神奇的宇宙

周方黎

天穹日月交輝，銀河高懸；地上山川形勝，香花異草，飛禽走獸，爭奇鬥艷；最奇妙的是，世上還有得天獨厚的人類。萬物之中唯獨人有超群的理性，能夠思考存在的意義和來源，這是人生命的特徵。

古代的人類，僅從宇宙的宏偉、天地給人類供養之慷慨，以及自然界力量的可畏，對造物主懷著崇敬和感謝之情。人類對造物主這種感性認識開始得很早，當時人類對自然的認識還極其膚淺，這種感情也是樸素的。古人僅依靠生活經驗，在漫長的歲月中艱難地積累了關於客觀世界的簡陋知識。

隨著時間前進，人類知識不斷發展，漸漸形成可實驗並以邏輯推理來認識自然規律的科學方法，這是人類文化史中的一個飛躍。科學在不斷發現問題和解決問題中前進；然而，所謂解決問題，實際上是發現原有的知識不足；但新的解答同時也帶來更多、更難的問題。在人類知識的前進中，自然卻以更大的速度向後退卻。這說明自然界的知識是無止境的，認識的序列是發散的，不是收斂的。一個科學規律只在某一特定條件下成立，一旦超出這個條件，規律就不適用。從這個意義上講，一切科學規律都是在一定條件限制下的相對真理，是暫時的。在任何時候，自然界總是存在更多沒有解決的問題，有待人類去認識。「因果關係」是人類的一個基本信念，這個信念激勵著人們去求索自然規律，也是科學活動的根據。

科學的進展，使人類越來越清楚地看到大自然的無限奇妙。宇宙間事物的運動所牽涉的能量，難以想像的巨大；然而科學規律卻又是如此簡練，在嚴格中包涵著無窮的睿智。人們面對壯麗而又神奇的宇宙，充滿由衷的讚美和欽敬。不禁使人想到愛因斯坦的話：「自然界最不可理解的就是它竟然是可以理解的。」自古以來，很多傑出科學家在重大發現之後，第一個感覺就是讚嘆造物主的大智大能，並看到自己的渺小。牛頓發現引力定律和力學運動定律，從而解釋了行星的運動規律。他對自己的成功有清醒的認識，牛頓說：「我不知道世人怎樣評論我，但我自己知道，我僅像一個在海邊玩耍的小孩，陶醉在時而找到一塊更為光滑的卵石，或者一個更為美麗的貝殼的喜悅之中，然而浩瀚的海洋茫茫地鋪展在我面前。」

為了更具體地說明科學對人類知識的影響，也就是對人生觀和世界觀形成的影響，這裡我用物質科學中最基本的分科——物理學的成果作依據，討論以下問題。物理學討論物質的特性和運動最單純的形式，在物質科學中，這是最為簡單和明確的問題。物理學面對的經驗事實最豐富、最明確，因此探討最深入，論證的邏輯性最強，結論也最確定，可和經驗進行細緻的對照；所以從物理學的角度來分析問題，進行科學和知識關係的討論最為恰當。

一、奇妙的能源——太陽

習慣使人產生錯覺，即使是最大的奇蹟，見慣了也不過爾爾。地球得天獨厚的條件正是這樣被忽視。太陽中氫變成氦的原子核聚變反應，產生光和熱的輻射，供給地球無盡的能量。太陽中的聚變反應進行的快慢，恰好符合生命存在的要求。太快了，能量就過多；太慢了，能量又過少，都不適合生命的存在。

太陽是一座巨大的聚變反應爐。為了不使燃料散開，一切爐子都需要有爐壁，太陽是這聚變反應爐的爐壁，就是整個太陽巨大質量所產生的引力。這個無形的爐壁穩定而可靠，真是最最奇妙的設計。人類也夢寐以求地希望在地上能實現核聚變，以取得無盡的能量，可惜最大的困難在於無法找到一個可靠而穩定的聚變爐壁。

能源只是生命的必要條件，在宇宙中有無數像太陽這樣的能源，可是在那附近不一定有生命。對生命存在更重要、更細緻、更嚴格的要求，是在適當的恆星旁，有一顆具有很多極其優越的條件的行星，在太陽周圍迴轉的地球就是一個極為難得的例子。

二、地球的優越條件

地球擁有的優越條件實在太多，這裡僅舉幾個例子。地球和太陽的距離最為恰當；稍遠一些就太冷，稍近一些又太熱，都不適合動物的生存。地球的大小也適中：小一些就維持不了大氣圈；太大則大氣中的有害氣體將過多。地球自轉的速度正適宜人類生活。地球上的水就是最奇妙的物質：它有極多的、理想的物理和化學性質，它是動物血液的主要成分，在人的全身循環，傳送營養，帶出廢料，它的作用比機器上的傳動帶奇妙得多。地球還有以氧和氮的適當比例組成的大氣，供人維持生命。地球表面的大氣層，還擔當了保護地球免受宇宙塵埃撞擊的護衛任務，地下還貯藏著各種寶藏待人慢慢採掘享用。地球內部更儲蓄著大量熱能，有待人類去開發利用。地球有一顆美麗的衛星——月亮。月亮在推動潮汐方面起了很大作用，使得海洋不會變成一大潭死水，永遠保持清潔。月亮還給夜靜的人間充滿詩情畫意。

天文學研究，由於電子技術和望遠鏡的巨大進展，能觀察到更多、更詳細的星際情況，知道單就我們的銀河系中就有二千多億顆恆星，其中可能攜帶著行星系。值得注意的是，其中僅有太陽系中的行星的軌道是近乎圓形的橢圓；而其他恆星系中的行星的軌道都是扁長的橢圓形。只有在接近圓形的軌道上的行星和太陽的距離變化很小，因而一年四季的溫度起伏不大，適宜人的生存。其他恆星系中的行星系因距離的變化很大，溫度也隨之劇變，不適宜生命的存在。在茫茫宇宙之中，出現像地球這樣得天獨厚的行星是無可否認的奇蹟。

三、享受科學

人類知道科學知識可幫助挖掘和冶煉預置在地球中的寶藏；但更奇妙的是潛在的科學規律，有待人發揮他的智慧去理解。人類一旦掌握了這些規律，就可以利用它來創造許多奇妙的東西，例如從原子核的裂變，得到巨大的能量；認識和利用不同原子結構的不同能級的特點，分別造出半導體和激光來，半導體又是當代計算機的基礎。這不過是一些事例。

為何在原子結構中，恰好有這可作為半導體和計算機基礎的特殊性質的能級存在？為何有這麼大的能量貯藏在小小的原子核中？為何古老的牛頓力學還是現代航空、航天的基礎？如果沒有電磁波的存在，遠距離的瞬息通訊有可能嗎？沒有X射線和超聲波的存在，會有無損傷地窺測人體內臟的醫療器材嗎？這許多事實都是無因之果嗎？牛頓的話值得深思，他說：「毫無疑問，我們看到的這個世界，其中各種事物如此絢麗多彩，各種運動如此錯綜複雜，它不是別的，而只能是指導和主宰萬物的上帝的自由意志。」

科學的應用能夠在物質方面增加人的福祉，但科學的價值遠不止於這些。肉體的物質需要是一切動物所共有的；而唯獨人要追求智慧，想知道宇宙和人生的究竟。這些都屬最美好，最高貴的真理。如果人不盡量運用他獨特的天賦去追求、欣賞和享受這些高於物質的財富，豈不是廢棄自己最突出的才能，渾渾噩噩地虛度一生，辜負了上帝對我們的厚望嗎？

四、宇宙的形成

物理學的規律可以用來理解地上和天空中物質的各種機械式運動。到了二十世紀，物理學已進步到超越人眼所能觀察的物質，例如原子、電子、光學等的領域。由於觀察天象的望遠鏡和各類電子技術和航天技術的空前進展，擴大了人的視野，人類關於遙遠的太空中的天體現象的知識大為豐富起來，促使人想到宇宙的整體問題。二十世紀初，愛因斯坦的廣義相對論指出，宇宙結構有一個奇異的點，所謂「奇點」，奇點和宇宙的起始之點相當。在二十世紀四十年代，美國物理學家伽莫夫（George Gamow）和愛爾法（Ralph Alpher）根據地球上各種元素的比例仔細分析，提出宇宙從一個點的大爆炸開始，並據此作出了一些預言。其中之一是，目前地球上還殘留著宇宙大爆炸早期的輻射。當時物理學界並沒重視這個理論。

直到一九六五年，美國貝爾實驗室的工程師，彭齊亞斯（Arno Penzias）和威爾遜（Robert Wilson）的仔細微波噪聲實驗，證實了大爆炸理論。這以後大爆炸理論才被重視，宇宙學和天體物理學也成為物理學的一個熱點。迄今研究顯明，從大爆炸理論出發，應用現有的物理學知識，可簡單而清晰地說明宇宙演化的過程，並且和觀測所知事實符合得相當好。下文將簡明地介紹這個理論的一些要點。

最初宇宙，所有物質都集中在一個密度接近無窮大，而體積接近為零的一個點上，溫度極高。溫度越高，物質運動得越快，所以宇宙迅速地向外膨脹，同時漸漸冷卻。一九二九年哈勃觀察到來自星系的光波，比地球上相應的光波長。他從聲學原理思考，得到宇宙在膨脹的結論。宇宙之所以能不快不慢的方式穩定膨脹，是由於宇宙開始時膨脹的外衝力和物質的向內吸引力的奇妙配合。如果開始時膨脹過快，吸引力控制不住，宇宙就很快崩散；如吸引力太強，宇宙又會收縮，導致坍塌，星系和恆星便無法形成。現存的宇宙恰好在兩者之間的臨界狀態，全繫於爆炸的外衝力和向內吸力極其精確平衡（精確度偏差不能超過1/1016），所以能夠如此地穩定膨脹。

大爆炸之後的一秒鐘，溫度下降到大約為一百億度，這個溫度是太陽中心溫度的一千倍。那時宇宙中的主要成分是光子和電子等，物質和空間同時形成。隨著溫度下降，物質運動的速度減低，物質之間的極強大且僅在極近距離出現的相互作用漸與膨脹時的外衝力抗衡；於是較大的塊塊形成，出現質子、中子和氘核等。當宇宙冷卻到幾十億度時，出現了氦核。從大爆炸開始到這裡，只過了三分鐘，效率之高，難以想像。到了四千度時，正負電荷之間的吸引力開始生效，中性的原子出現了，最早是氦原子，以後是稍重的氧原子和碳原子，然後是更重的原子。這時宇宙的年齡大約是數千萬年。

宇宙開始時有微小的不均勻。在某些密度高的地方，引力更大，形成像我們銀河那樣的星系。星系由極多的恆星所組成，大的有幾億顆恆星。更多較重的原子被拋出恆星之外，成為行星。恆星和行星形成恆星系，太陽系是其中之一。太陽中最輕的氫聚變成氦，產生巨大的能量，以光和熱的形式向周圍輻射。行星中沒有這種聚變，所以不產生輻射。地球原先也是非常熱的，經過漫長的時間，它慢慢地冷卻下來。巖石中溢出的氣體成為大氣。經過更長的時間，地球上出現植物、動物。最後出現了結構異常複雜，且有極高智慧的人。

大爆炸理論同時引發另外一些問題：何以宇宙會這樣開始？又何以它又選擇讓我們能夠理解的科學定律去演化？科學家提出各種解釋，都很勉強而有漏洞。最自然、最簡單而又最完整的假設應該數劍橋大學一次物理討論會上提出的「人擇原理」。這個原理的內容是：「宇宙的事情所以這樣地展開，是為了人的出現。」它雖然是物理學家提出的理論，但也是人們下意識中的常識。宇宙的發展和地球上出現生命，都顯示著一個極其精妙的整體設計。物理學和天文學從多個方面指出，人類的存在需要極其細緻的物質運動規律，和宇宙秩序的平衡。這一切都向我們明確地顯示了一切都出於一位有無比智慧和能力的設計師。多數物理學家都認同這個原理。

大自然除了嚴格、完美的運動規律之外，宇宙設計難以想像之高精確度更是令人敬畏的事實。現代物理學發現，物質之間的基本相互作用只有四種：強作用、電磁作用、弱作用和引力作用。每一種作用的強度各由一個基本常量來表徵。各種作用相對強度的精確比例，保證了宇宙從創始到星系和恆星的形成，及生命的出現等等演化過程。我再舉兩個例子：

1. 弗里曼．戴森（Freeman Dyson）仔細研究過原子核內部的核子之間的強作用（核力）的強度，和宇宙物質的性質之間的關係。計算的結論是，如果核力比實際值弱百分之幾，氘核就不能穩定，要衰變成為一對質子和中子。於是像太陽這一類恆星，就要以核反應的方式來釋放能量，當氘被燒盡，就以氦為核燃料，再以後就消耗更重的核，於是恆星的物質結構將大大改變，和現今世界全不一樣。假如核力比實際值強一些，那麼質子和質子就會克服它們之間的電磁排斥力，而黏合在一起成為一個質子對，然後每一質子對中的一個質子會衰變成一個中子，這樣質子對就變成氘，接著兩個氘又由核力黏合成氦。結果將不會有氫從大爆炸時遺留下來，類似太陽這類穩定的恆星也就不會存在，當然更談不上水和生命了。

2. 第二個例子是關於電磁作用和引力作用的相對強度和恆星的性質關係。電磁作用和引力在形成恆星的結構中，扮演著十分重要的角色。恆星靠引力黏合起來，同時又以電磁輻射的形式釋放能量。這兩種力的具體配合的細節極為複雜，現在還沒有徹底搞清楚。一般說來可得以下結論：重的恆星溫度較高、較亮；而輕的恆星則溫度較低、較暗。它們分別稱為藍巨星和紅矮星。藍巨星的輻射太強，紅矮星的輻射又太弱，都不適宜於生命的出現。實際情況是電磁作用和引力的均衡竟然使所有的恆星都處在藍巨星和紅矮星之間的一個狹窄的範圍內，之所以有這等幸事，完全是因為電磁作用和引力的基本常量之間有奇妙的巧合。假如引力的強度只作難以想像的1/1040的微小變化，也足以破壞這種微妙的巧合，於是所有的恆星將只能是藍巨星或紅矮星，像太陽這類恆星就不會存在，依存於太陽的生命現象也不會出現了。

奇蹟太多了，人們習慣了就將它們當作不足為奇的自然。我們所觀察到的井然有序的世界結構之所以存在，完全是因為有這樣一些微妙的數值巧合。這一切只能出於一位大智大能的造物主的精心設計。人類已經從科學的方向，無可推諉地望見上帝了。