祭奠瑪雅文明：科學之死

瑪雅人的天文學成就令人嘆為觀止，他們精確算出了太陽年，金星、火星和水星的公轉周期，甚至能預測日食，卻仍然認為地球是宇宙的中心。

什麼因素使瑪雅科學誤入歧途？瑪雅文明之殤是否會在我們的科學研究中重現？

智利托洛洛山天文台的「暗能量巡天」正在測繪宇宙大尺度結構。

翻譯 金庄維

審校 紫蘇

今年夏天，我參觀了位於墨西哥尤卡坦半島的奇琴伊察瑪雅古城。城裡有一處古天文台：公元600~1200年左右，瑪雅祭司天文學家就在那裡進行詳細的天文觀測。金字塔、廟宇、圓柱拱廊，還有其他石結構建築，種種遺迹顯示出天文學曾是這個高度發達的社會的中心。瑪雅人的天文觀測台是一組建築群。從一座金字塔上的觀測點往東方的廟宇望去，就是春分、秋分日出的方向；往東北方的廟宇望去，就是夏至日出的方向；往東南方廟宇望去，就是冬至日出的方向。

瑪雅人精確地追蹤了太陽、月亮和星星的位置以及相對亮度的變化，他們將天文數據記錄在古抄本中，數據的詳細程度遠在當時的其他文明之上。瑪雅祭司-天文學家通過觀測數據和高等數學計算預測日食和月食，並且設計出一年365天的太陽曆，這種曆法每100年的偏差只有1個月。

然而我很疑惑：為什麼瑪雅人沒能更進一步，推理出現代天文學的一些基本規律？他們確定了金星、火星和水星圍繞太陽的公轉周期，卻仍然認為地球是宇宙的中心。

我逐漸意識到原因在於瑪雅文化中流行的世界觀局限性很大。瑪雅人將精確的天文數據用於支持占星術，就像人們在19世紀前因為與聖經歷史不符而拒絕承認地球年齡的地質學和其他證據。瑪雅人還將天體的周期運動和人類歷史聯繫在一起。他們沒有為這些數據尋找物理解釋，卻以此為借口發起戰爭或是舉行活人獻祭之類的宗教儀式。

我們從中吸取教訓了嗎？現在科學是否同樣受制於文化和社會？在分配大部分研究經費時，大家認為從高質量的數據必將獲得有用的科學解釋和理論概念，而這些解釋和概念又能由將來的數據進行檢驗和完善。例如，美國國家科學基金會的天文學部就將大部分經費投入到大型設施和大規模巡天計劃中。大團隊執行這些項目，在主流範式中收集更好的數據。其他領域也是如此，從粒子物理到基因組學，無一例外。

封閉的科學文化導致資源浪費和誤入歧途的「進步」——蘇聯的進化生物學就曾走入死胡同。鼓勵主流範式外的自由想法，支持對已有數據的多角度理解和收集新數據的其他動機，科學才能真正前進。

坐井觀天

瑪雅的宇宙學家擁有很高的社會地位。由於能夠預言未來，他們得到了大量支持。而今天，宇宙學家花了幾十億美元在巡天項目中收集大量精確的數據。

宇宙大尺度結構的項目包括美國重子振蕩光譜巡天和國際暗能量巡天，未來還有美國暗能量光譜儀、歐空局的「歐幾里德」計劃、美國航空航天局的廣域紅外巡天望遠鏡和智利的大型綜合巡天望遠鏡等。而測繪大尺度結構的原初「種子」——微波背景輻射的項目包括歐空局的普朗克衛星、美國南極望遠鏡，還有阿塔卡馬宇宙學望遠鏡和西蒙斯陣列等國際合作項目。

墨西哥奇琴伊察的瑪雅金字塔

這些項目的目標都很單一——確定理論模型中的參數。這個理論模型稱為宇宙學標準模型，它包括由普通物質、暗物質和暗能量組成的膨脹宇宙，模型的初始條件由宇宙早期的極速膨脹階段——暴脹決定。科學家往往只關心從大量數據中提煉出的幾個參數，而對意外發現棄置不顧。

我最近在評閱一篇博士論文時意識到了這種偏見。那位博士生被要求檢驗來自某個大型巡天項目的數據是否與宇宙學標準模型相符。他在發現某處不一致後，卻轉而論述為什麼這組數據不完備。在這樣的文化中，現有模型永遠不可能被排除，即使每個人都知道我們對暗物質、暗能量和暴脹所知甚少。

實驗組應以理論中立的方式呈現觀測結果：實驗觀測應當尋找異常現象而不是反覆證明某個模型的有效性。對於暗物質、暗能量的本質和宇宙初始條件，這些異常也許能夠帶來線索。而進一步觀測的動機應當是檢驗異常現象的非常規解釋，比如非主流的暗物質形式、修改引力理論。大量數據中也許包括著始料未及的證據。如果所有結果都與預期一致，「寶寶」和「洗澡水」很可能被一起潑掉了。

一葉障目

每種文化的宇宙觀都遵循其信仰，例如數學美或是現實的結構。如果這些觀念深植於文化之中，人們往往就會曲解數據——通過添加參數或是進行數學操作強行使數據符合他們的宇宙觀。還記得本輪理論在地心說「指導」下的發展歷史嗎？這一理論由古希臘哲學家托勒密提出，儘管在數學上很優美，然而並不正確。

類似地，現代宇宙學也包含數學上非常精巧但未經證實的想法：多重宇宙、人擇原理和弦論。這些想法並非憑空出現，科學家希望它們能夠解決宇宙學中的棘手難題。例如，實驗已經將標準模型中的宇宙學參數測得非常精確，但是我們並不清楚為什麼參數要取這些值。「多重宇宙」假設時空中存在很多我們沒有「訪問權」的區域，而在這些區域中，宇宙學參數的取值很不一樣。

那為什麼我們恰好生活在現在這片區域？科學家常常利用人擇原理進行解釋。人擇原理宣稱我們之所以生活於此，是因為其他的參數取值方式不允許類似的生命出現。然而根據分析，在質量是太陽十分之一的恆星周圍，10萬億年前存在生命的可能性比地球大1000倍。這意味著地球並非生命最可能出現的地方，即使在我們的宇宙中，生命也可能早已出現。

人擇原理至今沒有實證支持，卻「打壓」了迫切需要的新嘗試：使用其他統一量子力學和引力的理論理解暗能量。別的物理學疑難也暗示著我們尚未找到正確的方向。例如，黑洞通過霍金輻射蒸發時，當初吞噬信息將一併丟失。這和量子力學基本前提——信息守恆相悖，稱為「信息佯謬」。另外，現有的暴脹模型要求對宇宙的條件進行精細調節，這也極不自然。

發展其他方法才能避免止步不前、只在追逐「本輪」上進行投資。宇宙學標準模型畢竟只是精確地描述了我們的無知：我們不知道暴脹、暗物質和暗能量的本質。這個模型不能很好地解釋星系中可見的發光氣體和恆星；暗物質和暗能量雖易於計算卻並不可見。這種情況顯然不盡如人意。

建立大型項目、鞏固主流觀點的趨勢是成熟學科的標誌，因為唾手可得的成果早已被摘走。反對者爭論說，當經費有限時，研究重點應該是可能得到預期結果的那些方法。這種提議沒有意識到主流範式也許正朝著錯誤的方向前進。犯錯誤的機會比產生真正突破多得多。因此，正如每個風險投資人都知道的那樣，進行部分有風險的投資是獲取豐厚收益的必要條件。

另闢蹊徑

我們是否走在錯誤道路上？知道答案的唯一方法是鼓勵對已有數據的其他理解方式。

很多年來，我都認為資助機構應當提倡對非主流觀點進行數據分析。如今改變更是迫在眉睫：對大質量弱相互作用粒子、已知粒子的超對稱伴侶等暗物質預期形式的限制越來越嚴格；檢驗弦論的希望越來越渺茫。當經費緊縮時，研究前沿應當保持至少兩種對數據的理解方式，這樣新的實驗就將致力於選出其中正確的一種：在處理新的宇宙學數據時，暴脹的替代理論應當得到檢驗；當主要由暗物質構成的星系的觀測性質出現矛盾時，冷暗物質的替代理論也應當得到檢驗。

其他領域同樣應該改變資金流向。LIGO 發現黑洞合并後，尋找引力波的全新來源應當受到鼓勵。開普勒衛星發現銀河系中大約1/4的恆星擁有地球大小的宜居行星，這應當引領新一輪尋找地外生命的努力，包括使用新方法尋找智慧文明。最近，科學家在距離太陽最近的恆星——比鄰星附近發現宜居行星，這可以成為宇宙飛船未來的探索目標。

在多學科的學術會議上，不同觀點間的健康對話應該得到鼓勵：不僅僅是實驗結果和現象，還有概念問題，這將推動科學健康發展。今年，我有幸參與了哈佛大學「黑洞倡議」的創辦，一個讓天文學家、物理學家、數學家和哲學家走到一起的跨學科中心。我們發現不同專業的學者互相合作能夠培養創新、打破常規。他們已經在時空裸奇點本質、描繪黑洞輪廓和信息佯謬方面提出了一些精彩的見解。

這些簡單的補救辦法將幫助我們擺脫瑪雅文明那樣可悲的科學命運。

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