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  第十五章 尾声:大一统.2

作者:美- 斯蒂芬·温伯格/译者:凌复华/彭婧珞 当前章节:9133 字 更新时间:2026-6-23 03:34

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译后记

这本书原名为“解释世界”(To Explain the World),确切地说(如果不嫌啰唆的话),是“用物理科学解释世界”,更确切、更啰唆的说法是“用物理科学解释世界,主要以天体力学为例”。本书的精髓在于说明我们今天在发展科学理论时习以为常的思维方法,其实来之不易。它与人类知识范畴中的其他5种思维模式——诗歌、数学、哲学、技术和宗教,有密切的联系,但又有明显的不同。

1.数学。首先通过纯粹思维确定最好的假设,然后进行纯粹逻辑推理。这种模式对数学而言完全正确,欧几里得的《几何原本》是一个极佳的范例。但这种方法并不完全适用于科学。虽然逻辑推理部分相似,但科学中作为理论推导前提的基本假设,必须与观察和实验相符,不能只依赖纯粹思维。因此,以上模式不能在科学中滥用。

2.诗歌。其思维方式是天马行空,纯凭想象,不问是否与实际相符。古希腊的学者往往提出恢弘的理论,但他们不认为有对之进行验证的必要。

3.哲学。亚里士多德倒是主张采用与实际相符的假设,但他主张以自然主义的方法,也就是只能应用对自然的被动观察,而不能人为制造实验环境。他还主张目的论,即认为任何事物都有目的。这对生物器官而言往往是正确的,但不适用于一般科学理论。

4.技术。工程师关注的是发明有实际应用的技术和相应的设备,当然工程师要用到很多科学和数学,以及美学,后者可以看成诗歌的一部分。

5.宗教。遵循教义。如基督教遵循《圣经》,伊斯兰教遵循《古兰经》。特别是自天主教于4世纪成为罗马国教到17世纪科学挣脱神学的束缚,在这段时期科学家必须关注他们的结果是否与《圣经》相符,至少不能违背《圣经》。

本书同样强调的是,科学理论必将不断自我改进,达到更高境界,例如从牛顿力学到爱因斯坦相对论,从牛顿确定性到量子力学不确定性和混沌。而这些最新理论今后也会被更高级、更深入的新理论取代。

正如作者在前言中所述,本书的重点在于物理学和天文学(其实主要是天体力学)。本书的四大部分中,第二部分专述希腊天文学,第四部分科学革命中的大部分与天文学有关,其他各部分对天文学亦多有涉及。技术札记中也有一半是与天文学相关的资料。总的说来,本书至少有一半与天文学有关,天文学的发展史也确实是阐述本书主旨的良好工具。一则它历程最长(5 000年以上);二则名家会聚,从亚里士多德到托勒密、哥白尼、开普勒、牛顿直到爱因斯坦,都有所涉猎;三则天文学与神学密切相关,天体运动长期被认为是神在操纵;四则天体的运动曾被认为十分神秘,但最后因物理学而得到完美解释,比地上的事物要简单得多。看似乏味的天文学发展史在作者笔下生动有趣,引人入胜。依译者个人之见,对托勒密本轮、均轮理论的相关分析过于详细,不过读者可忽略一些细节,并不影响对整体的把握。

作者对历史上科学家的评判标准,一是按与最新科学理论的相符程度,可谓以成败论英雄;二是注意到科学理论是不断改进的,不能要求从一开始就十分完美,只要方向正确,便对科学的进一步发展有贡献,这又可谓不以成败论英雄。这两种看来相互对立的观点其实是极佳的辩证统一。他以很大篇幅描述了哥白尼对科学革命的贡献,推崇苦干、实干而有实际建树的希腊化时期的科学家,如希罗、托勒密和阿基米德,以及牛顿之前的笛卡儿、惠更斯、开普勒、第谷等人,因为他们脚踏实地,在科学的许多方面做出了重大贡献。就对科学的贡献而言,作者对泰勒斯、柏拉图和亚里士多德等名人有所保留,认为他们提出的包罗万象的理论对解释世界并无多大帮助。但他也指出这些名人在科学以外的其他方面(如哲学)颇有建树。作者对培根和笛卡儿所谓的研究科学的正确方法不以为然,指出科学堡垒需逐一攻克,并无普遍适用的灵丹妙药。

作者心目中历史上最伟大的科学家当推伽利略、牛顿、达尔文和爱因斯坦,他们也确实实至名归。伽利略的最重要贡献在于首开现代实验(人为制造实验环境)之先河,他的望远镜对科学的贡献,至今在科学仪器方面仍首屈一指;他的斜面滚球实验,可以被看作现代粒子加速器的先祖。牛顿证明了空中和地面上的事物受同样的规律支配,促成了科学与宗教的分离。爱因斯坦的相对论,把物理学提高到前所未有的水平,至今尚未被超越。达尔文的进化论虽存在争议,但它至今仍是生物界最好的理论。在褒赞他们成就之时,作者并未将其神化,而是人性化地提及了他们的弱点。伽利略与教会关系密切,教皇乌尔班八世曾对他十分敬重,教会因其支持哥白尼理论而处罚他当然绝对错误,但他在自己著作中对教皇的影射攻击也并不妥当。牛顿为了争夺微积分的发明权无所不用其极,甚至匿名撰文为自己辩护。爱因斯坦被他自己参与开创的量子力学的不确定性吓倒,未能对量子力学做出进一步贡献。对达尔文是否试图削弱华莱士在进化论中的功绩而突出自己,世人仍有争议(本书未提及)。但所有这些,不但未降低这些科学英雄在读者心目中的地位,反而使读者对他们更加认同和亲近。

说到科学与宗教的分离,读完此书深有感触。人们知道布鲁尼因相信日心说被宗教裁判所火刑烧死,伽利略被判终身软禁,或许还知道牛顿晚年致力于研究上帝的第一推动力,但或许不知道从公元380年天主教成为罗马国教以来,科学完全被神学控制,包括哥白尼、开普勒、伽利略和牛顿这些大科学家在内,都不敢越雷池一步,凡事都试图从《圣经》求得依据。直到20世纪末,教皇才承认当年对伽利略的处罚不妥。如作者所述,关键不在于教会的判断错误,而在于教会无权对科学家的言行做出判断。但是17世纪科学革命以后,至少在西方,科学已与宗教分离。

科学和技术也与人类文明密切相关。回顾一下世界古文明也不无裨益。最早出现的是8 000年前的两河文明,然后有6 000年前的埃及文明和4 500年前的印度文明。除了埃及金字塔矗立在荒漠中(但古埃及文字直到19世纪才被解读),两河和印度文化的遗物都在荒山野岭中沉睡了数千年,直到19世纪才经欧洲考古学家发掘出来,且古印度最早的文字至今尚未破译。这些文明的一个共同点是,其创造者都无后裔存世。目前居住在埃及的主要是7世纪入侵的阿拉伯人。两河流域民族更迭频繁,最早发明文字(楔形文字)的苏美尔人早已无迹可寻。印度则屡遭外族入侵,包括欧洲雅利安人和蒙古人,现代印度人是多种民族混血的产物。唯有4 000~5 000年前开始的希腊文明传世良久,成为现今西方文明的祖先。与此差不多同时,在东亚和南美分别开始了中国和玛雅文明。虽然两者都在天文历法等方面取得了重大成就,但与欧洲文明相互隔绝,因此并未对现代科学做出多少贡献。约200万玛雅人于9~10世纪放弃了他们高度发展的城市和文明,迁入深山老林之中,其遗迹到19世纪才被欧洲人重新发现,其原因至今仍是一个谜。由上述可知,除了希腊和中国文明,其他文明都遭遇或文字或民族或以上两者的断层,没有延续下来。

但延续下来的中国和希腊文明也有一个很大的差别。希腊民族还在,但希腊文明的现代传人主要不是希腊人,而是西欧人。5世纪西罗马帝国灭亡之后,大部分希腊人甚至不懂希腊文。反而是阿拉伯人将希腊文献翻译为阿拉伯语或叙利亚语版本,至少延续了科学传统。直到10~11世纪欧洲复苏,人们又把阿拉伯语或叙利亚语文献翻译为当时学术界通用的拉丁语,再后是德语、英语和法语。希腊科学就这样传承了下来,且一直居于领先地位,直到17世纪欧洲科学革命时才被超越。中国文明主要是汉文化。尽管不断有外族入侵,甚至入主中原,但不久外族或被同化,或被赶走,汉语、汉字始终保持,并无断层。但目前看来,汉语有强大的生命力,没有其他任何一种文字(包括英语)有可能取代它。汉语作为非拼音文字的种种缺点,随着计算机和输入法的改进日益消逝,今时今日,人们对汉语的态度与几十年前人们对汉语的悲观预测大相径庭。当然为了更好地介绍国外文化,我们仍需要把一些外语文献译为汉语,这正是译者的使命。

对科学发展中的三个重要问题,作者的精辟观点如下:1.首创权。虽然牛顿发明微积分早于莱布尼茨,但他公开发表结果迟于莱布尼茨,因此微积分的首创权应归属莱布尼茨,但牛顿把微积分应用于物理学和其他科学,而莱布尼茨没有,所以牛顿在这方面有更大贡献。

2.理论的微调。以往有关行星运动的理论中,“往往不问究竟、单纯为了实现某些事物等同而对其因素做出调整,我们将其斥为‘微调’”。微调反映了该理论还未抓住要害。事实上,开普勒用椭圆轨道理论代替组合圆轨道,就可以很好地解释行星运动现象,无须任何微调。另一个精彩例子来自基本粒子物理。“20世纪50年代后期,两种被称为τ和θ的不稳定粒子被确定以不同方式衰变—— θ衰变为两个较轻的π介子,而τ衰变为三个π介子。τ和θ粒子不仅质量相同,平均寿命也相等,但两者的衰变方式却截然不同!”开始时物理学家认为基于对称性原理,τ和θ不可能是相同的粒子,但可以调整理论中的常数,使τ和θ具有相等的质量和寿命,但这样的微调简直令人绝望。最后人们发现并无微调的必要,因为两者实际上是相同的粒子,左右对称性不适用于所有衰变过程。

3.理论的简洁性。作者指出:“一个简洁美观并与观测结果吻合得不错的理论,往往比复杂丑陋却更符合观测结果的理论更接近真理。”以哥白尼理论为例,摒弃本轮、均轮等假设而直接采用椭圆轨道将得到与观测结果更为符合的理论。

作者在多处强调了计算结果应以合适的精度表达。工程师和实验科学家对此较为熟悉,但理论科学家和数学家有时会有些误解,一般读者尤甚。作者强调的是,运算结果的表达,不应超过测量值的精度。我们对此做进一步的说明如下:1.测量手段的精度。可根据测量仪器、测量环境和操作者状态推算,一般是可能产生误差的上限。

2.测量值的运算及其结果的表达。除了一些特殊情况,现代计算工具本身引起的误差完全可以忽略不计,而且很容易得到足够位数的有效数字。一般计算机的单精度计算有6~7位有效数字,而双精度计算更有15~16位有效数字,也不难达到更高精度。计算结果的表达,最好是注明精度,即加减某个绝对值或相对值。若未注,一般认为末位数字在加减1范围之内。

比如目前公认的万有引力常数为6.672 59×10–11米3/千克·秒2,其精度是13ppm,即0.000 008,也就是万有引力常数在6.672 582×10–11~6.672 598×10–11。在测量过程中有大量的计算,得到的数值位数可以更多。但考虑到精度,只列出6位有效数字。

对于测量仪器本身,还有两个相关的重要概念。

1.测量数据的分辨率。指能读取的有效数位,与精度相同或稍高。

2.测量结果的重复性。指多次测量得到的数据的分散程度,一般要高于精度。多次测量的平均值在没有系统误差时接近精确值。但测量过程中可能存在系统误差,使平均值可能比精确值偏大或偏小。但系统误差是否存在,不易判断(如果可以判断,就可以设法消除了)。

例如一种精密机械手的出厂指标是:精度0.005毫米,重复度0.002毫米,分辨率0.001毫米。如果测得的提升高度是10.005毫米,那么精确高度在10~10.01。如果重复多次测量,所有的结果都在10.003~10.007。

作为简短的小结,本书可读性很强,轻松阅读本书后,读者可以对科学(特别是天体力学、光学、流体力学等物理科学)的发展史,以及它与诗歌、数学、哲学、技术和宗教等思维方式之间的异同,有比较全面和深入的了解。更重要的是,本书是一把钥匙,为读者开启了一扇大门,以帮助探索世界的哪些方面是可认识、可解释的,以及如何认识和解释。

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