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文/编辑：豆爸读书会  欢迎来到豆爸读书会，每周四在亲子学乐公众号首发更新。 前几天跟孩子在餐馆吃饭，就听见旁边座位上，一个大约十岁左右的孩子兴奋地问“妈妈，你知道平行宇宙吗？”这位妈妈边给孩子夹菜，边说“不知道，快点吃”，孩子不再言语，埋头吃起饭来。 想象一下，孩子兴致勃勃地想跟家长分享自己的见闻：“在我们身处的这个宇宙世界之外，竟然还存在无数个相似的宇宙，在这些相互并行的宇宙里，或许也有一个我在做着不同的事情，这也太神奇，太不可思议了。”孩子抑制不住自己的兴奋，就像发现了一个天大的秘密，急切地想跟人分享。 这本来可以成为一次有意义的亲子对话，不仅可以增进亲子关系，还可以对孩子进行科学启蒙，激发他对科学的兴趣和好奇心。但是家长的回应，一瞬间浇灭了孩子的热情。 所以，今天我们想分享的是一本科普书籍《世界观：现代人必须要懂的科学哲学史和科学史》。这本书被评为《读者》杂志2019十大影响力好书，豆瓣评分高达8.9分，是很多大咖极力推荐的一本科普名著。它为我们讲述了科学史特别是物理以及天文学的发展历史，以及其中蕴含的哲学思想。
我们身处的世界，看起来一目了然，其实充满玄机。从古至今，吸引着无数科学家投身其中，坚持不懈地观察、研究、探索。就像打开一个盲盒，拆开包装，发现里面还有一层包装，继续打开，又发现更多，层层叠叠，就是无法看清世界的真面目。 这个世界究竟是什么样子？相信读完这本书，你会有一个答案，而且你还会发现，数学、物理、天文学这些看起来枯燥艰深的学科原来如此有趣。
牛顿的世界观&亚里士多德的世界观 我们先从牛顿的世界观说起。因为上学时，物理课上我们应该都学过牛顿的三大运动定律和万有引力定律，可以说我们是伴随着牛顿世界观长大的。也正因此，我们觉得一切都显而易见。一个物体如果不受外力，它可以一直运动下去；地球、火星还有其他行星都围绕太阳做圆周运动，是因为万有引力的作用……这些都没什么值得怀疑。 这里，我们不妨思考一下，这些定律真的正确吗？ 比如万有引力定律，我们熟知的故事是牛顿因为苹果下落而受到启发，提出了万有引力定律。这个定律指出，任意两个物体之间存在一种相互吸引力。苹果落到地面，正是因为受到地球的吸引力，也就是重力的作用。而大到天体，像地球、火星等行星围绕太阳做圆周运动，也是因为万有引力的作用。那么重力是不是真的存在呢？ 我们想象一下，现在你面前的桌面上放着一支笔，你不能碰它、不能向它吹气、也不能摇桌子，总之在不能跟笔发生任何联系下，你可以移动这支笔吗？按我们的常识，这几乎是不可能的。 在很远距离之外就可以产生作用，不用联系也看不见，这是不是有点像气功中的隔空打牛？所以你看万有引力定律，是不是不太像科学定律，更像是一种魔术？那重力到底存不存在？我们先卖个关子，后面爱因斯坦会给出自己的不同见解。 可以肯定的是，当牛顿理论初次发表时，这种有点神秘气息的“超距作用”就受到了很多批评和质疑。假设我们身处400多年前，会接受他的新潮理论吗？毕竟，在这之前我们可一直信奉另一种科学，那就是亚里士多德为我们构建的世界观。 在亚里士多德的世界观里，地球是静止的，是宇宙的中心，月亮、太阳和其他行星、恒星都围绕地球运动。这套理论也很完善，看起来也很合理。天文学家托勒密有一套完整而精确的数学体系，虽然有点复杂，但用于预测和解释相关天体在天空中的位置，表现也相当出色。而且这套理论已经存在了1400多年，可以说深入人心。
对于困扰牛顿的苹果下落问题，亚里士多德的理论也有合理的解释。在他的理论里，物体的运动方式源于构成物体的元素的本质属性。 在亚里士多德的理论里，地球上构成物体的基本元素主要有四种，土、水、气和火，而构成像行星和恒星这些天体的元素与地球元素不同，是以太。每个元素都有一种内在性质，或者说是天然的趋势，就是要达到它在宇宙中的天然位置。 比如，土元素的天然趋势就是向宇宙的中心运动。所以，向空中扔一块石头，因为石头是由重量较重的土元素构成，而土元素有向宇宙中心运动的天然趋势，所以它会下落，因为地球就是宇宙的中心。 而火元素的天然目标是向边缘移动，远离中心，所以火向上燃烧。而构成天体的元素以太，它的天然目标就是沿正圆轨道运动。所以这也能解释天体围绕地球运动的观测事实。 虽然我们认为亚里士多德的世界观是错的，但这并不代表亚里士多德世界观是幼稚的、天真的。他的理论具有强有力的支撑，错误也并不容易察觉。是经过科学史上很多著名人物的共同努力才找到的。 就拿地球是静止的，是宇宙的中心这个观点来看，它的错误并不是显而易见的。 其实早在古希腊时期人们就意识到，太阳显然每天都在围绕地球运动，要解释这个现象，可以假设地球是静止的，这样就是太阳每天绕地球运转一周；也可以假设太阳是静止的，这样就是地球每天沿自身轴线旋转一周。坚持地心说理论的托勒密就明确思考过这个问题。他经过分析后得出的结论是“地球在运动”这种观点，与实实在在的观察证据相矛盾。 想想，假设地球是运动的，那地球表面上你和我现在就将以大约1000英里/每小时的速度疾驰。结合我们乘坐汽车的经验就会发现，如果地球是运动的，我们一定会观察到运动的迹象。比如能感受到迎面吹来的劲风，感受到运动的震动，在如此高速的运动中，我们甚至都站不稳。所有这些现象都让我们有合理的理由认为地球没有运动。地球既然是静止的，其他天体都围绕地球转动，地球是宇宙的中心自然就是成立的。 最终，日心说取代地心说，牛顿科学理论代替了亚里士多德的理论，是因为亚里士多德的理论遇到了危机，遇到了与自己理论不相符的新发现、新现象。 比如，望远镜发明后，伽利略观察到月球表面也像地球一样由岩石构成，有山峰、平原以及月坑，而不是理论中所预言的由“以太”构成。既然是由岩石构成，按亚里士多德的理论，它就应该像我们抛出的石头一样最终落下地面，而不是在空中做圆周运动。再比如，伽利略还发现了围绕木星做圆周运动的四个卫星，按之前的理论，所有的天体都应该围绕地球运动才对……总之，这些发现动摇了亚里士多德世界观的根基。 随后，在17世纪，关于太阳系的开普勒体系，以及牛顿理论，以更好的预测和解释新现象的能力被普遍接受，成为物理世界新的理论体系。并从物理领域，延伸到化学、生物学、电动力学等各个领域，可以说整个科学领域都被“牛顿化了”。
不可思议的相对论 我们上学时学的物理、化学等等都是牛顿科学体系下的知识，这里就不多说了，下面我们主要讲的是，如今，牛顿科学体系也面临着和亚里士多德体系一样的命运。 在牛顿经典理论的辉煌时期，很多物理学家一度认为，我们已经完全洞悉了宇宙的全部奥秘，物理学大厦主体工程已经完成，除了天边的几朵小乌云。没想到就是这不起眼的小乌云，彻底颠覆了我们的物理大厦。 前面我们说了一个理论出现问题，多半是它预测应该发生的现象没有发生，或者对某些新现象无法给予解释。下面我们就分别来看“小乌云”中比较重要的两朵，如何颠覆牛顿的科学理论，发展出相对论和量子理论。 第一朵乌云，是迈克尔逊—莫雷实验，这个实验跟光有关系。由此爱因斯坦发展出相对论。你有没有想过，每天萦绕在我们身边的光，究竟是什么？ 最初，科学家认为，光应该是一种波，就像水波一样，是通过水这种介质进行传播的，没有介质，就不可能有水波的运动。所以光应该也是通过某种介质进行传播，他们把这种介质称为“以太”。 这里要注意一下，这和前面提到亚里士多德理论中的“以太”名字相同，但没有什么联系。所以迈克尔逊—莫雷实验就是想找出更多的证据来证明以太的存在。 然而，实验不仅没有发现以太存在的证据，而且无论怎么测量光速都是一样的。这与牛顿定律的预测不相符合。我们知道在牛顿运动定律里，物体的速度总是跟参照物有关，一列行进火车的速度，相对于路边静止的树木，和相对于迎面而来的另一列火车，它的速度是不同的。 就在光速不变原则之上，爱因斯坦陆续提出了狭义相对论和广义相对论。相对论为我们呈现出与之前不一样的宇宙图景，概括来说，他改变了我们一直以来对时间和空间的看法。 我们几乎很少去思考时间、空间究竟是什么。 时间和空间像是我们生活的背景，恒星、行星在其中运行，太阳东升西落，各种生物体在其中繁衍生息。时间像一条河流，缓缓地从过去一直向前延申到无限的未来。这也是牛顿科学体系里对时间和空间的看法，被称为绝对时空观。作为背景的时间、空间不受任何事件的影响，是一成不变的。 而在爱因斯坦相对论的体系里，时间不能脱离空间单独存在，时间和空间不再是绝对的、一成不变的，而是变化的、相互交织在一起，以四维时空的概念出现。 比如，运动就会改变时间和空间。对运动的人和物体来说，时间流逝速度会变得更慢一点，而且在运动方向上长度会收缩。最著名的思想实验就是双胞胎谬误。 说的是，如果一对双胞胎，一个留在地球，一个乘宇宙飞船以接近光速去太空旅行，当他返回地球时，会发现他比地球上的另一兄弟年轻很多。
再比如大质量物体会弯曲周围的时空。想象一下，本来平整的蹦床，当人站上去，百八十斤的重量，瞬间会把脚周围的蹦床塑胶面给压得凹下去。同样像太阳这么大质量的物体，也会将周围的时空进行弯曲，而弯曲的时空又会改变周围物体的运动轨迹。 我们想象一下，一只小蚂蚁在地球仪上爬行，它企图沿着直线走，但因为地球仪是球形的，所以它实际走的是沿着曲面的一条弯曲线，也就是飞机飞行的测地线。弯曲的地球仪就像弯曲的时空一样，使运动在其中的物体改变了方向和轨迹。 换句话说，在相对论中，并不存在吸引的力。事实上，火星只是沿直线运动，但是由于时空处于弯曲状态，这条直线变成了围绕太阳的一个椭圆形轨道。你注意到了吗？牛顿科学里的万有引力在爱因斯坦的相对论里失踪了，同样的现象被解释为时空的弯曲。 怎么样，爱因斯坦的相对论是不是非常的有颠覆性？让人很难想象和理解。但相对论已经是一个得到充分证实的理论，在预言和解释方面，广义相对论的表现优于牛顿理论。只是它的数学模型更为复杂，所以在低速状态下，我们可能还会使用牛顿定律。
匪夷所思的量子理论 如果相对论已经让你难以接受和想象，那下面要讲的量子理论保证更让你三观尽毁。 量子理论是由另一朵小乌云—“黑体辐射”现象发展出来的一套理论。如果相对论研究的是像天体、宇宙这样的宏观世界，那量子理论就揭示了微观世界的法则。描述了在构成物体的原子、亚原子层，这个肉眼无法观察的极端微小世界里的奇妙景象。 这个微观世界与我们感受的日常世界有着截然不同的运行法则，所以也表现出很多在我们看来匪夷所思的奇异现象。正如著名物理学家理查德·费曼所说：我认为我可以肯定地说，现在没有人理解量子力学。 下面我们就来看看这个奇妙的微观世界。我们还是以光为例，前面我们提到光究竟是什么？实际上，光既是一种波，又是一种粒子，叫光子。像电子、质子、中子和其他亚原子粒子也都像光子一样表现出波和粒子的双重特性，我们统一称为量子。 这中间还有一个小趣事。物理学家约瑟夫·汤姆森，因证实电子是一个粒子，获得了诺贝尔奖，后来他的儿子乔治·汤姆森因证实电子是一种波，也获得了诺贝尔奖。父子俩人为我们还原了一个完整的电子形象。 这些量子实体，有时候表现出波的特性，有些时候又表现出粒子的特性。然而，波和粒子是完全不同的两类事物。我们可以把粒子想象成一个小球，它是独立的、单个的，占据一定的位置。 波就不一样了，设想一下，一个石子扔进河面，由中心向四周会泛起层层波纹。波更多的是一种现象，通常在一个较大的区域内传播。它不是局限在一个相对较小而且定义清晰的位置上，可以看出它与一个个粒子的形态完全不同。 但就是如此不同的两种事物，却神奇地同时集中在这些量子实体身上。这可能也是它们表现怪异的原因所在吧！ 现在我们设想一个微观世界的场景，一个电子，飞到一堵墙面前，墙上有两个狭窄的缝隙，它会如何穿过缝隙呢？按我们的经验，它可以选择任意一个缝隙穿过。其实，这样想就错了。实际上它会同时穿过两个缝隙。看起来是不是很荒谬？ 假如，迷惑不解的我们想知道它究竟是如何分身穿过两条缝隙的，所以在两条缝隙边，分别安装两个探测器，准备一看究竟。但这时新情况出现了。每次只有一个探测器发现电子，也就是说，电子每次只会从其中的一个缝隙通过。就好像它“知道”附近有探测器，不再表演分身术了。 这个假想的场景，包含着量子理论里面两个重要的命题，也是最让人们困惑不已的难题。
第一是叠加原理。 在我们现实世界中，每个物体都有一个确定的位置；如果是运动物体，根据牛顿运动定律可以精确计算出它在未来某个时刻的位置。 但是，量子理论数学给出的通常都是概率性预言。比如，用量子数学来预言一个电子的位置，它会告诉我们在不同位置探测到电子的可能性。而电子此时的位置是在这儿、那儿或者“任何地方”的各种可能性的叠加状态。所以，如果理解了这种叠加状态，那么电子同时通过两个缝隙是不是就没那么奇怪了？ 第二个是测量难题。 当我们安装了探测器，想观察电子的行为时，这个“观测”行为改变了电子的状态。 按我们已有的经验，假如我们测量一辆汽车的速度，这个测量不会对汽车的状态有任何影响。 但在量子试验中，探测器扮演了一个非常重要的角色，这种观测或者测量会改变电子原本的样子。换句话说，如果我们选择进行测量，电子呈现出一个样子，如果我们不进行测量，电子将是另一个样子。 更让人困惑的是，在我们的观念里，测量或者探测装置与其他物理设备没有什么实质性的不同。就像一把尺子可以测量我的身高，同样，我也可以选择站在一扇门前，根据我和门的比例，大致估算出我的身高。尺子和门在物理特性上没有什么实质性的区别。 但在微观世界，这些神奇的粒子，就仿佛能敏锐地知道我们想要窥探它的意图，瞬间改变自己的行为，“塌缩”成一种确定状态。
如果这部分听起来有点抽象，那我们下面讲个更形象的例子，请出历史上最有名的那只“薛定谔的猫”。这只猫经常被提起，它是量子理论重要奠基人之一薛定谔提出的思想试验。这个思想实验形象地展示了量子理论的奇怪之处，也就是我们说的叠加原理和观测难题。 设想我们把一只猫放进一个不透明的盒子里，在这个盒子里还有一个放射源，这个放射源在一小时内有50%的机会衰变，如果衰变发生，发出的辐射会触发打开毒气，这些毒气可以毒死盒子里的猫。那么问题来了，一个小时后，这只猫是死了呢还是活着？ 如果这只猫是微观世界的一只量子猫，依照量子理论，在我们没有打开盒子之前，猫既不是死的，也不是活的，总之不处于任何一个确定的状态，而是处于“死”和“活”两种状态的叠加状态。“当我们打开盒子的那一刻”，这是一个观测行为。这个观测行为导致猫咪的叠加态瞬间“塌缩”成一种确定的状态：要么是死了，要么是活着。 其实，早在1928年，量子理论的许多公式和法则就已经确立，并做出了科学史上最精确和成功的各种预言和解释，是被试验证实的理论，没有任何争议。但是对理论的解释却没有完成，人们依然不知道为什么是这样，这些粒子身上到底发生了什么？
这是真实的世界吗？ 围绕量子理论的解释非常多，文章开头孩子提到的平行宇宙就是一种。 按这种解释，当我们观测时，量子并不是从各种可能状态的叠加态“塌缩”成一种确定状态，而是像树枝开叉一样，分裂形成多个宇宙，每一种可能的结果都会出现在各自的宇宙中。比如，在“薛定谔的猫”实验中，当我们打开箱子，发现猫还活着。 同时，在我们这个宇宙之外，还会扩充出另一个宇宙，在另一个宇宙里，猫是死的。所以在多宇宙的诠释里，存在大量的、数不清的无穷多个宇宙，所有可能的结果都会出现在不同的宇宙里。 这时，你可能会说，这也太神奇了，真的存在这么多宇宙吗？在另一个平行宇宙里，我家的孩子或许就是个学霸吧？ 那么，多宇宙的解释是正确的吗？它描述的是真实的世界吗？作者的态度是“不可知”，换句话说，谁知道呢!毕竟除了多宇宙的解释，关于量子理论还有哥本哈根解释、隐变量、非实在论等等多种解释。到底哪个解释反映了我们真实的世界，确实不好说。 正因此，在书中，作者不仅为我们讲述了科学的发展历史，也讲述了一些关于科学认识的哲学思想。其中就有看待科学理论的两种态度，“工具主义”和“现实主义”。 “工具主义”，也叫“实用主义”。依照这种态度，科学理论归根结底只是一种数学模型，它只要能做出准确的预测和解释就可以了，至于这个理论是否反映了现实世界，就不用特别考量。相反，对秉持“现实主义”态度的人来说，一个理论，不仅需要给出准确的预测和解释，它还必须要反映事物的真实状况。 不过，我们总是不自觉地持有“现实主义”态度，把数学模型理解为现实世界的真实反映。只是，这个“真实”并不容易判断。 比如，在亚里士多德的时代，以地球为中心的科学体系，可以比较精确地预测和解释行星的运行，它就被认为是反应了世界的真实情景。然而，当开普勒的体系出现后，曾经以为的“真实”变成了不真实，地球不是静止的，也不再是宇宙的中心。 再比如在牛顿理论体系中，我们一度认为“万有引力”是真实存在的，正是它让行星围绕太阳运转。而当相对论问世后，“万有引力”也消失了，代之以时空的弯曲。 我们不禁要问，究竟哪种是真实的世界？ 对于这个问题，现代最伟大的物理学家之一霍金曾说，问一个数学模型是否真实是无意义的，是否与观测相符才有意义。如果两个模型都与观测相符，那我们就不能评价哪个更真实，而是哪个方便应用就用哪个。可见对待科学理论霍金秉持“实用主义”态度。 他还举了个有趣的例子。很多年前，意大利蒙扎市议会禁止主人把金鱼养在弯曲的鱼缸里，理由是，鱼在弯曲的鱼缸里会看到弯曲的景象，这对金鱼来说太残酷了。针对这个问题，霍金表达了自己的看法，他说，怎么能知道我们看到的图景就是没有被歪曲的？如果这个鱼缸里的一只金鱼科学家，在他们变形的参照系中表述出一套科学定律，这些定律总是成立，而且还能预言鱼缸外物体的运动，那我们就承认金鱼看到的是实在的一个正确的图像。 看来，我们也不应该问这是真实的世界吗？而是问，这些理论能很好地描述这个世界吗？ 好了，这本书就为你解读到这里，有兴趣的朋友，建议去看看原书，原书中无论是对各阶段的科学理论还是一些相关命题的哲学思考都有更详细的阐述。 |
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