人与宇宙之间的和谐之美

　　　出品：科普中国

　　制作：北京师范大学天文系 宇宙之美科普团队  张同杰

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　引言

　　人人都在追求美，科学家尤其是物理学家更是在孜孜不倦地追求世界和宇宙的美。我们的世界或者宇宙是否体现了美的科学理念？爱因斯坦建立了广义相对论，得到了引力场方程将其用于整个宇宙。为了得到一个静态的宇宙，他手加上一个宇宙学常数。之所以这样做，实际上就是在追求他认为的所谓的宇宙极致和美。他可能连自己都没有意识到这一点，我们平常人也是这样。正是这种对极致和美的要求，使爱因斯坦预言了宇宙学常数(暗能量的一类)等许多科学预言。实际上许多科学预言的原动力都是对美的追求，对宇宙之美的追求。

　　那么宇宙之美的本质是什么？当今科技高度发展之前的漫长人类文明史中似乎是一个模糊的概念。随着科学的飞速发展，今天物理学家或者宇宙学家可以赋予它科学而精确的定义。那么美是什么? 一句话，和谐就是美。

　　十几年以来，随着对物理学和宇宙学的研究和理解, 我也一直在思考什么是美，可是笔者还没有动笔前，许多同行已经开始行动了。最近读到很多谈科学与美的文章，如诺奖得主Wilczek谈量子力学、宇宙与灵魂；中科院物理所张天蓉研究员也谈物理学之美；中科院高能所张双南研究员在“美与科学”的公众讲座中也谈到, 要用自然科学的方法来研究美, 并阐释了“美的科学”和“科学的美”, 且提出“广义美的法则”——没缺陷、不常见。笔者非常赞同双南研究员用科学的方法研究美。杨振宁先生在“美在科学与艺术中的异同--2016中国美术馆‘大师讲大美’学术讲坛系列讲座”演讲中也谈了物理学之美。今年9月在北师大学术大师项目支持下，笔者邀请了爱丁堡大学天文系前系主任、英国皇家学会院士、爱丁堡皇家学会院士、爱丁堡大学天文系教授John A. Peacock于来北师大天文系进行学术交流。【注】Peacock教授是第一次访问中国，因此中科院国家天文台、清华大学、北京大学科威理天文与天体物理研究所以及上海交大也特意邀请他去做了学术交流。短暂的访问让他印象深刻，他说，中国的天文学发展让他感到震惊。他还特意参观了长城，并且在首都国际机场中国古代天文仪器浑仪前留影。

　　在他受清华大学之邀进行学术活动时，他受到了赛先生的采访，并以“宇宙是美的吗？”为题发表。今年4月份笔者首次以“宇宙之美”为题在四川做公众演讲“引力波与天体物理学”。

　　一直以来大家都是从不同的角度谈美的概念，这使笔者顿感更加有必要真正从科学角度或者从宇宙学角度给美下个定义,一个美的科学定义。

　　从2003年开始十几年来，笔者在北师大讲授宇宙学，分为研究生、本科生和全校公开课三个层次。曾经问一个虽然是个很漂亮的文科生、却对理科宇宙学有着浓厚兴趣的艺术与传媒学院的本科生宋燕飞同学(现在是于丹教授的在读硕士生，今年第66届世界小姐中国区江苏赛区冠军，中国区总决赛网络人气十强) ，在宇宙学公选课中学到了哪些对于艺术专业以及人生有用的思想？她说没有学到什么太有用的思想。这让笔者深深地思考宇宙学到底能够给我们的人生带来什么启迪，艺术和科学美之间的内在联系是什么？

　　笔者尝试用物理学和宇宙学的思想来理解人生哲理，达到了四十之后的不惑，而不是思想家孔子的通过人生阅历而达到的“四十不惑”的境界。物理学和宇宙学基本原理表明，大自然和人类社会以及整个宇宙都在发展和演化中平衡，平衡中发展和演化，终极目的是追求一种“美学的科学法则”：和谐。只要是和谐的东西和现象就是美的，否则就是不美的东西。和谐是美的核心科学本质。双南研究员主张的“没缺陷”的本质就是“和谐”。一个系统不和谐了，自身或者外部力量就会启动修复程序，使之达到和谐。这如同人体不和谐就得病，然后吃药恢康复，调节阴阳平衡，达到和谐。

　　一个国家不和谐，可能会改朝换代，被另一个朝代取代。当今美国大选清晰地表明, 美国社会民主已经极度不和谐，才最终导致今天大选的混乱状态。同时也表明，美国的发展已经到达顶峰, 走下坡路已经不可避免，民主制度的不和谐也到了该调整的时候了。此外中国古代描写美女有“增之一分则太长，减之一分则太短”、“施朱则太红，着粉则太白”等，即轮廓尺寸搭配合理，让人看着赏心悦目，其本质也是和谐。现实中，我们也都在期望和谐, 如欧洲法航的超音速飞机-协和飞机(Concorde)；我国动车和高铁也以和谐号命名；美国有一种化妆品也以“concordance”命名，意味着使脸部和谐等等，这些都表明了人类对和谐美好的向往。

　　宇宙演化之美

　　英文Cosmos的中文释义是“和谐, 秩序”。宇宙学“Cosmology”这个词从Cosmos衍生出来 ，隐含着对宇宙和谐的期望。英语里面也有“cosmology is the most scientifically rigorous(精确的), aesthetically elegant(优美的), and the most poetic(诗意) of the sciences." 这是对宇宙学从美学角度上的定义。

　　宇宙在137亿前，标量场、基本粒子、普通物质、四种力和物理规律，尤其是主导宇宙的引力理论都不存在。随着宇宙的诞生，“上帝”随之把他们放入到宇宙中。这些物理规律就像一个被压缩的文件夹一样，也随之逐渐释放开来，引力退藕，强作用力退藕，四种作用力也慢慢地呈现在宇宙中。大爆炸起点就像一个文件压缩包，随着宇宙的诞生和膨胀，宇宙中的各种组成部分相继登场，在四种力的作用下开始漫长的演化过程，最终形成今天看到的宇宙。宇宙演化中，物质(正常物质和暗物质)(吸引力)抗衡暗能量(排斥力),形成了现在观测支持的LCDM宇宙。这如同中国古代哲学的万事万物中的阴阳平衡。

　　随着宇宙的演化，在合适的时期和合适的地点，银河系中的太阳系的地球上孕育出了人类文明。宇宙中文明可能不只是我们地球上的人类，可能在宇宙不同时期、不同的位置在不断地产生和消亡。宇宙微波背景辐射携带了宇宙30万年至今所历经的几乎宇宙所有的成长信息，因此在宇宙不同时期的文明产生的信息一定会遗留在宇宙微波背景辐射中，目前可能被我们当作噪音滤掉了。利用宇宙学的方法研究地外文明，笔者定义为地外文明宇宙学[Extra-terrestrial Intelligence Cosmology]。 这也产生了另一个问题，即宇宙诞生之初宇宙只包含能量，暴涨结束后通过再加热过程转化为物质，随着宇宙漫长的演化，逐渐形成了我们中学化学学过的100多种元素。但是宇宙中的文明所必备的原初意识如何产生？这成为一个目前不能解决的终极问题。意识似乎和所谓的灵魂联系在一起，笔者和中山大学李淼教授曾经就灵魂问题进行过讨论。关于地外文明宇宙学和意识的产生不是本文重点阐述内容，笔者将另辟文章阐述。 

　　那么为什么地球上会诞生我们的人类? 从宇宙学的角度如何解释? 有的宇宙学家曾经把宇宙描述成一个Goldilocks(金发姑娘）。

　　宇宙中质量和能量不多不少，恰能支持在宇宙中的生命。如果宇宙中物质太多, 在生命还没有形成之前,宇宙就在引力作用下塌缩回去；如果宇宙中物质太少, 则没有足够的质量形成恒星以致行星, 生命也就无法形成。 总之，宇宙目前的状态恰到好处，密度不高也不低，即宇宙在和谐地演化着。

　　人与宇宙之间的和谐之美——天人合一

　　在最近公布的《中国公民科学素质基准》中，提及了“天人合一”的中国传统哲学思想。目前所有哲学家、文学家等均未准确地理解其深刻含义，并且甚至有人从封建迷信角度还大肆批判，归根结底就是没有从根本上，即没有从科学尤其是宇宙学角度理解其含义。实际上我们完全可以从整个宇宙和谐统一演化的角度深刻窥视其深奥之处。

　　“阴阳五行，天人合一”的科学意义有2个层面。第一：阴阳五行，意味着宇宙万物有金木水火土组成，人也是一样，并且遵循阴阳平衡原则。从宇宙学上讲，我们人体基本是碳水化物组成，其中的轻元素在宇宙最初三分钟形成，重元素来源于第二代的恒星和超行星爆发。所以人类和上天的组成是一样的。

　　第二，“天人合一”将人类和上天的组成是相同的思想上升到一个高度：天人合为一体，不是简单的融合，而是天人之间的和谐统一。只有天人之间达到和谐统一，世间万物才能和谐发展延续。其本质强调的就是宇宙万物之间的和谐。古人虽不懂科学，但是其思想符合科学，这就是古人先哲令我们敬畏之初。另外老子道德经中：道生一，一生二，二生三，三生万物，更完全是一幅宇宙创生的思想画卷，与现代大爆炸宇宙论非常吻合。从这个意义上来讲，大爆炸宇宙论的最早朴素思想来源于我国古代。

　　几年前，笔者去意大利开会，在回来的飞机上遇到一位宁夏省级医院心脏中心的院长医生。笔者问他了一个问题：心脏第一次跳动时何时、如何启动的？人体心脏从开始第一次跳动，一直不停地跳到生命的结束。那么心脏的第一次跳动的能量从何而来一直是困扰笔者的问题。这位心脏专家也没有回答上来。后来笔者在央视科学频道看到BBC的关于生命起源的节目：原来人体在开始形成时，将来成为心脏的一个心脏细胞的量子随机扰动，产生了心脏的初始跳动，之后这个细胞长成心脏，之后永不停息，伴随至生命的结束。太奇妙了，这和形成宇宙结构的宇宙原初扰动是由暴涨时期的量子扰动产生惊人相似。 

　　清华大学施一公教授最近在一次公众演讲中也在讲生命起源, 不知是否想到生命的起源与宇宙的演化息息相关，并且心脏的初始跳动和宇宙起源惊人地一致？ 天文物理界的“两暗一黑三起源”中生命起源和宇宙起源真是异曲同工。

　　前几年一项发表于2012年11月16日《科学报告》[www.nature.com/scientificreports]上的计算机数值模拟研究表明，宇宙中的物质分布可能像一个复杂的大脑一样。文章认为，一些尚未发现的基础规律可能支配着多种或大或小的系统，从脑细胞之间的电信号传递，到社交网络的扩张，甚至是整个宇宙。来自加州大学圣迭戈分校的研究参与者物理学家Dmitri Krioukov 说，“对于不同的网络，如互联网、大脑神经元或社交网络等来说，其自然生长的规律是相似的”。可见，我们的大脑和宇宙惊人地相似。

　　“上帝”在宇宙大爆炸之后瞬间就把物理和数学规律放入宇宙之中, 让后来宇宙中诞生的文明去破解和研究。宇宙从大爆炸开始以后至今的膨胀过程，如同一个压缩包释放文件一样，也像潘多拉的盒子打开释放魔鬼一样，把所有信息陆续呈现出来。对于我们地球上这一波次的文明而言, 目前让爱因斯坦等人已经把主导宇宙动力学的广义相对论发现；预言的引力波也观测到；人工智能和生物技术，原子弹氢弹等核武器技术，克隆技术也快达到极致；未来人工机器智能一定会超越人类文明本身等。人类几乎已经把宇宙中的物理规律去全部搞清楚，人类几乎已经无所不能。人类将来只要能够战胜人类本身, 破坏宇宙的那一天也就到了, 也许那就是所谓的世界末日吧! 

　　总之, 目前几乎所有的人文哲理都可以用科学如平衡，能量守恒，和谐的观点来阐释。任何系统如果与和谐的方向背道而驰，一定会遭到推动其达到新的和谐的力量的惩罚。70年代时医生就给霍金下了死亡通知, 可是他至今身体很好,说明他的身体很和谐：也许他早已洞悉宇宙和黑洞物理的和谐本原。

　　注：Peacock教授曾经获得2014邵逸夫奖(Shaw Prize in Astronomy) (100万美元，被称为“东方的诺贝尔奖”)；2014 Thomson Reuters Highly Cited Researcher (world top 100 astronomers; UK top 12)汤姆森路透最高引用研究者(全球前100，英国前12)； 重要著作：<< Cosmological Physics(宇宙物理学)>> Seminal book； 200多篇经同行审议的科研论文，大于5万的引用，H指数为95 (Papers: Over 200 research articles in refereed journals; >50,000 total career citations; citation index H=95)。

　　参考文献

　　[1]张天蓉 物理学之美 2016-03-26

　　[2]张双楠 中科院“SELF格致论道”公益讲坛2015年度大会

　　[3]杨振宁公众演讲：美在科学与艺术中的异同--2016中国美术馆“大师讲大美”学术讲坛系列讲座

　　[4]赛先生2016年专访Peacock教授:宇宙是美的吗？

　　[5]2012年11月16日《科学报告》[www.nature.com/scientificreports]

　　[6]张同杰北京师范大学公选课《宇宙学-宇宙的诞生、演化和结局》讲义

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