我们人类,无论是个人还是集体,都有一种冲动,想要理解世界和看到我们在其中的位置。科学是对于我们求知欲的回应。而如今的人类求知,说到底,是在科学的框架内,寻求世界起源和结局的答案,寻求意义与目的的答案。
众所周知,2017年诺贝奖物理奖授予三位引力波探测计划的重要科学家。“引力波”的发现,标志着人类的求知史迎来了历史新起点,意味着我们将用一种新的认知宇宙的方式,去了解我们未曾想象却真实存在的新事物。
在这样的时代与契机之下,阅读《求知简史》这样一部跨哲学、天文学、物理学等学科,全景展现人类认识世界的征程的作品,回望与反思人类的求知和认知史,意义重大。
能将深奥的宇宙学、物理学用易懂而优美的语言描述出来的作者少之又少,《七堂极简物理课》的作者卡洛.罗韦利是个中翘楚,而《求知简史》的作者格莱泽是另一奇才。
“格莱泽是位天才作家。”美国著名物理科普杂志《今日物理》如此评价。这并非夸张的虚言,而是真实的赞叹。
《求知简史》的作者马塞洛.格莱泽并非平凡之辈。作为美国常春藤联盟达特茅斯学院知名的物理学和天文学教授,马塞洛.格莱泽也是世界著名理论物理学家,与备受尊重的量子宇宙学家亚历山大.维兰金、获得者弗兰克.维尔切克等人是好朋友。马塞洛.格莱泽所著的5部科普佳作,在美国都是畅销书,曾被译成15种语言。《求知简史》是他的代表作。
《求知简史》首要的魅力和过人之处,在于马塞洛.格莱泽以坚实的科学知识为基础,站在哲学的高度上,用一种诗性的语言讲述人类求知史。这使得读者在阅读时,根本不会有丝毫的枯燥感和畏惧心理,反而觉得异常享受,并不时会心一笑。
在编辑这本书的过程中,我一遍又一遍地阅读,每次都被作者优美而略微幽默的语言所折服。不信,你看看以下这些来自书中的段落:
重复是令人愉悦的,如果自然拍鼓,我们或许也会随之打拍子。一个循环时间带给我们的是重生的承诺,并在人与宇宙之间建立起密切的联系:我们在,故世界在。
也多亏了多普勒,一些世俗小事也能勾起我们对宇宙浩渺博大的联想——每当你听到救护车呼啸而过的声音时,你可以想到数十亿个星系在苍穹之中呼啸而过的情景。
这是一种紧张的三角关系。只有在光子失去活力后,这种三角关系才以电子与质子之间的结合而告终。结果简单的原子得以产生;剩下的光子则从痛苦的爱恨纠葛中解脱,从此在宇宙中无拘无束地四散漫游。
“云不是球形的,山不是锥形的,海岸线不是环形的,树干不是光滑的,光同样也不是以直线传播的。”人们发现大多不是高于万物的单一秩序,而是有序和无序,对称和非对称,它们在我们描述自然的过程中相辅相成,并行不悖。
流向河里的水成为天空中的云彩,然后通过降雨云彩再次成为河流中的水;长成橡树的种子会在成熟的树上重现,最后会再次成为橡树;世界毁灭,然而从其废墟之中,新的世界又兴起了。
有关物体下落的实验是民主科学的,因为对所有物体都一视同仁。但当一片羽毛和一辆凯迪拉克都从十英尺高的地方坠落,其落地所需时间是不同的,原因是二者所受的空气阻力不同。
《求知简史》所涵盖的内容从人类早期的迷信和神话到当代科学中的宇宙和物理问题,他所涉及的话题是如此之广,但驾驭起来却如此轻车驾熟,足以彰显他深厚的科学功底和人文底蕴。
有赖于格莱泽的文笔,哲学家们(如泰勒斯、阿那克西曼德、毕达哥拉斯等)一流的智慧胆识和卓尔不凡的想象力,科学家们(伽利略、牛顿、开普勒、爱因斯坦等)的惊人创造力、不懈努力和强大的实验能力才得以充分体现;而人类的求知历程也显得格外鲜活、饶有趣味、令人感叹又发人深思。
“格莱泽天赋异禀,能够深入浅出地讲故事。”
《求知简史》的深入浅出到了何种程度?坦率地说,即使是初中物理学得一塌糊涂的文科生也能看得懂,并被深深吸引。无论是相对论、时空弯曲、多普勒效应、宇宙膨胀理论,还是奇点、暗物质、暗能量、多元宇宙,或者量子力学、薛定谔的波动方程、海德堡不确定性原理、哥德尔证明等,格莱泽都用浅显易懂的语言娓娓道来,让从前对这些天文学、物理学知识一无所知的普通大众立即秒懂!(关键问题是,这些知识对于我们每一个人来说都尤为重要,因为这是我们了解世界的根基。)即使是对这些知识有所了解的理科生,也因为作者生动、深入的讲述而产生阅读兴趣,并从书中获得过往没有在教科书中获得的深度理解。
而《求知简史》的另一可贵之处,是它具有深厚的人文关怀,而这正是国内科普书所缺乏的。《哥伦比亚电讯报》评价《求知简史》:“格莱泽凭借对于‘谦卑和盼望’的坚定信仰,以他周到的设想和敏感的布局写下此书,且不夹杂任何先入为主的自负感。”
格莱泽的“敬畏”和“谦卑”源于他对“科学的边界”的清醒认识:“我们对世界的了解有个基本界限,不仅受限于探索自然的工具,而且受限于自然本身。‘自然喜欢把自己藏起来。’经历过无数磨难和成功后,我们发现在人类探索自然的这场躲猫猫游戏中,自然是不会输的,它让人看到的永远只是局部。”
在此基础上,格莱泽颠覆了传统的对于科学的目的的认识——科学的目的就是解决并最终理解未知。格莱泽却认为,科学不是所有奥秘的征服者,也不是获得知识的虚幻目标。科学的目标在于凭借我们的能力大程度弄清自然运行的方式。这一还原科学本来面目的思考方式使得科学变得更加美丽、更加有力,也使得对知识的探求是开放式的追求,求知因而变成与未知之间永不间断的浪漫。
《求知简史》是一部跨哲学、天文学、物理学等学科的人类认知发展史。
作者用简洁优美而不乏幽默风趣的笔法,展现了从古希腊哲学家到牛顿、开普勒、爱因斯坦等众人是如何拓展我们对于世界的认知:从宇宙的起源及其物理性质,到世界的物质构成及物质特性,从元素说、原子论到日心说、经典力学,再到相对论、量子力学,其范围大至太空小到量子世界,涵盖了奇点、弯曲空间、暗物质、多元宇宙等广泛主题。
在《求知简史》中作者指出在人类的求知之旅中,哲学家的智慧胆识和卓尔不凡的想象力,科学家的惊人创造力、不懈努力和强大的实验能力,探索工具的逐渐改善,都不同程度地动摇了人类原有的知识根基,并重新定义了人类与未知世界的关系。
《求知简史》的主旨还在于阐明科学知识的边界。局限主要表现在探究工具和物质的本质上:宇宙边界的未知性、量子的不确定性等。但这些并没有阻止科学进步,反而使人类的求知尝试变得高尚、不可预测和充满惊喜。
马塞洛·格莱泽(Marcelo Gleiser)
世界著名理论物理学家,美国常春藤联盟达特茅斯学院自然哲学阿普尔顿教席教授、物理学和天文学教授,著有5部科普佳作,被译成15种语言。《求知简史》是他的代表作。《宇宙中紧迫的现实》(Emergent Realities in the Cosmos)曾被评为2003年美国*佳科学写作作品,其他作品为《跳动的宇宙》(The Dancing Universe)、《先知与天文学家》(The Prophet and the Astronomer)以及《不完美的宇宙》(A Tear at the Edge of Creation)。
格莱泽天赋异禀,能够深入浅出地讲故事。他所描绘的求知历史非常全面,从人类早期的迷信和神话,有条有理地延展到当代科学中的宇宙和物理问题。在描述过程中,他的笔触涉及从哲学到光学乃至人工智能的方方面面。
——《科学》杂志(Science)
《求知简史》是一部人类用智慧来发现事物意义的历史。数百年来,哲学和科学探索所闪耀的光辉从未像现在这般显著。马塞洛·格莱泽使我们感受到了生而为人的骄傲与自豪。
——普利策小说奖、美国国家人文科学奖章获得者 玛里琳·罗宾森(Marilynne Robinson)
我们现在所知已经远远超过我们祖先的想象所及——我们的无知程度也是如此。格莱泽用简单易懂的语言将这一神奇的悖论描绘得栩栩如生。
——2004年获得者 弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)
行文优雅,描述准确,一针见血。《求知简史》是一部描述人类探究其在宇宙中所处地位的宏篇巨著。从有关星体运动的古老智慧到时空起源的现代科学理论,格莱泽向我们展示了人类是怎样努力去理解富饶而新奇的宇宙演变的。
——麻省理工学院量子力学专家 塞斯·罗伊德(Seth Lloyd)
格莱泽书中所涉及内容之广——从认知能力和弯曲时空到量子力学、超弦理论以及多重宇宙——他用全面而易懂的叙述风格使得哲学和自然科学在书中相得益彰。
——《出版者周刊》星级书评
马塞洛·格莱泽用物理学家的知识、哲学家的智慧和诗人的语言来向我们阐明了人类关于宇宙的疑问。如果读完《求知简史》后你的观念和开卷之前无异,那就翻回第一页再读一遍。
——《谷歌总部的柏拉图》作者,麦克阿瑟奖获得者,里贝卡·戈德斯坦(Rebecca Goldstein)
格莱泽有关宇宙学和多重宇宙的讨论颇为引人入胜……《求知简史》深入探索了人类历史上复杂的智力问题……这本书对于原子世界本质所形成的哲学问题提供了深入而透彻的指南。
——《华盛顿邮报》
探索永不停息,新事物不断呈现在我们面前,使我们好奇和惊叹。正如格莱泽先生在此巨著中所证明的,倘若失去了这种好奇心和新奇感,那么科学研究将毫无意义可言。
——《华尔街时报》
格莱泽凭借对于“谦卑和盼望”的坚定信仰,以他周到的设想和敏感的布局写下此书,且不夹杂任何先入为主的自负感:当前时代的科学知识比前人更为完善和完美。
——《哥伦比亚电讯报》
本书既回顾了人类的进步,又对于我们在面对科技进步时所应作出的合适反应作了温馨提示,即我们不应像过去那样对于所取得的知识沾沾自喜,而应面对未知永葆谦卑之心,尤其对于那些可能永远无从知晓的谜团更要如此……《求知简史》是一部颇具启发性的大作。
——来自Brain Pickings网站
第一部分
世界的起源和苍穹的本质
没有信仰,我们能认识世界吗
——信仰和推断在宗教和科学创造中的作用
超越时空
——世界及时间的起源与宇宙苍穹的本质
万物何以成为现在的样子?
——古希腊哲学家关于现实含义的伟大见解
柏拉图“洞穴之喻”的启示
——柏拉图与亚里士多德如何处理首因问题
改变世界的观测工具
——三个杰出的人如何运用新的观测工具改变我们的世界观
打开天堂的穹顶
——牛顿的物理学因何成为人类智慧的灯塔
科学,大自然的宏大叙事
——基于反复的实验对自然做出合理解释
空间的可塑性
——爱因斯坦的相对论带给我们的空间与时间认识上的启示
永不停歇的宇宙
——宇宙如何由一个奇点进而不断膨胀
“现在”并不存在
——“现在”这一概念实为妄造
宇宙的疆域
——宇宙的疆域如何限制我们对宇宙的认知
分裂的无穷
——无穷的定义及其如何融入宇宙论之中
向下滚动
——希格斯玻色子如何加速宇宙膨胀
多元宇宙
——多元宇宙的概念及其自然和超自然的意义
沿着弦景观漫步
——弦景观的概念及其形成的人为动机
我们能验证多元宇宙假说吗
——多元宇宙是一种物理理论还是完全的推测
第二部分
从炼金术到量子力学
虚无中漂浮的一切
——古希腊人的原子论及其影响
艺术与自然令人赞叹的力量和效力
——炼金术:用方法和精神修行探索潜藏于物质之中的力量
难以捉摸的热的特质
——燃素和卡路里是如何被人们用来解释热之特质的
奇妙的光
——具有奇妙特性的光如何引出20世纪初的两次科学革命
学会放手
——量子物理学如何对我们所认识的世界加以限制
一个勇敢的人类学家的故事
——在量子力学中观察者本身是如何影响被测量物质的
量子领域存在什么波?
——马克斯·玻恩对于量子力学的新解
我们能知道什么是真的吗?
——量子物理学如何影响我们对现实的认识
谁害怕量子幽灵
——困扰着爱因斯坦的量子物理及其对我们世界观的影响
贝尔敲响了谁的丧钟
——贝尔的理论及其实验验证如何告诉我们现实比小说更奇妙
意识与量子世界
——意识在量子领域中可能起到的作用
回到起点
——量子谜团想要告诉我们什么
第三部分
思维与意义
论人类的法律与自然法则
——数学是一种发明还是发现以及这一问题为何重要
不完备性
——哥德尔和图灵那些不和谐但却极为重要的发现
有关超人类机器的不详之梦
——世界是否是意识的本质以及现实是否纯属虚妄
敬畏及意义
——反思人类的求知欲及其重要性
1. 改变世界的观测工具
——三个杰出的人如何运用新的观测工具改变我们的世界观
伽利略在1608年秋天接触到了产自荷兰的望远镜,而在此之前,第谷在16世纪最后三十年已细心测量了天体的运动。多亏了他的个人财富以及丹麦国王弗雷德里克二世的支持(弗雷德里克二世于1576年把哈文岛奖给了第谷,包括岛上所有农民、仆人……在第谷有生之年,只要他愿意继续他的科学研究,那么岛上的一切都归第谷所有1),第谷制造了整套测量仪器,这在当时是前所未有的。在望远镜诞生以前,天文测量都只能靠肉眼观察四分仪、六分仪、星盘和其他仪器,来测量天体的位置和运动。到了第谷时期,这些工具都演变成了角度测量仪,天文学家用角度测量仪对天球进行角度测量,群星也就自然附属于这个想象中的穹顶。
于朗空无云之夜踱步外出,众星璀璨(多达上千个),绽于眼前,诸星间距似永恒,恰如镶嵌于黑暗之中。夜色渐深,整个天穹自东向西,缓缓移动。古人夜观天象,看到星辰的位置似乎固定不变,受此启发,便将这天空中的图画赋予意义,称之为星座。尽管同一星座在不同民族的神话中意义不同,人们想要从夜空中获取信息的强烈愿望却在人类文化中无处不在。事实上,有关星辰的误解可以清楚地表明我们的感觉是怎样欺骗我们的,星星既非静态——有些星星的移动速度高达每小时几千公里——也远非人类所理解的平面天穹,群星与地球的距离远近不一,散布于星际空间那无穷无尽的三维立体体积里。天穹和柏拉图的洞穴寓言一样,是出于我们对现实的有限感知而产生的错觉(但在这里,天穹后面应该没有魔术师存在)。这一错觉与我们和群星之间相距甚远密不可分。正如一架高飞于空中的飞机,地面之人望之如蚁行,而有些星体距离我们有成百上千光年之远,这些可见的星星因而看起来是静止不动的。2
如果生活在北半球,透过长曝光照片则能看出,天空绕着一个星体旋转,这个星体就是北极星。事实上,这是地球自转时自转轴始终指向北极星之故,而非天空围绕北极星旋转:北极星(就现在而言)恰好与地球北极对齐。这种对齐方式会在随后的几千年间渐行渐远,因为地球自转轴方向的漂移,像个摇摇欲坠的陀螺,这一运动被称为岁差。
地球绕自身的轴旋转,这一反人类直觉的理念困扰了人类观察者几千年。这一理念认为,地球而非天空,每二十四小时自转一圈。亚里士多德学派的学者对此提出了反驳,称如果地球自转,那么云和鸟就会被甩在后面,抛向天空的石头也会被留在天空。除厄克方图(Ecphantus)和赫拉克利德斯(Heraclides)等少数希腊思想家外,地球自转这一在当时“荒诞不经”的想法直到两千年后才被哥白尼重新提起。
为了测量恒星和行星的相对位置,天文学家以地球的赤道为界,将天空分为两个半球。北极星在北半球的上方。我们把高于或低于天球赤道的角度称为“黄赤交角”(地球表面的纬度与赤道之间的角度也享其名)。因此北极的黄赤交角是90度。和从英国格林尼治的绝对零点开始的地球经度相比,环天球赤道圈的位置被称为赤经。一般而言,赤经度的零度是在春分点,也就是太阳穿过赤道的地点。3稍微复杂一些的地方在于,它和角度不同,正如纬度和经度(和赤纬)不同一样。正确的提升是以小时、分钟和秒来衡量的。天文学家用地球自转将两个角度单位结合到了一起。地球每24小时自转360度,每小时旋转15度,每分钟旋转0.25度(又名15弧分),每秒旋转15角秒(又名15弧秒)。因此,角度为15度的赤纬道之于零点是相隔了一个小时。比如说,要找到猎户座参宿四恒星,那就从春分处以东5时52分(赤经)和赤道以北7度24弧角(磁偏角)处观测。
再说说第谷·布拉赫,他那巨大的特制仪器使得他测量的行星运行精确度达到了前所未有的8弧分。4第谷也知道,还需要结合规律来解决行星轨道形状的精度问题:他拥有的数据点越多,就越能精确探测到行星穿越天空的运动。于是在1572年11月11日,外出漫步回到自己炼金术实验室的第谷在仙后座看到了一颗新星。这一惊人现象如此耀眼,以致新的发光天体竟能在光天化日之下被人看到。根据亚里士多德的物理学,新的天体发光体是不可能存在的:天空是永恒不变的,改变只会出现在月球领域。任何一种天体现象都被视为大气扰动,隶属于“气象学”的研究范围。第谷以他的科学仪器,细心观测了这一新的发光天体,直到它于1574年3月淡出人们的视线。
他的结论是革命性的:首先,“新星”比月球更远;第二,它不是彗星,它没有尾巴,也没有穿越天空。第谷的结论是对亚里士多德信条的第一次严肃挑战。只有拥有足够理性的勇敢之人,才敢宣称某个现有规则是错的,改变正在酝酿之中。第谷追求高精度的测量,因为在他看来在没有数据支持的情况下去理解一些理论,就像空壳一样,观之觉美,却缺乏内容支持。第谷变革性的现代思想由此可见一斑。
我们现在知道第谷观测到了一颗硕大的超新星事件,即一颗爆炸以至于消亡的星体:他所以为的新星事实上是一颗正在消失的老年星体。第谷那了不起的仪器和勤奋使得他比前人看得更清楚;然而,正如科学史上经常发生的事情一样,这也是我们争论的焦点,即第谷的视野为他的见识所限。他对那些质疑他的人所发出的责问对所有人都同样适用:“自以为是的聪明人,观察天空时,何其盲目。”
就好像天空在激励着事情向前发展一样,1577年,又一异象使得业已逐渐蔓延的反亚里士多德主义之火烧得更旺:1577年,整个西欧都看见了大彗星,许多天文学家皆有记载。当年的11月13日,第谷在日落前乘一艘渔船返航途中看到了大彗星,随即对它展开了持续74天的追踪。5将自己的数据与一位来自布拉格的天文学家观测的数据相比较后,第谷得出结论:1577年大彗星距地球之远至少三倍于月球。他注意到他们二人所观测到的月球所处位置不同,而大彗星的情况也不同。第谷在这里所用的技术叫视差,在确定与远处物体之间的相对距离时极其有用。6另外一些天文学家则证实了第谷的发现,这进一步动摇了亚里士多德天体不变学说的根基。
在哥白尼于1543年发表著作《天体运行论》三十年后,第谷得出了这一发现,考虑到这一点,我们不难想象,第谷一定曾热情主动地接受了日心模型。然而,事实并非如此。基于物理学和神学上的原因,他对哥白尼的理论仍持怀疑态度。他提出了具有双中心的奇怪混合模型:地球仍位于创世的正中心,太阳和月亮以它为中心旋转,而其余的星体则绕着太阳旋转。第谷的这种双中心模型是源于他对《圣经》的坚信不疑以及对于观察力量的信念:他细心绘制地图,将星体在一年中不同时间相对于地球位置的任何迹象都做了比较(将他于1577年大彗星观察中所用到的视差技术同样应用于其他星体上),结果却一无所获。
如果地球绕太阳公转,在一年中的不同时间,距地球较近的星体较距地球更远的星体看似会处于不同的位置。第谷对此毫不知情,因为用裸眼来观测出恒星的视差是不可能的,即使用极好的仪器也是如此。第谷和其他人一样,都是茫茫天空的盲目观察者,但他比其他大多数人看得都要远。第谷同样没有找到证明日心说正确性的新物理学,因此即使他的观察和亚里士多德将现实一分为二的旧观点截然不同,他也没有准备好将物理学冒险推进到一个全新的天地中去。
他非常勇敢地与天然水晶球之说决裂,在他的模型中,某些东西肯定与其他东西会有交错重叠。他认为彗星绕着行星旋转,像着火的子弹那样,只在它们尾部留下碎裂的弹片,不过他并没有足够精确的数据来证实这一点。抛弃人间奉若神明的“水晶球”给第谷带来了巨大的挑战:他需要解释——如果没有载着行星运动的水晶球体存在,天体是如何运动的呢?第谷对自己的数据极为自信,他只说星体盘旋在真空之中,而对于怎样解释他精心测量过的天体运行却并无定论。他需要一个缔造者,一个拥有远见和数学能力的人来证明他的模型重现了宇宙的安排。他需要开普勒。
科学史上很少有人像开普勒一样既令人着迷而又才华横溢——他有些神经过敏,而同时又是个勇敢的德国天文学家,在他最黑暗的时刻,他将自己与矮小的哈巴狗等同视之,而事实上他是一位知识上的巨人,为宗教自由而抗争的英雄。不正常的成长经历和个人生活所带来的悲剧在他身上留下了伤痕累累的情感烙印,作为17世纪头十年间天主教和路德派之间剧烈宗教冲突的受害者,开普勒把心思投向了天空,探索着在他的生活中一直缺乏的秩序。7
早在1600年,开普勒便作为助手加入到第谷的研究中。当时,第谷这位天文学王子已不再得宠于丹麦王室,此前他是首都位于布拉格的神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的皇家数学家。第谷为了保持其前半生的荣耀与光辉,为他自己、随从以及他的仪器在距布拉格40公里的贝纳提基城堡建起了高度精密的天文台。
从一开始,第谷与开普勒的初衷便大不相同。第谷想要一个理论家来证明他所相信的片面地心说,他相信这与他的观察结果是一致的,也合乎《圣经》所宣扬的。开普勒作为一个坚定的哥白尼学派学者,他想用第谷的数据来建立一个真实的日心说宇宙模型。他们并肩作战了十八个月,而他们之间的理论冲突则是史诗级别的。第谷并不想将其耗费数十年精力的研究成果送给德国人开普勒,而开普勒则迫不及待地想要得到这些数据。在各种给予与索取之后,第谷最终将他关于火星运动轨迹的数据赠予了开普勒。对第谷来说,这一慷慨之举可谓用心巧妙,他知道火星拥有一个大的偏心轨道,这意味着火星轨道明显偏离了一个简单的圆形。8开普勒的工作便是去解答火星不完美轨道上所存在的圆周运动,从而与第谷的数据相匹配。
开普勒以为只需短短数周便可得出结论,而实际上这一工作花费了他将近九年的时间。1609年,他骄傲地发表了《新天文学》(New Astronomy),他在文中宣称火星的轨道不是一个圆而是一个椭圆。开普勒严格遵照了第谷的数据,得到了这一令人难以想象的、与数千年天文学理论相悖的结论。在尝试将第谷的数据应用于各种圆和本轮数年后,开普勒将托勒密的偏心匀速点理论应用于太阳,将之稍稍偏离了行星轨道的中心。偏心匀速点理论是有效的,但两个测量结果和该模型的预测并不吻合,其误差有8度。多数人在此时便会退出研究,声称该模型是充分接近正确数据的较好方式,但开普勒却迎难而上,或许他知道自己能做得更好。只有那样他才对得起手中的珍贵数据。
于是开普勒继续尝试,直到他偶然得出椭圆理论。这是他第二次尝试该理论,早些时候业已放弃过一次:有时候答案就在你面前,而你却没准备好迎接它。椭圆理论令人十分震惊。经开普勒之手,第谷通过裸眼观察所得的精准数据,将在人类知识史上引发一场革命。科学史上没有什么比这个更能够显示出精确数据在我们整个世界观改变过程中所起到的革命性催化作用。在第谷与开普勒的故事中,我们看到观察家和理论家相结合的威力是多么巨大,即使没有想象中那样富有戏剧性。在此我们引述一个爱因斯坦关于科学与宗教的著名论断:“科学没有宗教就像瘸子,宗教没有科学就像瞎子。”
开普勒并未止步于此。作为变革的代理人,他不能停留在仅仅以第谷的数据证明哥白尼的天文学理论这一点上:他必须提出新的物理学定理来解释这一切。其著作(《新天文学》)的副标题充分说明了这一切:《基于因果关系的新天文学和基于第谷先生的观察从火星运动观测中得出的天体物理学》(A new astronomy based on causation or a physics of the sky derived from the investigations of the motions of the star Mars founded on observations of the noble Tycho Brahe)。这是基于天体的物理观测的新天文学。开普勒不仅像他的先行者那样追寻着描述性的天文学,他还想用物理学来解释天文现象,他坚信星体的运动具有某种因果机制。这的确是革命性的,是天文学史上将因果法则囊括进来,以解释作为力的作用结果的行星轨道的首次尝试。开普勒认为太阳和行星本身具有磁性,它们之间的相互作用正是通过磁性。他的灵感来自于伊丽莎白一世的宫廷物理学家威廉·吉尔伯特(William Gilbert)的著作,其书中将地球描述成一个巨大的天然磁石。如果地球是一块磁石,开普勒认为太阳也将会是一块磁石。两块“磁石”通过茫茫太空相互吸引,太阳和行星也一样,即便它们相距甚远。
开普勒在1605年的一封信中写道:“我的目标是证明天体不是什么非凡的生物体,而是一个有类似时钟齿轮和发条装置的机械……几乎所有的运动都是通过某种单一乃至相当简单的磁力产生的……”开普勒关于天体运动的物理原因的创造性见解将成为牛顿力学理论的基石,后者在17世纪才会出现。
在转向其他话题之前,我要指出另一例子来印证开普勒前无古人的现代性,他1609年的一本书的标题是这样的:“……天空的物理……建立在观察基础之上……”开普勒关于宇宙的猜想天马行空,引人注目,他也知道数据是自然与我们所创立的用于解释自然的理论之间最后的裁决者。尽管这对如今的我们来说是显而易见的,但在当时却并非如此。开普勒是一个过渡性人物,是即将到来的科学变革的先驱。但在当时,他并非孤军奋战,在遥远的意大利,另一个哥白尼学派的学者即将走入历史舞台。
1610年,在开普勒发表《新天文学》一年后,伽利略出版了他的作品《星际信使》(Sidereus nuncius)。在这本小书中,伽利略开始改变我们看待宇宙的方式。他能这样做,是因为他拥有观测天空的有力新工具:望远镜。他所看到的是一个极为美丽而又复杂的宇宙,这种美与亚里士多德理想化的不变宇宙中的空灵天体之完美截然不同。正如第谷的仪器使得他能以前人无可企及的精度来测量天空一样,伽利略的望远镜也使他得以比前人看得更远更清楚。正如在科学史上经常发生的那样,新的观察工具揭示出物理现实全新且常常不可预料的方面。知识岛断断续续地扩大,新的岛屿重新界定了其海岸线,并将过去的海岸线或推入内陆之一隅,或推向遗忘的角落。
尽管早在1608年10月,荷兰眼镜师汉斯·李波尔(Hans Lipperhey)为自己制作的望远镜申请专利时(当局拒绝了他的请求),望远镜的消息便不胫而走,但伽利略所用的第一台望远镜却是他本人的发明。伽利略意识到这种新仪器具有巨大的潜力,于是决定对一位外交官朋友赠予他的望远镜样品加以改进,他自己研磨了镜片,并于1609年7月组装成3倍望远镜。很快,他于8月向威尼斯参议院上呈了8倍望远镜,10月,他又制成了20倍望远镜来观察天空。在改进望远镜的道路上,伽利略并非独自一人。早在1609年8月,英国人托马斯·哈里奥特(Thomas Harriot)便用6倍望远镜观测到了月亮,不过他并未公布他的发现。9望远镜因伽利略而闻名,伽利略为把望远镜升级为研究天文学的新工具而做出了不懈努力,望远镜也如一件武器一般,加速了世界新秩序的诞生。
有关伽利略及其与天主教斗争事迹的著述颇丰,其中包括我自己的作品《跳动的宇宙》。这里,我们将着重探讨他的发现所带来的影响以及他在发展实证科学方法论中起到的重要作用。实证科学方法论后来成为现代科学的标志。
在《星际信使》一书中(从书名便可看出伽利略将自己视为先知),伽利略描述了他通过望远镜所得到的三个主要发现,这些发现都与亚里士多德的宇宙观相悖:月球表面并不完美,和地球相似,充满了高低起伏,和以太组成的完美无瑕的球体不同;将望远镜对准昴宿星团和猎户座,看到了至少十倍于肉眼可见的星辰,这意味着银河系和其他星云并非云状物,而是由不计其数的星辰组合而成;木星有四个卫星,伽利略巧妙地将之命名为美第奇卫星以纪念他的保护人意大利托斯卡纳大公美第奇。后来的一些发现,例如金星表面发光面的相位和太阳黑子的存在,更令伽利略坚信哥白尼是正确的,亚里士多德错了。10即使它们并不足以证明哥白尼的假说能自圆其说(第谷模型也可以做出完整解释),恒星视差法也可以。伽利略决定向世界和教会宣布变革的时候到了,这最终引起了宗教裁判所的愤怒。
伽利略点燃了天文研究现代化与革命性的烈火,但仍残存着其保守性。有一点很特别,他拒绝相信开普勒的椭圆轨道理论。相反,他援引14世纪法国哲学家、牛津学者让·布里丹(Jean Buridan)的理论并对其加以改造,提出了奇怪的圆周惯性定律,以证明星体是在绕太阳做圆周运动。后来他将此定律进一步演绎为线性惯性定律:“除非受到干扰,否则一个在水平表面运动的物体会朝同一方向匀速前进。”(例如滑冰者沿着结冰的湖面这一平滑表面向前滑行。)牛顿随后将这一定律应用于他的运动定律之中,并加入了有关力的定义:“除非受完全不平衡力作用,否则物体会保持匀速。”顺便说一下,“惯性”这个词首次出现于开普勒1618—1621年出版的《哥白尼天文学概要》(Epitome Astronomiae Copernicanae,分三卷出版)。在这一早期现代天文学著作中,开普勒将他的椭圆轨道理论推广至所有天体,并用第谷的数据成功证明了自己的数学公式。对他而言,惯性代表了物体对于外力使其进入运动状态的抵抗力。
对伽利略和开普勒来说,宇宙仍是封闭的,包含在固定的恒星天体之内。事实上,开普勒认为无限的宇宙是一可憎之物:“这一思考背后伴随的是潜藏在我内心的隐秘恐惧;其实每个研究宇宙的人都会在想,既然这浩瀚无边的宇宙没有边界和中心,因此其内在之物也就没有确切的位置。”11
开普勒相信,上帝所创造的宇宙必将拥有几何秩序和对称性,它不会是无穷无尽无根无形的。他甚至将宇宙与基督教中的“三位一体”等同视之:太阳居中是圣父,周围的恒星是圣子,充满阳光的间距空间则是圣灵。为支撑其神学论点,开普勒坚持他与无限宇宙相左的观察结果,并引用1604年超新星的例子(开普勒超新星,是近400年来最后一颗靠肉眼就能观测到的超新星)。无限宇宙的拥护者认为这颗新星生于宇宙深处,故而可见,在它升入虚空之后便会消失不见。开普勒反对这一观点,称新星并未移动。他进一步指出无限宇宙是均质存在的,在任何地点看起来都一样,而这是不可能的,因为人人都能看到,星座里的星体是随意分布的。
布鲁诺(Bruno)在异端裁判所所经历的悲惨命运想必为开普勒铭记在心,伽利略更是如此。布鲁诺被定罪,并被公开处以火刑,这多是因为其神学上的异端,而非他所支持的天文学。例如,他声称耶稣并非上帝之子,而是一个高明的巫师;所谓圣灵,是世界的灵魂。然而,由于他坚信宇宙的无限性,每个天空之中发光的星体都如一个为众多星球所环绕的太阳(他的这一观点是多么正确啊),且每个星球上智慧生物的存在也与地球中心论格格不入,这都与人类独蒙上帝垂青的观点产生了激烈冲突。
在伽利略和开普勒的基础上,牛顿引爆了人类关于现实构想的下一个重大转变。牛顿不仅通过复杂的计算得出了万有引力定律的精确公式,而且打开了天堂的穹顶,指出了宇宙的无限性。像牛顿这样大大拓展了知识岛面积的伟人,可谓是前无古人,后无来者。
人类的探索必须继续
我们需要知道我们是谁,我们需要知道我们在哪里以及我们是怎么到达那里的。科学直面人性,伴随我们去寻找光,寻找更多的智慧之光。
如果理性是我们在科学中所用到的工具,那它就不是科学前进的动力。我们并不试图把理解世界作为目的。我们的探求定义了我们自身,是我们之所以为人的印记:激情、梦想、挑战与忧喜并存的经历,生命不息前进不止的永恒渴望,我们知之甚少、令人生畏却又充满诱惑的各种感觉,各种奇观等待着我们探索,游离于我们的视野之外,却又缓缓走向我们,如此神秘……
我们以最擅长的方式探索自然,用的是我们的工具和直觉,模型和近似计算,充满想象力的描述,比喻和画像。我所理解的科学是无止境的求索,而没有显而易见的尽头。随着我们对世界的了解更加深入,随着我们的理论直面数据,求之弥深,思之弥远,我们意识到我们得到的答案有时是前进了一大步,有时也会倒退:知识岛在变大,有时也会收缩,正如我们对宇宙又多了一层了解,或是否认了先前的谬误。我们会看得更清楚,但永远看不透。
渴望完整的知识未免太过天真。科学在求索的路上总会有错误的地方。也许我们渴望拥有确定无疑的答案,但必须承认不确定性,只有这样我们才能进步。我们局限于有限的视野,被不完整的知识环绕着。我们所看到的一切,不过是洞穴壁上的影子。然而,如果把这些限制当作不可逾越的障碍,那就太过简单化了。各种限制正是进步的触发因素:它们可以增进我们对于世界的了解,并知道怎样去感受这个世界;它们可以使我们更了解自身,同时又吸引着我们继续前进,以寻求答案。我们不断突破限制,并将一往无前,这样我们才能更好地了解我们是谁。科学也是这样一直前进的——时而进步,时而倒退,但始终面向前方——我们每个人都一样,我们每个人的追求之心亦复如是。如果有一天我们对探索未知充满了恐惧,那么那一天就是我们停止进步之日。
科学不仅仅是有关自然世界的知识,它还是一种人生观,一种生活方法,它是人类在充满神秘、恐惧和奇迹的世界上取得进步的共同愿望。科学是我们深夜的裹脚布,是黑暗中的光明,是我们在共同努力寻求同一目标时提醒我们自己能做什么的灯塔。科学既可以用来做善事,也可以用来酿恶果,而科学的这种两面性不过是反映出人类本性的不稳定性及人性中创造和毁灭的两种倾向。
随着探索的进行,我们了解了自然的方方面面,我们要记得,无知之滨伴随着知识之岛而扩张:未知之海滋养着我们的成功。同样我们也应记住,科学不过占领了知识岛的一部分而已,还有许多其他认知方式,它们能够,也应该互相补益。自然科学和社会科学理所当然地能够阐释各方面的知识,但不应被寄以解答一切问题的厚望。若想把我们所能取得的成就全集中于知识岛上之一隅,那将是何等狭隘的见解啊!
人类是具有多面性的生物,人类寻求答案也会以众多可以互补的方式进行。每种方式都服务一个目的,每种方式都不可或缺。和爱人共饮一杯红酒,这杯红酒的意义并不止于其化学上的分子构成,物理上的液体浓度,表面的光线折射,生物学上酒的发酵,以及我们对它的感官反应。除此之外,我们还会感受到它深红的颜色与味道,与爱人做伴的愉悦,以及眼睛里闪烁的爱意,加速的心跳,天涯共此时的深刻情感。即使这些反应大多以人类认知和神经细胞为基础,将它们都简单地说成可计算的数据集合就是大错特错了。它们叠加在一起,构成了人类活着的意义,借助它们,人类寻求着真理,寻求着友谊,寻求着理解与爱。
并非所有问题都有答案。若寄希望于科学解答一切难题,那么之于人类就是消其神,铩其羽,使人类不能多维度地存在于世。本书旨在探索科学知识的边界,鉴于此,这也是一种错误的希望。在科学的框架内,寻求世界起源和结局的答案,寻求意义与目的的答案;我们必须这样做,我们必须一直如此。这也是我作为科学家此生耗时最多的事。当然,如果真以为科学探索之路会有尽头,未知之海是有界限的,仅凭科学便可将其穷尽,那就是另一码事了。如声称人类可以了解一切,可以一个接一个地撬开自然的秘密宝库,像打开俄罗斯套娃那样直到我们得到最后一个,那将是多么狂妄的想法啊!
承认人类知识的不完整性并不意味着人类智慧的失败,也不意味着我们人类从此举手投降,放弃探索。它意味着我们将科学置于人类王国之内,虽然科学是强有力的,但它也有犯错的时候,虽然科学是我们描述世界的最好工具,但仅靠科学也是不够的。科学并未反映出上帝所赋予的真理,并不是由从完美的柏拉图主义王国获出的发现所组成;科学反映出人类的不安与忧虑,反映出人类对于秩序和控制力的渴望,反映出人类在无垠宇宙面前的敬畏之心。
我们对于视界之外潜藏着什么并不知晓,我们对宇宙初始状态的思考一筹莫展,我们对如何对量子世界进行确定性的描述难以措手。这些未知并非我们目前无知的表现,也不是我们探索工具有限的证明。这些未知偷偷反映出自然的本质,光速、时光之箭、不可改变的随机性构成了它的边界。“我们不知道”和“我们没办法知道”有着本质的区别。针对这些未知的答案,就算找到了,其适用范围也会非常有限。除非我们比光速更快,否则我们不能直接探索宇宙边界之外的世界;所有对于宇宙初始状态的科学解答都严重依赖于科学框架中概念上的限制——场、守恒定律、不确定性、空间、时间和重力的本质;量子物理的非定域性使得对于微小世界确定性的求索成为不可能。更笼统地说,所有科学探索都必然有其局限性。
我理解,对于一些人来说,他们很难承认科学的局限性并不损其美妙,亦不去其效力。我认为这种抗拒根植于一种过时的思考方式,这种思考方式把科学当作所有奥秘的征服者,将获得绝对知识的虚幻目标与持续探索的动力相混淆。和这种思考方式相反,我认为还原科学的本来面目会使之变得更加美丽,更加有力,这将让科学与人类其他富有创造力的行为相结合,使之变得引人注目,多姿多彩,当然,也和我们人类本身一样并不完美。
甚至在我们身边,在目前所知的疆界之内,我们只能看到万物之一毫。回想起我们为暗物质和暗能量所环绕,构成我们可见世界的物质只占宇宙中各种物质的5%。此刻,不明的暗物质就在我们周围。即使我们的工具不断演进(这是毫无疑问的),即使我们最终解开了暗物质和暗能量的奥秘,但我敢肯定,我们能获取的信息只有这么多。意料不到的事无疑潜伏在我们眼皮底下,可能会使我们目前的世界观发生巨大转变。
我们所谓的现实,是由各种不断演变的观点镶嵌而成的图案。
请再留意一下,我的观点并非悲观,并不是要人类放弃求索。恰恰相反,人类求索之路必须走下去。对自然的探索使我们活着有意义:我们会寻求更多答案,但同时心里也很清楚,令人惊讶的新问题会层出不穷。当我们从历史角度来看待科学时,不仅需要我们学会接受知识的不完整性,同时还要将其视为前进不止的象征,就和人类自身一样。
和我们的祖先一样,我们深深为大地的浩瀚所折服,为隐藏在未知中向我们招手的美丽而折服。是敬畏使我们有动力,并使我们昂然出发。是敬畏架起了人类过去与现在的桥梁,并带着我们走向未来,持续探索。我们无须将论点细分成“我们能知道一切”和“我们不能知道一切”,相反,让我们拥抱内心深处的敬畏之情,拥抱内心深处的学习热情,去发现,去一点一点照亮前方的路,使知识岛的边界进一步向外扩展,向里扩展,向各个方向扩展——只要我们继续推进伟大的求知事业。让我们咆哮吧,冲着知识之光的熄灭而咆哮。我们永远不会满足于轻轻步入漫漫长夜。我们要继续发光:这才是重要的,这才是我们作为人的意义所在。
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评分还可以吧,后半部分理解起来有难度了
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