宇宙与我们的存在（施一公 2015年未来论坛创立大会上的演讲稿）

整理了2015年施一公教授在北京“未来论坛”创立大会的演讲文稿，删除了一些口语化的过渡语句以达行文流畅。

施一公，中国科学院院士，2015年任职清华大学生命科学学院院长、生命科学与医学院研究院院长，现（2023年）为西湖大学校长。

非常感谢组织者给我这个机会，我打头炮，下面有我的朋友饶毅和晓东分别讲述生命科学——也是最精彩的科学。我接到方方先生的邀请的时候，毫不犹豫接受了邀请。

未来论坛，“未来”这两个字对我来说非常passionate(富有激情的)，非常exciting（令人兴奋的）。我小时候读所有关于未来预测的科普文章，觉得很激动人心，所以我想在我接下来的十分钟里面，我所能做的就是以我的眼光告诉大家，我对未来如何思考？我觉得这样一个“未来论坛”应该是集中在对未来的思考上：人类未来会面临什么？我们会遇到什么麻烦？什么困难？什么trouble（困难）？我们怎么样对付？我作为一个科学家，在从事了20年的科学研究以后，可能有一些更深层次一点的思考，今天也想和大家一起分享。

我还是准备了一个幻灯片。

大家看几个数字：宇宙的年龄到现在为止已经138亿年，但你可能想象不到，我们宇宙半径是465亿光年，也就是说，宇宙的形成（如果真的来自Big Bang theory（大爆炸理论）的话），那么空间expansion（膨胀）的速度远远大于光在138亿年中可以travel（旅行）距离的两倍，这一点是不可思议的。到现在为止，我们只有爱因斯坦的广义相对论可以来解释。

在这138亿年的宇宙长河中，太阳系只存在了46亿年，大概是1/3的时间，其中地球上的生命大约是35亿年（如果我们从最简单的生命开始算起）。在35亿年里边，恐龙居然统治地球长达将近2亿年；我们人类，如果从看着像人、长得像人、直立行走，不过区区四、五十万年，而这里边有文字记载的历史只有5000年。

如果把宇宙史缩略为一个月的话，那么太阳系存在了十天，恐龙居然统治地球长达八个小时，人类看着像人、长得像人，只有一分钟，人类文明一秒钟。这一秒钟，人类已经给这个世界造成了不可思议的变化。

我们不用举600多年之前郑和下西洋的例子了，这在当时很了不起。

这个例子，1977年美国发射了Voyage I（旅行者1号）和Voyage II （旅行者2号）2颗宇宙深空探测卫星，在经历了三十几年飞行之后，travel了将近130个天文单位（将近210亿公里），已经到达了太阳系的边缘。你能想象吗？现在Voyage I每次给地球发来电磁信号，以光速传播到地球，需要18.5个小时，也就是说它已经又travel了很远、很远了。我们再过十年，不会再接触到Voyage I的信号，因为Voyage I会死掉，它的电池会死掉，但带着人类的文明，以各种形式记载的人类文明，会在2万年之后到达远处的第一颗行星。你们看没看过《Interstellar星际穿越》吗？我们的Voyage I正在实现星际穿越，可惜它没有找到虫洞wormhole。

这是2010年欧洲空间组织公布的宇宙的第一张全景图。这张全景图的中间有一条白线，从左到右，从左边起1/3处有一个白点儿，那就是我们所在的银河系。你知道宇宙有多浩渺吗？宇宙中有2000亿个银河系这样的星系，每一个银河系中大约有2000亿个像我们太阳系一样大的星系，在太阳系里面，地球其实是微不足道的，我们占的质量不到0.05%。在这样一个星球上，我们试图理解这个宇宙，我们试图谈论未来，我们试图理解我们周围看到的是什么、讲我们的IT和生命科学。

这是太阳，用一种特殊的外照相机拍下来的太阳，你看到的蓝绿色高达100万摄氏度。你想一想，为什么可有几千万度的高温，却又有绝对零度（-273.15度）？我觉得这都是未来需要解决的。

彗星，我们在去年（2014年）第一次登上彗星，人类很了不起。（当然我们不是人类亲自上去，是我们的机器人上去，是我们的彗星探测器上去。）

这是从宇宙深空给北冰洋上空照相，如果你地理学的好，你能找到美国和俄罗斯。

这幅图像很美好，我觉得这是最美妙的一幅艺术图案，是阿波罗八号飞船在掠过远地点的时候，从月亮的另一侧给地球照相。你看到地球冉冉升起在一片白色的月球表面，这幅照片有一个很著名的英文名字叫Earth Raise地出，不叫月出，也不叫日出。

其实来自细胞和蛋白的美也非常美好。

大家看到的这个夏威夷海滩，你能想象吗，这完全是用各种颜色的绿色荧光蛋白（Green fluorescent protein ,GFP）传染了大肠杆菌之后，用细菌（大肠杆菌）画出来的一幅图像。我们可以标记细胞，写出钱永健钱实验室（Tsien LAB）。（当然了，我们的钱永健先生很开心，在几年之前这个GFP的应用获得诺贝尔。）我们可以用GFP来标记果蝇、研究药物代谢，而像我这样的结构生物学家还可以解出结构来。

这是绿色荧光蛋白的空间三维结构。我对绿色荧光蛋白情有独钟，（可能你们在座的不知道，）因为它发光的这个基团来自于三个氨基酸的缩写正好是施一公SYG——Serine（丝氨酸）、Tyrosine（酪氨酸）、Glycine（甘氨酸）。在高度舒适的情况下，这三个氨基酸化学反应，产生了人类已知的第一个非外源性的有机发光基团。我来预测一下，我觉得在地球上存在不少于100万种这样的有机发光基团，而我们只知道其中的不到十个。

我们个人的能力是非常有限的，我们发掘不出来。为啥发掘不出来？很难发掘出来？（你不需要去听饶毅的脑科学，也不用去听IT，我们永远赶不上。）因为我们在已知世界里，用已知的手段去探索未知，而我们所谓的未知，都是已知世界里还没有看到的东西。在我们的已知世界之外，有很多东西我们不知道。（我在最后一个幻灯片里面会告诉大家。）

你可以用绿色荧光蛋白来画出人类进化树，可以做一些random arts（随机艺术），你可以给爱因斯坦来照相，不是画像。（我不解释细节了。）

你也可以再往前走一步，原子、电子之外是什么？（你自己想一想。我一会儿还会讲到时间的尺度。）

这样一个漫漫黄沙的照片，你可能觉得是撒哈拉大沙漠，实际上从左到右不过区区一毫米，这是高度纯化的蛋白质遇到沉淀剂以后沉淀出来的你看到的黄沙。（当然我们需要在显微镜下看这样一个照片。）

这是溶菌酶在40毫克每毫升，在PH4.6条件下快速结晶的情况。我们每两分钟照一副图像，每秒钟放出来，你们看到一些晶体快速长大，这样的晶体具有强大的衍射X射线的功能。（我等会回过头来谈）X射线，它只不过是一种光而已，只不过像可见光一样的电磁波而已，和我们的眼睛能感受到的东西是一类东西。

我们可以有各种各样的蛋白的晶体形式存在，没有一张照片是Photoshop里创造出来的，全是自然的照片。你不觉得中间这张照片特别像纽约的empire state building（帝国大厦），而且生长于废墟之上。

我的学生管这幅像叫凤凰涅槃，像吗？这张照片叫玉兔呈祥。

我们把六棱柱的晶体放在X射线的中央，不断的改变晶体的位置，会演示出一幅一幅漂亮的衍射图案；我们通过计算机分析可以得到大家前面看到的电子云密度图，也就是我们看到空间每一个原子周围，它的电子云如何分布，以此我们可以各搭建模型，一个漂亮的分子模型就是这样产生的。这个过程就是我们所说的结构生物学。

（我可能讲的太具体了，我来收一收吧。）

这是我们人类第一次看到我们所有遗传物质的根本——一个基本单元叫Nucleosome核小体。在座的每一位，你的基本遗传单元都是146个碱基对，包裹八个主蛋白所形成的这样一个核小体。

这是我自己的实验室（在回到清华以后第一次看到），一个凋亡小体，一个细胞在凋亡之前形成的一个结构。（当然了，我想这里边就不做科普了。）我也不讲我们人类如何改变世界，通过一些药物的发现让人的寿命得到延长；我也没有时间去讲干细胞。

（因为我时间已经到了，所以，我想最后两张幻灯片我给你发挥一下。我多用两分钟时间讲一讲） 

我们人类为什么很难、甚至是不可能了解已知世界之外的一些东西？是因为我们现在做的手段问题。我告诉大家，我们现在了解的世界不是客观的。大家一定觉得说施一公怎么在台上胡说八道，我来告诉你为什么是这样。

我首先给你说几个大家已经知道的现事实。

第一条，你能用眼睛能看到的东西，能感受到的能量存在形式，加在一起，只不过是我们这个宇宙空间4%的存在形式，也就是说96%，你既看不到、也感觉不到，但它是客观存在。在96%里边绝大部分是能量存在形式（暗能量），但是有23%是叫暗物质dark matter。你知道吗？我给你一个事实：当我在这儿演讲的时候，你坐在下面听，大量的、成吨重的暗物质在你的身体，穿身而过。（你没有听错，你觉得我在瞎说吗？我告诉你是事实。）这和我们的物理原理是违背的，因为物理说两个物质不能在同一个空间存在，成吨重的暗物质怎么可能穿过你的脑袋、身体，穿身而过？原因非常简单，暗物质和我们人体没有强相互作用，没有电磁力，它只有弱相互作用（还是预测的），它只有万有引力。如果说没有电磁力的时候，我们就失去了对这个世界的所有的感知。我们对世界所有的感知，从现在到未来，都离不开电磁力，包括你看到我是电磁相互作用。

我们的所谓的五种感官，嗅觉、触觉、味觉、听觉和视觉，我告诉你从生物角度是什么东西。

嗅觉凭的是olfactory receptor（嗅觉受体），不过区区400种，functional olfactory receptor（有功能性的嗅觉受体）很简单，400种蛋白。触觉很简单，100多种ionic channel（离子通道）和GPCR（G蛋白偶联受体）。味觉更是如此，离子通道蛋白和受体不过是几十种。这三种感官加在一起，区区600种蛋白就take care（照顾、搞定）了。听觉需要声波，也就是需要空气，需要有气体的地方,而宇宙的平均密度是每四立方米一个氢原子，宇宙中的存在形式你是听不到的。我们只是在地球上可以有声波，靠中耳的一个小型的结构，你可以听到声音。听觉对我们感知世界其实是微不足道的。

我们感知世界靠的是什么呢？最主要的靠的是视觉，叫眼见为实。什么叫视觉呢？视觉很简单，是视网膜细胞对电磁波的感受，而且很窄的一个波段。多窄？390纳米到700纳米，窄的不能再窄了。你意识到了吗？X射线也是电磁波，这个波段太短，人类看不到。

我challenge(怀疑、挑战)一下，有没有这样的being（存在形式），不叫biological being（生物存在形式），就叫being，可以看到电磁波？当然有，我们无法理解，但我相信一定有，是我的预测，也是我的预言。你无法看到，因为我们太渺小。

我们在biological being（生物存在形式）之间，也能找到一些远高于人类（视觉能力）的东西，比如说蜜蜂。蜜蜂可以看到近紫外，可以看到远紫外，看到紫外。你以为蜜蜂采蜜是看到鲜花？它看不到鲜花，它是看到了紫外，看到花蕊的紫外。你别小看金鱼，金鱼可以看到远红外，可以看到近紫外。其实这些生物，它的感知世界和我们的是完全不一样的。你敢保证两个人之间对红色的感觉是一样的吗？我认为是不一样的！其实我们看到的完全是主观世界，没有所谓的客观世界，It doesn't exist（不存在客观世界），OK？

我们凭借这么简单的、加在一起不超过1000种蛋白的一个生物体去感知世界，你告诉我哪来的客观世界？我觉得我们challenge（挑战）的未来就是如何用很有限的、已知手段内的一些方法，去感知、去探索已知世界之外的东西。我们如何去做？我觉得是我们的challenge。

这是我们人类五种感官的限制。

最后一分钟，我说一说，时空定义的限制和信息的限制。

我今天在这儿演讲，你认为我演讲完了以后信息消失了吗？没有。因为很简单，如果在光天化日之下，在大街上我走路的话，如果你超光速追踪，如果你看过Interstellar（《星际穿越》）的话，你一定可以看到我十年之前的演讲，一定可以看到。加了个屋顶，这个时代的存在形式，一定不会消失。You are guaranteed this is true（我向你保证这是真的）。但怎么存在形式？这种存在形式是什么？我不知道。我觉得我们需要去探讨。这是未来，That is the future of physics（这是物理学的未来）。

包括时空，我们有时间吗？你说有？对不起，我觉得一定是没有的。（我的最后一个幻灯片，你看是一个warm hole（虫洞）的一张照片。）

其实没有时间概念。宇宙中从来不存在时间，时间就是运动。从Big Bang（宇宙大爆炸）开始，我们定义（当然我们在地球上）一年，就是地球围绕太阳公转一圈，叫一年。它是运动，它不是时间。一天，是地球自转。一天24小时，我们管它叫时间。

地球上本来没有时间，这根本就不是一个我们现在想象的虚无缥缈的纬度，不是这样的。时间是一个 dimension (维度)，是一个运动的dimension，是一个空间的dimension。时间就是空间。我觉得爱因斯坦在100年之前就已经理解得很精深了，只可惜现在我还是在试图理解爱因斯坦怎么想的。

My final words is: the future is very exciting. It takes all the excitement and all the passion to explore the future。I wish the future for a great success. Thank you. （我最后的话是：未来令人兴奋不已！让我们用所有的兴奋、所有的热情去开拓未来。祝愿我们有一个伟大成功的未来。）

网上视频参考链接：https://www.bilibili.com/video/BV1fR4y1x7Ss/?vd_source=1292950214bf45a53a077367d14b5f9d