张双南：宇宙未来的命运

未来论坛张双南演讲现场

演讲 | 张双南（中国科学院高能物理研究所研究员）

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大家好！今天很高兴有机会跟大家一起来分享宇宙未来的命运。当然我们不能够确切的知道未来宇宙的命运，但是我们可以讨论科学的宇宙观，我是想从审美的角度讨论，这样显得不那么学术化。

当然从审美的角度来讨论的话首先要考察一下美的科学。

11月25日对我来讲是最美的日子，100年前那一天爱因斯坦先生发现了我认为最美的科学理论——广义相对论理论。25年前的那一天，世界上诞生了最美的女孩，当然是我的女儿。我的女儿的美和爱因斯坦的广义相对论的美之间有什么关系？为什么我们都说是美？换句话说：“美是什么？”

美是什么？这是哲学家讨论了两千多年的问题，从苏格拉底到他的学生柏拉图，到柏拉图的学生亚里士多德，还有近代的大哲学家康德和黑格尔都问过这个问题，这个问题叫做天才的追问。

我们看看至今我们有什么样的答案？我用的是复旦大学朱立元教授的一个回答，他说我自己觉得还没有办法回答这个问题，柏拉图说美是难的。我觉得这真是千真万确的至理名言。

因此他们的回答美是难的。

美是难的？不管你们怎么看反正我不信。为什么不信？因为我觉得这不科学。为什么不科学？答非所问不是我们的习惯，刨根问底是科学家的天职。

所以我要用自然科学的方法研究美学，所以我是研究美的科学不是研究美的哲学。

首先看看物理学的老前辈怎么教我们的。彭桓武先生说物理世界虽然千变万化，但是却十分真诚，同样的条件下必然出现同样现象。

否则我们没有办法研究物理规律，我把彭先生的教导用在美的研究上面。我说美的世界虽然千变万化，虽然有我女儿的美、有爱因斯坦广义相对论的美，但是应该有内在的规律，所以我对“美是难的”是不满意的。

我做了研究，把研究方法和结果放在朋友圈里面，这是很长的一篇文章。我在这里仅仅给大家稍微做个介绍。

爱因斯坦教导我们说提出一个好问题比解决N个问题还重要。我觉得“美是什么？”这个问题问得不好。

我换一个角度问：广义审美对象，比如说事物、人、食物、景色、艺术或者科学满足什么样的条件，我们审美主体觉得美。

换句话说，我想问的问题是广义美的判断标准是什么？当然学术一点说是美的法则。因此我们可以把问题转化为寻找“广义美的法则”。

我的研究步骤是三段式的科学方法，大家学过科学方法论都知道，这是非常标准的做法。

首先归纳法，把每一类的美拿出来几个，抽出它们的共性总结一下，我得到一个初步的美的法则。

然后我再进行证实，我穷举我认为所有的美，看看是否符合这个法则，不符合我再修改。

符合了我就举反例，找出不符合前面的美的法则但是我也觉得美的例子，看看是不是和这个法则有矛盾。

这样的话最终我们就得到一个美的法则。

我得到的广义美的法则是没缺陷不常见，就像这张图上这个小女孩一样。

我解释一下，没缺陷和不常见两个结合起来就是判断美的充分必要条件，我们会觉得美。

没缺陷主要指的价值观方面的事情，比如说实用和精神方面都可以是没有缺陷，自然、合理、有规则、精确、完整、真、善或者功能强大等等都是属于这一类的。

不常见很简单，比如我们用来描述“不常见”的语言：别样、不一样、特别、出色甚至洋气等等，在座有几位老外都是很洋气的。

也有常见：俗、土气、市侩，或者今天讲的山寨这种东西，一定不是美的。

在座各位男士不相信的话把上面“常见”当中的任何一条说你的女朋友或者老婆是属于这里面的，我保证她不打死你也要掐死你。

什么是审美观？为什么我们有不同的审美观？

审美观就是我们判断美的能力，价值观让我们判断是否有缺陷，我们的见识让我们判断是否不常见。

我们有不同的价值观，每个人都会不一样，每个人也会有不同的见识，因此我们就有不同的审美观。

对同样的事、物、人，谁认为无缺陷不常见就认为是美，因此没有绝对的客观美、普世美、永恒美，我们的“美”总是可能会变化的。

下面给大家举一些例子。这是我们做生物的会看到的照片，核盘菌孢子爆裂瞬间出来的瞬间，这是手指头捅破肥皂泡时候，瞬间的照片，这是仙女座星系的照片。

为什么这些照片你觉得美？

因为很自然所以没缺陷，因为肉眼看不到所以不常见，所以你觉得美。

社会发展的动力和科学技术创新的本质是什么？

没有普世美，因此只有多样美。有多样美的社会才是有生命力的社会，没有最美只有更美，追求更美是人类社会发展的动力。

技术创新是干什么用的？是弥补缺陷，弥补各种各样的缺陷，人类的缺陷甚至自然的缺陷。

科学创新归根结底干什么？发现新的现象、新的东西、新的规律，当然就是发现不常见。

因此我总结一下，社会发展的动力和科技创新的本质，就是对美的追求。这是我在这个审美的观念之下思考的结果。

我们把美的科学讲完了，下面我们来用美的科学来考察一下我们人类的宇宙观的发展。

首先是古希腊人的宇宙观，我们知道是地心说。这个地心说很符合当时的天文的知识，所以没有缺陷。也符合当时的价值观，所以也是没缺陷。

欧洲人认为地球为人而存在，这是一种宗教的观念在里面，宇宙为地球而存在。我们中国人也认可这一点，所谓天人合一。所以，地心说是非常有道理的。但是有道理的事情不一定是正确的。

但是，我们天文的观测，观测到了行星逆行的现象，这个现象不能用地心说解释。所以从美的观念来考察，对不起，这个理论有缺陷。

那么怎么办？当然要去改变它。

哥白尼的日心说是人类宇宙观第一次的大飞跃，这个观念在当时看来是没有缺陷的。它解释了当时所有的天文的观测现象。它也是不常见的，它是一个全新的宇宙观。对人类的认知产生了一个挑战。

但是日心说很快就被证伪了，发现它不符合新的观测的事实。

比如说在这个地方我举了两个例子，都是对银河系内的天体的测量和观测的结果。天文学家发现日心说不符合对更多天体的观测，所以有缺陷。结论是太阳系不在银河系的中心，尽管太阳是太阳系的中心，但是太阳不是银河系的中心。这是人类宇宙观的第二次大飞跃。

第三次飞跃，是哈勃观测到了以前认为的银河系里面的云，也是像银河系一样的星系，这个地方大家看到不同星系的类型，这些分类我们至今都在使用。所以这些都是星系的话，立刻哈勃就认识到我们的宇宙其实是浩瀚无边的一个宇宙，这是我们认识的第三次的飞跃，宇宙巨大无边！

这对我们的思想带来很大的冲击，我们知道有一个奥波斯佯谬，这是现代宇宙学思想的起源。浩瀚无边的宇宙有无限多的天体，无限多的天体的光线加在一起就是无限亮，奥波斯佯谬问的就是我们为什么没有被亮瞎？

这是一个非常严重的问题！对不起，有缺陷！

当然，哈勃自己把这个问题解决了，哈勃随后的观测发现这些遥远的星系，原来都是在退行当中的，就是哈伯的膨胀。既然现在的宇宙是膨胀的，那么倒推回去，宇宙必然就有一个起源，当然寿命就是有限的，那么我们看到的天体的光就是有限的，这立刻就解决了这个“亮瞎眼”的问题。这样的话使得我们认识到了宇宙是膨胀的。

所以，哈勃的宇宙膨胀这个学说就弥补了他自己的浩瀚无边的宇宙这么一个缺陷，提出了新的观念。在这之前认为宇宙是静止的，也就是没有起点的，现在认为宇宙是膨胀的，有起点的。

随后，更晚一些，有两位不是天文学家，是工程师，彭齐亚斯和威尔森，他们意外的发现不仅仅是银河系，所有宇宙的方向上都探测到了射电的信号，这些信号来自于宇宙大爆炸的时候残余下来的信号，这证实了宇宙大爆炸的起源，这是人类宇宙观的第五次的飞跃。

我们可以看到每一次对以前的观念的缺陷的弥补，导致我们发现了一个新的观念，每一次新的观念对我们的认识都是一次飞跃。

第六次飞跃是最近的事情，这件事情和宇宙的命运有非常密切的关系。这是1998年的时候，三位非常年轻的天文学家，他们本来是要研究宇宙膨胀如何减速的，却意外发现我们宇宙的膨胀是在加速进行的。

换句话说如果一百年前爱因斯坦发现的广义相对论理论是正确的话，我们今天的宇宙是在加速膨胀而且是被暗能量驱动的。这是我们认识宇宙的第六次的飞跃。

这告诉我们，我们的宇宙是加速膨胀的宇宙，这和我们以前所有对宇宙的认识都是一个根本性的变化。我们知道如果这个宇宙当中只有我们已知的相互作用，在大尺度上只有引力的相互作用，引力的相互作用使天体相互之间的分离变得只可能越来越慢，不可能越来越快。

但是现在宇宙的天体之间的膨胀的速度、分离速度越来越快，因此这对我们的宇宙观带来非常大的挑战。

在此基础上就可以考察宇宙的过去和现在，这个考察完了就可以考察宇宙未来的命运。

我们的宇宙，根据现在研究的结果，起始于一个大爆炸，这个大爆炸之前可能是一个暴胀时期，不是一个很简单的大爆炸，而是复杂的大爆炸，当然暴胀的理论还没有完全得到证实。

然后就产生了恒星和星系，有了恒星和星系就可能演化出来我们的人类。

我们今天的宇宙，在比较近的过去，进入了加速膨胀的时代，这样我们就有了今天的宇宙。那么，宇宙未来会怎么发展？

这是一个我们仍然不能理解得非常清楚的问题，这背后的一个重要的科学问题就是主导我们目前宇宙加速膨胀的暗能量到底是什么？对于这个问题的研究，目前在国际上进行得非常之多，但是我们的基本结论是我们还完全不理解暗能量。

当然我们研究的框架仍然是爱因斯坦的广义相对论。在这个框架里面我们认为，宇宙的过去，当然是由某一个地方膨胀出来的、爆炸出来的（这一点大家有普遍的共识，但是也有人不认为是这样），然后就发展到了宇宙的今天，今天我们了解得相对清楚一点。但是宇宙的未来有几种可能的模式。

（致谢国家天文台陈学雷研究员的报告图片）

一种模式就是我们的宇宙将来的膨胀会停止，宇宙会塌缩起来，会重新回到一个起点。这是一个可能性。

另一个可能性就是所谓一个临界的膨胀，膨胀的恰好比较合适，我们叫做临界的膨胀。

当然也可能我们继续加速膨胀，越来越快，星系和星系之间的分离速度越来越快，以至于最后我们看不到宇宙中别的星系。

这还不是最可怕的，最可怕的是大撕裂的情况。如果暗能量的性质有一种非常特殊的行为的话，我们未来的宇宙，可能会出现大撕裂。

大撕裂的意思是说不仅仅星系和星系之间的距离会变得越来越远，星系里面的每个天体之间的距离也会变得越来越远，星系会被裂掉。甚至于组成我们身体的原子都会被撕裂开，所以这是一种非常不好的情况。

当然，我们不知道，刚才我讲的这几种情况里面哪一种会发生。所以，当武红总告诉我宇宙未来这个题目的时候，我在朋友圈里开玩笑说这是一个最简单的题目，因为没有人知道宇宙的未来到底是什么，我可以胡说，万一我说错了也不好证明我错。所以我今天讲的这个题目不是那么容易错的。

但是作为科学研究上来讲，我们还是希望对美的追求要永无止境。我们要考察一下我们现在的科学理论，到底还有没有缺陷。所以我们仍然要在修补我们的理论的缺陷的情况下发现新的不常见。

目前的广义相对论，最开始我讲，我认为它是人类最美的科学理论，至今为止我们没有找到广义相对论理论的任何缺陷。

另外有一套理论，微观的理论，沈教授刚才也讲了。宇宙中最大的是广义相对论统治的，自然中最小的是量子物理统治的。

量子物理我们有一个标准模型，在这个模型里也没有找到它的任何缺陷，所有实验的预言都得到了证实。

但是这两个理论不匹配，有根本的矛盾，我们不知道矛盾在哪里。所以说我们现在的理论有没有缺陷？这显然是一个缺陷，我们不理解这两个理论之间为什么是互相不匹配的？因此作为我们要做科学研究来讲，我们的任务是要继续找缺陷。

继续找缺陷包括我们要进一步来验证广义相对论能否完全描述黑洞，这是我自己的研究做的范围。差不多今年年底的时候我们会有一个X射线天文卫星发射，主要的任务就是研究这个，我们想看看广义相对论是不是总是能够描述黑洞？

我们也不知道量子物理是不是一定能够适用于宏观，潘建伟先生研究的是想把量子力学的适用范围尽可能的扩大。

我们也要发现更多的不常见，刚才讲了主导我们宇宙未来命运的是暗能量，我们完全不知道它是什么。

还有暗物质是我们宇宙结构形成的基本的种子，是暗物质之间的引力导致形成星系，暗物质是什么我们不知道。前不久中科院发射了一个科学卫星，叫“悟空”暗物质探测卫星，就是要研究暗物质的性质。

还有量子纠缠和引力之间到底是什么关系？有人说它们之间有深刻的关系，也许爱因斯坦里面的广义相对论的时空扭曲就是和量子力学之间有本质的关系。到底这些东西是什么？这也是需要我们理解的。

这些问题理解之后我们就有可能最终回答宇宙的终极问题：宇宙未来的命运是什么？

我的报告就到这里，谢谢大家！

本文图片源自张双南演讲PPT，经演讲者本人审定。

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