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林潮:发现地外生命的迹象或许为时不远

http://finance.sina.com   2020年03月22日 18:35   北京新浪网

  来源:赛先生

  采访 | 鞠强 吕浩然

  撰文 | 鞠强

  寻找系外行星的意义在于帮助我们理解人类,理解生命从哪里来。地外生命的迹象从原则上讲是可以被观测到的,因此我们才有可能研究地外生命的问题。到现在为止,我们还没有找到这些迹象,但是我估计为时不远,未来十几年的时间里就有希望找到。

  我觉得导致智慧生命衰落的原因可能并非战争、环境等外在因素,而在于智慧生命本身。再过几十年,如果人工智能(AI)不再“人工”,也可能非常危险。有人说,人工智能并不可怕,拔掉电线切断电源就可以使AI瘫痪。但是,人工智能在进化的过程中,可能会找出我们人类想到不到的路径,导致最后不可控制,使人类被淘汰。我们不要单纯从伦理的角度来看这个问题,因为伦理是大多数人达成的共识,我们更要关注的是“可能性”的问题。因为一两个人就可以破坏一个共识,但这种可能性是存在的。

  但我觉得对未来也不必悲观,这是一个发展的过程。地球上有一些演化非常成功的动物或者植物,演化到高峰就会衰落,这是很自然的事情。宇宙中可能很多地方都存在生命,但是能和人类交流的生命可能非常稀少,因为演化的高峰也许同样意味着演化的衰落。 

 美国艺术与科学院院士,加州大学圣克鲁兹分校天文系教授林潮 美国艺术与科学院院士,加州大学圣克鲁兹分校天文系教授林潮

  2019年,米歇尔·马约尔(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)由于发现首颗围绕类太阳恒星的系外行星,获得诺贝尔物理学奖。系外行星的研究是当前天文学最热门和前沿的领域之一,有一位华人天文学家在这个领域作出了重要贡献,他就是林潮。

  林潮于1976年获得剑桥大学天体物理学博士学位,随后在剑桥大学和哈佛大学从事博士后研究工作,1979年起加入美国加州大学圣克鲁兹分校并于1985年起担任教授。2002年,林潮成为美国艺术与科学学院院士。2007年至2011年,他曾担任北京大学科维理天文与天体物理研究所(KIAA)首任所长。目前,林潮还担任清华大学高等研究院访问教授。

  林潮教授的研究涉及系外行星、星系动力学和星系形成等多个领域,在吸积盘理论、天体动力学和行星轨道迁移等研究中作出过杰出贡献,并在业内引起广泛影响。2015年,他因对天文学研究和推动中国天文学发展的杰出贡献,获得太平洋天文学会颁发的布鲁斯奖(Bruce Medal)。

  2019年,林潮教授在清华大学高等研究院访问期间,就系外行星、星际移民、中国天文学的发展和国际合作等话题接受《赛先生》专访,分享了他多年来对这些问题的深入思考和深刻洞见。

  太阳系内外

  《赛先生》:2019年诺贝尔物理学奖授予三位科学家,其中有两位共同发现了首颗围绕类太阳恒星的系外行星。这项成果有什么重要意义?

  林潮:系外行星的发现是大多数人意想不到的突破性革命。在此之前,行星科学的研究范围只能限定在太阳系之内。我当时就在研究太阳系的形成,这个领域内大约只有几十人,而且也不是特别受重视。

  虽然这个课题很重要,但是我们当时只知道一个行星系统,就是我们的太阳系。科学一个重要的方面是证实,有猜想要去证实,但用这一个系统来证实新的猜想很困难。宇宙学研究也面临同样的问题,因为我们只知道这一个宇宙,所以今年获奖的两个领域挺相似的。(注:2019年的诺贝尔物理学奖由宇宙学和系外行星领域的研究者分享。)

  这有点像考古学,你可以看一些古迹,但是历史已经发生,不能进行实验,研究对象不能重新来过。但是对考古学来说,如果你想研究历史的话,你最好能够用社会学的方法观察一下平行社会是如何演化的。

  系外行星的发现激发了两个研究领域的发展。一是寻找系外行星,天文学家到目前已经发现了4000~6000颗系外行星,而且还在不断地发现新的系外行星,我们的视野在不断地扩大。这些系外行星和我们的地球有相同点,也有不同点,因此对理论提出了很大的挑战。

  这是不是会使理论家有失落感呢?我觉得恰恰相反,作为理论家,我感到兴奋和刺激。这些发现带给我们很多新的信息,使我们对太阳系的起源和演化有了新的认识。

  二是观测初始行星是怎么样形成的。初始行星发出的光在红外波段,地球表面很难观测到。但我们通过卫星和智利的毫米波阵列等观测设备,最近10年已经可以看到原始行星盘正在形成新的行星的过程。现在我们只能看到这些行星的表面,还看不到内部,但是我们在一步步前进。

  如果把行星的演化同人的一生类比,那我们以前只能观察一个人在小学、中学的成长阶段,而现在我们有机会去产科医院,观察一个人的出生阶段,了解这个人的遗传信息。

  目前,我们可以从三个方面得到行星相关的信息:第一个是“产科医院”,就是在行星的初始阶段;第二个是看行星形成和演化的结果,就是在年龄类似太阳的恒星周围的行星;第三个就是再回到我们的太阳系,探索一些细节,这就像是对一个具体的人进行心理学研究。

  这三个方面加在一起,使我们正处于一个行星研究的划时代的阶段。在这个阶段,有一些理论被推翻,有很多理论被建立。一个比较新的概念是,行星在形成过程中会迁移。打个比方,我们在清华大学看到的学生,他们都是来自不同的地方,如果说清华大学的学生都是出生在清华大学校园里,那是非常不可思议的。但是因为迁移的时间坐标非常长,所以我们不可能看到整个迁移的过程,我们只能看到迁移的结果。

  《赛先生》:在我们把视野投向系外行星的时候,如何继续对太阳系内的天体进行研究?

  林潮:我们在太阳系内可以拿到样本,对系外的观测是宏观资料,二者联系到一起很重要。我认为太阳系并非独一无二,关键是看太阳系与其他系统之间究竟是大同小异还是小同大异。各种测量之间的联系越紧密,科学发展得越快。

  太阳系内的探索还有很多值得做。这有点像福尔摩斯的侦探小说,细节的线索非常重要。随着太阳系内的天体的样品从不同的地点被采回,我们对太阳系早期的形成以及行星内部结构、演化和大气层等会有更多的认识,从而更好地了解地球。

  理论与观测 

  《赛先生》:从第一颗系外行星被发现以来,二十多年的时间里观测技术和手段有了很大的进步。同样在这段时间里,也有很多理论被推翻。您认为,是理论引领观测的方向,还是观测推动理论的进步?

  林潮:我觉得这是一个科学的方法论问题。科学家与哲学家有不同,哲学家是理论家,科学家里也有理论家,但是这些理论家更能够接受“理论需要更新”。

  认识是怎么来的?不是凭空而来,也不是一夜之间就获得了突破,所有巨大的突破都是站在巨人的肩膀上得到的。所谓站在巨人肩膀上,就是把各种信息通过联想组织起来。联想是很重要的,一般情况下,联想也是很难的——有点像盲人摸象,线索很多,但是能把线索连成一个系统是很困难的。

  做理论需要的原理并不多,有几个比较重要的原理,比如动力学的原理,比如辐射的传导,这些我们并没有改变很多,改变很多的是边界条件。基础科学就是建立起来几个理论作为地基,但是建筑出什么样的房子,是由边界条件决定的。

  宇宙的边界条件太多了,我们不太清楚这些边界条件。比如说,用相对论研究黑洞周围的情况,可以做一些事情,也有一些未知数,但是周围的时空是如何被强引力场所改变,很多事情我们往往还没有意识到。

  马后炮很容易,从后往前看,我们会发现很多事情很简单、很明显,但是事先不会想到是这么简单的,所以事情要一步一步做。我不认为这些理论是被推翻,我认为我们是在寻找和排除各种各样的可能性。如果我们提出一个可能性,即使后来发现错了,这个可能性被排除,也是对科学有贡献,促进科学的发展。对于理论家来说,理论被证实或者被推翻都会很开心。

  我们要有胆量挑战经典的东西,这种挑战可能会带来突破。当然,要在完全了解的基础上再去挑战,提出新理论不能凭空来,我们希望排除得少一些,考虑得更加周到一些。很多理论不是错的,只是被排除,这些理论在未来的某处还可以再利用,并不是完全无用。如果没有不断革新的过程,理论发展就会走进死胡同。

  《赛先生》:虽然观测技术在不断进步,但是也会遇到瓶颈,这样的瓶颈对天文学研究有什么影响?

  林潮:理论与观测是科学研究中的不同分工,不是对立的,二者缺一不可。目前,有些研究需要越来越多的资源,也许会走向瓶颈,这个时候我们就需要改变,尝试换一个路径。我在美国加州工作时,在湾区经常能看到苹果公司的广告:Think Different。做科研也是这样,需要有一点时间来回想和反思,寻找其他的方法。

  观测对验证理论至关重要,越前沿的研究会对观测的精确度提出越高的要求。比如搜寻系外行星使用的径向速度法,原理很简单,但对观测要求极高。这样的例子有很多。2000多年前,古希腊天文学家阿利斯塔克就曾提出过“日心说”的理论,但是当时的观测由于精度太低,得不到支持这个观点的证据。40多年前,韦伯曾经说自己探测到引力波,但是并未被证实,后来大家认为他的探测设备的精度不可能探测到引力波。还有一个是霍金提出的黑洞蒸发,这个理论充满争议,过于超前,在可见的未来极难被证实。再比如多宇宙的理论该如何被证实,我们目前还看不到什么迹象。

  但是,地外生命的迹象从原则上讲是可以被观测到的,因此我们才有可能研究地外生命的问题。

  未知的未知

  《赛先生》:是什么吸引您进入系外行星研究的领域?

  林潮:寻找系外行星的意义在于帮助我们理解人类,理解生命从哪里来。

  生命是一个非常复杂的过程,包罗万象。我们只知道生命在地球的演化,因为我们对生物学的研究都在地球环境中,但宇宙环境是多元化的。生命的起源是偶然还是必然,是自发产生还是在星际传播,都需要进行研究。地球的生命可能只不过是宇宙中特殊的一种,宇宙中可能有很多种不同的生命。

  这就是我们说的探索“未知的未知”,也就是我们现在连什么是问题都不清楚。因此,可行的办法是从“已知的未知”出发。我们并不是说所有的地外生命都要和地球上的生命一样,但我们至少先找一个地方着手,做起来,找到一些和地球相似但有根本的不同的现象。

  由于受到观测手段的限制,即使在系外行星上存在生命,我们可能也很难直接用望远镜看到。因此我们在搜索系外生命的过程中,主要是寻找一些迹象。比如说我们在森林里,想直接找到狗熊很难,但是发现狗熊的粪便相对容易。我们搜寻地外生命可能不是直接找到运动的生命体,而是找到它们对应的一些迹象。

  在地球的生命史中,最早期的生命(藻类)对我们的大气层有“污染”,这种“污染”使得大气层中氧的含量不断增加。氧很活跃,参加氧化反应,所以空气中的氧在不断减少。要维持空气中的氧,就要不断制造氧,而能够制造这么多的氧分子,是地球上的生物在发挥作用。我们在系外行星寻找氧,并不是因为我们这样的哺乳动物需要氧才能生存,而是因为最早期的藻类使地球的大气层氧化。如果我们找到氧,说明那个地方可能有生命,然后我们可以在下一步的研究中分析这些生命的迹象。

  到现在为止,我们还没有找到这些迹象,但是我估计为时不远,未来十几年的时间里就有希望找到。当我们找到这些迹象的时候,对科学的影响将会超出物理、天文的领域,而迁移到生物和化学,生命科学就会发生非常大的变化。但现在我们不知道会有什么影响,只能摸着石头过河,摸索哪条路是理解自然更准确的道路。

  《赛先生》:今年年初国内上映了电影《流浪地球》,影片的内容是面对太阳系的危机,人类带着地球去流浪。而在好莱坞的电影中,更多表现的是人类放弃地球,直接移民到其他星球上去。这是否体现出两种文化的某些不同?单从技术角度来看,哪种方案更容易实现?

  林潮:中国历史悠久,曾经有非常强大的时代,有非常强大的海军,比如郑和的舰队,中国文化里也一直有中国是世界中心的概念。但是在郑和之后,西方国家,比如荷兰、葡萄牙等国家发展起来,成为世界强国。他们本身没有自己是“中国”的概念,所以要往外走。这是两种文化的不同。

  不过,说到两种方案哪个更容易实现,我倒是有其他的想法。

  生命到底是什么?现在我们可以说,生命就是信息,这个信息促使自我制造和自我繁殖。但这个过程不是100%准确,因为自我制造的过程如果不出错就没有演化,如果出错太多就不是一个好的模型,就会不稳定,所以生命的演化是一个亚稳态,最终传导的动力就是信息,就是DNA。

  了解DNA分子使得我们能够数字化自身的信息。这样理论上我们能够将生命与生物体脱离,这是一个非常危险的事情,也是一个充满机遇的事情。如果真的要移民,我们不需要把原材料运过去,只需要把信息运到另一个行星系统。从地球到最近的恒星,这段旅程很危险,维持生命很难,但是维持机器就会容易很多。

  这个过程可以分三步进行:第一步是机器在目的地就地取材做出DNA,但绝大多数DNA可能无法维持;第二步是把情况汇报给地球,地球收到报告后会对目的地的情况进行分析并再次发送信息;第三步是机器人在目的地不断更新。这样传导的不是生命本身,而是信息。这样做比把人直接移民过去需要的能量和承担的风险都要小得多得多得多。

  这并非异想天开,50年前,冯·诺依曼就提出过诺依曼机(Neumann machine),只不过诺依曼机是机器的自我复制,没有演化的过程。我们可以先运送病毒,虽然病毒不是生命,稳定性低,但是繁殖速度快。

  但是,这个问题我们要严肃对待,如果没有责任感,将会非常危险。费米曾经提出过费米悖论(Fermi Paradox),就是说为什么地外生命没有和人类接触。我自己也没有答案,但我有一个想法。当我们理解到生命的信息可以用数字化的方法从生物结构中解脱出来时,首先想到的会是自己,想治病,想永生。但这个过程的时间坐标短,这是一种自我选择而不是自然选择,就会容易出错。自然选择是周围的环境进行筛选,但自我选择和自我改变结合的结果不可预测。

  我觉得导致智慧生命衰落的原因可能并非战争、环境等外在因素,而在于智慧生命本身。再过几十年,如果人工智能(AI)不再“人工”,也可能非常危险。有人说,人工智能并不可怕,拔掉电线切断电源就可以使AI瘫痪。但是,人工智能在进化的过程中,可能会找出我们人类想到不到的路径,导致最后不可控制,使人类被淘汰。我们不要单纯从伦理的角度来看这个问题,因为伦理是大多数人达成的共识,我们更要关注的是“可能性”的问题。因为一两个人就可以破坏一个共识,但这种可能性是存在的。

  但我觉得对未来也不必悲观,这是一个发展的过程。地球上有一些演化非常成功的动物或者植物,演化到高峰就会衰落,这是很自然的事情。宇宙中可能很多地方都存在生命,但是能和人类交流的生命可能非常稀少,因为演化的高峰也许同样意味着演化的衰落。

  实现国际化

  《赛先生》:2007年,您出任北京大学科维理天文与天体物理研究所首任所长。您是在什么样的背景下出任这一职务的?当时是怎么考虑的?

  林潮:我和一些朋友们从20世纪70、80年代开始就参与推动中国天文学的发展,当时就和林家翘先生有过接触,希望做一些事情。但是,当时的大环境比较重视应用研究,天文学看起来还是有些奢侈的领域。

  我先是和一些热心的华人科学家一起协助台湾“中央研究院”建立起天文研究所。2000年以后,我感到中国天文界落后很多,世界各地的天文学研究发展很快,我们不进步就会落后。2005年,科维理基金会主席找到我,向我打听国内的情况,我就带他参观了国内的三家机构,分别是清华大学、北京大学和中科院理论物理研究所。当时北大的同事请我帮忙写了一个计划书,不过我还没有直接参与的想法。我同陈建生院士进行了讨论,要建立一个国际化的研究中心,真正走向国际舞台,而不是在国内争第一。

  这时,北大的同事们邀请我做首任所长。我当时想,到了这个年纪应该做一些有意义的事情。我不会去做锦上添花的事情,如果本身情况已经很好,我没必要参与,但是如果客观条件完全不允许,我也没办法做事情。当时的情况处于两者之间,我就同意担任所长,但只做一届。

  我的考虑是,如果我做得不好,自然要换;如果我做得好,研究所运行良好,那么由于天文学是一门以观测为基础的科学,而我本身是做理论研究的,所以也应该换一个所长继续领导研究所。

  当时的情况是资金紧张,但是不缺人才,北大以及我现在工作的清华都有非常优秀的学生。虽然当时北大已经有天文系,但是我们研究所是从零开始,与天文系是平行的单位,这样可以进行一些制度上的创新,其中重要的一点就是国际化。

  我们规定研究所的工作语言是英语。学生们刚开始不适应,我就给一两个月的过渡时间,这段时间里我用中文讲科学问题,然后逐步转向英文。

  我们研究所的建筑是中国式的,但是内部却是国际化的。所里每间办公室的面积都很小,最大的区域是交流区,因为交流对科学研究至关重要。我当时是兼职所长,就住在研究所,学生们下课之后就过来找我聊。我不是直接给他们布置任务,而是和他们一起讨论问题,让他们自己找到感兴趣的话题。我不会直接否定学生的想法,告诉他们这是不对的,而是让他们沿着这个想法多试试,直到自己意识到问题所在。

  当时,KIAA每年都会办5~6次会议,还会办暑期学校,欧美学生过来参加,和国内的学生们打成一片。今年的诺贝尔奖得主马约尔就曾经在KIAA工作过一段时间。

  研究所成立之初,制度上有一些框框,也挑战了一些传统利益,但这些困难并非不可克服。研究所的发展不是直线上升,也走了一些弯路,但意义在于提出了走向国际化的概念。

  今年有两个诺贝尔奖得主都来自瑞士,那里只有800多万人口,但是科技和经济都很发达,背后的原因值得我们深思。有些问题不是科学上的问题,而是体制上的问题。我担任所长的时候经常有人问我:你们研究所有多少人,但是多少人不重要,做什么研究才是重要的;有些研究人员盯着经费,申请完经费就感觉大功告成,但是经费只是手段而不是目的。这是制约中国科研发展的一个大问题。讨论中国未来能拿多少诺贝尔奖没有意义,关注研究什么才是更重要的。当然,改变现状需要时间。

  我当初进入科学只是感兴趣,没想过去当名人或者一定要有成就。科学家应该有些孩子气,做到不忘初心。

  《赛先生》:您一直在强调国际合作的重要性,这一点对中国的科研界有什么意义?

  林潮:欧洲南方天文台(ESO)在智利建设望远镜的项目值得参考。欧洲南方天文台由十几个国家参与,这些国家之间彼此有各种纠葛,英法之间还有争夺海王星发现权的历史,但现在仍然在紧密合作。

  天文学研究这个领域比较小,决策的时候自己和单位的利益会成为考量因素,有时会成为科学研究的阻力。有些科研项目的投资效果不理想,需要进行检讨。中国天文学界的一个问题是很多单位排他,衡量成果的时候要看论文第一作者是谁,第一单位是哪家,这会造成资源无法集中,很多研究难以推进。国际合作可以让我们了解学术界都在想什么,借鉴别人的经验(比如在行政决策和资金分配方面),使我们认识到科学研究的长远性和灵活性,不能一味求快。

  广泛涉猎,多学多问

  《赛先生》:您对年轻的天文学研究人员有什么建议?

  林潮:最近半个多世纪以来,天文学每10年就会有一个热点,各个热点之间也有关联,可以说发展非常迅速,也在不断取得新的突破。天文学对青年人是一个非常棒的学科。

  以我自己为例,我的研究兴趣也在不断改变。我读博士的时候的研究领域是高能天体物理,后来转到流体力学,再后来研究过系外行星,现在也在做和黑洞有关的研究。我的原则是不追热点,不重复别人,这样永远都在学习中,永远都是年轻人。当然,这是我自己做理论研究的想法,不能要求所有人,比如做观测的同事就需要长期投身一个项目。

  青年人要记住科研资金的目的是科研,不是资金,不要想太多分蛋糕的事情,不要总盯着大项目。我对中国天文学的未来比较乐观,青年人有视野,要多听听他们的声音,发挥他们的潜力和动力。

  天文学容易入门,研究的问题是我们从小就感兴趣的。好奇心是最重要的动力。除此之外,我常和学生讲科研有三大法宝:第一个是首先发现什么是关键问题;第二个是找到最适合于你的方法,这个方法没有高低之分;第三个是怎么把你发现的东西传导出去,不仅是传递给公众,更是向同行介绍你的工作,要注意交流的方法和效果。天文学需要广泛的涉猎,要多学多问。

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