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各位好,我們今天是在上海外灘的樊登書店為大家講解這本大部頭的重要書籍,叫作《世界觀》。
我們每個人整天都會講,我刷新了三觀,我的三觀受到了挑戰(zhàn)。那到底什么是真正的世界觀呢?今天這本書能給我們揭曉出來。我為什么選擇這本書給大家推薦?就是因為這是一本對提高全民科學素養(yǎng)非常重要的一本書。所以我們在一代一代地更新世界觀的過程當中,更重要的事情是了解清楚,關于什么是科學、如何用科學的角度來看待整個世界的這些一系列的基礎命題,我認為這是這本書的重頭。
大家知道我們抬頭看天上的星空的時候,我們能夠看到的行星和恒星的比例大概是多少?因為我過去對于天文學真的知道得太少,比我兒子差很遠。事實上我讀完這本書我才知道,人的肉眼能夠看到的行星其實只有五顆,就是我們說金、木、水、火、土這五顆是肉眼可以觀測得到的,但是就是因為這五顆行星的運動軌跡跟周圍的那些恒星不一樣,然后就啟發(fā)了包括亞里士多德、托勒密、哥白尼、第谷,然后一直到開普勒,最后到牛頓、愛因斯坦,人們就通過上帝所給出的這么一點點小小的線索,后來慢慢地挖掘出了整套的科學體系。整個人類的科學思想就是這樣一步一個腳印地更迭到了今天這種狀況。
這個令我們覺得特別壯闊和激動人心。因為我們每一個人從來都不生活在真實的世界里面,我們每個人都只生活在哲學家為我們打造的思想通道里邊。就是你想想看,如果你是在兩千年前,你一定會認為地球是不動的,我們是生活在一個不動的地球上,然后周圍的一切都是圍著我們轉的。因為那是肉眼可見的,那是能夠感知得到的。如果你說地球是動的,不要說多快吧,就是有人曾經驗證過,地球如果是繞著太陽轉的話,其他人反對他說,為什么?你算一下,你這轉一圈那么快,你就算開個車你都會吹風吧,地球轉那么快,為什么沒有風迎面吹過來?你的帽子早就吹飛了。但是你絲毫就沒有感覺。所以人們的感知和事實完全是兩回事,這必須得通過建立科學認知的標準、體系和態(tài)度,我們才能夠更加有可能接近真相。
那么,首先說什么叫作世界觀。這本書里邊給出一個非常清晰簡潔的定義。它說如果要給出一個最簡短的描述,我會說世界觀指的是一個觀點體系,其中不同觀點如同拼圖的一塊塊拼板一樣相互連接。也就是說世界觀并不僅僅是一些分離、獨立、不相關的觀點的集合,而是一個不同觀點相互交織、相互關聯、相互聯系的體系。比如說,我們現代人會覺得很驕傲,我們覺得亞里士多德錯得很離譜。但是實際上,如果你真的去了解亞里士多德的觀點,你會發(fā)現亞里士多德的理論嚴絲合縫,就是他所有的邏輯都是自洽的。比如說,他認為整個世界分成了月上區(qū)和月下區(qū),月上區(qū)是完美的世界,完美的世界組成的主要物質是以太。所有的恒星是怎么回事呢?恒星是鑲嵌在宇宙的那個幕布上的東西,就是整個天上有一塊大幕布,是宇宙的邊際,然后所有的恒星都緊緊地貼在那個上面。像咱們想象瓷磚上面貼了一顆小星星一樣,所以它是不動的。所以所有的對于世界的解釋,亞里士多德是完全自洽的,這就是一個邏輯的拼圖。因此你要想知道一個完整的世界觀,你至少要解釋所有你能夠想到的這些矛盾,這就叫作拼圖的功能。
亞里士多德的理論,提煉出來至少有14個觀點,我們待會兒來一一揭曉亞里士多德這14個觀點。從我們目前的狀況來看,就算到了今天,我們也找不到地球繞著太陽轉的直接證據。請注意,我說的是直接證據。有人說,我在太空上拍照片。首先,你在太空上就很難拍到這種照片,其次,就算你拍到了這樣一個照片,你只能看到,地球和太陽之間的關系,但你沒法證明是地球繞著太陽轉,還是太陽繞著地球轉。所以在科學的問題面前,我們能夠做到的,就是盡量地去接近真相、盡量地去找到一些原理。
那這里邊有幾個非常重要的基礎的理論我們要了解。首先,我們要知道真理和事實之間的循環(huán)論證的關系。比如說,有一棵樹放在這兒,我問你如何知道這是一棵橡樹?你有好幾種回答的方法,你可以說,因為有一個園丁告訴我,它是一棵橡樹。這是一個答案吧?或者說植物學家告訴我,這是一棵橡樹,那上面貼了個牌子寫著是橡樹。這是一種論證的方法,他找到了很多共同點,我和園丁、我和植物學家的共同點。那從另外一個角度來看,如何知道它是一棵橡樹?你得知道是什么決定了一棵樹是橡樹,一棵樹是橡樹的標準是什么。
所以這是兩種完全不同的發(fā)現真理的方法,一個叫作真理符合論,一個叫作真理融貫論。真理符合論的定義是什么呢?概括地說根據真理符合論,決定一個真的觀點為真的因素,是這個觀點與現實相符合,決定一個假的觀點為假的因素,是這個觀點沒能與現實相符合。所以我說是什么決定了一棵橡樹是一棵橡樹?把這些因素找出來,拿橡樹來驗證,這個方法叫真理符合論。但是那些園丁都說它是橡樹,所以我認為它是橡樹,這個叫作真理融貫論。
為什么叫融貫?融貫里邊分為“個人融貫論”和“團隊融貫論”。什么叫“個人融貫論”?有一個人認為月亮上有生物——這是書里邊的一個案例——他說月亮上有生物,我們是拜那些神的。然后這時候,你拿出各種各樣的科學證據向他證明說沒有。他說你在騙我,他和自己的那套東西完全融貫,他自己完全相信月亮上有生物,所以你給他任何的科學證據來證明,他都認為你在騙我,你們這群人別有用心。他是自洽的,所以他個人融貫,他完全能夠沉迷在這套理論當中去。我們生活中見過很多這種個人融貫的人。還有一種叫“團隊融貫”。就是我們這個團隊都是相信這個的,所以如果你不信的話,我不能理解,你怎么可能不信這個呢?原因就是我從小到大,我們周圍的人都信。這個叫團隊融貫論。
所以我們今天要追求的是什么?就是你得想辦法問問自己,這是不是我的個人融貫?或者這個觀點是不是只是因為我們的團隊融貫?我們慢慢地要學會以科學為基礎的融貫,也就是說你所提出的理論或者你所相信的理論,和其他科學驗證的證據結果是能夠相互融洽的,這個叫作以科學為基礎的融貫論。
所以根據符合論的要求,如果你要證明一個東西,是用真理符合論的方法來證明。這里邊有一個特別困難的前提,就是我們無法確定現實的樣子。為什么無法確定現實的樣子呢?大家看過的一部電影,那個電影叫《全面回憶》?!度婊貞洝防镞叺哪莻€人所處的所有環(huán)境是程序幫他設計好的,然后他的感知都是那么真切。但是對不起,這依然是一個程序設定的。
所以笛卡爾有一天就在那兒想,我生活的這個世界,到底什么是真的,什么是假的?他最后發(fā)現沒有任何一個東西能夠被確定地證明為是真,直到最后有一刻他說,我思故我在。就是你能夠在這兒存在著思考,這件事情是你可以承認這是真的東西。然后以這個東西為頂點——這是唯一的一個可以知道的事實的頂點,然后我們從這個頂點上一點一點地長出新枝來探求整個世界。但是這個起點實在是太小了,如果你非要用真理符合論的方法去找這么一個穩(wěn)固的起點的話,這個起點對于我們后來要想去開發(fā)整個理論是不足夠的,所以我們必須得做一些妥協。直到今天,我們看到的所有科學理論都依然還有不完備的地方,都依然得接受它有可能只是一個概括性的描述。
所以我們要知道有兩種事實,一種叫經驗事實,一種叫哲學性的事實。什么叫經驗事實?比如我在這兒放一支鉛筆,你們能夠看到這個鉛筆存在,我們說這個鉛筆在這個桌子上。這是一個什么事實?叫經驗事實。但是當我把這個鉛筆從桌子上拿下來放在抽屜里邊的時候,我說這個桌子里邊有一支鉛筆,你們也會同意。因為你看到我把這支鉛筆放在了抽屜里邊。但這是一個哲學事實,就是你想出來的,你認為你知道那個地方有一個鉛筆。這個叫作哲學性和概念性的事實。
為什么會有這兩種不同的事實呢?你要知道,人類那時候在看天上宇宙星星運轉的時候,除了我們的肉眼能夠觀測到這些星星會動、會有軌跡、會怎么怎么樣以外,這是一個看到的事實。我們另外在腦海當中構思出了很多哲學性的事實。比如說在最早的世界觀當中,亞里士多德就認為,月上區(qū)因為是完美的,所以月上區(qū)所有的東西運行的軌道全部都是完美的。那什么是完美的軌道?正圓就是完美的軌道,它一定是正圓運轉的。但是正圓軌道這件事,誰看到過呢?沒有人看到過。這就是一個概念性、哲學性的事實。所以在我們以后談到一個事實的時候,你可能都得問問自己說,我提的是一個經驗事實,還是一個哲學性的事實?
好了,這是基礎的概念。還有一種叫作證實推理,一種叫作不證實推理。什么叫作證實推理?比如說,愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論以后,他告訴人們,太陽背后有一顆星星,如果我的廣義相對論是對的,那么那顆星星所發(fā)出來的光繞過太陽的時候會產生扭曲,扭曲之后在地球上能夠觀測到它,愛因斯坦預言了這件事。這件事情后來被一個英國的天文學家觀測到了。這就是一個證實推理,就是我根據你的預測,證實了這件事是對的,這是一個典型的證實推理。
這種證實推理其實是歸納推理的一種方法。歸納推理是什么?就是當我羅列出了一系列一致的東西,都指向同一個結果的時候,那么我們可以得出這樣的一個結論。比如說,美國一所大學的男子籃球隊從來沒有贏得過美國大學男子籃球的冠軍,事實上在僅有的幾次參賽經歷中,這支籃球隊從來沒有進入過第二輪。今年這支隊伍的水平與以前相比并沒有多大變化,大學男子籃球聯賽賽制也沒有發(fā)生重大改變,考慮到這些因素,這支男子籃球隊,基本不可能贏得今年的聯賽冠軍。這是一套推理,這一套推理的過程就是典型的歸納法。
但是你要注意,即使所有前提條件和證據都正確,也仍然有可能得出錯誤結論,這就是歸納推理的標志性特點。不管可能性有多低,這只男子籃球隊贏得美國大學男子籃球聯賽冠軍的可能性仍然是存在的,這就是歸納推理的特點。在一個好的歸納推理過程中,即使所有前提條件都是真的,所得出的結論也有可能是錯的,這就是簡單的歸納法。
孔夫子講不“因人廢言”,也不“因言廢人”,為什么呢?就是這個人一輩子說了特別多糟糕的話,但是你不能說這個人肯定是個壞人,他可能在電影結尾的時候突然變成了一個好人。因為這是簡單的歸納法。所以歸納法的推理方式在我們的腦海當中是長期盤踞的,我們每個人看待很多東西,你比如說為什么P2P、高利貸能夠做得很好,你看我大姑賺錢了,我二姑賺錢了,我小姑也賺錢了,我們家人做這個東西都賺錢了,所以我進去我也應該能賺錢。歸納法。就你簡單地這么一歸納,你覺得似乎要成功了,扔進去就完蛋。這就是我們說第一種論證的方法。
第二種相對要更具備科學性的推理方法叫作演繹推理。演繹推理的特點就是我們說的三段論,大前提、小前提,三段論。在一個好的演繹推理論證過程中,真的前提條件就保證了真的結論,也就是說在一個好的演繹推理過程中,如果所有前提條件都是真的,那么它的結論就一定是真的。蘇格拉底臨死前做了那個推論,大前提——所有的人都會死,小前提——蘇格拉底是人,所以結論——蘇格拉底會死。這就是典型的三段論的推理。三段論的推理,最重要的是它的前提。就是如果它的大前提是真的,那么后面的推理就是非常順暢的。柏拉圖說無毛的兩腿動物就是人,大前提——無毛的兩腿動物是人,小前提——這個雞是無毛兩腿動物,所以結論——這個雞是人。那為什么會推出一個錯誤結論呢?說雞是人,原因是大前提不對。大前提說無毛兩腿動物是人,這件事不對。所以你要去質疑一個演繹推理,你必須得能夠從它的前提開始著手。我們原來在做辯論賽的時候,就是對方的前提不對的時候,你后面所做的再漂亮的三段論式的推理,都是無效的。因為你的前提是錯誤的。
所以這是我們說的三段論的軟肋所在,就是叫作“起始點第一”原則。就是你要把那個起始點第一的原則找到。這里邊舉個演繹推理的例子。這也是個電影里邊的,叫《諜海軍魂》,那個電影里邊有一個破案的過程。它說,那天晚上,在琳達房間的男人殺了琳達——大前提。不管是誰殺了琳達,我們把這個人叫作尤利。軍官法瑞爾是那天晚上在琳達房間里的男人,所以軍官法瑞爾就是尤利。這就是一個典型的演繹推理的過程。現在大家知道了歸納法沒法確鑿地得到證據,你只能夠給出支持性的證據,而演繹法可以。但是演繹法最大的軟肋在前提,我們要把前提搞明白。
接下來還有一個非常重要的理論,就是卡爾·波普所提出的證偽主義。證偽主義在今天特別風行,就是說一個理論要想成為真正被人們所接納的科學理論,你必須要承擔足夠的風險,你必須要承擔“你是有可能是假的”的這個風險,所以我們叫作理論的可證偽性。這個我講過很多次,比如說算命,為什么它不是個科學?就是因為算命這件事不可證偽。你說他算得準,他說很好、算得準,你說他算得不準,他說因為你的心不誠。我們叫“心誠則靈”,心不誠,所以不準。這樣一來,你發(fā)現你沒法質疑他,你說他好也行,說他不好也行,總之他總是對的,無論靈不靈我都對。這叫作不可證偽性。一個東西一旦達到了不可證偽,它就沒法成為科學,科學必須要具備可證偽性。比如說醫(yī)學上做臨床,為什么要做臨床實驗?臨床實驗、對比實驗就代表著可證偽性。也就是說很有可能吃我的藥的那一組人無效,如果無效,證明我錯了。這就是我承擔了風險,這叫作可證偽性。
所以波普認為科學強調的應該是嘗試對理論進行反駁,而不是證實理論。為什么不是證實理論呢?我們前面講了,證實太難了,所以我可以嘗試反駁它。然后根據波普的觀念,對很多理論來說,找到證實證據實在太容易了。波普認為,弗洛伊德的精神分析法就不管用,他認為這就不算科學。為什么?沒法證偽。你找出無數個對弗洛伊德的這個理論反駁的觀點,弗洛伊德都能自圓其說。他認為這個就不能夠稱其為科學。那么愛因斯坦的理論為什么能夠被接受是科學呢?因為愛因斯坦的理論做出了一個明確而又夸張的預言,而且其他任何競爭理論都沒敢做出這個預言。由于愛因斯坦理論做出了這樣一個夸張預言,而且這個預言很容易就可以被證明有誤,所以從這個角度看,愛因斯坦的理論冒了很大的風險。對于波普來講,一個理論所冒的風險越大,它的科學性就越強。愛因斯坦的理論與弗洛伊德的精神分析法相比,就是一個更好的科學理論的范例。
對于波普而言,這就是好的科學的特點,也就是科學應該強調證偽而不是證實,應該努力尋找有風險的理論,即使嘗試反復通過對明確而夸張的預言進行實驗來反駁,也仍然站得住腳。這種證偽主義方法,也就是強調嘗試對理論進行證偽而不是證實的方法,就是波普理論的核心。所以今后假如你想要跟別人講,你是具備一定科學素養(yǎng)的人,請你首先要知道,什么叫作證偽主義,什么叫作可證偽性。一個理論如果拿不出可證偽性做支持,它只能是一種假說、一種有趣的游戲,但是它沒法成為一個科學的理論。
所以接下來我們還說這個理論的不充分確定性。你知道了我們前面所講的歸納推理和演繹推理,再加上波普的這個證偽主義,你就能夠理解理論的不充分確定性。就是所有的理論,你要想最后做到充分確定,幾乎都是不可能的,就像笛卡爾沒法想到一個東西是一定確定存在的一樣。直到今天,愛因斯坦的理論也好,量子力學也好,都是一種不充分確定性的理論。但是我們在一步一步地靠近那個真理,我們在逐漸地走近更接近真理的部分,所以證據可以支持,而不是證明。
還有兩個詞一定要普及一下,一個叫作工具主義,一個叫作現實主義。什么叫工具主義?工具主義也被叫作實用主義,就是說我作為理論的提出者,我認為這個理論能夠很好地解釋這一切,但是現實世界未必是按照我這個理論發(fā)生的,我的理論只是能夠理解這一切的一個很好的工具。比如說當托勒密認為天上的星星有一個周轉圓,然后那個星星繞著自己的周轉圓轉,同時在繞著地球的這個軌道轉的時候,他也不太確定這就是事實。但是他所畫的所有的圓圈,圓圈套圓圈的那種模式,跟我們肉眼看到天上行星運轉的模式一模一樣。這就有意思了。它能夠很好地解釋行星運轉的那個周期,包括行星逆行等等這些東西,但是它未必是真的。這個叫作工具主義的態(tài)度。我們認為這個理論能夠解釋它。
另外一種叫作現實主義,現實主義的特點是,它是真的。比如說人坐在這兒,是因為有一個重力把你吸在這個凳子上,你覺得這是工具主義的還是現實主義的?我相信,很多人會覺得是現實主義的。說就是啊,你看這個重力擺脫不了,怎么跳都掉下來,所以這個真的是有一個重力存在。但是我告訴你一個秘密,牛頓都認為它是工具主義。就是現實世界中可能并沒有一個力把你吸在這個地球上。事實證明,牛頓是明智的。雖然牛頓所在的時代,一直到愛因斯坦出現之前那么長的時間里邊,我們幾乎所有人都認為這個是現實主義的,是真的是這樣,但是牛頓當年非常冷靜地說這個不是現實主義,這個是工具主義。因為牛頓沒法解釋超距作用的問題,這兩個東西離得這么遠,這個力是怎么傳遞過去的?怎么能夠就突然建立這個力,比光速還快?介質是什么?傳遞速度是多少?怎么會有比光還快的東西?沒法解釋。所以牛頓說這是工具主義。
所以今后我們知道,當我們說一個東西是工具主義還是現實主義,意味著我們是怎么看待這件事情的。這個東西并非是這個理論本身的特點,而是人們對于這個科學理論的態(tài)度。就是我們大家認為這個理論是工具主義的,還是我們大家認為這個工具是現實主義的,到目前為止我們更傾向于認為廣義相對論是現實主義的,但是也不排除過了若干年以后,我們說它其實也只是一定范圍之內的工具主義的解釋,還有更高級的解釋等著我們。所以這是我們看待理論的不同方法。前面這一段我講得很費勁,就是希望大家能夠建立一個判斷科學理論的標準,我們要知道工具主義、現實主義,要知道演繹法、歸納法,要知道經驗性事實和哲學性事實。
好了,接下來的故事就好聽多了。接下來我們就要看亞里士多德的宇宙觀到底是什么樣子的。亞里士多德的宇宙觀大概統治了這個世界——從公元前300年一直到1600年——大概1900年的時間都是亞里士多德理論在統治這個世界。我們簡單地講一下他這個十四條。在亞里士多德的世界觀當中,他認為地球是宇宙的中心,然后地球被認為是球形的,而不是平的,遠在亞里士多德那個時候,大家就知道地球不是平的了,為什么?因為這個通過常識是可以看得到的。比如說從海平面上,上升一個帆船,你可以看到那個帆船慢慢一點一點起來,這就是我們說人們通過自己的經驗感知能夠想象得到的東西。所以很早人們就認為地球不是平的了。
那么月亮當然是距離地球最近的天體,月亮和地球之間的區(qū)域被稱作月下區(qū)域,被認為與月亮以外的區(qū)域——叫作月上區(qū)域,有顯著的差異。這是亞里士多德那個拼圖里邊的一個基本的邏輯。在月球以外,有關行星和太陽的順序通常的共識如下:首先是水星,然后是金星,接下來是太陽、火星、木星、土星,最后是恒星球面。恒星球面就是所有的恒星都鑲嵌在那上面的宇宙的邊框,全部都鑲在那個幕布上。在亞里士多德的世界觀當中,太陽、恒星和行星都被認為是由類似的物質組成的,而且與地球上任何物質都相當不同。這種物質被稱作以太,被認為只能在月上區(qū)域找到,因為反正人去不了月上區(qū)域,他就這么想象。他說月上區(qū)域是一個完美的世界,那個世界上物質是由以太構成的,而且具有非常不同尋常的屬性,從而可以解釋月上區(qū)域里物體的運動模式。什么屬性呢?所有的東西做勻速圓周運動。所以你就能夠非常明顯地解釋月亮為什么轉、太陽為什么轉、星星為什么轉。因為以太在上邊勻速地做圓周運動。
在宇宙邊緣,就是恒星所在的球面,通常的觀點是,所有恒星與地球的距離都是相等的,而且都鑲嵌在這個球面上,球面以自身的軸線為中心轉動,轉動一圈大約24小時。所以你理解所有幕布上的星星位置是不變的。為什么叫恒星?因為所有星星相互之間的位置是不變的,是一個大殼子,然后繞著我們轉一圈24小時。球面轉動的時候,帶動鑲嵌在其上的恒星一起轉動,這就解釋了人們關于恒星的觀測結果,也就是恒星看起來每24小時沿著圓形軌道繞地球轉一圈。當時的人們認為宇宙很大,但是他們無法想象宇宙到底有多大。你可以理解亞里士多德那時候所想象的宇宙的大小,一定比我們今天所能夠觀測到的要小很多,因為這是我們肉眼可見的那部分。這就是亞里士多德的世界觀。
你要怎么理解亞里士多德的世界觀?這里邊有兩個非常重要的特性,一個叫作目的論,一個叫本質論。亞里士多德認為,這個世界上所有存在的這些東西都有其存在的目的。比如說這個樹葉,為什么要長成這個樹葉?因為這個樹葉有它的目的。為什么有這個樹種子?因為它有目的、它要生長、它要落地、能長出來東西,他都是用目的來解釋。所以為什么會有月亮?月亮為什么要轉?它都有目的。而怎么實現這些目的呢?它有它的性質。人的性質就是成長、就是貪婪、就是工作,人有這個性質,所以人體現了這么多的生活當中的狀態(tài)。木頭的性質就是能夠做桌子、能夠燒、能夠獲得熱量。它都有性質,它的性質跟它的目的是相關的。而整個宇宙都有著它的性質,它的性質,比如說向上、月下區(qū)向下、做勻速圓周運動,它的目的就是要實現這個美好的、完美的世界,他認為勻速圓周運動最完美,月上區(qū)是完美的,就是這樣一直轉動。所以整個邏輯自洽,這1900年來人們沒有想過亞里士多德是錯的,大家就根據他這套范式在不斷地發(fā)展,因為這中間一直沒有出現望遠鏡。
所以在出現望遠鏡之前的那個事實是什么?我們得看看在出現望遠鏡以前的那個觀測事實,所有伽利略之前的天文學家所做的研究,都是基于共同的事實,也就是我們用肉眼所能夠看到的天上的事實,包括恒星、太陽,然后我們能夠看到冬至、春分、夏至、秋分,還有行星相對于恒星的移動。月球大概每29天多會循環(huán)一次,相對恒星,它會向東偏移。它不是在一個軌道上走,它是轉著轉著就往東邊偏移了。這是人們拿肉眼觀測出來的。關于行星的事實是特別復雜的,提到行星的時候,我們在第一時間出現在腦中的畫面,與那些生活在還沒有現代科技時代的人們腦中第一時間出現的畫面來講,會非常不同。
不過有兩點需要記在腦中。第一,我們現在的討論只是為了后面討論托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等人的天文學理論提供背景知識,而這些天文學家沒有一個人能夠接觸到我們所接觸的科學技術。他們連月球表面有坑坑洼洼的照片都沒有看過,當伽利略用望遠鏡看到月球表面有那個環(huán)形山的時候,就直接挑戰(zhàn)了亞里士多德的理論。因為它不完美,它并不是月上區(qū)域所想象的以太,它看起來像大石頭,跟地球差不多。就這一下就已經讓亞里士多德吃不消了,雖然這已經是一千多年以后的事了。
第二,我們在討論的是經驗事實,就大多數明確的經驗事實而言,它們都由直接明了、由觀察得來的數據所組成。經驗事實是能看到的,在任何一個確定的夜晚,我們稱之為行星的一個亮點與我們稱之為恒星的一個亮點,看起來并沒有顯著的不同。除此之外,在任意一個確定的夜晚,我們稱為恒星的亮點和稱為行星的亮點在空中運行的方式也是相似的。
所以我不得不佩服那些從古至今的天文學家,包括中國的,包括西方,他們是怎么從那么多顆星星當中看出那五個不一樣的?不可思議!因為那個時候滿天繁星,不像咱們今天光污染,你看不到那么多的星星。那個時候大地上沒有燈光,所以每天一抬頭,嘩,幕布上全是星星。所以如果你不是已經知道了如何分辨恒星和行星,那么在任意一個給定的夜晚,你都無法看出兩者之間的區(qū)別。然而如果追溯到人類有記錄的歷史開始之前,我們的前人就發(fā)現了夜空中有五個亮點跟其他上千個亮點都有所不同。這個不同點主要是基于這五個亮點的運動模式,但并不是它們在某一個夜晚的運動,而是經過許多夜晚形成的模式。
順帶提一句,我們通常認為存在九顆行星,但是直到18世紀,我們所能夠看到的也就是金、木、水、火、土這五顆行星。如果你花上幾個小時來觀測木星,你會發(fā)現它隨著恒星運動,而且通??雌饋硭c恒星沒有任何不同。然而如果你持續(xù)幾天或者幾個星期仔細觀察木星,你就會注意到,與月球和太陽相似,木星與恒星的相對位置在不斷地偏移。月亮很明顯,木星也在不斷地偏移。
與恒星不同,行星的亮度變化很大。舉個例子,當金星肉眼可見的時候,總是看起來相當明亮,不過有些時候它會比其他時間更明亮。最明亮的時候,金星看起來像一架正在著陸的飛機上的著陸燈。五顆肉眼可見的行星都會時常出現亮度上的明顯變化,實際情況還要比這更復雜一些。舉個例子,盡管通常每天晚上木星相對于恒星的位置都會向東偏移,但大約每年有那么一次,木星的位置有那么幾天不發(fā)生偏移,緊接著就開始向錯誤的方向偏移,也就向西偏移。接下來它會一直向西偏移幾個星期,然后再次有那么幾天停止偏移,緊接著重新開始向東偏移,持續(xù)時間大約又是一年。人們就是這樣觀測那個行星的變化。
這個反方向偏移的行為叫作逆行運動。所有的行星都有逆行運動,盡管逆行的間隔并不完全相同。木星和土星大約一年有一次逆行,火星大約兩年有一次逆行,金星大約每一年半有一次,而水星大約一年有三次逆行。所以你不得不驚嘆古人是怎么做到的,就是這五顆星星啟發(fā)了后邊所有的科學體系。往后聽你會知道這五顆星星的逆行、這些行動是多么重要。因為人們要解釋,人們不能夠光聽亞里士多德說它鑲嵌在上面就那么轉就完了,明明有五顆不一樣的,這五顆不一樣的怎么解釋?接下來就看到一代一代的科學家開始逐漸地出場。
再給大家劇透一點點,因為我相信很多人可能會對夜空感興趣,尤其是孩子,給你們劇透一點點怎么在天上看星星的這個方法。你只能在太陽快要升起或剛落下后看到水星和金星。舉個例子,金星跟在太陽后面,因此當太陽落下以后,金星就會出現在西方天空中距離日落點不太遠的地方。你往西邊看,太陽落山了,那個地方有一個很亮的星星是金星。同樣的,金星的位置距離西方地平線絕不會超出一把尺子的長度,拿一把尺子放在你手前邊,伸直了胳膊,一把尺子放在這兒,就是大概一英尺長的這么一個尺子。日落后幾個小時,金星就會從西方地平線落下,或者在一年中的某些時候,金星將在太陽的前面。這個時候你會看到金星在清晨日出之前升起,最多在幾個小時之內可見,等太陽升起以后,因為太陽太亮了,所以金星就看不見了。所以你有兩次看金星的機會,某些時候是在日出之前,某些時候是在日落之后。孩子們可以去看一下。
我剛剛講的這些東西,叫作觀測事實,也就是在伽利略發(fā)明了望遠鏡看星星之前人們所看到的觀測事實,大概就是這么多。所以人們把行星叫作planet,planet什么意思?漫游者。漫游者的意思就是它跟別的星星不合群,別的星星都一塊兒走,只有這幾個到處瞎逛。
接下來還有兩個哲學性的事實,一個就是正圓形軌道,第二個就是勻速的運動。勻速運動加圓形軌道就是人們腦子里邊所構思出來的、符合亞里士多德所說的哲學事實。你看奇怪不奇怪,就是人們?yōu)槭裁磿J為它一定是正圓形的勻速運動,僅僅就是因為我們要和亞里士多德保持一致。這就是我們前面所講的“真理融貫論”,我們要集體主義融貫,因為大家不能夠顛覆亞里士多德,顛覆亞里士多德,就意味著顛覆了所有模塊的拼圖。你要想顛覆所有模塊的拼圖,對不起,那些怎么解釋?所以干脆咱們也不要顛覆這個,它是一個完美的世界觀。
捍衛(wèi)亞里士多德的第一個人就是托勒密,托勒密在公元150年寫了《至大論》這本書。在這本書里邊,他提出了一整套的運動體系。托羅密的體系我們簡單介紹一下,這個可能需要大家來看我們的視頻,視頻上會更清晰,因為它有圖?!巴欣彰荏w系很明確地尊重了正圓事實,因為托勒密所使用的方法,全都是以天體運動只沿正圓軌道進行為基礎的。盡管托勒密體系也并不完美,而且錯誤很多,但是值得強調的是,在托勒密之前或之后的1400年內,沒有其他關于宇宙結構的理論在進行解釋和預言方面達到與托勒密體系接近的程度?!币簿褪钦f托勒密雖然在今天看來是完全錯的,但是他解釋那些行星逆行一點都不差。
他的方式是什么呢?就是這么一張圖。有一個圓圈,這是以地球為核心的軌道,但是地球是一個偏心圓,就是它不在這個圓圈的中心,在這個圓圈的邊上有一個點A,以這個點A為圓心有一個周轉圓。請記住托勒密的體系里邊有周轉圓的概念,周轉圓就是火星沿著這個周轉圓轉,然后周轉圓的圓心沿著地球的軌道轉。為什么要引入這么一個周轉圓?也就是說,當周轉圓和偏心輪這兩個概念引進了以后,就能夠準確地和火星運轉的整個周期相吻合。它是一個工具性的理論,這個工具性的理論非常完美地解釋了這一切。首先周轉圓和均輪系統非常靈活,因為只需要改變一下其中各組成部分的大小、運動速度和運動方向,就可以產生大量不同的運動。就是說它是數學,它只需要把這個圓調大一點、調小一點,或者把它那個速度調整一下,出現的形狀就不一樣。你看可以出現很多這樣的形狀,這樣的形狀就可能會出現逆行,可能會解釋逆行的問題。由于有高度的靈活性,所以周轉圓、均輪系統非常有用。
不過除此之外,任何一個地心說理論都需要周轉圓來解釋行星和逆行運動。就是所有的地心說,只要你堅持認為這些行星是繞著地球轉的,你就必須引入周轉圓,否則你沒法解釋為什么會有行星逆行的現象出現。在這個托勒密的體系當中,始終認為所有的運動都是勻速運動,他沒有敢去挑戰(zhàn)非勻速運動的狀況。
接下來第二個登場的叫哥白尼。哥白尼生活在1473年到1543年,大概在16世紀的時候,哥白尼提出太陽是宇宙的中心。哥白尼體系跟托羅密體系在很多方面其實是相似的,但是其中地球和太陽的位置發(fā)生了對調。哥白尼認為所有恒星與宇宙中心的距離是相等的,也都鑲嵌在所謂的恒星球面上。與在托勒密體系中一樣,這個恒星球面就是宇宙最遠的邊界。哥白尼的宇宙比托勒密的宇宙要大,哥白尼體系中也運用了周轉圓、均輪和偏心圓。哥白尼和托勒密生活的年代相差了1400年,在這期間出現了很多新的天文學觀察結果,有些已有的觀察結果得到了修正,還出現了幾個新的但錯誤的觀察結果??偟膩碇v,哥白尼所擁有的數據和托勒密的數據是非常相似的,而且哥白尼也必須尊重正圓事實和勻速運動的事實,這依然禁錮著他。
盡管哥白尼也運用了周轉圓,但只是為了利用周轉圓所能提供的靈活性,而不是像托勒密體系那樣用周轉圓來解釋逆行運動。當你把太陽放在中心的時候,逆行運動不需要解釋了,因為地球也是繞著太陽轉的,行星也是繞著太陽轉的,這時候很容易產生逆行的運動。但是他用周轉圓只是為了提供靈活性。由于在哥白尼的體系當中取掉了托勒密體系里邊的那個等據點的概念,所以哥白尼體系可以說更直接明確地尊重了勻速運動事實,而且對逆行運動、多顆行星的不同亮度與它們逆行運動時間點之間的相關關系,以及金星、水星總是出現在距離太陽不遠處的事實作出了更加直接明確的解釋。也就是說,哥白尼的這套理論體系更加地接近完美。
哥白尼為什么會提出日心說呢?這個跟一個哲學流派,叫新柏拉圖主義有關系。新柏拉圖主義在哥白尼出生的那個時候特別盛行。這個理論的核心是認為太陽是至善的。既然太陽是至善的,那么太陽就在宇宙的中心。所以哥白尼是為了保證他的新柏拉圖主義能夠得到證明,所以他就要去努力地證明太陽是在中心的。他一直不太敢發(fā)表他的理論,直到自己臨終前快去世的時候才把這個理論發(fā)表出來。
接下去我們到第谷體系了。第谷是人類歷史上最偉大的、用肉眼觀測天上行星運行軌道的人,而且他記錄了非常豐富的手稿。第谷非常熟悉哥白尼體系,第谷也承認,相對于托勒密體系,哥白尼體系在某些方面更有優(yōu)勢。與當時大多數天文學家相同,第谷也發(fā)現大多數證據所指向的結果都是地球是靜止的。因此,從現實主義者的角度看,哥白尼體系不可能是宇宙的正確模型。為什么呢?因為哥白尼認為地球繞著太陽轉,而所有人認為這個東西胡扯,因為我沒有感覺到轉,我們會頭暈的,我們會有風。沒有風、沒有頭暈,所以這不可能。于是第谷憑借自己的能力發(fā)展出了一個體系,其中既包括了大多數哥白尼體系得到認可的優(yōu)勢,又保留了地球是宇宙中心的觀點。你看,他其實綜合了地心說和哥白尼理論的優(yōu)點。
根據第谷體系,地球是宇宙的中心,恒星球面同樣被定義為宇宙的邊界,月球和太陽繞著地球運轉,但行星圍繞太陽轉動。聽到這個區(qū)別了嗎?就是月亮和太陽繞著地球轉,所以保證了地球不動。但是那些行星繞著太陽轉,這就解決了前面所說的托勒密體系里邊所遇到的特別多復雜的什么周轉圓、等據點的那些問題。從數學角度看,第谷體系是等同于哥白尼體系的?;谶@一點,第谷體系在預言和解釋我們曾經討論過的經驗數據方面與哥白尼體系是等效的。
第谷去世后不久,望遠鏡問世,帶來了更多新的證據,至少表明某些行星是圍繞著太陽運轉的。第谷所想象的這個問題是很有創(chuàng)意的。就是我們干嗎說所有的東西都繞著地球轉,或者都繞著太陽轉?一部分繞地球轉,一部分繞太陽轉,太陽繞地球轉就行了。這是第谷對于整個的解釋。你要知道,他們能夠形成所謂的理論體系,他們都是能夠解釋這一切東西,就是完全自洽,那個版圖從來沒有被打破過。
接下來第谷的學生,非常著名的人物,叫開普勒。開普勒跟第谷一塊兒打工,給第谷做助手,在第谷死了以后,第谷把他所有的觀測結果手稿全都給了開普勒。然后開普勒根據這些東西,他要做一件非常了不起的事,就是“讀懂上帝所思”。開普勒是一個虔誠的教徒,他認為這個世界一定是上帝構造的,但是我們沒法精密地解讀上帝是怎么構造的。因此他在努力地去思考上帝到底是怎么創(chuàng)造這個宇宙的。開普勒實際上幾乎得到了正確的答案。也就是說,開普勒最終提出了一個體系,不僅在預言和解釋方面完全準確,而且比任何其它可選體系都簡單得多。除此之外,從現實主義者的角度看,開普勒體系似乎描述的正是月球和行星運動的模式。開普勒的做法是一種基于日心說的做法。開普勒對日心說觀點的偏愛,部分源于他的學生時代。那時候他的老師是哥白尼體系的一個熱情支持者,與幾乎所有他同時代的人相同,開普勒最初也堅定地相信正圓事實和勻速運動事實。
然而到了17世紀初期,開普勒意識到,所有以勻速運動為基礎的體系都無法解釋已經觀測到的火星運動。因為那時候火星被觀測到得更多了,第谷給他提供了很多數據,此時他開始研究其它使火星可以在其軌道不同位置上以不同速度運動的體系。不久之后,開普勒得出類似結論,也就是所有僅以正圓軌道為基礎的體系都無法解釋已經觀察到的火星運動,因此他開始探索不同形狀的軌道。人類終于邁出了這一步,人類終于開始挑戰(zhàn)正圓事實,開始邁向橢圓形的事實。所以開普勒這時候已經摒棄了兩個關鍵性的哲學性概念,也就是正圓事實和勻速運動事實。最終開普勒發(fā)現,橢圓軌道和行星以變化的速度沿橢圓軌道圍繞太陽運動可以完美地解釋火星的數據。1609年,開普勒發(fā)表了他關于火星運動的模型,也就是火星沿橢圓軌道以變化的速度運動。
不久之后,開普勒把這個模型拓展到其它的行星。行星圍繞太陽沿橢圓軌道運行,太陽占據橢圓軌道兩個焦點之一的位置,通常被稱為開普勒行星運動的第一定律。大家知道橢圓有兩個焦點,橢圓形這邊一個焦點,那邊一個焦點。他說太陽是其中一個焦點。
還有一個第二定律,如果以行星為起點畫一條直線和太陽連起來,這條直線在相等的時間內掃過的面積相同,這個對行星運動速度的描述被稱為開普勒運動的第二定律。就是這是太陽,是焦點,太陽和行星連起一條線,沿著軌道運轉的過程當中掃過的面積在相同時間內是相等的,他用這個來計算火星運動的速度。他這樣算出來的結果跟觀測到的火星的運轉速度是一樣的。由于行星在其軌道上的某個點處距離太陽更近,因而當火星運行到其軌道的這個部分的時候,運行速度就會更快,而當它運行到其軌道距離太陽更遠的部分時,運行速度會更慢。換句話說,根據開普勒第二定律,行星的運動不是勻速的,相反,在其軌道的不同階段,行星運行的速度會發(fā)生變化。
開普勒體系沒有使用周轉圓、均輪、偏心圓、等距點這些復雜的概念,開普勒體系中每個行星只有一個橢圓形軌道,僅此而已,無比簡潔、無比美好。這就讓我們又想起了愛因斯坦說過的那句話:這個宇宙最可怕的地方,就是它竟然可以被理解。他可以用如此簡潔的方式表述出來?,F在大家看到這一步一步的進步了嗎?從地心說到日心說,到地心日心雜合說,到橢圓形軌道。
好了,接下來登場的這位大神,叫作伽利略。伽利略之所以了不起,是因為伽利略發(fā)明了望遠鏡。那個時候我們講過一本書,叫《我們如何走到今天》,就是玻璃的發(fā)明對于人類有多么偉大的貢獻。有了望遠鏡之后,我們先說說伽利略都觀測到了什么。伽利略最起碼觀測到了十幾種對于亞里士多德形成巨大挑戰(zhàn)的事實。
首先,伽利略觀測到月球似乎是一個巨大的巖石體,而不是所謂的以太,跟地球上的東西差不多,就像我們家門口院子里邊的一個鵝卵石一樣。你知道過去人們在說地球不動的時候,有一個非常重要的理論:我們家門口放了一個巨大的鵝卵石,放在院子門口,請問沒有人推它,它怎么動?就是過去的理論家就這么講,誰能把那個鵝卵石扔起來,在空中不停地轉?做不到。所以既然我們那個鵝卵石做不到,地球這么大個鵝卵石更沒戲。這是地球不動的一個非常重要的證據。但是當伽利略用望遠鏡看到天上的月亮的時候說,那就跟我們家門口的鵝卵石一樣,而且更大,它為啥能動?就這一件事,“地球不動說”就遭到了巨大的挑戰(zhàn)。
然后伽利略發(fā)現了太陽黑子。伽利略得以令人信服地論證出,太陽黑子一定是在太陽表面本身就有的區(qū)域,而不是其他什么圖像。那么月上區(qū)肯定不像亞里士多德世界觀所認為的那樣,是沒有變化的完美區(qū)域。因此,就像月球表面的山峰一樣,關于太陽黑子的數據被證明是亞里士多德世界觀的另一個瑕疵。
伽利略是第一個觀測到土星有時會有邊緣突出現象的人,這個突出的邊緣看起來像是把手或者耳朵。我們現在知道,他所觀測到的叫土星的光環(huán)。然后通過望遠鏡,伽利略還觀測到了四個小亮點,他們圍繞在木星的周圍,位置隨著時間變化而變化,伽利略正確地推斷出,這四個小亮點是圍繞木星運轉的衛(wèi)星,伽利略把木星的衛(wèi)星命名為“美第奇之星”。各位知道,那時候最偉大的家族叫美第奇家族,然后從而他被美第奇家族任命為宮廷的首席數學家和哲學家。然后伽利略發(fā)現有物體圍繞木星運轉,這決定性地證明了,與亞里士多德世界觀觀點相反,宇宙中的圓周運動并非都圍繞著唯一的一個中心。
同時伽利略觀測到了金星相位。通過望遠鏡,很容易可以觀測到金星的相位,而伽利略就是第一個發(fā)現金星相位的人。如果金星經歷一系列相位變化,正如伽利略所發(fā)現的,那么像月球一樣,金星相位也一定是太陽、地球和金星之間相對位置變化的結果,就是金星跟月亮一樣有圓有缺。這些東西都是伽利略通過望遠鏡觀測出來的。而且伽利略還發(fā)現,除了肉眼可以看見的恒星,還存在其他無數恒星。這至少意味著,宇宙很可能比之前猜想的大得多,甚至有可能是無限大的,其中包括無限多的恒星。這是伽利略的觀測。
盡管教會在1616年作出否定日心說的觀點,是一個裁決。但是伽利略本人在這個過程中并沒有受到影響。幾年之后,他就沒有那么幸運了。在1632年的時候,伽利略出版了《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》一書,這本書被簡稱為《對話》,這本書內容豐富,它并沒有得到教會的接受,教會的觀點是,跨過了“討論日心說觀點”和“支持這個觀點是現實”之間的界限。各位知道這句話什么意思嗎,就是教會過去能夠容忍的是,你們說日心說可以,但你得告訴我那是一個工具性的解釋。但是伽利略提出的這個東西太可怕,變成了事實性的,變成了現實主義的。伽利略最后說,有大量的證據證明日心說是現實主義的。這件事情是教會不能夠接受的,因為它跟教義相違背。
在其著作中,伽利略有時表達出非常強的諷刺意味,而且對很多人都表示不屑,所以所有那些能夠判他刑的人都被他得罪了。最后伽利略被裁定為“持異教思想的嫌疑”,判終身監(jiān)禁,同時還被要求正式宣布日心說的觀點是假的。伽利略在家中度過了余生,于1642年逝世,最后雙目失明。因為伽利略的眼睛一直看天上的太陽,拿著玻璃、拿著望遠鏡,不斷地觀測,眼睛瞎掉了。據說伽利略在法庭審判的時候說,我承認我有罪,說完這句話以后,小聲地說了一句,但是我們是繞著太陽轉的。就是這么一個倔強的人。
所以講到這為止,我們已經快要邁進現代科學了。伽利略在1642年去世,1643年牛頓誕生。牛頓,我們前面講了,他在家里邊待著的時候,突然去研究了這個微積分。在1687年的時候,牛頓寫了一本著作,叫作《自然哲學的數學原理》,在這本書里邊他用很短的篇幅——他這本書很厚,但是他用很短的篇幅寫了三大定律。
誰知道牛頓的三大定律分別是什么?第一個定律就是所謂的慣性定律:任何物體在不受外力的作用下,總是保持勻速直線運動狀態(tài)或者靜止狀態(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)。這是非常偉大的一個定理,為什么?因為你用肉眼根本看不到,你什么時候看到這么一個東西是勻速直線運動就走了?不可能。我們看到的是亞里士多德所說的,任何物體保持靜止或者停下來,除非你用勁推動它,它才動。肉眼所看到的,但是這個是不對的。牛頓告訴我們說,任何物體是保持勻速直線運動或者靜止,除非你用外力阻止它。你知道這個東西為什么它會停下來?它本來可以一直走的,是因為有摩擦力、有引力,所以它才停下來的。這個東西是正確的,但是這個東西肉眼看不到,這就是理論的厲害。所以我們大家真的不要太過相信眼見為實。所以第一條就已經顛覆了。我們小時候在學牛頓三定律的時候,第一條我就不理解,我說沒見過,沒見過勻速直線運動一直走。
牛頓第二定律的描述是:物體運動的改變與其所受的作用力成正比,而且與其所受的作用力的方向成一條直線。F=ma,這個大家都知道,m是質量,a是加速度,力等于m乘以a。第三定律就是,對任何作用力總會存在一個方向相反、大小相等的反作用力,作用力與反作用力??雌饋砣绱撕唵蔚娜龡l定理,竟然破解了宇宙幾乎所有的秘密。
人們用這三條理論開始在各個范圍之內運用,除了能夠解釋炮彈、能夠解釋桌子、能夠解釋跑步,能夠解決這些東西之外,在化學領域開始出現了拉瓦錫和道爾頓。拉瓦錫做化學實驗,道爾頓做原子內部結構的研究,發(fā)現原子相互之間的作用力也符合牛頓三定律?;瘜W領域開始用牛頓的體系來破解,然后生物學領域,人們發(fā)現神經其實是一種電化學現象,電化學現象依然是用牛頓三定律可以去推理解釋出來的。然后在電磁學理論上出現了法拉第和麥克斯韋,法拉第和麥克斯韋是愛因斯坦的偶像,因為法拉第、麥克斯韋有了電磁學、電和磁場的這種變化,所有的這一切都是在牛頓世界觀之下所發(fā)展出來的。
所以你不能簡單地說牛頓是一個力學家,所有的這一切都是牛頓世界觀的延伸,因為它是建立在三大定律之上的,用三大定律不斷地去推演,在各種領域里邊驗證。牛頓世界觀發(fā)展的高峰期在1700年到1900年之間,這兩百年時間里邊,西方世界開始邁入工業(yè)化的進程,這些全都是屬于牛頓世界觀的發(fā)展。
而牛頓世界觀當中有一個bug(漏洞),也就是我們說的超距作用的問題。牛頓認為雖然萬有引力,他認為是可以解釋這個現象的,但是萬有引力是怎么產生的?這個力是怎么傳遞的?他被很多人質疑。他也沒法解釋。所以牛頓是用工具主義的態(tài)度在看待他的力學。1900年,凱爾文爵士發(fā)表過一個演講。1900年是一個非常重要的年份,我們知道很多事情都發(fā)生在1900年。凱爾文爵士說,人類的秘密已經基本上被破解完了,在整個理論大廈當中只剩下了幾塊小烏云。哪幾塊小烏云呢?第一塊是邁克爾遜-莫雷實驗,第二塊是黑體輻射,也就是說邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射這兩個科學實驗的結果沒法被牛頓體系解釋。但是他們認為也不重要,就好像電磁輻射一樣,總有一天會有一個人把它解釋掉,認為這只是我們頭頂的幾朵小烏云而已。
這個邁克爾遜-莫雷實驗是什么呢?就是邁克爾遜和莫雷從一個定點發(fā)射出兩道光,兩道光發(fā)出時的夾角是直角,這兩道光就走了兩個不同的路線,分別通過與光源距離相等的兩面鏡子反射回來。如果牛頓體系內關于光傳播的機械論觀點是正確的,也就是光通過介質以太來傳播,那么光源和鏡子應該在以太中運動。這是因為光源和鏡子本身在地球上,而地球在圍繞太陽運轉的時候,就將在以太中運動,那么以太就相當于船和游泳者類比當中的水。盡管相對于光源,兩道光傳播的距離相等,但是由于光源和鏡子同時在以太中運動,那么對于以太,兩道光傳播的距離是不相等的。因此我們預計可以看到兩道光回到光源處會有微小的時間差。
然而與大家所預期的相反,兩道光總是在相同的時間點回到光源處。由于牛頓科學體系非常成功,因此科學家如果因為這個實驗結果而放棄牛頓科學體系的觀點,將是非常不明智的,所以把它叫小烏云。后來證明這些有關光的命題根本不是小問題,事實上,到了愛因斯坦的相對論問世,這些問題才最終得以解釋。這是邁克爾遜-莫雷實驗。
黑體是物理學里邊的一個術語,指的是一個理想化的物體,可以吸收所有指向它的電磁輻射。舉個例子,光是電磁輻射的一種形式,所以如果我們向一個黑體投射光線,黑體將吸收所有的光線,因而表現出黑暗的性質,所以才叫作黑體,完美的黑色。一個理想化的黑體在受熱時,應該對外進行輻射。根據牛頓科學體系,一個受熱的黑體預計將以某種特定模式對外進行輻射,然而實際觀察到的輻射模式與根據牛頓科學體系預言的輻射模式有顯著差異。簡單地說,當僅觀察波長較長的輻射時,所觀察到的輻射模式與預言的模式十分相近,但是到了短波的時候,觀察到的輻射模式則與預言模式大相徑庭。順便提一下,這些有問題的短波位于電磁波譜的紫外線一端。各位知道紫外線的波長短,所以這個問題有時候被稱作“紫外災難”,就沒法解釋,根據牛頓的科學體系沒法解釋黑體輻射和莫雷實驗。但這兩個東西就放在那兒,大家說總有一天會解釋的。
結果誰來解釋呢?只有等到普朗克出場。普朗克做了普朗克公式,E=hv。然后各位知道那個愛因斯坦的公式E=mc2,你看兩邊都是E,所以一換算就是mc2=hv,m是質量,h和v代表波,所以這個叫作波粒二象性。這邊是用質量的方式、粒子的方式在計算,普朗克公式是用波的方式在計算,一換算出來你發(fā)現是相等的,所以普朗克發(fā)明了普朗克公式,解釋了黑體輻射,它能夠完美地解釋黑體輻射。只有一個23歲的年輕人在看到這個公式以后,突然之間覺得腳下的地球都被抽走了,這個人就是愛因斯坦。
然后愛因斯坦在1905年發(fā)表了狹義相對論,在1916年發(fā)表了廣義相對論,這部分詳見《愛因斯坦傳》,我們在這兒就不多講了,因為它很復雜。當愛因斯坦用廣義相對論和狹義相對論來解釋地球受到的重力的時候,人們才知道,原來并不存在所謂的引力把我們吸在這兒,而是因為巨大的質量所造成的扭曲,這個扭曲所帶來的所有的運行都是在曲面幾何的最短線程的那個方向運轉,這個我們在愛因斯坦的傳記里邊已經解釋過了。所以在這兒我們終于可以加快一點了,大家能夠把這些天文學體系搞明白就已經很不容易了。
有了牛頓,有了愛因斯坦,之后就是量子力學。量子力學當中,我們要搞清楚的就是,有量子事實、有量子理論以及對量子理論的詮釋。這是我們理解量子力學的三個入口。我這么說聽起來好像我理解一樣,其實我一點都不理解,我只能給大家念一些關于量子力學的基本概念。量子理論大家也不要看得太嚴重,實際上是一種波數學,應與粒子數學相區(qū)別,對波數學和粒子數學進行一下簡單介紹就會很有幫助。一種是涉及離散式的物體時所用到的數學,另一種是涉及波的情形的時候所用到的數學。比如說你把一個保齡球這么扔出去,這就是一個粒子的數學。但是你把一個水拍了一下,那個時候水抖起來了,這就是一個波的數學,所以這是兩種數學。
如果量子理論數學是一種常見的波數學,那為什么我們經常聽說量子理論是很不尋常的理論呢?有一個差異并不大,但是值得一提。那就是量子理論數學給出的通常是概率性的預言,而不是確定的預言。舉個例子,如果我們用量子理論數學來預言一個電子的位置,數學計算將會告訴我們在不同位置探測到這個電子的可能性。相比之下,如果是針對屋頂掉落的保齡球,數學計算將給我們一個確定的預言,這就是一個小小的、細微的差異。對于如何把下落的保齡球有關的數學和這個世界聯系起來,存在廣泛的共識。就是我們大家很容易理解這個保齡球怎么計算的,那就是我們平常所了解的粒子的數學。
這正是量子理論數學的不同之處,也就是對如何把量子理論涉及的數學與這個世界聯系起來并不存在共識。到目前為止,這本書的作者是一個哲學家、物理學家,他都認為并不存在共識,也就是我們沒法確定地說,誰所提出的量子力學一定是對的,沒有達到共識。量子理論數學所展示的現實非常怪異,這也就是為什么我們常聽說量子理論是一個非常奇怪的理論。鑒于它非常奇怪,我們就不多講了。大家可以去自己搜索一下,了解一下什么叫作“薛定諤的貓”,“薛定諤的貓”得到了愛因斯坦大力的贊揚,因為愛因斯坦說,你看這么怪異的一個理論都能夠被量子力學所應用,足以證明量子力學是錯的。真正最后能夠顛覆牛頓體系世界觀的只有量子力學。所以直到今天,我們其實依然生活在牛頓思想的世界觀之下,而量子力學還沒有給出一個能夠形成共識的、去顛覆牛頓世界觀的東西。
所以對整個世界觀延伸的過程梳理下來,大家能夠感知到一個令我們非常震撼的事情。就是“顯而易見”對于我們來講是多么嚴重的錯誤。我們過去之所以會留戀在,比如說正圓的軌道,我們留戀在勻速運動當中,沒有別的原因,就是因為顯而易見,就是我們拿眼睛看到的、感受到的、我們自己有經驗的似乎就是這樣。但問題是那個東西并不是一個科學的參照體系,那個東西是我們大腦當中所想象的、我們大家共有的意識,但它未必是對的。所以要想真的建立科學的世界觀,你必須要了解什么是科學,你必須要知道人類的歷史上是怎么樣一步一個腳印,從亞里士多德到托勒密,到哥白尼,到第谷,到開普勒,到伽利略,到牛頓,到愛因斯坦,到今天的量子力學,我們逐漸地在破解自然給我們設定的這個迷局。我希望大家也能夠參與進來,在我們的互動區(qū)域里邊可以寫一下,你聽完這本書之后的感受,然后想想看,我們在生活中有哪些顯而易見但未必是對的事情。
謝謝大家,下周見!
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