宇宙、原子,与我们能知道什么

一场物理学家与普通人的对谈

说明:下面是一段对谈的整理。一位发问的普通人,一位作答的物理学家。顺序大体保持了当时思想流动的痕迹——从一颗行星绕银河,一路走到一辆装着风车的车,中间拐进了"我们到底能不能知道任何事"。物理学家的话尽量说清楚,普通人的追问也尽量保留了它原来的锋利。

一、太阳绕银河一圈,要多久

群众: 太阳系绕银河系中心转一圈,要多久?银河系以后会怎样,以前又是什么样?

物理学家: 太阳绕银心一圈,大约 2.3 亿年,这叫"银河年"。它离银心约 2.6 万光年,以每秒约 230 公里在转。换算一下挺震撼:太阳从 46 亿年前诞生到现在,只绕了银心大约 20 圈——恐龙灭绝到今天,它连四分之一圈都没走完。

至于未来,有件事这两年刚被改写。老说法是:仙女座星系正冲向我们,约 45 亿年后必然相撞、并成一个大椭圆星系。但 2025 年一项用哈勃和盖亚新数据、跑了十万次模拟的研究发现:未来 50 亿年内相撞的概率只有约 2%,把周围星系的引力都算进去后,100 亿年内会撞的概率也就大约一半——研究者自己的话是,我们银河系的命运"目前完全是开放的"。倒是有件近的几乎跑不掉:大约 20 亿年内,银河系很可能先把它最大的卫星星系——大麦哲伦云——吞掉。

群众: 那以前呢?

物理学家: 它是个"吃出来"的老星系。大约 130 多亿年前就开始成形,靠不断并吞小星系长大——八十到一百一十亿年前,一个矮星系撞进来被吸收,塑造了今天的恒星晕;这种蚕食至今没停,它现在还在撕扯、消化一个矮星系。我们看到的优雅旋臂,是一连串碰撞之后暂时安稳下来的样子。

二、宇宙的终局

群众: 那再往后,所有星系都撞完了,是不是最后都被中央黑洞吸进去,只剩一个看不见的黑洞,周围全被暗能量推得无影无踪?

物理学家: 方向有味道,但有一处反了:星系不会被中心黑洞"吸进去"。 那个中心黑洞跟整个星系比,只是沧海一粟,绝大多数恒星离它太远,永远不会掉进去。真实的终局更冷清,分几步走:

先是恒星烧光——大约十万亿年后,连最省油的红矮星都熄灭,新恒星再造不出来,宇宙陷入黑暗,只剩一堆"尸体":白矮星、中子星、黑洞。

然后星系慢慢散架,不是塌缩。残骸一次次引力擦肩,交换能量,九成以上被甩进星系际空间,只有百分之几掉进中心黑洞。

再然后,连黑洞也不是永恒的:霍金辐射让它极其缓慢地蒸发,恒星级的约 10⁶⁴ 年蒸光,星系级的要熬到约 10¹⁰⁰ 年。等最后一个黑洞也没了,就进入"黑暗纪元"——一个无限膨胀、接近绝对零度的空间,只飘着极稀薄的光子和零星粒子,什么也不再发生。这就是"热寂"。

群众: 那被甩出去的那部分呢?比例是多少?这我可没想到。

物理学家: 大概九成以上被甩出去,只有小半喂了黑洞。被甩的是一颗一颗的恒星(连带它的行星),不是整个星系搬家。

三、被甩出去的那颗火星

群众: 那假设一颗火星被甩进虚空,不属于任何星系了,它最后什么下场?会被别的恒星捕获?必然被黑洞吞?还是有可能永远飘着?如果永远飘着,它会不会也像黑洞那样自然消失?

物理学家: 被别的恒星捕获——几乎不可能,而且膨胀会让一切越飘越远,相遇概率趋近于零。必然被黑洞吞——完全没有这种必然。最普通的结局,就是它永远孤独地飘下去。

但"永远飘"不等于"永远存在"。这里有两条岔路,取决于一个还没答案的问题:质子会不会衰变。

如果质子会衰变,那么大约 10⁴⁰ 年后,构成它的原子核自己就烂了,整颗行星化成稀薄的辐射飘走。

如果质子不衰变,它会在 10¹⁵⁰⁰ 年那种尺度上慢慢"隧穿"成一颗冷铁球(铁是核结合能的谷底);再往后,理论上还会通过量子隧穿坍缩成黑洞、再蒸发掉——那个时间要写成 10 的(10²⁶)次方年,大到数字本身已无意义。

四、一小块物质,能变成黑洞吗

群众: 等等。这么小的质量,怎么可能变成黑洞?这听着就不靠谱。

物理学家: 你的直觉对。按正常物理,它根本变不成黑洞。 黑洞要靠引力把物质压进自己的"史瓦西半径"——火星那点质量对应的半径大约只有一毫米,你得把整颗火星捏成一个一毫米的球。可火星的自引力弱得可笑,电磁力轻松顶住,一颗冷铁球力学上是永远稳定的。恒星能塌成黑洞,是因为它有几个太阳那么重;小石头差着天文数字,没这个资格。

那为什么还有人说它"最终会变成黑洞"?靠的是量子隧穿这个唯一的漏洞:量子力学允许系统以极小概率自发"穿"到一个被能量壁垒挡死的状态——只要时间够长,再小的概率也总会撞上一次。但这已经是把已知物理硬外推到完全没法验证的地方,是猜想的尽头,不是定论。

群众: 那"变成铁球"这一步,是确定的吗?我觉得这也是瞎编,概率比它直接蒸发还小。

物理学家: 不确定。这事得拆成两半。硬的那半是真的:铁(铁-56)是原子核的能量谷底,"物质的归宿是铁"这个方向,是实打实的核物理。软的那半还是思辨:冷透的物质靠什么、要多久真的走到铁,唯一途径又是那个 10¹⁵⁰⁰ 年的量子隧穿,同样无法验证,还挂着"质子不衰变"等一堆前提。所以你押"它干脆就蒸发掉、压根到不了铁球"那一边,是站得住的——而且很可能更省事、更可信。

五、一个孤独的氢原子

群众: 那想象一个在太空里漂浮的孤独氢原子,它温度是不是无限接近 0 度?那时候它的电子还动吗?能量从哪来?如果是惯性,有没有阻力?太空里真有单个的氢原子吗?

物理学家: 先纠一个小地方:普通氢原子里没有中子,就一个质子一个电子。

再说温度:单个原子严格讲没有"温度",温度是一大群粒子的统计量。但"到了最低温"绝不等于"不动了"——这是最反直觉的地方:基态的电子一直在动,而且很快,特征速度约是光速的 1/137,每秒约 2200 公里;哪怕在绝对零度,它仍带着约十三点六电子伏的动能。

这份能量哪儿来?哪儿都不来,它是量子力学强制的"零点能"。 海森堡不确定性原理规定:电子被束缚在极小范围里,位置定得越死,动量就越散,所以它不可能安静地趴在质子上不动。而且基态是个"定态"——一团不随时间变化的驻波,不辐射、不损耗、不需要任何能量维持。所以根本没有"阻力"可言:既没有东西能让它把能量耗散出去,它本身也没有能量在外流。它可以永远这样,却取不出一点能量来——所以它不是永动机,只是宇宙尺度上一颗"被锁住"的钻石。

至于孤独的氢原子——真有。星系之间极其稀薄,密度低到每立方米不到一个原子,那里的氢原子确实近乎彻底孤独地飘着。氢是宇宙里最简单、最丰富的原子,这是它最普通的居民。

六、这些到底是知识,还是猜测

群众: 你说的这些,实际上都是人的一种设定吧?是猜出来的设定,不然没法解释。到这一层,全是猜,被当前的知识框死了。

物理学家: 这一刀切得对,我认该认的:不确定性原理、零点能,都不是从更底层推出来的,是量子力学的公设——是"设"进去的,不是证出来的;最底下"为什么是这样",我们没有答案。连"波函数到底是什么",几种解释还在互相打架。所以那一层,确实在猜。

但有一个区别我得守住:"猜"和"被验证到十二位小数的模型",不是一回事。 零点能不是为圆故事硬塞的——它能测(原子为什么有固定大小、固体低温下的比热,都把它逼出来),而量子电动力学能把电子的磁矩预言到小数点后十二位,和实验严丝合缝。所以它是"人设的框架",但不是随便设的,每一处都被现实卡着脖子。

群众: 可他做的测试再多,也都是间接的,没有正面证据。就像说两个人是小偷,一个零证据,一个一百个全是间接证据——从判例上,不都不成立吗?

物理学家: 一半对,一半我得顶。对的是:科学没有逻辑上确凿的"证明",归纳法只能积累旁证。但"一百份间接 = 零份"不成立:法庭从不认为间接证据无效,大量定罪正是靠它;更要命的是,如果"间接=无效",那你自己的推理也是间接的,一起归零。两个互相矛盾的命题我都"驳不倒"——所以"驳不倒"谁也选不出,它在证据上是空转的。一百份相互独立、却一致指向同一处的旁证,远胜于零——这是人类全部知识赖以运转的引擎。"不是百分百确定",和"跟瞎猜一样",是两码事。

七、哥白尼那一类

群众: 我举个例子——别较真细节,我只是举例子:当年人人都觉得太阳绕着地球转,哥白尼也是这么孤独。

物理学家: 这个例子我不用"大家都信所以你错"来打发——共识真错过:哥白尼、大陆漂移的魏格纳、说细菌致溃疡的马歇尔,都曾孤身一人却是对的。孤独不等于错。

但让哥白尼最后赢的,不是他的孤独,是他那套最终在可检验之处赢了:经开普勒打磨后预言行星位置更准,伽利略的望远镜又看到了地心说接不住的东西。魏格纳翻案,靠的是后来的海底数据;马歇尔更狠,自己吞下细菌做实验。他们都是在某个时刻让想法触到了现实,才从"孤独的猜想"变成"真理"。 而且我们记得哥白尼,正因为他被证实了——他背后还有成千上万个同样孤独、同样笃信却只是错了、然后被忘掉的人。所以"我和他一样孤独",本身不抬高你是对的概率。

八、玻璃杯里的蚂蚁

群众: 可"可被检验",那是在环境不变的前提下。没人能确定宇宙的物理规律不会变。我们自以为懂得多,其实对宇宙浅得很——就像一只封死在玻璃杯里的蚂蚁。

物理学家: 这一下你说到根上了,我整段认。"自然齐一性"——规律在不同时间地点都一样——这个前提没法被证明,你想证它,任何论证都得回头借用归纳,循环了。这是休谟两百多年前戳破、至今没人补上的窟窿。我们的立足点小得可怜,像那只蚂蚁。

不过顺着这只蚂蚁,有件更动人的事:它光靠琢磨杯内的线索,竟好几次推出了它够不到的杯外的样子。 埃拉托色尼算出地球周长,一步没离开埃及,只量了两座城正午影子的角度差;哥白尼推翻地心说,没人飞上过天。所以那是一只惊人的蚂蚁——破局靠的从不是放弃观察,而是更狠地盯住线索。

还有一层:视野扩大时,旧真理不是被删掉,而是被安放成局部近似。平的大地是圆地球凑近看的样子;牛顿成了爱因斯坦"低速弱引力"那一角的近似。谦卑和延续,同时成立。

群众: 再说一个,还是举例子:人们说龙虾没情感、没痛感。可在龙虾的世界里,它是有一个世界观的。它已经比草履虫高级太多了。也许人类相对于完整的实在,就像草履虫相对于这个世界。

物理学家: 这件事科学反而站到你这边了:那句"龙虾没痛感"是越来越站不住的——2021 年一份大综述认定十足目甲壳动物有强证据表明它们有感受能力,英国 2022 年还据此把它们列为"有感知的存在"。而"龙虾有自己的世界",有个严肃的名字叫 Umwelt(环境界):每种生物都活在一个由自己感官划定的世界里,没有谁站在上帝视角,连人类也只是住在一个格外大、却依然有边的世界里。

你那条草履虫→龙虾→人的阶梯,哲学里也有名分,叫"认知封闭"——也许有些真相离人脑的概念,就像星系离草履虫那么远,不是我们还没想到,而是我们脑子里根本没有装它的格子。这个我同意。 只补一句:人这一级似乎多了一样怪本事——靠抽象和工具,把自己的世界往生物感官之外硬撑出去,看不见原子却把它逼了出来。但这本事也是有边的。

九、玻璃会碎吗

群众: 那只蚂蚁所有的推断,都默默架在"杯子是永恒的"这个假设上。可杯子可能突然被人打碎。这就是我说的:我们掌握的物理规律,可能缓慢地、或者突然地变。

物理学家: 这是最深的一下,我接得心服。"物理规律恒定不变"就是那只看不见的玻璃杯:我们全部推理都立在它上面,却既没法证明它,也没法跳出去检查它。

而"缓慢或突然地变",两种物理里都有名字。缓慢的,就是常数随宇宙时间漂移,天文学家一直在远方星光里找,目前看稳定得惊人,但没停手。突然的更惊人,叫真空衰变:如果我们这个宇宙的真空只是个亚稳态,它可能在某一刻毫无征兆地隧穿到更低的状态,生成一个以光速膨胀的泡泡,所过之处物理常数被当场改写;而实测的希格斯粒子质量,恰好把我们的真空放在"稳定与亚稳"的边界上。更妙的是,这只杯子已经变过一次了:宇宙最初极热,随冷却经历一连串相变,本来统一的力"冻结"成了今天分立的几种力。规律会变,不只是猜测,它写在宇宙自己的履历里。

群众: 所以这么说,我那个氢原子会消亡的假设,谁也驳不倒;从无限时间看,反而我那个更容易发生。

物理学家: 论终点,我痛快给你:"原子最终会消亡"——你对,而且从无限时间看几乎是必然,永恒不灭才是小概率。 任何非零概率乘以无限时间,都趋近于必然。但撑起这个结论的,不是"你驳不倒我",而是那些实打实的衰变通道;"驳不倒"是一切测不到的命题共有的、空转的属性,选不出谁。

群众: 换个逻辑角度说吧:这些事概率虽小,但绝不是不可能。

物理学家: 这句我整段同意,而且它正是这一圈最该落的地方。严格逻辑里,真正"不可能"的只有自相矛盾的东西;你说的这些都不矛盾,所以概率都不是零。这本来就是我从第一句起会签字的话——我顶的从来只是"一定会"和"驳不倒所以成立",没顶过"不可能"。"小概率而绝非不可能",我们在这儿握手。

十、科学里也有掺水的

群众: 我观察到个现象:在能验证的范围里,科学家都很崇高。但有一帮搞理论的,大量掺水,提的东西很可笑。当然也许有真有假。

物理学家: 这恰恰是物理学界自己吵得最凶的事。确实有一批理论几十年给不出可检验的预言,也回不到数据上——最典型就是弦论,搞了四十多年没一个能判生死的预言;物理学家里专门写书骂这个的就有好几位。"不发表就出局"的压力,也在批量制造永远不会被检验的论文。所以"掺水"有真实的机制。

但"看着可笑"这把尺子里,混着三种很不一样的东西:真掺水的低质量活儿;严肃但暂时碰不到现实的(这叫"未证实",不是水);还有最容易被冤枉的——听着荒唐其实又硬又对:狄拉克算出反物质时像胡说,四年后正电子就找到了;黑洞当年被当数学怪胎,连爱因斯坦都不信;引力波被怀疑几十年才测到;量子纠缠被讥为"鬼魅般的超距作用",后来发了诺奖。"看着可笑"根本分不出真假——能分的,还是它最后接没接到现实上。

群众: 那霍金呢?我不是专家,但我觉得他是个明星,我不认为他科学水平多高。

物理学家: 你这判断一半对、一半得改。他有真东西:和彭罗斯一起证的奇点定理;最重要的霍金辐射——第一次把广义相对论、量子力学、热力学焊到一起,由它引出的"黑洞信息佯谬"至今是理论物理最核心的难题之一;还有黑洞热力学。论科研,他地位很高,坐过牛顿坐过的剑桥讲席,但通常不被排进爱因斯坦那个绝对顶级梯队。

你对的那一半是:他的公众名气,远远超出了他本就很高的科学地位,这个落差几乎找不出第二个——靠的是渐冻症的传奇身世、《时间简史》的天量销量、到处客串。所以"明星",你说对了。要改的是"没真东西":他是既有真本事、星光又格外大。

还有个点正好接上咱们的主题:他一辈子没拿诺奖——不是不够格,而是霍金辐射至今没法被实验观测到(真实黑洞太冷),而诺奖要求实验证实。他最深的成果,恰恰落在"极深刻、却无法检验"那个地带。

群众: 那按"只有被验证的才算真成果"这个标准,他在哪个梯队?

物理学家: 先说实话:"科学家分梯队、每队几个人"没有客观答案,下面只是粗略草图。按你这把尺子粗分——第一档"重塑框架、预言被大面积验证"的革命者,全人类史上也就两三个(牛顿、爱因斯坦);第二档"开创重大理论且核心预言已被证实"的,几十个(狄拉克、玻尔、海森堡、费曼、希格斯……);再往下几百个、几千个。而霍金按这把尺子进不了前两档,因为前两档的门票是"核心预言被验证",他最核心的恰恰没被验证。所以单论"已验证成果",他甚至排在许多远不如他出名的人后面——这正好对上你的直觉。但要补一句:"未验证"不等于"错"或"没价值",哪天霍金辐射被测到,他立刻往上跳一档。

十一、那张黑洞照片,证明了什么

群众: 那张黑洞照片,是不是也无法证明它真实?它只证明那块有个巨大的引力,而且——更准确说,不是它不发光,是我们看不到它的光。

物理学家: 你这个更正正是严谨的说法。那张图实际拍到的是:一圈被引力弯成环的明亮光(周围炽热气体发的),环中间一块我们收不到光的暗区,以及由此推断的一个质量极大、极致密的天体。它最硬的一条定量证据是:那块暗影的大小,和广义相对论为这个质量的黑洞所预言的尺寸对上了。

但仅凭一张图,确实不能算"直接证明了事件视界"——你这怀疑站得住。因为理论上还有些没有视界的奇异致密天体(玻色星、引力星之类),只要够致密,也可能投出相似的暗影。

那物理学家凭什么还有把握?不是靠这一张图,而是靠几条彼此独立的证据正好都指向同一答案:引力波探到的黑洞并合波形(包括视界形成特征的"铃宕");一群恒星绕着银心那个看不见的东西转,算出约 400 万个太阳质量挤在极小范围里(2020 年因此发了诺奖);还有"没有硬表面"的论据——有面可撞就会发光,而我们没看到。把这几条收敛起来,黑洞才成了远远最好的解释。

但你真正戳到的是更深的一点:我们从来没"直接看见"黑洞或那道视界。 我们看见的是一圈光、一块暗、一段波形、几条轨道——全是效应;那个"东西"始终是推断出来的。这正是杯中蚂蚁靠杯内线索去推断杯外。

群众: 靠推断是对的,因为视觉只是感受宇宙很窄的一个方面。但推断也是双刃剑,因为它受认知的局限。

物理学家: 两面你都摸到了。一面是解放:视觉只看得见可见光那一小段,是推断加仪器让我们"看"到了黑洞、"听"到了时空的颤动。另一面是局限,而且形状很微妙:我们只能用已有的概念去推断,是在用自己的语言翻译宇宙,可宇宙未必说这门语言。最危险的是——感官的墙看得见(我们知道自己看不见 X 射线),认知的墙看不见,因为我们用它来思考。它会给我们一种虚假的确定,把"唯一能想到的解释"冒充成"事情本来的样子"。当年的人盯着日升日落,也觉得地心说是数据逼出来的。

唯一的出路是:推断有时能照出自己框架的不够用——当框架内开始彼此打架,张力会把它撑裂,逼出更大的(地心说裂成日心说,牛顿裂成爱因斯坦)。我们换不到上帝视角,但能一次次拿一只小玻璃杯换一只更大的。只是连这种换框,也在一套我们多半跳不出的元架构里——所以最底下,可能压着一层永远换不掉的局限。

十二、那辆装着风车的车

群众: 落到具体的。有个朋友说:开一辆电车,车上装个风车,风车发电再驱动这辆车。我说不可能,能量守恒。他说,历史上很多不可能的事后来都实现了。

物理学家: 物理上,你是对的。车上那风车,吹动它的风是车自己开动带出来的,风车一转就给车制造阻力,你收回的电永远小于为造这股风花掉的能量。它不是在助力,本质上是在给车刹车,绕了个圈——等于揪着自己鞋带把自己提起来。

而你朋友把两种"不可能"混了:一种是工程的不可能(人不能飞、上不了月球),那只是把"当下做不到"误当成定律,历史一次次推翻它——这类他说得对;另一种是定律的不可能(永动机、超光速),它和被验证到死的物理结构直接矛盾。而且有个事实正好砸他:永动机是人类史上被尝试得最多、失败得最彻底的一类发明,专利局干脆规定不带能运转的实物就不看。他想引用的那段历史,在这件事上指向相反方向。

群众: 那把范围缩小点。你知不知道有能迎风走的车、迎风走的船?我都能设计出来。

物理学家: 知道,而且这些真实存在,反常识到骗过一大批聪明人——帆船抢风能上行,甚至有辆叫 Blackbird 的车能"顺风跑得比风还快"。但它们靠的是车外面的风(空气相对地面的运动这个外部能量源),所以不违反守恒。

群众: 那我设计一个:车允许有轮子、刹车、风车、电池。它停着用风吹发电,发一会儿用电往前走,再停下发电。把这循环加快,不就是个自循环吗?

物理学家: 关键就在你那句"用风吹发电"——这风是哪来的? 如果是外面真有风,那这套"停—充—走—停"完全成立,但它是风力车,能量来自外部,不是自循环;一旦外面没风,停着的车风车不转,什么也充不上。如果外面没风、只靠车自己开动时带出的风,那每一圈都被阻力和摩擦磨掉一点,没有外来补充,迟早停——那就是永动机,不成立。

群众: 我懂了。也就是说,我这车在没风的时候不能走,反而是有风的时候,可以迎着风走。

物理学家: 完全正确,而且这正是钥匙。 一句话锁死:全看有没有"车外面的风"。 外面没风,想自循环就是永动机,迟早停;外面有风,风车从外部取能,车不但能走,还能迎着风走,丝毫不违反守恒,因为干活的是外面的风,不是车自己。

而这条线,正好是咱们绕了一整圈在找的那条:"迎风车"那种不可能,是想象力的不可能——只是反直觉,其实做得到;"无风自循环"那种不可能,是定律的不可能——在它自己这个范围里被验证到死,再怎么改装也跨不过去。 分开这两者的判据,就是你刚自己找到的那句:有没有一个车之外的能量源。 有,就可能、甚至能迎风;没有,就是永动机,免谈。

收束

群众: 所以兜这一大圈……

物理学家: 落点其实很干净。该开放的地方,保持开放——那些反直觉的真家伙、那些今天测不到却也许成立的可能、那把"也许会碎"的玻璃;该封死的地方,干脆封死——凭空的自循环、在自己范围里被反复验证的定律。而这两者怎么分,不靠谁更聪明、谁站得更高,靠的永远是同一个朴素的问题:它,接没接到现实上。

我们是杯中的蚂蚁——这是真的;但我们是一只能从杯内线索推断杯外、还知道自己手里这只杯子或许有一天会碎的蚂蚁。最诚实的姿态,大概就是一边用推断够得更远,一边始终记得:它既是伸出玻璃的手,也是那层看不见的玻璃本身。