1702203073 我：空间和时间与宇宙的起源有着密切的关联。按照宇宙起源的大爆炸理论，宇宙是在大约137亿年从一个密度无穷大的奇点爆发开始形成，这个奇点的空间尺度为零，同时又是时间的起点。大爆炸之后一段极短的时间里，由于能量密度极高，物质间的引力非但不是吸引的，反而是排斥的，宇宙因而会经历一个极速膨胀的短暂过程。此后再进入比较缓慢的膨胀，达到今天的状态。最近有几个澳大利亚物理学家又提出了一种新的大爆炸理论，认为宇宙一开始本来是十维或十一维的，但在大爆炸开始后只有我们所处的三维空间得到了膨胀，其他维的空间则没有，因而也就不可能观测到。这样既解释了为什么我们的空间是三维的，又兼顾了超弦理论对高维空间的需求。

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1702203075 老汤：这个宇宙开始的奇点是客观存在的实体？还是像老子的“道”那样，是不存在而有？抑或就是纯粹的“无”？《易经》云：“易有太极，是生两仪。两仪生四象，四象生八卦。”两仪既是天地，也可以说是宇宙。易经的太极是生成宇宙的本源，和你们说的奇点有相似之处。《老子》中则有“天下万物生于有，有生于无”。这里的“无”是不是也有点像大爆炸理论中的那个奇点？如果宇宙真是从一个奇点爆炸出来的，就意味着时间有起点，那么这个起点之前是什么？这个问题在物理学的范畴内也许不可问，但在哲学上却是个无法回避的问题。

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1702203077 小汤：莱布尼茨几百年前就问过一个与此相关的问题：“宇宙为什么在它开始的时间开始，而不是在十分钟之后？”他由此得出的结论好像是不可能有绝对的时间。没有绝对的时间，当然也谈不上时间的起点。莱布尼茨甚至认为时间并不是真实存在的，真正有意义的是事件的顺序。

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1702203079 我：莱布尼茨的想法在一定程度上倒是和相对论相一致。爱因斯坦提出过一个非常重要的概念—同时性的相对性：在一个参照系中的两个不同地点同时发生的两个事件，在与这个参照系具有相对运动的观测者看来，是发生在不同时间的。也就是说具有相对运动的不同参照系，是不可能定义出“同时”的。不过因果关系却是绝对的，对任何参照系，因、果都不会被颠倒过来。这等于是说事件的顺序是有绝对意义的。至于时间的起点，这应该算是物理学里一个悬而未决的问题。有一种循环宇宙模型，宇宙由大爆炸开始，经过膨胀、收缩，最后又回到一个点，然后开始新的大爆炸，产生下一个宇宙。循环往复、无头无尾。我们所处的宇宙只不过是这无穷无尽过程中的一小段。这个理论似乎可以避免时间起点的麻烦。

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1702203081 小汤：在这个模型里，空间从无到有、从小到大，再收缩到零，然后开始下一轮的大爆炸。时间却不一样，虽然可以把每次大爆炸的开始规定为那次大爆炸所形成的宇宙的时间起点，但宇宙形成、消失、再形成……是有顺序的，因而存在凌驾于宇宙之上的时间。可是宇宙本身就是空间和时间再加上物质与能量，好像又不应该有宇宙之外的时间。

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1702203083 我：这的确是个问题。到目前为止，物理上并没有一个真正令人满意的理论。大爆炸理论尽管被普遍接受为解释我们这个宇宙生成的合理理论，但关于宇宙是否唯一、宇宙生成之前是怎么回事以及宇宙的归宿等等问题，却有五花八门的理论。塔夫茨大学宇宙学研究所所长维兰金（Vilenkin）花了三十多年时间钻研宇宙起源的问题，他自认为已经找到了答案。按照维兰金的理论，我们的宇宙只是众多宇宙中的一个，而且由于存在所谓的“量子涨落”，在空间膨胀的过程中，新的宇宙还会不断产生。对每个宇宙来说，都有各自开始的时间。

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1702203085 小汤：“量子涨落”必须在某个时间发生在某个空间点上，也就是说，必须先有宇宙，才能发生“量子涨落”。这不成了鸡生蛋还是蛋生鸡的问题了吗？维兰金的理论一定会导致存在第一个宇宙，这个宇宙的开始，也就是凌驾于之后产生的各个宇宙的时间之上的“超级时间”的起点。

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1702203087 我：你说的也许没错，按照维兰金的理论，时间确实有起点，而无终点。

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1702203089 老汤：你们讨论的这些理论很难说能不能算是科学理论。科学是需要实证的，而这些理论听起来都是无法验证的。它们充其量只是可以自圆其说的理论，离哲学比较近，离科学反而比较远。另外，还有些更本质的问题是这些理论本身无法回答的。比如对于维兰金的理论，我们可以问，那些宇宙是否各自遵从相同的物理规律？如果是，这些放之四海而皆准的规律又从何而来？如果不是，这些宇宙又怎么会从同一种“量子涨落”的物理机制中产生出来？庄子在《人间世》里说：“吾生也有涯，而知也无涯，以有涯随无涯殆已。”我们的生命有限，能了解我们所处的宇宙已经很不容易了，很难想象由这个宇宙中得到的知识可以应用到其他宇宙中去。

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1702203091 我：这些问题恐怕确实不是物理学所能回答的。一些当代哲学家也曾探讨过类似的问题，美国哈佛大学的诺齐克（Nozick）是其中名气很大的一个。不过他们的结论也不能让人十分信服，还是属于那种信不信由你的东西。

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1702203093 老汤：我想物理学家最好学些哲学，哲学家也最好学些物理，这样大家想问题时的思路会更开阔，有助于对空间、时间和宇宙起源这类大课题的思考。

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1702203095 对话之五：真有外星人？

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1702203097 老汤：你们读没读过《山海经》？这部先秦时期的著作十分奇特，里面记录了许多山川、河流、奇花异木，更有各种千奇百怪的飞禽走兽，甚至还有鬼、神。今天看来，书中大部分内容应该算是想象虚构，但也不乏一些似有非有的东西，有些还是确有其物。要说这些记载完全是杜撰出来的，似乎也不大通，因为里面的描写实在太过具体了，想象力也有点超乎寻常的丰富。很难想象什么人会花费如此大的精力写出这么一部书，其目的只是为了糊弄人。所以《山海经》就成了一个很难解开的谜。

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1702203099 我：很多年前我倒是看过《山海经》，印象里似乎全是些无稽之谈。后来还曾听说有人认为它里面的某些记载也许和外星人有关。不过我觉得四川三星堆的那些眼睛突出来的铜面具倒更像是源于外星人。

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1702203101 小汤：好几年前三星堆文物在纽约大都会博物馆展出过，我也觉得有些面具看上去像外星人，起码不像普通的地球人。在欧洲、南美洲等地的一些岩洞里，有些古老的壁画也十分奇特，尤其在意大利发现的一幅一万多年前的洞穴绘画更是让人费解。在印度最近又发现一幅万年前的壁画，上面画的也是疑似外星人的图像。不过所有这些都没有完全脱离“人”型，因此多半还是来自于人的想象。其实外星人是什么样我们谁都不知道，甚至究竟是否可能存在外星人也完全是一个未知数。

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1702203103 老汤：远古巫文化里的“降神”也许也可以理解为有神从天而降，这些神会不会是来自外太空的外星人？我认为可能性恐怕也很低。古人把想象中的具有超人力的神说成是来自天上，这大概是由于当时的人认为登天是最难的，而并非是他们真的遇见过从天而降的外星人。另外，从更广泛的意义上讲，生命的形态也并非必须限定于我们存在的这一种。也许某种“东西”就“生活”于我们无法认知的形态之中，在一般情况下，信息是无法在不同形态的“东西”间相互传递的，因而也就不可能交流。当然也不能完全排除在极偶然的机会下发生某种跨接（crossover）的可能性，没准这就是鬼神之说的由来。这些说法基本上属于不可知的范畴，所以对于它们，我想只好像孔子说的那样“存而不论”了。

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1702203105 小汤：你刚刚说的已经超出了科学所能涵盖的范围。科学上感兴趣的，是和我们具有同样或相近生命形态的地球外生物。近年来，随着大量的太阳系外行星被发现，人们对是否存在地球外生命这类问题的关注程度也越来越高，应运而生的天体生物学就是对地球外生命进行综合研究的一个新学科。当然，人们最感兴趣的，还是地球外的高智商生物—外星人。我们已经可以确定，在太阳系里，除地球之外的其他行星上是没有高智商生物的。所以寻找外星人的希望只能寄托于外太空。第一步是要找到外太空存在生命的迹象。

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1702203107 我：要想研究外太空生命，首先需要能够观测到外太空的行星（简称为系外行星），因为只有行星才有可能具备产生生命的条件。倒退几十年，观测系外行星几乎是一件不可能的事。这主要有两个原因，一是因为行星本身不会发光。我们能看到太阳系中的一些行星，靠的是它们对阳光的反射。恒星比围绕它运行的行星不知要亮多少倍，因而从远处无法“看见”行星；二是太阳系外的恒星离地球非常遥远，从地球到任何其他恒星的距离都大大超过恒星/行星系统中行星与恒星之间的距离，再加上恒星比行星又大得多，所以很难将行星分辨出来。第一次发现系外行星，是在1995年。到目前为止，几乎所有系外行星的发现都是靠间接的方法。一种办法是仔细观察恒星表面亮度的变化。如果有行星围着某颗恒星转，而且其轨道正好处于地球和该恒星之间，当它运行到地球和恒星之间时，恒星发出的光就会被遮住一点点，从而导致亮度的微小变化。不过这种方法受到很多因素的制约，找到行星的机会很有限。最终使这方面的研究向前跃进了一大步的，是发现可以利用多普勒效应来探测系外行星。

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1702203109 小汤：爷爷大概不知道多普勒效应是什么。你说的多普勒效应与中学物理课里讲的声音的多普勒效应该差不多是一回事吧？声音的多普勒效应随处可见，比如有一列鸣着汽笛的火车由远而近从面前驶过，当火车朝向你开来时，汽笛声听起来比较尖厉；而当火车远离时，汽笛声听起来则比较低沉。这种现象是由于相对运动会使被听到的声波的频率发生变化。

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1702203111 我：基本上是同一个原理。只不过天文观测中的多普勒效应是基于光波而非声波。对一个观测者来说，相对运动中的物体所发出的光的频率也会发生变化。所以当一颗恒星朝向或背离地球运动时，我们观测到的恒星的光谱是会有微小变化的。如果有行星围绕某恒星运动，恒星受行星的“牵引”会发生一定的位移，地球上的观测者看来，该恒星就会具有朝向或背离地球的相对运动，这就会导致它的光谱的一点微小变化。通过对这种微小变化的分析，天文学家可以推算出“牵引”恒星的行星的一些性质，比如该行星的质量、与恒星的距离。再利用计算机模拟对所有能掌握的数据进行综合处理，我们就可以对该行星的情况有个大致的了解。

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1702203113 小汤：大概是一年多前吧，我在英国统计学会和美国统计协会共同编的杂志Significance上读过一篇文章，从统计学的角度对近年来发现的系外行星进行了分类和汇总。文章写成的时候，观测到的系外行星有将近1000颗（注：这个数字增加很快，早已远远超过1000了），其中绝大部分都比地球大很多，只有两颗和地球差不多大。这些数据表面上似乎显示宇宙中大个儿的行星比小个儿的要多得多，其实不是那么回事，这只不过是由于大个儿的行星更容易被发现。用统计学对数据进行解释时必须非常小心，如果不对数据的来龙去脉做认真的分析，有时候会得出大错特错的结论。

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1702203115 我：真正奇怪的是，这些观测到的系外行星中有相当一部分离恒星非常近，而且又大又热。这与我们太阳系的情况几乎正好相反，也与通常的行星形成理论背道而驰。到目前为止，天文学家们还不能就此给出一个令人信服的解释。

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1702203117 老汤：我倒觉得这并不奇怪。宇宙之大，本应包罗万象，存在各式各样的恒星—行星系统不足为奇。如果所有的系统都类似于太阳系，或者都能用同一个理论来解释，那反倒是件怪事了。

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1702203119 我：不管怎么说，人们最感兴趣的系外行星还是类似于地球的、可能存在生命的行星—也就是所谓的可居住行星，这与行星的大小、年龄、密度、成分、大气压力和环绕恒星运动的轨道等等因素密切相关。地球相似指数就是用来衡量一颗行星与地球相似程度的量：0是与地球完全不同，1是与地球完全一样。火星的地球相似指数是0.64。排在前十名的已观测到的系外行星的地球相似指数则处于0.5到0.84之间。以现有的数据为基础，天文学家推算出仅在银河系里就可能有多于100亿颗类似于地球的行星（注：这里是指与地球大小相似的行星，而非可支持生命的行星）！

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1702203121 小汤：在外太空找到能支持生物生存的行星与找到外太空生物是两码事。即使有合适的环境，出现生物的概率仍然极其微小，更不要说高智商动物或者外星人了。其实我们连地球上的生物是怎样产生的也没有定论。很多年前科学家们就试图用人工的方法来合成生命的基石—氨基酸。因为要想知道生物从何而来，就必须知道DNA和蛋白质是如何产生的，而氨基酸正是构成DNA和蛋白质的基本单元。有一个与此有关的著名故事就发生在我读过书的芝加哥大学。1952年，当时还是研究生的斯坦利·米勒和他的老师、诺贝尔化学奖得主哈罗德·尤里一起做了一项模拟早期地球环境的实验，他们以当时地球大气中可能存在的一些物质为原料，成功地合成了氨基酸。不过在很长一段时间里，米勒-尤里实验并没有引起科学界足够的重视。原因是人们认为他们采用的人造闪电的条件只有在实验室里才能实现，自然界里是不可能有的。而且地球早期的大气里二氧化碳和氮气的含量极高，氨基酸即便产生也不能存留下去。所以尽管米勒-尤里实验合成了氨基酸，也不能说明产生生命的氨基酸就是这么来的。戏剧性的事情发生在五十多年之后。曾经是米勒的学生和合作者的杰弗里·巴达在整理米勒遗物的时候，发现一个雪茄盒，里面竟是一些米勒当年合成的氨基酸样本。令人出乎意料的是，在用现代化的仪器对样本进行分析时，发现里面有多达22种氨基酸，远远超出米勒所曾公布的种类。这一下重新燃起科学界对米勒-尤里实验的兴趣。人们惊讶地发现米勒还“秘密”进行过一项类似的实验，模拟的是火山口的环境。在火山爆发的时候，经常会伴随着强烈且频繁的闪电，并产生大量的水蒸气，高强度的闪电是合成氨基酸的条件，而水蒸气则使氨基酸在高二氧化碳和高氮的环境中仍能存在下去。突然间，人们认识到火山口也许就是生命的发源地！这当然还需要得到观测上的进一步证实。不过即使将来真的在火山爆发时发现有氨基酸形成，也只能说在自然界中具备可以形成生命的必要条件。这仅仅是解开生命起源之谜的第一步，从氨基酸到蛋白质和DNA才是更关键的一步。可惜用人工的方法从氨基酸合成蛋白质或DNA的实验到目前为止均告失败。另外，由于外太空生物生命的形态并不一定是像我们这样的碳基生物，所以不管我们在“创造”生命方面的实验最终成功与否，都既不能证实也不能否定外太空生物的存在。

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