世界是如此的小

24 02 2010年

    1967年,美国社会心理学家米尔格兰姆从哈佛大学向内布拉斯加州和堪萨斯州的296名居民写了一封信,请他们参与一项科学实验,将一本印刷精美的哈佛大学“护照”转寄给波士顿的一位股票经纪人。米尔格兰姆给出这位经纪人的名字,但是没有告知地址。如果参与实验者认识这位经纪人,就直接寄给他,否则就寄给他们认为最可能认识此人的亲友代为转寄,如此持续下去,直到寄到经纪人手里。寄的时候在“护照”上记下邮寄记录,并给米尔格兰姆寄一张明信片,让他知道这些“护照”的行踪。
    大部分的“护照”没有到达目的地,因为收到它的人并没有按要求继续去寄它。有64份“护照”最终寄到了经纪人手里。有的只经过一、两个人就寄到了,有的则经过九、十人的辗转相托,平均来说,寄了5.5次。这个实验似乎验证了此前有人提出的一个假说:最多经过5个人,也就是经过6步,就可以把世界上的任意两个人联系在一起。这后来被称为“六度分离”。
    虽然米尔格兰姆的实验结果由于设计和操作上的缺陷,受到了一些心理学家的质疑,但是其他的实验结果也表明,世界的确不大。在互联网的时代,人们不再习惯通过邮局寄信,可以改用电子邮件重复米尔格兰姆的实验。2002年,美国哥伦比亚大学大学的研究人员向166个国家的6万多网民发去一封连环信,请他们转给随机选中的位于13个国家的18名收信者之一,结果发现大部分信件在转了5~7次后就寄到了收信人。2007年,微软研究人员对2亿4千万名MSN用户的300亿条短信进行分析,发现MSN用户之间的距离是6.6步。
    世界是如此的小,因为这并不是一个有序的世界。如果世界是有序的,人与人之间的距离有时会非常遥远。如果你要把一个围棋子从棋盘的一端很有秩序地沿着连线一步一步地移到棋盘的另一端,将会有很多步。但是如果在移动时允许时不时地走捷径一步跳到远处的点,就会很快地抵达目的地。在现实世界中,人们的交往有一定的秩序(例如有相似背景的人容易相互认识),组成朋友小圈子,但是也时不时会结识其他朋友圈的人——正是这些“捷径”让世界变得很小。在这个“小世界”中,如果有3亿人(等于美国人口的90%,假定剩下的10%为忽略不计的儿童),每人认识30个亲友,那么可以算出人与人之间的距离是5.7。如果有60亿人(等于世界人口的90%),人与人之间的距离则是6.6。
    在世界上还有很多更小的世界,其成员通过某种特殊的形式联系在一起。例如在数学界,数学家们通过共同发表论文发生联系。有史以来发表论文最多的数学家据说是匈牙利数学家鄂尔多斯(1913~1996),他一生发表了大约1500篇论文。这些论文大部分是和人合写的,鄂尔多斯的合作者多达511位。鄂尔多斯的多产在1969年引起注意后,数学界开始用“鄂尔多斯数”来表示某个数学家与鄂尔多斯的距离:鄂尔多斯本人的鄂尔多斯数是0,他的论文共同作者的鄂尔多斯数是1,与这些人合写过论文的人的鄂尔多斯数是2,依此类推。当代大部分数学家(20多万人)都能如此这般与鄂尔多斯发生关系,获得自己的鄂尔多斯数,平均是4.65。
    在电影界也有一个“培根数”。美国演员凯文·培根以多产著称,他在网上被称为“好莱坞宇宙的中心”,据说好莱坞的所有演员都能在银幕上直接或间接地与他联系上,不多于6步。在上个世纪90年代美国因此出现一种“凯文·培根的六度”游戏。在现在网上有程序可以自动算出某个演员的“培根数”,比如章子怡的“培根数”是2:她在2007年动画片《忍者神龟》中与劳伦斯·费歇本一起配音,而后者在2003年《神秘河》中与培根一起出演。对“互联网电影数据库”的统计表明,全世界有一百多万名演员都能和培根拉上关系,平均“培根数”只有2.98。
    实际上培根并不是“好莱坞宇宙的中心”,有500余名演员比培根更“中心”——其他演员更容易和他们联系上。他们的差别并不大,与他们联系的平均步数都在2.7~2.9。并没有哪个演员特别突出。类似的,在物理学界有“爱因斯坦数”,在围棋界有“秀策数”(秀策是19世纪日本棋圣)。有趣的是,由于鄂尔多斯曾经在纪录片中露过脸,又喜欢下围棋,所以他既有“培根数”(4),也有“秀策数”(不多于5)。
    世界很小,这个发现并不只是用来玩游戏,还有更实际的意义。例如,它让我们明白,一种新兴的传染病能够以可怕的速度传播,从一个偏远的地方很快地传遍全世界,只需要一、两个远途旅行者,他们提供了联结世界的“捷径”。
    只有当人们彼此能够交流时,世界才会变得很小,否则,世界就会大到像是在不同的世界。当米尔格兰姆做连环信实验的时候,中国正在进行“文化大革命”。如果米尔格兰姆把收信人设为某个中国人,其结果可想而知:那些“护照”将会被挡在国门之外。外来的糟粕,例如传染病,也难以进入闭锁的国门,代价是,新的思想、观念同样难以传入。一个与世隔绝的世界,注定是一个落后的世界。

2010.2.21

(《中国青年报》2010.2.24)



以热力学定律的名义(完整版)

10 02 2010年

(发表时最后一段被删,让文章失去了意味。)

 

    上个世纪50年代,一个名叫C.P.斯诺的英国科学家和小说家出版了一本著名的著作《两种文化》,指出科学与人文学在现代社会中被割裂成两种无法交流的文化,而这成了解决世界问题的主要障碍。这本名著国内先后出过三个译本,但是三个译本的译者的英文水平都让人不敢恭维。比如书中有一段后来经常被引用的话,是用并不复杂的英文写的,三个译本却都译错了。这段话说的是:
    “我曾经多次参加过一些聚会,与会者根据传统文化的标准都被认为受过良好的教育,并且他们一直兴致勃勃地对科学家没有文化修养的现象表示难以置信。有那么一两次,我被激怒了,问与会者他们当中有多少人能够描述热力学第二定律。他们的反应很冷淡,回答也是否定的。然而,我所问的问题,在科学领域其程度相当于问:你们读过一本莎士比亚著作吗?”
    然而时代毕竟不同了。在现在,如果再向人文学者问同一个问题,有许多人不仅会向你描述一番他们理解的热力学第二定律,而且还会自以为比物理学家更懂热力学第二定律,甚至兴致勃勃要用它来处理科学问题或社会问题呢。热力学第二定律和哥德尔不完备定理、测不准原理、光的波粒二相性一起,成了人文学者最喜欢引用的四大“科学原理”。
但是高中物理并不介绍热力学第二定律,许多经常把热力学第二定律挂在嘴上的人,实际上并不理解它讲的是什么。热力学第二定律通常有三种表达方式:一、热不可能自发地、不以消耗功为代价地从低温物体传到高温物体;二、任何热力循环发动机不可能将所接受的热量全部转变为机械功;三、在孤立系统内实际发生的过程中,总是使整个系统的熵的数值增大。
    前两种表述听上去过于“机械”,人们最爱引用的是第三种表述,也称为“孤立系统熵增原理”。熵可以被通俗地定义为混乱度,所以第三种说法可以通俗地表达为:在孤立系统,混乱程度总是变大,或者说,由组织至分解,由复杂变简单,由秩序至混乱。由于进化论认为简单的生物能够自发进化成复杂的生物,神创论者因此根据热力学第二定律的通俗说法,断言进化论违背热力学第二定律。
神创论者在引用热力学第二定律的通俗说法时,完全无视了其前提:孤立系统。所谓孤立系统,是指与外界不发生相互作用,即与外界无热量、功和物质交换的热力学系统。地球不是一个孤立系统,它与外界有能量交换:吸收太阳能和散发热量;又有物质交换:陨石坠落;所以它是一个开放系统。在开放系统中,熵可增可减,可以由简单变复杂,无序变有序。即使是在一个孤立系统中,也有可能在全体熵值变大的同时,局部的熵值减小。
在自然界中,“自发”由简单变复杂,无序变有序的现象屡见不鲜。所有的生命现象(比如鸡蛋变成小鸡、小鸡变成大鸡)都是这种“违背”热力学第二定律的现象。即使是非生命现象,这种现象也不少,雪花、沙丘、晶体、旋风、石钟乳的形成,都是大家熟悉的例子。
    “熵”的崇拜者并不仅限于宗教信徒。美国有一位学文科出身的社会活动家里夫金在1980年出版《熵:一种新的世界观》,原著在美国已绝版,在里夫金现在的简介中甚至不好意思把这本书列入。但是正所谓墙里开花墙外香,这本书自从1987年被译介到中国来,其声名在中国就长盛不衰,它对“热力学第二定律”的歪曲性介绍做为课文被选入高中《语文》去误导没能在物理课上学到热力学第二定律的中学生。近来国内一位哲学系教师出版一本“环保”著作《未来的世界是垃圾做的吗》,也是根据“里夫金对热力学第二定律的表述”演绎而成。
    这位哲学系教师声称,地球的命运就是成为一个大垃圾堆,科学技术的进步不仅不能解决垃圾问题,反而只是加速这个世界末日的到来。“即使能源危机能够解决,垃圾问题仍然无法解决。因为输入越强大的能量,会产生越多的垃圾。”“按照《熵》的作者里夫金对热力学第二定律的表述:能量总是从能用的变成不能用的,物质总是从可用的变成不可用的。在全球化的物资和能量转化链中,低熵状态的原始森林、矿藏、天然水体,最终必然变成高熵状态的垃圾场。垃圾,是一切物资和能量无可逃脱的宿命。”“对此,大部分人仍然乐观:等到将来,科学发展了,这些填埋的垃圾还是可以再回收利用的。然而,这个幻想违背了热力学第二定律。”
    问题是物理学上并不存在里夫金表述的那个“热力学第二定律”。那是没有学过普通物理学的里夫金杜撰出来的,和神创论者一样,是对热力学第二定律的第三种表述“孤立系统熵增原理”的歪曲。如前所述,地球并不是一个孤立系统,而是一个开放系统,从外界(太阳)吸取了大量的能量。而只要有外界能量的输入,就可以使整个系统的熵值减小,让垃圾转变成可用的物质。所谓“输入越强大的能量,会产生越多的垃圾”的说法,不仅不是依据热力学第二定律得出的,而是从根本上违背热力学第二定律的。
    这位哲学系教师以唱衰科学、反科学主义为己任,却如此信奉一位文科学者杜撰出来的“科学定律”,以之做为昭示世界未来的“科学指南”,这不是很讽刺吗?

2010.2.8

(《中国青年报》2010.2.10.)



对迷信的本能欲求

27 01 2010年

    最近我参加了中央电视台一个辩论节目,主题是外星人有没有到过地球。相信外星人到过地球的主要嘉宾是一位来自台湾的电视主持人,现在也在大陆的卫视主持百科节目。他据说去过180多个国家,自称是一位“考古学家”,而他满世界“考古”的目的,似乎就是为了证明外星人到过地球。
    果然,在节目拍摄过程中,这位电视“考古学家”不断地出示各种各样的实物或图片,声称它们不可能是古人造得出来的,只能归功于外星人:在青海“外星人遗址”找到的神秘管状物、埃及金字塔、复活节岛石像、纳斯卡线条……
    他自己觉得神奇无比的,就以为别人都会和他一样百思不得其解。其实在专家看来,他出示的这些证据都没有什么神秘、难解之处。青海的“神秘管状物”经地质学家化验分析,发现乃是沉积而成的铁矿石,并不含有地球上没有的“外星元素”。埃及金字塔、复活节岛石像、纳斯卡线条无疑都是古人建造的。在尼罗河岸遗留着当年为建造金字塔开采石头的场地,至今在那里还可以找到开采了一半的石头和当时使用的工具;考古学家曾经用古埃及技术仿建金字塔,并在金字塔附近挖掘出了建造工人的营地、墓地和尸骨。在复活节岛上也遗留着采石场,用来雕刻石像的石斧和一些石像半成品还扔在那里;考古学家多次组织人马,用原始的办法搬运、树立起了石像。在纳斯卡线条的尽头的地下,还残留着当年供绘制线条定位用的木桩;美国肯塔基大学的研究人员曾经用当时的方法很快就绘制出了类似的大型线条图案……
    这位电视“考古学家”对此不以为然,认为这些观点都是过时或外行的,似乎那些多年潜心研究的专家的见解还不如一位“到此一游”的观光客。即使这些遗迹真有未解之谜,就能说它们是外星人造的吗?为什么不留待以后的科学研究?即使你坚信科学永远无法给出解释,为什么不说是超人、神仙、鬼怪造的?对外星人的信仰,与对超人、神仙、鬼怪的信仰并无不同,都是一种迷信——没有证据就盲目地相信。
    现场的观众大部分都举牌表示相信外星人到过地球。并不是这场节目的观众素质就特别差,我参加过多场类似的节目录制,观众都是如此。古人普遍相信鬼神,今人则流行相信外星人或类似神秘的东西。迷信在古今中外都如此盛行,让人怀疑那是否是人类与生俱来的一种本能。人们本能地要为事情的发生找出原因,在自己难以理解时,迷信的解释也聊胜于无。即使在明知有科学解释时,也宁愿继续迷信,因为幻想通常要比事实更让人感到舒服。受过良好教育的人,甚至包括部分科学家,也难以摆脱内心对迷信的欲求,例如对另类医学的推崇,对神灵的崇拜——在美国,有40%的科学家、7%的国家科学院院士,还相信神的存在。
    迷信有其生理基础。2002年,瑞士神经生物学家找了20名迷信者(迷信神、鬼、阴谋论等等)和20名不信者,让他们看一系列的幻灯片。这些幻灯片显示的都是人脸照片,有的是真实的人脸,有的则是用不同人脸的不同部位拼凑出来的。结果表明,迷信者更容易把那些拼凑出来的脸当成真实的人脸。然后,研究人员让实验对象服用一种能够增加大脑中神经递质多巴胺的含量的药物,再用一组新的人脸重新做实验。这一回,所有的实验对象都更容易把拼凑的人脸当成真实的人脸。这意味着大脑中多巴胺含量高的人更容易以假当真、无中生有,也就更容易迷信。
    如果迷信有生理基础,那么有没有迷信的基因呢?美国国家卫生院的遗传学家怀疑一个叫VMAT2的基因和迷信有些关系。这个基因调节人脑中多巴胺、5-羟色胺、肾上腺素、去甲肾上腺素等神经递质和激素的含量。这个基因有不同的版本,其中一个版本会增加这些神经递质、激素在大脑中的含量,而心理测试表明,具有这个版本的基因的人最迷信。
    如果迷信是一种本能,它是怎么进化来的呢?在人类进化的早期,迷信的人可能有某种生存优势。在一个充满风险的环境中,疑神疑鬼不失为一种保护自己的好办法。一有风吹草动,迷信的人就会当成不祥之兆被吓跑,不迷信的人在多数情况下可以嘲笑迷信者的胆小怕事,但是万一真有狮子躲在草中,就要付出生命的代价。迷信在人类社会中还可能有别的积极作用。比如,它能够提供心理安慰、凝聚人心、激发士气。
    但是,时代早就变了。在现代社会中,人们已无需借助迷信来保护自己,在许多情况下,迷信起到的是破坏作用,应该尽量避免。例如,对另类医学的迷信危害健康,对鬼神的迷信妨碍科学教育,对风水的迷信损失钱财。但是不幸的是,我们还长着一颗石器时代的大脑,要人们抗拒本能,学会理性地看待事情,是一项艰难的使命。

2010.1.25.

(《中国青年报》2010.1.27)



关于萨默维尔和达尔文

27 01 2010年

    《19世纪的科学女王》(《中国青年报》2010-01-27)一文提到达尔文,属于我的“专业”,我就说几句。

“88岁那年,萨默维尔完成了人生的最后两部著作。其中一部是《分子和显微科学》,插图的制作者是后来因提出进化论而大名鼎鼎的达尔文。”

萨默维尔主要是翻译、编写了几本很流行的教材和科普著作,为科学普及做出了贡献,但是本人并没有做出什么学术成就,称之为“科学女王”是言过其实了。《分子和显微科学》就是一本科普著作,出版于1869年,而达尔文早在10年前就出版《物种起源》,已大名鼎鼎,学术地位比萨默维尔高多了,不可能去为她(或别人)的书制作插图。事实是,1866年,萨默维尔通过莱尔夫人(莱尔是达尔文的老师)转告,希望能在《分子和显微科学》中使用达尔文1862年出版的研究兰花的著作(这本书的书名很长,通常简称《兰花的传粉》或《兰花》)中的插图,达尔文说他本人会很高兴让她使用插图,但是萨默维尔应该找《兰花》一书的出版商获得许可。后来《分子和显微科学》用了《兰花》的14幅插图,萨默维尔在书中鸣谢达尔文,如此而已。下面是1866年达尔文答复莱尔夫人的信。

Darwin, C. R. to Lyell, M. E., [19? Oct 1866]

Friday

My dear Lady Lyell

I should be delighted & honoured by Mrs Somerville’s using any of the diagrams in my Orchid book. But it is more Mr Murray’s affair than mine. If this note were shown to him I have no doubt he would give permission & do what is necessary.

Pray believe me yours sincerely
Ch. Darwin

附:
19世纪的科学女王

本报记者 王波
中国青年报 2010-01-27

    家里供应的蜡烛明明已经够多,女仆却一再抱怨不够用。威廉·乔治·萨默维尔决定调查个究竟。

    答案很快就找到了。问题出在女儿玛丽·费尔法克斯·萨默维尔(Mary Fairfax Somerville)身上。这个13岁的孩子,每晚点着蜡烛在卧室里看书。这让她的父母非常愤怒,因为她手里捧的是欧几里得的《几何原本》。这在那个年代不可接受。

    1789年,9岁的萨默维尔被送进女子贵族学校,接受一年的正式教育。父母希望她能学会豪门女子应有的姿态和礼仪,毕竟他们家世显赫,美国总统乔治·华盛顿家是他家的亲戚之一。

    她最终没有令父母失望。不过,也正是这一年的教育,培养了小女孩持续一生的阅读兴趣。此后,萨默维尔每年都要参加女子学校。除了缝纫、弹钢琴和画画等上层女子应具备的技能,她也喜欢上了社交活动。

    一本女性时尚杂志上的智力游戏题,则让她的兴趣开始转移。这个被朋友们称为“耶德堡玫瑰”的女子,竟然喜欢上了数学。

    可惜女子学校没有数学课,萨默维尔便找到哥哥的导师,请他解释一些基本概念。

    一次绘画课上,老师建议一个男生去研究欧几里得的《几何原本》,以便深入了解透视理论。萨默维尔无意间听到了,便把书名悄悄地记在了心里。但她很清楚,自己亲自去买这样的书,肯定不大合适。她再次想到了哥哥的导师。

    只是到手的《几何原本》她还没来及看完,家人便发现了一切。在母亲看来,一个女孩子竟然对数学感兴趣,“这是一种耻辱”。父亲则担心女儿会因此患上精神疾病。

    他们不仅没收了《几何原本》,也不许萨默维尔接触任何与数学有关的书籍。

    在萨默维尔即将20岁那年,双亲把她嫁给了她的远方表兄。尽管受过良好的教育,他并不希望妻子学习数学。在他眼里,妇女根本就没必要接受教育。萨默维尔只能遵从丈夫的意愿。

    4年之后,如丈夫所愿,萨默维尔生下两个儿子。然而,丈夫却不幸去世。

    他留下的丰厚遗产,足以令萨默维尔衣食无忧。她决定开始继续专心学习数学。由于亲友反对,她只能与一些数学家悄悄通信。

    再婚则为她带来转机,新任丈夫非常支持她在数学和科学上的兴趣。他们举家搬到伦敦,经常参加皇家学会的科学讲座,并与欧洲众多科学家建立起深厚的友谊。

    萨默维尔也不需要再遮遮掩掩。在自家花园里,她做了一系列实验,并将发现写成论文。丈夫参加皇家学会的会议时,欣喜地向人宣读妻子的论文。这让人们认识到,萨默维尔可以娴熟地写作科学论文。

    机会很快来临。1827年,萨默维尔收到朋友亨利勋爵的信。勋爵询问她是否愿意将拉普拉斯的法文著作《天体力学》翻译成英文,但所有的工作必须以她丈夫的名义进行,以免在社会上引起非议。

    萨默维尔接受了这项富有挑战性的工作,并要求翻译工作秘密进行。因为她害怕译本不能被读者接受。她不想让人知道自己的失败。

    事实证明,他们的担心完全多余。萨默维尔用3年时间完成的工作,质量远超出勋爵的预期。即便是拉普拉斯本人也赞不绝口,认为这个女人深入浅出地解释了他那些精确而深奥的理论。这本1831年出版的书,不仅很快销售一空,还成为剑桥大学的标准教科书。

    英国皇家学会也被这个女人的工作所震惊。他们请来一位雕刻家,为萨默维尔雕刻了半身像,放在皇家学会的荣誉室里。3年之后,她完成了《物理学的关联》一书,这被后人视为“比翻译《天体力学》更大的成功”。

    1835 年,萨默维尔被选为英国皇家天文学会第一批女性会员。在伦敦的知识分子中,她已是知名人物。但在意大利罗马学院访问时,主人却没给她面子。这个学院天文台的天文望远镜,处于欧洲顶尖水平。萨默维尔请求用望远镜观测哈雷彗星时,遭到拒绝。天文台称,这里只训练男性观测员,所有仪器禁止女性使用。

    这或许激发了萨默维尔支持女权和妇女教育的热情。当约翰·斯图亚特·密尔向议会提交请愿书,争取妇女的选举权时,萨默维尔第一个签名支持。

    不过,这个女人把更多的精力还是放在了科学上。88岁那年,萨默维尔完成了人生的最后两部著作。其中一部是《分子和显微科学》,插图的制作者是后来因提出进化论而大名鼎鼎的达尔文。至此,萨默维尔的研究领域,也由从前的天文、物理和地理,拓展到显微结构。

    3年后,她去世的消息传来,伦敦的报纸毫不吝惜地将“19世纪科学女王”的称谓,送给了这个享年91岁的女人。



科学大争论——地球年龄有多大?

22 01 2010年

                             (上)

    45亿4千万年,误差1%,这是今天科学界测定的地球年龄。这个年龄漫长得超出人们的想像能力。“人生不满百,常怀千岁忧。”几千年的岁月已是人类能够想像的最漫长的历史时间。难怪直到今天,仍有许多所谓“年轻地球论者”无视科学证据,坚信地球的年龄只有几千年。
    对古希腊自然哲学家来说,这不是一个问题。他们普遍认为世界是极其古老的,或无始无终永恒存在着,处于循环往复的变化之中。亚里斯多德在《气象学》一书中,阐述了这一观点:
    “地球的相同部分并非总是潮湿或干燥的,而是随着河流的出现和干涸而发生变化。而且,陆地和海洋之间的关系也发生了变化,一个地方并非总是陆地或海洋,以前是陆地的,变成了海洋,而现在是海洋的,有一天将变成陆地。……但是地球的整个有机过程是逐渐发生的,与我们的寿命相比,其时间间隔是极其漫长的,因此这些变化没有被观察到,在能够对这个过程从头到尾加以纪录之前,所有的民族都已衰亡、毁灭了。”
    基督教在西方占据统治地位之后,这种世界观就成了异端。基督教《圣经》详细地记载了从亚当开始的人类的家谱。理论上,回溯这些家谱,即可以推算出神创造世界的时间。事实上,《圣经》对家谱的记载有的很含糊甚至自相矛盾,要推算出准确的日期是不可能的。因此在推算时还要参考其他资料,估计一代人的平均时间(通常按一个世纪三代计算)和君王平均在位的时间(通常按20~25年计算),当然还免不了臆想。
    最早这么做的是叙利亚安提俄克的主教西奥菲勒斯(约115~180)。169年,为了反击异教徒对基督教的批评,他通过研究《圣经》推算出世界是在公元前5529年创造出来的。他承认这个数据未必很精确,但是即使有50年甚至200年的误差,也足以反驳异教徒认为世界历史很漫长的观点。后来的神学家也如法炮制,虽然推算的结果各不相同,但是都认为世界历史只有几千年,不超过1万年。例如在基督教神学史上地位崇高的古罗马神学家奥古斯丁(354~430)曾推算出世界历史为6321年。
    这些推算中,以爱尔兰首席主教詹姆斯·乌瑟(1581~1656)的最为出名。他在1650和1654年发表两部著作,推算出上帝在罗马儒略历710年10月22日傍晚时创造天地,相当于公元前4004年10月22日傍晚。奇怪的是,乌瑟认为上帝创造世界的年份是儒略历710年而不是儒略历1年,那么在太阳被创造出来之前的710年没有太阳,怎么纪年呢?乌瑟和当时的人们都没有注意到这个矛盾,乌瑟的推算被普遍接受,自1701年起被印在了英国出版的《圣经》上。
    就在乌瑟发表其推算的时候,启蒙时代已经开始了。启蒙先驱们至少在私下里对《圣经》不以为然,不再相信地球是上帝直接创造出来的,而是自然形成的。在1644年出版的《哲学原理》一书中,法国哲学家笛卡儿(1596~1650)设想地球可能源自一颗炽热的恒星,这颗恒星冷却后,掉进了环绕太阳的以太“旋涡”中,变成了地球。另一个法国人德梅耶(1656~1738)进而试图根据自然现象来推算地球的年龄。推算的结果要比根据《圣经》推算出的古老得多。德梅耶深知这么做要冒着受到教会迫害的风险,因此他把这个观点写成了文学作品,虚构了一位法国传教士与一位印度哲学家的对话,由后者表述出来。这位印度哲学家显然是德梅耶的化身,他的名字特里梅德(Telliamed)是德梅耶特(de Maillet)的倒写。即便如此,德梅耶也不敢出版这部著作,只供朋友们传抄,在他死去10年后,《特里梅德》才出版。
    德梅耶认为地球曾经完全被水淹没,其证据就是在内陆高山上发现的海贝化石。之后,地球的水慢慢掉进了以太“旋涡”中,导致海平面逐渐下降。德梅耶指出,在迦太基、亚历山大城、艾可等地,有一些建筑原先是建在海平面的,现在都远离海平面了。根据这些建筑的位置和建造时间,可以算得海平面每100年大约下降3英寸。那么,从世界最高峰的海拔高度,可以推算出地球的年龄大约有20亿年。
    在今天看来,德梅耶的推算当然经不起推敲。地球从来没有完全被水覆盖。高山上的海贝化石不是由于海平面下降留下的,而是由于高山从海平面以下隆起带来的。他也忽视了,同样在地中海一带,还有很多地方的地面反而下陷到海平面底下,沉入了海底。德梅耶试图根据海平面下降来推算地球年龄,是站不住脚的。但是德梅耶第一个猜测到地球的年龄可能长达几十亿年,而不是只有几千年。世界要比《圣经》所记载的古老得多。更重要的是德梅耶采用的研究方法:不是把《圣经》或某部宗教著作当作依据,而是去研究自然现象,试图找到能用以测定地球年龄的规律。
    德梅耶的宇宙观深受笛卡儿的影响。但是这种旋涡宇宙观在当时已经过时。取而代之的是牛顿(1642~1727)的宇宙观。在1687年出版的《数学原理》一书中,牛顿提出物体散热的速率和物体的大小成反比。他认为,一个烧得通红的直径1英寸的铁球会在1小时后失去所有的热量,那么,一个和地球一样大的炽热铁球(直径大约4千万英尺。1英尺=12英寸),就要花上5万多年的时间才能冷却下来。
    牛顿并不是在计算地球的年龄,但是他为后人计算地球年龄指示了一个重要方向:通过计算地球从最初的炽热状态冷却到现在的温度所需要的时间,就可以知道地球的年龄。法国博物学家布封(1707~1788)是沿着牛顿指示的方向前进的众多学者中的第一个。他认为太阳系是一颗彗星撞击太阳形成的,在撞击下,太阳抛出的气体和液体形成了各个行星和卫星。其中的一个就是地球。接下来布封要计算地球从一个熔球到冷却到现在的温度所需要的时间。为此他首先需要知道熔球冷却的速度。他用10个直径相差半英寸的铁球做实验,把它们加热到通红,然后测量冷却到室温所需要的时间。他发现冷却时间和球的直径大致成正比,由此外推到地球大小,算出地球从熔球冷却到现在的温度需要96670年。
    但是地球毕竟不是铁球。布封重复实验,这回用的不是铁球,而是组成和地球的组成相近的球。根据实验结果算出地球的年龄是74832年。虽然这是布封印在书上的结果,但是他私下承认这可能大大低估了地球的年龄。他注意到,暴露在阿尔卑斯山的沉积岩层非常深,而岩石沉积的速度又极其缓慢,这些都说明地球年龄远远不只几万年。在一份没有发表的手稿中,布封对地球年龄重新做了几次估计,结果都比他发表出来的长得多。其中的一个估计是,地球有近30亿年的历史。
    布封不敢发表这些估算,显然是担心激怒宗教势力。说地球只有几万年的历史也许还能被教会容忍,说地球有几十亿年的历史,就会被认为是在和教会作对了。在布封小心翼翼的文字背后,隐藏着更具革命性的力量。他是第一个用实验方法研究地球年龄的,也是第一个认识到地球的面貌是在自然力量持续而均一的作用下形成的,今天我们所观察到的地质过程,与过去的相同——这种思想后来被称为均变论。因此通过观察地球漫长的历史过程中在自然力的作用下发生的缓慢变化,可以推算出地球的年龄。布封采用的具体推算方法是错误的,思想观念却是正确的。

                             (中)

    到了19世纪,科学家已无需担心由于发表离经叛道的观点而受到宗教界的迫害。科学界实际上已无人相信地球如《圣经》所记载的只有几千年的历史。各种证据都表明地球的年龄必定非常古老。但是究竟老到什么程度,物理学家和地质学家(以及生物学家)却有不同的看法,发生了一场持续几十年的大争论。
    物理学家延续牛顿、布封的传统,试图根据地球的冷却来估算地球的年龄。牛顿、布封的估算未免过于粗陋,要做较为精确的计算,需要用到热力学的方法。创建热力学的关键人物英国物理学家威廉·汤姆逊(后来成为开尔文勋爵)(1824~1907)成了最佳人选。
    汤姆逊在1852年写了一篇简短的论文,指出在能量转化过程中,总会有一部分能量变成热量耗散掉。这意味着地球、太阳系乃至整个宇宙也都在逐渐散热,持续冷却下去。当时已知的化学反应能够补充一些热量,但是远远不足以补偿散发的热量。换言之,地球在过去必定比现在热,曾经热得生命无法生存,在将来则会比现在冷,会冷得不适合人类居住。假定地球一开始是完全熔化的,之后热量从地球内部传导到地球表面耗散掉,地表逐渐冷却到现在的温度,那么如果知道了地球的初始温度、岩石的热导率和现在地表的温度梯度,就可以算出地球的年龄了。
    汤姆逊在1862年的一篇论文中就是这么算的。但是他所需要的三个数据在当时都不确定,只能先做一番估计。汤姆逊把地球的初始温度设为3870摄氏度。他认为这是岩石熔化的温度,但是当时并没有这方面的实验,其实也就是瞎猜的。对岩石热导率,汤姆逊倒是自己做了测量,分别测了沙、沙岩和辉绿岩的热导率,把它们的平均值做为地球岩石的热导率。至于现在地表的温度梯度,有一些数据,但是彼此差别很大,汤姆逊挑了其中的一个。据此,汤姆逊计算出在9千8百万年前地球从熔化状态开始凝固下来。考虑到数据可能有错,汤姆逊给出一个比较大的估算范围,下限是2千万年前,上限是4亿年前。
    尽管汤姆逊的估算所用的假设很成问题,数据也很不确定,但是在此后的几十年内却被认为非常权威。毕竟,汤姆逊是当时首屈一指的大物理学家,身上笼罩着无数的光环:连续6年当选王家学会会长,被授予爵士和男爵爵位,成为第一个入选英国上议院的科学家……不相信这样的权威还相信谁呢?
    地质学家们却不以为然。一亿年的历史听上去已极为漫长,但是在地质学家看来却过于短暂,与他们观察到的地质现象不符。汤姆逊的估算也让达尔文深感苦恼。达尔文的自然选择学说认为生物进化是一个逐渐改变的过程,需要无比漫长的时间才能进化出现在我们见到的如此众多、如此丰富多彩的生物物种。但是按照汤姆逊的估算,只有最近的2~4千万年地球才冷却到能够让生命生存,这个时间框架显然远远少于达尔文所需要的时间。实际上,汤姆逊之所以选择在《物种起源》出版3年后挑起有关地球年龄的论战,就是针对达尔文的自然选择学说而来的。汤姆逊做为一位虔诚的基督徒,是广义的神创论者,虽然接受进化论,但是相信生物进化是在上帝的指导下进行的。
    地质学家有自己的办法估算地球的年龄,例如根据岩层的厚度。当时的地质学家已经知道沉积岩是水中的物质沉积而成的。那么,如果知道沉积的速度和一组沉积岩的厚度,就可以计算花了多长时间形成这组沉积岩。如果知道了所有沉积岩的总厚度,就可以知道花了多长时间形成所有的沉积岩,那么就可以知道地球的年龄的下限。但是这样的估算很难做到精确,最主要的缺陷在于物质沉积的速度并不是均一的,根据情况变化很大。而且沉积岩的总厚度也难以知道,特别是寒武纪之前的岩层很不完全,而那段时期占了地球历史的大部分。
    因此达尔文无法具体地估算地球的历史究竟有多长,但是他有理由相信它必定是非常古老的。例如,当时英国地区沉积岩的已知总厚度是77584英尺,美国密西西比河的泥沙沉积速度据估计是10万年600英尺,即每166.67年沉积一尺。按这个沉积速度,英国沉积岩花了1千2百万年才形成,而实际的沉积速度可能比那慢得多,因此所用的时间也就长得多。在另一个例子中,达尔文估计要用大约3亿年的时间才能把一个高度为500英尺的悬崖侵蚀成现在的韦尔德平原(假定侵蚀速度是每百年1英寸)。
    但是物理学家用别的方法估算出的地球年龄却都比较接近汤姆逊的估算。当时的物理学家认为,太阳最初从星云凝聚,达到现在的大小和亮度,只用了大约2千万年的时间,地球的年龄当然不可能比这老。当时太阳核聚变还未被发现,他们计算的时候,错误地假定了太阳能够发光是引力收缩释放出的能量导致的。物理学家采用的另一种估算方法是海洋中盐分的累积。海洋中的盐来自水土的流失,据此估算出海洋的年龄大约是8千万到1亿年。就连达尔文的二儿子、剑桥大学的天文学家乔治·达尔文也独立地验证了汤姆逊的估算。乔治·达尔文假定地球和月球是在熔化状态下分离形成的。在月球引力作用下,地球的海洋出现潮汐。潮汐摩擦会让地球自转速度变慢。乔治·达尔文估算出自月球从地球分离出去,到潮汐摩擦让地球自转减慢到现在的速度,大约用了5千6百万年的时间,与汤姆逊的估算相当。
    这些根据物理定律所做的计算,看上去要比达尔文本人的估算准确得多。在地球年龄的问题上,物理学家似乎更有发言权。达尔文无法反击,只能说“我确信有一天世界将被发现比汤姆逊所计算而得的还要古老”。“达尔文的斗犬”托马斯·赫胥黎则抨击说,汤姆逊的计算貌似精确,其实是基于错误的假设。达尔文相信地球的年龄至少有几十亿年老,生物才有足够的进化时间。我们今天知道达尔文、赫胥黎是对的,而物理学家们算错了。在地球年龄问题上生物学家比物理学家更靠谱,这很有讽刺意味,不过,后来证明物理学家算错的,也是物理学家。
    1895年,汤姆逊以前的助手约翰·佩利(1850~1920)发现了汤姆逊估算的一个漏洞。汤姆逊把地球当成了固体。但是如果地球内部是液体,地球内部的导热率就要比汤姆逊估计的高得多,地球的年龄相应地要比汤姆逊计算的大得多(地球内部导热率高使得地表温度增高,冷却时间变长)。佩利算出地球的年龄大约有20~30亿年。但是佩利的观点在当时没有造成什么影响。
    放射性现象被发现以后,汤姆逊计算的另一个大缺陷也暴露了出来。汤姆逊假定地球内部没有热源,地球形成以后就一直在冷却。1903年,法国物理学家居里(1859~1906)发现放射性同位素镭能够释放出热量,乔治·达尔文和几个物理学家几乎同时指出,这表明汤姆逊的假定是错的,地球内部放射性同位素产生的热量足以平衡汤姆逊假设的冷却效应。1904年,核物理之父卢瑟福(1871~1937)在汤姆逊出席的一次报告会上,指出了这一点。卢瑟福以后也将由于他的物理学上的重大贡献被授予爵士、男爵,获得诺贝尔奖,学术地位不亚于汤姆逊。不过在当时,他还只是个崭露头角的年轻物理学家,要当面挑战德高望重的权威,不免战战兢兢。卢瑟福在回忆录中生动地描述了这一幕:
    “我进了昏暗的房间,很快发现开尔文勋爵就在观众中,并意识到我有麻烦了,我的报告的最后部分是关于地球年龄的,而我的观点和他的观点相抵触。开尔文很快睡着了,这让我松了一口气,但是在我讲到关键部分时,我看到老家伙坐直了,张开眼睛,恶狠狠地盯着我!我突然灵机一动,说:‘开尔文勋爵已限定了地球的年龄,条件是没有发现新的热源。这个高瞻远瞩的观点指的就是我们今晚讨论的东西,镭!’瞧!老家伙对我发出了微笑。”

                                (下)

    放射性现象的发现不仅推翻了此前物理学家对地球年龄的低估,而且让准确测定地球年龄成为可能。
    放射性现象的发现纯属意外。1896年,法国物理学家贝克勒尔(1852~1908)在准备实验时,惊讶地发现铀盐已让包在厚黑纸里的底片感光,表明铀盐发射出能穿透黑纸的射线。两年后,皮埃尔·居里(1859~1906)和玛丽·居里(1867~1934)夫妇发现钍元素也能发出类似的射线,把这种现象命名为“放射性”。之后,居里夫妇发现了两种具有放射性的新元素——钋和镭。
    卢瑟福和索迪(1877~1956)一起为放射性年龄测定奠定了理论基础。他们发现放射性现象是由于元素的自发衰变造成的。在衰变过程中,一种元素变成了另一种较轻的元素,同时发射出射线。一种放射性元素的衰变速率是固定的。这样,如果知道了某种放射性元素的衰变速率和衰变产物,就可以根据衰变产物的量计算出用了多长的时间产生这些产物。
    卢瑟福在1905年首先想到了可以用这种办法来测定岩石的年龄。当时,他已经知道铀、镭发射出的阿尔法射线其实就是氦,那么,通过测量岩石中铀和氦的比例,以及铀产生氦的速率,就可以知道岩石的年龄。用这个办法,他测定两块岩石的年龄大约是5亿年。卢瑟福谨慎地指出,这只是下限,因为有一部分氦可能从岩石中逃逸了,导致测定的氦含量比实际的要少,测定的岩石年龄也就偏小。
    在同一年,美国化学家波尔特伍德(1870~1927)注意到铅总是出现在含铀和钍的矿石中,推测铅是铀和钍衰变的最终产物。在卢瑟福的建议下,波尔特伍德开始通过测量铀矿石中的铅含量来计算岩石的年龄。他测了26份岩石样本,发现它们的年龄在4亿到22亿年之间。这表明地球的年龄至少是22亿年。
    波尔特伍德的结果于1907年发表在地质学杂志上。尽管这个测定结果符合地质学家的预想,他们却对此没有什么兴趣。地质学家对物理学家、化学家闯入他们的领域的举动仍保持戒心。波尔特伍德没有做进一步的研究,后来患了抑郁症,自杀身亡。卢瑟福的兴趣也转移到其他方面。
    在其他人都放弃的时候,只有英国地质学家霍姆斯(1890~1965)坚持了下来。早在1911年霍姆斯还是一名本科生时,就开始用铀-铅法测定岩石的年龄,并测出最古老岩石的年龄是16亿年。此后,随着对放射性现象、放射性同位素的研究的深入,霍姆斯一直在改进其测量结果。但是直到进入20年代,霍姆斯的工作才逐渐受到重视。此时,地质学家已发现地层的沉积速度并不是恒定的,因此想根据现在地质变化的速率来精确地算出地球的年龄是不可能的,只能借助放射性方法。1931年,美国科学院指定一个委员会专门研究地球年龄的测定问题,由霍姆斯执笔的委员会报告认定放射性年龄测定法是测定地球年龄的唯一可靠的方法。
    有关放射性测定法的争议消失了,接下来就是如何尽可能准确地测定地球的年龄。岩石越古老,当然就越接近地球的年龄。目前测定的最古老的岩石年龄大约是38~39亿年,其中有的是沉积岩,含有更古老的矿物晶体。已知最古老的矿物晶体是在澳大利亚发现的锆石小晶体,年龄至少为44亿年。但是用地球岩石无法直接测定地球形成的年龄。这是因为地球由地壳、地幔、地心几部分组成,由于板块运动,新的地壳持续地产生,然后又被循环,岩石始终处于变化之中,其结果是,地球最早形成的岩石已不存在。
    整个太阳系是由同一片星云形成的,形成太阳系各个天体的过程所花的时间相对来说比较短,可能不到1亿年。太阳系其他天体的年龄也就基本等于地球的年龄。因此,有关地球年龄的最好证据反而不是来自地球,而是来自月球和降落到地球上的天外来客——陨石。月球上不存在板块运动,可以在上面找到月球刚形成时就有的岩石。对阿波罗号带回来的月球岩石的测定结果表明,最古老的月球岩石大约是44~45亿年。对许多陨石的测定结果,年龄也都在45亿年左右。现在被普遍接受的地球年龄45.4亿年(1%误差),根据的是美国地球化学家帕特森(1922~1995)在1956年发表的测定结果,测的是一块在美国亚利桑那州恶魔谷发现的陨石。
    地球年龄大约45亿年,科学界对此已无疑义,它做为一个科学事实已有50多年的历史。但是在科学界之外,仍然有许多人不能接受这一事实。这主要是基督教原教旨主义者,他们坚信地球的年龄只有大约1万年。这些“年轻地球论者”的依据是基督教《圣经》,但是却给自己披上科学的外衣,试图动摇放射性测定法的科学基础。
    简单的放射性测定法有两个假设:一、在岩石刚刚形成时,只有母元素(例如铀),子元素(例如铅)都是后来由母元素衰变形成的。二、自岩石形成以后,没有母元素、子元素逃逸出去,也没有母元素、子元素从外界渗透进来。显然,这两条假设如果有一条不成立,就会影响到测定结果,因此就受到了“年轻地球论”的质疑。
    但是存在这两个假设并不会让放射性测定法变得毫无价值。在许多情形下,有足够的依据可以认定这样的假设是完全合理的,而且也可以通过对同一个样本用不同的同位素、不同的测定方法进行核对。实际上,现代放射性测定法普遍采用的是等时线法,通过测量同一种元素的不同同位素的量,以及通过测量在同一时间形成的不同物体(例如岩石中的不同矿石晶体),取消了这两个假设。因此“年轻地球论者”对此的质疑是没有道理的。
    放射性测定法还有一个基本假设,某种放射性元素的衰变速率是恒定不变的。如果这个假设不成立,测定的结果当然就靠不住。因此“年轻地球论者”最喜欢攻击这一假设。但是这一假设有充分的量子力学理论依据,攻击它也就是在攻击量子力学。这个假设也被实验所证实:物理学家做了很多试图改变衰变率的实验,对放射性同位素施加不同的温度(高达2000摄氏度,低达零下186摄氏度),不同的气压(从真空到几千个大气压),不同的引力场和磁场,都未能显著改变衰变率。
    而且放射性测定法的结果已被别的方法所独立验证,例如日震年龄测定法。上个世纪60年代,天文学家发现太阳表面在有规律地振荡,称为日震。日震波的传播与太阳的组成,特别是太阳中心的氦和氢的相对含量有关。自太阳诞生以来,其内部就一直在进行着把氢聚合成氦的核聚变。因此,通过日震测定太阳中心氦的含量,就可以计算出太阳的年龄。用这个方法测出的太阳年龄大约为45.7亿年,与用放射性测定法测出的吻合得很好。
    当代“年轻地球论者”对地球年龄的质疑没有任何科学含量,不能算是科学争论,也无法通过学术争论获得解决。这是宗教与科学的冲突,这些偏执的信徒还生活在17世纪乌瑟主教的时代。

2009.12.23.
2010.1.6.
2010.1.13.

(《经济观察报》2010.1.4,11,18)



矮象和硕鼠

20 01 2010年

    提起庞然大物,我们往往会想到象。象是现存最大的陆地动物,最大的非洲丛林象的身高能超过4米,体重能达到12吨。象刚生下来时的体重通常就有120千克。它们是如此庞大,以至我们习惯充满敬畏地称之为“大象”。
    但是有一种象的形象很难让人将它冠以“大”字,它们成年时身高还不到1米,体重只有大约100千克,和猪的大小差不多——猪鼻子插葱有时的确是可以装象的。这样的矮象一定很可爱,可惜它们只生活在更新世,已在大约1万年前全部灭绝。
    矮象并不是大象的祖先,在它们之前大象早已进化出来。相反地,矮象是从大象进化来的。这些矮象的化石是在地中海的西西里岛和马耳他岛发现的。在地中海的其他岛屿,也有类似的矮象化石出土。大约600万年前,地中海的海水被部分或全部蒸发了,生活在大陆的大象得以迁移到这些岛屿。后来随着海平面的上升,这些大象的后代与世隔绝,在岛上进化成了猪一般的矮象。
    为什么大象的后代变成了“猪”了呢?在回答这个问题之前,我们需要先问一下,为什么大象要把身体弄得那么庞大呢?原因很简单,身体庞大是它们保护自己的法宝。当大象的身体大到连老虎、狮子也望而生畏时,大象就没了天敌,可以自由自在地吃草。但是身体庞大也意味着要消耗大量的食物。一头成年大象每天要吃上一、两百千克的植物。而一个大象群体为了避免近亲繁殖,通常有几百头大象,它们消耗的食物量大得惊人。
    在地中海的岛屿上,没有大型的肉食动物需要抵御,大象身体庞大的优势消失了,劣势暴露了出来。在岛上,资源非常有限,没有足够的食物来维持一个大象群体,身体大的象饿死,身体小的象由于需要的食物量也少,反而容易生存下来。要维持一个500头大象的群体,可能至少需要几千平方千米的空间,但是要维持一个同等数量的矮象群体,有几十平方千米的地盘可能就足够了。这样,在自然选择的作用下,大象的身体就变得越来越小。
    不仅大象如此,其他大型食草动物到岛上繁衍后,由于没有天敌,也由于缺乏食物,它们后代的身体也会逐渐地变小。甚至人类也是如此。2003年在印度尼西亚的弗洛里斯岛发现的史前“矮人”(已在大约12000年前灭绝),身高只有大约1米。
    但是对俗称老鼠的啮齿动物来说,情形却正好相反。老鼠体型小的原因,也是为了避免被天敌吃掉,因为身体小容易躲藏。到了岛上以后,没有那么多天敌,甚至根本就没了天敌,没有必要再躲躲藏藏,身体小的劣势就暴露出来了,因为身体太小,热量容易散失,而且能吃的食物种类有限,比如粗一点的植物就咬不动。对老鼠来说,身体大一些反而更有优势。在岛上生活的啮齿动物的身体通常要比在大陆生活的大很多。例如在弗洛里斯岛上原来生活着一种窟山鼠(已灭绝),和猫一样大。
    不过,和在乌拉圭发现的一种豚鼠相比,窟山鼠就是小巫了:这种乌拉圭豚鼠比牛还大,体长3米,高1.5米,重达1吨,比矮象还要大得多。幸运的是这种可怕的硕鼠生活在200~400万年前。在当时,巴拿马地峡还未出现,南美洲和北美洲是分离的,南美洲实际上是一个大岛,北美洲的剑齿虎等天敌还过不去享用这些硕鼠。现在还生活在南美洲的花背豚鼠是硕鼠的近亲,而花背豚鼠的体长只有80厘米,体重只有15千克,这在现在啮齿动物中已经算是大的了。
    当大型的哺乳动物迁移到岛屿,它们的身体通常会逐渐矮化,而小型的哺乳动物则相反,它们的身体会逐渐巨化。这种现象被称为“岛屿法则”。这个进化速度会非常快。对88种岛屿哺乳动物(其中一半是啮齿动物)的调查表明,它们的进化速度要比大陆哺乳动物快两倍。
    人类的文化进化其实也存在类似的“岛屿法则”。对人类社会来说,“岛屿”并不一定是地理意义上的。开放的岛国可以包容世界,自我封闭的大陆国家却是文化的岛屿。一个国家如果闭关锁国成了世界的孤岛,那么由于缺乏来自外部的竞争压力和文化交流,也会很快地让伟人矮化,鼠辈巨化。这样的国家,会一时成为“矮象”和“硕鼠”的天堂。但是不论是可爱的矮象还是可怕的硕鼠,终究还是都灭绝了。

2010.1.18.

(《中国青年报》2010.1.20)

【按:在《中国青年报》登出的版本写错了花背豚鼠的体重,误把“15千克”写成“75千克”,重得离谱了。若有转载,请更正一下,以此为准。】



告诉我为什么

14 01 2010年

    幼儿开始会说话后,最爱问的是“这是什么?”。等到再大一点,他们就会不停地改问“为什么”了。儿童虽然很有探索精神,喜欢刨根问底,但是也很轻信,不管多么刁钻古怪的问题,大人用一两句话随便给一个答案,他们也就满足了。
    等儿童再长大一些,有了怀疑的态度,学会了做思考,就不容易打发了。于是解答“为什么”的科普读物应运而生。我们这一代人,基本上小时候都受过《十万个为什么》的熏陶。那是知识读物极度缺乏的时代,难得有一套科普书能稍稍满足少年儿童的求知欲。用今天的眼光看来,这套富有时代色彩的书籍的内容和写法都乏善可陈,没能经得起历史的考验,倒是那个学自苏联、不符合汉语表达习惯的书名成了名牌,衍生出众多模仿、跟风之作,国内各家出版社出版的以“十万个为什么”为名的图书,据说至少有一百多种。
    这些图书其实是以问答方式编写的百科知识入门读本,问题大多很抽象,解答也像考题标准答案一样的呆板、枯燥。它们被归为少儿读物,似乎人一旦长大,就没有了探究“为什么”的兴趣。只有少数成年人还继续保持童心,享受探索的乐趣。在古代他们是思想家,在现代他们是科学家。科学研究的目的,简单地说也是为了回答儿童喜欢问的那两个问题:“是什么”(对事实的描述)和“为什么”(事实背后的机理或因素)。
    在科学出现之前,人们对“为什么”的解答都是出于臆想。中国学者的解答依据是神话传说和阴阳五行之类的玄学。西方学者则多了一个神学解答,而且人们从小就被灌输。有一首传统英语儿歌《告诉我为什么》如此唱道:

    告诉我为什么星辰闪耀,
    告诉我为什么常春藤缠绕,
    告诉我为什么天空如此蔚蓝,
    那么我将告诉你为什么我爱你。

    如果你以为这是在激励儿童去做科学探索,那就错了。这首歌的第二段马上就给出了简单得不能再简单的回答,要对儿童做所谓“终极关怀”:

    因为上帝创造星辰闪耀,
    因为上帝创造常春藤缠绕,
    因为上帝创造天空如此蔚蓝,
    因为上帝创造了你,那就是为什么我爱你。

    把想不明白的问题,都归为上帝(或神仙、外星人),从此不去做进一步的探索,是一种非常煽情然而也非常懒惰的做法。何况这些问题都已有了并不复杂的科学解答,并不需要抬出“上帝”来吓人。恒星会发光是由于它们有巨大的质量,在引力作用下恒星内部有很高的温度,引起核聚变,释放出大量的能量。常春藤缠绕而上是为了获得阳光进行的向性运动(植物的叶子有朝着阳光生长的向光性,而茎有朝与重力相反方向生长的负向重力性)。晴朗的天空之所以呈蔚蓝色是由于空气分子对阳光的散射引起的,阳光中的蓝光波长短,散射比较强。这种现象是英国物理学家瑞利发现的,称为瑞利散射。至于男女之爱,则离不开激素的影响。美国著名科普作家阿西莫夫曾经据此给上面的儿歌改了歌词:

    核聚变让星辰闪耀,
    向性运动让常春藤缠绕,
    瑞利散射让天空如此蔚蓝,
    我之所以爱你是由于睾丸激素。

    对这些解答当然可以继续追问为什么。比如,植物为什么会产生向性运动?我们可以从生物化学、细胞生物学和分子生物学的角度解释向性运动的机理(和植物生长素或生长抑制物质的不均匀分布有关)。为什么会出现这样的机理?我们可以从进化生物学的角度解释这是自然选择的结果。
    一步一步地追问下去,可以让我们更深入地研究某种自然现象,对它有更透彻的了解。现在回答不了的,也可以留待以后的研究结果。但是这种追问不可能无限地继续下去,总有必须叫停的时候。这个时候,我们就会说这个问题没有科学意义,是个伪问题。比如,如果有人继续问,为什么会有自然选择?我们只能告诉他,这是在满足一定的条件后必然会出现的最基本的自然规律,去追究为什么会出现自然规律,没有科学意义。
    有些人可能会兴奋地说,原来科学并不是什么问题都能回答的啊,科学回答不了的,就交给我们哲学家、神学家来进行“终极关怀”。对上面的问题,有人会说,自然规律是上帝创造的。但是这既无法让人信服,也不增加任何知识量,纯属多余。否则,我们也可以学着继续追问:为什么上帝要创造自然规律?为什么会有上帝?……如果你要说上帝是“第一因”,到了上帝这里就不能再追问了,那么我们也可以把自然规律做为“第一因”,没有必要再加一个子虚乌有的“上帝”。科学回答不了的,哲学、神学的回答也只是自作聪明。

2010.1.11

(《中国青年报》2010.1.13)



雄海马为什么怀孕?

6 01 2010年

    前一阵子美国号称有男人怀孕生子,轰动一时。其实那是一个通过吃雄性激素让自己长得像男人的女人。现在的医学技术还没办法让男人也怀孕。但是的确有的雄性动物能够怀孕,那就是海马。这个趣闻,我们从小就听说了。比如有一本给0~3岁婴儿看的画册为海马配的儿歌说:“说马不是马,海里面长大,妈妈生宝宝,爸爸来孵化。”对生育毫无概念的婴儿大概不会觉得这有什么稀奇的,大人才会认为这事确实很怪异。
    海马的样子长得就非常怪异。它是鱼,用鳃呼吸,用鳍游泳,但是它的样子却一点也不像鱼,倒像是国际象棋的马,所以中外不约而同地称之为海马。只不过这是很微型的“马”,现存52种海马,小的不到3厘米长,大的也只有35厘米长。但是,如果把海马和明显是鱼的尖海龙放在一起,还是很容易看出海马的身体就是以海龙为模板做了改造。化石和分子生物学的证据也都表明海马是从某种海龙进化来的。
    最怪异的还是海马的生育行为。在生育季节开始后,海马成双成对地翩翩起舞,连跳几天求偶舞蹈,然后雌海马的肚皮紧贴雄海马的肚皮,把像阴茎的产卵器插进雄海马肚皮上的育儿袋中,排出卵后就离开了。雄海马不仅要给育儿袋中的卵授精,还要给它们提供氧气和养料。卵和育儿袋的壁结合在一起,后者就像胎盘,有丰富的血管供应氧气和养料。在卵孵化后,小海马还要继续在爸爸的育儿袋中待上一段时间,靠育儿袋分泌的养料为生。在雄海马怀孕期间,雌海马除了每天早晨来探望一次,共舞6分钟之外,就不干别的了。大约一个月后,雄海马收缩育儿袋,把小海马排到海中。一旦小海马生产出来,雄海马就不再管它们了,而是马上准备再次怀孕。
    整个怀孕过程和哺乳动物的很相似,甚至它们的化学基础也有相似之处:都受催乳素的控制。只看这个过程,我们完全可以把怀孕的海马当成是雌性的,如果它们制造的不是比卵小的、会游动的精子的话。
    没有别的动物有这样的超级爸爸。在所有动物中,只有海马的近亲海龙有类似的现象,但也没有到海马那样的程度。和其他鱼类相比,海马显得尤其特别。大多数鱼类是只管生不管养的,雌鱼排出卵,雄鱼授精,就完成了生育使命,它们对受精卵的命运毫不关心。这些在水中飘荡的鱼卵,绝大多数都将成为其他动物的食物。它们只能是靠增加卵的数量来提高后代生存的机会,有的一次就能产下几百万个卵。
    但是制造卵非常耗费能量。对海马来说,这是负担不起的开支。它们躲在海藻中,几乎不做运动,伸出长嘴吸食漂浮来的小鱼小虾和浮游生物,这种守株待兔式的觅食方式使得它们只能摄入很少的能量,无法制造大量的卵。雌海马少的一次只制造几个卵,多的也不过制造一千多个,这已经让卵的重量占了其体重的三分之一了。
    所以海马只能通过提高卵的存活率来增加后代生存的机会,那么就不能对卵的死活漠不关心,要照看它们。卵子比精子“贵重”得多,也就是说,雌性动物对后代的投资要比雄性的大得多,她们更在乎后代的死活,通常也由她们来承担养育的责任。不过,如果雄性能够确信后代是他的,他们也能分享甚至独占养育的责任。鱼是体外授精的,先由雌鱼产卵,然后雄鱼立即授精,在这种情况下,雄鱼可以确信受精卵是他的,所以有些物种的雄鱼会留下来守在受精卵旁边加以保护。
    海马非常弱小,它们保护自己的唯一办法就是靠伪装躲在海藻中,对天敌没有任何抵御能力,不可能去保卫卵,那样做等于自杀。那么,对海马来说,保护受精卵的最好办法就是把它们藏在体内,带着它们一起躲起来。怀孕要耗费许多能量。雌海马为了制造卵,已几乎把能量耗尽了,当不成孕妇,雄海马只好承担怀孕的责任。在雄海马怀孕的时候,雌海马开始制造新一批的卵。等雄海马生下小海马,雌海马的卵也成熟了,马上又可以让雄海马怀孕。海马通常会找原配继续生育,它们通过怀孕期间每天的探视培养感情,不用浪费时间去寻找新配偶。一夫一妻制在鱼类中也是非常独特的。所有这些貌似怪异的生育行为,其实都是为了在严酷的条件下既尽可能地多产卵又尽可能地保证卵的存活,是在特殊的生存环境中为了追求后代利益最大化,在自然选择作用下形成的最“合理”的生存策略。
    这种奇妙动物的生存现在面临着新的挑战,正在成为濒危物种。威胁它们生存的,除了栖息地的丧失和环境污染,主要的因素是被大量地捕杀晒干了做中药。中国传统医学把海马当成治女人难产和为男人壮阳的良药。按《本草纲目》的说法,孕妇临产时把海马烧末吃了,再手握一只海马,就能保证顺产。现在应该没有人用这么古怪的方法治难产了,但是对海马能“壮阳”的迷信却是被发扬光大了。每年世界各地有大约2千万只海马被捕杀,卖到中国和其他华人居住地区用来做“补肾壮阳”的中药。
    中国传统医学根据“取象比类”来认定药效。一种东西被认为能壮阳,或是因为样子像阴茎(例如肉苁蓉),或是因为样子很威风(例如虎鞭),而海马按李时珍的说法,则是因为“海马雌雄成对,其性温暖,有交感之义”。雌雄成对的动物多了,不知为何惟独看上了海马?如果李时珍知道雄海马居然会怀孕,“雌性化”到了极点,是否会反过来认为其功效是“缩阳”呢?

2010.1.4.

(《中国青年报》2010.1.6.)



直觉是靠不住的

31 12 2009年

    在中国农村推行计划生育的一大阻力是重男轻女的观念,生了女孩的家庭总想要再生男孩,有许多地方为此做了让步,在农村实行“一胎半”政策,第一胎是男孩的不能再生,是女孩的可以再生一个。有一位“中国问题专家”曾撰文抨击说,这样下去,岂不是女孩越来越多,男孩越来越少,会造成性别比例严重失衡?
    其实,由于生男生女的概率相同,只要不用人工流产或溺婴的方式人为地选择婴儿的性别,那么不管采用什么生育策略,都不会改变男女比例。即使生男孩只能生一个,生女孩可以一直生到生下男孩为止,也不会使女孩多于男孩。
    这个结论违反了人的直觉,会有许多人无法接受。不相信的人可以具体算一算进行验证:1000对夫妇生育,500对生了500个男孩,停止生育;500对生了500个女孩,继续生育;后者又得250个男孩,250个女孩;后者再得125个男孩,125个女孩……加起来男女孩总数相同。现在中国男女比例的确严重失衡了,不过是女孩少于男孩,这是由于女孩被流产或溺杀引起的。
    许多貌似简单的数学题,其答案往往与人们的直觉不符。请看这三道数学题:
    一、球拍和球的总价是1.1元,球拍比球贵1元,那么球的价格是多少?
    二、如果5台机器用了5分钟生产5个零件,那么100台机器生产100个零件需要多少分钟?
    三、在一个湖里有一片睡莲,睡莲的面积每天扩大一倍。如果睡莲覆盖整个湖需要48天,那么它覆盖半个湖需要多少天?
    直觉告诉我们,答案分别是:0.1元、100分钟和24天。美国研究人员把这三道题混杂在问卷中让10所大学的3000多名本科生解答,发现大部分人都凭直觉回答。但是直觉是错的。正确的答案分别是:0.05元、5分钟和47天。按答对1题得1分计算,这些学生的平均得分只有1.24分。即使是那些给出正确答案的人,往往也是首先想到直觉的答案,然后意识到这个答案是错的,才去找违反直觉的正确答案。
    直觉其实是一种无意识的本能反应,不经思考快速地自发产生,不受人的心理状态的影响。理性思维则需要做有意识的思考,反应要慢得多。直觉对我们的生存至关重要。我们看到一张脸,不可能要经过思考才辨认出是熟人;看到一块石头迎面砸来,不可能等到想起会被砸伤才躲开。这些都要靠直觉做出快速的自发反应。但是在面临更复杂的问题时,就需要用到理性思维才能解决。
    在生活中我们在交替使用这两套思维系统。例如,我们讲母语时,用的是直觉思维,而讲外语时用的是理性思维,所以不可能像讲母语那么流利。我们听到气象员用摄氏报出气温时,会直觉地感到气温的高低,但是如果听到的是华氏温度,就要用到理性思维了——美国人则相反。通过反复的训练,有可能让理性思维转化成直觉。例如,人们在学开车时,要靠理性思维进行判断,反应比较慢,开车时间长了,在某种程度上就成了一种本能,具有迅速的应变能力。
    但是有时对同一个问题,直觉和理性思维会给出相互冲突的答案,而直觉往往能战胜理性,从而让人产生烦恼。虽然统计表明飞机是最安全的旅行方式,但是许多人仍然害怕乘飞机,直觉地认为飞机不安全。这些人乘车时并不担心会出事,虽然出车祸的概率要比飞机失事高得多。
    有时统计数据反而激发人们本能的恐惧,出现严重的后果。1995年10月,英国医药安全委员会警告说,第三代避孕药与第二代避孕药相比会让静脉血栓症的风险增加100%。这听上去很吓人,许多人因此不敢再用避孕药避孕,导致第二年英国人工流产增加了9%。其实血栓的风险本来就低,风险增加100%,不过意味着每7000多人中会多1例而已。英国医药安全委员会现在的说法是,第三代避孕药只是略微增加了血栓的风险,除非你有患血栓的危险,否则无需停用第三代避孕药。
    人们在进入陌生的领域时,会本能地感到恐惧,做出过分谨慎的直觉反应。许多人对转基因食品、疫苗接种的疑虑和反对,就是一种由于缺乏科学知识,未经理性思考做出的本能反应,并被某些组织和人士利用来制造社会恐慌。本能反应一旦做出,就很难通过出示科学证据来说服,因为说理诉诸的是理性思维系统,不容易影响人们的直觉。
    让理性战胜直觉,并非不可能。毕竟,对那三道数学题,还是有人给出了违反直觉的正确答案。在回答它们时,名校学生与一般学校的学生表现出较大的差距。在10所学校中,得分最高的是麻省理工学院的学生,平均2.18分,最低的是托莱多大学的学生,平均只有0.57。也许麻省理工学院的学生天生就对数学有更好的直觉,但是也可能是长期进行数学训练的结果,让他们有更好的答题能力。对从小就在“奥数班”磨练过的中国大学生来说,更不容易被这类数学题误导。
    当然,善于解答数学难题不等于善于应用理性思维。习惯于理性思维特别是科学思维的人,在人群中只是极少数。要让人们了解科学知识还比较容易,但是科学知识往往与人们的直觉不符,要让人们利用科学知识、应用科学思维做出正确的判断,则困难得多,因为那是在抗拒人们的本能。也许科学思维也要“从娃娃抓起”。人们如果从小学习外语,就能让讲外语成为一种直觉;从小训练下围棋,就能对局势有很好的直觉。如果从小进行科学思维训练,是否也能让科学思维战胜直觉反应?

2009.12.28

(《中国青年报》2009.12.30.)



金合欢的关系图

26 12 2009年

这是网友“会飞的藏红花”为《金合欢的关系网》画的插图。

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