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林潮:發現地外生命的跡象或許爲時不遠

http://finance.sina.com   2020年03月22日 18:35   北京同乐城国际线址網

  來源:賽先生

  採訪 | 鞠強 呂浩然

  撰文 | 鞠強

  尋找系外行星的意義在於幫助我們理解人類,理解生命從哪裏來。地外生命的跡象從原則上講是可以被觀測到的,因此我們才有可能研究地外生命的問題。到現在爲止,我們還沒有找到這些跡象,但是我估計爲時不遠,未來十幾年的時間裏就有希望找到。

  我覺得導致智慧生命衰落的原因可能並非戰爭、環境等外在因素,而在於智慧生命本身。再過幾十年,如果人工智能(AI)不再“人工”,也可能非常危險。有人說,人工智能並不可怕,拔掉電線切斷電源就可以使AI癱瘓。但是,人工智能在進化的過程中,可能會找出我們人類想到不到的路徑,導致最後不可控制,使人類被淘汰。我們不要單純從倫理的角度來看這個問題,因爲倫理是大多數人達成的共識,我們更要關注的是“可能性”的問題。因爲一兩個人就可以破壞一個共識,但這種可能性是存在的。

  但我覺得對未來也不必悲觀,這是一個發展的過程。地球上有一些演化非常成功的動物或者植物,演化到高峯就會衰落,這是很自然的事情。宇宙中可能很多地方都存在生命,但是能和人類交流的生命可能非常稀少,因爲演化的高峯也許同樣意味着演化的衰落。 

 美國藝術與科學院院士,加州大學聖克魯茲分校天文系教授林潮 美國藝術與科學院院士,加州大學聖克魯茲分校天文系教授林潮

  2019年,米歇爾·馬約爾(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)由於發現首顆圍繞類太陽恆星的系外行星,獲得諾貝爾物理學獎。系外行星的研究是當前天文學最熱門和前沿的領域之一,有一位華人天文學家在這個領域作出了重要貢獻,他就是林潮。

  林潮於1976年獲得劍橋大學天體物理學博士學位,隨後在劍橋大學和哈佛大學從事博士後研究工作,1979年起加入美國加州大學聖克魯茲分校並於1985年起擔任教授。2002年,林潮成爲美國藝術與科學學院院士。2007年至2011年,他曾擔任北京大學科維理天文與天體物理研究所(KIAA)首任所長。目前,林潮還擔任清華大學高等研究院訪問教授。

  林潮教授的研究涉及系外行星、星系動力學和星系形成等多個領域,在吸積盤理論、天體動力學和行星軌道遷移等研究中作出過傑出貢獻,並在業內引起廣泛影響。2015年,他因對天文學研究和推動中國天文學發展的傑出貢獻,獲得太平洋天文學會頒發的布魯斯獎(Bruce Medal)。

  2019年,林潮教授在清華大學高等研究院訪問期間,就係外行星、星際移民、中國天文學的發展和國際合作等話題接受《賽先生》專訪,分享了他多年來對這些問題的深入思考和深刻洞見。

  太陽系內外

  《賽先生》:2019年諾貝爾物理學獎授予三位科學家,其中有兩位共同發現了首顆圍繞類太陽恆星的系外行星。這項成果有什麼重要意義?

  林潮:系外行星的發現是大多數人意想不到的突破性革命。在此之前,行星科學的研究範圍只能限定在太陽系之內。我當時就在研究太陽系的形成,這個領域內大約只有幾十人,而且也不是特別受重視。

  雖然這個課題很重要,但是我們當時只知道一個行星系統,就是我們的太陽系。科學一個重要的方面是證實,有猜想要去證實,但用這一個系統來證實新的猜想很困難。宇宙學研究也面臨同樣的問題,因爲我們只知道這一個宇宙,所以今年獲獎的兩個領域挺相似的。(注:2019年的諾貝爾物理學獎由宇宙學和系外行星領域的研究者分享。)

  這有點像考古學,你可以看一些古蹟,但是歷史已經發生,不能進行實驗,研究對象不能重新來過。但是對考古學來說,如果你想研究歷史的話,你最好能夠用社會學的方法觀察一下平行社會是如何演化的。

  系外行星的發現激發了兩個研究領域的發展。一是尋找系外行星,天文學家到目前已經發現了4000~6000顆系外行星,而且還在不斷地發現新的系外行星,我們的視野在不斷地擴大。這些系外行星和我們的地球有相同點,也有不同點,因此對理論提出了很大的挑戰。

  這是不是會使理論家有失落感呢?我覺得恰恰相反,作爲理論家,我感到興奮和刺激。這些發現帶給我們很多新的信息,使我們對太陽系的起源和演化有了新的認識。

  二是觀測初始行星是怎麼樣形成的。初始行星發出的光在紅外波段,地球表面很難觀測到。但我們通過衛星和智利的毫米波陣列等觀測設備,最近10年已經可以看到原始行星盤正在形成新的行星的過程。現在我們只能看到這些行星的表面,還看不到內部,但是我們在一步步前進。

  如果把行星的演化同人的一生類比,那我們以前只能觀察一個人在小學、中學的成長階段,而現在我們有機會去產科醫院,觀察一個人的出生階段,瞭解這個人的遺傳信息。

  目前,我們可以從三個方面得到行星相關的信息:第一個是“產科醫院”,就是在行星的初始階段;第二個是看行星形成和演化的結果,就是在年齡類似太陽的恆星周圍的行星;第三個就是再回到我們的太陽系,探索一些細節,這就像是對一個具體的人進行心理學研究。

  這三個方面加在一起,使我們正處於一個行星研究的劃時代的階段。在這個階段,有一些理論被推翻,有很多理論被建立。一個比較新的概念是,行星在形成過程中會遷移。打個比方,我們在清華大學看到的學生,他們都是來自不同的地方,如果說清華大學的學生都是出生在清華大學校園裏,那是非常不可思議的。但是因爲遷移的時間座標非常長,所以我們不可能看到整個遷移的過程,我們只能看到遷移的結果。

  《賽先生》:在我們把視野投向系外行星的時候,如何繼續對太陽系內的天體進行研究?

  林潮:我們在太陽系內可以拿到樣本,對系外的觀測是宏觀資料,二者聯繫到一起很重要。我認爲太陽系並非獨一無二,關鍵是看太陽系與其他系統之間究竟是大同小異還是小同大異。各種測量之間的聯繫越緊密,科學發展得越快。

  太陽系內的探索還有很多值得做。這有點像福爾摩斯的偵探小說,細節的線索非常重要。隨着太陽系內的天體的樣品從不同的地點被採回,我們對太陽系早期的形成以及行星內部結構、演化和大氣層等會有更多的認識,從而更好地瞭解地球。

  理論與觀測 

  《賽先生》:從第一顆系外行星被發現以來,二十多年的時間裏觀測技術和手段有了很大的進步。同樣在這段時間裏,也有很多理論被推翻。您認爲,是理論引領觀測的方向,還是觀測推動理論的進步?

  林潮:我覺得這是一個科學的方法論問題。科學家與哲學家有不同,哲學家是理論家,科學家裏也有理論家,但是這些理論家更能夠接受“理論需要更新”。

  認識是怎麼來的?不是憑空而來,也不是一夜之間就獲得了突破,所有巨大的突破都是站在巨人的肩膀上得到的。所謂站在巨人肩膀上,就是把各種信息通過聯想組織起來。聯想是很重要的,一般情況下,聯想也是很難的——有點像盲人摸象,線索很多,但是能把線索連成一個系統是很困難的。

  做理論需要的原理並不多,有幾個比較重要的原理,比如動力學的原理,比如輻射的傳導,這些我們並沒有改變很多,改變很多的是邊界條件。基礎科學就是建立起來幾個理論作爲地基,但是建築出什麼樣的房子,是由邊界條件決定的。

  宇宙的邊界條件太多了,我們不太清楚這些邊界條件。比如說,用相對論研究黑洞周圍的情況,可以做一些事情,也有一些未知數,但是周圍的時空是如何被強引力場所改變,很多事情我們往往還沒有意識到。

  馬後炮很容易,從後往前看,我們會發現很多事情很簡單、很明顯,但是事先不會想到是這麼簡單的,所以事情要一步一步做。我不認爲這些理論是被推翻,我認爲我們是在尋找和排除各種各樣的可能性。如果我們提出一個可能性,即使後來發現錯了,這個可能性被排除,也是對科學有貢獻,促進科學的發展。對於理論家來說,理論被證實或者被推翻都會很開心。

  我們要有膽量挑戰經典的東西,這種挑戰可能會帶來突破。當然,要在完全瞭解的基礎上再去挑戰,提出新理論不能憑空來,我們希望排除得少一些,考慮得更加周到一些。很多理論不是錯的,只是被排除,這些理論在未來的某處還可以再利用,並不是完全無用。如果沒有不斷革新的過程,理論發展就會走進死衚衕。

  《賽先生》:雖然觀測技術在不斷進步,但是也會遇到瓶頸,這樣的瓶頸對天文學研究有什麼影響?

  林潮:理論與觀測是科學研究中的不同分工,不是對立的,二者缺一不可。目前,有些研究需要越來越多的資源,也許會走向瓶頸,這個時候我們就需要改變,嘗試換一個路徑。我在美國加州工作時,在灣區經常能看到蘋果公司的廣告:Think Different。做科研也是這樣,需要有一點時間來回想和反思,尋找其他的方法。

  觀測對驗證理論至關重要,越前沿的研究會對觀測的精確度提出越高的要求。比如搜尋系外行星使用的徑向速度法,原理很簡單,但對觀測要求極高。這樣的例子有很多。2000多年前,古希臘天文學家阿利斯塔克就曾提出過“日心說”的理論,但是當時的觀測由於精度太低,得不到支持這個觀點的證據。40多年前,韋伯曾經說自己探測到引力波,但是並未被證實,後來大家認爲他的探測設備的精度不可能探測到引力波。還有一個是霍金提出的黑洞蒸發,這個理論充滿爭議,過於超前,在可見的未來極難被證實。再比如多宇宙的理論該如何被證實,我們目前還看不到什麼跡象。

  但是,地外生命的跡象從原則上講是可以被觀測到的,因此我們才有可能研究地外生命的問題。

  未知的未知

  《賽先生》:是什麼吸引您進入系外行星研究的領域?

  林潮:尋找系外行星的意義在於幫助我們理解人類,理解生命從哪裏來。

  生命是一個非常複雜的過程,包羅萬象。我們只知道生命在地球的演化,因爲我們對生物學的研究都在地球環境中,但宇宙環境是多元化的。生命的起源是偶然還是必然,是自發產生還是在星際傳播,都需要進行研究。地球的生命可能只不過是宇宙中特殊的一種,宇宙中可能有很多種不同的生命。

  這就是我們說的探索“未知的未知”,也就是我們現在連什麼是問題都不清楚。因此,可行的辦法是從“已知的未知”出發。我們並不是說所有的地外生命都要和地球上的生命一樣,但我們至少先找一個地方着手,做起來,找到一些和地球相似但有根本的不同的現象。

  由於受到觀測手段的限制,即使在系外行星上存在生命,我們可能也很難直接用望遠鏡看到。因此我們在搜索系外生命的過程中,主要是尋找一些跡象。比如說我們在森林裏,想直接找到狗熊很難,但是發現狗熊的糞便相對容易。我們搜尋地外生命可能不是直接找到運動的生命體,而是找到它們對應的一些跡象。

  在地球的生命史中,最早期的生命(藻類)對我們的大氣層有“污染”,這種“污染”使得大氣層中氧的含量不斷增加。氧很活躍,參加氧化反應,所以空氣中的氧在不斷減少。要維持空氣中的氧,就要不斷製造氧,而能夠製造這麼多的氧分子,是地球上的生物在發揮作用。我們在系外行星尋找氧,並不是因爲我們這樣的哺乳動物需要氧才能生存,而是因爲最早期的藻類使地球的大氣層氧化。如果我們找到氧,說明那個地方可能有生命,然後我們可以在下一步的研究中分析這些生命的跡象。

  到現在爲止,我們還沒有找到這些跡象,但是我估計爲時不遠,未來十幾年的時間裏就有希望找到。當我們找到這些跡象的時候,對科學的影響將會超出物理、天文的領域,而遷移到生物和化學,生命科學就會發生非常大的變化。但現在我們不知道會有什麼影響,只能摸着石頭過河,摸索哪條路是理解自然更準確的道路。

  《賽先生》:今年年初國內上映了電影《流浪地球》,影片的內容是面對太陽系的危機,人類帶着地球去流浪。而在好萊塢的電影中,更多表現的是人類放棄地球,直接移民到其他星球上去。這是否體現出兩種文化的某些不同?單從技術角度來看,哪種方案更容易實現?

  林潮:中國歷史悠久,曾經有非常強大的時代,有非常強大的海軍,比如鄭和的艦隊,中國文化裏也一直有中國是世界中心的概念。但是在鄭和之後,西方國家,比如荷蘭、葡萄牙等國家發展起來,成爲世界強國。他們本身沒有自己是“中國”的概念,所以要往外走。這是兩種文化的不同。

  不過,說到兩種方案哪個更容易實現,我倒是有其他的想法。

  生命到底是什麼?現在我們可以說,生命就是信息,這個信息促使自我製造和自我繁殖。但這個過程不是100%準確,因爲自我製造的過程如果不出錯就沒有演化,如果出錯太多就不是一個好的模型,就會不穩定,所以生命的演化是一個亞穩態,最終傳導的動力就是信息,就是DNA。

  瞭解DNA分子使得我們能夠數字化自身的信息。這樣理論上我們能夠將生命與生物體脫離,這是一個非常危險的事情,也是一個充滿機遇的事情。如果真的要移民,我們不需要把原材料運過去,只需要把信息運到另一個行星系統。從地球到最近的恆星,這段旅程很危險,維持生命很難,但是維持機器就會容易很多。

  這個過程可以分三步進行:第一步是機器在目的地就地取材做出DNA,但絕大多數DNA可能無法維持;第二步是把情況彙報給地球,地球收到報告後會對目的地的情況進行分析並再次發送信息;第三步是機器人在目的地不斷更新。這樣傳導的不是生命本身,而是信息。這樣做比把人直接移民過去需要的能量和承擔的風險都要小得多得多得多。

  這並非異想天開,50年前,馮·諾依曼就提出過諾依曼機(Neumann machine),只不過諾依曼機是機器的自我複製,沒有演化的過程。我們可以先運送病毒,雖然病毒不是生命,穩定性低,但是繁殖速度快。

  但是,這個問題我們要嚴肅對待,如果沒有責任感,將會非常危險。費米曾經提出過費米悖論(Fermi Paradox),就是說爲什麼地外生命沒有和人類接觸。我自己也沒有答案,但我有一個想法。當我們理解到生命的信息可以用數字化的方法從生物結構中解脫出來時,首先想到的會是自己,想治病,想永生。但這個過程的時間座標短,這是一種自我選擇而不是自然選擇,就會容易出錯。自然選擇是周圍的環境進行篩選,但自我選擇和自我改變結合的結果不可預測。

  我覺得導致智慧生命衰落的原因可能並非戰爭、環境等外在因素,而在於智慧生命本身。再過幾十年,如果人工智能(AI)不再“人工”,也可能非常危險。有人說,人工智能並不可怕,拔掉電線切斷電源就可以使AI癱瘓。但是,人工智能在進化的過程中,可能會找出我們人類想到不到的路徑,導致最後不可控制,使人類被淘汰。我們不要單純從倫理的角度來看這個問題,因爲倫理是大多數人達成的共識,我們更要關注的是“可能性”的問題。因爲一兩個人就可以破壞一個共識,但這種可能性是存在的。

  但我覺得對未來也不必悲觀,這是一個發展的過程。地球上有一些演化非常成功的動物或者植物,演化到高峯就會衰落,這是很自然的事情。宇宙中可能很多地方都存在生命,但是能和人類交流的生命可能非常稀少,因爲演化的高峯也許同樣意味着演化的衰落。

  實現國際化

  《賽先生》:2007年,您出任北京大學科維理天文與天體物理研究所首任所長。您是在什麼樣的背景下出任這一職務的?當時是怎麼考慮的?

  林潮:我和一些朋友們從20世紀70、80年代開始就參與推動中國天文學的發展,當時就和林家翹先生有過接觸,希望做一些事情。但是,當時的大環境比較重視應用研究,天文學看起來還是有些奢侈的領域。

  我先是和一些熱心的華人科學家一起協助臺灣“中央研究院”建立起天文研究所。2000年以後,我感到中國天文界落後很多,世界各地的天文學研究發展很快,我們不進步就會落後。2005年,科維理基金會主席找到我,向我打聽國內的情況,我就帶他參觀了國內的三家機構,分別是清華大學、北京大學和中科院理論物理研究所。當時北大的同事請我幫忙寫了一個計劃書,不過我還沒有直接參與的想法。我同陳建生院士進行了討論,要建立一個國際化的研究中心,真正走向國際舞臺,而不是在國內爭第一。

  這時,北大的同事們邀請我做首任所長。我當時想,到了這個年紀應該做一些有意義的事情。我不會去做錦上添花的事情,如果本身情況已經很好,我沒必要參與,但是如果客觀條件完全不允許,我也沒辦法做事情。當時的情況處於兩者之間,我就同意擔任所長,但只做一屆。

  我的考慮是,如果我做得不好,自然要換;如果我做得好,研究所運行良好,那麼由於天文學是一門以觀測爲基礎的科學,而我本身是做理論研究的,所以也應該換一個所長繼續領導研究所。

  當時的情況是資金緊張,但是不缺人才,北大以及我現在工作的清華都有非常優秀的學生。雖然當時北大已經有天文系,但是我們研究所是從零開始,與天文系是平行的單位,這樣可以進行一些制度上的創新,其中重要的一點就是國際化。

  我們規定研究所的工作語言是英語。學生們剛開始不適應,我就給一兩個月的過渡時間,這段時間裏我用中文講科學問題,然後逐步轉向英文。

  我們研究所的建築是中國式的,但是內部卻是國際化的。所裏每間辦公室的面積都很小,最大的區域是交流區,因爲交流對科學研究至關重要。我當時是兼職所長,就住在研究所,學生們下課之後就過來找我聊。我不是直接給他們佈置任務,而是和他們一起討論問題,讓他們自己找到感興趣的話題。我不會直接否定學生的想法,告訴他們這是不對的,而是讓他們沿着這個想法多試試,直到自己意識到問題所在。

  當時,KIAA每年都會辦5~6次會議,還會辦暑期學校,歐美學生過來參加,和國內的學生們打成一片。今年的諾貝爾獎得主馬約爾就曾經在KIAA工作過一段時間。

  研究所成立之初,制度上有一些框框,也挑戰了一些傳統利益,但這些困難並非不可克服。研究所的發展不是直線上升,也走了一些彎路,但意義在於提出了走向國際化的概念。

  今年有兩個諾貝爾獎得主都來自瑞士,那裏只有800多萬人口,但是科技和經濟都很發達,背後的原因值得我們深思。有些問題不是科學上的問題,而是體制上的問題。我擔任所長的時候經常有人問我:你們研究所有多少人,但是多少人不重要,做什麼研究才是重要的;有些研究人員盯着經費,申請完經費就感覺大功告成,但是經費只是手段而不是目的。這是制約中國科研發展的一個大問題。討論中國未來能拿多少諾貝爾獎沒有意義,關注研究什麼才是更重要的。當然,改變現狀需要時間。

  我當初進入科學只是感興趣,沒想過去當名人或者一定要有成就。科學家應該有些孩子氣,做到不忘初心。

  《賽先生》:您一直在強調國際合作的重要性,這一點對中國的科研界有什麼意義?

  林潮:歐洲南方天文臺(ESO)在智利建設望遠鏡的項目值得參考。歐洲南方天文臺由十幾個國家參與,這些國家之間彼此有各種糾葛,英法之間還有爭奪海王星發現權的歷史,但現在仍然在緊密合作。

  天文學研究這個領域比較小,決策的時候自己和單位的利益會成爲考量因素,有時會成爲科學研究的阻力。有些科研項目的投資效果不理想,需要進行檢討。中國天文學界的一個問題是很多單位排他,衡量成果的時候要看論文第一作者是誰,第一單位是哪家,這會造成資源無法集中,很多研究難以推進。國際合作可以讓我們瞭解學術界都在想什麼,借鑑別人的經驗(比如在行政決策和資金分配方面),使我們認識到科學研究的長遠性和靈活性,不能一味求快。

  廣泛涉獵,多學多問

  《賽先生》:您對年輕的天文學研究人員有什麼建議?

  林潮:最近半個多世紀以來,天文學每10年就會有一個熱點,各個熱點之間也有關聯,可以說發展非常迅速,也在不斷取得新的突破。天文學對青年人是一個非常棒的學科。

  以我自己爲例,我的研究興趣也在不斷改變。我讀博士的時候的研究領域是高能天體物理,後來轉到流體力學,再後來研究過系外行星,現在也在做和黑洞有關的研究。我的原則是不追熱點,不重複別人,這樣永遠都在學習中,永遠都是年輕人。當然,這是我自己做理論研究的想法,不能要求所有人,比如做觀測的同事就需要長期投身一個項目。

  青年人要記住科研資金的目的是科研,不是資金,不要想太多分蛋糕的事情,不要總盯着大項目。我對中國天文學的未來比較樂觀,青年人有視野,要多聽聽他們的聲音,發揮他們的潛力和動力。

  天文學容易入門,研究的問題是我們從小就感興趣的。好奇心是最重要的動力。除此之外,我常和學生講科研有三大法寶:第一個是首先發現什麼是關鍵問題;第二個是找到最適合於你的方法,這個方法沒有高低之分;第三個是怎麼把你發現的東西傳導出去,不僅是傳遞給公衆,更是向同行介紹你的工作,要注意交流的方法和效果。天文學需要廣泛的涉獵,要多學多問。

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