匿迹于黑暗的太空之中。

谢选骏指出：“一种令人感兴趣的观点认为，组成我们身体的原材料归根结底来自早就死亡了的恒星的核灰烬。”——这种现代科学理论和古代宗教说法“人来本来是堕落的天使”，何其相似。至于以下说法，到底是科学判断还是宗教祈福呢——“我们能在宇宙中生存，这件事情的本身得归功于太阳一类恒星的极端稳定性。它们可以在几十亿年时间内稳定地燃烧而几乎没有发生任何变化，这段时间之长已足以使生命进化并繁荣起来。”

【第五章 黑夜降临】

 银河系闪烁着 1000 亿颗恒星的光芒，它们中的每一个又都必然面临末日的到来。在 100 亿年后，我们现在所见到的大多数恒星将会从视线中消失，因缺乏燃料而死去，成为热力学第二定律的牺牲品。

 但是，银河系将依然星光闪烁，因为即使一些恒星死亡了，新的恒星会生而代之。在银河系的旋臂，如太阳目前所在的旋臂中，气体云在引力作用下收缩、坍缩和碎裂，并触发一连串的恒星诞生。看一下著名的猎户座，就会发现这种恒星苗圃中的活动情况。猎户“佩剑”（在北半球看来它好像被挂在腰带的下方），中央有一团黑糊糊的绒毛状光斑。实际上它不是一颗恒星而是一团星云。在这个巨大的气体云中散布着一些明亮的年轻恒星。天文学家最近通过观测红外辐射（而不是可见光），已窥察到那儿处于最初形成阶段的恒星，它们仍然被气体和尘埃所包围，亮度也就降低了。

 只要有足够的气体，在我们星系的旋臂中将会继续形成新的恒星。银河系气体一部分是还没有聚集成恒星的原初物质，而另一部分气体则是从老年恒星以超新星碎屑、星风、小爆发和其他一些过程的形式抛出来的。显然，这种物质的再循环过程是不可能永无止境的。当老年恒星死亡并坍缩成白矮星、中子星或黑洞时，便不能再对星际气体进行补充。原初物质会一点一点地并入新生的恒星，直到全部用完。当最后一代恒星走完它们的生命轮回而死亡时，星系便不可避免地开始变暗。这种变暗过程会拖得很长，要经过好几十亿年之后，最小最年轻的恒星才能结束它们的核燃烧，并收缩成白矮星。但是，作为缓慢而痛苦挣扎的结局，永恒的黑暗终将来临。

 类似的命运等待着所有散布在广袤空间中的其他星系。现在，整个宇宙因核动力的丰富能量而显得绚丽多采，但它终将把这种宝贵的能源消耗殆尽。光辉时代总要永恒地结束，一去而不复返。

 但是，当宇宙之光熄灭的时候，宇宙的末日还不会来临，因为还存在另一种比核反应更强大的能源。引力，这种在原子层次上最弱的自然力，在天文尺度上可以变成占绝对优势的力。引力的效应也许是相对温和的，但是这种力却是百折不挠，永远存在。在几十亿年时间里，恒星借助核燃烧来维持自己，抵抗自身的重量。但是，每时每刻引力都在寻求机会，以图把恒星压得粉碎。

 原子核中两质子间的引力仅仅是核力的 10 万亿亿亿亿分之一（10-37）。不过，引力具有累积的特性。恒星中每增加一个质子，总重量就会增加，最终引力会变得压倒一切。正是这种压倒一切的力为我们提供了打开巨大能库的钥匙。

 没有一种天体能比黑洞更生动地说明引力的威势了。这里，引力获得绝对的胜利，恒星被压得荡然无存，要说留下痕迹也只是使周围时空变得无限弯曲。关于黑洞，有一个绝妙动人的思想性实验。想象有一小球，譬如一个普通的台球，从远处落入黑洞。这个球钻入黑洞后便会从视野中消失，它就这样丢失了，再也找不回来。但是，它在黑洞的结构中会留下曾经存在过的一丝痕迹。作为黑洞，吞没这个球的结果是会变得稍稍大一点。计算表明，如果这个球从静止状态直接落向黑洞中心，黑洞增加的质量将等于小球原来的质量，任何能量或质量都没有逃逸出去。

 在这项理想化的假想性实验中，绳子系住的重物用一固定的滑轮系统朝黑洞表面慢慢下降。结果，下降的重物会做功，并把能量释放给盒子。当重物接黑洞表面时所释放的总能量便趋近于重物的全部静止质量能。

 现在来考虑另外一个实验，实验中的小球是慢慢地向黑洞下降，用一根带子系在小球上就能做到这一点。把这根带子穿过滑轮连到一个可使带子放松的滚筒上（假设这根带子没有弹性，也没有重量。这只是一种习惯假定，以避免讨论的复杂化）。小球下降时会释放出能量，如通过与滚筒连在一起的发电机的转动便能做到这一点。小球越靠近黑洞表面，黑洞对小球施加的引力越强。因此小球的重量增加，而它对发电机所作的功便越来越大。简单的计算可以求出小球在到达黑洞表面之前总共可以把多少能量赋予发电机。在这种理想情况下，答案是相当于这个小球全部静止质量的能量。 回想一下爱因斯坦的著名公式 E ＝ mc2 ，它告诉我们质量 m 所相当的能量为mc2 。利用黑洞，人们原则上可以收回这份能量。对一个重 100 克的台球来说，这份能量意味着约 l0 亿千瓦时的电功率（光速 c 为每秒 30 万公里）。作为比较，太阳通过核聚变燃烧 100 克燃料，所释放的能量还不到这个数字的百分之一。所以，原则上引力能的释放比作为恒星能源的热核聚变强 100 倍以上。

 当然，上述两种假设情况完全是不现实的。毫无疑问，天体在连续不断地落入黑洞，但决不是准确地沿径向下落，也绝对不会以最有效的汲取能量方式悬挂在滑轮上。因此，实际发射的静止质量能量介于零和百分之一百之间，具体来说究竟有多大比例则取决于物理环境。在过去的几十年里，天体物理学家进行了广泛的计算机模拟，并研究了其他— 些数学模型，以图认识气体在旋入黑洞时的行为，并估计所释放能量的大小和形式。这里涉及的物理过程非常复杂，但可以肯定的是，从这种系统可源源不断地输出巨大的引力能。

 一次观测等价于 1000 次计算，天文学家一直在广泛地搜索可能正处于吞食物质过程中的黑洞。在天鹅座有一个看来很令人相信是黑洞的系统，那就是天鹅 X-1 ，光学望远镜发现了一个巨大而又炽热的恒星，这类恒星因其颜色而称为蓝巨星。天文学家从它的光谱可以知道这颗蓝巨星不是一颗单星，因为它表现出节律摆动，说明附近有一个天体正通过引力作用周期性地牵制它。很明显，这颗星和另一个天体在密近轨道上互绕着转动。但是，光学望远镜怎么也看不到它的伴星；它要么是个黑洞，要么是颗很暗的致密星。它是个黑洞只是一种可能，而决不是证据。

 进一步的线索来自对这个暗天体质量的估计。只要知道蓝巨星的质量，暗天体质量便可按牛顿定律导出。为了做到这一点，可利用恒星质量和它的颜色之间所存在的密切关系：大质量恒星往往温度很高，因而呈蓝色。计算表明，这颗不可见伴星的质量为几倍的太阳质量。很清楚，这不是一颗普通的暗小恒星，所以它必定是一个已经历了坍缩过程的大质量星，如白矮星、中子星或黑洞。但鉴于一些带根本性的物理学原因，这个大质量致密天体不可能是白矮星或中子里。问题在于，它有很强的引力场，而这种引力场会力图把这个天体挤压得粉碎。要避免完全坍缩成一个黑洞，必须内部存在某种压力，而且强度要足以同重力的镇压力相抗衡。但是，如果这个坍缩天体有几倍太阳质量，那么，就现在所知，没有一种力可抵挡这种能压碎一切的物质重量。事实上可以证明，如果恒星核区足够坚硬而不会被压碎，则核区物质中的声速必然会超过光速。因为这是违背相对论的，所以大多数物理学家相天文学家相信，在这种环境下黑洞的形成是必然的。 但是，决定性证据完全来自另一项观测。正如天鹅 X-1 的名称所示，这个系统是一个强 X 射线源，而 X 射线可用特别设计的星载传感器来加以探测。根据天鹅 X-1 的暗伴天体是一个黑洞的假设，理论模型令人信服地给出了它的 X 射线流量。通过计算得出的黑洞引力场很强，因而能从蓝巨星中吸取物质。这些掠夺过来的气体在拉向黑洞并最终湮没的过程中，系统的轨道转动会使这些下落物质绕黑洞作涡旋式运动，并形成一个盘。这种盘不可能完全稳定，因为近中心的物质绕黑洞的转动比外边缘附近物质的转动快得多，而粘滞力则力图消除这种转动差异。结果是气体被加热，最后所达到的温度很高，因而不仅能发射可见光，而且能发射 X 射线。这相当于损失轨道能量，从而使气体缓慢地旋入黑洞。

 因此，关于天鹅 X-l 中存在黑洞的证据，有一系列相当长的推理过程。它既涉及观测细节，也用到理论模型。这也正是近年来许多天文学研究的典型特点。任何单一的证据不能令人信服，但是把对于天鹅 X-1 和许多其他类似系统的各种研究综合起来考虑，便有力地说明了黑洞存在的可能性。可以肯定地说，黑洞解释是最简洁也是最自然的。

 对于更大黑洞的活动，可以预期会出现更为壮观的效应。现在看来，许多星系的核心很可能包含超大质量黑洞，其证据是在这些星系核中观测到恒星在很快地运动，并且明显趋向一个有很强引力作用的高度致密天体。对这种天体质量的估计表明，它们可能包含了相当于 1000 万到 10 亿个太阳的物质，这么大的质量使它们对任何漂泊到附近的物质有一种贪婪的吞食本能。恒星、行星、气体和尘埃都可能为这类怪物所捕获。物质下落过程有时很可能非常激烈，以致会改变星系的整体结构。天文学家对各种各样活动星系核十分熟悉。有些星系的外貌确确实实呈现有爆发活动，许多活动星系是强射电源、强 X 射线源，或其他能量形式的强源。最与众不同的是一类具有巨大气体喷流的活动星系，喷流可长达数千甚至几百万光年。某些这类天体的能量输出之大简直令人难以置信。所谓类星体（或者说类似恒星状的天体）是一些极其致密的天体，直径可能只有 1 光年，所以它们看上去像是一些恒星，但所发出的辐射能却与数以千计的普通星系的辐射一样多。

 许多天文学家相信，这类受到严重扰乱的天体的中央发动机是一些巨大的旋转黑洞，它们正在摄取附近的物质。任何一颗恒星只要靠近黑洞，就很可能首先为黑洞的引力所撕裂，或者因与其他恒星发生碰撞而碎裂。这些被撕裂的物质可能形成一个热气体盘，它绕着黑洞旋转，并慢慢地向内沉落，这跟天鹅 X-1 的情况一样，只是尺度要大得多。于是，随着物质的内沉，大量的引力能沿黑洞的自转轴方向释放出来，从而产生一对方向彼此相反的喷流。这种能量释放机制和喷流的形成可能是很复杂的，它们不仅涉及引力，还涉及电磁力、粘滞力和其他一些力的作用。这一领域一直是理论和观测工作的重点研究课题。

 银河系又会怎样呢？是不是我们的银河系也会以这种方式遭到破坏呢？银河系中心位于人马座，离开我们有 30000 光年之远。它的内区被大量的气体尘埃云所遮蔽，但是利用射电、X 射线和红外辐射探测器，天文学家已经能够识辨出在那儿有一个高度致密而又蕴藏巨大能量的天体，称为人马 A* 。尽管人马 A* 的尺度不会超过几十亿公里（按天文标准，这是很小的），但却是银河系中最强的射电源。它的位置与一个很强的红外源相重合，而且同一个 X 射线天体靠得很近。虽然情况十分复杂，但那里隐藏着一个黑洞的可能性看来正在增大，而且用它至少可以解释若干观测现象。不过这个黑洞的质量可能不大于 1000 万倍太阳质量，正好处于超大质量范围的下限。没有任何证据表明它有其他某些星系核中所出现的那种大规模的能量发射和物质抛射的现象，但这也可能是由于这个黑洞目前正处于相对平静阶段。未来的某个阶段，也许在接收到更多的补充气体后，它可能会被激活。如果是这样的话，银河系核会变成激烈活动的星系核，虽然它不大可能会像我们所知道的其他许多星系那样道到严重破坏。现在还不清楚这种激活对位于银河系旋臂上的恒星和行星会有什么样的影响。

 只要附近还有物质供应给它，黑洞就会继续释放被吞食物质的质量能。随着几十亿年时光的流逝，越来越多的物质被黑洞所吞食，结果使黑洞变得更大，食欲更旺盛。这种魔鬼般的黑洞会通过其强大的引力场使偶尔靠近的天体快速地吞噬入其空腹之中，而且由于引力辐射，一种极其微弱但最终起决定性作用的引力过程，最终也会使在很远的轨道上绕其旋转的恒星难逃厄运。

 在 1915 年提出广义相对论后不久，爱因斯坦发现引力场有一个引人注目的特性，即这些引力场方程预言存在具有波动性质的引力振荡，它们的传播速度就是真空中的光速。这种引力辐射使人想起电磁辐射，如光波和无线电波。不过，尽管引力辐射可以携带很多能量，但在物质作用的程度上它不同于电磁辐射。无线电波很容易被像金属丝网那样的小巧结构所吸收，而引力波的作用则非常微弱，它可以畅通无阻地穿过地球而几乎毫无损耗。如果能做成一个引力激光器则需要 1 万亿千瓦的射束才能煮沸一壶水，效率只相当于 1000 瓦的电热丝。引力辐射是相当微弱的，究其原因在于事实上引力是自然界内各种已知力中最最微弱的一种。例如，原子中引力与电力之比约为 10-40 。我们之所以会注意到引力的唯一原因完全在于它的累积效应。因此，它对行星这种较大天体起着决定性的作用。

 引力波的效应是极其微弱的，它们的产物也毫不显眼。原则上说，只要质量受到扰动，就会产生引力波。例如，地球绕太阳的运动会发射出一系列连续的引力波并进入银河系，但输出的总功率仅有 1 毫瓦。这份能量损耗会造成地球轨道的减小，但减小的速率慢得出奇：每 10 年大约减小 1000 万亿分之一厘米。

 但是，对于以接近光速运动的大质量天体来说，情况便截然不同了。有两种现象可能导致重要的引力辐射效应。一种是突发性的激烈活动事件，如超新星爆发。或恒星坍缩形成黑洞。这类事件的结果是发射短暂的脉冲式引力辐射，也许只能持续几个微秒，但通常会携带 1044 焦耳能量（与太阳所输出的热量相比，后者约为每秒 3×1026 焦耳）。另一种是大质量天体彼此作高速互绕转动时的那种比较慢也比较规则的运动。例如，一对密近双星会产生大流量的引力辐射。如果其中的两颗恒星是坍缩天体，如中子星或黑洞，那么这一过程便特别有效。天鹰座里有两颗作互绕轨道运动的中子星，相距仅为几百万公里。它们的引力场极强，每转动一周所需要的时间还不到 8 个小时，因此这两颗恒星的运动速度同光速相比也是相当可观的。这种非同寻常的奔跑极大地放大了引力波的发射率，结果，轨道的每年减小量便可以测量出来（运动周期约改变 75 微秒）。随着这两颗恒星向内盘旋接近，发射率将逐步上升，这就注定它们在 3 亿年后会彼此相撞。

 天文学家估计，每个星系大约每 10 万年发生一次这类双星系统的合并事件。这种天体密度非常大，引力场极强。在恒星碰撞前的最后时刻，它们将以每秒几千圈的速度互绕转动，同时引力波的频率则急剧升高，并发出持有的吱吱声。爱因斯坦的公式预言，引力的输出功率在这最后阶段中将是异常惊人的，而且轨道会迅速坍缩。恒星的形状会因彼此间的引力牵拉而严重变形，因而在接触前的瞬刻，它们看上去就像一根急剧旋转的巨型雪茄。最后的合并将是乱糟糟的，两颗恒星并合成一个复杂而疯狂跳动的团块，它会发出大量的引力辐射，到它安定下来之时已大致成为球形。这个球就像一个怪铃，以一种特殊的振动方式摇晃、颤动。这种振荡也会产生引力辐射，这样就会进一步消耗天体的能量，直至它最后安宁下来，变成毫无生气的天体。

 虽然引力辐射过程相对来说是缓慢的，但很可能对宇宙的结构具有深远的长期效应。因此，科学家们力图通过观测来证实他们关于引力辐射的思想，而这一点是极为重要的。对天鹰座中那个双中子星系统的研究表明，它们的轨道正在减小，而减小的速率恰好与爱因斯坦理论的预言相一致。因此，这个系统提供了发射引力辐射的直接证据。但是，更具有决定性意义的试验要求在地球上的实验室里探测到这种辐射。许多研究小组已建造一些设备用以记录引力波爆发那稍纵即逝的信息，但到目前为止所有这类装置都不够灵敏，无法探测到引力辐射；很可能我们只有在新一代探测器诞生之后才能完全证实引力波的存在。

 两颗中子星的合并可能会产生一颗更大的中子星或者一个黑洞。一颗中子星和一个黑洞的合并，或两个黑洞的合并，则必定产生一个黑洞，这一过程同样会伴有引力波能量损失，接着是复杂的振颤或运动，而这种运动会因引力波能的损失而慢慢地衰减下去。

 探讨两个黑洞合并时所释放的引力能的理论极限是很有意义的。在 70 年代早期，罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、霍金、勃朗顿·卡特（Brandon Carter）、雷莫·鲁菲尼（Remo Ruffini）、拉里·斯玛尔（Larry Smarr）和其他一些人已经完成了有关这些过程的理论工作。如果两个黑洞有相同的质量，并且无旋转，那么能释放出大约 29% 的总静止质量能。如果以某种方式对这两个黑洞加以巧妙的处理，那么这些能量不一定完全以引力辐射的形式出现。但是，对于自然并合体，大部分能量就应当以这种极其难以察觉的形式释放出来。如果黑洞以物理定律所允许的最大速度（粗略地说就是光速）在自转，而且以反向旋转的方式沿着它们的自旋轴并合，那么就会有 50% 的质量能发射出来。

 即使有这么大的比例也还不是理论极限。可能存在带电荷的黑洞。一个带电黑洞既有电场又有引力场，两者都可以储存能量。如果一个带正电的黑洞遇上另一个带负电的黑洞，就会发生“放电”，在这一过程中所释放的不仅有引力能而且还有电磁能。

 事实上，给定尺度（或质量）的黑洞只能携带不超过某个极大值的电荷量，因此这种放电存在某个极限。对无自转黑洞，这个极大值可由如下的考虑来决定。设想有两个带有等量电荷的相同黑洞，黑洞的引力场会在它们之间产生吸力，而电场则产生斥力（类似于电荷相斥）。当荷质比达到某个临界值时，这两种相反的力恰好平衡，于是在两个黑洞之间便不存在净力。正是这个条件决定了黑洞可以包含的极限电荷量。你也许不知道，如果设法增加黑洞的电荷使之超过这个极大值，将会发生什么情况。要做到这一点的一种途径是强迫更多的电荷注入黑洞。这种做法会起到增加电荷的作用，但为克服电斥力做功就要施加能量，这份能使传递给了黑洞。因为质能相当（记住 E ＝Mc2 ），黑洞的质量就增大，体积也随之变大。简单的计算表明，在这一过程中质量的增加要比电荷增加得更多，结果荷质比实际上减少，而企图超过这个极限的努力终告失败。

 带电黑洞的电场对黑洞的总质量是有贡献的。对携带最大允许电量的黑洞来说，电场代表了一半质量。如果两个无自转黑洞都带有极大电荷，但电荷的符号相反，那么它们彼此间存在两种吸引力：引力吸引和电磁吸引。当它们并合时，电荷中和，而电能就能被提取出来。理论上说，它能达到这种系统总质量能的 50% 。

 如果两个黑洞都在自转，并带有极大相反电荷．那么所提取的能量便达到绝对上限。这时，总质量能的三分之二可以释放出来，这个比例是很高的。当然，这种数值只有理论上的意义，因为实际上黑洞不可能携带大量的电荷，两个黑洞也不可能以这种最佳方式并合，除非有一个技术发达的社会能对它们实施巧妙的人为控制。然而，即使两个黑洞的低效率合并也可能把这两个天体总质量能的可观部分几乎在瞬息之间释放出来。在它好几十亿年的生涯中，恒星依靠核燃烧大约释发了百分之一的质量，相比之下可谓微不足道。

 这些引力过程的意义在于，在恒星的核燃烧结束后，它的死亡之旅仍是漫漫无期的。作为一个坍缩后的残骸，它还有潜力通过引力释放能量，而且远远超过当它还是个灼热气体球时由热核过程所放出的能量。当这个事实大约在 20 年前被人们认识之时，物理学家约翰·惠勒（ John wheeler ，他是最早提出“黑洞”这个词的人）设想有那么一个文明世界，由于它们对能量的需求不断增加，结果便放弃了自己的恒星，并在一个自转黑洞周围安居下来。每天，这个社会的废物被装上载重卡车，并通过一条经仔细计算过的弹道送往那个黑桐。在接近黑洞时，卡车上的废物就卸下来倒入黑洞。通过这种方式，废物便一劳永逸地处理掉了。下落的废物沿着与黑洞自转方向相反的路径飞行，它会影响黑洞的自转，使自转速率稍稍减慢。于是，黑洞的自转能就释放出来，而文明世界便可以利用它为自己的工业提供能源。因此，这个过程具有彻底销毁一切废物并把它们完全转变成能量两大优点！文明世界可以在需要的时候通过这种方式，从死亡之星获取能量，而且能量的供应要比恒星在核燃烧阶段所发出的大得多。

 虽然利用黑洞能是一种科学幻想，但是，许多物质将会在黑洞内自然地寿终正寝。它们可以是坍缩恒星的一部分，也可以是偶然相遇而被吞食的碎片。凡是在我作黑洞讲演的时候，人们老是要问进入黑洞的东西会发生什么情况。简单的答复是：我们不知道。老实说，我们对黑洞的认识几乎完全基于理论考虑和数学模型。事实上，按黑洞的定义，即使我们非常靠近黑洞来进行观测（这是做不到的），我们不能从外部世界观测到黑洞的内部，也永远不可能知道它里面发生什么情况。然而，首先用来预言黑洞存在的相对论，也可以用来预言宇航员在掉进黑洞时的经历。下面便是这种理论推测的大致情况。

 黑洞的表面实际上只是一种数学图象，那里没有真正的一层“膜”，而只是一无所有的空间。那位下落中的宇航员在进入黑洞时，看不到任何在物理学意义上特别与众不同的情景。但是，这个表面确实有着某种引人注目的物理学含义。黑洞内部的引力非常强，能俘获光，也就是把向外跑的光子重新拉回来，这意味着光无法逃离黑洞。黑洞之所以从外面看上去是黑的就是这个原因。因为没有一种物体或者信息可以比光跑得更快，所以任何东西一旦进入黑洞就没法逃出去。黑洞内所发生的事件对外部观测者来说永远是个秘密。因此，黑洞的表面被称作“事件视界”，因为它把从远处可以目睹的外部事件与不可目睹的内部事件分隔开来了。但是，这个效应仅是事情的一个方面。当宇航员进入事件视界以内的区域，他仍然可以看到外部世界，尽管在外面的任何入永远也不能再见到他。

 当宇航员越来越深入黑洞时，引力场变得更强了。有一种效应使他的身体变形。如果他下落时脚在前面，那么他的双脚就比他的头更接近黑洞中心，因而脚所处的引力更强些。结果、他的脚所受到的往下拉的力会比头部更利害，这样一来他就拉长了。与此同时，他的双肩会沿着向中心会聚的方向拉向黑洞中心，所以他的两边便要受到侧向的挤压。这种拉长和挤压的过程有时称作拉面过程（Spagehitiffication）。

 理论研究表明，在黑洞中心引力的增强是没有上限的。因为引力场表现为时空的弯曲，或者说翘曲，所以随着引力的不断增强，时空扭曲也就无止境地越来越利害。数学家把这种特征称作时空奇点。它代表空间相时间的边界（或者说边缘），穿过这个边界，正常的时空概念不再连续。许多物理学家相信，黑洞内的这个时空奇点名副其实地代表了空间和时间的终结，与它相遇的任何物质将会完全湮没。如果情况确实如此，那么组成宇航员身体的原子其至会在 1 纳秒的超级拉面过程中在这个奇点内化为乌有。

 要是黑洞的质量为 1000 万个太阳质量，即与银河系中心可能存在的黑洞质量差不多，那么，这位宇航员从事件视界向湮没奇点下落所经历的时间大约为 3 分钟。这最后的 3 分钟会是很不舒服的。实际上，早在到达奇点之前，拉面过程就已把这个不幸的人杀死了。在这最后阶段，他是无论如何也见不到那个即将完全毁灭他的奇点的，因为光不可能从奇点逃逐出来。只有一个太阳质量的黑洞其直径大约为 1 公里，对于这样黑洞，从事件视界到奇点的旅程只需要几微秒。

 虽然从这位下落宇航员的参考系来看，毁灭前的时间只是一瞬间，但从远处来看，黑洞的时间扭曲使得宇航员最后的旅程表现为一种慢动作。当宇航员接近事件视界时，在他附近事件发生的过程对遥远的观测者来说似乎变得越来越慢。事实上，宇航员似乎必须要经过无限长的时间才能到达事件视界。所以，宇航员仅仅在一阵疾驰中便经历了相当于外部宇宙中无穷无尽的时间，就这个意义上说，黑洞是通往宇宙尽头的门槛，是一条宇宙死胡同，它代表了再也没有通路的最终实体。黑洞是包含了时间尽头的狭小空间区域。谁要是对宇宙尽头感到好奇的话，只要跳进一个黑洞就可以得到亲身体验了。

 虽然引力是自然界最微弱的力，但是它在不知不觉中累积起来的作用不仅决定了单个天体，而且也决定了整个宇宙的最终命运。压碎恒星的那种残酷无情的吸引力，同样作用在尺度要比恒星大得多的整个宇宙上。这种万有引力的结局完全取决于产生引力的物质总量。为此，我们必须称出宇宙的重量。

谢选骏指出：这是“估算”，而非“称出”。这正如没有人进入过黑洞，有人却能滔滔不绝地谈论黑洞——真是太太太奇葩了。现代科学家所谈论的黑洞，不就是古代宗教家所谈论的地狱之翻版吗？通过黑洞到达新星，正如通过地狱达到再生。

【第六章 给宇宙过磅】

 人们常说有上必有下。引力对抛向天空的物体所起的作用是要阻止物体的飞行，并把它拉回地球。但是，事情并不总是如此。如果物体的运动速度足够快，就可以完全摆脱地球的引力，结果它就能飞入太空而永不返回。发射行星际空间飞船的火箭就能达到这么高的速度。

 临界“逃逸速度”大约为每秒 11.2 公里（每小时 4 万公里），这相当于协和式飞机速度的 20 倍以上。临界速度可以从地球的质量（地球所包含的物质的数量）和半径导出。对一定质量的物体来说，直径越小，表面引力越大。脱离太阳系意味着要克服太阳的引力。太阳的逃逸速度为每秒 16.7 公里。想要脱离银河系向外逃逸就得有每秒几百公里的速度。在另一个极端，如对于中子星一类致密天体，逃逸速度为每秒几万公里，而对黑洞来说逃逸速度就是光速（每秒 30 万公里）。

 脱离宇宙的速度有多大呢？在第二章中我已指出，宇宙看来没有边界，也就无从逃离。不过要是我们暂且假定有这样的边界，而且它处于我们的观测极限处（约离我们 150亿光年），那么，逃逸速度大约要达到光速。这是一个极有意义的结果。因为大多数遥远的星系看上去正在以接近光的速度远离我们退行，要是就取这个数值，那么星系看上去正在以很高的速度向远处运动，因而实际上它们恰好可以“逃离”宇宙，或者至少它们是在相互远离，并且“永不返回”。

 事实上，膨胀宇宙尽管没有十分明确的边界，它的行为却同地球上抛起的物体十分类似、如果膨胀速度足够大，退行中的星系就会克服宇宙中所有其他物质的总引力而逃逸出去，于是膨胀将会永远持续下去。另一方面，如果膨胀速度太低，膨胀最终会停下来。接着宇宙便开始收缩。那时，星系将再次“掉回来”。随着整个宇宙的坍缩，按理而来的便是宇宙的最后一次大灾难。上述两种景象中我们面临的是哪一种呢？答案取决于两个数字的较量。一方面是膨胀速度，另一方面是宇宙的总引力，后者实际上就是宇宙的重量。吸引力越大，宇宙必须膨胀得越快才能将之克服。天文学家可以直接从红移效应对第一个量加以测定。我在第一章中已经解释过，这个答案仍然存在某种争议，所以在撰写本书之时保守— 点说，现在所知道的数值可能有上下 1 倍的误差。但是，第二个量的问题就要大得多了。

 怎样称出宇宙的重量呢？这个问题看上去令人束手无策。很清楚，我们不可能直接做到这一点。然而，我们也许能借助引力理论来推算出它的重量。要得出这个值的下限并不难。从太阳对行星的引力可以称出太阳的重量。我们知道，银河系包含大约 1000 亿颗其质量类似太阳质量的恒星，这就大致给出了星系质量的下限值。现在我们可以估计宇宙中一共有多少个星系。把它们逐个累加起来是不可能的，因为数目太大了。但是，一种合理的估计是 100 亿个。于是就得出总重量为 1021 太阳质量，或者说约 1048 吨。只要知道这个星系超级大家庭的半径，我们便可计算宇宙逃逸速度的极小值：答案是约为光速的百分之一。由此我们可以得出这样的结论：如果宇宙的重量仅仅来自恒星，它便可以解脱自身引力的束缚，永恒地持续膨胀下去。

 许多科学家对此确信无疑，但不是所有的天文学家和宇宙学家都相信这样求和的办法是正确的。我们看到的物质同实际存在的物质相比，显然估计过低，因为宇宙中的天体并不都是发光的。诸如暗星、行星和黑洞一类的暗天体，大多数我们都没有注意到。更有大量的尘埃和气体，它们绝大部分都难以察觉。此外，也难以想象星际空间完全空无一物，那里也许有大量稀薄的气体存在。

 然而，这几年来一种更有吸引力的可能性激起了天文学家的浓厚兴趣。宇宙起源于大爆炸，而大爆炸不仅是我们所看到的一切物质的本源，也是我们现在看不到的许多物质的本源。如果宇宙最初是一种灼热的亚原子粒子汤，那么除了人们所熟悉的电子、质子和中子（它们构成了你、我以及我们周围的其他普通东西）之外，也必然生成过粒子物理学家最近才在实验室内识别出来的所有其他各种粒子，而且数量很大。人们发现这些其他种类粒子中的大多数是很不稳定的，很快就发生衰变，但有一些也许便作为原初宇宙的遗骸而留存在今天的宇宙中。

 在这些遗骸中主要是中微子，现已证实这种幽灵般的粒子在超新星中极为重要（见第四章）。据我们迄今所知，中微子不能衰变成任何别的东西（实际上，有 3 种不同类型的中微子，它们之间也许能相互转变，不过这里我们不考虑这种复杂情况）。因此成们认为宇宙应当沉浸在大爆炸留下的宇宙中微子海洋中。只要假定大爆炸的能量对所有各类亚原子粒子均分，就能计算出总共应有多少个宇宙中微子。由此，得出的结果是大约每立方厘米空间有 100 万个中微子，或者说每立方分米约有 10 亿个中微子。

 我始终对这个惊人的结果极感兴趣。在任意给定的时刻，你的身体里就有大约 1000 亿个中微子，它们几乎全是大爆炸的遗骸，并且自最初存在的 1 毫秒以来就保存了下来，而且基本上没有受到任何破坏。因为中微子以光速或接近光速的速度运动，它们闪电般地穿过你，结果每秒钟就有 1 万亿亿个中微子穿透你的身体。由于中微子与普通物质间的作用极为微弱，完全可以忽略不计，因此这种不停顿的侵袭丝毫不为我们所察觉，而且在你的一生中甚至可能没有一个中微子会留在你的身体里。尽管如此，在看上去似乎空无一物的宇宙空间里有这么多中微子存在，这对宇宙的最终命运具有深远的影响。

 虽然中微子的相互作用异常微弱，但它们确实与所有的粒子一样会产生引力。它们或许并不直接对周围的其他物质产生推和拉的作用，但有可能证实它们的间接引力效应对增加宇宙的总重量是至关重要的。为确定中微子的贡献有多大，必须对它们的质量作一番了解。

 以快速运动的粒子来说，质量是个难以捉摸的概念。那是因为物体的质量并不是一个固定不变的量，而是取决于物体的速度。例如，如果 l 千克的铅球以每秒 260000 公里的速度运动，便会重 2 千克。这里的关键因素是光速。物体的速度越接近光速，它的质量就越大，而且质量的这种增大是没有极限的。因此为了不至发生混淆，物理学家在谈到亚原子粒子的质量时，都是指静止质量。如果粒子以接近光的速度运动，它的实际质量也许是它的静止质量的很多倍。例如，在大型粒子加速器内部，作回旋运动的电子和质子的质量可达到它们静止质量的好几千倍。至于重力，它是实实在在的，而不是算出来的静止质量。尽管中微子的静止质量可能非常小，但由于中微子以接近光的速度运动，它们也许有很大的质量。事实上，它们甚至可能有零静止质量，而运动的速度正好等于光速。达时，它们的实际质量必须根据它们的能量来确定，而对于残留下来的宇宙中微子来说，后者又可以通过理论计算从在大爆炸中所获得的能量推导出来，同时必须考虑宇宙膨胀的衰减效应并加以修正。这种做法所得出的具有零静止质量的中微子对宇宙的总重量并没有重大的贡献。

 另一方面，我们不能肯定中微子确实具有零静止质量。从理论上说，我们今天对中微子的认识并不诽除它具有有限的静止质量。因此，这就变成了一个需要判别究竞是哪一种情况的实验问题。第四章中已经提到，如果中微子有静止质量，那么它肯定是非常小的，要比其他任何已知粒子小得多。但是，宇宙中有这么多的中微子，即使是微小的静止质量也会使字宙总重量发生重大变化。这是一个需要仔细权衡的问题。即使质量小到电子（已知最轻的粒子）质量的万分之一，也足以产生重大的影响：中微子的总质量会超过所有恒星的总重量。

 要探测这么小的静止质量十分困难，实验得出的各种结果既混乱而又相互矛盾。碰巧，人们探测到了超新星 1987A 发出的中微子，它提供了一条重要的线索。如果中微子有零静止质量，那么所有的中微子必定都以严格相同的速度（光速）运动。另一方面，如果中微子有很小的非零静止质量，那末速度可能就有个范围。超新星发出的中微子可能具有很高的能量，所以即使它们确实具有非零静止质量，也会以非常接近光的速度运动。但是，因为这些中微子要在太空中作长时间的旅行，即使有微小的速度变化．也会引起到达地球的时间上的变化，而这种变化是可以测量出来的。研究来自超新星 1987A的中微子在时间分布上的跨度，可以得出中微子静止质量的上限为电子质量的三万分之一。遗憾的是情况要比这来得复杂，因为已经知道存在着不止一种中微子。大多数有关静止质量的测定工作都是指泡利最初假定的那种中微子，但自从这类中微子发现以来，已经找到第二种中微子，并推断有第三类中微子存在。所有这三类中微子在大爆炸中都会大量地产生出来。直接确定另外两类中微子的质量范围是很困难的。实验表明，可能取的数值范围依然很宽。不过最近理论学家的流行观念正转为反对中微子可能在宇宙质量中占主导地位。但是，这种观念可能得容易被新的中微子质量实验测定结果所推翻。 问题的复杂性还不止这些，因为在谈到对宇宙重量的估计时，中微子并不是唯一可能存在而应加以考虑的宇宙遗骸。大爆炸时还会产生其他稳定的弱相互作用粒子，也许它们会有相当大的质量（如果质量太大，粒子就无法产生了，这是因为产生高质量粒子需要大量的能量）。它们通称为弱相互作用重粒子（ Weakly InteractingMassive Particles，缩写成 WIMP）。事实上，理论学家已经有了一份假设的弱相互作用重粒子检验单，它们有着堂吉诃德式的名字，如引力微子，希格斯微子以及光微子。没有人知道它们是否真的存在，但如果确实存在的话，它们可能会对宇宙重量的确定起关键性的作用。 值得注意的是，也许有可能通过弱相互作用重粒子与普通物质相互作用的方式来直接检验这类粒子的存在。这种相互作用预期是很弱的，但由于弱相互作用重粒子的质量较大，这使它们能有比较大的活力。英国科学家已在英格兰东北的一座盐矿里设计了一项实验，以期发现通过那儿的弱相互作用重粒子。假定宇宙中充满弱相互作用重粒子，那么任何时到都会有数量极大的这类粒子穿过我们身体（还有地球）。这项实验的目标是令人吃惊的：要探测出一个弱相互作用重粒子击中原子核时所发出的声音！

 实验用仪器由放在致冷系统中的锗晶体或硅晶体组成。如果有一个弱相互作用重粒子击中晶体内的一个原子核并与之相互作用，它的动量便会引起原子核的反冲。这种突如其来的冲击产生一种很弱的声波，也就是晶体振动。随着波向外传播，它会衰减下来并转变成热能。这项实验的设计就是要探测与这种衰减声波联系在一起的极小的热脉冲。由于晶体冷却到接近绝对零度，探测器对注入的任何热能极为敏感。

 理论学家猜想，银河系沉浸在一大群呈团块状而运动又较为缓慢的弱相互作用重粒子之中，粒子的质量介于 1 个质子质量到 1000 个质子质量之间。当太阳系在银河系中作轨道运动时，会扫过这种看不见的海洋。如果粒子的典型速度为每秒几千公里，那么地球上每 l 千克物质每天所能散射的粒子数可多达 1000 个。如果这正是事件的发生率，弱相互作用重粒子的直接探测应当是可行的。

 在继续设法猎取弱相互作用重粒子的同时，天文学家也正在着手处理宇宙称重的问题。一个天体即使看不见（或听不到），它的引力效应仍然会表现出来。例如，天文学家由于察觉土星轨道受到一未知引力源的扰动而发现了海王星。绕亮星天狼星转动的暗白矮星天狼 B 也是通过这条途径发现的。因此，只要监视可见天体的运动状况，天文学家也可以建立起任何不可见物质的图象（我已经说明了这种方法如何使人们猜测到天鹅 X-1 中可能有黑洞存在）。

 最近一、二十年间，人们仔细研究了银河系内恒星运动的方式。银河系并不是静止的，而是在缓慢地转动。恒星绕银心转动的典型时间尺度超过 2 亿年。银河系的形状很像一个盘子，银心附近聚集着大量的恒星，银盘里包含了更多的恒星、气体和尘埃。因此，粗略地说情况同太阳系相类似，后者是行星绕太阳旋转。在太阳系内，水星和金星这类内行星比土星和海王星这类外行星要转得快，这是因为内行星受到的太阳引力更强。你也许会以为这个规律也适用于银河系，即银盘外部区域恒星的运动速度应比银盘中央的恒星要慢得多。

 然而观测结果并非如此。在整个银盘内恒星的运动速度大致相同，其解释只能是银河系的质量毕竟不是都集聚于其中央，而是一定程度上表现为平均分市。因此，看上去银河系质量好像集中在中央这一事实表明发光物质仅仅反映了部分实际情况。很明显，存在大量的暗物质或不可见物质，它们中的大部分分布在银盘的外围，从而加快了这部分区域内恒星的运动速度。甚至很可能暗物质的主要部分分布在发光银盘可见边缘之外以及银道面外侧，它们以一种不可见的大质量晕的形式包围着银河系，并延伸至遥远的星际空间。在其他星系中也观测到了类似的运动图像。要是用太阳的质量和亮度间的关系，从星系可见区域的亮度可以推算出它的质量；而测量表明，平均来说显示的质量比它们亮度所反映的质量大 10 倍以上，在最外部区域甚至高达 5000 倍。

 对星系团内全部星系运动状况的研究也得出了相同的结论。很清楚，如果星系运动得足够决，它将会摆脱星系团的引力束缚。如果团内所有星系的运动都这样快，这个星系团便会很快瓦解，后发座内有一个由几百个星系组成的典型星系团，人们已经对它作过深入细致的研究。后发团星系的平均速度实在太大了，以致这个星系团无法长期存在，除非那里要有比亮物质质量至少多 300 倍的物质。因为一个典型星系穿越后发星系团只要花 10 亿年左有的时间，所以到现在为止已有充足的时间使这个星系团瓦解。但这种情况并没有发生，星系团的结构从各个方面给人的印象表明它是一个引力束缚系统。很明显，那儿存在某种形式的暗物质，而且数量很大，正是这些暗物质影响了星系的运动。

 对宇宙更大尺度结构的仔细研究进一步说明了可能存在着不可见物质。这种结构是以星系团和超星系团集结在一起的方式出现的。我在第三章中已经提到，星系分方的方式使人想起泡沫，它们成串排列，形成纤维结构，或蔓延开来形成巨大的薄片。它们包围着一些硕大无朋的巨洞。如果没有暗物质的额外引力作用，这样一种泡沫状的成团结构在自大爆炸以来的这段时间内是不可能出现的。但是，直到撰写本书之时，还无法借助任何简单形式的暗物质，通过计算机模拟来产生观测到的泡沫结构，这可能意味着需要某种复杂的混合型暗物质。

 最近，科学界的注意力集中在用一些奇异的亚原子粒子作为暗物质的候选者。但是，暗物质以较为常见的形式存在也是可能的，如行星尺度的物质或者暗桓星。这类暗天体可能数量非常之大，它们在我们周围的太空中漫游，只是我们对这一事实毫无察觉且不以为然。近来，天文学家找到了一种方法，它能揭示没有受可见天体引力束缚的暗天体的存在。这种方法利用了爱因斯坦广义相对论所得出的一项结果，这就是引力透镜。

 这种思想基于引力可使光线发生弯曲这一事实。爱因斯坦预言，如果一束星光从太阳附近通过，它就会发生少量的弯曲，导致恒星在天空中的视位置发生位移。在同一天体附近有无太阳的情况下，比较这颗恒星的位置就可检验这个预言。1919 年，阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）首先做了这种检验，并出色地证实了爱因斯坦的预言。

 引力透镜同样使光线发生弯曲，这样可以使光线聚焦而成像。如果某个引力天体对称性很好，它就能起到透镜的作用，可以使逐远光源射来的光线聚焦。从源 S 来的光线落到球形天体上，天体的引力使它周围的光线弯曲，并把光线引向另一侧的焦点。这种弯曲效应对多数天体而言是很微弱的，但在天文学距离尺度上，即使光在路途中发生微小的弯曲最终也会产生一个焦点。如果这个天体位于地球和遥远的 S 源之间，那么这一效应会使 S 的像大大地增亮，或在一些特殊情况下视线方向恰到好处，便会表现为一个明亮的光圈，称为爱因斯坦圈。对形状比较复杂的天体，透镜效应很可能会产生多重像，而不是单一的聚焦像。天文学家在宇宙学尺度上已经发现若干个与大质量星系有关的引力透镜，它使遥远的类星体形成多重像。此外还发现了一些因透镜作用由类星体形成的光弧和完整的光圈。这种情况的出现是因为居间星系同类星体差不多恰好位于同一视线方向上。

 对于暗行星和低光度白矮星，如果它们恰好位于地球和某颗恒星之间，就应当出现透镜效应，而天文学家便可搜索能揭示这种效应的信号。当暗天体穿过视线时，恒星像的亮度会以一种特有的方式表现出时强时弱的变化。虽然天体本身还是没能看见，但是，从透镜效应可以推断它的存在。一些天文学家正在试图用这种技术来搜索银晕中的暗天体。尽管与遥远的恒星恰好位于同一视线方向上的概率非常非常小，但如果在那里有足够多的暗天体，就应当能观测到引力透镜效应。

 黑洞也会起到引力透镜的作用，这方面已经做了广泛的搜索，以利用河外射电源（透镜对射电波的作用方式与光波相同）来确定黑洞个数的范围。结果发现可能的候选天体为数甚少，由此给人以这样的印象：用恒星或星系级质量的黑洞来解释存在大量暗物质是不大可能的。

 但是，并非所有的黑洞都会在透镜效应普查工作中显示出来。很可能大爆炸后不久，早期宇宙盛行的极端条件有利于微黑洞的形成，它们也许不会比原子核大。这种天体的质量应当等于一颗小行星的质量。许多质量可以以这种形式隐藏起来，它们遍布于整个宇宙，而我们却观测不到。令人惊讶的是，甚至有可能通过观测来确定这些怪异实体的数量范围，其理由涉及称为霍金效应的一种现象，我将在第七章中对此作出解释。简单地说，微黑洞的爆发可能表现为一阵荷电粒子雨，爆发是在经历一段确定的时间之后发生的，而时间的长短则取决于黑洞的大小：黑洞越小，爆发得越早。小行星质量的黑体将在 100 亿年后爆发，也就是说大约就发生在今天。这种爆发的一个效应是要产生突发性的射电脉冲，对此射电天文学家一直在进行检测。因为连一个有希望的脉冲也没有探测到，由此得出的结论是，每立方光年空间每 300 万年只能发生一次爆发。这意味着至少就小行星质量大小的微黑洞而言，它们只占宇宙质量的很小一部分。

 总的来说，不同天文学家所估计的宇宙暗物质数量各不相同。可能的情况是，暗物质与发光物质的质量比至少为 10 比 1 ，有时也援引 100 比 1 这类比值。令人吃惊的是，天文学家居然不知道宇宙主要由什么东西组成。他们长期以来认为宇宙的主要成分是恒星，结果发现恒星只占了宇宙总质量中相当小的一部分。

 对宇宙学家来说，关键问题是有没有足够的暗物质能阻止宇宙膨胀。如果能够的话，暗物质的数量与可见物质之比必定更接近 100 倍而不是只有 10 倍。虽然实际情况或许恰恰如此，但这毕竟只是一个纸面上的数值。由于宇宙的最终命运完全取决于这一答案，因而人们寄希望于对暗物质的搜寻会很快给出孰是孰非的明确答案。

 与此同时，一些理论学家相信，只要通过计算就有可能估计宇宙的重量，而无需直接进行困难重重的观测工作。有一种传统信念认为，人类仅仅依靠合理推理的能力便有可能对宇宙的奥秘作出预测，这可以追溯到古希腊哲学家。在科学时代，有些宇宙学家一直企图根据一套深奥的原理，系统地导出一些数学公式，从这些公式应当可以得出数值确定的宇宙的质量。特别诱惑人的那些体系就是根据某种数灵学公式来确定宇宙中粒子准确数目的。这种学究式的冥思苦想一直没有得到大多数科学家的赞同，虽然它们也许很有诱惑力。但是，近年来开始流行一种比较令人信服的理论，因为它对宇宙质量作出了某种明确的预言。这就是第三章讨论过的暴胀演化图象。正如前面所解释的那样，暴胀理论有一项预言涉及宇宙的膨胀速度，其结论接近于观测值。事实上，这项预言比观测值更精确。暴胀相的效应会把宇宙恰好推到临界膨胀速度，结果宇宙正好摆脱自己的引力，并永恒膨胀下去。因此，暴胀理论预言，宇宙所包含的恰好就是临界物质重量，而宇宙便处于继续膨胀和重返坍缩的分界线上。

 就今天的知识水平而言，我们还无法断定宇宙会不会永远膨胀下去。如果它再次收缩，问题便在于这将会在什么时候发生。答案完全取决于宇宙重量超过临界重量究竟有多少。如果超过百分之一，那么在大约 1 万亿年后宇宙将再次收缩；如果超过百分之十，收缩会提早到 1000 亿年后发生。

 如果暴胀理论是正确的话，它同上述问题之间的关系是很有趣的。当然，这种理论的描述是理想化的。严格地说，暴胀相必须延续无限长时间才能达到这个临界值。实际上这个阶段所经历的时间非常短。因此，宇宙的实际质量会比这一临界值稍大一些，或者稍小一些。对前一种情况，坍缩最终总要出现。暴胀理论中很奇怪的一点在于向这个临界值的逼近，是按指数规律极快进行的，这意味着在经过一段极短时间的暴胀之后，宇宙实际上所具有的重量已非常接近这个临界值。因此，宇宙遥远的未来与爆炸后第一秒钟时间内暴胀行为的具体细节有着非常密切的关系。

 为了引入一些数字，可能的情况是暴胀相开始于大爆炸之后仅 10-34 秒。在第三章中我把这段时间称之为一个滴答。暴胀可能延续几百个滴答，然后就结束了。由于时间有限，暴胀必定是不充分的，随后所产生的宇宙其重量非常非常接近而又不完全等于临界值。如果实际重量比临界值来得大，那么经过漫长的岁月，宇宙会再次收缩。

 按指数规律迅速逼近临界值这一事实，意味着宇宙的寿命取决于暴胀相的寿命，而且后者对前者的影响十分敏感。粗略地说，要是暴胀每多坚持一个滴答，宇宙开始再收缩前所经历的时间就会增加 1 倍。因此，譬如说 100 个滴答的暴胀导致宇宙在 1000 亿年后再收缩，那么 101 个滴答会使再收缩发生在 2000 亿年以后，而 110 个滴答的暴胀暗示收缩发生在 102400 亿年以后，依此类推。因为我们对宇宙暴胀是 100 个滴答还是 1000 个滴答一无所知，所以也无法肯定经过多长时间宇宙才开始收缩。但是很明显，这大概总是发生在未来某个很遥远的时刻。除非在数字上出现某种特别的巧合，否则再收缩的时刻应当与我们人类在宇宙中出现并生存下来的时间无关。所以我们可以预料，如果再收缩会发生的话，也只会经过漫长的时间之后才会发生，这段时间是目前宇宙年龄的许多倍。如果情况确实如此（它还取决于暴胀理论所用的方法是正确的），那就是用我们最好的天文观测仪器也无法确定宇宙的重量究竟在临界值的哪一侧。在这种情况下，人类永远不会知道自己所居住的宇宙有着怎样的最终命运。

谢选骏指出：可怜的人类，连自己的命运都不清楚，还想知道宇宙的命运？但是，人类毕竟不是鸟类，毕竟除了吃喝拉撒生儿育女之外，还想更多知道一些自身的处境，所以天文学也就免不了了，就像地理学免不了，哲学神学科学的免不了了。在这种意义上，天文学和其他各学类似，具有先天局限，那就是人体自己。人体如何可能高攀天体呢？除了我所说的“宇宙朝圣”之外。否则，就只有成为“数灵学”的奴仆了。

（数灵学的概念最早出现在科幻小说作家艾萨克·阿西莫夫[Isaac Asimov 1920－1992，出生于苏俄的美籍犹太人]的科幻小说作品《请用S拼我的名字》中，是一种介于科学与占卜之间的学科，最常见的用途是通过某人收集大量的客观数据，输入计算机编制的程序，加以大量的运算来预知未来，或者未来某件事情的概率，并通过改变某个客观条件来影响未来以达到预期的目的。虽然这是一门集数学、统计学、占卜学于一体的综合学科，但是运算过程中会出现非常庞杂的变量，所以数灵学的运算无法准确。]

【第七章 悠悠岁月】

 对无限来说很重要的一点是它并不仅仅是一个很大的数。无限与那种只是大得出奇，甚至大得令人无法想象的事物有着完全不同的质的差别。设想宇宙永无终结之日，它能永远存在下去，就意味着应当有无限长的寿命。如果情况确实如此，那么任何物理过程，不管它发展得多么缓慢，或出现的可能性多么的小，都必定有发生的一天。这好比一只猴子在打字机上乱敲，只要一直打下去，最终总会打出威廉·莎士比亚的杰作来。

 我在第四章中已经讨论过的引力波发射现象就是个很好的例子。只有对那些最激烈的天文过程来说，以引力辐射形式损失的能量才会产生显著的变化。地球绕太阳的轨道运动会引起大约 1 毫瓦功率的发射，它对地球运动的影响非常非常小。但是，即使流失功率只有 1 毫瓦，只要延续几万亿年甚至更长的时间，最终也会使地球沿螺旋式的运动轨道落到太阳上。当然，在此之前地球很可能早就被太阳吞食掉了。然而，问题是一些发展得非常慢，因而对人类时标来说可以忽略不计的过程，只要持之以恒，最终总会取得支配地位，从而决定物理系统的最终命运。

 让我们想象在非常非常遥远的未来，譬如说 1 亿亿亿年以后的宇宙状态。那时恒星早已燃烧完毕，宇宙一片黑暗。但是，宇宙并非空无一物。在一片漆黑的浩瀚太空中潜伏着许多带自转的黑洞、离散的中子星和黑矮星，甚至还有一些行星级天体。在那个时代，这类天体的密度是极低的，宇宙已膨胀到现有尺度的 1 亿亿倍。

 引力会竭尽全力进行一场奇特的战斗。膨胀中的宇宙力图使每个天体同其邻居间的距离拉开，而天体相互间的引力吸引则起相反的作用，力图使天体团聚在一起。结果是，天体的某些集团，如星系团或经过数十亿年结构退化后权充的星系，仍然被引力束缚在一起，但这些集团与它们邻近集团间的距离一直在越走越远。这场争斗的最后结局取决于膨胀速度减速过程的具体情况。宇宙中物质的密度越低，越是会促使这些天体集团摆脱开它们的邻居，自由自在地各奔东西。

 在一个引力束缚系统内，缓慢然而却不可抗拒的引力过程发挥了它们的优势。引力波发射虽然很微弱，但不露形迹地在消耗着系统的能量，结果便造成一种缓慢转动的死亡旋涡。死亡的恒星以渐进的方式非常缓慢地接近其他的死星或者黑洞，接着大规模地相互吞食并结合在一起。通过引力波辐射使太阳绕银心的轨道运动衰退下去需要 1 亿亿亿年时间，结果是表现为一个黑矮星残骸悄无声息地滑向银心，在那里有一个巨大无比的黑洞正等待着把它吞食掉。

 但是，死亡了的太阳并非一定会以这种方式接受自己的葬礼。因为当它慢慢地向内漂移时，偶尔也会遇到其他一些恒星。有时它会接近一个双星系统——被引力作用紧紧拥抱而锁在一起的一对恒星。接下来的一段时间涉及到称为引力弹弓的一种奇特现象。处在互绕轨道上的两个天体所表现的运动方式之简单是很典型的。正是这类问题使开普勒和牛顿为之着迷，并促成了现代科学的诞生，他们所研究的是行星绕太阳的转动。在理想情况下，同时不考虑引力辐射，那么行星的运动是规则的，而且是周期运动。不管你等待多久，这颗行星会在完全相同的轨道上一直运动下去。但是，如果有第三个天体存在，譬如说一颗恒星和两颗行星，或者三颗恒星，情况就完全不同了，这时不再是简单的周期性运动。三个天体间相互作用力的图象总是以一种复杂的方式在不断地改变。结果，系统的能量并不是均分给它的各个成员，即使对完全相同的天体也不例外。相反，出现的是一场复杂的舞蹈，在这场舞蹈中，一个天体先获得最大的能量份额，接着便轮到另一个天体。经过很长时间之后，系统的行为可以是完全随机的：事实上，引力动力学的三体问题是所谓混沌系统的一个很好的例子。其中两个天体碰巧会结成一帮，并把它们的大部分能量赋予第三个天体，结果后者便会一下子完全弹出这个系统，就像弹弓射出的弹子一样。引力弹弓这个名称便由此而来。

 这种弹弓机制可以把恒星抛出星团，或脱离整个星系。在遥远的未来，绝大多数死星、行星和黑洞会通过这种方式被抛入星系际空间，它们也许会遇到另一个正在瓦解中的星系，或永远漫游在膨胀着的浩瀚太空之中。但是，这个过程是缓慢的：所需的时间是今天宇宙年龄的 10 亿倍。相反，剩下百分之几的天体会向星系中心移动，并合并而形成一些巨大的黑洞。

 正如第五章中所解释的那样，天文学家有很好的证据表明，在某些星系中心已经存在有大黑洞，它们正贪婪地吞食作涡状转动的气体，其结果是释放出巨大的能量。总有一天，等待大多数星系的会是这种疯狂的吞食，并一直持续到黑洞周围物质或者被吸食一空，或者被逐出星系。然后，这个吃饱了的黑洞便会保持宁静状态，只是偶尔窜入一些游荡的中子星或小黑洞。但是，这决不是黑洞故事的终结。 1974 年，英国数学物理学家霍金发现，黑洞毕竟不是完全黑的；相反，它们在发射一种微弱的热辐射辉光。

 要想完全理解霍金效应只能依靠量子场论，这是物理学中一门深奥的分支学科，在第三章涉及到大爆炸的暴胀理论时我已隐隐提到过。回忆一下，量子理论的一条基本定则是海森伯不确定原理。根据这一原理，量子的所有属性都不具有非常确定的数值。例如，就某一特定时刻来说，光子或电子都不可能具有确定的能量值。在日常的工程领域里能量是守恒的，而在亚原子量子范畴能量可以变化，这种变化自发地出现，而且不可预见。所考虑的时间间隔越短，这种随机量子涨落就越大。事实上，粒子可以“借贷”能量，只要它马上偿还就行。能量借贷得越多，偿还也就越快。 在第三章中我已经解释过，能量不确定性导致某些奇特的效应，诸如在表观上空无一物的空间中存在着短寿命粒子，即虚粒子。它们瞬现即逝，寿命极短。由此便引出了“量子真空”这一陌生的概念。量子真空完全不同于真空，它充满了生机：翻腾不已的虚粒子在永无止息地运动着。虽然通常情况下这种活动不会引人注目，但是它可以引起一些物理效应，如真空活动由于引力场的存在 而受到扰动时便会出现这类效应。根据爱因斯坦广义相对论，引力场表现为空间的翘曲，或者说弯曲。当我们考虑到空间中存在虚粒子活动时，在虚粒子登台表演的空间中，空间翘曲便会明显地影响虚粒子的具体活动过程。一种极端情况发生在黑洞附近。这时，出现在黑洞外面的虚粒子可以在它再消失之前穿过黑洞表面进入黑洞。这会引起通过海森伯不确定原理借贷能量的计量系统发生混乱，因为在黑洞外部借到的能量还到了黑洞内部，而反之亦然。因此，能量可以从黑洞传递给它附近的某个虚粒子，并且永不返回黑洞，从而完全还清了海森伯债务，并使虚粒子变成实粒子。于是，这个粒子便可以自由自在地飞向任何地方。霍金发现，这种量子混乱的结局是粒子会在黑洞附近创生出来，而且其中许多粒子会远远地飞离黑洞环境。

 霍金效应只对微黑洞来说是重要的。因为虚电子在它的借贷还清之前最多可移动约10-11 厘米，要使电子（以及正电子）能得以创生，所适用的仅仅是核尺度或更小尺度的黑洞。但是，虚光子的情况就不同了。虚粒子的寿命，以及它在消失前可渡越的距离都取决于它的能量。对一个电子来说，它有某种最小能量，即由静止质量所代表的能量（请记住 E = mc2 ）。但是，光子具有零静止质量，因此它的能量要有多低就有多低，这意味着任何尺度的黑洞都会创生光子。但是，诸如一个太阳质量的黑洞只会产生极低能量的光子。在那种情况下霍金效应是非常微弱的。

 这里用非常微弱这个词是毫不夸张的。霍金发现，黑洞产生的能谱和热物体的辐射能谱是相同的，因而可以用温度来表示霍金效应的强度。对核大小尺度的黑洞（ 10-13 厘米）来说，温度是很高的，约为 100 亿开。作为比较，一个太阳质量的黑洞的尺度约为 1 公里，因而其温度比绝对温标千万分之一度还低。这样一个天体的全部霍金辐射不超过一千亿亿亿分之一瓦。

 霍金效应的奇特性质之一是随着黑洞质量和尺度的减小，其辐射温度变得越来越高。这意味着小黑洞的温度比大黑洞来得高。黑洞在辐射过程中要损失能量，因而也就损失质量，于是黑洞便收缩。结果它变得更热，更为强烈地发出辐射，因此收缩得也更快。这个过程就其内禀性质来说是不稳定的。随着黑洞以越来越快的速率发射能量和收缩，它最终便进入失控状态。

 要是完全相信霍金效应，那么它便预言所有的黑洞最终会在一阵快辐射中一下子消失掉。这最后的时刻应当是壮观的，就像一颗大型原子弹爆炸，在突然发出一阵短暂而强劲的热能之后，一切便化为乌有。这至少是霍金理论所推断的结果。但是，一些物理学家并不乐意接受一个有形天体会坍缩成黑洞，转而又消失殆尽，留下的只是热辐射。他们担心很不相同的两个天体在寿终正寝之际所产生的热辐射却是完全相同的，没有留下有关原始天体的任何信息。这种消失行为同受人珍爱的所有各种守恒定律相违背。另一种建议是蒸发黑洞遗留下一小片残骸，它以某种方式包含了大量的信息。不管哪种结果，黑洞的绝大部分质量总是以热和光的形式辐射掉。

 霍金过程之慢几乎令人难以置信。一个太阳质量的黑洞要花 1066 年时间才会消失，而一个超大质量黑洞所需的时间则超过 1093 年。更有甚者，这种过程要在宇宙背景温度低于黑洞温度之时才会开始，在这之前从周围宇宙空间流进黑洞的热量会超过通过霍金效应从黑洞向外流出的热量。目前，大爆炸留下的宇宙背景热辐射大约是绝对温标 3 开，要进一步冷却到使一个太阳质量的黑洞有净热量损失需要 1022 年。霍金过程不是坐等可见的事情。

 尽管永远这个词是一段漫长的时间，但只要永远发展下去，一切黑洞，即使是超大质量黑洞，都可能会消失。它们的死亡是痛苦的，但只是漆黑的宇宙永恒夜幕中一道道瞬现即逝的闪光，一种一闪而过的象征性墓志铭，上面记载着以往曾经存在过 10 亿颗辉煌的太阳。

 留下的是些什么呢？

 并非所有的物质都会掉进黑侗。我们必须考虑到中子星、黑矮星及那些孤独飘泊在浩瀚无垠的星系际空间中的离群行星；更何况还有那些从来不曾凝聚成恒星的稀薄气体和尘埃，以及在恒星系统中到处乱跑的那些小行星、彗星、流星体和古里古怪的岩石块。这些东西能永恒地存在下去吗？

 这里我们遇到了一些理论上的困难。我们必须知道原始物质——构成你、我以及地球的原材料——是否是绝对稳定的。决定最终命运的关键在于量子力学。虽然通常情况下量子过程所涉及的对象是原子系统和亚原子系统，但量子物理学的定律适用于一切事物，包括宏观物体。尽管大物体的量子效应极其微弱，但经过很长时间以后，这些效应仍然可以引起一些重要的变化。

 量子物理学的特征标记是不确定性和概率。在量子领域，除了赌博式的可能性之外，任何东西都是不确定的。这意味着如果一个过程不管怎么说总会有可能发生，那么无论这种可能性有多小，只要有足够长的时间它最终总是会发生的。我们可以以放射性为例来观察这个规律如何发挥作用。铀 238 核几乎是完全稳定的，但是它有很小的概率会释放一个 a 粒子并嬗变成钍。更确切地说，如果给定一个铀原子核，那么它在单位时间内会有某种很小的概率发生衰变。平均说来，大约 45 亿年发生一次。但是，因为物理学定律要求单位时间某种固定的概率，任意给定的铀核最终肯定要发生衰变。

 发生 a 放射性衰变的原因是组成铀原子核的粒子（质子和中子）在位置上有很小的不确定性。同样，固体中原子的精确位置其不确定性就更小了，但仍并不为零。例如，金刚石上的一个碳原子处于晶体内非常确定的位置上，并且在宇宙遥远的未来其温度接近绝对零度时，这个位置也是极其稳定的。但情况并不完全如此，碳原子的位置总是存在着微小的不确定性，这意味着存在微小的概率使碳原子有可能自发地跳出它在晶格中的位置，并出现在另外某个地方。由于这种移动过程，没有一样东西是真正坚固不变的，即使硬如金刚石那样的物质也不例外。相反，表观上的固态物质就像是一种超粘滞液体，在漫长时间里它可以通过量子力学效应发生流动。物理学家弗里曼·戴森（FreemanDyson）曾估计过，大约 1045 年以后不仅每块仔细切割过的金刚石会变成球珠，而且每块岩石也同样会发生形变而成为光滑的球。

 要是时间更长，量子不确定性还会导致核嬗变。例如，考虑金刚石晶体中两个相邻的碳原子，其中一个碳原子在非常偶然的机会下会自发地发生位移，结果使它的核在一瞬间内恰好出现在相邻那个原子的核的附近。这时核引力就有可能使这两个核子发生聚变而形成镁原子核，所以核聚变不一定要求很高的温度。冷核聚变是可能的，但它需要的时间之长令人难以置信。戴森曾估计过，在 101500 年（也就是 1 后面有 1500 个零！）之后，所有的物质将以这种方式擅变成最稳定的原子核，即元素铁。

 但是，可能的情况是核物质无论如何也不会存在这么长时间，这是因为另有一些嬗变过程尽管这些过程慢得出奇，但相比之下进行得会快一些。戴森的估计中假设质子（和束缚于核内的中子）是绝对稳定的。换句话说，如果一个质子不落入黑洞，也不受到其他形式的干扰，那么它将永恒存在下去。但是，我们能肯定情况确实如此吗？在我的学生时代，没有人会怀疑这一点。质子是永恒的，它们应该是完全稳定的粒子。但是，关于这一点始终存在着一个令人困惑的疑问，它涉及到称为正电子的粒子。除了像质子一样带有正电荷外，正电子与电子是完全相同的。正电子比质子轻得多，因此所有其他方面都与正电子相同的质子应当更愿意嬗变成正电子（这是一条深奥的物理学原理，即物理系统力图达到它们的最低能态，而低质量即意味着低能量）。因为没人知道为什么质子并没有简单顺利地发生这样的嬗变，物理学家便简单地假设存在某种阻止这类事件发生的自然规律。直到最近，对这个问题还完全没有很好的理解。不过，在 70 年代未出现了一种关于嬗变方式的较为清晰的图象，而各种力就是通过这种方式激励粒子按量子力学规律互相嬗变。最近的一些理论都作为某种公设用到了这条阻止质子衰变发生的定律，但其中大多数理论也预言这条定律并非百分之百地有效。可能存在着非常非常小的概率，会使某个质子事实上嬗变成一个正电子。

 在某种最简单的理论模型中，质子发生衰变所需的时间平均为 1028 年，这是宇宙目前年龄的 1 百亿亿倍。因此，或许你会猜想，质子衰变这一课题应当属于某种纯学究式的好奇性。但是，必须记住这是个量子力学过程，因此事实上它的内禀性质具有或然性： 1028 年是预期的平均寿命，并不是每个质子的实际寿命。只要有足够的质子，就会有很大的机会使其中一个质子在你眼皮底下发生衰变。事实上，如果有 1028 个质子，那么你可以预期大约每年发生一次质子衰变，而只要 10 千克物质就包含有 1028个质子。

 很巧，这种理论还没有流行，这么长的质子寿命就已被实验所否决。但是，其他版本的这类理论给出了更长的寿命——1030 或 1032 年，甚至更长（某些理论预言长达1080 年）。前者较低的寿命值正好还可以通过实验来加以检测。例如， 1032 年的衰变时间意味着在你的一生中或许会通过这种方式在你身体内失去 1 个或 2 个质子。但是，怎样来探测如此罕见的事件呢？ 所采用的技术是贮存数以千吨计的物质，用能被质子衰变事件产物触发的高灵敏度探测器在几个月内对它们进行连续监视。遗憾的是，这样搜寻质子衰变有如大海捞针，因为质子衰变会被宇宙线产物所产生的数量多得多的类似事件所淹没。地球不断地受到宇宙高能粒子的轰击，它们产生某种亚原子粒子背景，并且永远存在。为了减小这种影响，实验不得不在很深的地下进行。

 这样的一个实验设备安置在美国俄亥俄州克利夫兰附近的一个盐矿里，它深入地下600 米。这台设备由装有 10000 吨极高纯度水的方形水罐和周围的一些探测器组成。之所以选择水是因为水是透明的，这样探侧器便能同时“看到”尽可能多的质子。实验的思想是这样的：如果一个质子以当前流行的理论所预言的方式发生衰变，那么除了产生一个正电子以外，还会产生一个称为中性 p 介子的粒子，这个 p 介子接着很快衰变成两个能量很高的光子，即射线。最后，当这些射线遇到水原子核时，会产生能量很高的电子和正电子对。事实上，这些最终的带电粒子所具有的能量非常高，因此，它们会以接近光的速度运动。

 光在真空中的速度为每秒 30 万公里，这是任何粒子可能具有的运动速度的极限。现在水的存在使光的速度慢了一些，大约为每秒 23 万公里。因此，以接近每秒 30 万公里速度穿越水的高速亚原子粒子实际上比光在水中跑得更快。当一架飞机的速度超过音速时，会产生某种轰鸣声。类似地，如果一个带电粒子穿过某种介质的速度比光在这种介质的传播速度更快时，就会产生某种特殊的电磁激波，称为切伦科夫辐射，它是以俄国发现者的名字命名的。因此，俄亥俄实验设置了一套光敏探测器，用以搜索切伦科夫闪烁。为了把质子衰变事件同宇宙射线中微子和其他虚假的亚原子粒子区别开来，实验特别要寻找背对背的成对切伦科夫光脉冲，这是一种与众不同的信号。其物理图象是，当一个 p 介子衰变时，它发出一对方向相反的射线光子，然后这些光子又会在各自的飞行方向上产生电子－正电子对。

 遗憾的是，工作了几年之后，俄亥俄实验装置没能找到令人信服的有关质子衰变的证据。到撰写本书之时，其他不同的实验也没有得到任何结果。这可能意味着质子没有衰变。另一方面，它也可能意味着质子是会衰变的，不过它们的寿命要长于 1032 年。要想测定比这更慢的衰变率已超出现有实验的可能范围，因而关于质子衰变的问题也许得留待可以预见的将来才会作出判断。 作为这一故事的结束语，我应该提及的是，虽然质子衰变实验没有达到它们的主要目标，但正是这些实验无意中检测到了超新星 1987A 发出的中微子，这一点我在第四章中已经讨论过了。因此，努力并没有白费。科学上往往如此，寻找某一种东西却导致另一个意外的发现。

 搜寻质子衰变的实验曾在大统一理论工作的刺激下风行一时，其目的是企图统一强核力（把质子和中子束缚在原子核内的力）、造成衰变的弱核力及电磁力。质子衰变的出现应当是这些力巧妙混合的结果。不过，即使这种观点被证明是错误的，质子仍有可能通过另一条途径发生衰变，这条途径涉及自然界的第四种基本力——引力。

 为弄清引力如何引起质子衰变，必须考虑这样一个事实，即确切来说质子并不是点状基本粒子。它实际上是由 3 个称为夸克的更小粒子所构成的组合体。在正常组态中，质子的大小约为十万亿分之一厘米，这是 3 个夸克的平均间距。但是，基于量子力学的不确定性，夸克并不保持静止状态，而是不停地改变它们在质子内的位置。两个夸克有时会相互靠得很近。所有 3 个夸克也会自行跑到一起，彼此间靠得非常近，当然这种情况就更为罕见了。通常情况下，这些夸克间的引力作用是完全可以忽略不计的，但一旦它们靠得很近，引力就可能较所有其他力的作用更占优势。如果发生这种情况，这些夸克就会合到一起，形成一个微小的黑洞。实际上，质子是在它自引力作用下通过量子隧道效应发生坍缩的。由于霍金过程，这样生成的微黑洞是非常不稳定的，迟早会一下子蒸发掉，而最可能的结果是衰变成最轻的带正电荷的粒子——正电子，再加上其他粒子。对质子通过这种途径发生衰变的寿命所作的估计是很不确定的，其范围从 1045年到 10220 年，后者实在是个惊人的数字。

 如果质子确实在经过一段极其漫长的时间后会发生衰变，那么这个结果对宇宙遥远的未来有着深远的影响。所有的物质都将是不稳定的，它们最终都会消失。像行星那样的固态天体，即使未遭落入黑洞之劫，也不会永恒存在。相反，它会慢慢地逐渐蒸发掉。质子的寿命，譬如说取 1032 年，那就意味着地球每秒钟失去 1 万亿个质子。按照这一速率，大约在 1033 年以后，我们的行星假如还没有被其他某种东西毁掉的话，实际上到那时也已完全消失殆尽了。

 中子星不受这个过程的影响。中子也由 3 个夸克组成，并可通过类似导致质子死亡的那种机制嬗变为更轻的粒子（孤立的中子在任何情况下都是不稳定的，大约在 15 分钟内就发生衰变）。只要时间足够长，白矮星、稀薄的气体云、岩石、尘埃、彗星以及所有其他各种天体都会因同样的原因而死去。我们今天在整个宇宙中所观测到的普通物质有 1048 吨，这些物质都会因落入黑洞，或者通过缓慢的核衰变而消失。

 当然，在质子和中子发生衰变时，会生成衰变产物，所以宇宙的物质未必都一点也留不下。例如，前面已经提到，质子的一种可能的衰变途径是生成一个正电子和一个中性 p 介子。这个 p 介子很不稳定，很快会衰变成两个光子，或可能衰变成电子－正电子对。无论哪种情况，质子衰变的结果总是使宇宙逐渐获得越来越多的正电子。物理学家相信，宇宙中带正电荷的粒子（现在主要是质子）总数与带负电荷的粒子（主要是电子）数量相等。这意味着一旦所有的质子都衰变，出现的将是一种由数量相等的电子和正电子组成的混合体。正电子是电子的所谓反粒子。反粒子的含义是指，如果正电子遇到电子，它们就彼此对消。从物理学上来说，它们是互相湮没而消失。这是一个在实验室里就能研究的过程，而且并不困难。这种湮没以光子形式释放能量。

 人们已经完成了一些计算，以图确定宇宙在遥远的未来所留下的正电子和电子是否会完全互相湮没掉，或是否总是会留下少许残余。湮没不是突如其来发生的。相反，电子和正电子首先自行组合而形成一种微原子，称为偶电子素。它们相互间在电吸引力束缚下，环绕它们的公共质心作轨道运动，跳起一场死亡之舞。然后，两个粒子作旋涡式运动，并碰到一起而发生湮没。它们旋到一起所需要的时间取决于偶电子素“原子”形成时的大小。在实验室里，偶电子素发生衰变所经历的时间远远小于 1 秒。但在外部空间，由于几乎不受任何干扰，电子和正电子可以在巨大的轨道上束缚在一起。一些估计表明，对大部分电子和正电子来说，形成偶电子素需要 1071 年，但在大多数情况下，它们的轨道直径会有好几万亿光年！粒子的运动非常缓慢， 100 万年才移动 1 厘米。这时电子和正电子的行动变得极为滞呆，完成旋入过程所需的时间为 10116 年，这是一个令人惊讶的数字。不过，这些偶电子素原子从形成之时起就已注定了它们的最终命运。

 奇怪的是，并非所有的电子和正电子都必定会湮灭。在电子和正电子寻找它们异性伙伴的全部时间内，这些粒子的密度逐渐下降，这一方面是因为发生了湮没，同时也因为宇宙在不断地膨胀。随着时间的推移，偶电子素的形成变得越来越困难。所以，尽管少量残留下来的物质变得越来越稀少，但它们永远也不会完全消失。尽管每个电子或正电子都孤立地分布在体积不断膨胀着的空间中，但在某个地方总能找到它们。

 在这些慢得令人难以置信的过程完成之后，宇宙会呈现什么样的图象呢？现在我们可对此作一番描述了。首先，会存在大爆炸留下的残余，也就是始终存在的宇宙背景。它由光子和中微子组成，也许还会有目前我们尚不清楚的其他一些完全稳定的粒子。随着宇宙的膨胀，这些粒子的能量会不断减小，直到形成某种完全可以忽略不计的背景。宇宙中的普通物质已经消失。所有的黑洞都已蒸发。黑洞的大部分质量变成了光子，不过一部分质量也会以中微子形式出现，而在最后爆炸中发射出来的极小部分质量会以电子、质子、中子和一些较重粒子的形式存在。这些较重的粒子会很快衰变，而中子和质子的衰变要慢得多，结果留下来的是少量的电子和正电子，还有其他一些粒子，它们便是我们今天所看到的普通物质在最后时刻剩下的残留物。

 因此，在非常遥远的将来，宇宙应当是一锅薄得令人难以置信的稀汤，其中有光子、中微子及数量在逐渐减少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动，彼此间分离得越来越远。这是荒凉而又空虚的宇宙，它已走完了自己的历程，但所面临的仍是永恒的生命，或更恰当而言是永恒的死亡。就我们所知，任何基本物理过程再也不会发生了，也就是说不会再出现任何重大事件来打破宇宙那空虚荒凉的状态。

 这种寒冷、黑暗、毫无特征而又近乎空无一物的凄惨景象差不多等同于说现代宇宙学导出了 19 世纪物理学的“热寂”说。宇宙退化到这种状态所需要的时间之长超出了人类的全部想象力。然而这只不过是无限时间长河中的无穷小一部分。永久之长，长不可测。

 虽然宇宙的衰退过程要经历很长很长的时期，超过了人类的各种时标，因而实际上对我们是毫无意义的。可是人们仍然急于想问：“我们的后裔将会怎样？缓慢降临而却又必然发生的宇宙未日会不可避免地把他们毁灭掉吗？”科学对遥远未来宇宙的预言是有点令人失望的。要是情况果然如此，那么看来任何形式的生命最终必然都在劫难逃。不过，死亡并非那么简单。

谢选骏指出：“让我们想象在非常非常遥远的未来，譬如说 1 亿亿亿年以后的宇宙状态。那时恒星早已燃烧完毕，宇宙一片黑暗。但是，宇宙并非空无一物。在一片漆黑的浩瀚太空中潜伏着许多带自转的黑洞、离散的中子星和黑矮星，甚至还有一些行星级天体。在那个时代，这类天体的密度是极低的，宇宙已膨胀到现有尺度的 1 亿亿倍。”——作者不懂，现在就是非常非常遥远的未来，譬如说 1 亿亿亿年以后的宇宙状态。作者不懂，现在恒星早已燃烧完毕，宇宙一片黑暗。所以在一片漆黑的浩瀚太空中潜伏着许多带自转的黑洞、离散的中子星和黑矮星，甚至还有一些行星级天体。作者只懂，1、“决定最终命运的关键在于量子力学。”——他把自己的学说吹捧成了宇宙的主宰！2、“虽然通常情况下量子过程所涉及的对象是原子系统和亚原子系统，但量子物理学的定律适用于一切事物，包括宏观物体。”——他把自己的教义说成了宇宙的定律！3、“尽管大物体的量子效应极其微弱，但经过很长时间以后，这些效应仍然可以引起一些重要的变化。”——他如此隐蔽在语言的烟幕之中。4、“量子物理学的特征标记是不确定性和概率。在量子领域，除了赌博式的可能性之外，任何东西都是不确定的。”——他最后显出了赌徒的面目。

【第八章 慢道上的生命】

 1972年，一个名为罗马俱乐部的团体对人类的未来发表了一项令人沮丧的预测。他们预言了许多迫在眉睫的灾难，其中一项就是全世界的石油供应将会在二三十年内宣告枯竭。人们惊恐不安，油价暴涨，替代性能量的研究也开始盛行。今天我们已处于90年代，还没有任何迹象表明石油即将会消耗殆尽，惊恐不安又为心安理得所取代。遗憾的是，简单的计算表明，对于有限的资源来说，能量危机迟早总会来临。关于地球上的人口，也可以得出类似的结论：它不能永远持续地增长下去。

 某些耶利米们相信，下一次能量危机和人口过剩危机会彻底断送人类。可是，没有必要把石油的消失与人类的绝迹混为一谈。我们周围到处存在着大量的能源，问题在于我们要有利用它们的愿望和能力。最引人注目的是太阳光，它的能量对我们的需求来说绰绰有余。一个棘手的问题是应当控制人口的增长，从而不致于发生大规模的饥荒。这要求采取社会的、经济的和政治的手段，而不仅仅是科学的手段。但是，如果我们能够克服因石油耗尽而引起的能源瓶颈效应，如果能够稳定世界人口的增长，如果对地球的生态破坏能够加以限制，那么我相信人类肯定会昌盛繁荣。不存在任何明显的自然规律会限制我们人类的繁衍。

 在前一章中我描述了经过令人难以置信的漫长时间后，作为一些慢物理过程的结局，宇宙的结构将怎样发生变化，而这种变化通常是朝着退化方向发展的。人类的存在充其量也大约只有 500 万年（这取决于对人类的定义），人类（就某种形式的）文明仅仅只有几千年。今后地球应当还可供人类居住 20～30 亿年，当然这是对于有限的人口而言。这是一段极长的时间跨度，长得令人无法想象，长得好像（实际上就是）无限长。但我们已看到，即使是 10 亿年，同发生在天文学和宇宙学意义上的总体变化所需要的巨大时间尺度相比，也只不过是极短的一瞬间。 10 亿个 10 亿年后，在银河系的其他某个地方或许仍然存在类似的地球，从而成为可供人类居住的场所。 毫无疑问，我们可以推测我们的后裔有十分充裕的时间供他们支配，去发展空间探测技术和各种现人所不可思议的技术。在太阳把地球烤枯之前，他们有充裕的时间撤离地球。他们可以一个接一个地寻找适宜居住的行星，并且不断地继续下去。事实上，要是不离开地球，世界人口在任何时候都不太可能超过 100 亿左右。一旦扩展到空间，人口也可以增加。要知道我们在 20 世纪为生存下去而作的斗争最终也许并非徒劳无益，这一点会使我们得到安慰吗？

 在第二章中，我描述了伯特兰·罗素因对热力学第二定律的结论怀有黯然消沉的心情，故而在描绘人类的存在对太阳系未日到来这一事实一筹莫展时的言辞凄惨悲凉。他显然认为，我们居住的场所看来不可避免要走向毁灭，而这又必然会使人类的生命变得毫无意义，甚至滑稽可笑。这种信念肯定影响到他的无神论。如果罗素知道黑洞的引力能可以比太阳的作用高出好多倍，并且能够在太阳系瓦解后持续数以万亿年计的时间，那么他的感觉会好一点吗？可能井非如此。这并不是计算实际持续时间的问题，而是事实上宇宙迟早会变得不适宜人类居住，结果使某些人认为我们的存在是毫无意义的。

 根据第七章我对宇宙遥远未来的叙述，也许可以认为一个更不安稳、更为恶劣的环境简直是难以想象的。但是，我们不必陷入沙文主义或悲观主义。毫无疑问，人类在由稀薄的电子－正电子汤所组成的宇宙中安顿自己的生活时会有一段艰难时期，但重要的问题肯定不在于我们种族本身能否永垂不朽，而是我们的后裔能否幸存下来。而且，我们的后裔也不太可能是今天意义上的人类。

 地球上出现人类这个种族是生物进化的产物。但是，我们自己的活动正在迅速地改变这种进化过程。我们已经干预自然选择的作用，设计出变种的可能性也变得越来越大。我们也许很快就能通过直接控制遗传密码来设计出具有特定属性和体形特征的人类。所有这一切只是发生在技术社会的这几十年时间内。请想象一下几千年、甚至几百万年后，科学和技术能取得何等巨大的成就。

 还有，就在这几十年的技术发展中，人类已经能离开地球，进入近地空间去探险。在今后几十亿年内，我们的后裔可以远离地球，进入宽广的太阳系，然后还可以飞往银河系内别的恒星系统。人们常常会有这种错误概念，即这类计划会花费近乎无限长的时间。然而情况并非如此。移民工作可能会通过行星短途飞行不断地进行下去。移民者会离开地球，移居到几个光年远某个适合居住的行星上。如果他们能以接近光的速度飞行，那么这种旅行只需要几年时间。但是，即使我们的后裔永远无法超过光速的百分之一（这个目标并不过分），那么旅行时间也就只是几个世纪。完成一颗行星的实际移民工作同样也需要几个世纪时间，到那个时候移民者会考虑派遣他们自己的移民探险队去另一个更远的适合居住的行星。再过几百年，这下一颗行星就好移民了。就这样不断地继续下去。这正是波利尼西亚人迁往南太平洋群岛的移民方式。

 光大约只需要 100 万年就可横越银河系。所以，如果以百分之一光速的速度旅行，则穿越银河系需要 1 亿年。即使一路上有 100 万个行星作为移民驿站，而每一处花费两个世纪用以建站，也只相当于使银河系移民的时间尺度增长一倍。但是，用天文学标准甚至地质学标准来衡量， 2 亿年是一段很短暂的时间。在大约 2 亿年时间内太阳仅仅环绕银河系转了一圈，而地球上生命存在的时间至少比它长 16 倍。太阳变老从而威胁到地球也只是在 30 或 40 亿年以后的事——在 2 亿年内几乎不会发生任何变化。结论是，就技术社会而言，我们的后裔只要用地球上生命进化所经历时间中的一小段就可实现在银河系内的移民工作。

 我们这些移民后裔会是什么样的呢？如果允许我们自由地想象，可以推测这些移民者也许通过遗传工程很容易就能适应目标行垦。举一个简单的例子，假设在波江 e 星附近发现一颗类似地球的行星，又发现在它的大气中氧气只占 10% ，那么移民者可以借助遗传工程方法产生更多的红血球。如果此行星的表面重力比地球大，他们可以有更强健的躯体和更坚硬的骨骼，等等。完成这种旅行即使要花费几个世纪时间，途中的供应也不成问题。宇宙飞船可以造得像一个方舟——一个完全有自我维持能力的生态系统，以满足好几代旅行者的需要。当然，另一种方法是在旅途中对移民者们实施深度冷冻。事实上，更理智的做法是，只派出一只小型飞船和一小队船员，而在货物中则包括数以百万计的受精卵。在到达目的地后即可将它们孵化，由此立即可提供一大批人，这样就没有因长时期运输大量成年人所带来的后勤问题和社会问题。

 让我们对或许可能出现的情况作一番推测，如果有着非常充裕而漫长时间，那么这些移民者在外表甚至在智力上都没有理由应当和人类一样。如果人类可以借助遗传工程方法去适应各种不同的需要，那么每次探险都能涉及到一些人为任务而特意设计的生命实体，它们应该具有必要的解剖学结构和心理学素质。

 这些移民者甚至也许不是通常定义的普通生命有机体。现在已经能够做到把硅片微处理器置入人体。这种技术的进一步发展将能预见到由有机部件和人造电子部件组成的某种混合体，它兼有生理功能和大脑功能。例如，也许有可能为人类大脑设计一种类似现代计算机上所用的“可插式”外存贮器。相反，或许很快可以证明，用有机物质来完成计算工作，要比现在所做的以生产固体器件来完成计算任务更为有效。实际上，将来有可能通过生物学的方法来“培育”计算机部件。对于许多计算任务来说，神经网络将来更有可能超过数字计算机；事实上这已经开始出现了。在那种情况下，从小片大脑组织来培育有机神经网络要比从头开始制造这种网络具有更好的感官能力。或许也有可能建造有机网络和人造网络构成的共生混合体。随着纳米技术的发展，生命体和无生命体，天然物和人造物，大脑和计算机之间的区别会变得越来越模糊。 今天，这种种想法还只属于科学幻想的范畴。它们能够成为科学现实吗？不管怎么说，我们能够想象的事并非都意味着必定会发生。但是，我们可以把适用于自然过程的同样原理用于技术过程：只要有足够长的时间，任何能够发生的事必将会发生。如果人类或他们的后裔一直保持充分的能动性（这可能是一个大胆的设想），那么技术将只受物理规律的约束。像人类基因组计划这样的一种挑战，或许会使一代科学家望而却步，但只要有 100 代，1000 代，或者 100 万代科学家来从事这项工作，计划的完成应当就不成问题了。

 让我们乐观地设想人类会一直生存下去，并继续不断地朝着技术发展的极限迈进。那么，这对于宇宙探险又意味着什么呢？制造出特意设计的智能人将会开创这样一种可能性：派遣代理人进入迄今为止完全不适合人类居住的场所，以完成今天无法想象的任务。虽然这种智能人或许是始于人类技术的最后产物，但不论从哪种直接意义上来说，他们都不算是人类。

 我们应该为这种奇异实体的命运忧心忡忡吗？好多人也许会对人类可能被这种怪物所取代的前景抱有反感情绪。如果生存下去意味着人类将让位于遗传工程造就的混合有机机器人，人们也许宁可选择灭绝。然而，如果人类让位的可能性使我们感到沮丧的话，那么我们必然要问我们希望而且可以忍受的人究竟是什么。肯定不同于我们的形体。要是知道从现在起，比如说经过 100 万年后我们的后裔，可能没有脚趾，或者腿较短，或头和脑袋较大时，这会使我们感到不安吗？无论如何，在过去几个世纪里我们的形体毕竟已有不少变化，而且在不同的种族群之间现已存在很大的差别。一定要我讲的话，我认为多数人会更珍视那种也许可称为人类精神的东西，即我们的文化，整套社会标准、特有的精神性格，这样的例子在我们的艺术成就、科学成就和智力成就上都随处可见。这些东西肯定值得保护和流芳百世。如果我们能把人类的基本属性传给我们的后裔，则不论他们的形体如何，便已达到最完美的生存下去的状态。

 当然，是否有可能创造出将来要向宇宙进军并穿越宇宙的“类人生物”的问题在很大程度上只是一种推测。撇开任何别的不谈，人类有可能对实施这类宏伟计划缺乏能动性，或由于经济、生态或其他方面的灾难，我们可能会在真的要离开地球之前就已过早地死亡。甚至可能外星人类领先了我们一大步，并且已经向大多数适宜居住的行星进行了移民（不过显然不包括地球——现在还没有）。但是，不管是我们的后裔还是某些外星人种的后裔，有某种智慧生物向宇宙各个角落传播，并通过技术手段逐渐掌握如何控制宇宙的这种可能性是十分令人神往的，而这种超级人类应当怎样同宇宙缓慢退化作斗争的问题也是非常吸引人的。

 在第七章中讨论过了物理衰变的持续时间，这段时间是极为漫长的，要是企图根据今天地球上的趋向加以外推来猜测在极其遥远的未来可能会有什么样的技术，那么任何这样的企图都是徒劳的。有谁能想象出 1 万亿年后的技术社会呢？看起来好像任何事情也许都能办得到。然而，任何技术不论怎样先进，大概还是要受基本物理规律的制约。举例来说，如果相对论所作的关于任何物体都不能超越光速的结论是正确的话，那么即使技术发展 1 万亿年，冲破这道光速屏障的努力终将归于失败。更严重的是，如果一切有意义的活动都要消耗一点能量的话，那么一个技术社会无论有多先进，宇宙中可资利用的自然能源的不断减少最终将会对这个社会构成严重的威胁。

 要是把基本物理原理应用于最广泛定义下的智慧生物，我们便可来研究遥远未来的宇宙退化是否会对他们生存造成任何真正的基本障碍。一种生物要想取得智慧生物的资格，它至少要有处理信息的能力。思考问题和取得经验这两者都是涉及到信息处理的那些活动的例子。那么，这对宇宙的物理状态会提出什么要求呢？

 信息处理的一个特征是要消耗能量。我现在在打印这本书所用的文字处理机必须与电源相连接，理由就在这里。每条信息消耗的能量与热力学因素有关。当处理机的工作温度与环境温度相仿时消耗最小。人的大脑和大多数计算机的工作效率是很低的，它们要消耗大量额外的热能。例如，人脑产生出相当大一部分体热，而许多计算机需要专门的冷却系统来保护它们不被熔毁。这种余热的起因可以追究到作为信息处理基础的实际逻辑线路，后者对于清除信息是必不可少的。例如，要是有一台计算机在执行 1＋2＝3 的计算，这时两条输入信息（1 和 2）被一条输出信息（3）所置换。一旦计算完成，计算机也许会把输入信息清除掉，其结果是一条信息取代两条信息。事实上，为防止存储器堆满信息，计算机不得不随时清除掉这种多余的信息。清除过程按定义是不可逆的，因此就牵涉到熵的增加。因此，基于这个最基本的理由，信息的收集和处理由于它们活动的结果，看来必然会按不可逆的方式把可供利用的能量消耗殆尽，并使宇宙的熵增加。

 戴森认真地考虑了下述情形，也就是仅仅出于对某智慧生物社会需要以一定速率消耗能量的前提假定的考虑，则在宇宙朝热寂状态冷却的过程中它们所面临的问题。第一个约束是这种生物的温度必须比他们所处环境的温度更高，否则余热不会从他们身上向外流出。其次，物理系统向周围环境辐射能量的速率受物理定律的限制。很明显，如果这种生物产生余热的速度要比排除余热来得快，那么它们是不能长期工作的。这种生物必然要消耗能量，而上述要求对能量消耗的速率规定了某个下限。因此，一个最基本的要求是必须存在某种自然能源，以补充这种为维持生命所必须的热外流。戴森的结论是，所有这类能源在宇宙遥远的未来注定会越来越少，因而所有的智慧生物最终还是要面临能量危机。

 现在有两种延长智慧生物寿命的方法。一是应当尽可能长地活下去，另外是要加快思考问题和取得经验的速度。戴森作了一个合理的假设，即智慧生物对时间流逝的主观感受取决于他们处理信息的速率：处理的机制运行得越快，每单位时间内这种生物的思维和知觉就越多，时间也好像过得越快。罗伯特·福雷沃德（Robert Foreword）在他的科幻小说《龙蛋》（Dragon's Egg）中，以引人入胜的手法运用了这个假设。它讲的是生活在中子星表面上的某个有理智生物社会的故事。这些生物是靠核过程而不是化学过程来维持他们的生存。由于核相互作用要比化学相互作用快几千倍，中子星生物对信息的处理速度也就快得多。人类时标的 1 分钟等价于他们的许多年。这种中子星社会在同人类第一次接触时是相当原始的，但每一分钟它都在发展，很快便超过人类社会。

 遗憾的是，采用这种策略作为在遥远将来生存下去的手段有一个缺陷：信息处理得越快，能量消耗速率也越大，因而可利用能源耗尽得也越快。你也许以为这必然会导致我们后裔未日的来临，不管他们采取何种形体也无法避免。但情况并非一定如此。戴森已经指出，可以有某种巧妙的折衷方案，使这个社会逐渐减慢它的活动速率，以做到与宇宙的衰退相匹配。一条途径是使这种社会进入体眠状态，以不断增加时间长度。在每个休眠阶段中，从前一个活动阶段的努力得来的热可以慢慢地加以消耗，而有用的能量就累积起来，以便在下一个活动阶段中予以利用。

 采用这一策略意味着这种生物的主观感受时间在实际流逝时间中所占的比例越来越小，因为这种社会的休眠期总是变得越来越长。但是，我曾强调指出过，永久之长，长不可测，我们不得不与相反的两个极限作斗争：资源趋于零而时间趋于无穷。戴森对这两个极限作了简单的研究后指出，即使总的资源有限，总的主观时间也可以为无限。他引用了一项令人大吃一惊的统计结果：人口水平与今天人类社会相当的某个生物社会，只需 6×1030 焦耳的总能量就可永远维持下去，而这仅仅是太阳在 8 小时内的能量输出！

 但是，真正的永垂不朽要比对处理无穷多信息的能力的要求更高。如果一个人的大脑状态的数目有限，那么他只能思考有限数目的不同思维。如果永远维持这种情况，则意味着翻来覆去地重复相同的思维。这样一种生存方式看来是毫无意义的，就同注定要灭亡的物种所处的情况一样。要避开这条死胡同，这个社会或单个超人必须在尺度上永远不断地扩大。这对非常遥远的未来提出了严峻的挑战，因为物质的消散将比物质能被收罗来作为大脑材料来得更快。也许一个绝望然而却很聪明的人会企图利用那些难以捉摸却又永恒存在的宇宙中微子去扩大他的智力活动范围。

 戴森所作的许多讨论，以及对遥远未来智慧生物命运的绝大多数推测，实际上是假定这些生物的精神活动过程始终归结为某种数字计算过程，毫无疑问，数字计算机是一种有限状态的机器，因此它所能达到的状态数有着严格的极限。但是，还有另外一种称为模拟计算机的系统。计算尺就是这类系统的一个简单例子。连续调节滑尺就可进行计算，而在理想化情况下，这可以有无限多种状态。因此，模拟计算机便摆脱了数字计算机的某些限制，即只能贮存和处理有限数目的信息。如果仿照模拟计算机的工作方式对信息进行编码，如用物体的位置或角度来编码，那么这种计算机的能力看上去好像就没有限制了。所以，如果某个超人可以像模拟计算机那样工作，那么他也许不仅能进行无限多个思维，而且可以进行无限多个不同的思维。

 遗憾的是，我们并不知道就整体而言宇宙是像一台模拟计算机还是像一台数字计算机。量子物理学认为，即使整个宇宙归根结蒂也应当是“量子化”的，它的所有属性都表现为离散的跳变，而不是连续的变化。不过这纯粹是推测。实际上我们也并不理解大脑的精神活动和物质活动之间的关系。也许不可能以这里所讲的方式用一些简单的物理因素把思维和经验联系起来。

 不论精神的本性如何，不容置疑的是，遥远未来的生物将面临最终的生态危机：一切能源为宇宙所消耗。尽管如此，通过“节衣缩食”，看来他们仍有可能达到某种永垂不朽。按照戴森描绘的演化景象，他们的活动对宇宙的影响会越来越少，而宇宙对它们的需求则漠然置之，毫不关心。他们应当无限长地处于不活动的休眠状态，保持然而却并不增加他们的记忆力，同时几乎一点也不干扰寂静黑暗的垂死宇宙。但是，借助巧妙的组织他们仍能够进行无限多个思维，感受无限多个经验。我们还能希望什么呢？ 宇宙热寂是我们时代经久不衰的神话之一。我们已经看到，罗素和其他一些人是怎样根据热力学第二定律的预言，抓住宇宙看上去必然要退化的结论来支持由无神论、虚无主义和绝望观念组成的一种哲学思想。随着对宇宙学理解的深化，我们今天能够描绘出一幅多少有所不同的图象。或许宇宙正在逐渐衰退，但它不会消亡。热力学第二定律肯定适用，但它不一定会妨碍文明的永垂不朽。

 事实上，也许情况甚至并不会像戴森描绘的那么糟。迄今为止，我一直假定宇宙在膨胀和冷却时或多或少会保持均匀性，但这可能并不正确。引力是许多不稳定性的根源，而且今天我们所见到的宇宙的大尺度均匀性在遥远的将来会被某种较为复杂的结构所取代。例如，膨胀速度在不同方向上的微小差别可能会被放大。巨黑洞也许会因它们相互间的引力战胜宇宙膨胀的弥散效应而集聚成团。这将导致一场奇特的争斗。请记住黑洞越小则越热，蒸发得也越快。如果两个黑洞并合在一起，所生成的黑洞就变大，因而温度就会下降，而蒸发过程将大为减慢。凡是谈及宇宙遥远的未来，关键问题在于黑洞并合的速率是否足以跟得上黑洞的蒸发速率。如果跟得上，那么总会有一些黑洞始终存在，它们可以通过霍金辐射提供有用的能源，为人类社会所开发提取，以维持他们的生活而无需休眠。物理学家唐·佩奇 （Don Page）和兰德尔·麦基（Randall Mckee）的计算表明，这场争斗就像在走钢丝，关键问题取决于宇宙在不断衰退的过程中膨胀速度究竟有多大。但是，在某些模型中，并合的确最终取得了胜利。 戴森还忽略了这样一种可能性，即我们的后裔自身会尽力修正宇宙的大尺度结构，以使他们能一直生存下去。约翰·巴罗（John Barrow）和弗兰克·蒂普勒（Frank Tipler）曾考虑过一些方法，由此一个高度发达的技术社会也许能稍稍调整恒星的运动，以便巧妙地造成某种对他们自己有利的特定的引力安排。例如，可以利用核武器给小行星的轨道以少量的摄动，于是来自行星的一次弹射式推动能使它撞向太阳。碰撞产生的动量会使太阳在银河系里的轨道发生极其微小的变化。尽管这种效应很小，但具有累积性：太阳走得愈远，偏差便愈大。假如要使太阳向另一颗恒星接近，那么经过许多光年的距离后，这种偏差就能导致具有决定性意义的差别，使原本蜻蜒点水般的相遇发生改变，从而极大地修正了太阳在银河系内的运动轨道。通过这种方式操纵许多颗恒星，便可以创造出一些天体集团并把它们管理好，使之造福于社会。而且，由于这一效应的放大和累积作用，可以通过这种方式来加以控制的系统的尺度就没有任何限制，只要在不同的地方轻轻地推推恒星就可以了。要是有足够长的时间——我们的后裔肯定有充裕的支配时间——甚至整个星系都能加以调度。

 这种宏伟的宇宙工程将不得不同恒星和星系的天然无规则行为作斗争，因为随机运动会把天体从引力束缚团中抛离出去，从而促使系统走向瓦解，这一点在第七章中已经介绍过了。巴罗和蒂普勒发现，通过操纵小行星来重新调整一个星系需要 1022 年，而系统自然瓦解发生在大约 1019 年的时间内。所以，这场战斗看来大自然明显地占了上风。另一方面，我们的后裔也许能做到控制比小行星大得多的天体。还有，自然瓦解的速率取决于天体的轨道速度。对于整个星系来说，这种速度随着宇宙的膨胀而减小。轨道速度慢了，人工操纵的过程也会放慢，但这两种效应不会以相同的速率减小。看来，随着时间的推移，自然瓦解的速率也许会比工程社会能对宇宙作出重新安排的速率来得低。这样就出现了一种十分有趣的可能性，即随着时间的推移，宇宙中的资源越来越少，而智慧生物却越来越能做到对宇宙加以控制，一直到整个自然界基本上实现“技术化”，而那时自然与人为两者之间的区别应当就不复存在了。

 戴森的一个关键性假设是，思维过程不可避免地要消耗能量。人类的思维过程肯定如此，而且迄今都假定任何形式的信息处理必须付出最小的热力学代价。令人惊奇的是，严格说来这个假设并不正确。国际商用机器公司 （IBM）的计算机专家查尔斯·贝内特（Charles Bennett）和罗尔夫·兰道尔（Rolf Landauer）已经证明，可逆计算原则上说是可能的。这意味着某些物理系统（就目前而言这完全是假设性的）可以无消耗地处理信息。这就为想象有这样一种系统提供了可能性，该系统能进行无限量的思维而无需供给任何能量！我们并不清楚这种系统能否收集并处理信息，因为从周围环境中获取任何有用的信息似乎总要涉及到这种或那种形式的能量消耗，哪怕只是从噪声中提取信号都应如此。所以，这类无所需求的生物可以对它周围的世界没有任何感觉。但是，它能记住宇宙是什么，说不定它还能做梦。

 有关宇宙垂死的形象已经使科学家们困惑了一个多世纪。我们生活在一个因熵的挥霍而逐渐退化的宇宙之中，这种假设乃是科学民间传说的一部分。但是，这一假设的可靠程度如何呢？我们能否肯定所有的物理过程必然使我们走向混沌和衰退呢？

 生物学的情况又如何呢？从某些生物学家为捍卫达尔文进化论所采取的极端辩护方式中，我们可以有所启发。我相信，引起他们这种反应的原因是，对一种显然是建设性的过程抱有格格不入的抵触情绪，而这一过程又是由本质上应该起破坏作用的一些物理作用所推动的。地球上的生命起源于某种粘稠的原始原生质。今天的生物圈是一个复杂繁荣的生态系统，一种由各种各样极为复杂的有机体组成的网络，而这些有机体之间又在发生微妙的相互作用。这好像是一种进步。但是，多数生物学家表现为急于否认曾经发生过任何进步。他们声称，采用这样一种说法只不过是按人类的标准来渲染进化论的变化：一种人类也许被另一种人类判定为在某种意义上优于细菌，但这纯粹是主观意志。

 使这些生物学家惶惶不安（我相信这种惊慌是有某种正当理由）的是担心人类会倒退到达尔文之前的目的论的思维方式，即倒退到自我信仰的轨道上去。这种自我信仰认为，我们人类处于进步阶梯的顶端，它代表了上帝刻意安排的某种过程的顶峰，而人类便是这一过程所预期的最终产物。这种思维方式早就名誉扫地，而为了同堕落到这种思维方式的行为作斗争，许多生物学家毫无保留地放弃了所有与进步有关的术语。他们声称不存在任何的阶梯，进化没有变得越来越复杂，特别是进化论的发展根本不存在方向性。所存在的只是随机性和无规则行为。

 英国科学评论家和幽默作家拉尔夫·埃斯特林（Ralph Estling）曾经写道：只有高级生命才会否认过去 30 亿年中生命一直在进步。对一名物理学家以及对大多数普通人来说，有一点看来是很明显的，那就是今天生物圈的状态与 30 亿年前有着天壤之别。问题是应该更为准确地来说明这种差别有什么特征。

 前面关于生存问题的讨论焦点在于信息（或有序）与熵之间的斗争，其中熵始终占据上风。但是，信息本身是我们应当关心的量吗？不管怎么说，有条不紊地努力工作，把所有可能的思维方式都理一遍，这种做法实在令人不敢问津，差不多就像要你读一本电话簿一样。值得考虑的无疑是经验的质，或者说得更通俗一些，是有待收集和利用的信息的质（而不是量）。

 就我们所知，宇宙的最初状态根本无特征可言。随着岁月的流逝，出现了我们今天所见到的形形色色而又丰富多采的各种物理系统。因此，宇宙的历史就是复杂结构的组织和成长史。这看上去好像是一种佯谬。我最初曾经解释过，热力学第二定律告诉我们宇宙正在走向死亡，它不可避免地要从初始的低熵状态不知不觉地走向最终的最大熵状态，而且毫无前途可言。那么，事情正在变得更好还是变得更糟呢？

 事实上不存在任何佯谬，因为结构复杂性与熵不是一回事。熵，或者说无序，是信息即有序的反义词：你处理的信息越多，或者说产生出越多的有序，那么所付出的熵的代价就越大，这里的有序意味着另外某个地方的无序。这就是第二定律，熵总是赢家。但是，结构和复杂性并不仅仅是有序和信息。它们只与某些类型的有序或信息有关。举个例子来说，我们清楚地认识细菌和晶体之间的重要差别。这两者都是有序的，但方式却不同。晶体点阵表现出严密的均匀结构；这种结构是很漂亮的，然而却显得呆板，实际上多看便令人生厌。相反，细菌的构造安排得非常精巧，它会使人产生浓厚的兴趣。 这些看上去好像只是主观上的判断，但利用数学可以使之更具说服力。近年来开创了一个全新的研究领域，它的目标是使结构复杂性这类概念定量化，并力图为结构建立起与现有物理定律有同等地位的一些普适性原理。这一领域现在仍处于摇篮时期，但已经对许多关于有序和混饨的传统假设提出了挑战。

 在《宇宙蓝图》（The Cosmic Blueprint）一书中，我曾经提出有一条“复杂性增加定律”对宇宙是适用的。它应当与热力学第二定律处于同等的地位。这两条定律之间不存在任何不相容性。实际上，对一个物理系统来说，结构复杂性的增加是以熵为代价的。例如，在生物进化的过程中，在一种更为复杂的新有机体出现之前，必然要发生许多破坏性的物理过程和生物过程（例如非适应性突变体的过早死亡）。即使一片雪花的形成产生的余热，也会使宇宙的熵增加。但是，我们已经作过解释，这里不存在任何直接的替换关系，因为结构并不是熵的反义词。

 我非常高兴地看到，许多研究者已经得出类似的结论，并正努力使复杂性“第二定律”公式化。我可以推荐米切尔·沃尔德鲁普（Miichell Waldrup）所著的《复杂性》（Complexity）一书来作为对这类研究进展的绝妙的总结。虽然复杂性定律与热力学第二定律并不矛盾，但它对宇宙变化的解释却大为不同，它所描述的宇宙正在进步，从基本上无特征的初始状态，发展到结构越来越复杂，越来越精巧。

 复杂性第二定律正在不断完善之中，它对宇宙的结局有着深远的意义。如果结构复杂性不是熵的对立物，那么尽管宇宙中负熵的贮存有限，也不需要对复杂性程度加以限制。因复杂性的增加而付出的熵的代价也许完全是附带的，而不是基本的；纯有序化或者进行信息处理正是这种情况。如果是这样的话，那么我们的后裔也许有能力达到结构不断地变得越来越复杂的那种状态，而同时却没有对不断减少的资源造成浪费。尽管他们处理信息的数量也许会受到限制，但就他们的智力活动和体力活动的丰富程度和性质而言，也许并不存在任何的限制。 在本章以及前面一章中，我一直试图简要他说明宇宙正在缓慢地衰退，但也许永远不会完全把精力消耗殆尽；这也就是要说明那些稀奇古怪的幻想出来的生物为了维持生存而尽力减少不必要的额外开支——这种开支总是越积越多而给他们造成了困难，并借以考察他们为对付热力学第二定律不可避免的逻辑结局所表现的聪明才智。他们不顾一切地为生存下去进行着一场并非完全绝望的斗争，这种场面也许会使某些读者感到兴奋，而另外一些读者可能会对此忧心忡忡。我本人则是两种情绪兼而有之。 但是，全部推测的基础是假设宇宙将会永远不断地膨胀下去。我们已经知道为什么这只是宇宙的一种可能的命运。如果这种膨胀的减速能足够快，那么有一天宇宙也许会停止膨胀，并开始朝一场大危机收缩。那时，生存下去的希望又是什么呢？

谢选骏指出：“让我们乐观地设想人类会一直生存下去，并继续不断地朝着技术发展的极限迈进。那么，这对于宇宙探险又意味着什么呢？制造出特意设计的智能人将会开创这样一种可能性：派遣代理人进入迄今为止完全不适合人类居住的场所，以完成今天无法想象的任务。虽然这种智能人或许是始于人类技术的最后产物，但不论从哪种直接意义上来说，他们都不算是人类。”——这种前景，就是科学探险的和商业开发的思想极限。不过在我看来，这种前景比起“宇宙朝圣”要令人悲哀得多多了。

【第九章 快道上的生命】

 要是不存在“永恒”，人类或者外星智能人，无论他们的数量有多大，都不可能把生命永远延续下去。如果宇宙作为整体只能存在有限的时间，那么世界未日是不可避免的。在第六章中，我解释了宇宙的最终命运如何取决于它的总重量。观测表明，宇宙的重量所处的地位非常接近永恒膨胀和最终坍缩间的临界点。如果宇宙最终确实会开始出现收缩，任何智慧生物的经历实际上就会同上一章所描述的情况大不相同了。

 宇宙收缩的早期阶段丝毫不构成任何威胁。就像一只扔向空中并已到达轨道顶点的小球那样，宇宙会开始缓慢地向内下落。我们假定到达这个最高点的时刻出现在 1000 亿年以后，那时仍然有许多恒星在继续燃烧，而我们的后裔应当有能力利用光学望远镜跟踪遥远星系的运动：这些星系的退行在逐渐变慢，然后开始回落，彼此越来越接近。今天我们所能见到的星系在那时将会处于大约 4 倍远的距离上，因为宇宙的年龄增大了，那时的天文学家能观测到的距离大约 10 倍于我们能见到的距离。因此他们观测到的宇宙中所包含的星系，应当比我们这个时代能够见到的星系多得多。

 光线穿越宇宙需要好几十亿年时间，这个事实意味着 1000 亿年以后，任何天文学家在很长一段时间内会看不到这种收缩。他们首先注意到的应当是，比较近的星系平均说来相互接近要比彼此远离来得多，但是从遥远星系来的光线仍然会表现出红移。只是在几百亿年以后，系统性的内落才会变得明显。比较容易识别的应当是宇宙背景热辐射温度的微小变化。我们应当记得，这种背景辐射是大爆炸遗留下来的产物，现在它的温度在绝对温标 3 开左右。这个温度会随着宇宙的膨胀而下降。1000 亿年后，它会降低到 1 开左右。在膨胀的最高点，这个温度降到了最低。一旦收缩开始，温度会重新上升，当宇宙又收缩到与今天有同样密度时再次回升到 3 开。这又需要 1000 亿年时间：宇宙的增大和回落在时间上是对称的。

 对此，没有必要造成恐慌。宇宙不会简单地在一夜之间坍缩。事实上，即使在收缩阶段，我们的后裔也能在几百亿年时间内好好生活，安度时光。但是，如果转折点在更长得多的时间之后出现，譬如出现在 1 亿亿忆年之后，那么情况就不容过份乐观了。这种情况下，在膨胀达到最高点之前恒星已结束燃烧，任何当时还活着的居民会开始面临在永恒膨胀宇宙中所会遇到的同样问题。

 无论转折在什么时候出现，如果从现在开始用年来计量，那么宇宙要在转折后经过相同的年数才再次回到今天的大小。不过，它的样子将会有很大的变化。要是认为转折就出现在 1000 亿年后，那么同现在相比，那个时候黑洞会多得多，而恒星却要少得多。可供人类居住的行星将会非常珍贵了。

 在宇宙到达这个阶段时，它收缩的步伐已经相当快了，大约再过 35 亿年，尺度会减小一半，并且不断地加速减小。但是，真正紧张的时刻大约出现在这一阶段之后的 100 亿年，那时宇宙背景热辐射温度的上升开始构成一种严重的威胁。当温度上升到绝对温标 200 开时，像地球这样的行星就很难把热量释放出去，它会越变越热，而且毫无挽回的余地。首先，所有的冰冠或冰川都会融化，然后海洋开始蒸发。

 再过 4000 万年，背景辐射温度会达到今天地球的平均温度。那时，像地球那样的行星将完全不适合人类居住。当然，在太阳膨胀成一颗红巨星时，地球早已承受过类似的命运。但在此时此刻，已没有任何别的地方可去，没有一个安全的避难场所。背景热辐射充满整个宇宙。整个空间的温度都达到摄氏 20 度，并且还在上升。那时人类或者已适应这种灼热的环境，或者已创造出一些制冷生态系统以推迟被煮烤的威胁。他们都应当注意到，宇宙那时正以一种狂热的步伐在坍缩，每过几百万年尺度就会缩小一半。在收缩的这一阶段，所有还存在的星系都已不能再加以识别了，因为那时它们应当已经并合到一起。但是，空间还是很大的，个别恒星之间的碰撞应当很少出现。

 宇宙在接近它的最后阶段时，环境条件应当同大爆炸后不久起支配作用的那些条件越来越相似。天文学家马丁·里斯（Martin Rees）进行了一项有关宇宙未日学的研究。他运用普通的物理原理已能构造出一幅最后坍缩阶段的景象。宇宙热辐射最终变得非常强，使夜间天空发出淡红色的辉光。漆黑的宇宙慢慢地变成一个无所不包的宇宙熔炉，所有脆弱的生命形式，无论他们躲在何处，都要受到酷热的折磨，而行星的大气层也已被剥得干干净净了。红色的辉光渐渐地变成黄色，然后是白色，直到充满整个宇宙的可怕的热辐射威胁到恒星本身的存在。因为无法把自身的能量辐射出去，恒星热量就会在内部堆积起来，结果发生爆炸。空间会逐渐地被热气体即等离子体所充满，会发出可怕的光芒，同时一直不断地越变越热。

 随着变化步伐的加快，环境条件不断地走向极端。宇宙开始发生明显变化的时间尺度只需要 10 万年，然后只要 1000 年，接下来是 100 年，朝着总的灾变加速前进。温度上升到几百万开，然后是几十亿开。分布在今天浩瀚空间中的物质被挤入很小的体积内。一个星系的质量所占据的空间直径只有几个光年。最后三分钟来临了。

 最终，温度变得极高，甚至连原子核也分裂了。物质被剥离得成了一锅均匀的基本粒子汤。在不到你读完这一页书的时间内，大爆炸和一代又一代恒星创造化学重元素的杰作就被破坏殆尽。保持了无数亿年的最稳定结构——原子核——无可挽回地被摧毁了。除黑洞之外，其余一切结构早已被烧烤得不复存在。现在，宇宙的结构变得很简单，这种结构尽管别致，却是前途凶险，它只剩下几秒钟的生存时间。

 随着宇宙坍缩得越来越快，温度也上升得越来越快，而且没有明确的限制。物质受到的压缩作用极为厉害，区分单个质子和中子已变得毫无意义，所存在的只是一种由夸克组成的等离子体。然而，坍缩还在加速进行。

 现在所处的阶段离开宇宙最终大灾变只剩下最后几个微秒时间。黑洞开始相互并合，其内部情况与整个宇宙的总体坍缩状态几乎毫无区别。它们现在只不过是一些略为提早到达末日的时空区域，并且正在和宇宙的其他部分掺合在一起。

 在最后那些时刻，引力成为占绝对优势的作用，它毫不留情地把物质和空间碾得粉碎。时空曲率不断地增大。越来越大的空间区域被压缩到越来越小的体积之内。按照常规理论，这场暴缩有着无比强大的威力，所有的物质都因挤压而不复存在，一切有形的东西统统都被消灭，其中也包括空间和时间本身在内，剩下的只是一个时空奇点。

 这就是末日。

 就我们的理解，这场“大危机”不只是一切有形结构的末日，甚至也不仅仅是物质的末日，它是一切事物的末日。因为在大危机的瞬间，时间本身已经停止，要问以后会发生什么是毫无意义的，就像问大爆炸前发生过什么一样。对任何事物来说，根本不存在“以后”会发生什么，没有任何时间可言，那怕是静止的时间都没有，也不存在空的空间。大爆炸时从虚无中诞生的宇宙，将在大危机中于虚无中消失，它曾经灿烂辉煌地存在了无数亿年，而现在甚至连一丝回忆也不会留下。

 我们应该为这样一种前景而感到气馁吗？一种情况是宇宙永无休止地向着黑暗空虚的状态缓慢地退化和膨胀，另一种则是在剧烈的暴缩中湮没，两者哪一种更为糟糕呢？还有，在一个注定要走到时间尽头的宇宙里，永垂不朽的希望又是什么呢？

 同一个无限膨胀的宇宙在遥远将来的状态相比，逼近大危机时的生命看来更没有希望。现在的问题不是缺乏能量，而是能量太多。但是，我们的后代也许还有数十亿年甚至数万亿年的时间来对付这场最后的大屠杀。这段时间里，生命能够扩展到整个宇宙。对于最简单的再坍缩宇宙模型来说，总的空间体积实际上是有限的。这是因为空间是弯曲的，在一个三维等价球面上空间可以自相连通。因而可以想象，智慧生物有能力传播到整个宇宙，并对它加以控制，因此他们可以调整自己的位置，支配一切可能的资源来对抗这场大危机。

 初看起来，很难理解他们为什么会感到烦恼。要是大危机后的生存在逻辑上是不可能的，那么把痛苦挣扎的状态只是延长一点点时间，其目的又是什么呢？湮没发生在末日来临之前 1000 万年还是 100 万年，这对一个年龄为几万亿年的宇宙来说是完全一样的。但是，我们不应当忘记时间是相对的。我们后裔的主观时间将取决于他们新陈代谢和信息处理的速度。还有，要是假定他们有充裕的时间去改变他们的体形，那么他们也许有能力把罪恶变成美德，把哈得斯（Hades 扫校者注：希腊神话里的冥王）的逼近变成一种永生。

 温度的上升意味着粒子运动加快，而物理过程也发生得愈快。请记住，对一种智慧生物的基本要求就是要有处理信息的能力。在一个温度逐步升级的宇宙中，信息处理的速度也会加快。要是有一个人能利用 10 亿开条件下的热力学过程，那么对于他来说，宇宙的湮没已迫在眉睫，似乎就应发生在几年之后。如果余下的时间在观察者的意识中可以无限延伸，那么就无需担心时间的未日。随着坍缩朝最终危机加速发展，观测者的主观经历原则上可以扩大并能不断地加快这个过程。这样一来，逐步升级的思维速度就同朝着世界末日的加速冲刺相匹敌了。

 奇妙的是，我们不知道对于一个居住在坍缩宇宙中并处于最后时刻的超人来说，在可以利用的有限时间里，他是否会有无限多个性质不同的思维和经历。巴罗和蒂普勒一直在研究这个问题。其答案关键取决于最终阶段的物理细节。例如，要是在逼近最后奇点的过程中宇宙始终保持良好的均匀性，那么就会产生一个重要的问题。不论思维的速度是多少，光速总保持不变，每秒钟它最多只能穿越 1 光秒的距离。因为光速决定了任何物理效应所能传播的极限速度，由此得出的结论是，在最后 1 秒钟内，同宇宙中距离大于 1 光秒的区域之间不可能进行任何的通讯联系（这是事件视界的另一种例子，同阻止从黑洞取得信息的视界是相类似的）。随着未日的临近，可通讯区域的尺度和它们所包含的粒子数也就向着零缩减。对一个要处理信息的系统来说，它的各个部分最起码需要进行通讯。很清楚，光速有限所起的作用是限制了未日来临之际还有可能存在的任何“大脑”的尺度，因而也就会限制这个大脑可能具有的不同性质状态的数目，即思维的数目。

 为了摆脱这种限制，宇宙坍缩的最后各个阶段一定要偏离均匀性。事实上，这是很有可能的。有关引力坍缩的大量数学研究表明，随着宇宙发生暴缩，不同方向上的坍缩速率开始出现变化。奇妙的是，这个问题并不简单地表现为宇宙在一个方向上比另一个方向收缩得更快些。所发生的情况是开始出现振荡，所以坍缩最迅速的方向一直在改变。实际上，宇宙是在剧烈程度和复杂性不断增加的多次循环中，以摆动的方式走向消亡的。

 巴罗和蒂普勒推测，这些复杂的振荡造成事件视界先在一个方向上消失，然后又在另一个方向上消失。这样变来变去使得空间的所有区域都能保持联系。因为这种振荡使得比较快的坍缩一会儿出现在一个方向，然后又出现在另一个方向上，所以任何超级大脑必须思路敏捷，应当能接通不同方向之间的通讯联系。如果这个超人能够做到与振荡保持同步的话，那么振荡本身就可以提供推动思维过程所必需的能量。还有，在一些简单的数学模型中，大危机前最后那段有限的时间内，看来会发生无数次振荡。这就为进行无限数量的信息处理提供了必要的条件。因此根据假设，也就为这位超人提供了无限的主观时间。所以，即使物理世界在大危机时突然寿终正寝，精神世界也许永远不会完结。

 要是大脑的功能没有限制，它可以做些什么呢？按照蒂普勒的观点，对于它自身的存在以及它所卷入的那个宇宙，大脑应当有能力进行全面而又细致的考虑；不仅如此，由于它有着无限的信息处理能力，大脑也能以某种丰富多采的虚假现实不断地模拟出一些假想的世界。所以，最后三分钟不仅会变得无限地扩展，而且反映无数种不同的宇宙活动的模拟现实也可以建立。

 遗憾的是这些推测（有时是些异想天开的推测）取决于一些非常特殊的物理模型，而这些模型有可能被证明是完全不现实的。它们也没有包含量子效应，而这种效应在引力坍缩的最后那些阶段应有可能起着支配作用，并且有可能为信息处理的速率规定某个最终极限。如果是这样的话，让我们期望宇宙超人或超级计算机至少在它所能利用的时间内会逐步做到对生存取得充分的理解，这样它就能顺乎天命去面对自己必然会死亡的命运了。

谢选骏指出：古诗云，“生年不满百，常怀千岁忧……”，咏叹生命之愁；但是，现代科学却在畅想万亿年甚至亿亿年以后的宇宙末日——这不是神话学又是什么呢？

【第十章 暴卒与再生】

 迄今为止我总是假定，无论是通过惊天动地的事件，还是悲惨凄凉的形式（或者更确切他说，是通过大危机还是深冻），宇宙末日的来临都是发生在非常遥远的、甚至可能是无限远的未来。假如宇宙会发生坍缩，我们的后裔应当有好几十亿年的时间来警惕这场即将发生的危机。但是，还有另外一种更令人恐惧万分的可能性。

 我已经解释过，当天文学家注视天空的时候，他们并没有看到目前状态的宇宙，天空所显示的图象不同于一幅瞬时拍摄的快照。因为光从遥远的地方到达我们这里要花一定的时间，我们在天空中所见到的任何一个天体都是它在发光瞬间的象。望远镜也是一种望时镜。天体离得越远，我们今天见到的象在时间上就倒退得越早。实际上，天文学家的宇宙是一个穿越时空回溯的像，它的技术用语是“过去光锥”。一位天文学家从某个时空点 P（例如该点也许就在此刻此地）眺望宇宙。他其实看到的是过去的而不是现在的宇宙。沿着以 P 的顶点的“过去光锥到达的信息”用斜线表示。这些斜线代表过去宇宙的遥远区域会聚到地球上的光信号的路径。因为任何信息或物理影响的传播都不可能快于光速，观测者在图示时刻只能知道阴影区内发生的影响或事件。在过去光锥以外某个预示世界末日到来的事件，可能正把它的灾难性影响（波浪线）飞快地向地球传来，而观测者在这些影响到达之前应当对这个事件一无所知，这也可以算是一种幸运。

 根据相对论，任何信息或物理影响都不能传播得比光更快。因此，过去光锥所划定的不仅是有关宇宙一切知识的界限，而且也是在这一瞬间有可能对我们产生影响的所有事件的界限。由此可见，任何以光速向我们逼近的物理影响在到达之前是完全无法预防的。如果大灾难沿着过去光锥朝着我们迎面而来，那么死神的降临就不会有任何的先兆。只是当它袭击到我们的时候，我们才刚刚知晓。

 举一个简单的假设性例子。要是太阳现在爆炸了，我们要在 8 分半钟以后才会知道这个事实，这就是光从太阳到达我们所花的时间。同样，附近的一颗恒星完全可能已发生超新星爆发，这种事件可以使地球完全笼罩在致命的辐射之中。但是，在这个可怕的消息以光速穿越银河系疾驰而来的过程中，我们还会在好几年的时间内对这个事实一无所知，这也可以算是一种幸运。所以，虽然此时此刻宇宙也许看上去平安无事，但我们不能肯定是否已经发生了某种真正令人恐怖的事件。

 宇宙中大多数突发性剧变所造成的危险只局限于事件发生地的附近区域。恒星的死亡或物质陷入黑洞会对行星和附近的恒星起破坏作用，其影响范围也许有几个光年。最壮观的爆发看来就是那些发生在某种星系核中的事件。正如我已描绘过的那样，巨大的物质喷流有时会以接近光的速度向外抛出，同时发射出大量的辐射。这是星系尺度上的剧变。

 那么宇宙尺度的破坏事件又如何呢？比方说，在生命存在期间是否会出现一个一下子就毁灭整个宇宙的灾难呢？一场真正的宇宙大灾难会不会已经触发，它那令人胆战心惊的效应，甚至现在就已沿着我们的过去光锥朝我们脆弱的时空区域席卷而来呢？ 1980 年，物理学家西德尼·科尔曼（Sidney Coleman）和弗兰克·德卢西亚（Frank De Luccia）发表了一篇新奇的文章，它以平淡无奇的标题“引力效应和真空衰变”刊登在《物理评论》杂志上。他们所指的真空不仅仅是空无一物的空间，而且是量子物理的真空态。在第三章中我已经解释过，在我们看来也许是空无一物的真空，实际上怎样沸腾着极短暂的量子活动，幽灵般的虚粒子出现、传播又再次消失，就像是一场随便闹着玩的游戏。前面已经提到过，这种真空状态也许不是唯一的，可以存在多种量子状态，每一种看上去都像是空无一物，但却不同程度地经历着量子活动，与此相联系的就有不同的能量。

 高能态往往要向低能态衰变，这是量子物理学中一条完全确证的原理。例如，一个原子可以取一定范围内的若干种激发态，但这些激发态都是不稳定的，原子会力图向最低能态即“基”态衰变，这个基态才是稳定的。同样，一种激发真空态也会力图向最低能态即“真”真空态衰变。暴胀宇宙演化图象所依据的理论是，宇宙从一种激发真空态或“伪”真空态开始，在伪真空态期间，它疯狂地暴胀，但经过一段极为短暂的时间，这种状态便衰变成真真空，暴胀也就停止了。

 目前通常假定，宇宙的现有状态对应着真真空态，这就是说，是所有可能的能态中今天的空间是最低能量的真空态。但是，对于这一点我们有把握吗？科尔曼和德卢西亚考虑了一种令人恐惧的可能性，即现在的真空态实际上也许不是“真”真空，而是一种有相当长寿命的亚稳态，这也就是另一种伪真空，它一直在以一种伪装的安全感哄骗我们，因为它已经延续了几十亿年。我们知道许多量子系统，如铀核，它的半衰期为几十亿年。能够想象现在的真空态会属于这一类型吗？科尔曼和德卢西亚在文章中所提到的真空“衰变”涉及到一场大灾难的可能性，即现在的真空态也许会突然终止，把宇宙扔进一个更小更低的能态，同时给我们（以及所有别的事物）带来悲惨的结局。如果粒子陷入两座小山间的谷地中，它有很小的概率能通过借贷能量越过小山逃出去。实际上，这是在观察穿越势垒的隧道效应。一种熟悉的情况是某些元素原子核中的 α 粒子通过隧道效应穿越核力势垒并飞离原子核，这种现象称为 α 放射性。在这个例子中，“小山”由核力及电力产生，这里画的只是示意图。

 科尔曼和德卢西亚假设的关键是量子隧道效应这种现象。量子粒子被力的势垒所俘获的那种简单情况可以对上述效应作出最好的说明。假设这个粒子位于一个小山谷中，它被两侧的小山所束缚。当然，这不一定是真实的小山，例如它们可以是电子场或核力场，在没有取得越过小山（即克服力势垒）所必须的能量时，这个粒子看来会永远困在谷底。但是要记住，所有的量子粒子都服从海森伯不确定原理，它可以在很短的时间内“借贷”到能量。这就开辟了一种很有趣的可能性。如果这个粒子能够借到足够的能量以到达山顶，并在它必须偿还这份能量之前翻到山的另一侧，那么粒子就可以逃出这个陷阱了。实际上，它会借助隧道穿过势垒，好像它根本就没有在那里呆过一样。

 量子粒子“泄出”这类势阱的概率非常灵敏地取决于势垒的高度和宽度。势垒越高，粒子为达到山顶所必须借到的能量也越大。还有，根据不确定原理，借贷期也必须越短。因此，对于高势垒，只有当它们同时又是薄势垒时才能利用隧道效应，这样粒子才能很快地穿过它们，以便拒绝按时还清借来的能量。出于这个原因，在日常生活中隧道效应并不引人注意。要能出现有效的隧道作用，“每天”的势垒实在是太高也太宽了。原则上说，人类可以步行穿过砖墙，但出现这种奇迹的量子隧道作用概率极其微小。然而在原子尺度上，隧道作用很普遍。例如， a 放射性正是通过这种机制出现的： a 粒子从力图捕获它们的原子核中泄漏出来。隧道效应也被应用在半导体和其他一些电子产品上，如隧道二极管。

 伪真空态和真真空态 也许有这样的情况：空间 A 现在所处的量子态不是最低能态，但尽管如此它还是准稳的，因为它对应着某种位置比较高的山谷。因此，应当存在极小的概率可以使这种量子态借助隧道效应衰变到真正稳定的基态 B 。这两种状态间的跃迁是通过宇宙泡的成核作用而出现的，并会释放出巨大的能量。

 现在回到有关真空衰变的问题上来。科尔曼和德卢西亚推测，组成真空的量子场也许会经受那种力场的作用（这里是一种比喻）。现在的真空态对应着从谷底 A 。但是，真真空对应着谷底 B ，它比 A 还要低。真空要想从较高的能态A 向较低的能态 B 衰变，但是使 A 和 B 隔离开来的那座小山把它挡住了（注意：这些小山和山谷代表了力和场的配置——它们同实际空间中的特征并不一一对应）。现在，虽然小山妨碍了衰变，但考虑到隧道效应的话，它并没有完全阻止衰变的发生：系统可以借助隧道从谷 A 穿到谷 B 。发生这种现象所需的时间将取决于这种跃迁的概率有多大。上面已经解释过，这种概率对小山的高度和宽度十分敏感。这两个量的数值完全有可能造成这样的情况：也许要经过几十亿年后跃迁才会突然发生。在这种情况下，宇宙也许正生存在借来的时间上，挂在谷 A 的上方，但它会有一定的机会在某个任意时刻借助隧道进入谷 B 。

 科尔曼和德卢西亚用数学方法对真空衰变进行了模拟，以找到这种现象出现的方式。他们发现，衰变开始出现时的空间位置是随机的，它表现为一个“真”真空小泡，四周被不稳定的“伪”真空所包围。这个小泡一旦成核，就很快地膨胀，膨胀速度迅速趋近光速。越来越大的伪真空区域被它所吞没，同时转变成真真空。在第三章中我曾讨论过，这两种状态的能量差也许会达到非常大的程度，它集中在泡壁上，并扫过整个宇宙，同时也把它在前进道路上所遇到的一切事物统统毁灭掉。

 只有当泡壁出现，而我们这个世界的量子结构突然发生改变时，我们才会知道真空泡的存在。我们甚至没有 3 分钟的预警时间。顷刻之间，所有亚原子粒子的性质以及它们的相互作用会发生剧烈的变化。例如，质子也许会在瞬息之间发生衰变，在这种情况下，一切物质都会突然蒸发。那时，留下来的东西会发现自己处于真真空泡的内部，事物的这种状态与我们现在所观察到的情况大不相同。最重要的差别与引力有关。科尔曼和德卢西亚发现，较低真空态的能量和压力会产生一种强大的引力场，它使泡内的区域会在不到 1 微秒的时间内坍缩。这一次，从容不迫地向大危机收缩的情景不见了，相反的是，随着泡的内部突然暴缩成一个时空奇点，一切东西几乎立即湮没。总之，这是一场瞬息之间出现的灾难。“这是很令人泄气的”，两位作者巧妙而又谨慎地评论道，“我们正生活在一个伪真空中的可能性从来都不是我们所期待的、令人欢快的事情。真空衰变是最终的生态大灾难……在真空衰变后，不仅我们所知道的生命不可能存在，而且我们所认识的化学过程也不可能出现。但是，过去人们始终以为随着时间的流逝也许新的真空会维持某种东西井能够从这种可能性中获得一丝淡泊的安慰——即使那时的生命不是我们现在所认识的生命，那么至少也是懂得乐趣的某种组织，但现在连这种可能性也已被排除了。”科尔曼和德卢西亚的论文发表后，骇人听闻的真空衰变成了物理学家和天文学家广为讨论的议题。通过对粒子物理学最新思想的深入研究，迈克尔·特纳（MichaeI Turner）和弗兰克·威尔扎克（Frank Wilczek）得出了一个启示式的结论：“因此从微观物理学的观点来看，完全可以想象我们的真空是亚稳态的……真真空泡会在毫无预兆的情况下在宇宙的某个地方成核，并以光速向外运动。”

 特纳和威尔扎克的论文在《自然》杂志上发表后不久，皮特·赫特 （Piet Hut）和马丁·里斯（Martin Rees）唤醒了一个可怕的幽灵：一个使宇宙遭到破坏的真空泡得以成核也许是被粒子物理学家本身在无意之中所触发的！问题在于，亚原子粒子的甚高能碰撞有可能仅在一瞬间内，就会在一个非常小的空间区域中创造出促使真空发生衰变的一些条件。一旦这种跃迁发生，哪怕是发生在微观尺度上，也无法阻止新形成的真空泡在瞬息内膨胀到天文尺度。是否我们应查禁下一代粒子加速器呢？

 赫特和里斯也在《自然》杂志上发表一项备受欢迎的积极证明。他们指出，宇宙线的能量早已超过我们在粒子加速器内所能获得的能量，而这些宇宙线几十亿年来一直在轰击地球大气中的原子核，却丝毫没有触发真空衰变。另一方面，随着加速器的改进，能量提高了大约几百倍，我们也许有能力产生出更大能量的撞击，它将超过任何宇宙线撞击地球时产生的能量。然而，现实问题不是真空泡的成核现象是否会在地球上出现，而是它是否会在大爆炸以后的某个时刻已经出现在可观测宇宙中的某个地方。赫特和里斯指出，两束宇宙线出现迎面碰撞的机会非常小。他们的计算得出，在宇宙的历史中，必定发生过能量比现有加速器大几十亿倍的碰撞事件。所以，我们还不需要制定一项权威性的规定。

 自相矛盾的是，尽管真空泡成核现象会威胁宇宙本身的存在，但就是同样的真空泡成核现象却在与此稍为不同的另一意义上却又证明是宇宙的唯一可能生路。摆脱宇宙死亡的万全之策是应该创造出一个新宇宙，并躲进这个宇宙中去。这听起来似乎是天方夜谭式的幻想，但“婴宇宙 （Baby Universe）”的研究已成为近几年来广泛讨论的论题，而且这种讨论是严肃的。这个论题最初是由一个日本物理学家小组在 1981 年提出的，当时他们所做的是用一个简单的数学模型来研究受真真空泡包围的伪真空小泡的变化特性。因此，情况正好与我上面讨论的相反。他们得到的预期结果是，伪真空应当以第三章所描述的方式暴胀，在一场大爆炸中迅速膨胀成一个巨大的宇宙。初看起来，似乎是伪真空泡的暴胀必定造成泡壁极大地膨胀，结果伪真空区域增大的代价是牺牲了真真空区域。但它与下面这种预期的情况是矛盾的：真真空的能量比较低，它应当取代能量较高的伪真空，而不是相反。

 非常奇特的是，从真真空区域来观察的话，伪真空泡所占据的空间区域看来并不暴胀。事实上，看上去它更像是个黑洞，这种情况好像沃博士的时间机器塔迪斯（Tardis ，扫校者注：欧美科幻电视剧 Dr. Who 里的时间机器），从里面看它会显得要比从外面看它来得大。一个位于泡内的假想观察者会看到宇宙膨胀到巨大的尺度，但从泡外来观察的话，宇宙仍是致密的。

 一个空间气泡像气球那样从母宇宙中长地来，这就形成了一个子宇宙，它通过脐带蛀洞与母体相连。从母宇宙的角度来看，蛀洞的嘴犹如一个黑洞。随着这个黑洞的蒸发，蛀洞的咽喉就掐断了，因此同母宇宙失却了联系。接着婴宇宙凭借自己的地位成为一个独立存在的宇宙。

 为了观察这种特殊事态，有一种方法是用一张橡皮来进行模拟。这张橡皮的某个地方鼓出了一个泡，并像气球那样向外膨胀。这个气球形成了一个婴宇宙，它通过一条脐带，也就是蛀洞与母宇宙相连。蛀洞的咽喉像一个黑洞那样从母宇宙中露出来。这种结构实际上是不稳定的。黑洞因霍金效应而很快地蒸发，使它完全从母宇宙中消失。结果，蛀洞被掐掉了，婴宇宙与母宇宙失去了联系，名正言顺地变成了一个新的独立的宇宙。这个子宇宙（Child Universe）从母胎中“发育”出来以后，发展过程和我们的宇宙是相同的：一个短暂的暴胀期后紧跟着的就是通常的热大爆炸。这种模型所包含的明显的言外之意是，我们自己的宇宙正是通过这条途径，作为另一个宇宙的后代而诞生出来的。

 暴胀理论创始人艾伦·古思（Alan Guth）和他的一些同事研究了上述演化图象是否允许出现一种异乎寻常的可能性，这就是通过审慎的操纵，也即在实验室里能否创造出一个新宇宙来。与伪真室衰变成真真空泡那种骇人的情况不同，创造出一个四周为真真空所包围的伪真空泡不会对整个宇宙的存在构成威胁。事实上，虽然这种实验也许会触发一次大爆炸，但就实验室来说，这种爆炸完全会受到限制，限制在一个马上会蒸发的微黑洞内。这个新宇宙应当创造出它自己的空间，而不会把我们空间的任何一部分吞食掉。

 虽然这种思想仍然是高度猜测性的，而且完全建筑在数学推理的基础上，但某些研究表明，沿着这条途径，通过精心设计的方法把巨大的能量集中起来，也许有可能创造出一些新的宇宙。这就提出了一种令人神往的可能性：在遥远的未来，当我们自己的宇宙逐渐变得不适宜居住或向大危机逼近时，我们的后代也许会决定采用“出外寻找乐土”办法，启动新宇宙的发育过程，然后在蛀洞的脐带被掐掉之前通过它爬进邻近的宇宙。这必定是最终的移民。当然，没有人知道这些无畏的人类如何完成或是否能完成这项壮举。最低限度来说，通过蛀洞的旅行应当是相当不舒服的，除非他们需要进入的黑洞非常之大。

 撇开这些实际问题不谈，正是婴宇宙这种可能性不仅为我们的后裔，而且也为那种宇宙开辟了真正永垂不朽的前景。我们不应当去思考这个宇宙的诞生和死亡，而应当去思考正在无限繁殖的一个宇宙家庭，每个宇宙都生出一些新一代的宇宙，而且也许是成批地诞生出来。通过这种宇宙生育能力，宇宙集合，或真正意义上应称之为超宇宙（metaverse），也许不会有任何开端和终结。每个单独的宇宙会按本书前几章所述的方式诞生、演化和死亡，但作为一个整体，这个集合应永远存在。

 这种演化图象留下一个悬而未决的问题：创造出一个像我们这样的宇宙是自然发生的事件（类似于自然出生的婴儿），还是人为操纵的结果（“试管”婴儿）。我们可以设想，在母宇宙中有一个充分先进而又无私的人类社会，他们也许会决定创造一批婴宇宙，这并不是为自己生存提供逃亡之路，而只是一旦它们自己的宇宙末日来临，使生命有可能在某个地方永恒地存在下去。这样就不需要对付上面提到的那些难以逾越的障碍，而这种障碍在企图筑造通往子宇宙的蛀洞通道时总是要遇到的。

 我们并不清楚婴宇宙会包含多少它母亲的遗传特征。物理学家也还没有理解自然界的各种力和物质粒子为什么会表现出现在所具有的属性。一方面，这些属性可能是自然规律的一部分，它们一旦被确认，任何宇宙中的所有东西都要受这些规律的制约。另一方面，其中某些属性也许是演化中偶然事件的结果。例如，很可能有不止一个“真”真空态，它们具有完全相同或几乎相同的能量。情况可能是这样，伪真空在衰减到暴胀纪元结束时，在这么多可能的真空态中，它简单地随意选择了其中的一个。就宇宙的物理学而言，真空态的选择决定了粒子和粒子之间作用力的属性，甚至可能决定空间的维数。所以，一个婴宇宙也许同它的母亲有着完全不同的性质。生命也许只可能出现在极少数后代之中，那里的物理学应该同我们宇宙的物理学非常类似。或者也许存在某种遗传原理，只要不出现离奇古怪的变种，它能保证婴宇宙继承它们母宇宙的几乎所有的性质。李·斯莫林（Lee Smolin）一直主张甚至可能有某种达尔文式的进化在宇宙中间起作用，它通过间接的方式促进了生命和意识的出现。更令人感兴趣的是，宇宙有可能通过母宇宙中智慧生物的操纵创造出来的，并有意把产生生命和意识的必要性质赋于宇宙。

 所有这些概念都不是毫无根据的胡思乱想，但宇宙学这门学科差不多完全处于摇篮时期。上面所考虑的种种异想天开式的推测，至少可以作为前几章悲观预测的某种安慰。这些推测表明，即使我们的后裔有一天必定会面临这最后的三分钟，某些理智生物仍有可能始终存在下去。

谢选骏指出：黑洞很像太极图中的黑仪，超新星爆炸很像太极图中的白仪——物质像是阳，饭物质像是阴……现代天文学家的想象力没有超越古人，他们喜欢思考宇宙灾难对于地球不可抗拒的毁灭能力，却没有想想这也许才是“万恶的人类”回归上帝怀抱的最好方式。

【第十一章 世界无尽头吗】

 人们一直在讨论各种可能性以找到摆脱宇宙末日的出路，而上一章所论述的那些奇特的想法并不是这类可能性的唯一代表。每当我作有关宇宙末日的演讲时，总会有人向我问到循环模型。这种模型认为，宇宙膨胀到极大尺度，然后再收缩到大危机，但它并没有完全湮没，由于某种原因它出现“反弹”，并开始另一轮由膨胀和再收缩组成的循环。这个过程也许会永远进行下去。在这种情况下，宇宙就应当没有真正的开始或终结，不过每一次循环都会有特定的开始和结束而把它们区分开来。这种理论对一直受印度教和佛教神话影响的人特别有吸引力，在这类神话中明显地反映出生与死、创生与灭亡构成的轮回。

 宇宙的尺度以某种周期性的方式在非常致密的状态和极度膨胀的状态之间脉动。每轮循环都从大爆炸开始．以大灾难结束。在时间上它是对称的。

 我已经简要地描述了有关宇宙结局两种很不相同的科学演化图象。每一种结局都以它特有的方式使人深感寒心。宇宙在一场大危机中把自己完全湮没掉的预言是很吓人的，不过这种事件也许在遥远的将来才会发生。另一方面，一个宇宙在经历有限的辉煌活动时期后，永恒地堕入萧瑟荒芜状态却使人深感沮丧。每一种模型也许都有可能使超人类获得无限的信息处理能力，这个事实对于我们血气方刚的人类来说似乎可以算是一种勉强的安慰。循环模型的魅力在于它回避了彻底湮没这个幽灵，同时也不会出现永恒的退化和衰败。为避免无止境重复的缺陷，重要的问题是这些循环会因某种原因而使它们互不相同。在有关这类理论的一种流行的说法认为，每次新循环就像不死鸟一样，从燃烧中死去，然后在死去的躯壳中再生。它们从这种原始的条件出发，演变出一些新的体系和结构，并探索它们自己丰富多采的新世界，直到下一次大危机出现时再次把往事一笔勾销。

 虽然这种理论看上去似乎颇有吸引力，遗憾的是它会遇到一些难以逾越的物理学障碍。其中的一个问题是要找到一种能够说得通的过程，使得处于某种极高密度状态的坍缩宇宙能出现反弹，而不是在一场大危机中把自己湮没。这必须存在某种反引力，它在坍缩的最后阶段会增大而变得压倒一切从而把暴缩的动量反转过来，并能同正在向内挤压的巨大引力作用相抗衡。现在还不知道是否有这样的力，而且假如这种力存在的话，它的性质也必然是十分奇特的。也许可以重温一下，在大爆炸的暴胀理论中，所假定的恰恰是这样一种威力强大的斥力。但要记住，产生暴胀力的激发真空态是高度不稳定的，它会很快地衰退。虽然可以想象这种微小而又简单的新生宇宙应该起源于这样一种不稳定状态，但是，要求一个从某种很复杂的宏观条件下进行收缩的宇宙，能够设法使之都恢复到激发真空态，则完全是另外一回事。这种情况有点像笔尖朝下平衡一支铅笔。这支铅笔马上会倒下，倒下是很容易的，再要一下子把铅笔放回笔尖朝下的位置就难得多了。

 即使假定可以用某种办法克服这类难题，循环宇宙的概念仍存在一些严重的困难，其中之一我己在第一章中讨论过。要是有一些不可逆过程以有限的速度在向前发展，那么对于受这种过程支配的一些系统来说，经过一段有限的时间之后，这些系统就往往会趋近它们的最终状态。正是这条原理在 19 世纪引出了关于宇宙热寂的预言。宇宙循环的引入克服不了这个困难。我们可以用一个渐渐走得慢下来的钟来比作宇宙。这台钟的运动最终不可避免地要停下，除非有某种外因使它重新上紧发条。但是，有什么机制能够再把宇宙钟的发条上紧，而同时自己又不会受到不可逆变化的支配呢？

 初看起来，宇宙的坍缩阶段似乎是膨胀阶段出现的那些物理过程的某种反演。正在分散开去的星系被拉回到一起，正在冷却的背景辐射又重新变热，而复杂的元素则再次分裂成一锅基本粒子汤。大危机前夕宇宙的状态同刚刚发生大爆炸后的宇宙状态极其相似。但是，这种对称的印象仅仅是表面的。下面这个事实会使我们得到一点启发：当膨胀转变成收缩时，生活于时间反演中的天文学家在好几十亿年中还是看到遥远的星系在退行。宇宙看上去似乎仍在膨胀，尽管它已经在收缩。造成这种错觉的原因在于有限光速带来了表观上的滞后现象。

 宇宙学家理查德·托尔曼（Richard Tolman）在 30 年代已经指出，这种滞后现象是如何破坏循环宇宙的表观对称性的。理由很简单。宇宙是携带大爆炸后遗留的大量热辐射开始向外膨胀的。随着时光的流逝，星光使这种辐射增强，结果在几十亿年后，充满在宇宙空间中的累积星光所包含的能量几乎与背景热能一样多。当宇宙接下来进入收缩阶段时，星光产生得越来越多。这意味着宇宙在逼近大危机时，散布在整个宇宙中的辐射能比大爆炸刚发生后的辐射能要多得多。因此，当宇宙最后压缩到与今天相同的密度时，它将要稍微热一些。

 超额的热能是通过爱因斯坦公式 E ＝ mc2 由宇宙包含的物质提供的。在产生热能的那些恒星的内部，诸如氢一类的轻元素被加工成一些重元素，例如铁。一个铁原子核通常包含 56 个质子和 30 个中子。你也许会猜想，这样一个核因而就应有 56 个质子和30 个中子的质量，但事实并非如此。这个合成的核比单个粒子的质量之和要轻百分之一左右。造成这部分质量“遗失”的原因在于强核力在原子核内产生的巨大的束缚能，而这部分能量所代表的质量被释放出来提供给了星光。

 所有这一切的结局是，能量从物质完全转化为辐射，由于辐射引力与物质引力大不一样，因而这对宇宙收缩的方式有着很重要的影响。托尔曼指出，在收缩阶段，这种超额辐射使宇宙坍缩的速度更快。假如有某种方法使反弹出现的话，那宇宙也会以更快的速度膨胀。换句话说，每次大爆炸都应当比上一次更大。其结果是，宇宙在每一轮新的循环中会膨胀到更大的尺度，所以循环逐渐变得尺度更大，时间也更长。一些不可逆过程造成宇宙学循环越来越大，因而就失去了真正循环说的含义。

 宇宙循环的这种不可逆增长决不是不可思议的，它只是热力学第二定律必然结果的一个范例。辐射的累积代表熵的增加，它以循环越来越大这种形式从引力上表现出来。但是，它确实使循环说的概念宣告破产：宇宙明显地随时间演化。回溯过去，那些循环阶梯式地串接在一起，它们的起点既复杂又混乱，而未来的循环会无限地扩大，一直到它们变得很长很长，以至对于任意给定的一个循环来说，大体上同永远膨胀模型的热寂演化图象无法加以区别。

 自托尔曼的工作以来，宇宙学家已找到其他一些物理过程，它们同样会破坏每次循环中膨胀阶段和收缩阶段的对称性，一个例子是黑洞的形成。在标准图象中，宇宙开始时并没有黑洞，但随着时间的不断推移，因恒星坍缩和其他一些过程，黑洞便形成了。随着星系的演化，出现的黑洞越来越多。在坍缩的最后阶段，压缩会促使形成更多的黑洞。某些黑洞可能会合并而形成较大的黑洞。因此，接近大灾变时的宇宙引力结构要比大爆炸刚发生后的情况复杂得多，因为事实上黑洞会明显的增多。假如宇宙反弹，那么下一轮循环开始时会比这一轮循环有更多的黑洞。

 看来不可避免的结论是：任何一种循环宇宙，只要它允许把物理结构和物理系统从一轮循环传递给下一轮循环，那它将无法回避热力学第二定律的退化影响。结局仍然会是热寂。避免这种可怕结论的一条途径是假设反弹时的物理条件非常极端，有关前面各轮循环的任何信息都不可能传递给下一轮。先前所有的物体都被摧毁，全部影响统统消失。实际上，宇宙完全从零开始再次诞生。然而，很难看出这种模型会有什么吸引力。如果每轮循环在物理性质上与其他循环是断开的，那么一定要讲这些循环是相互继承的，或者说它们代表同一个宇宙以某种方式在延续，那又有什么意义呢？这些循环实际上是一些有不同性质的分立宇宙，也许更正确的是应把它说成是平行存在而不是依次连接的宇宙。这种情况使人想起有关人可以投胎而得以再生的信仰，那里再生的人对他的前世毫无记忆。在哪种意义上人们可以说，这个再投胎的人与另一个截然不同的人是同一个人呢？

 另一种可能性是，由于某种原因违背了热力学第二定律，结果在反弹时“时钟再次上紧了发条”。这种第二定律失效所造成的破坏意味着什么呢？让我们举一个第二定律在起作用的简单例子：关于第二章中讨论过的香水从瓶子中挥发的问题。对香水来说，命运的倒退需要大规模有组织的协调作用，使散布在整个房间中的每个香水分子都吸回瓶子里去。实际上，这是一部倒放的“影片”。正是热力学第二定律使我们清楚了过去和将来之间的区别——“时间箭头”。因此，违背第二定律相当于时间的倒流。

 当然，在听到世界末日来临的霹雳信号时，假定时间简单地倒退以逃避宇宙死亡多少总是一种无能的表现。当旅途变得艰难之际，只是在倒放这部伟大的宇宙影片！ 尽管如此，这种观念已引起某些宇宙学家的注意。 60 年代托马斯·戈尔德（Thomas Gold）提出，对于一个再收缩宇宙来说，收缩阶段中时间也许会倒流。他指出这种倒流应包括在那段时间内所有生物的大脑功能，因而使他们对时间的主观感觉也倒过来。所以，收缩阶段的居民不会观察到他们周围的每件东西在“往回跑”，而应有着与我们相同的感觉，即感觉到的是向前的事件流。例如，他们会发觉宇宙在膨胀而不是收缩。在他们看来我们的宇宙正处于收缩阶段，而我们的大脑则是在倒退着处理问题。

 80 年代，霍金也曾一度热衷于时间反演宇宙，只是由于后来承认这是他的“最大错误”才予以放弃。霍金起初相信量子力学用于再收缩宇宙时隐含时间的对称性。但是，结果证明并非如此，至少在量子力学的标准公式中并不对称。最近，默里·盖尔曼（Murray Gellman）和詹姆斯·哈特尔（James Hartle）讨论了对量子力学规律的某种修正，其中先简单地强制设定了时间的对称性，然后探讨这种事态在我们的宇宙年代可能引起的可观测结果。迄今为止答案可能是什么还不清楚。

 俄国物理学家安德烈·林德（Audrei Linde）为摆脱宇宙末日提出了一条很不一样的途径。他所依据的是一种经过他精心制作的暴胀宇宙理论。在第三章的讨论中，对于原始暴胀宇宙的演化图象，人们假定甚早期宇宙的量子态对应于一种特殊的激发真空，它的作用是在短时间内促成飞速膨胀。林德的想法不是这样，他在 1983 年提出，早期宇宙的量子态也许以一种无序的方式逐点变化：这里是低能态，那里是中等激发态，某些地方则是高激发态。处于激发态的地方会出现暴胀。此外，林德对量子态变化特性的计算清楚地表明，高激发态暴胀得最快而衰退得最慢。结果是对某个具体的空间区域来说，能态激发得越高，宇宙应暴胀得越剧烈。显然，在极短时间之后，能量碰巧为极大因而暴胀也最快的空间区域会膨胀得最大，并占据整个空间的最大部分。林德把这种情况同达尔文进化或经济学联系起来。对应于某个甚高激发态的一次成功的量子涨落，所产生的结果是那个区域的体积在瞬息之间便出现巨大的增长，尽管这意味着它外借了大量的能量。所以，那些借了许多能量、处于超级暴胀之中的区域很快便取得了统治地位。

 无序暴胀的结果是，宇宙会被分割成一团微宇宙，或者说一团宇宙泡，某些泡发疯似地暴胀，而有的则根本不出现暴胀。因为纯粹是由于随机涨落的结果而使某些区域具有十分大的激发能，在这些区域内出现的暴胀会比原始理论中所假定的暴胀要强得多。但是，这些区域正是暴胀最强烈的区域，所以要是在暴胀后宇宙中随机选择一点，那么这一点很可能就落在这种高度暴胀的区域中。因此，我们自己在空间中的位置很可能便位于某个超级暴胀区内很深的地方。按林德的计算，这种“大宇宙泡”也许已经暴胀了 10 的 8 次方幂。这是一个在 1 的后面跟着 1 亿个零的数！

 我们自己的宏伟宇宙版图应只是无限多个高度暴胀宇宙泡中的一个，因而在庞大无比的尺度上，宇宙看上去仍然会是极端无序的。我们这个宇宙泡的延伸距离之远大大超出了目前可观测宇宙的范围，在它的内部物质和能量大致呈均匀分布。但是，在我们的宇宙泡之外还有其他宇宙泡，以及一些仍处于暴胀过程中的区域。事实上，在林德模型中，暴胀永不停息。始终有一些空间区域正发生暴胀，那里正在形成新的宇宙泡，那怕另一些宇宙泡走完它们的生命循环而已死亡也没有关系。所以，这是某种形式的永恒宇宙，它同前面一章所讨论的子宇宙相类似。在这种宇宙中，生命、希望和泡宇宙永恒不息地在涌现出来。因暴胀而产生泡宇宙决无结束之日，可能也谈不上有什么起点，尽管现在对此还存在某些争议。

 其他宇宙泡的存在是不是为我们的后裔提供了某种救命之索呢？他们能不能通过不断地迁移到另一个更年轻、因而拥有大量时间的宇宙泡去，以逃避宇宙末日，或更精确他说逃避宇宙泡的末日呢？ 1989 年，林德在《物理通讯》杂志上发表了一篇大胆的论文，题为“暴胀后的生命”，文中所谈的正是这个问题。“这些结果意味着暴胀宇宙中的生命永远不会消失。”他写道，“遗憾的是，这个结论不是自然而然地意味着人们可以非常乐观地对待人类的未来。”林德注意到，任何一个特定的区域，或宇宙泡，都会慢慢地变得不适宜人类居住。因此引出的结论是：“为了生存下去，我们在那个时候可以找到的唯一可能的策略是，应该从老区域搬到新区域去。”

 令人泄气的是，在林德的暴胀理论中，一个典型宇宙泡的尺度非常之大。根据他的计算，离我们最近的宇宙泡也许都非常非常遥远，要是以光年为单位，这段距离必须用1 后面跟上几百万个零来表示。这个数字太大了，想把它全部写出来就会需要关于它自己的一整本百科全书！即使以接近光的速度，到达另一个宇宙泡也要花费差不多同样多的年数，除非运气特别好，即我们正好处在我们自己这个宇宙泡的边缘。林德指出，这甚至还要假定在如此漫长的时间中，我们的领域会以某种可预见的方式不断地膨胀下去。一旦今天左右我们的物质和辐射变得无限稀薄，现在完全不引人注意的最微不足道的物理效应最终可能会决定宇宙膨胀的方式。例如，宇宙中可能一直存在着某种极其微弱的暴胀力，它今天完全被物质的引力作用所淹没。但是，如果人类为逃离我们的宇宙泡所需要的时间非常非常长，它最终总会被察觉到。那种情况下，因为有着充裕的时间，宇宙应会再一次开始暴胀，不过这一次不是采取大爆炸那种疯狂的方式，而是进行得极其缓慢，好像是大爆炸的某种软弱无力的赝品。不过，这种无力的抽泣尽管很微弱，但却会永远地持续下去。虽然宇宙的增长只是以微小的速率在加速，但它在加速这个事实却有着重要的物理效应。这个效应会在泡内生成一个视界，它有点像一个里外颠倒的黑洞，实际效果正像一个陷阱。在那种情况下，任何幸存下来的生物会变得孤立无援，深深地被埋葬在我们的宇宙泡内。这是因为，虽然他们企望尽快地到达泡的边缘，但暴胀泡边缘会更快地后退。因此，林德的计算向我们表明，对于人类或我们的后裔来说，他们的最终命运是如何取决于这么微小的物理效应，而这种效应在表现出它们的宇宙学意义之前，我们实际上根本无法探测到它们。林德的宇宙学在某些方面使人联想到陈旧的稳恒态宇宙理论，它在 50 年代以及 60 年代的早期曾一度流行，而至今它仍是用来摆脱宇宙终结的最简单而又最吸引人的学说。在赫尔曼·邦迪（Herman Bondi）和戈尔德的原始形式中，稳恒态学说假定宇宙在大尺度上是永远保持不变的。因此，宇宙没有开端，也没有终结。随着宇宙的膨胀，新物质不断地创生出来以填补空隙，同时保持总体密度不变。任何一个星系的命运同我在前面几章中所描述的情况相类似：那就是诞生、演化和死亡。但是，一些星系源源不断地从新创生的物质中形成，而新创生物质的补充又是永无止境的。因此，宇宙的总体状况看上去是相同的，在给定的空间范围内有着相同数目的星系，它们由各种年龄的星系混合组成。

 稳恒态宇宙的概念无需解释宇宙最初如何从虚无中诞生，它还把在演化过程中产生的各种各样有趣的现象同宇宙的永恒掺合到一起。事实上，除了这点以外，它保证宇宙将永葆青春，这是因为尽管各别星系会慢慢地死去，但宇宙作为一个整体永远也不会变得老态龙钟。由于新物质自然就提供了能源，因而我们的后裔永远不必因为能源越来越枯竭而到处去发掘可利用的东西。一旦老的垦系燃料用完了，居民们就迁往比较年轻的星系，而这个过程可以永无止境地、以同等充沛的精力、多样性和活跃性，一直维持下去直到永远。

 但是，要使这个理论成立，还需要某些必要的物理条件。因为膨胀，每隔几十亿年宇宙的体积便要增大 1 倍。为了使密度保持不变，在此期间需要创生出大约 1048 吨的新物质。这个数字看上去很大，但平均说来，这相当于每一百年在机舱那么大的空间内只出现 1 个原子。这种现象我们不大可能会注意到。一个比较严重的问题是关于这个理论中使物质得以创生的那种物理过程的性质。至少我们应该要知道，提供这份额外质量的能量来自何处，而这个能量魔瓶又怎样会取之不竭，用之不尽。这个问题是由弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）和他的同事贾扬特·纳里卡（Jayant Narlikar）解决的。他们非常细致地发展了稳恒态学说。这两位学者提出用一种新型的场——创生场——来供应能量，前提条件是这种创生场具有负能。每个质量为 m 的新物质粒子的出现，其效果是贡献给创生场一份负能量 mc2 。

 虽然创生场从技术上解决了创生这个难题，但它仍留下许多悬而未决的问题。此外，它似乎还显得有点特别，因为对于这种神秘的场看不出任何其他的表征。更为严重的是，60 年代的观测证据开始对这种稳恒态学说提出了挑战。其中最重要的就是发现了宇宙背景热辐射。这种均匀背景很容易用热大爆炸的遗迹来加以解释，但在稳恒态模型中要作出令人信服的解释却很难。还有，星系和射电星系的深空巡天结果明确无疑地表明，在大尺度上宇宙是在演化的。当这些证据变得确凿无疑时，霍伊尔和他的同事便放弃了稳恒态学说，不过有的时候，还会有人把它重新提出来。

 除物理学的和观测上的问题外，稳恒态学说还遇到一些奇妙的哲学上的困难。例如，假如我们的后裔确实有无限的时间和能源任凭他们支配，他们的技术发展也就不会有明显的限制。他们应会在宇宙中自由地传播开来，从而控制越来越大的空间体积。因此在非常遥远的未来，大部分宇宙基本上都已实现技术化。但我们的前提是宇宙大尺度性质应该不随时间而变化，所以稳恒态这种假定不得不使我们得出这样的结论：我们今天所见到的宇宙已经实现了技术化。因为宇宙中的物理条件总体上对所有的时期都是相同的，智慧生物在所有的时期必定都会出现。而且，因为这种事态永远存在，某些人类社会应该在不同的地方已经生存了任意长的时间，而且它们将会扩展开去占领任意大的空间体积并使之技术化，其中也包括占领宇宙中我们所在的那部分区域。即使假定智慧生物没有向宇宙移民的意愿也无法回避这个结论。只要有一个这样的社会，即使它出现的时间不长，上述结论都会有效。这难题的另一种情况是，在一个无限宇宙中，即使它只有非常小的可能性，任何事件也必定会在某个时候出现，并会一次又一次无限地出现。按照这个明确结论的逻辑，稳恒态学说便预言宇宙的种种过程与宇宙居民的技术活动是同一的。事实上，我们所称的大自然就是某种超级生物或超级生物社会的活动。这看上去好像是柏拉图的造物主（在已设定的一些物理定律的范围内操纵一切的一个神）的某种翻版，而且有趣的是霍伊尔在他以后提出的一些宇宙理论中，直言不讳地鼓吹这样一类超级生物。

 在任何有关宇宙末日的讨论中，我们都面临要达到什么目的的问题。我已经婉转地提到过一个事实，即一个走向死亡的宇宙前景使伯特兰·罗素确信，生存最终是徒劳无益的。近年来，这种观点得到温伯格的共鸣，集中表现于他的著作《最初三分钟》中那赤裸裸的结论：“看来对宇宙理解得越多，好像就越感到索然无味。”我一直主张对宇宙慢热寂说最初的担忧恐怕是过份了，甚至也许是错误的，虽然由大危机引起的突然灭绝仍然有可能发生。我已大胆地推测过那些超级生物的活动，使它们在体形和智能上能达到令人不可思议的目标以对付他们的各种遭遇。我也简单地探索了无限思维认识的可能性，哪怕宇宙是有限的。

 但是，这些可作为代用品的演化图象能够减轻我们的不安情绪吗？我的一位朋友曾发表这样的意见：他对听到的关于天国的内容没有多大的兴趣。他觉得要是前景是永远生活在某种极端平衡状态之中，那是一点也没有吸引力的。快一点结束生命，把一切的一切都彻底了结，这要比面临着毫无趣味地永远活下去更好些。如果永垂不朽只是限于永远翻来覆去的老一套思维和经历，那么这看来确实是索然无味的。另一方面，如果永垂不朽与进步联系在一起，那么我们可以憧憬那种永远变化的新颖生活状态，永无止境地学习或者做某种新的振奋人心的事情。但问题在于，这又为了什么？当人类着手一项有目的计划时，他们心中是有既定目标的。如果这个目标没有达到，计划就宣告失败（虽然经验也许未必毫无价值）。另一方面，如果目标达到，这个计划便宣告完成，然后活动也将停止。在一项永远完不成的计划中能有真正的目标吗？如果生存本身就是向一个永远达不到的目的地的一场永无止境的旅行的话，那么这种生存有意义吗？

 要是宇宙有一个目标，并且它达到了那个目标，那么宇宙一定会寿终正寝，因为它的继续存在既没有理由也毫无意义。相反，如果宇宙会永远存在下去，那么不难想象，对宇宙来说根本不会有任何最终的目标。这样，宇宙的死亡也许正是为宇宙的成功所必须付出的代价。因此我们只能希望在宇宙的最后三分钟结束之前，它的目标也许会被我们的后裔所认识。

谢选骏指出：“摆脱宇宙末日”——这显然不是一个“科学的主题”，而是一个“神学的主题”。在我看来，所谓“宇宙的死亡也许正是为宇宙的成功所必须付出的代价”——这只是必死的人类用来安慰自己的一种“只能希望”罢了。这是因为我看到了，无意识的禽兽正是按照与下述方式相反的路数生存发展的——“当人类着手一项有目的计划时，他们心中是有既定目标的。如果这个目标没有达到，计划就宣告失败（虽然经验也许未必毫无价值）。另一方面，如果目标达到，这个计划便宣告完成，然后活动也将停止。在一项永远完不成的计划中能有真正的目标吗？如果生存本身就是向一个永远达不到的目的地的一场永无止境的旅行的话，那么这种生存有意义吗？”禽兽永远在翻来覆去的老一套的思维和经历中讨生活，但却一点都不觉得索然无味，型凡是兴趣盎然的。禽兽们的轮回永无进步，但却自得其乐、不无幸福。

书商言论

随着大爆炸理论逐渐被大众和科学界所充分接受，人们越来越注重宇宙未来的研究。我们已有了宇宙如何诞生的很好的概念，但宇宙将如何结束呢？它最终的命运又将如何呢？宇宙是否会以爆炸或抽搐的形式终其一生，或甚至永久消失？那时，人类又将如何？人类或其后裔——无论是机器人还是人类自己——能否幸免于难而永复存在？

《宇宙的最后三分钟》是保罗·戴维斯（Paul Davies）所写。本书根据一些著名物理学家和宇宙学家的最新研究成果，对以上问题进行了描述。本书的文字简洁、生动，读来饶有趣味。这是一本非常精彩的科普读物。

保尔·戴维斯，澳大利亚阿德莱德大学物理学教授。戴维斯是世界著名的物理学家，同时也是一位能用生动简洁的语言解释深奥科学概念的大师。《华盛顿时报》称他为“大西洋两岸最好的科普作家”。主要作品有：The Mind of God，The Cosmic Blueprint，Siperfore等。

网友评论

看过电子版，也买了一本收藏。通俗易懂，言简意赅。宇宙的最后3分种（结局）其实在宇宙的最初3分钟（起源）已经决定了，只是我们还不知道、还在探索的路上而已。但世界末日永不会来临，想想书中描述的情节——亿万年后我们的后裔带着我们的遗传信息在时空中穿梭，寻找适居的家园——就感动不已，我相信即使宇宙坍塌或热寂，也不能阻挡人类的传承与探索精神。

谢选骏指出：对于自己并不知道的未来，高谈阔论宇宙的命运——这与其说是科学，不如说是哲学甚至神学。现代科学，在于天文学领域，就只能这样，从实验科学走向了末日神学？但是他们还不知道，新的地心说已经出现了。

（另起一页）

【161卷】

宇宙朝圣导论

Cosmic Pilgrimage Introduction

《宇宙朝圣》第一卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume One

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第161卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 161

内容提要

如果我们不能用一种朝圣的态度和方式去从事宇宙探险、宇宙旅行和宇宙殖民，那么其结果一定是极为悲剧的。

Synopsis

If we cannot use a pilgrimage attitude and method to engage in space exploration, space travel, and space colonization, then the result must be extremely tragic. 

【162卷】

无垠宇宙

Boundless Universe

《宇宙朝圣》第二卷

Cosmic Pilgrimage Volume Two

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第162卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 162

内容提要

宇宙像一个万花筒，随着人类的观测能力而不断延伸……

Synopsis

The universe is like a kaleidoscope, continuously extending with the observation ability of human beings... 

【163卷】

外星生命

Alien Life

《宇宙朝圣》第三卷

Cosmic Pilgrimage Volume Three 

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第163卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 163

内容提要

能够抵达地球的外星人，比地球人类更善良还是更凶残？

Synopsis

Aliens who can reach the earth are kinder or more cruel than human beings on earth?

【164卷】

地球母亲

Mother Earth

《宇宙朝圣》第四卷

Cosmic Pilgrimage Volume Four

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第164卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 164

内容提要

以往关于“天堂”的思想，体现的恰恰是类似地球般的温柔的蓝色；而宇宙空间的多数色彩，反而是类似“地狱”般的黑暗的，或是类似“炼狱”般的炽热的。

Synopsis

In the past, the thought of "heaven" reflected the gentle blue like the earth; but most of the colors in the universe were dark like "hell" or hot like "purgatory".

【165卷】

走向太空

Go To Space

《宇宙朝圣》第五卷

Cosmic Pilgrimage Volume Five

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第165卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 165

内容提要

走向太空是划时代的一步，与此同时，互联网整合了地球——这不能说是一个简单的巧合。

Synopsis

Going to space is an epoch-making step. At the same time, the Internet has integrated the earth-this cannot be said to be a simple coincidence.

【166卷】

登陆外星

Alien Landing

《宇宙朝圣》第六卷

Cosmic Pilgrimage Volume Six

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第166卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 16

内容提要

人类可以登陆月球，人造物体可以登录火星，而不仅仅是一次性地坠毁勘探。

Synopsis

Humans can land on the moon, and man-made objects can land on Mars, not just crashing and exploring all at once.

【167卷】

太阳系

Solar System

《宇宙朝圣》第七卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Seven

内容提要

太阳系是人类和人造物体目前可以到达的极限，就像宇宙为人类预先划定的一个鱼缸——你们可以看到外面的世界，但是你们到达不了外面的世界。

Synopsis

The solar system is the current limit that humans and man-made objects can reach, just like a fish tank pre-delineated by the universe for humans-you can see the outside world, but you cannot reach the outside world.

【168卷】

拟人天象

Anthropomorphic Astrology

《宇宙朝圣》第八卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Eight

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第168卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 168

内容提要

宇宙物质的分布，从太阳系、银河系、星系团（群）到超星系团，仿佛构成一个又一个“阶梯”。……当天文学家测量出相对于宇宙微波背景辐射（CMB）的运动时，莱登-贝尔等人（1988年）猜测有个"巨引源"，但是他的本质为何仍然难以理解。……在我看来，上述宇宙的结构好像进行着觐见礼。这是宇宙规模的朝圣历程。我把这叫做上帝的奇迹。上帝让我们到这世界上来，就是为了让我们能够见证这样的业绩。

Synopsis

The distribution of cosmic matter, from the solar system, the Milky Way, galaxy clusters (groups) to super galaxy clusters, seems to form one "staircase" after another. …When astronomers measured the motion relative to the cosmic microwave background radiation (CMB), Leiden-Bell et al. (1988) speculated that there was a "giant attractor", but its nature is still difficult to understand. ...In my opinion, the structure of the above-mentioned universe seems to be undergoing an audience meeting. This is a pilgrimage on a cosmic scale. I call this a miracle of God. God asked us to come to this world so that we can witness such achievements.

【169卷】

黑洞内外

Inside and Outside the Black Hole

《宇宙朝圣》第九卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Nine

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第169卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 169

内容提要

“暗能量掌握了宇宙的终极命运”——这也许不是一个疑问，而是一个答案。因为“看不见摸不到的暗能量”，似乎更能接近圣经所说的“有眼却不能看，有耳却不能听”的上帝真理。于是在我看来，并非看不见摸不到的暗能量掌握了宇宙的终极命运，而是看不见摸不到的暗能量更加接近掌握了宇宙的终极命运的上帝旨意。

Synopsis

"Dark energy has mastered the ultimate destiny of the universe"-this may not be a question, but an answer. Because "the dark energy that cannot be seen or touched" seems to be closer to God's truth that the Bible says that "have eyes but cannot see, and ears but cannot hear". So in my opinion, it is not the invisible dark energy that controls the ultimate destiny of the universe, but the invisible dark energy is closer to the will of God that controls the ultimate destiny of the universe.

【170卷】

新的地心说出现了

A New Geocentric Theory Appears

《宇宙朝圣》第十卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Ten

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第170卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 170

内容提要

新的地心说出现了——地球是宇宙观测的中心。对于人类来说，事情只能如此。因为人类不可能到太阳上观测宇宙，也不可能前往银河中心进行活动，所以，日心说和银心说，都是臆测甚至是妄想。宇宙或许没有中心，但地球显然是宇宙观测的中心。

Synopsis

A new geocentric theory appeared-the earth is the center of cosmic observation. For humans, things can only be so. Because it is impossible for human beings to observe the universe from the sun, nor to go to the center of the galaxy to carry out activities, the heliocentric theory and the galactic center theory are all speculations or even delusions. The universe may not have a center, but the earth is clearly the center of cosmic observation. 

（另起一页）

书名

新的地心说出现了

A New Geocentric Theory Appears

《宇宙朝圣》第十卷

"Cosmic Pilgrimage" Volume Ten

作者

谢选骏

Xie Xuanjun

出版发行者

Lulu Press, Inc.

地址3101 Hillsborough St.Raleigh, NC 27607—5436 USA

免费电话1—888—265—2129

国际统一书号ISBN:

定价US$最低

2021年7月第一版

July 2021 First Edition

谢选骏全集第170卷

Complete Works of Xie Xuanjun Volume 170