下一个千年的科学 〔英〕斯蒂芬·霍金

jinmuzao

下一个千年的科学

〔英〕斯蒂芬·霍金 著 刘兵、傅英凯译
　

　　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２
００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。我们不会建造用来探索这样小距离的粒
子加速器。这样的加速器肯定比太阳系还要大，而且在目前的财政状况下不大可
能被批准。然而，我们的理论的一些推论可以用远为更适度的机器来检验。显然，
这些推论中最重要的是超对称。对于大多数将爱因斯坦的广义相对论与量子理论
统一起来努力，超对称是基础。它将通过对我们已知粒子的超伴的发现而得到证
实。在德克萨斯曾建造超导超级对撞机，此机器将达到人们对超伴所预期的能量。
然而，美国经历了突然没有钱的感觉，中途取消了这一计划。虽然是冒着带来尴
尬的风险，但我不得不说，我认为这是一个非常短视的决策，并希望美国以及其
它国家的政府在下一个一千年中能做得更好些。

　　我预期，超对称最终将由在日内瓦的欧洲核子研究中心的实验所证实。但是，
在实验室中对小到普朗克长度的范围进行探索是不可能的。我们可以通过研究大
爆炸，来获得比在地球上可以达到的更高能量和更小尺度的观察证据。然而，在
更大的程度上，我们不得不依赖于数学的美和一致性来发现关于万物的最终理论。
无论如何，我确信，到２１世纪末，也许可能更早些，我们就将发现这种理论。
我愿以一半对一半的赔率打赌，认为这种理论将在从现在开始的２０年内出现。

　　《星际旅行》对于未来的想象是，我们达到一种先进但在本质上静态的水准，
就我们关于支配宇宙的基本规律的知识来说，这倒可能成为现实。但在我们对这
些定律的利用方面，我并不认为我们将达到一种稳态。最终的理论将不会给我们
能够制造的复杂系统带来限制，我认为，在下一个一千年中最重要的发展就在这
种复杂性中。

　　显然，我们所拥有的最复杂的系统就是我们自己的身体。生命似乎是起源于
４０亿年前覆盖地球的原始海洋。我们不知道这是怎样发生的。也许在原子之间
随机的碰撞造成了可以复制自身并把自己装配成更复杂结构的大分子。我们所知
道的是，到３５亿年前时，高度复杂的分子ＤＮＡ出现了。ＤＮＡ是地球上所有
生命的基础，它有一种双螺旋的结构，就像一个螺旋形的楼梯。１９５３年弗兰
西斯·克里克和詹姆斯·华生在剑桥的开文迪许实验室发现了这种结构。就像在
螺旋形楼梯中的踏板一样，一些核酸对把双螺旋的两条链连结起来。存在有四种
核酸。我不想读出它们的名字，因为我的语音合成器会把它们读得一团糟。显然
我的语音合成器不是为分子生物学家设计的。但我可以用它们的第一个字母Ｃ，
Ｇ，Ａ和Ｔ来指称它们。不同的核酸沿螺旋楼梯的顺序携带着遗传信息，这种信
息使ＤＮＡ分子能在其周围组装有机体并拷贝自身。当ＤＮＡ拷贝自己时，在核
酸沿着螺旋的顺序中会出现偶然的错误。在大多数情况下，拷贝中的错误会使Ｄ
ＮＡ不能复制自身。这种遗传的错误，或者说即所谓的突变，将会逐渐消失。但
在少数情况下，这种错误或突变将增加ＤＮＡ幸存下来并复制自身的机会。这种
对突变的自然选择最先在１８５７年由另一位剑桥的人士查尔斯·达尔文提出，
尽管他当时并不知道其机制。这样，在核酸序列中信息的内容将逐渐演变并增加
复杂性。

　　由于生物的进化基本上是在所有遗传可能性的空间中的一种随机游动，所以
进化是非常缓慢的。复杂性，或者说在ＤＮＡ中被编码的信息片段的数目，大体
上是由分子中核酸的数目所决定的。每个信息片段都可以被看作是对一个是非问
题的答案。在前２０亿年左右的时间中，复杂性的增长率必定具有每百年一个信
息片段的数量级。在随后的几百万年中，ＤＮＡ复杂性的增长率逐渐上升到大约
每年一个信息片段。但是，现在我们处于一个新时代的开端，在这个新时代，我
们将能够增加我们ＤＮＡ的复杂性而不必等待缓慢的生物进化过程。过去一万年
里，在人类ＤＮＡ中没有什么重大的变化。不过，在今后１００年中，很可能我
们将能够彻底地重新设计人类的ＤＮＡ。当然，许多人会说，用于人类的遗传工
程应该被禁止。但我却怀疑他们是否能够阻止这种遗传工程。出于经济的原因，
用于植物和动物的遗传工程会得到允许，一些人必定会尝试将其用于人类。除非
我们有一种集权的世界秩序，否则在某些地方一些人就会计划改良人类。

　　显然，就未被改良的人类来说，发展改良了的人类将带来巨大的社会和政治
问题。我并非在鼓吹人类基因工程是一件好事。我只是说，不论我们愿意与否，
它很可能在下一个一千年中出现。这就是为什么我不相信像《星际旅行》这样的
科学幻想的原因，因为在那里，未来４００年的人类在本质上还是一样的。我认
为人类，以及人类的ＤＮＡ，将很快地增加其复杂性。

　　在某种程度上讲，如果人类要应付周围日益复杂的世界，并迎接像太空旅行
这样的新挑战，就需要改进其精神和肉体的品质。如果生物系统要领先于电子系
统，它也需要增加其复杂性。目前，计算机具有速度的优势，但它们没有表现出
智能的迹象。这并不令人惊讶，因为我们目前的计算机的复杂性还不如蚯蚓的大
脑，而蚯蚓这个物种并不因其智力而知名。但计算机遵循由英特尔公司的戈登·
莫尔提出的莫尔定律。这个定律说，计算机的速度和复杂性每１８个月翻一番。
这是那些显然不会无限继续下去的指数增长中的一种。不过，它可能会继续到计
算机具有类似于人脑的复杂性的时候。有些人说，计算机不管可能会是什么样子，
都永远不会表现出真正的智能。但在我看来，如果非常复杂的化学分子可以在人
类的身上活动并使人类变得有智能，那么，同样复杂的电子线路也可能会使计算
机以一种有智能的方式来行事。

　　这就是为什么我不相信关于一个先进但却恒定的未来的科幻影片的原因。相
反，我预期，不论在生物领域还是在电子领域，复杂性都迅速地增加。这里所讲
的大部分情形在今后１００年中都不会出现，而这就是我们可以有把握地预言的
全部。但到下一个一千年的终了时，如果我们能到达的话，变革就将是根本性的
了。

　　无论如何，我认为目前的世界秩序拥有一个未来，但那将是非常不同的未来。

　　总统先生，第一夫人，这就是我对下一个一千年中的科学的看法。

　　（摘自《美国白宫千年晚会演讲选集》，吉林人民出版社２０００年１月版）