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《七堂极简物理课》作者讲述科学是什么,它又从何而来?

曾梦龙2018-12-12 18:45:59

“什么是科学思想?它的局限性是什么?它最终要教给我们什么?是什么构成了科学思想的特征?如何将科学思想和其他形式的知识进行对比?”

作者简介:

卡洛·罗韦利,意大利理论物理学家,圈量子引力理论的开创者之一。曾在美国、意大利工作,现在法国带领量子引力研究小组,著有畅销科普作品《七堂极简物理课》《现实不似你所见》等。罗韦利以其简洁诗意又充满热情的科普讲述惊艳世界,被誉为“让物理变性感的男人,下一个史蒂芬·霍金”。《七堂极简物理课》这本一百页的小书在意大利出版后创造了惊人的销售成绩,旋即被译为 40 种语言,引爆了全球科普阅读热潮。

书籍摘录:

第八章  科学是什么?对阿那克西曼德、爱因斯坦和海森堡的思考(节选)

19 世纪的幻想破灭

最近几十年,人们对科学认知本质的思考一度非常活跃。一些哲学家比如卡纳普(Carnap)、巴歇拉尔(Bachelard)、波普尔、库恩(Kuhn)、费耶阿本德(Feyerabend)、拉卡托斯(Lakatos)、蒯因(Quine)、范·弗拉森(Bas van Fraassen),还有许多其他哲学家推荐的读物改变了我们对科学活动的理解。在很大程度上,这种思考是由一个冲击引发的,即 20 世纪初牛顿物理学的意外崩塌。

在 19 世纪,我们总认为牛顿不但是全人类中最聪明的人之一,还是最幸运的一个。因为世上就只存在一套基本定律,正好被幸运的牛顿发现了。今天,这种观点会让人忍俊不禁,并反映出 19 世纪存在的严重认识论错误:正确的科学理论是永远绝对的、有效的。

到了 20 世纪,人们为这种幻想做出了清楚的界定。许多严谨的实验证明,在某些具体情况下,牛顿定律是不成立的。比如,水星就不是按照牛顿定律运行的。阿尔伯特·爱因斯坦、维尔纳·海森堡 和他们的朋友共同发现了一套全新的基础定律——广义相对论和量子力学,这套理论代替了不再有效的牛顿定律,比如在理解水星运行轨道、电子在原子中的运动这些问题上,牛顿定律就不能发挥作用了。

人们由此得出了经验,今天,已经很少有人会相信“绝对的定律是存在的”这种观点了。爱因斯坦和海森堡提出的新定律也会有局限性,总有一天会被更好的新定律替代,这种主张已经得到一致认可(但是,仍然有一些科学家认为我们掌握着,或即将掌握世界的终极理论)。其实,新理论的局限性已经慢慢展现出来了,在爱因斯坦和海森堡的理论中,存在着一些微妙的不相容的地方。因此,我们并没有掌握世界的终极绝对定律。这也是我们要继续研究的原因。作为理论物理学家,我的职责就是参与研究,找出能够统一爱因斯坦和海森堡二人的理论的定律。

关键在于,广义相对论和量子力学完全不是对牛顿定律的小修改,这不是修改一个方程式、一个古老的等式,或者加入新的公式的事情。这些新理论完全颠覆了我们对世界原有的认识。对牛顿来说,世界是一个广大空旷的空间,像小石头一样的“微粒”在这个空间中运动。爱因斯坦认为这个空间本身就像是暴风雨中的大海,它可以折叠、弯曲,甚至可以(在黑洞中)被撕裂。在爱因斯坦之前,没有任何一个人认真地思考过这种可能性。与此同时,德布罗意(De Broglie)、薛定谔、海森堡和其他几位科学家则发现牛顿理论中的粒子并不是真正的粒子,而是在法拉第的电磁场中运动的、介于波和粒子之间的奇怪混合体。总之,在 20 世纪,人们发现世界的结构与牛顿设想的世界大相径庭。

一方面,这些发现进一步证明了科学的认知能力。就像牛顿和麦克斯韦在数个世纪前的发现一样,它们促进了技术的飞速发展,一次又一次地改变了我们的世界。法拉第和麦克斯韦的科学理论催生了广播和所有通信事业。爱因斯坦和海森堡的理论催生了电脑、原子能,还有成千上万种改变我们生活的技术革命。

但是,另一方面,牛顿理论下的世界形象是错误的这一发现又让人困惑不已。在牛顿之后,我们自认为已经完全理解了物理世界的基本结构,但是,我们错了。会不会有一天,爱因斯坦和海森堡的理论也被证明是错误的?那么,这是否意味着我们不能够相信科学,甚至科学呈现给我们的更好的世界形象?关于这个世界,我们到底知道些什么?科学到底教会了我们什么?

科学不能归结于可证实的预测

尽管存在不确定性,但科学仍然是值得信任的。在爱因斯坦提出相对论之后,牛顿的理论并没有失去价值。如果需要计算一座桥上的风力,我可以用爱因斯坦的理论,但同样可以运用牛顿的理论。二者在这个问题上的差距极小。对于解决如何建造一座不塌的桥这类具体的问题,广义相对论带来的修改是完全多余的。而牛顿理论可以完美解决这类问题,是非常可信的。换句话说,这些理论仍然适用于某些方面,这取决于我们观察和测量这个世界的具体方式。对于运动速度低于光速的所有物体,牛顿的理论仍然有着用武之地,是有力、可信的。在某种意义上,爱因斯坦的理论甚至强化了牛顿的理论,因为我们从此更加清楚牛顿定律的应用条件。一位工程师用牛顿的公式进行计算之后说我们正在修建的屋顶太脆弱了,只要下雪就会塌掉,如果我们仍然因为爱因斯坦推翻了牛顿的理论而不相信他的建议,那我们就太愚蠢了。

正是因为有了这样一种形式的确定性作为基础,我们才能真正相信科学。举个例子,如果我们得了肺炎,科学告诉我们如果什么都不做,就很有可能失去生命,如果服用青霉素,就极有可能恢复健康。应该怀疑的并不是这个常识,我们可以安心地确定,有了青霉素,我们存活下来的可能性大大提高,这与我们是否深入理解什么是肺炎并没有什么关系。在已知的一定误差的范围内提高治愈的可能性,这就是一种确定的科学预测。

如果某种理论可以为我们提供预测,那么我们可以只将它看作适用于某个特定领域,并且允许一定范围的误差存在。我们甚至可以认为提供预测是这类理论唯一有用和有意义的地方,而其他部分则是无用的。

如今,部分现代思想就选取了这种方向对科学进行思考。这是一种理性但缺乏说服力的方向,因为它让一些问题变得悬而未决:世界是如牛顿描述的那样,还是像爱因斯坦描述的那样,还是说世界并不像任何人所描述的那样?我们了解这个世界吗?还是说我们根本什么都不了解?如果我们能够回答的只是“这就是用来计算某些物理现象的公式,得出的结果可能是近似值”,那么科学就失去了帮助我们理解世界的能力。从这个角度看,在我们目前掌握的科学知识的指导下,世界仍然是难以理解的。

科学变为可证实的预测,其中问题在于这种变化并不能在科学实践、科学真正的发展方式、科学实际的用途和科学最终吸引我们的原因这些方面还科学一个公道。我将用一个例子来解释这种观点。

哥白尼发现了什么?如果用我刚才提出的角度出发,他什么也没有发现,他的预测系统也并没有比托勒密的系统好,甚至更差。好像这些还不够,哥白尼认为自己找到了宇宙的中心——太阳,但现在我们已经知道太阳并不是宇宙的中心 。那么哥白尼的科学理论价值何在?从上文提到的实证主义的观点来看,它没有任何价值。

但是,如果我们认为哥白尼什么都没有发现,这又有什么意义呢?假设我们坚持这种立场,我们会认为伽利略的研究并没有道理,真正有理的是贝拉尔米诺总主教(Robert Bellarmine),他狠狠地抨击了伽利略的计算方法,认为这仅仅只是一种计算,而不是能够证明太阳位于太阳系中心,或地球与其他行星一样的论据。但是如果贝拉尔米诺的论点得到认可,牛顿的理论和现代科学都不会存在了。而我们还会认为自己处于宇宙的中心。

如果某种科学定义总结出“太阳位于太阳系的中心,地球不是宇宙的中心”这个事实是不科学的,那么我认为这种科学定义已经显示出它的局限性。

科学预测至少在两个方面有着巨大作用。第一,它可以让科学技术得到实际应用(比如,不用等到下大雪,我们也能够计算出屋顶是否会因为承重能力弱而塌掉)。第二,它是选择和验证这些理论的主要标准(正是因为伽利略用他的望远镜观测到金星的相位正如哥白尼的模型中预测的那样,我们才相信了日心说)。但如果将科学归结为一种预测的技术,则混淆了科学和科学技术的应用,把科学看成了一种用来进行确认和验证的工具。

科学不能简化为定量预测,也不能被归结为计算技术、应用层面的规程、假说演绎的推理方法。科学中的定量预测、计算技术、应用层面的规程、假说演绎的推理方法只是一些基础和有力的工具。它们是真理的保障、排除错误的工具,是让错误假设不再停留在错误层面的方法。它们仅仅是工具,能在科学活动中发挥作用的工具。它们服务于这种智力活动,而后者的本质远非如此。

数字、技术、预测可以用来提出假设、进行测试和确认,还可以让各种发现得到应用。但是,这些发现的内容本身却没有丝毫技术性可言:宇宙并不是围绕着地球转动;围绕在我们周围的每一种物质都是由质子、电子、中子构成的;在宇宙中存在着上千亿个像银河系那样的星系,每一个星系都拥有上千亿颗像太阳那样的恒星;雨水是从大海和地面蒸发的水;一百五十亿年前,宇宙在一颗致密炽热的原始火球爆炸中形成;父母和孩子之间的相似性是由一种叫 DNA 分子的遗传物质传递的;我们的大脑中存在着上千万亿个突触,在我们思考时交换电子脉冲;极其复杂的化学被完全简化成了质子和电子之间简单的电荷力;在地球上生活的所有生物有着同一个祖先……这些都是科学思想为我们揭示出的事实,这一切完全改变了我们对世界和自身原有的认识,同时具有直接且巨大的认知意义。

科学是一种认知活动,还是作为可证实的预测的产物,对这两种定义的混淆引发了对科学的新批评,批判“技术统治论” 。这种批评在德国、意大利等国家传播,质疑作为“工具”的科学,但这种批评并没有关注到真正的问题——即科学的目的是什么——反而批评科学只局限于各种方法,而看不到最终目的。但正是这种批评混淆了科学的方法和目的。从技术方面来批判科学,就像以写字的钢笔来评判一首诗一样。我们对汽车的发动机感兴趣,并不是因为它让轮子转起来,而是因为它能够把我们带到步行难以到达的地方。它只是一套齿轮传动系统,却是为我们打开旅行之门的工 具。

探索思考世界的方式

宇宙瞬息万变,生命在于提出见解。

德谟克利特

根据这句简单的思考,请想一想科学知识到底是什么?科学研究的目的不是做出准确的定量预测,而是“理解”世界是如何运行的。那这又意味着什么?这意味着建立和发展对世界的认识,也就是一种思考世界的概念结构,它是有效的,且与我们目前掌握的知识兼容。

科学之所以存在,是因为我们的无知,而且我们还有着堆积如山的错误偏见。科学就是从我们不知道的一切中诞生(比如“山的那边是什么?”),从我们对曾经相信却经不起事实推敲的一切的质疑中诞生,从合理的批评分析中诞生的。我们曾经认为地球是平的,认为地球是宇宙的中心,我们曾经认为细菌产生于无生命的物质,我们曾经认为牛顿定律是完全正确的……伴随着每一个新发现,世界在我们眼前被重新描绘一次,经历一次改变。我们从不一样的角度更深入地认识了这个世界。

科学让我们看得更远,当我们走出封闭自己的小花园的那一瞬间,才明白自己的观点是多么匮乏。科学让我们消除偏见,让我们建立和发展全新的概念工具,用更加有效的方式,在更加开放的背景下思考世界。对科学的认知过程是我们对世界的概念不断变化和改善的过程。在这个过程中,我们不断且有选择地对某些基础假设和观点进行讨论,以找出最有效的改善方式。

科学探索并重新描绘我们的世界,它为我们带来对世界全新的认识,教我们对世界展开思考,以及从何种角度去思考。科学是对思考和看待世界的更好方式进行的永无止境的研究,是对全新思考方式的探索。

在成为技术之前,科学是幻想。阿那克西曼德并不知道方程式,但是希帕克斯之所以能得出方程式,阿那克西曼德的努力是必不可少的。布鲁诺(Giordano Bruno) 打开了宇宙,也为伽利略和哈勃(Hubble) 开辟了道路。爱因斯坦想知道能追上光线的人眼中的世界是什么样的,他在他的书中向我们讲述,他想象出的时空就像一只巨大的软体动物。科学梦想着新的世界,更多时候,科学的梦想是展现真实,而不是我们的推测。

这个重新思考世界的过程是永无止境的。一些巨大的概念革命,比如阿那克西曼德、达尔文、爱因斯坦掀起的革命,就像这个过程中最显眼的峰顶。今天,我们思考世界、组织思想的方式和公元前1000年的某个巴比伦人相比,已经大不相同。这种深层的变化是漫长的知识积累带来的,而这种积累又源于对世界认识的改变。我们已经获得了一些成果,比如我们再也不会用跳舞来求雨。有一些成果尚不完整,就像我们知道宇宙还在不断扩大,它已经存在了一百五十亿年,但是并不是所有人都接受这个观点。有些人仍然固执己见,认为宇宙只存在了六千年,因为这是《圣经》中提到的。另有一些成果已经得到研究团队的认可,但尚未成为全人类共有的知识财富。爱因斯坦理论下的时空结构、量子力学下的物质本质,这些科学理论展现的世界与我们中的大部分人熟悉的世界几乎完全不同。我们需要时间来适应,就像哥白尼的天文学革命成果用了两个世纪才深入欧洲人的意识中。但是,世界是瞬息万变的,在我们认识世界的过程中,它仍然一刻不停地变化着。科学的预见能力能让我们看得更远,让我们消除偏见,为我们从真相中揭示出全新的领 域。

这场冒险建立在积累的知识之上,但它的灵魂是永无止境的变化。科学知识的关键在于,不要被我们确信的一切和我们的固有认识禁锢,要时刻准备通过观察、讨论、提出新观点和新批评去不断改变它们,这种能力才是掌握科学知识的钥匙。科学思想的本质就是批判、反抗,就是排斥一切先验主义、一切盲目崇拜、一切永恒的真理。


题图为卡洛·罗韦利,来自:维基百科

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