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汪诘杂谈 | 二谈光速极限不加“人类已知”的道理

2021-04-08  科学声音   |  转藏
   
上期节目谈了下为什么绝大多数科普书中在光速极限前面都不加“人类已知”这四个字的定语,令我倍感意外的是,竟然引来了很多的争议,我看了看评论,差点以为自己这期节目是在讲中医问题而不是物理问题了。有很多评论看着很眼熟,我想我需要再多说几句。
首先,我想向因为上期节目受到伤害的听友表示我的歉意,说者无意听者有心。
我必须说明的是,如果有人要在光速极限前面加上“人类已知”这四个字的定语,从语义上来说这肯定不能算错,我上期节目也没说他有什么错。
我只是在试图表达一个事实,什么样的事实呢?
就是在我看过的所有被大家公认为经典的科普书籍中,我从来没有看到过哪个科普作家或者科学家在谈论光速的时候,会说“光速是人类已知的宇宙中的最快速度”,最多也就是表达为:光速极限是人类对宇宙规律的一个基本假设,它是一个定律,或者说它是一个公理、一个原理、一个假设、一个前提等等。

请大家注意,我这是在试图表达一个事实,而不是一个观点。如果有人不同意我刚才说的,其实很简单,只需要举出反例来证伪这个事实就可以了。但是,如果你误把事实当做观点来反驳,认为所有的科普书都写错了,不应该那样写,你坚持认为要加上“人类已知”才是更好的,那就不是针对我,而是针对所有的科普作者了。

假如你最终发现我说的确实是一个事实,而这个事实和你的认知有较大的差异的话,那么我建议你不妨想一想为什么会这样,而不是把不认同的怒气和怨言发到一个只不过说出了一个事实的人身上,矛头有一点歪。
咱们继续谈为什么在光速极限前加“人类已知”这四个字定语是不必要的
有人留言问:

既然你自己都说了光速极限是科学中的一个假设,那加上“人类已知”不是很应该吗,有什么毛病呢?

他可能不知道,物理学中的所有“定律”都是一种假设,无一例外。注意这里我的用词是“定律”而不是“定理”,在科学中,“定律”和“定理”这两个词的含义差别很大。


光速极限与物理学中的许多定律,例如热力学、电磁学的定律一样,都是物理学中的基本定律,它们都是无法被证明的,就像是几何学中“任意两点之间可以做一条直线”“凡直角都相等”这些公设一样,无法被证明。
有些人可能会感到奇怪,为什么定律无法被证明呢?其实这是由逻辑决定的,跟我们喜不喜欢无关。
请你想想所谓的“证明”或者“推导”是怎么回事,无非就是把一个或者若干个成立的命题,用大家公认的逻辑推出下一个成立的命题,这就是所谓的证明。
现在你把这个证明的过程反过来想,任何一个成立的命题的前面都有另外一个成立的命题,但这么反着往上倒追,总会有到头的一刻啊,我们的逻辑推演必须要有一个起点啊,而在科学中,我们把这个推演的起点叫做定律。在数学中我们把推演的起点叫做公理和公设。

在科学中,有很多很多个定律,每一个定律都是这样一个逻辑证明的起点,所以我们也可以把它们称为假设。其实,我更喜欢费曼在《费曼物理学讲义》中的用词,他说:“这些物理定律我们物理学家的信念根据定律推导出来的其他命题我们就称为“定理”。
大家应该没有见过任何一本教科书中会在物理定律前面加上“人类已知”这四个字吧?

道理不难理解啊,如果这些基本信念也都要加人类已知的话,那么这书读着实在也太啰嗦了。所以,如果有人去跟某本物理教科书的作者说:你的书写的不严谨,你应该在能量守恒前面加上“人类已知”这四个字的定语。我想这位作者可能会无言以对,但作者多半也不会采纳他的意见。
在物理学中有一个有意思的现象,就是“定律”是有可能变成“定理”的。
最典型的例子就是开普勒三定律,这是描述行星运动规律的三个定律,开普勒最早发现他们的时候是从无数的数据中总结出来的规律,无法被证明,只是一个观测事实的总结。但是,后来牛顿提出了万有引力定律,于是,人们就发现,原来开普勒三定律是可以通过更简单明了的万有引力定律一口气全部推导出来的。也就是说,只要万有引力定律是成立的,那么开普三定律就必然成立,这样一来,开普勒三定律也就变成了开普勒三定理了。
再后来,爱因斯坦大神出现了,人们发现原来万有引力定律是可以通过爱因斯坦的广义相对论自然而然地推导出来的,因此,严格来说,万有引力定律在广义相对论出现之后,就变成了万有引力定理了。我们现在只不过是因为约定俗成,还在说定律而已。
而你们知道广义相对论又是怎么推导出来的吗?
它其实也是由几个更基本的定律推导出来的,这些基本的定律其中之一就是光速极限,只是大家更习惯的把它们叫做原理或者公理。
明白了这些定律之间的关系,我想,你就应该能理解为什么开普勒三定律,牛顿万有引力定律虽然定律的地位都不保了,有时候我们说的夸张一点就是这些定律被推翻了,但准确的含义可不是说这些定律统统都错了,被推翻的只是他们定律的地位,它们从定律降格成了定理,但依然是正确的,依然是可以被我们所使用的。我想即便到了宇宙末日的那一天,在它们的适用范围内,也依然是正确的。
说到这里,不知道大家是否听明白了,光速极限可是比万有引力定律更加基本的一个命题啊。假如这个命题要加上“人类已知”这个定语的话,那么所有的物理定律、定理可都要加上人类已知了,这是科普作家或者教科书作者无法承受的累赘。

还有听众留言说:

我上期节目用圆周率 π 来比拟光速,不是很恰当,数学的常数和物理学上的常数有区别。


这一点我是完全同意的,但说实话,我实在找不到更好的比喻了。我打这个比方只不过是为了帮助大家来找到对光速极限这个概念的感觉,至少就我自己来说,我对它们两者之间的感觉是有相通之处的。

我以前也说过,科普肯定不是准确的教学,但一个粗糙的理解,总是要好过错误的理解。

我想,假如你是一个对物理和数学有着深刻理解的科学爱好者,那么,应该不至于被我这个比喻所误导。但如果你的头脑中,无法区分光速和动物奔跑速度的区别,那么这个比喻或许能帮助你向前进一步。
我还没有说完,刚才只是回答了某些听众留言的疑问。
我想请大家再来看一个物理学中的基本定律,这个定律叫做“因果律”。什么意思呢,就是原因和结果存在先后次序,在同一个参考系中,原因一定发生在结果的时间线前面。说得通俗点就是我妈妈的出生一定早于我的出生,因为我和妈妈的关系就是妈妈是因,我是果。你现在收听我节目的时间一定晚于我录制节目的时间,因为我录制节目是因,你收听到是果,这也是因果律。
因果律是一个定律,是不需要证明的,以目前人类的知识也证明不了。
我想请大家想一想,你们对因果律的感想是怎样的?假如有人看到某篇文章或者小说中,有这样一句话:“经过鉴定,小王与老王确实是父子关系,因此,我们可以肯定地说,老王的出生时间一定早于小王的出生时间。”这个人跟文章的作者说:你这个说的实在太不严谨了,你怎么能肯定小王一定比老王出生的晚呢?你最多只能说:人类已知的小王比人类已知的老王出生的晚。或者说:根据人类已知的物理规律,小王比老王晚出生。
我想,这个作者可能会被怼的哑口无言。但旁观者估计绝大多数人会认为这个人是在抬杠,有点鸡蛋里面挑骨头的感觉。不知道你同意吗?
接下来我想说的是,光速极限是因果律的前提,如果光速极限不成立,那么因果律也就不成立了。

要求在光速极限前面加上人类已知,其实跟要求在因果律前面加上人类已知在数学上是完全等价的。至于光速极限为何与因果律密切相关,这个话题只要是谈时间旅行或者光速极限的的科普书中都详细谈到过,你想找很容易找,我就不再赘述了。
假如较真的话,因果律当然是人类已知的规律,但是,我们想想,凡是能用人类语言说出来的东西,哪个又不是人类已知的呢?
我想我已经尽了自己最大的努力来说明一个“事实”的观点,请一定要区分观点和事实的区别。有人可以不认同这个观点,但是,他却无法否定这个事实。
好了,这就是本期的汪诘杂谈。
假如看完本期节目的留言,觉得有必要,我就继续来个三谈光速极限。我觉得,帮助人们改变旧有观念的科普节目是更有价值的科普节目。


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