大科学要有大视野

汪品先,海洋地质学家。1936年11月生于上海,1960年毕业于莫斯科大学地质系,1991年当选中国科学院学部委员(院士)。1999年作为首席科学家,主持我国海域的首次国际深海科学钻探,南海的ODP184航次,取得西太平洋区最佳的晚新生代环境演变记录,随后又担任深海“973”首席科学家。目前正主持国家基金委“南海深部过程”大型研究计划。

老鼠的时间,大象的时间

人要了解世界,应当知道自己时空尺度的局限性,不能只从自己的视野和视角出发。我们看世界,一个是视野的大小,还有一个是视角的位置。坡写庐山:“横看成岭侧成峰,远近高低各不同”,原因在于视角的不同;杜甫登泰山:“会当凌绝顶,一览众山小”,原因在于视野的扩大。比如地***,不知道从什么时候开始,大家看地***的习惯都是上北下南。可是澳大利亚一个艺术家偏偏把地***倒过来画,南极朝上,北极朝下。这幅画还得了专利,实际上就是视角的差别。

中国人到英国,发现邮筒是红的,觉得奇怪,因为我们的邮筒和邮差的衣服都是绿的。其实,这是我们自己的视野太狭所致。人们认识世界都是从自己的眼耳口鼻手等开始的。比如我们现在为什么都用十进位?因为人有十个手指头,如果是八个或十二个手指头,说不定现在用的就是八进位或十二进位了。这就是我今天要跟大家重点讲的――科学与视野。

实际上,一部科学史就是人类不断扩展自己视野、改变自己视野的历史。

日本有一位著名动物生理学家叫本川达雄,他写了一本书《老鼠的时间,大象的时间》,里面说:大象的寿命是70年左右,老鼠只有两年,但是老鼠的心跳快,大象的心跳慢,所以它们一生中的心跳总数是差不多的。也就是说,不同大小的生物它的时间尺度是两样的。他还发现,老鼠虽小,但四天就能吃下和自己体重相等的食物;牛个头大,但要吃完相当于自己体重的食物得花一个月。究其原因,动物的体型不同,它们的时间和空间的尺度也就不同。所以人要了解世界,也应当知道自己时空尺度的局限性,就不能只从自己的视野和视角出发。

深海生物有很多“大家伙”。比如法国作家凡尔纳《海底两万里》描写的巨型章鱼,可以把船掀翻。深海里确实有许多体型大到你难以想象的生物,有的就是传说中的“海怪”。比如一条鱿鱼可以长达14米,一只螃蟹能长得跟卫生间那么大,还有生活在1000米深海里十来米长的皇带鱼,也就是传说中的“海蛇”。另外一个极端是小,深海里也有许多微生物小到你用一般显微镜都看不见。但是你别小看它,这些被称作“原核生物”的海洋细菌才是地球生态系统的基础。小小一滴海水里,就有上千个细菌,至于更小的海洋病毒数目就更多了。有人比喻,全大洋里的病毒如果排起队来的话,长度将超过60个银河系,不知道要排到哪里去。

每种生物都有它自己的生态世界体系,如果单从自己的视角出发,很多事物就难以理解。前面我说,人类认识世界是从自己的手、脚、眼睛、鼻子、耳朵、嘴巴开始。所以总以为自己是中心,总以为自己最伟大。实际上,人类在世界上非常渺小,时间上非常小,空间上也非常小。一部科学史也是人类不断纠正认识错误、克服人类中心观的历史。

最早的人类,中国的也罢,希腊的也罢,都认为世界像一个圆盘子,外面是海洋,中间有一些陆地,自己就是世界的中心。比如坡当年到了海南三亚,就认为那里是世界的天涯海角了。欧洲也是这样,像英国西南方的地角(Land’sEnd)、西班牙的耶罗岛(ElHierro)等,都曾被认为是“世界的尽头”。哥伦布到了巴哈马群岛,以为是到了印度,把土著民叫“印第安人”,因为那时候的地***上没有太平洋、没有美洲。人类用眼睛来看世界,看到的东西是很有限的。

整个宇宙就是一个无穷无尽的不断的旋回

光谱里面,人类看到的可见光就那么一点点,这一点还不如很多别的生物。论运动能力,刘翔算跑得快了,一秒也只能跑几米。论声音,20个赫兹到2000个赫兹之间我们能听得见,但是别的声波你都听不见。论寿命,人活到100岁就很神奇了,但和整个宇宙的历史相比,100年实在是太微不足道了。

18世纪人类发明了蒸汽机,20世纪发明了火箭,现在可以克服地心引力到太空去了。应该说到今天为止,人类上天的能力很好,空间穿越的能力强。但是从整个人类的认知水平来讲,还是非常有限的。大家知道,在哥白尼用望远镜观测星球之前,人们都以为地球是中心,太阳是围绕着地球转动的,哥白尼改变了那个时代人们对于宇宙的理解,这被称为“哥白尼***”。到了上世纪60年代,因为现代遥测、遥感技术的应用,可以从空间看到整个地球,有人说发生了“第二次哥白尼***”。相对于第一次“哥白尼***”人们用望远镜看到地球外面的宇宙,“第二次哥白尼***”是指人类离开地球,从太空的视角回过来审视地球,这才获得了全球的视野,才谈得上“全球变化”的研究。

回过头来看,地球上的很多事情都是有周期性的。人的心跳是一种周期,白天、晚上、潮汐是一种周期,春夏秋冬是一种周期,地球轨道变化有万年等级的周期。再往大了去,地球上大陆的联合和分解,也是一种几亿年的周期;一百几十亿年前的宇宙大爆发,现在有人怀疑这也是一种周期性现象。这样看的话,整个宇宙就是一个无穷无尽的不断的旋回,今天的地球其实就是一系列不同尺度、不同空间里的东西,掺杂、叠加在一起的奇妙组合体,这是很复杂,但也很有意思的事情。所以我们说科学好玩就是在这里。当你从一大堆现象里找出一点头绪来了,你会兴奋得不得了,这是一种洞察、省悟的乐趣。

所以我们要不断扩展自己的眼光,大的科学要有大的视野和大的实验。比如我们现在研究中微子,要追踪中微子在宇宙中的来源,实验室放在哪里好呢?欧盟就选择地中海的深海做实验室,在两三千米水深的地方安放检测器,叫做“中微子望远镜”,用地中海作望远镜。这就是用“大尺度”研究“小问题”。

今月曾经照古人

各个生物体除了空间尺度不同,时间尺度也各异。不同的生物有不同的生命,也有不同的乐趣,人类不能只从自己的时间尺度去看待。庄子说,“朝菌不知晦朔,蟪蛄不知春秋”,可怜的小生命,有的不到一天、有的不到一年就死了。但是“今人不见古时月,今月曾经照古人”,李白的话提醒我们:人类的寿命和月亮比,岂不是羞愧得无地自容了吗?

关于地球形成的时间也有一个认识的过程,也存在过争论。古代西方认为只有几千年,当年有大主教考证,上帝创造世界是在纪元前4004年10月23日,星期天早上9点钟。后来地质证明完全不是这样,太阳系是差不多同时形成的,距今大约46亿年左右。人类自古以来用天文记时,年、月、日都是天文周期。其实年以上还有更长的天文周期,但是几万年的周期太长,老百姓用不上,可地质学家有用。比如现在地球的倾角23度半,这就是回归线的纬度。但是地倾角、回归线是在变的,1908年台湾嘉义县造的回归线纪念碑,到1996年就不在回归线上了,差了1.2公里。这是因为地倾角有四万年的周期,这种周期可以用来作地质纪年。比如说“生命大爆发”发生在5.3亿年前,用“年”作单位实在太小,就像你说每过3000多万秒过一次生日一样的别扭。

上面我讲的是看问题的视野要大,空间视野、时间视野都要大。下面我要讲的不光是大小的问题,还有角度的问题。

我们认识地球、认识世界一般都是从表面来看,其实背后还有很多看不见的东西。比如,物理里面我们说有暗能量、暗物质,地质上也是这样,我们能看到的比如能量流、物质流,都是表面的流,下面的很多东西是看不见的。

美国有一位科学家10年前写了一篇文章,说海洋里的浮游植物(也就是藻类),其实就是一个看不见的森林。为什么?那么多的浮游植物,虽然它小到你肉眼都看不见,但它吸收二氧化碳的能量跟地球上的森林是一样多的。这是因为陆地植物生活的周期是30年,而海洋生物只要几天就可以传种接代。它虽然生物量少,但周转快。

总之,关于地球内部的事情人们还知道得太少,所以我们需要进一步扩大研究视野。

(周文燕荐,小标题为编者所加。因篇幅有限,本刊有删节)

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