霍金:下一個千年的科學

下一個千年的科學

〔英〕斯蒂芬·霍金
　

　　我今晚所要講的主題，是未來一千年中的科學。每天晚上，在像《星際旅行》
這樣的科學幻想電視係列節目中，都播映關於未來的科學的通俗影片。他們甚至
說服我也來參加，但這似乎並不很困難。

　　〔放映《星際旅行》的剪輯〕

　　由於身處“緊急戒備”狀態，我從來沒有去取我的獎金。我曾與派拉蒙製片
廠聯係，但他們不知道兌換率。

　　《星際旅行》這部片子演得很有趣，但我播放它卻是為了一個嚴肅的目的。
從Ｈ.Ｇ.威爾斯開始，我們所看到的幾乎所有關於未來的想象，在本質上都是靜
態的。它們所表現的社會，大多在科學、技術和政治體製方麵都遠比我們的社會
要先進。（這最後一點也許並不那麽困難。）在現在和未來之間，必定會有巨大
的變革，並伴隨著局勢的緊張和混亂。但在此之前，我們所看到的未來的科學、
技術和社會組織，都被假定是達到了接近完美的程度。

　　我要對此圖景表示懷疑，並就我們是否將達到科學和技術的一種最終的穩態
提出疑問。在自從最後一次冰川期以來一萬年左右的時間中，人類從來就不曾處
於一種知識永恒、技術不變的狀態。曾經有過不多幾次的倒退，例如像在羅馬帝
國崩潰後的黑暗時期，但是，除了像黑死病之類少數幾次暫時的下降之外，作為
維持生命和養育自己的技術能力之衡量的世界人口，卻在穩定地增長。在過去２
００年中，這種增長呈指數型，也就是說，人口每年以相同的百分比增長。目前，
一年的增長率大約是１.９％。１.９％可能聽上去不是很大，但它意味著世界人
口每４０年就要翻一番。作為近來技術發展的另一衡量是電力的消費，或科學論
文的篇數。它們也表現出每４０年翻一番或稍少些的指數增長。實際上，我們現
在具有的期望如此之高，以至於一些人覺得受到了政治家和科學家的欺騙，因為
我們還沒有實現關於未來的烏托邦式的幻想。例如，在影片《２００１年》中，
就向我們展示了月球上的基地，以及發射一艘前往木星的載人——也許我應該說
是個人的——飛行器的情形。不論誰當選，我都無法想象我們在未來３年中能做
到這一點。

　　沒有什麽跡象表明在不遠的將來科學和技術的發展將變緩和停止。顯然，到
隻有３００光年之遙的星際旅行的時代不會如此。但在下一個一千年中，目前的
指數增長也不會繼續下去。到２６００年，世界上的人們將摩肩接踵，電力的消
費將使地球燒得通紅。如果你把新出版的書籍一本接一本地排列起來，你得以每
小時９０英裏的速度移動才能跟上隊尾。當然，到２６００年，新的論文和科學
著作將不是以實物的書籍和論文而是以電子的形式出現。然而，如果指數的增長
繼續下去，在像我所在的這種理論物理學領域，每秒鍾將有１０篇論文問世，而
人們則沒有時間去讀它們。

　　顯然，目前的指數增長不可能無限地繼續下去。那麽，將會出現什麽樣的情
形呢？一種可能性就是，由於某種像核戰爭這樣的災難，我們將自己徹底消滅。
有一個令人不快的笑話，說我們之所以沒有與外星人接觸，原因在於當一個文明
達到了我們的發展階段時，它就會變得不穩定並摧毀自身。當然，就像許多人相
信的那樣，或許在ＵＦＯ上真的有外星人，而政府卻掩蓋此事。我還是不做評論
為好。

　　就個人來說，關於為什麽我們沒有與外星人接觸，我相信有一種不同的解釋，
但我不想在這裏談它。不過，就算不考慮這個問題，仍然存在我們將毀滅這個星
球上的一切的非常真實的危險，我們擁有做到這一點的技術力量。即使我們沒有
徹底摧毀自己，卻仍有這樣一種可能性，即我們可能淪落到一種野蠻的狀態，像
在《終結者》一開始的場景中那樣喪失人性。

　　但我是一個樂觀主義者。我認為，我們有充分的機會來避免世界末日的善惡
大決戰和新的黑暗時期。

　　那麽，我們在下一個一千年中將如何發展科學和技術呢？這是一個很難回答
的問題。請允許我冒險地提出我對未來的預測。對於下一個１００年，我將有一
些機會是正確的，而關於下一個一千年的其餘部分，就將是異想天開的遐想了。

　　大約與歐洲人移民北美同時，我們對科學的現代理解也開始了。１６８７年，
在劍橋的第二任盧卡遜教授艾薩克·牛頓發表了他關於引力的理論；１８６４年，
另一位劍橋的紳士克拉克·麥克斯韋發現了支配電和磁的方程。到１９世紀末，
利用我們現在所謂的經典定律，似乎我們就要達到對宇宙完備的認識了。這樣的
看法與常識性的觀念相一致，即諸如像位置、速度和旋轉速率這樣的物理量應該
是定義明確且連續可變的，但常識隻不過是我們所具有的偏見的別名而已。常識
可能會使我們預期像能量這樣的量是連續的。但是，自從２０世紀初，觀察開始
表明，能量是以被稱為量子的能包存在的。看來，自然是顆粒性的，而不是連續
的。

　　在２０世紀初期，人們係統地提出了一種被稱為量子力學的新理論。量子理
論是一種關於實在的完全不同的圖像，因而雖然它應該使所有的人都關注，卻在
物理學和化學界以外幾乎不為人所知，甚至在物理學和化學界的許多人也沒有恰
當地理解它。然而，如果基礎科學像我所希望的那樣成為一般知識的一部分的話，
那麽，目前作為量子理論悖論而出現的東西，對於我們孩子們的孩子們來說，就
將隻不過是常識而已。

　　在量子理論中，事物並不像我們今天的常識所表明的那樣，具有單一明確的
曆史。與此相反，事物具有所有可能的曆史，各自有其幾率。肯定有這樣一種曆
史，在其中芝加哥俱樂部隊贏得了世界係列賽，盡管這樣的概率很小。不過，對
於像棒球賽這樣大尺度的係統來說，概率通常圍繞著一種單一的曆史達到峰值，
從而不確定性很小。但當人們進入單個粒子的小尺度範圍時，不確定性就變得非
常之大了。例如，如果人們知道一個粒子在某一特定時刻處於Ａ點，那麽，在更
大的時間範圍，這個粒子可以處在任意的地方，因為它可以具有任意的路徑或曆
史。為了要計算它處在Ｂ點的概率，人們必須把它從Ａ到Ｂ走過的所有路徑或曆
史的概率相加。這種對所有可能的曆史求和的觀點，要歸功於美國物理學家、昔
日的邦戈鼓演奏者理查德·費曼。

　　粒子可能的曆史，必須包括以超光速運行的路徑，甚至包括在時間中倒退的
路徑。在任何人匆匆跑去為時間機器申請專利之前，請允許我說，至少在通常的
情況下，人們不可能把這種方法用於時間旅行。然而，在時間中倒退的路徑並非
隻像在“針尖上跳舞的天使”，它們具有實在的可觀察後果。甚至我們認為是空
無一物的空間，也充滿了在空間和時間中以封閉圈運動的粒子。這就是說，它們
於圈的一側在時間中向前運動，而於圈的另一側在時間中向後運動。這些封閉圈
被說成是虛粒子，因為不可能用一個粒子探測器直接地測量它們。但是，可以間
接地測量它們的效應。一種辦法是用兩張緊靠在一起的金屬板。金屬板的作用，
是要在兩板之間的區域裏，相對於外部封閉圈的數目，稍許把封閉圈的數目減少
一些。這樣，相對於打在內側的封閉圈，將有更多的封閉圈打在金屬板的外側並
反彈。由此，人們預期將存在一個很小的力，把金屬板向一塊推。這種力由土耳
其物理學家亨德裏克·卡西米爾最先預言，它已經在實驗中被觀察到。因此，我
們可以肯定封閉的粒子圈真實地存在。

　　棘手的問題是，由於在空間和時間中有無限數目的點，所以存在有無限數目
可能的粒子的封閉圈。在對兩板之間的力的計算中，這種無限的數目並不要緊，
因為在兩板之間和兩板之外它們的數目都是無限的。有一種明確規定的方法，人
們可以利用它將一個無限大從另一個無限大中減去，並得到一個有限的答案。這
有點像美國的預算。政府的稅收和開支都是非常大的款項，差不多就是無限。但
如果一個人很細心的話，他就可以從一項中減去另一項，並算出一小筆盈餘，至
少在下一次大選之前是這樣。

　　不過，封閉圈的無限數目帶來麻煩，是在人們試圖把量子理論與愛因斯坦的
廣義相對論結合起來的時候。這是２０世紀上半葉另一場偉大的科學革命。這就
是說，常識曾告訴我們大地是扁平的，但空間和時間並不像這般平直。相反，它
們因處在其中的物質和能量而被彎曲和變形。無限數目的粒子的封閉圈將具有無
限的能量，並把空間和時間卷曲到一個奇點。

　　為了處理這種無限的能量，需要某種真正有創造性的計算方法。關鍵的概念
是自然界中一種新的平衡或者說對稱，它被稱為超對稱，在１９７１年由戈爾凡
和萊特曼這兩位俄國人最先提出。這種觀點就是，除了我們所熟悉的空間和時間
的普通維度之外，還有用所謂的格拉斯曼數來度量的額外維度。當然，多年來科
幻小說一直告訴我們說存在有額外維度。但即使科幻小說也沒有想到過任何像格
拉斯曼維度這樣奇異的（ｏｄｄ，奇性的）東西。在這裏，“ｏｄｄ”（奇異的，
奇性的）一詞除了奇異的這種通常含義之外，還有技術性的用法。普通的數被說
成是偶性的，因為它們與人們將其相乘的順序無關。４乘６等於６乘４。但格拉
斯曼數在這樣一種意義上是奇性的：Ｘ乘Ｙ等於負的Ｙ乘Ｘ。

　　這些額外奇性的維度的存在說明，所有種類的粒子都有相應超伴的類。超伴
種類的粒子也將具有封閉的粒子圈，但超伴粒子的能量將有與那些原來種類粒子
的能量相反的符號。這樣一來，無限的能量就常常會相互抵消。不過正像總統所
了解的那樣，平衡預算是一件需要非常精心處理的事務。即使人們消除了主要的
赤字，較小的赤字也總是煩人地出現。在過去２０年中，理論物理學中很大一部
分工作，就是尋找一種在其中徹底消除無限的理論。隻有這樣，我們才能把量子
理論與愛因斯坦的廣義相對論統一起來，並得到一個關於宇宙的基本規律的完備
理論。

　　有希望出現的情況是，在下一個一千年中，我們將發現這種完備的理論。我
想說這種理論會是十分出色的，但這是因為我是一個樂觀主義者。在１９８０年
我就說過，我認為在隨後的２０年中，我們發現一種完備的統一理論的機會是一
半對一半。在從那時起的這段時間中，我們有了一些重要的進展，但最終的理論
似乎還是那麽遙遠。難道物理學的聖杯將總是讓我們可望不可及嗎？我想不是這
樣。２０世紀初期，我們認識了自然界在經典物理學尺度上的運作機製，經典物
理學在小到百分之一毫米的範圍是正確的。在本世紀的前３０年，關於原子物理
學的研究使我們認識了小到百萬分之一毫米的尺度。從那時起，對原子核和高能
物理學的研究將我們帶向的尺度要比原來尺度的十億分之一還小。看來似乎我們
可以永遠不斷地發現在越來越小尺度上的結構。然而，對於這個係列，存在有一
個極限，就像在一個套一個的俄羅斯玩偶的係列中有一個終點一樣。最終，人們
會發現一個不可再拆卸的最小的玩偶。在物理學中，最小的玩偶被稱為普朗克長
度，它是把一毫米分成１０億億億億份。我們不會建造用來探索這樣小距離的粒
子加速器。這樣的加速器肯定比太陽係還要大，而且在目前的財政狀況下不大可
能被批準。然而，我們的理論的一些推論可以用遠為更適度的機器來檢驗。顯然，
這些推論中最重要的是超對稱。對於大多數將愛因斯坦的廣義相對論與量子理論
統一起來努力，超對稱是基礎。它將通過對我們已知粒子的超伴的發現而得到證
實。在德克薩斯曾建造超導超級對撞機，此機器將達到人們對超伴所預期的能量。
然而，美國經曆了突然沒有錢的感覺，中途取消了這一計劃。雖然是冒著帶來尷
尬的風險，但我不得不說，我認為這是一個非常短視的決策，並希望美國以及其
它國家的政府在下一個一千年中能做得更好些。

　　我預期，超對稱最終將由在日內瓦的歐洲核子研究中心的實驗所證實。但是，
在實驗室中對小到普朗克長度的範圍進行探索是不可能的。我們可以通過研究大
爆炸，來獲得比在地球上可以達到的更高能量和更小尺度的觀察證據。然而，在
更大的程度上，我們不得不依賴於數學的美和一致性來發現關於萬物的最終理論。
無論如何，我確信，到２１世紀末，也許可能更早些，我們就將發現這種理論。
我願以一半對一半的賠率打賭，認為這種理論將在從現在開始的２０年內出現。

　　《星際旅行》對於未來的想象是，我們達到一種先進但在本質上靜態的水準，
就我們關於支配宇宙的基本規律的知識來說，這倒可能成為現實。但在我們對這
些定律的利用方麵，我並不認為我們將達到一種穩態。最終的理論將不會給我們
能夠製造的複雜係統帶來限製，我認為，在下一個一千年中最重要的發展就在這
種複雜性中。

　　顯然，我們所擁有的最複雜的係統就是我們自己的身體。生命似乎是起源於
４０億年前覆蓋地球的原始海洋。我們不知道這是怎樣發生的。也許在原子之間
隨機的碰撞造成了可以複製自身並把自己裝配成更複雜結構的大分子。我們所知
道的是，到３５億年前時，高度複雜的分子ＤＮＡ出現了。ＤＮＡ是地球上所有
生命的基礎，它有一種雙螺旋的結構，就像一個螺旋形的樓梯。１９５３年弗蘭
西斯·克裏克和詹姆斯·華生在劍橋的開文迪許實驗室發現了這種結構。就像在
螺旋形樓梯中的踏板一樣，一些核酸對把雙螺旋的兩條鏈連結起來。存在有四種
核酸。我不想讀出它們的名字，因為我的語音合成器會把它們讀得一團糟。顯然
我的語音合成器不是為分子生物學家設計的。但我可以用它們的第一個字母Ｃ，
Ｇ，Ａ和Ｔ來指稱它們。不同的核酸沿螺旋樓梯的順序攜帶著遺傳信息，這種信
息使ＤＮＡ分子能在其周圍組裝有機體並拷貝自身。當ＤＮＡ拷貝自己時，在核
酸沿著螺旋的順序中會出現偶然的錯誤。在大多數情況下，拷貝中的錯誤會使Ｄ
ＮＡ不能複製自身。這種遺傳的錯誤，或者說即所謂的突變，將會逐漸消失。但
在少數情況下，這種錯誤或突變將增加ＤＮＡ幸存下來並複製自身的機會。這種
對突變的自然選擇最先在１８５７年由另一位劍橋的人士查爾斯·達爾文提出，
盡管他當時並不知道其機製。這樣，在核酸序列中信息的內容將逐漸演變並增加
複雜性。

　　由於生物的進化基本上是在所有遺傳可能性的空間中的一種隨機遊動，所以
進化是非常緩慢的。複雜性，或者說在ＤＮＡ中被編碼的信息片段的數目，大體
上是由分子中核酸的數目所決定的。每個信息片段都可以被看作是對一個是非問
題的答案。在前２０億年左右的時間中，複雜性的增長率必定具有每百年一個信
息片段的數量級。在隨後的幾百萬年中，ＤＮＡ複雜性的增長率逐漸上升到大約
每年一個信息片段。但是，現在我們處於一個新時代的開端，在這個新時代，我
們將能夠增加我們ＤＮＡ的複雜性而不必等待緩慢的生物進化過程。過去一萬年
裏，在人類ＤＮＡ中沒有什麽重大的變化。不過，在今後１００年中，很可能我
們將能夠徹底地重新設計人類的ＤＮＡ。當然，許多人會說，用於人類的遺傳工
程應該被禁止。但我卻懷疑他們是否能夠阻止這種遺傳工程。出於經濟的原因，
用於植物和動物的遺傳工程會得到允許，一些人必定會嚐試將其用於人類。除非
我們有一種集權的世界秩序，否則在某些地方一些人就會計劃改良人類。

　　顯然，就未被改良的人類來說，發展改良了的人類將帶來巨大的社會和政治
問題。我並非在鼓吹人類基因工程是一件好事。我隻是說，不論我們願意與否，
它很可能在下一個一千年中出現。這就是為什麽我不相信像《星際旅行》這樣的
科學幻想的原因，因為在那裏，未來４００年的人類在本質上還是一樣的。我認
為人類，以及人類的ＤＮＡ，將很快地增加其複雜性。

　　在某種程度上講，如果人類要應付周圍日益複雜的世界，並迎接像太空旅行
這樣的新挑戰，就需要改進其精神和肉體的品質。如果生物係統要領先於電子係
統，它也需要增加其複雜性。目前，計算機具有速度的優勢，但它們沒有表現出
智能的跡象。這並不令人驚訝，因為我們目前的計算機的複雜性還不如蚯蚓的大
腦，而蚯蚓這個物種並不因其智力而知名。但計算機遵循由英特爾公司的戈登·
莫爾提出的莫爾定律。這個定律說，計算機的速度和複雜性每１８個月翻一番。
這是那些顯然不會無限繼續下去的指數增長中的一種。不過，它可能會繼續到計
算機具有類似於人腦的複雜性的時候。有些人說，計算機不管可能會是什麽樣子，
都永遠不會表現出真正的智能。但在我看來，如果非常複雜的化學分子可以在人
類的身上活動並使人類變得有智能，那麽，同樣複雜的電子線路也可能會使計算
機以一種有智能的方式來行事。

　　這就是為什麽我不相信關於一個先進但卻恒定的未來的科幻影片的原因。相
反，我預期，不論在生物領域還是在電子領域，複雜性都迅速地增加。這裏所講
的大部分情形在今後１００年中都不會出現，而這就是我們可以有把握地預言的
全部。但到下一個一千年的終了時，如果我們能到達的話，變革就將是根本性的
了。

　　無論如何，我認為目前的世界秩序擁有一個未來，但那將是非常不同的未來。

　　總統先生，第一夫人，這就是我對下一個一千年中的科學的看法。

　　（摘自《美國白宮千年晚會演講選集》，吉林人民出版社２０００年１月版）

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