哥白尼原則之爭(zhēng)

○湯雙

哥白尼原則之爭(zhēng)

○湯雙

哥白尼原則是由數(shù)學(xué)家兼天文學(xué)家邦迪（Hermann Bondi，1919-2005）在20世紀(jì)中期提出來(lái)的一種哲學(xué)陳述：在宇宙間，地球并不處于中心的優(yōu)越地位，人類(lèi)也不具有一個(gè)特殊觀測(cè)者的身份。這個(gè)概念后來(lái)被進(jìn)一步擴(kuò)展為在宇宙間沒(méi)有一個(gè)觀測(cè)者占有特別的位置。哥白尼原則這個(gè)名詞雖然在六十多年前才開(kāi)始使用，但其思想早在哥白尼于1543年發(fā)表日心說(shuō)（地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行，而不是太陽(yáng)圍繞地球運(yùn)行）的時(shí)候就已經(jīng)誕生了，而且自那時(shí)起就一直是天文學(xué)和宇宙學(xué)的一條重要指導(dǎo)原則。哥白尼的日心說(shuō)把地球的地位從宇宙的中心降為太陽(yáng)系中的一顆普通行星，伽利略的望遠(yuǎn)鏡又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)也不過(guò)是銀河系里數(shù)不勝數(shù)的恒星中的普通一員。

挑戰(zhàn)哥白尼原則

對(duì)哥白尼原則的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)也從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。且不說(shuō)來(lái)自宗教方面的強(qiáng)力抵制，單在科學(xué)方面它也遭遇過(guò)一次又一次的沖擊。在20世紀(jì)初，著名荷蘭天文學(xué)家卡普坦（Jacobus Kapteyn，1851-1922）根據(jù)當(dāng)時(shí)所掌握的天文觀測(cè)結(jié)果，推論出太陽(yáng)系位于銀河系的中心，而銀河系則是孤懸于宇宙中的一個(gè)“宇宙島”。這就賦予了太陽(yáng)系一個(gè)特殊地位，以致很多人都以為哥白尼原則從此被打破了。然而，僅僅十幾年之后，大量新的觀測(cè)結(jié)果就顯示出太陽(yáng)系不但不在銀河系的中心，而且像銀河系這樣的星系在宇宙中比比皆是。

另一次對(duì)哥白尼原則的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)也發(fā)生在1900年左右。當(dāng)時(shí)流行的一種關(guān)于行星形成的理論認(rèn)為，只有在另一顆恒星曾經(jīng)非常接近太陽(yáng)的情況下，圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的行星才有可能生成。盡管宇宙中類(lèi)似于太陽(yáng)的恒星多如牛毛，但由于兩顆恒星非常接近的概率極低，因此伴有行星的恒星可能只太陽(yáng)系一家，也就是說(shuō)太陽(yáng)系具有其獨(dú)特的地位。要想推翻這一理論，就必須找到太陽(yáng)系外的行星。這可比否定前面提到的卡普坦理論難得多了。雖然科學(xué)界多年來(lái)一直普遍相信應(yīng)該存在有太陽(yáng)系外行星，但相信與證實(shí)之間是有一條巨大鴻溝的。這主要是因?yàn)樘煳耐h(yuǎn)鏡的分辨率有它的極限。分辨率就像尺子上的刻度，我們無(wú)法拿尺子去量一個(gè)比其刻度小很多的東西。如果用d表示某個(gè)行星與它所圍繞運(yùn)行的恒星之間的距離，用R表示該恒星到地球的距離，要想在天文望遠(yuǎn)鏡里將這個(gè)行星與對(duì)應(yīng)的恒星區(qū)分開(kāi)來(lái)，望遠(yuǎn)鏡必須大體上能分辨到d/R（以弧度角為單位）的精度。以地球到太陽(yáng)的距離作為d的估計(jì)值，即使是離地球最近的恒星（太陽(yáng)除外）其d/R的數(shù)值也只有大約0.000004。再加上恒星很亮而行星要暗得多，這就使直接“看”到太陽(yáng)系以外的行星極為困難。證實(shí)在太陽(yáng)系之外存在行星，是最近十幾年的事（首例是在1992年）。它們中的絕大部分是靠觀測(cè)恒星的運(yùn)動(dòng)或亮度變化而推斷出來(lái)的。真正能“看”到的太陽(yáng)系外行星只有屈指可數(shù)的幾顆。

到目前為止，已經(jīng)觀測(cè)到了五百五十多顆太陽(yáng)系外行星。毋庸置疑，今后被觀測(cè)到的太陽(yáng)系外行星的數(shù)量還會(huì)以更快的速度增加（據(jù)估計(jì)，光是我們所在的銀河系里就有大約500億顆行星）。人們現(xiàn)在最感興趣的已經(jīng)不是找到多少行星，而是尋找具備生物生存條件的行星。最近，法國(guó)科學(xué)家利用極復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬方法，論證了距地球20光年的Gliese 581d（圍繞恒星Gliese 581運(yùn)行的一顆行星）具有潛在的可居住性。它的軌道離Gliese 581不遠(yuǎn)不近，擁有大氣層，表面溫度可允許液態(tài)水存在。這些都是能夠產(chǎn)生和維持生命的有利條件。當(dāng)然，這僅僅是推斷。以現(xiàn)有的技術(shù)，要想直接知道太陽(yáng)系外行星上的確切狀況，是完全不可能的。主要原因之一是行星圍繞運(yùn)行的恒星所發(fā)的光太亮。所以有些科學(xué)家建議用火箭及一種尚屬保密的技術(shù)，將一塊足球場(chǎng)大小的“遮陽(yáng)板”放到太空里去。利用這塊“遮陽(yáng)板”擋住來(lái)自恒星的光，就有可能直接觀察到行星表面上的情況（比如是否有山川、河流）以及分析大氣層的成分和構(gòu)成該行星的物質(zhì)。不過(guò)這項(xiàng)計(jì)劃是否真能付諸實(shí)施尚在未定之天，主要是經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，少說(shuō)也得十幾億美元。

尋找地球外的生命

雖然已經(jīng)證實(shí)了太陽(yáng)系外行星的大量存在，但圍繞哥白尼原則的爭(zhēng)論并沒(méi)有因此而止息。隨著越來(lái)越多太陽(yáng)系外行星的被發(fā)現(xiàn)，爭(zhēng)論的主戰(zhàn)場(chǎng)已經(jīng)從尋找行星轉(zhuǎn)移到了是否存在地球外生命等方面。應(yīng)運(yùn)而生的天體生物學(xué)就是對(duì)地球外生命進(jìn)行綜合研究的一個(gè)新學(xué)科。

以現(xiàn)有的技術(shù)水平，不要說(shuō)去太陽(yáng)系之外的行星，就是想登上太陽(yáng)系的其它行星去尋找生物也不是件容易的事。不過(guò)有一點(diǎn)是不難想象的，就是這些行星上的自然環(huán)境可能會(huì)比地球表面要惡劣很多倍。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局火星探測(cè)器發(fā)回的資料，基本上可以肯定生物不能在火星表面生存。但這并不意味著在火星表面之下的巖層深處生物也不可能生存。尤其是有跡象顯示火星上曾經(jīng)有過(guò)水及現(xiàn)在在表面之下還存有大量的冰，這就更增加了在巖層里發(fā)現(xiàn)火星生物的可能性。盡管現(xiàn)在還無(wú)法到火星上去挖掘，但先看看地層深處的巖石中是否有生物生存卻是可能的、也是很有意義的。

2007年被《時(shí)代周刊》列為世界上最具影響力的100人之一的普林斯頓大學(xué)教授斯托特（Tullis Onstott）是這方面的先驅(qū)。但在90年代中期，當(dāng)他首次提出到南非金礦中距地面之下數(shù)公里深處去尋找可能存在的生物時(shí)，整個(gè)科學(xué)界都認(rèn)為這是異想天開(kāi)。他甚至連資助這項(xiàng)研究的基金都申請(qǐng)不到，因而不得不自掏腰包，拿出六千美元，來(lái)開(kāi)始他的導(dǎo)致劃時(shí)代發(fā)現(xiàn)的“地下之旅”。幸運(yùn)的是，他很快就發(fā)現(xiàn)了能在地下五公里深處生存的微生物。這些微生物生活在我們通常認(rèn)為生物根本無(wú)法生存的環(huán)境之中，它們不但能“動(dòng)”，而且還能分裂。雖然這種分裂可能一個(gè)世紀(jì)才發(fā)生一次，但畢竟說(shuō)明它們可以復(fù)制自己，這是生物體的關(guān)鍵特征之一。幾年之后，斯托特和他的同事們又在地下深處的巖層里找到了一種奇特的細(xì)菌，它們?cè)诎禑o(wú)天日的環(huán)境中可能已經(jīng)生存了三百萬(wàn)至四千萬(wàn)年，僅靠利用周?chē)鷰r石放射性衰變釋放的輻射能量、極少量的礦物質(zhì)和從巖縫中滲漏下來(lái)的一點(diǎn)點(diǎn)水分來(lái)滋養(yǎng)。它們不僅有DNA、能夠“傳宗接代”，而且明顯還活著！斯托特的研究團(tuán)隊(duì)給這種了不起的細(xì)菌起了一個(gè)具有特別含義的名字：Desulforudis audaxviator（拉丁文，意思是嗜熱且大膽的旅行者。出自凡爾納的著名科幻小說(shuō)《地心游記》中李登布羅克教授得到的一張羊皮紙上所寫(xiě)的一句話，這張羊皮紙是引導(dǎo)他進(jìn)行地心探險(xiǎn)的指南）。

像斯托特那樣到地球上那些環(huán)境極差的角落去搜尋生物，一直是天體生物學(xué)的一項(xiàng)重要課題。除了巖層里，人們?cè)谀蠘O的冰層之中和堿性極高的荒漠土壤里都發(fā)現(xiàn)有微生物可以生存。這些發(fā)現(xiàn)從側(cè)面支持了地球外可能存在生物的看法。不過(guò)，不論是在地下深處的巖層里還是南極的冰層中找到的生物，它們畢竟是地球上的生物。最有希望發(fā)現(xiàn)真正地球外生命的地方，還是大家都熟悉的火星。

火星上有過(guò)生命嗎

在孩童的時(shí)候，很多人大概都聽(tīng)過(guò)或看過(guò)有關(guān)火星人的科學(xué)幻想故事。遺憾的是，現(xiàn)在已經(jīng)百分之百地證實(shí)了火星上沒(méi)有火星人。不過(guò)，火星上還是可能存在或存在過(guò)生命的。幾十年來(lái)，關(guān)于火星上是否有生物的論爭(zhēng)已經(jīng)反復(fù)了好幾次。第一次高潮是1976年7月及9月美國(guó)的海盜1號(hào)和2號(hào)探測(cè)器在火星著陸，由天體生物學(xué)的先驅(qū)者萊文（G.V.Levin）設(shè)計(jì)的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)“證實(shí)”探測(cè)器挖到的火星土壤樣本中有某種生物體。這在當(dāng)時(shí)是爆炸性的新聞?？蓻](méi)過(guò)多久，這一結(jié)論就被一些別的科學(xué)家推翻了，因?yàn)槿R文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以用樣本中存在有某些其它非生物體的物質(zhì)來(lái)解釋。第二次高潮則是在1996年，美國(guó)國(guó)家航空航天局的麥凱（David McKay）等人在最權(quán)威的科學(xué)期刊《科學(xué)》上發(fā)表了一篇關(guān)于在編號(hào)為ALH84001的火星隕石里發(fā)現(xiàn)生命跡象的文章。其實(shí)麥凱在該文中還是比較留有余地的，他只說(shuō)發(fā)現(xiàn)了可能是來(lái)自微生物的殘留物，而并沒(méi)有說(shuō)發(fā)現(xiàn)了微生物的化石。不過(guò)在媒體的炒作下，這一研究結(jié)果很快被外界解讀為“火星上有生命的證明”，其震撼效應(yīng)可想而知。連美國(guó)總統(tǒng)克林頓都在演講中專門(mén)提及此事，“如果這一發(fā)現(xiàn)被確認(rèn)，它將肯定是有關(guān)我們宇宙的最驚人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一?！迸c萊文的命運(yùn)頗為相似，麥凱的發(fā)現(xiàn)不久就受到了科學(xué)界的質(zhì)疑，至少有八篇論文指出這些殘留物可以產(chǎn)生自其它非生物的過(guò)程。不過(guò)麥凱和他的支持者們并沒(méi)有投降，這方面的爭(zhēng)論起起伏伏一直持續(xù)到今天。

兩次大起大落之后，相關(guān)領(lǐng)域里的科學(xué)家們都意識(shí)到在這個(gè)問(wèn)題上下結(jié)論必須慎之又慎。一項(xiàng)、甚至某一方面的孤立證據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。近年來(lái)最受人關(guān)注的新發(fā)現(xiàn)是在火星的大氣層里觀測(cè)到大量的甲烷。在地球的大氣層里，90%的甲烷都是產(chǎn)生自生物體。因而這一發(fā)現(xiàn)很可能意味著火星上有或有過(guò)生物體。這方面研究的重量級(jí)人物之一是美國(guó)國(guó)家航空航天局的馬馬（Michael Mumma）。他所領(lǐng)導(dǎo)的研究組對(duì)火星大氣層中甲烷含量的分布做了系統(tǒng)的測(cè)量，這項(xiàng)工作目前還在進(jìn)行中，他們希望繪制出盡可能完整的火星甲烷分布圖，然后用這張圖與已知的火星表面上可能有過(guò)水或表層之下可能有冰的區(qū)域進(jìn)行對(duì)照（生物體與水密不可分），以期能定位出幾個(gè)最有可能存在生物的地方。這對(duì)將來(lái)發(fā)射探尋生物的火星探測(cè)器具有重要意義，因?yàn)樘綔y(cè)器的活動(dòng)范圍有限，能否降落在“正確”的地區(qū)是極為關(guān)鍵的。

馬馬和他的同事們所進(jìn)行工作非常繁瑣和細(xì)致，需要有極大的耐心。這不是大多數(shù)急功近利的人愿意干的。馬馬這個(gè)人也確實(shí)與眾不同，他能成為一名科學(xué)家這件事本身就有點(diǎn)不可思議。馬馬的家庭屬于福音聯(lián)合弟兄教會(huì)的基本教義派，換句話說(shuō)，就是出身于一個(gè)宗教信仰極強(qiáng)的家庭。然而他從小喜歡獨(dú)立思考，11歲時(shí)就用在學(xué)校學(xué)到的科學(xué)知識(shí)來(lái)質(zhì)疑牧師關(guān)于上帝創(chuàng)造世界的說(shuō)法。他的家族自1731年移居美國(guó)后，一直生活在賓夕法尼亞州鄉(xiāng)間的農(nóng)場(chǎng)里。馬馬是第一個(gè)離開(kāi)農(nóng)場(chǎng)出去闖世界的。他不僅選擇了科學(xué)研究作為自己的職業(yè)，而且目前所致力的工作更直接挑戰(zhàn)宗教的一個(gè)基本觀點(diǎn)——地球是唯一有生物的地方。

不單單是純科學(xué)的爭(zhēng)論

要想最終給火星上是否有生命這個(gè)問(wèn)題畫(huà)下句號(hào)，必須靠登陸到火星上的實(shí)地考察。計(jì)劃于今年年底發(fā)射的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”比以前在火星上著陸的各種探測(cè)器都先進(jìn)很多倍，它上面有一套叫做火星樣品分析的儀器，目的就是對(duì)火星的大氣、水文、土壤、巖石等進(jìn)行精確和系統(tǒng)的分析，希望能發(fā)現(xiàn)生命存在的蛛絲馬跡。不過(guò)，美國(guó)國(guó)家航空航天局這回刻意避免使用“探測(cè)生命”之類(lèi)的字眼，生怕再一次誤導(dǎo)民眾。另外，歐洲空間局與美國(guó)國(guó)家航空航天局還聯(lián)手制定了新一代火星生物探測(cè)計(jì)劃（ExoMars）。其中預(yù)定于2016-2018年發(fā)射的探測(cè)器可能會(huì)攜帶把樣品送回地球的裝置，如果真能實(shí)現(xiàn)，對(duì)火星的研究將進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元。

圍繞哥白尼原則的爭(zhēng)論并不單單是純科學(xué)的爭(zhēng)論，其中還夾雜了很多宗教的和哲學(xué)的因素。比如對(duì)基督教來(lái)說(shuō)，雖然可以承認(rèn)地球不在宇宙的中心，但人類(lèi)必須是唯一的，否則基督降世以拯救人類(lèi)之說(shuō)就難以立足了。從某種意義上講，也可以說(shuō)這是一場(chǎng)信仰之爭(zhēng)，因而也就很難分出最終的勝負(fù)。即使科學(xué)家們贏得了現(xiàn)階段的勝利——真的找到了地球外生命，反對(duì)派還是可以提出新的挑戰(zhàn)（比如說(shuō)，宣稱具有高智力的人類(lèi)是宇宙間唯一的）。其實(shí)，不斷有新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)并不是一件壞事，科學(xué)本身就是在不斷克服各種挑戰(zhàn)的過(guò)程中向前發(fā)展的。總體上來(lái)看，在這場(chǎng)持續(xù)了幾百年的爭(zhēng)論中，贊成派似乎在取得節(jié)節(jié)勝利，只是每攻占一塊陣地都要付出極大的努力和花費(fèi)很久的時(shí)間。