真正的断臂维纳斯,一点都不美

作者笔记侠,引自虎嗅

内容来源:2018年4月25~4月28日,高山大学(GASA)2017级北京站,张双南教授(中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室主任,国家天文台空间科学部首席科学家)分享“美的科学和科学的宇宙观”。

一、美是什么?

这是一个非常严肃的问题。

第一个提出这个问题的学者是古希腊思想家苏格拉底,他的学生柏拉图对这个问题做了很多研究,柏拉图的学生亚里士多德也研究了这个问题,最后师徒孙三代得到的结论却相当不一样。近代哲学家黑格尔也研究了这个问题,还写了一本书叫做《美学》。

在这里,我不赘述介绍他们的理论,引用复旦大学朱立元教授在美学课程中的总结,他说:对于美是什么这个问题,我自己觉得还没有办法回答。

柏拉图《大希庇阿斯篇》是人类的第一本美学专著,围绕希庇阿斯和苏格拉底的对话,以对话形式展开 “美是什么”的思考。其实这本书记录的是柏拉图和他的老师苏格拉底关于“美是什么”这个问题的讨论。对话到结束的时候,柏拉图说,“美是难的”。

朱教授说,他觉得这是千真万确的至理名言。

1750年,德国哲学家鲍姆加登正式将“美学”确立为一个学科,研究人与世界审美关系。研究对象就是人类的审美活动,研究目的就是理解审美规律,找到美的判断条件。

因此,美学的任务不是回答美是什么,也不能回答,因为美学就是审美学——美是审出来的,审视之前美并不存在。所以可以说,“美是什么”本身是个伪命题。

二、审美观和审美规律

传统美学意义上的审美观包含:

1. 美的本质是什么?
2. 什么样的审美对象是美的?

也就是说,传统美学认为审美观就是“美是什么”(也就是美的本质)和“什么是美”(也就是对象的客观性质)的统一。但事实上我们每个人都有各种各样不一样的审美观,于是,“美是什么?”“什么是美?”也就都是伪命题了。审美规律,也就是美的判断条件,是主观对客观的判断。

审美规律所要回答的一系列的问题包括:

美的判断条件是否存在?
美的判断条件是否唯一?
如何发现美的判断条件?
如果存在判断条件,那这个条件到底是什么?

1. 基于大脑的审美理论

从神经学的角度理解审美规律,有一篇2011年发表,至今被引用了134次的超级论文,叫做《基于大脑的审美理论》。论文基于大脑的审美现象,想要理解几种常见的不同类型的审美——关于艺术的美,关于音乐的美,以及我们出去看风景的美,它们之间有没有联系或共性?

这个论文研究的出发点是人脑中一个叫情绪大脑的区域,这个区域负责快乐和奖赏,换句话说,如果我们获得了奖赏或者感觉快乐时,大脑的这个区域就活跃起来了(活跃度可以用仪器测量出来)。

在这篇论文中,研究者得到的一个结论,艺术美、视觉美是通过我们的眼睛感受到的;音乐美是通过耳朵感受到的,它们传达到我们大脑中之后,激起了同一个区域的活跃(情绪大脑区域)。

这份研究还进一步说明,当一个人感觉到的美的程度不一样时(我把它叫做“美度”),这个区域的活动就不一样,大脑的活动性与美度呈正相关——感受到的美的程度越高,情绪大脑越活跃。

除此之外,这个论文也研究了“丑”,结论是“丑度”也和大脑的活跃度呈正相关,但是激发在不同的区域,也就是大脑感受美和感受丑的区域不一样,而且不同类型的丑会引起大脑不同区域的活动。

这个论文的主要结论是:在视觉和听觉上,大脑感觉到美和丑的区域没有重叠,这是非常好玩的事情。

2. 从科学的角度研究审美

我要展示的第二篇研究审美的超级论文的阅读次数排名前99%,也就是说99%的论文都不如它的阅读量高,只有前1%的论文阅读量和它是相当的。

这篇论文从科学的角度研究审美,有三个作者,分别为神经科学家、物理学家和数学家,这个数学家曾获菲尔兹奖(被视为数学界的诺贝尔奖)。

于是,这是一个交叉学科的研究,研究的是数学审美的经验及其神经关联(即,数学方面的美和脑神经的关系)。这篇论文的研究方法是:在伦敦地区找了一批22到32岁的数学家,进行两轮测试。

第一轮测试,让他们对60个数学方程的美丑进行排序;第二轮测试,借助仪器收集他们判断美或丑时的大脑活动。

测试表明,在这些数学家心目中,非常美的方程和非常丑的方程都是很少的,大部分方程都被认为是中庸的,不太丑也不太美,所以美和丑的比例都不多。

在第二轮测试中,研究人员让数学家看一个数学方程,问美不美、美到什么程度,同时把对他大脑的扫描结果记录下来。随后他们又研究了扫描前和扫描过程中的相关性——扫描前认为美的方程式,在扫描过程中你是否还认为它美?这一次,他们得到的结论非常有趣:

美和中性的感受是高度相关的,也就是说,在扫描之前你认为这个方程很美或者中性,在扫描过程当中,你仍然认为它美或者中性,是高度相关的;但是对丑的判断就比较乱了,例如你在扫描之前认为这个方程是丑的,但是在扫描的时候你就可能改变了主意。所以,我们的大脑对美和丑的判断过程是不同的。

在测试过程中,被测试者也需要回答:你是否理解这个方程?(数学家也不一定对这60个方程都理解。)

在这个问题上的结论是:被评价为美或者中性的方程大部分都是理解的方程;而那些被评价为丑的方程,大部分都是不理解的。所以,一个人认为美的事物通常是他所理解的,而不理解的事情通常都会归于丑。

最后他们也分析了到底是大脑中的什么区域,让数学家觉得这个方程是美的,结论也是情绪大脑区域。

结合前一篇论文的结果,我们可以发现,不论是你看到的是艺术美、音乐美、风景美、还是数学美,大脑中总是同一个区域在发生反应,这是脑神经学对美学的研究结果。

我们对大脑神经的美学研究做一个简单总结,得到以下几点结论:

首先,视觉、听觉和数学美的活动区域都是情绪大脑,属于情感区域,因此我们得到结论——审美是情感的活动;其次,这个活动区域是负责快乐和奖赏的,因此我们得到结论——美感就是给我们带来快乐的那种感觉,是对我们的奖赏;再次,极美和极丑都属于不太常见的现象,中庸的比例很高;

最后,美和理解之间,理解是美的必要条件,不理解就不可能带来美感。

这些结论说明:美的判断条件是存在、且唯一的,是我们大脑中的某个区域受到某种影响,给我们带来了美的感觉。但是这些研究都没有找到美的判断条件。

那么如何来找美的判断条件?我们用科学研究的标准做法:三段式的科学研究法。

首先是归纳。想要总结不同类型的美之间到底有没有共性,就要先用归纳法进行思辨。如果归纳成功,我们就可能得到了美的判断条件,但这还不够。

第二步,证实。证实的意思就是尽可能地去穷举更多的美,逐一验证它们是否符合美的条件。根据我们前面通过归纳找到的美的判断条件:美的就应该是美,不美的就不应该美。

也就是说,对于“每”一个“你”觉得美的审美对象,如果它不符合前面找到的美的判断条件;或者,对于“每”一个“你”觉得不美的审美对象,如果反而符合美的判断条件,都说明判断条件是有问题的,需要返回去修改,直到我们认为所有美的都符合美的判断条件,所有不美的都不符合美的判断条件。注意“每一个”很重要,因为你需要“穷举”,但一般情况下这是不可能做到的。

这说明,只靠“证实”不能保证一定能够找到审美规律,而这个原则对于一般的科学研究也都是适用的。换句话说,无论找到多少“美的就应该是美”的例子,或者多少“不美的就不应该美”的例子,都不能证明“美的判断条件”是普适的,因为无法对“所有的”审美对象进行检验。

但是,找到的上述例子越多,就说明“美的判断条件”的适用范围越广,所以“证实”是科学研究中很重要的一步。

最后,也是做科学研究最重要的一步:证伪。

证伪,简言之就是举反例,即根据前面的美的判断条件,寻找是否存在这样的审美对象:应该美的但是不美,不应该美的反而美。

如果找到了某一个审美对象,根据美的判断条件它应该是美的,但是“你”觉得不美,这就是一个反例;反过来,如果找到了某一个审美对象,根据美的判断条件它不应该是美的,但“你”觉得美,这也是一个反例,两个反例都说明判断条件有问题,需要返回去修改判断条件。

需要注意的是,证伪不需要穷举,因为你是从“美的判断条件”出发,有针对性地找反例(相当于根据理论模型做出可以被检验的预言),每一类审美对象只要找到一个反例,就找到了判断条件的适用边界,很快就可以收敛,所以是功能非常强大的科学方法,因此这一步是最重要的。

经过多次“归纳、证实和证伪”的循环重复,“你”最后就有可能找到美的判断条件。当然,前提是它存在(从科学方法的角度,至少是有可能找到的)。我自己用这个三段式科学方法研究美学已长达几十年,得到的结论:美的判断条件有六个字:没缺陷、不常见。

实际上就是我们的大脑做审美判断的两个要素:缺陷与常见。

缺陷的意思是,靠你的价值观来判断某个审美对象是不是符合你的价值观,如果是,你的大脑就会给出“没缺陷”的判断。例如,我说我现在演讲所在的教室是没缺陷的,意思是说它满足我给大家上课的条件,也满足大家在这个课堂里听我讲课的条件。这里要说明的是,审美更主要的是在于精神层面,也就是我们认为的自然、合理、完整、真善等。

每个人的价值观是不一样的,所以对同一个审美对象,有人认为没缺陷,有人认为有缺陷。

一般来讲某个审美对象是否“没缺陷”并不是这个审美对象的客观属性,而是审美者“你”的主观判断。常见的意思是,你会依据自己的见识来判断某个审美对象是否常见。但每个人的见识是不一样的,所以对同一个审美对象,有人认为常见,有人认为不常见。

例如,去年夏天的一个雨后,北京出现了双彩虹,当天晚上直到后面一两天,各种彩虹的照片在朋友圈里刷爆了,很多人都觉得它美得不得了。

但是,如果你拿这个照片到山区里问一个老妈妈,这个照片漂亮不漂亮,她就没有感觉,因为她经常看见这种彩虹。

为什么双彩虹在北京会被觉得很美?很简单,因为北京不容易出现这样的景像,而且是自然现象,需要特别好的条件,傍晚、雨后天晴、空气干净等等。所以这在北京人的价值观里是没有缺陷的,同时又满足了我们认为不常见这个条件。

所以,一般来讲某个审美对象是否“不常见”也并不是这个审美对象的客观属性,而也是审美者“你”的主观判断。当然“你”的上述两个主观判断都是和这个审美对象的客观属性有关的,可以说是主客观结合的结果。

那科学的美学基础在什么地方?

首先,审美是情感的活动,这使得我们对美的判断存在唯一条件。其次,美感带来的快乐是奖赏。第三,极美和极丑的比例很低,中庸的比例很高。第四,美感可以量化(审美可以用公式计算出来,因为太技术化,今天不展开讲)。第五,美和理解有关,理解是美的必要条件。第六,不同的丑激活的是大脑的不同活动区域,所以丑是多条件带来的,而美是唯一条件带来的。

这6个结论让我得出了两个判定要素:没缺陷、不常见,就是美的充分必要条件,这两个要素缺一不可,但也不需要其他要素了。

大家也许会说,为什么偏偏是这两个要素构成美,而不是三个或四个?因为这是我们做科学研究的最基本的原则,就是奥卡姆剃须刀定律(原理的含义为“如无必要,勿增实体”),要求我们建立最简单的模型。

当我们发现两个要素就够了,便不再找第三个了,但一旦这两个因素不足以解释全部现象时,就要增加一个因素了。对于审美来说,目前看来这两个就够了。但同时,我们要知道,创新必须存在跳跃,而不仅仅是线性推导出来的结果。我们现在所有的新理论都不是纯粹逻辑推理的结果。

所以,没有一个逻辑的推理过程能够从以前的知识出发,推导出审美的两要素,这就是我本人根据审美现象跳跃创新式地归纳得出的结论,这个结论是否正确,当然也需要进行证实和证伪。

对于美的判断条件,我在上文已经为给大家举了很多例子进行了证实,下面我们花一点时间证伪。

三、传统美学的4个误区

对于美的判断条件进行证伪的过程,需要回答一个问题,“有没有不符合‘没缺陷、不常见’的美?”如果有,就说明这两个要素不完整或者不对,需要修正。

相信在我讲没缺陷、不常见时,很多人脑海中都想到了断臂维纳斯。它在传统美学理论中称为缺陷美或者残缺美,那么既然是残缺美,不就说明缺陷能够带来美吗?这不就明显不符合我的理论了吗?

实际上,它是个雕塑作品,雕塑没有实用功能,所以它的断臂不是缺陷,我从来没有见过一个女孩子为了追求更美而去断臂。我曾经与一个艺术家沟通这个问题,他坚持认为缺陷能带来美。我问,为什么没有一个女孩子把脸上弄个伤疤来追求残缺美?他给我的回答非常有趣,他说因为她没有神经错乱。

这说明,可能只有神经错乱了才会真的追求残缺美,因为神经错乱之后人的价值观变了,这种状态下的人认为的没缺陷与我们正常人认为的没缺陷已经不一样了,在他看来那已经不是缺陷了。

所以,雕塑的断臂不是缺陷,当然也不是缺陷美的佐证。

在东方美学中,也有一个很重要的所谓的残缺美的代表,就是宋代汝瓷上的裂纹。但是如果我们在网上订了一套精美的瓷盘,来做为餐具,结果打开一看,上面全是裂纹,你是高呼残缺美、还是立刻跟客服打电话要求退货?必然是退货。

宋代汝瓷的裂纹在当时其实是烧制工艺的缺陷,所以没有生产多少就停止了,因此宋代流传下来的带裂纹的汝瓷非常少,这使得汝瓷成为稀有的收藏品,并没有使用价值。

所以作为收藏品而不是实用餐具,宋代汝瓷的裂纹就不是缺陷,加上它非常不常见,所以你会觉得它美。而你家盘子上的裂纹就不美!因为作为餐具的瓷盘是裂纹那就真的是缺陷了,当然不美!

我刚才提到的那两个条件中没有“距离”,但传统的美学史有很大一部分是讲距离产生美的,其中大部分是讲“距离”的各种心理学效应。这是否违背了“没缺陷、不常见”的判断条件?实际上,“距离”能产生美的本质是,距离掩盖了缺陷(这一点与化妆会“使人变美”是一个道理),而且在远处看不清,就有了产生各种“不常见”的想象的空间。

“情人眼里出西施”也是常见的现象,貌似也和“没缺陷、不常见”没有关系。事实上,因为爱,使你忽略ta的缺陷,又使你发现ta的不常见。

再如,自己家的孩子再调皮,在爷爷奶奶眼里都是聪明的表现,就是没缺陷;自己家的孩子的一举一动、成长过程的任何变化,在父母的眼里都和人家的孩子不一样,就是不常见。在“情人”眼里也是如此。

通过问这个问题,我们发现了传统美学的第一个误区:只罗列“美” 的表象,不追问表象背后的原因。

断臂维纳斯美、有裂纹的宋代汝瓷美、距离产生美和情人眼里出西施都是事实,但是美不是因为断臂和裂纹、也不是因为距离和情人,而是因为没缺陷、不常见。

同时,我们也发现了传统美学的第二个误区:混淆审美对象和艺术品的对象。

我们审美的对象应该是艺术品,非艺术品的对象。所以艺术品的对象有缺陷不等于艺术品有缺陷,这是两件不同的事情。举例来说,描述战争的作品可以很美,描述死亡的艺术品、描述疾病的艺术品也可以很美。但是战争、死亡、疾病都不美。所以混淆审美对象是传统美学的第二个误区。

有很多传统美学理论认为对称为美,也有很多传统美学理论认为真实为美,现在认为简洁为美的似乎特别多。事实上,我们可以很容易举出很多反例说明有时候对称不美、不对称反而美,真实可以很丑陋,有些情况下复杂也很美。

这就说明这些美学理论都是把个例作为了普遍现象,不但没有做任何“证伪”,就连“证实”也是很不完全的。因此我们就发现了传统美学的第三个误区是:个例作为普遍,无证实无证伪。

事实上,我们如果仔细考察每一个所谓的对称美、真实美或者简洁美的例子,就会发现这些审美对象美的本质不在于对称、真实或者简洁,而是仍在于没缺陷和不常见。

我们经常看到舞蹈演员的照片,这个画面的左侧和右侧的姿态非常一致和对称,让人觉得特别有美感,事实上这就是作为对称美的例子被用来“证实”对称美理论的。实际上演员是做不到这样的对称的,这个照片是电脑合成的,形成了没缺陷、不常见的美。既然这是合成的照片,当然就违反了所谓的“真实美”的理论。

如果对称、简洁、真实就很美的话,我可以在电脑上用软件画一些非常对称和简洁的图,由于是我画的,当然也是真实的。尽管满足了对称、简洁和真实的所有条件,但是会有人觉得它美吗?不会。虽然这样的图画一点缺陷也没有,但是因为很常见,谁都能做到,所以不会给人审美快感。

我们在这里总结一下,什么是审美观与品位?审美观就是判断美的能力,由价值观和见识组成,是审美者的个人能力。

价值观判断是否有缺陷:符合你的价值观,对你来说就是没缺陷;见识判断是否不常见:你见得少就是不常见,和审美对象是否一直在那里或者是否普遍存在无关。

品位就是展示美的能力,由价值观和见识决定,是展示者的个人决定。价值观决定展示什么是没缺陷,见识决定怎么展示不常见。

为什么不同的人有不同的审美观?因为我们有不同的价值观和不同的见识。对同样的人、事、物,谁认为没缺陷不常见谁就认为美,什么时候觉得没缺陷不常见什么时候就觉得美。因此,从原则上来讲,根本就没有客观美、绝对美、普世美、永恒美。

也就是说,这个世界上没有脱离了审美者的“形而上”的美,这也是 “美是什么”和“什么是美”都是伪问题的原因。于是,我们找到了传统美学的第四个误区:越俎代庖,强加于人。

传统美学一直想找到一个美可以令所有的人都承认,从苏格拉底开始,就一直没找到结果,所以最后只能答非所问:美是难的!

我们到这里,通过对审美的“没缺陷、不常见”两要素的证实和证伪研究,不但进一步验证了“没缺陷、不常见”两要素的确是美的充分必要条件,而且还找到了传统美学的四大误区。

既然做科学就要刨根问底,那么我们必须问一个问题:为什么美的判断条件就是没缺陷、不常见?这个问题仍然可以从大脑神经学的审美现象研究结果进行回答。

因为审美是以自我为中心的感性行为,没缺陷符合自我价值观或者是对自我的有用性,因此就是对审美者的奖赏,而不常见则提升自我价值或者体现自我优越感,因此会给审美者带来快乐。而我们的大脑负责奖赏和快乐的区域就是情绪大脑,所以遇到没缺陷、不常见的审美对象就会使得情绪大脑活跃,而这就是美感。

在这里,我们简要地总结一下审美要素的各种可能组合都会产生什么审美判断:没缺陷不常见=美;没缺陷很常见=俗;有缺陷很常见=丑;有缺陷不常见=丑哭;完全没缺陷极端不常见=美哭。

四、从审美的角度看社会发展的动力与科技创新的本质

我们从另一个角度看美学,讲一下进化和社会发展的动力,以及科学和技术创新的本质。今天的中国社会是个多元化的社会,是一个非常有生命力的社会。既然没有普世美,那么就只有多样美,有多样美才有生命力,这应该就是进化的一种自然选择。

追求没缺陷的进化才能生存,追求没缺陷、不常见的进化才会成功,因此成功的进化本质上就是追求美的成功。在自然界中有很多动物的样子很奇怪,这往往是它作为一个物种成功存活的重要因素。

同样,我们在社会上也会见到很多很奇怪的、和其他人不一样的人,往往是这样一类人,获得了成功。追求没缺陷、不常见就是追求卓越、追求杰出。我们经常评选的“最美教师”“最美警察”和“最美清洁工”,实际上和他们的颜值无关,我们评的就是最“没缺陷、不常见”的教师、警察和清洁工!

技术创新的目的是弥补各种能力的缺陷,包括弥补人的能力缺陷和现有技术的缺陷。

比如,跑得不够快,我们造高铁、造飞机,技术创新的结果就是创造出不常见的各种技术,越是颠覆性的技术,其能力就越强、越不常见,所谓的“黑科技”就是你以前不但没有见到,而且都没有想到的功能强大的新技术。

而科学创新的目的就是弥补原有科学理论的缺陷,新的科学理论必须具有预言新的未知现象的能力,而发现不常见、甚至完全未知的新现象就是科学突破。比如相对论理论弥补了牛顿理论的缺陷,同时预言了很多新的现象;量子力学也弥补了经典物理的缺陷,同时预言了很多新的现象,这些预言绝大部分都已被观测或者实验证实了。

因此我们就得到结论:社会发展的动力和科技创新的本质都是对美的追求。

五、从审美的角度看天文学的发展

接下来让我们看看2000多年来,天文学是如何通过对美的追求与研究达到了今天的成就,以及宇宙未来的命运与审美这件事情又有什么联系?

我这次分享的标题——“宇宙未来的命运”,它其实与审美有着密切的关系,只有把这个问题理解清楚了,我们才可能对2000多年来的天文学研究有比较清楚的认识。

人类第一个宇宙观是地心说,亚里士多德提出的地心说,认为地球是宇宙的中心。那么亚里士多德是偶然建立了地心说吗?不是。他这样做有两个原因:

首先,地心说符合当时的天文观测知识,从人的角度看,太阳每天东升西落,月亮也是如此,它们在今天看起来都是绕着地球转的。

第二,亚里士多德还基于当时的美学观进行了思考。当时的美学观点认为匀速圆周运动是最完美的运动,而球是最完美的几何图形。

但是地心说与后来的天文观测不符合——我们观测到了天体的逆行,比如火星在地心说的情况下应该是按照这个方向走的,但观测到的却不是这样走的,地心说不能解释这一点。

因此这个理论是有缺陷的,必须要修改。托勒密(罗马帝国统治下的著名的天文学家、地理学家、占星学家和光学家。)对这个模型进行了修改。

托勒密说,既然天体只绕着地球做匀速圆周运动不行,那就让这个天体在围绕地球做匀速圆周运动的同时,也绕着自己的轮子做匀速圆周运动,这样既符合观测的结果,也满足了当时的审美观。

但是,如果要天体做匀速圆周运动,每个天体都要有一个“轮子”,轮子的参数还需要精密观测,所以整个模型极为复杂,不但没有道理,而且也不符合简洁唯美的美学观念。

那怎么办呢?改。哥白尼提出了日心说——所有的天体绕着太阳运动,地球也绕着太阳运动。由于它们的角速度不同,所以相当于地球有时正着跑,有时反着跑—这就是天体的逆行。这是哥白尼日心说的基础。

哥白尼认为这个模型比托勒密的模型要简洁得多,而且可以解释观测现象,他觉得很美。从没缺陷的角度上讲,它自然地解释了天体的逆行;从不常见的角度上讲,这是当时最简洁而且全新的一个宇宙观。

哥白尼用一个简洁的理论解释了复杂的天文观测现象,这是用美指导科学理论模型的成功事例,也是人类历史上第一次基于美学理论正确解释天体运动。虽然日心说可以解释天体的逆行,但是精度并不高,所以在有些人看来仍然是有缺陷的理论。

后来,开普勒发现,天体并不是做匀速圆周运动,而是做开普勒运动,天体的运动轨迹不是圆,而是椭圆。但是开普勒运动和匀速圆周运动相比,好像没有那么美,因为要复杂很多,而且也没有什么道理,所以很多人不相信。

这时,科学家伽利略发明了天文望远镜,用天文望远镜观测天体,证明了日心说是确凿无疑的正确理论。

证据主要包含两点:首先,伽利略观测到木星有卫星,表明至少有一些天体是不绕地球运动的;第二,他还观测到金星和月亮一样有阴晴圆缺,这种情况只有用日心说才能解释。

所以,伽利略找到了地心说曾经无法弥补的缺陷,日心说终于被大家接受。

但是,日心说在本质上仍然是有缺陷的,因为有天文学家观测了银河系内的恒星以及星团,发现尽管太阳是太阳系的中心,但是太阳系不处于宇宙的中心。因此,广义的日心说不符合后来的人们对更多天体的观测。

到这里,我们完成了人类宇宙观的第二次飞跃(第一次飞跃是哥白尼建立日心说,第二次飞跃是发现原来太阳系不是银河系的中心)。

人类宇宙观的第三次飞跃是哈勃发现了银河系并不是整个宇宙。

以前,天文学家们认为银河系里面包含一些的点状的恒星和一些星云,这些恒星和云漂浮在宇宙空间当中,银河系就是整个宇宙,这就是所谓的“孤岛宇宙”。

但是哈勃发现,这些星云并不真的处于银河系中,而是来自银河系外的远方星系,把哈勃发现的结果直接外推,整个宇宙就是巨大无边。哈勃解决了“星云”问题,但是又带来了另外一个问题,这就是奥伯斯佯谬。

如果宇宙是无穷大的,宇宙中就存在无穷多的星系,那么在我们地球上就会接收到无穷多的天体的光,那无穷多天体的光加起来就是无穷亮。于是,德国天文学家奥伯斯在1823年提出,若宇宙是稳恒态而且无限的,则晚上应该是明亮而不是黑暗的,甚至会亮瞎我们的眼睛!

但我们并没有被亮瞎,夜晚也是黑暗的,所以哈勃的巨大无边的宇宙模型仍然是有缺陷的,而且缺陷很大,当然这个模型就不美。

这时发生了人类宇宙观的第四次飞跃:宇宙膨胀说。

哈勃没有停止工作,他继续研究这些星系,他发现这些星系在背对着我们地球跑,而且距离地球越远的星系,跑的速度越快。于是判断出宇宙在膨胀,那么如果把时间退回去,宇宙就必然有个起源,所以宇宙是有年龄的。

所以宇宙中的天体也是有年龄的,而且那时候已经知道光速是有限的,而且光速是速度极限,那么我们接受到的光线必定是有限的,于是就解决了“为什么我们没有被亮瞎?”的问题。

人类宇宙观的第五次飞跃:发现宇宙大爆炸起源。

第二次大战之后,用无线电天线做通讯变成了很主流的技术,有两个无线电工程师发现,他们利用天线接收到的信号来自于宇宙的四面八方,不仅来自于人类、太阳,也不仅来源于银河系,后来发现这是宇宙大爆炸残留下来的辐射,于是找到了哈勃提出的“宇宙起源”是什么。

在宇宙大爆炸被发现之后,天文学家的一个主要任务就是来测量宇宙到底是如何膨胀的(宇宙的膨胀到底是怎么减速的?)。

我们知道,宇宙天体之间是有万有引力的,我们在地球表面向上扔一个石头,石头向上的速度一定会越跑越慢;如果要让它跑得越来越快,必定需要在石头后加一个动力。

同理,宇宙大爆炸之后,这些天体就没有动力推动了,膨胀速度应该变得越来越慢,而测量结果表明今天的宇宙的膨胀没有变慢,而是在变快。那么必定有一种力量在推动这些天体进行运动。

目前,我们认为这个力量就是暗能量。这是1998年三位天文学家的发现,他们发现宇宙当中充满了暗能量,并在2012年获得了诺贝尔物理学奖。这就是人类宇宙观的第六次飞跃:宇宙正在加速膨胀。

六、宇宙的未来的5种可能

我们的宇宙是由137亿年的一次大爆炸产生的,大爆炸之后,宇宙中产生了恒星、星系,这一段时间的宇宙膨胀是减速膨胀。

大约从50亿年前开始,由于暗能量的存在,宇宙进入了加速膨胀阶段,宇宙膨胀速度越来越快。那么宇宙的将来究竟会是什么结果呢?由于我们对暗能量的性质还不够了解,只能对其结果的几种可能性进行猜测:

可能性一:膨胀到一定的阶段后进行收缩。也就是说,暗能量不起作用了,宇宙最后会收缩到一个点,然后再开始一次新的膨胀。这相当于一次新的大爆炸。

可能性二:临界膨胀。指宇宙的膨胀经过无穷长的时间之后会停下来。

可能性三:滑行式膨胀。指宇宙的膨胀经过无穷长的时间后仍不会停下来,而是会像今天这样一直膨胀下去。

可能性四:加速膨胀。虽然加速膨胀不会给我们带来很多损害,但会使得我们在地球上最后只能观测银河系,银河系以外的其它星系都看不见了。这时的宇宙看起来会很无聊。而这中间的三种可能性对人类生活的影响都不会太大,几乎只影响天文学家的工作。

可能性五:大撕裂。这最后一种可能性是最可怕的——在未来某个时候,暗能量的作用大到会使得宇宙当中的所有物质,包括我们的身体、我们身体中分子、原子都会被暗能量扯开,到时候对我们的影响就很大了。

七、科学研究的两个重要途径

我们最后还是回到对美的讨论。我们对美的追求是永无止境的,因为美是没缺陷、不常见的,但今天觉得没缺陷的事物,可能明天我们的价值观变化了,就会发现有缺陷;今天觉得不常见的,明天见多了就会觉得常见了。

所以未来我们做科学研究的2个重要途径就是:

第一,继续找缺陷。

科学的发展的过程往往是,当我们找到一个旧的理论缺陷,它才有突破的可能,我们才有办法构建一个新的理论。

比如,我们很希望找到广义相对论和量子力学理论的缺陷,这样就有可能回答“广义相对论能够完全描述黑洞和宇宙吗”“量子力学完全适用于宏观世界?”等等这些问题。比如,我们国家的“墨子号”量子卫星证明了在上千公里的距离上也存在着量子纠缠现象。

一次我和潘建伟(量子通信科学卫星“墨子号”首席科学家)团队的一个科学家聊天。我说,虽然你们这个卫星的科学实验很成功,所有的科学目标都实现了,也获得很多大奖,但是我对你们的实验结果极为失望!

这位科学家很意外:难道张老师希望我们的实验失败吗?我回答说,如果你们的实验证明,量子纠缠现象在上千公里的距离上不成立了,绝对会获得诺贝尔物理学奖,因为我们人类终于找到量子力学的一个毛病(缺陷)了,这样就能够突破现有的量子力学理论,找到更普适、更深刻的科学理论了!

第二,继续发现新的不常见。

比如,我们还不知道暗能量是什么,不知道暗物质是什么,也不理解量子纠缠、引力与虫洞之间到底有什么关系?只有通过不断发现新的观测或者实验现象,甚至发现广义相对论和量子力学理论都没有预言的现象,这些新的不常见,才能够给我们带来新的科学突破。

今天的终极大问题是宇宙未来的命运到底是什么?我想如果我们可以理解暗能量的问题,距离解决这个终极问题,也就为时不远了。

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