出品：科普中國(guó)
制作：北京師范大學(xué)天文系 宇宙之美科普?qǐng)F(tuán)隊(duì) 張同杰
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
引言
人人都在追求美，科學(xué)家尤其是物理學(xué)家更是在孜孜不倦地追求世界和宇宙的美。我們的世界或者宇宙是否體現(xiàn)了美的科學(xué)理念？愛(ài)因斯坦建立了廣義相對(duì)論，得到了引力場(chǎng)方程將其用于整個(gè)宇宙。為了得到一個(gè)靜態(tài)的宇宙，他手加上一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)。之所以這樣做，實(shí)際上就是在追求他認(rèn)為的所謂的宇宙極致和美。他可能連自己都沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)，我們平常人也是這樣。正是這種對(duì)極致和美的要求，使愛(ài)因斯坦預(yù)言了宇宙學(xué)常數(shù)(暗能量的一類(lèi))等許多科學(xué)預(yù)言。實(shí)際上許多科學(xué)預(yù)言的原動(dòng)力都是對(duì)美的追求，對(duì)宇宙之美的追求。
那么宇宙之美的本質(zhì)是什么？ 當(dāng)今科技高度發(fā)展之前的漫長(zhǎng)人類(lèi)文明史中似乎是一個(gè)模糊的概念。隨著科學(xué)的飛速發(fā)展，今天物理學(xué)家或者宇宙學(xué)家可以賦予它科學(xué)而精確的定義。那么美是什么? 一句話，和諧就是美。
十幾年以來(lái)，隨著對(duì)物理學(xué)和宇宙學(xué)的研究和理解, 我也一直在思考什么是美，可是筆者還沒(méi)有動(dòng)筆前，許多同行已經(jīng)開(kāi)始行動(dòng)了。最近讀到很多談科學(xué)與美的文章，如諾獎(jiǎng)得主Wilczek談量子力學(xué)、宇宙與靈魂；中科院物理所張?zhí)烊匮芯繂T也談物理學(xué)之美；中科院高能所張雙南研究員在“美與科學(xué)”的公眾講座中也談到, 要用自然科學(xué)的方法來(lái)研究美, 并闡釋了“美的科學(xué)”和“科學(xué)的美”, 且提出“廣義美的法則”——沒(méi)缺陷、不常見(jiàn)。筆者非常贊同雙南研究員用科學(xué)的方法研究美。楊振寧先生在“美在科學(xué)與藝術(shù)中的異同--2016中國(guó)美術(shù)館‘大師講大美’學(xué)術(shù)講壇系列講座”演講中也談了物理學(xué)之美。今年9月在北師大學(xué)術(shù)大師項(xiàng)目支持下，筆者邀請(qǐng)了愛(ài)丁堡大學(xué)天文系前系主任、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士、愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)院士、愛(ài)丁堡大學(xué)天文系教授John A. Peacock于來(lái)北師大天文系進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。
【注】Peacock教授是第一次訪問(wèn)中國(guó)，因此中科院國(guó)家天文臺(tái)、清華大學(xué)、北京大學(xué)科威理天文與天體物理研究所以及上海交大也特意邀請(qǐng)他去做了學(xué)術(shù)交流。短暫的訪問(wèn)讓他印象深刻，他說(shuō)，中國(guó)的天文學(xué)發(fā)展讓他感到震驚。他還特意參觀了長(zhǎng)城，并且在首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)中國(guó)古代天文儀器渾儀前留影。
在他受清華大學(xué)之邀進(jìn)行學(xué)術(shù)活動(dòng)時(shí)，他受到了賽先生的采訪，并以“宇宙是美的嗎？”為題發(fā)表。今年4月份筆者首次以“宇宙之美”為題在四川做公眾演講“引力波與天體物理學(xué)”。
一直以來(lái)大家都是從不同的角度談美的概念，這使筆者頓感更加有必要真正從科學(xué)角度或者從宇宙學(xué)角度給美下個(gè)定義,一個(gè)美的科學(xué)定義。
從2003年開(kāi)始十幾年來(lái)，筆者在北師大講授宇宙學(xué)，分為研究生、本科生和全校公開(kāi)課三個(gè)層次。曾經(jīng)問(wèn)一個(gè)雖然是個(gè)很漂亮的文科生、卻對(duì)理科宇宙學(xué)有著濃厚興趣的藝術(shù)與傳媒學(xué)院的本科生宋燕飛同學(xué)(現(xiàn)在是于丹教授的在讀碩士生，今年第66屆世界小姐中國(guó)區(qū)江蘇賽區(qū)冠軍，中國(guó)區(qū)總決賽網(wǎng)絡(luò)人氣十強(qiáng)) ，在宇宙學(xué)公選課中學(xué)到了哪些對(duì)于藝術(shù)專(zhuān)業(yè)以及人生有用的思想？她說(shuō)沒(méi)有學(xué)到什么太有用的思想。這讓筆者深深地思考宇宙學(xué)到底能夠給我們的人生帶來(lái)什么啟迪，藝術(shù)和科學(xué)美之間的內(nèi)在聯(lián)系是什么？
筆者嘗試用物理學(xué)和宇宙學(xué)的思想來(lái)理解人生哲理，達(dá)到了四十之后的不惑，而不是思想家孔子的通過(guò)人生閱歷而達(dá)到的“四十不惑”的境界。物理學(xué)和宇宙學(xué)基本原理表明，大自然和人類(lèi)社會(huì)以及整個(gè)宇宙都在發(fā)展和演化中平衡，平衡中發(fā)展和演化，終極目的是追求一種“美學(xué)的科學(xué)法則”：和諧。只要是和諧的東西和現(xiàn)象就是美的，否則就是不美的東西。和諧是美的核心科學(xué)本質(zhì)。雙南研究員主張的“沒(méi)缺陷”的本質(zhì)就是“和諧”。一個(gè)系統(tǒng)不和諧了，自身或者外部力量就會(huì)啟動(dòng)修復(fù)程序，使之達(dá)到和諧。這如同人體不和諧就得病，然后吃藥恢康復(fù)，調(diào)節(jié)陰陽(yáng)平衡，達(dá)到和諧。
一個(gè)國(guó)家不和諧，可能會(huì)改朝換代，被另一個(gè)朝代取代。當(dāng)今美國(guó)大選清晰地表明, 美國(guó)社會(huì)民主已經(jīng)極度不和諧，才最終導(dǎo)致今天大選的混亂狀態(tài)。同時(shí)也表明，美國(guó)的發(fā)展已經(jīng)到達(dá)頂峰, 走下坡路已經(jīng)不可避免，民主制度的不和諧也到了該調(diào)整的時(shí)候了。此外中國(guó)古代描寫(xiě)美女有“增之一分則太長(zhǎng)，減之一分則太短”、“施朱則太紅，著粉則太白”等，即輪廓尺寸搭配合理，讓人看著賞心悅目，其本質(zhì)也是和諧?，F(xiàn)實(shí)中，我們也都在期望和諧, 如歐洲法航的超音速飛機(jī)-協(xié)和飛機(jī)(Concorde)；我國(guó)動(dòng)車(chē)和高鐵也以和諧號(hào)命名；美國(guó)有一種化妝品也以“concordance”命名，意味著使臉部和諧等等，這些都表明了人類(lèi)對(duì)和諧美好的向往。
宇宙演化之美
英文Cosmos的中文釋義是“和諧, 秩序”。宇宙學(xué)“Cosmology”這個(gè)詞從Cosmos衍生出來(lái) ，隱含著對(duì)宇宙和諧的期望。英語(yǔ)里面也有“cosmology is the most scientifically rigorous(精確的), aesthetically elegant(優(yōu)美的), and the most poetic(詩(shī)意) of the sciences.' 這是對(duì)宇宙學(xué)從美學(xué)角度上的定義。
宇宙在137億前，標(biāo)量場(chǎng)、基本粒子、普通物質(zhì)、四種力和物理規(guī)律，尤其是主導(dǎo)宇宙的引力理論都不存在。隨著宇宙的誕生，“上帝”隨之把他們放入到宇宙中。這些物理規(guī)律就像一個(gè)被壓縮的文件夾一樣，也隨之逐漸釋放開(kāi)來(lái)，引力退藕，強(qiáng)作用力退藕，四種作用力也慢慢地呈現(xiàn)在宇宙中。大爆炸起點(diǎn)就像一個(gè)文件壓縮包，隨著宇宙的誕生和膨脹，宇宙中的各種組成部分相繼登場(chǎng)，在四種力的作用下開(kāi)始漫長(zhǎng)的演化過(guò)程，最終形成今天看到的宇宙。宇宙演化中，物質(zhì)(正常物質(zhì)和暗物質(zhì))(吸引力)抗衡暗能量(排斥力),形成了現(xiàn)在觀測(cè)支持的LCDM宇宙。這如同中國(guó)古代哲學(xué)的萬(wàn)事萬(wàn)物中的陰陽(yáng)平衡。
隨著宇宙的演化，在合適的時(shí)期和合適的地點(diǎn)，銀河系中的太陽(yáng)系的地球上孕育出了人類(lèi)文明。宇宙中文明可能不只是我們地球上的人類(lèi)，可能在宇宙不同時(shí)期、不同的位置在不斷地產(chǎn)生和消亡。宇宙微波背景輻射攜帶了宇宙30萬(wàn)年至今所歷經(jīng)的幾乎宇宙所有的成長(zhǎng)信息，因此在宇宙不同時(shí)期的文明產(chǎn)生的信息一定會(huì)遺留在宇宙微波背景輻射中，目前可能被我們當(dāng)作噪音濾掉了。利用宇宙學(xué)的方法研究地外文明，筆者定義為地外文明宇宙學(xué)[Extra-terrestrial Intelligence Cosmology]。 這也產(chǎn)生了另一個(gè)問(wèn)題，即宇宙誕生之初宇宙只包含能量，暴漲結(jié)束后通過(guò)再加熱過(guò)程轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，隨著宇宙漫長(zhǎng)的演化，逐漸形成了我們中學(xué)化學(xué)學(xué)過(guò)的100多種元素。但是宇宙中的文明所必備的原初意識(shí)如何產(chǎn)生？這成為一個(gè)目前不能解決的終極問(wèn)題。意識(shí)似乎和所謂的靈魂聯(lián)系在一起，筆者和中山大學(xué)李淼教授曾經(jīng)就靈魂問(wèn)題進(jìn)行過(guò)討論。關(guān)于地外文明宇宙學(xué)和意識(shí)的產(chǎn)生不是本文重點(diǎn)闡述內(nèi)容，筆者將另辟文章闡述。
那么為什么地球上會(huì)誕生我們的人類(lèi)? 從宇宙學(xué)的角度如何解釋? 有的宇宙學(xué)家曾經(jīng)把宇宙描述成一個(gè)Goldilocks(金發(fā)姑娘）。
宇宙中質(zhì)量和能量不多不少，恰能支持在宇宙中的生命。如果宇宙中物質(zhì)太多, 在生命還沒(méi)有形成之前,宇宙就在引力作用下塌縮回去；如果宇宙中物質(zhì)太少, 則沒(méi)有足夠的質(zhì)量形成恒星以致行星, 生命也就無(wú)法形成。 總之，宇宙目前的狀態(tài)恰到好處，密度不高也不低，即宇宙在和諧地演化著。
人與宇宙之間的和諧之美——天人合一
在最近公布的《中國(guó)公民科學(xué)素質(zhì)基準(zhǔn)》中，提及了“天人合一”的中國(guó)傳統(tǒng)哲學(xué)思想。目前所有哲學(xué)家、文學(xué)家等均未準(zhǔn)確地理解其深刻含義，并且甚至有人從封建迷信角度還大肆批判，歸根結(jié)底就是沒(méi)有從根本上，即沒(méi)有從科學(xué)尤其是宇宙學(xué)角度理解其含義。實(shí)際上我們完全可以從整個(gè)宇宙和諧統(tǒng)一演化的角度深刻窺視其深?yuàn)W之處。
“陰陽(yáng)五行，天人合一”的科學(xué)意義有2個(gè)層面。第一：陰陽(yáng)五行，意味著宇宙萬(wàn)物有金木水火土組成，人也是一樣，并且遵循陰陽(yáng)平衡原則。從宇宙學(xué)上講，我們?nèi)梭w基本是碳水化物組成，其中的輕元素在宇宙最初三分鐘形成，重元素來(lái)源于第二代的恒星和超行星爆發(fā)。所以人類(lèi)和上天的組成是一樣的。
第二，“天人合一”將人類(lèi)和上天的組成是相同的思想上升到一個(gè)高度：天人合為一體，不是簡(jiǎn)單的融合，而是天人之間的和諧統(tǒng)一。只有天人之間達(dá)到和諧統(tǒng)一，世間萬(wàn)物才能和諧發(fā)展延續(xù)。其本質(zhì)強(qiáng)調(diào)的就是宇宙萬(wàn)物之間的和諧。古人雖不懂科學(xué)，但是其思想符合科學(xué)，這就是古人先哲令我們敬畏之初。另外老子道德經(jīng)中：道生一，一生二，二生三，三生萬(wàn)物，更完全是一幅宇宙創(chuàng)生的思想畫(huà)卷，與現(xiàn)代大爆炸宇宙論非常吻合。從這個(gè)意義上來(lái)講，大爆炸宇宙論的最早樸素思想來(lái)源于我國(guó)古代。
幾年前，筆者去意大利開(kāi)會(huì)，在回來(lái)的飛機(jī)上遇到一位寧夏省級(jí)醫(yī)院心臟中心的院長(zhǎng)醫(yī)生。筆者問(wèn)他了一個(gè)問(wèn)題：心臟第一次跳動(dòng)時(shí)何時(shí)、如何啟動(dòng)的？人體心臟從開(kāi)始第一次跳動(dòng)，一直不停地跳到生命的結(jié)束。那么心臟的第一次跳動(dòng)的能量從何而來(lái)一直是困擾筆者的問(wèn)題。這位心臟專(zhuān)家也沒(méi)有回答上來(lái)。后來(lái)筆者在央視科學(xué)頻道看到BBC的關(guān)于生命起源的節(jié)目：原來(lái)人體在開(kāi)始形成時(shí)，將來(lái)成為心臟的一個(gè)心臟細(xì)胞的量子隨機(jī)擾動(dòng)，產(chǎn)生了心臟的初始跳動(dòng)，之后這個(gè)細(xì)胞長(zhǎng)成心臟，之后永不停息，伴隨至生命的結(jié)束。太奇妙了，這和形成宇宙結(jié)構(gòu)的宇宙原初擾動(dòng)是由暴漲時(shí)期的量子擾動(dòng)產(chǎn)生驚人相似。
清華大學(xué)施一公教授最近在一次公眾演講中也在講生命起源, 不知是否想到生命的起源與宇宙的演化息息相關(guān)，并且心臟的初始跳動(dòng)和宇宙起源驚人地一致？ 天文物理界的“兩暗一黑三起源”中生命起源和宇宙起源真是異曲同工。
前幾年一項(xiàng)發(fā)表于2012年11月16日《科學(xué)報(bào)告》[www.nature.com/scientificreports]上的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究表明，宇宙中的物質(zhì)分布可能像一個(gè)復(fù)雜的大腦一樣。文章認(rèn)為，一些尚未發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)規(guī)律可能支配著多種或大或小的系統(tǒng)，從腦細(xì)胞之間的電信號(hào)傳遞，到社交網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張，甚至是整個(gè)宇宙。來(lái)自加州大學(xué)圣迭戈分校的研究參與者物理學(xué)家Dmitri Krioukov 說(shuō)，“對(duì)于不同的網(wǎng)絡(luò)，如互聯(lián)網(wǎng)、大腦神經(jīng)元或社交網(wǎng)絡(luò)等來(lái)說(shuō)，其自然生長(zhǎng)的規(guī)律是相似的”?？梢?jiàn)，我們的大腦和宇宙驚人地相似。
“上帝”在宇宙大爆炸之后瞬間就把物理和數(shù)學(xué)規(guī)律放入宇宙之中, 讓后來(lái)宇宙中誕生的文明去破解和研究。宇宙從大爆炸開(kāi)始以后至今的膨脹過(guò)程，如同一個(gè)壓縮包釋放文件一樣，也像潘多拉的盒子打開(kāi)釋放魔鬼一樣，把所有信息陸續(xù)呈現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于我們地球上這一波次的文明而言, 目前讓愛(ài)因斯坦等人已經(jīng)把主導(dǎo)宇宙動(dòng)力學(xué)的廣義相對(duì)論發(fā)現(xiàn)；預(yù)言的引力波也觀測(cè)到；人工智能和生物技術(shù)，原子彈氫彈等核武器技術(shù)，克隆技術(shù)也快達(dá)到極致；未來(lái)人工機(jī)器智能一定會(huì)超越人類(lèi)文明本身等。人類(lèi)幾乎已經(jīng)把宇宙中的物理規(guī)律去全部搞清楚，人類(lèi)幾乎已經(jīng)無(wú)所不能。人類(lèi)將來(lái)只要能夠戰(zhàn)勝人類(lèi)本身, 破壞宇宙的那一天也就到了, 也許那就是所謂的世界末日吧!
總之, 目前幾乎所有的人文哲理都可以用科學(xué)如平衡，能量守恒，和諧的觀點(diǎn)來(lái)闡釋。任何系統(tǒng)如果與和諧的方向背道而馳，一定會(huì)遭到推動(dòng)其達(dá)到新的和諧的力量的懲罰。70年代時(shí)醫(yī)生就給霍金下了死亡通知, 可是他至今身體很好,說(shuō)明他的身體很和諧：也許他早已洞悉宇宙和黑洞物理的和諧本原。
注：Peacock教授曾經(jīng)獲得2014邵逸夫獎(jiǎng)(Shaw Prize in Astronomy) (100萬(wàn)美元，被稱(chēng)為“東方的諾貝爾獎(jiǎng)”)；2014 Thomson Reuters Highly Cited Researcher (world top 100 astronomers; UK top 12)湯姆森路透最高引用研究者(全球前100，英國(guó)前12)； 重要著作：< cosmological="" physics(宇宙物理學(xué))="">> Seminal book； 200多篇經(jīng)同行審議的科研論文，大于5萬(wàn)的引用，H指數(shù)為95 (Papers: Over 200 research articles in refereed journals; >50,000 total career citations; citation index H=95)。
參考文獻(xiàn)
[1]張?zhí)烊?物理學(xué)之美 2016-03-26
[2]張雙楠 中科院“SELF格致論道”公益講壇2015年度大會(huì)
[3]楊振寧公眾演講：美在科學(xué)與藝術(shù)中的異同--2016中國(guó)美術(shù)館“大師講大美”學(xué)術(shù)講壇系列講座
[4]賽先生2016年專(zhuān)訪Peacock教授:宇宙是美的嗎？
[5]2012年11月16日《科學(xué)報(bào)告》[www.nature.com/scientificreports]
[6]張同杰北京師范大學(xué)公選課《宇宙學(xué)-宇宙的誕生、演化和結(jié)局》講義
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