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　　20世纪以来，人类的科学视野日益扩大和精细：宇观上已从不足十万光年的银河系扩大到上百亿光年的可观测宇宙；微观上已深入到原子内部的基本粒子和细胞内部的生物大分子等诸多层次。与之相一致，人们对宇宙的研究，必然要从单纯的哲学思辨阶段向现代科学与哲学相结合的阶段发展。
　　一、现代宇宙学的发展
　　1917年爱因斯坦首次根据广义相对论对宇宙学作了一次开创性工作。他在宇宙的物质密度从大范围看是均匀各向同性的假设基础上，惊奇地发现满足引力场方程的宇宙竟然不是静止的，它会随时膨胀或收缩，这一结果不仅与传统的宇宙观念不符，而且在当时也没有任何观测事实的支持，他只好设法加以避免。即在方程中引入代表斥力作用的宇宙常数项，以便与物质的引力相抗衡，从而得到一个有限无边的静态宇宙模型。
　　哈勃（E·P·Hubble）在首次确认宇宙中存在河外星系的基础上，测量了许多星系在视线方向上的运动速度，以及这些星系到观测点的距离。并在1929年宣布，通过观测发现的星系都在远离观测者而去，而且遥远星系的退行速度正比于该星系到观测点的距离，宇宙正在膨胀，这就是被称为哈勃定律的观测宇宙学第一项重大发现。这正是弗里德曼（A·Friedmann）于1922年根据没有宇宙常数项的引力场方程所建立的动态宇宙模型的直接观测证据。在此基础上，就可以继续使用这个模型考察以前的宇宙状况。结果表明，随着时间由今天往回追溯，宇宙会越来越小，甚至可以趋近于零，其间所用去的时间，就是今天宇宙的年龄。
　　1948年，在弗里德曼关于宇宙膨胀的思想基础上，盖莫夫（G·Gamov）发表了“宇宙的演化”等文。他认为年龄很小的早期宇宙，不是抽象的几何点，而是具有深刻内涵的物理客体。那时的宇宙，占据很小的体积，又具有很高的温度，是包括星系在内的一切天体乃至化学元素的根源。他还预言，现今的宇宙应存在那时遗留下来的微弱背景辐射。1956年，盖莫夫又发表了“膨胀宇宙的物理学”论文。更清晰地描绘了宇宙从原始高温高密状态膨胀和演化的概貌，并重新算得上述背景辐射温度约为6K。这就是现代“大爆炸”宇宙模型的原初形式。彭齐亚斯（Amo Pemzias）和威尔逊（R·W·Wilson）于1965年首次发现宇宙微波背景辐射温度约为3K，生动地证实了盖莫夫的预言。1996年综合有关结果后科学家们进一步确认，该宇宙背景辐射，很精确地相当于温度为（2.728±0.004）K的黑体辐射。这正是早期宇宙赤热火球遗留至今的暗淡余光。因为从宇宙年龄大约为30万年开始，光子即退出同实物粒子的耦合，在由中性原子组成的气体中自由飞行，并具有大约3000 K的辐射温度。然而，在今天去观测时，宇宙已胀大了1000多倍，所以相应的辐射温度也降低到不足3K，同时辐射的峰值波长也从可见光波段“红移”到毫米波段。
　　值得注意的是，实际测量的背景温度不是处处相同，还是含意颇深的。这意味着早期的宇宙赤热火球的温度必然存在涨落，相应的物质密度也必然存在涨落[1]。而物质密度涨落既是往后形成诸多不同星系的必然要求，又是往前追究更早期宇宙起源的基础。在核物理实验基础上的大爆炸理论认为：在宇宙年龄从1秒到1小时期间，宇宙因不断胀大而逐步降温。在1秒以后，温度低于10[10]K，气体密度在10[6]g/cm[3]以下，中微子开始退耦，质子和中子也随之处于自由状态；在3分钟以后，温度低于10[9]K，光子分裂作用失效，大量核合成过程很快跟上，即在氢核（质子）的基础上，相继产生氢同位素、氦同位素以及氦和锂等多种轻元素的核，直到1小时基本结束。这些早期宇宙原初核合成的遗迹，已在今天的观测中日益得到确认。例如，大约23％的氦丰度，就同盖莫夫最初预言的25％相当一致。而早期宇宙中仅存在三种中微子的假设，也与1989年地面上的高能物理实验结果基本相容。
　　继续往前追溯原初核合成过程以前的情况表明，年龄约在10[-4]秒的宇宙介质，具有10[12]K的温度，完成了从夸克到强子的相变，开始主要以质子、中子、电子、光子和中微子等粒子的形式存在。直到年龄为1秒以前，宇宙应是一个逐渐胀大的粒子混合体。那里很高的温度和密度，使得各种粒子总在频繁碰撞和相互转化，都不能退出耦合而逃逸出来。它称得上是现今宇宙相当可靠的根源。
　　年龄从10[-4]秒到10[-43]秒的时期，是宇宙的甚早期。当往回追溯时，宇宙气体粒子占有的空间会愈来愈小，温度也会愈来愈高。其中10[15]K的温度是20世纪末期技术水平的一个重要标志。因为当时地面实验室内粒子加速器能够达到的最高能量—10[11]电子伏，就相当于这个温度。低于这个温度时的情况，可以通过实验直接检验；而高于这个温度时的情况，则目前只有理论预言，并且只能间接检验有关理论在低能情况时的推论，因而不确定性较大。以下是这一时期最值得关注的几个时刻的要点。
　　1.宇宙年龄为10[-11]秒时，所达到的10[15]K的温度，是弱作用力与电磁力实现统一的临界温度。这里的弱作用力载体，是W粒子和Z粒子，电磁力载体是光子。弱电统一理论认为，当温度远远超过10[15]K时，这两种力会合而为一种力，因为那时W粒子、Z粒子和光子的行为方式很相似；而当温度低于10[15]K时，则会出现自发对称破缺的情况，W粒子和Z粒子获得较大的质量，使弱作用力具有非常短程的性质，制约着放射性现象，这就显得与光子不同了。1983年在欧洲核子研究中心（CERN）正式发现的W粒子和Z粒子，就是对上述理论的有力支持。
　　2.宇宙年龄为10[-35]秒时，所达到的10[28]K的温度，是强作用力和弱作用力实现大统一的临界温度。胶子是强作用力的载体，能将有关的夸克束缚在一起，而分别形成质子和中子。大统一理论认为，在高于10[28]K的温度时，这三种力具有相同的强度，并且正反粒子都是对称的。而对于现今宇宙中正粒子占绝对优势的情况，则根据物理定律不存在时间对称的原理予以解释。此外，对于大统一理论所预言的磁单极子不可能存在于现今宇宙中的情况，则可通过在甚早期宇宙中存在一个急剧加速膨胀的暴胀阶段予以解释。这种暴胀还可使宇宙视界衔接起来，并使宇宙早期物质分布趋于均匀各向同性。
　　3.宇宙的10[-43]秒时间和10[32]K温度，分别称为普朗克时间和普朗克温度。此时的能量是量子引力起显着作用的能量，具有多种多样的不确定性，需要用量子理论取代经典理论进行描述。林德（A·Linde）于1983年提出的随机暴胀模型认为：最初的宇宙仅存在标量场，由于标量场的量子涨落，使得其中的某些区域具有很高的能量。这些区域之一后来演变成为今天的宇宙。该特别区域的标量场所具有的巨大能量，既为随后发生的暴胀提供强大的动力，又按照质能相关原理将其中的一部分能量，转变成为各种粒子的能量和质量，其中包括使W粒子和Z粒子在较低温度下获得较大质量等。
　　20世纪70年代以来日益兴盛的超弦理论认为，宇宙的最基本成分，不但不是常见的基本粒子，甚至不是所有的粒子，而是能量的线或环，即所谓的“弦”。因为只有弦的不同振动，才可能导致不同粒子的生成。该理论试图逐步填平相对论和量子力学之间似乎不可逾越的鸿沟，使引力同其他三种力由分离走向超对称统一，但要求高达11维的时空。由于常见的是4维时空，所以其余的7维空间必须很早就“蜷缩”起来，虽然要证实这种理论还要走漫长的道路，但是根据历史经验判断，第一个关键性证据可能也将来自观测宇宙学。
　　二、唯物论与物信论
　　马克思和恩格斯关于人的认识来源于实践并且必须接受实践检验的思想，对于宇宙学研究具有至关重要的意义。牛顿正是在前人观测实验成果的基础上才发现万有引力定律的。由于当时不可能在银河系外更大的时空范围内检验该定律，所以他的这种发现反而使机械论宇宙观更加盛行。康德提出的关于太阳系起源的星云假说，由于缺乏观测实验事实的证据，在一段很长的时间内都未得到公认。爱因斯坦最初建立的静态宇宙模型，虽然受到机械宇宙论的影响，但当他知道关于宇宙膨胀的观测事实以后，便很快放弃了这种模型。而他晚年主要从事的统一场论研究，由于没有任何观测实验事实否定这种统一的可能性，所以他一直坚持做下去，从而成为现代统一论思想的先驱。这些典型事例生动地表明，人们对宇宙运行法则的认识，是一种极其复杂而曲折的漫长过程，而且永无止境。即使是牛顿或爱因斯坦所创立的科学理论，也是要在接受实践检验的基础上与时俱进的。同时，以相对论和量子力学为依据的现代宇宙学，也催促马克思主义哲学与时俱进。
　　恩格斯曾经指出：“随着自然科学领域中每一个划时代的发现，唯物主义也必然要改变自己的形式”[2]。这意味着在今天要改变唯物主义的形式，最好从分析20世纪以来几个划时代的发现入手。1.相对论的质能关系原理表明，物质和能量是密切相关的。因为物质的质量乘以光速的平方就是相应的能量。这意味着广义的物质也应当包括能量。考虑到最初的宇宙仅存在标量场的能量，能量在广义物质中的地位更显得突出。2.量子力学理论认为，微观上的能量是不连续的，必须取值为最小能量（能量子）的整数倍。例如，电磁场的能量子就是光子，其最小能量与相应的电磁波频率之比，等于普朗克常数。与光子的量子性相似，微观上最普通的其他粒子—电子、质子和中子等，其基本特征参量（电荷、质量等）的取值，也是有效数字达8—9位的物理常量。这表明基本粒子及其特征参量，都是同时出现、相辅相成的，没有第一性与第二性之分。3.细胞核内脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋结构的发现及其相关研究表明，DNA是生物遗传信息的载体。虽然它的物质含量很少，但所载信息却很多。以人为例，人体生殖细胞的DNA只重约6×10[-12]克，但却由30亿个“核苷酸对”按一定顺序以双螺旋形式排列而成。由于DNA的核苷酸只有4种，所以对应的信息就相当于用4个字母写成的“厚重”密码本。考虑到4种核苷酸的三联体与20种氨基酸对应，而这些氨基酸则是成千上万种蛋白质的结构单体，DNA所载信息的确是生命遗传和生长发育的基础，也是区别于一切非生命物质的关键。例如，不比1粒普通灰尘大的“非典”病毒，可能危及人的生命，就是由于它载有人体极不相容的信息。
　　20世纪中期以来，随着生命科学、通信科学和计算机科学等不断地并行发展，日益显示出这些学科之间在信息技术方面的密切关系。例如，关于信息的编码、编程、存储和调控规律等，在哪里几乎都是普遍适用的。应当指出的是，在信息时代的特征逐步显露的今天，一些传统的基础科学（如物理学、天文学），仍然很少用到信息的概念。这可能是飞速发展的学科高度分化的表现，是不利于从整体上进行综合研究的。
　　事实上，既然在生命科学领域，诸如一氧化氮（NO）这样的化学分子可以作为“信使”沟通细胞之间的信息；那么，在天文学领域，诸如光子这样的基本粒子，更可以作为“信使”沟通天体之间的信息。例如，宇宙“大爆炸”的关键信息正是由背景光子传来的。在这里需要用到适用于不同学科领域的通用信息概念，其通用性与《道德经》中的“道”相类似。如果用事物的实在状态及其相关规律表示广义的通用信息，则对于宇宙背景光子的实在状态，可以这些光子的数密度（单位体积内的光子数）及其电磁波辐射频率等参量确定，而相关规律则包括宇宙的随时膨胀（背景光子的数密度的随时减小）以及谱线红移（频率向低端移动）等规律。
　　在基础学科领域引进这样的信息概念，既可使相应的研究更加具有哲理概括性，又可帮助识别传统专业性信息概念的不足。例如，DNA的遗传信息一般由4种核苷酸的排序状态确定，人类基因组工程所要完成的就是这方面的工作。这显然只是获得狭义信息的工作，是无法有效地掌握从核苷酸到氨基酸再到蛋白质的相关规律的。而在包括宇宙演化在内的精密科学领域，从基本粒子到原子再到分子的相关规律，早就开始被有效地掌握和运用了。这可能会对DNA信息的全面而深入的研究，以新的刺激和推动。
　　恩格斯曾说“除了永恒变化着的、永恒运动着的物质及其运动和变化的规律以外，再没有什么永恒的东西了”[3]。在这里物质的“运动和变化的规律”，可以理解为物质的信息。以常见的地球绕日运行为例，只要知道日地系统的实在状态（以地球的初始速度、日地距离、地球和太阳的质量等参量确定）及其相关规律（万有引力定律），即知道该系统的广义信息，亦即等同于知道它的“运动和变化的规律。”因此，上述以物质信息表达的论点一物信论，应当认为是既试图改变唯物论的形式、又保留其合理内涵的一种哲学探索新见解[4—5]。其进一步供探讨的要点如下：1.物质与信息的关系。信息要以物质为载体，物质的生存发展要由信息来引导；物质与信息之间存在的既彼此不同、又相辅相成的关系，是永恒不变的；精神不过是发展到高级阶段的大脑物质所携带的一种复杂信息[6]。2.本体论、发展观与认识论。宇宙的演化，是宇宙物质在相应信息引导下的运动变化。虽然不同年龄段的宇宙携带有不同的信息（如背景辐射信息、星系退行信息），但是，经过实验检验的、具有本体论意义的宇宙信息，则是宇宙早期基本粒子（光子、电子、质子和中子等）携带的广义信息[7]。因为其特征参量（电荷、质量等）的取值如果稍有变动，就会导致后来的宇宙面貌全非，甚至不可能出现生命和人类。即使理论上认为“弦”是宇宙的最基本成分，那它也必然携带有相应的信息：弦的振动状态及其相关规律。
　　物质与信息的对立统一规律，是宇宙发展的根本规律。这个规律往往是以中心主导、层次依从、和谐生存的形式展开的。宇宙早期的微小混沌体、甚至一个受精卵细胞核的发展，都不同程度地遵循这种规律。关键是相应的核心物质携带有全部初始信息。
　　宇宙信息是不以人的意志为转移的客观自然信息，而人们对宇宙信息的认识则属于主观人文信息的范畴。宇宙是在不断发展的，人们对宇宙的认识也是在不断发展的，永远不会停留在一个水平上。关键是要以宇宙的自然信息为出发点和落脚点，不断地沟通人文信息与自然信息之间的联系，从狭义信息导出广义信息，使主观信息符合客观信息，以便逐步获得真理性认识。
辽东学院学报：社科版丹东5～8B2科学技术哲学罗先汉20072007
罗先汉，北京大学物理学院天文学系教授，北京大学现代科学与哲学研究中心副主任，研究方向为射电天文、天体演化和科学哲学。
作者：辽东学院学报：社科版丹东5～8B2科学技术哲学罗先汉20072007

网载 2013-09-10 20:43:29

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