大历史,小世界:关于宇宙,我们了解多少?

你可曾想过,如何从头开始讲宇宙的故事?科学家都知道宇宙始于138.2亿年(前后有几百万年的出入)前的宇宙大爆炸。宇宙的故事涵盖了138.2亿年,的确是个大工程。

一、什么是“大历史”?

讲述从宇宙大爆炸到现在的故事,这被称为“大历史”。(其他说法还有“宇宙历程”“进化史诗”或“宇宙进化”等。)讲述这样一个故事,就像爬到山巅,俯瞰山下的整个景色,或者跳进宇宙空间,观望整个地球。虽然无法看到大部分细节,但整个图景尽收眼底,而这在山谷中是看不到的。

从宇宙大爆炸到此时此刻,从古至今,大历史无所不包。大历史的讲述者被称为“大历史学家”。他们的知识和信息来自多个学术领域:从天文学、物理学(原子、恒星和星系)到化学(原子组合成元素);讲到行星的形成,需要地质学的知识(岩石及其形成);说到生命的起源,需要生物学的知识(生物体);人类出现后,又得掌握人文学科的知识——考古学、人类学、历史学、哲学、社会学以及政治学。你会发现,大历史从最大的尺度上讲述历史,几乎涵盖了人类知识的大部分学科。为了运用这些知识搞明白过去发生的故事,大历史将科学和人文融为一体。

到了20世纪70年代后期和80年代,世界各地的很多大学教授都开始讲述整体历史。之所以能做到这一点,是因为那时他们已经积累了以实验和观察为基础的经验知识,并能加以应用。而测量物体年代的技术也得到了显著提高。到1953年,科学家已经确定地球的年龄为45亿年,同时也估算出宇宙的年龄,约为100亿至200亿年。到20世纪70年代,大多数科学家都接受了“板块构造论”——地壳的板块在地球内部半熔融的物质上漂浮移动。这一发现是了解地球历史的关键。

这些发现让整个故事的讲述成为可能。1989年,澳大利亚悉尼麦考瑞大学的历史系教授大卫?克里斯蒂安,邀请学校内其他院系的专家每人开讲一部分,开始向学生呈现大历史的样貌。克里斯蒂安创造了“大历史”这个概念,还写了一篇有关大历史课程的文章,发表在《世界历史期刊》(Journal of World History)上。大历史的概念开始在全世界传播,一些教授也开始开设相似的课程。

二、何为经验知识?

大历史是以经验知识为基础的,而知识是通过形成概念或解释,然后对其加以证实才获得的。科学家通过实验和观察获得经验知识,历史学家通过验证既定事实获得经验知识。英语中的“经验”(empirical)一词源于希腊语,意思就是“经验、体验”。经验知识是通过“科学方法”不断发展的。而且经验知识是现代世界知识的主要形式,全世界的科学家都采用这种方法。它以严格、系统地使用精心验证过的证据为基础,始于17世纪初。

当时显微镜和望远镜的发明,拓宽了科学家的观察视野,而跨洋航运也使得全球贸易和探险成为可能。一开始,科学家可能通过想象猜测。或者他们观察到了什么,然后提出一种想法来解释所观察到的现象。这种想法是通过想象、直觉和逻辑产生的,科学家将其称为“假说”。接下来,他们设计实验或者查找信息,来验证这种想法是否能够解释实验结果。如果不能,便予以否定;如果可以,就继续检验,或者查找新的信息来进一步验证是否与想法相符,直到最后“假说”成为具有很多证据支撑的“理论”。科学理论是指解释和阐释大量事实(数据)的观念。

对于某些主要的思想观念,在积累了足够多的证据的基础上,普通人往往称之为“事实”,而科学家仍然称之为“理论”,比如“自然选择”的进化论就是一例。科学家极其严谨,他们知道,有时新的证据能够推翻主流观念。这是科学方法的一部分。

科学家也是人,即便非常小心,也会出错,会产生偏见。这就是为何要使用科学方法的原因,通过长时间不断试验,才能够得出不带偏见的结论,大部分人才能接受和赞同。世界各地的科学家共同合作,分享许多不同视角的数据,对于自然和宇宙的运行机制,在人类思想的有限范围内,达成一个合理的共识。

举一个科学如何发挥作用的例子。这个例子是关于大陆漂移的,即“大陆运动”的想法最终如何成为完善的板块构造理论。1915年,德国气象学家阿尔弗雷德?魏格纳(Alfred Wegener)提出了“大陆漂移”的假说。1925年,在一次地质学会议上,那些人拿他的想法逗乐,他则静静地听着,抽着烟斗。魏格纳提出的证据是,南美洲的轮廓与非洲西部的轮廓刚好吻合,而分处大西洋两岸的两块大陆上,发现了相似的动植物的化石。但魏格纳无法解释,究竟是何种力量如此巨大,能够移动整片大陆。由于他解释不了运动的机制,而且他只是个气象学家,并不是地质学家,所以多数地质学家都不接受他的假说。1930年,魏格纳在格陵兰岛监测气象时,死于意外。

直到第二次世界大战期间,关于大陆漂移的进一步证据才出现。美国海军司令官亨利?赫斯(Henry Hess)——他同时也是一位经验丰富的地质学家——使用一种叫作“声呐”的新工具,收集海底的轮廓信息。(声呐将声波传入水中,检测物体并测量物体之间的距离。)他发现海底并不平坦,这一点令他颇感意外。20世纪50年代,进一步的研究确定,海底火山在大西洋中部和太平洋中部形成了高脊。1962年,赫斯出版了一本书,描写海洋盆地的由来以及地壳如何在火山山脊的两侧移动——在火山山脊处,新的物质从地球中心喷发出来。

20世纪60年代,研究者进一步发现了新的证据:距离山脊越近,洋底越年轻,而越往山脊两侧延伸,年代越久远。这一证据证明了海洋底部地壳移动的假说。接下来,科学家就可以把所有的知识整合到一起了:不只是大陆在移动,海洋地壳的所有板块也在移动,带动附近的大陆地壳移动。

这些板块都是地壳的组成部分,地壳分裂成几块。致使板块移动的力量,是洋脊涌出来的新物质造成的。在半熔融的地幔上方,新物质不断将旧的物质往两边推开。到了20世纪70年代,板块构造理论成为地质学领域的核心观念,或者说“范式”。

受到这些故事的鼓舞,一些科学家认为,科学最终能够发现几乎所有事物的奥秘。对他们来说,要想达到这一目标,只需不断增加观察,提高实验工具的精确性,以及扩大观察的范围。科学令人兴奋,因为科学看似总是处于发现新事物的前沿。

你觉得科学家能够最终发现所有应知的事物吗?当前的知识爆炸将引领我们走向何方?当然,没有人知道这些问题的确切答案,但是有一些科学家和哲学家提醒我们,人类所能获知的东西可能是有限度的。

毕竟,人类的感知能力是有限的。鹰的视敏度优于人类2到3.6倍——具体视鹰的种类不同而有所不同。人类听不到的低频声音,大象能够听到。每个物种在进化的过程中,都发展了有利于其祖先生存下来的感知功能。

我们人类所能看到的世界,只是沧海一粟而已。举个例子,太阳中心的核反应产生中微子,这是一种比电子小得多的基本粒子。每秒钟有几十亿的中微子穿过我们的身体,但我们却无法看到。人类能够看到光,但光只是电磁辐射的一小部分,有很多波长的电磁辐射是我们看不到的——伽马射线、X射线、紫外线、无线电波等,这些在波谱中的波段都是肉眼无法捕捉到的。因为在数千年的时间里,看到它们与否并不影响人类生存。螨虫寄生在我们的睫毛上,细菌在我们的皮肤上爬来爬去……对于这些,看不到是个好事。

很明显,对于科学家来说,无论何时,虽然有非常精密的仪器,但大部分自然世界仍处于未检测或是无法接触的状态。关于人类积累的知识,有一个引人深思的比喻:人类知识貌似无边无际,但也只是未知的茫茫大海上漂浮的一座小岛而已。知识小岛面积越来越大,小岛的海岸线也就越来越复杂,但依然是漂浮在神秘的、未知的大海之上。[此比喻出自达特茅斯大学的巴西裔美国物理学家马塞洛·戈里瑟(Marcelo Gleiser)。]

似乎人类永远无法知道和理解关于现实的一切。对现实的理解随着人类自身状况的改变而不断改变,而发现新知识的兴奋是人类探索的驱动力。人类似乎具有一种与生俱来的生存本能,去发现自然界的模式规律,去理解我们的历史和周遭环境。关于人类在宇宙中的位置,我们已经获得令人惊喜的意识。这就是本书所要讲的——关于人类在宇宙中所处的位置,人类都有哪些了解。读完这些,读者朋友就能在这幅最为巨大的时空地图上,找到自己的位置了。

三、大历史的架构

每个故事都需要情节、主题、声音或是某个人讲述故事的方式。大历史是以证据为基础的真实故事,不是虚构的,但仍然需要这些特征将故事融合在一起。

说得简单点,故事的主题是万事万物,包括宇宙,都处于永恒的变化之中。目前来看,似乎宇宙中的某些地方正涌现出越来越多的结构,也越来越复杂。这与物理定律——热力学第二定律相违背。热力学第二定律表明,整体上来看,宇宙会越来越无序。

复杂性越来越高,意味着某时某刻有全新的事物出现,而新事物是无法通过之前存在的个体部分预见的。它更复杂,是因为它是通过能量流结合在一起的特定的结构,它的组成部分增加了。由于组成部分增多,需要更多能量维系,因此也会更脆弱些。

科学家把这种现象称为“出现”(emergence),但尚未完全理解它。20世纪80年代后期,这一概念萌芽时还只是一种假说,现在已有若干证据支撑它。

假说是这样的:科学家认为,当部分结构以特定方式排列,条件恰到好处时,增加的能量在结构之间流动,新事物就会产生。科学家使用两个词语来描述“恰到好处”的条件:“最优条件”(Optimal conditions)和“金发女孩条件”(Goldilocks conditions),后者出自英国童话《金发女孩与三只熊》。金发女孩条件是指既不太烫也不太凉,既不太大也不太小,刚刚好的条件。

对于如何给这些转型时期,也就是新事物出现的时期命名,讲述这个宇宙故事的人尚未达成一致意见;对于究竟有多少个这样的时期,科学家们也未达成一致意见。他们也将其称为“过渡期”(transition)或者“转换期”(transformation)。有些故事的讲述者,比如天体物理学家埃里克?蔡森称其为“时代”(epoch)。还有一些人,比如荷兰生物化学家和社会学家弗莱德?斯皮尔,将其称为“朝代”(regime)。有些人则什么名字也不叫——只是在故事的讲述中,提到有这么一回事儿罢了。

假如深入学习大历史,就会学会对比这些不同的版本。在本书中,我将引用“临界点”(threshold)这个概念来指代即将有新事物出现的过渡期。大卫?克里斯蒂安在他的著作《时间地图》中首次使用了这一词语。这个词只是用来在绵延不绝的时间长河中定位大事件的术语,转变有时会跨越几千年的时间。

当然,“临界点”这个词是一种比喻,远远超出了字面含义。在时间的长河中,并不存在真正的“临界点”。这个词无非是要传达出跨越一个“临界点”或“门槛”时的兴奋劲和新鲜劲——从此迈入新生活的大门,就像新婚夫妇迈入婚姻的殿堂,从此开始相互依偎的生活一样。这个比喻并不是要遏制新生事物的出现,如果你生活在中国,或许能够理解这个概念。中国传统文化中,“门槛”通常要高出地面约15~20厘米(6~8英寸),这样,妖魔鬼怪就进不了大门,而人则需要迈过门槛,才能进入屋内。

而本书中,大历史的讲述将被分为8个临界点,每个临界点都有新事物的产生。或许还可以分得更详尽些。这8个临界点似乎代表了复杂性的重大飞跃,又不至于太烦琐而难以识记。这8个章节当中,留给人类的有3个。我在本书中使用的这8个临界点分别是:

1.大爆炸的出现:宇宙起源

2.恒星和星系的出现

3.质量更大的化学元素的出现

4.太阳系的出现

5.生命的出现

6.智人的出现

7.农业(有机能量)的出现

8.工业化(化石燃料能源)的出现

大历史涉及了人类最感兴趣的许多问题:世界从何而来?世界由什么组成?是什么将其连接在一起?我又是从何而来?我在此处做什么?人类是怎样一种生物?我们应该如何对待彼此和这个世界?此刻正在发生的主要问题是什么?一切又会去向何方?讨论这些与人类息息相关的问题,对于正在学习大历史的人来说,恰是有趣和有意义之处。

四、快速预览“大历史”

1 大爆炸的出现,宇宙起源:宇宙始于138.2亿年前的大爆炸。我们从最古老的恒星那里获知此信息,而且能测量宇宙以多快的速度膨胀,然后再倒推得出时间。最初,宇宙的温度极高,高到所有的粒子都无法结合在一起。大爆炸之后,大约过了38万年,简单的原子(氢、氦)开始形成。宇宙逐渐冷却、膨胀,直至今日。

2 恒星和星系的出现:氢是最简单的原子,由一个质子和一个电子组成。宇宙诞生后约7亿年到20亿年,氢气云产生了,恒星和星系开始形成。

3 质量更大的化学元素的出现:随着恒星的燃烧和爆炸,开始出现更为复杂的原子。高温使得更多的粒子聚合,产生复杂的元素,诸如碳和氧,随后形成了新的行星。而且,至少在一颗行星上,这些元素最终结合在一起,形成了生命。

4 太阳系的出现:太阳是一颗中等体积的恒星。它大约于45.6亿年前在银河系中形成。气体云在引力作用下向内坍缩,并开始燃烧。剩下的物质则结合在一起,约1亿年后,形成了太阳系中的8大行星。地球是一颗岩态星球,与太阳的距离处于8大行星中的第3位,距离适中,刚好一半为固体,一半为熔融状态。

5 生命的出现:地球形成大约10亿年后,生命,也就是单细胞的细菌,开始出现。进行光合作用的细菌将氧气排放到大气中,最终形成了保护生命免受紫外线伤害的臭氧层。据估计,最古老的细胞化石有34.9亿年之久。细菌进化了10亿年之久,之后在10亿年到20亿年之前出现了多细胞生物体。

6 智人的出现:多细胞生物体大约始于20亿年之前,随后在约6亿年之前,大量动植物爆发般地涌现出来。人类与黑猩猩和倭黑猩猩有着共同的祖先,这一祖先经过约600万年的进化之后,也就是约20万年之前,现代人类(智人)出现了。在人类出现之后的历史长河中,95%的时间里,人类一直靠打猎和采集为生,人口数量相对稳定,与地球和地球的各个系统和谐相处。

7 农业(有机能量)的出现:大约1万年之前,出现了温和、稳定的气候。人类开始种植作物、驯化动物,寻找方法贮存多余的食物。这使人类能够在人口密集的城镇里群居,发展专门的职业、建立国家、形成等级制度、造字书写、建造宏伟的建筑——而这些都是文明的特征。

8 工业化(化石燃料能源)的出现:人类现代的生活,是以工业化和消耗化石燃料为基础的,只有仅仅250年的时间。在这个短暂的时期内,地球上的人口从约7.5亿上升到74亿。现在的人类,正在改变我们赖以生存的地球和地球的各个系统。

对于将近138.2亿年的历史,你又如何理出头绪呢?绘制时间线的方法有很多,这里推荐一个快捷方法:找2卷完整的1000节斯科特牌卫生纸,外加3/4卷,想办法把卫生纸在房间里平铺开来。或者,要是不想搞得一团糟,只是简单地想象一下如何平铺也行。每一节卫生纸代表500万年,一卷有1000节,也就是代表50亿年,大约是太阳系的年龄。最后一卷的最后一节代表整个人类历史,这要加上人类与黑猩猩共同的祖先进化成为人类的时间。[这个方法是北卡罗来纳州的科学教育家露西·拉菲特(Lucy Laffitte)提出的。]

在整个宇宙中,人类只占据最小的部分,而现代社会在整个人类历史中,也只占据一小部分。在整个宇宙背景中看起来就是这个样子。

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