下一个千年的科学

作者: 斯蒂芬·霍金

　　我今晚所要讲的主题，是未来一千年中的科学。每天晚上，在像《星际旅行》这样的科学幻想电视系列节目中，都播映关于未来的科学的通俗影片。他们甚至说服我也来参加，但这似乎并不很困难。
〔放映《星际旅行》的剪辑〕

　　由于身处“紧急戒备”状态，我从来没有去取我的奖金。我曾与派拉蒙制片厂联系，但他们不知道兑换率。

　　《星际旅行》这部片子演得很有趣，但我播放它却是为了一个严肃的目的。从Ｈ.Ｇ.威尔斯开始，我们所看到的几乎所有关于未来的想象，在本质上都是静态的。它们所表现的社会，大多在科学、技术和政治体制方面都远比我们的社会要先进。（这最后一点也许并不那么困难。）在现在和未来之间，必定会有巨大的变革，并伴随着局势的紧张和混乱。但在此之前，我们所看到的未来的科学、技术和社会组织，都被假定是达到了接近完美的程度。
　　我要对此图景表示怀疑，并就我们是否将达到科学和技术的一种最终的稳态提出疑问。在自从最后一次冰川期以来一万年左右的时间中，人类从来就不曾处于一种知识永恒、技术不变的状态。曾经有过不多几次的倒退，例如像在罗马帝国崩溃后的黑暗时期，但是，除了像黑死病之类少数几次暂时的下降之外，作为维持生命和养育自己的技术能力之衡量的世界人口，却在稳定地增长。在过去２００年中，这种增长呈指数型，也就是说，人口每年以相同的百分比增长。目前，一年的增长率大约是１.９％。１.９％可能听上去不是很大，但它意味着世界人口每４０年就要翻一番。作为近来技术发展的另一衡量是电力的消费，或科学论文的篇数。它们也表现出每４０年翻一番或稍少些的指数增长。实际上，我们现在具有的期望如此之高，以至于一些人觉得受到了政治家和科学家的欺骗，因为我们还没有实现关于未来的乌托邦式的幻想。例如，在影片《２００１年》中，就向我们展示了月球上的基地，以及发射一艘前往木星的载人——也许我应该说是个人的——飞行器的情形。不论谁当选，我都无法想象我们在未来３年中能做到这一点。

　　没有什么迹象表明在不远的将来科学和技术的发展将变缓和停止。显然，到只有３００光年之遥的星际旅行的时代不会如此。但在下一个一千年中，目前的指数增长也不会继续下去。到２６００年，世界上的人们将摩肩接踵，电力的消费将使地球烧得通红。如果你把新出版的书籍一本接一本地排列起来，你得以每小时９０英里的速度移动才能跟上队尾。当然，到２６００年，新的论文和科学著作将不是以实物的书籍和论文而是以电子的形式出现。然而，如果指数的增长继续下去，在像我所在的这种理论物理学领域，每秒钟将有１０篇论文问世，而人们则没有时间去读它们。
　　显然，目前的指数增长不可能无限地继续下去。那么，将会出现什么样的情形呢？一种可能性就是，由于某种像核战争这样的灾难，我们将自己彻底消灭。有一个令人不快的笑话，说我们之所以没有与外星人接触，原因在于当一个文明达到了我们的发展阶段时，它就会变得不稳定并摧毁自身。当然，就像许多人相信的那样，或许在ＵＦＯ上真的有外星人，而政府却掩盖此事。我还是不做评论为好。

　　就个人来说，关于为什么我们没有与外星人接触，我相信有一种不同的解释，但我不想在这里谈它。不过，就算不考虑这个问题，仍然存在我们将毁灭这个星球上的一切的非常真实的危险，我们拥有做到这一点的技术力量。即使我们没有彻底摧毁自己，却仍有这样一种可能性，即我们可能沦落到一种野蛮的状态，像在《终结者》一开始的场景中那样丧失人性。

　　但我是一个乐观主义者。我认为，我们有充分的机会来避免世界末日的善恶大决战和新的黑暗时期。

　　那么，我们在下一个一千年中将如何发展科学和技术呢？这是一个很难回答的问题。请允许我冒险地提出我对未来的预测。对于下一个１００年，我将有一些机会是正确的，而关于下一个一千年的其余部分，就将是异想天开的遐想了。
　　大约与欧洲人移民北美同时，我们对科学的现代理解也开始了。１６８７年，在剑桥的第二任卢卡逊教授艾萨克·牛顿发表了他关于引力的理论；１８６４年，另一位剑桥的绅士克拉克·麦克斯韦发现了支配电和磁的方程。到１９世纪末，利用我们现在所谓的经典定律，似乎我们就要达到对宇宙完备的认识了。这样的看法与常识性的观念相一致，即诸如像位置、速度和旋转速率这样的物理量应该是定义明确且连续可变的，但常识只不过是我们所具有的偏见的别名而已。常识可能会使我们预期像能量这样的量是连续的。但是，自从２０世纪初，观察开始表明，能量是以被称为量子的能包存在的。看来，自然是颗粒性的，而不是连续的。
　　在２０世纪初期，人们系统地提出了一种被称为量子力学的新理论。量子理论是一种关于实在的完全不同的图像，因而虽然它应该使所有的人都关注，却在物理学和化学界以外几乎不为人所知，甚至在物理学和化学界的许多人也没有恰当地理解它。然而，如果基础科学像我所希望的那样成为一般知识的一部分的话，那么，目前作为量子理论悖论而出现的东西，对于我们孩子们的孩子们来说，就将只不过是常识而已。
　　在量子理论中，事物并不像我们今天的常识所表明的那样，具有单一明确的历史。与此相反，事物具有所有可能的历史，各自有其几率。肯定有这样一种历史，在其中芝加哥俱乐部队赢得了世界系列赛，尽管这样的概率很小。不过，对于像棒球赛这样大尺度的系统来说，概率通常围绕着一种单一的历史达到峰值，从而不确定性很小。但当人们进入单个粒子的小尺度范围时，不确定性就变得非常之大了。例如，如果人们知道一个粒子在某一特定时刻处于Ａ点，那么，在更大的时间范围，这个粒子可以处在任意的地方，因为它可以具有任意的路径或历史。为了要计算它处在Ｂ点的概率，人们必须把它从Ａ到Ｂ走过的所有路径或历史的概率相加。这种对所有可能的历史求和的观点，要归功于美国物理学家、昔日的邦戈鼓演奏者理查德·费曼。
　　粒子可能的历史，必须包括以超光速运行的路径，甚至包括在时间中倒退的路径。在任何人匆匆跑去为时间机器申请专利之前，请允许我说，至少在通常的情况下，人们不可能把这种方法用于时间旅行。然而，在时间中倒退的路径并非只像在“针尖上跳舞的天使”，它们具有实在的可观察后果。甚至我们认为是空无一物的空间，也充满了在空间和时间中以封闭圈运动的粒子。这就是说，它们于圈的一侧在时间中向前运动，而于圈的另一侧在时间中向后运动。这些封闭圈被说成是虚粒子，因为不可能用一个粒子探测器直接地测量它们。但是，可以间接地测量它们的效应。一种办法是用两张紧靠在一起的金属板。金属板的作用，是要在两板之间的区域里，相对于外部封闭圈的数目，稍许把封闭圈的数目减少一些。这样，相对于打在内侧的封闭圈，将有更多的封闭圈打在金属板的外侧并反弹。由此，人们预期将存在一个很小的力，把金属板向一块推。这种力由土耳其物理学家亨德里克·卡西米尔最先预言，它已经在实验中被观察到。因此，我们可以肯定封闭的粒子圈真实地存在。
　　棘手的问题是，由于在空间和时间中有无限数目的点，所以存在有无限数目可能的粒子的封闭圈。在对两板之间的力的计算中，这种无限的数目并不要紧，因为在两板之间和两板之外它们的数目都是无限的。有一种明确规定的方法，人们可以利用它将一个无限大从另一个无限大中减去，并得到一个有限的答案。这有点像美国的预算。政府的税收和开支都是非常大的款项，差不多就是无限。但如果一个人很细心的话，他就可以从一项中减去另一项，并算出一小笔盈余，至少在下一次大选之前是这样。
　　不过，封闭圈的无限数目带来麻烦，是在人们试图把量子理论与爱因斯坦的广义相对论结合起来的时候。这是２０世纪上半叶另一场伟大的科学革命。这就是说，常识曾告诉我们大地是扁平的，但空间和时间并不像这般平直。相反，它们因处在其中的物质和能量而被弯曲和变形。无限数目的粒子的封闭圈将具有无限的能量，并把空间和时间卷曲到一个奇点。
　　为了处理这种无限的能量，需要某种真正有创造性的计算方法。关键的概念是自然界中一种新的平衡或者说对称，它被称为超对称，在１９７１年由戈尔凡和莱特曼这两位俄国人最先提出。这种观点就是，除了我们所熟悉的空间和时间的普通维度之外，还有用所谓的格拉斯曼数来度量的额外维度。当然，多年来科幻小说一直告诉我们说存在有额外维度。但即使科幻小说也没有想到过任何像格拉斯曼维度这样奇异的（ｏｄｄ，奇性的）东西。在这里，“ｏｄｄ”（奇异的，奇性的）一词除了奇异的这种通常含义之外，还有技术性的用法。普通的数被说成是偶性的，因为它们与人们将其相乘的顺序无关。４乘６等于６乘４。但格拉斯曼数在这样一种意义上是奇性的：Ｘ乘Ｙ等于负的Ｙ乘Ｘ。
　　这些额外奇性的维度的存在说明，所有种类的粒子都有相应超伴的类。超伴种类的粒子也将具有封闭的粒子圈，但超伴粒子的能量将有与那些原来种类粒子的能量相反的符号。这样一来，无限的能量就常常会相互抵消。不过正像总统所了解的那样，平衡预算是一件需要非常精心处理的事务。即使人们消除了主要的赤字，较小的赤字也总是烦人地出现。在过去２０年中，理论物理学中很大一部分工作，就是寻找一种在其中彻底消除无限的理论。只有这样，我们才能把量子理论与爱因斯坦的广义相对论统一起来，并得到一个关于宇宙的基本规律的完备理论。
　　有希望出现的情况是，在下一个一千年中，我们将发现这种完备的理论。我想说这种理论会是十分出色的，但这是因为我是一个乐观主义者。在１９８０年我就说过，我认为在随后的２０年中，我们发现一种完备的统一理论的机会是一半对一半。在从那时起的这段时间中，我们有了一些重要的进展，但最终的理论似乎还是那么遥远。难道物理学的圣杯将总是让我们可望不可及吗？我想不是这样。２０世纪初期，我们认识了自然界在经典物理学尺度上的运作机制，经典物理学在小到百分之一毫米的范围是正确的。在本世纪的前３０年，关于原子物理学的研究使我们认识了小到百万分之一毫米的尺度。从那时起，对原子核和高能物理学的研究将我们带向的尺度要比原来尺度的十亿分之一还小。看来似乎我们可以永远不断地发现在越来越小尺度上的结构。然而，对于这个系列，存在有一个极限，就像在一个套一个的俄罗斯玩偶的系列中有一个终点一样。最终，人们会发现一个不可再拆卸的最小的玩偶。在物理学中，最小的玩偶被称为普朗克长度，它是把一毫米分成１０亿亿亿亿份