物理与头脑相遇的地方Word格式文档下载.docx
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这种思维方法能促进科学的发展;
毕竟科学就是在争那一点一滴的定义方面的不同。
但中国的儒家文化走中庸路线。
如西方的鬼是可以和上帝抗衡的,而中国的鬼归阎罗王管,顶多恶作剧。
黑白分明应用在人事关系上,难免起干戈,但中庸之道于科学无益,且用多了,处事态度上容易产生出差不多或马马虎虎的态度。
互补原理
西方自有了上帝和撒旦,这种极端的二元论就扩展开来,任何二元的事物不可相容互补,所以当出现波粒二象性时,波尔要道歉似的地解释这是观察出来的没理由的。
容许多元
和真理对立的不见得是异端,因为真理可能有许多不同的面向。
如果早期的人们能认识这一点的话,历史上许多以宗教为旗帜的战争就可以避免了。
因果关系
如果我们观测到有两件事A、B先后发生,我们仍旧不能断言它们之间有因果关系。
我们要去寻求这两件事是否由于另一件事C(因)所引起的,而A和B只是C引起的两件先后发生的事而已。
如果是的话,我们最多只能说,A和B之间有相关性而无因果关系。
一果必有一因
由于这种混沌性质,宇宙不可能是一部被“一饮一啄,莫非前生所定”的简单绝对因果关系所注定的大机械。
似乎每一个因只有某一限度的影响力。
量变引起质变
如果有了一个因,能有许多果,可是没有人能确定到底是哪一个果。
前言生活在太空中
科学和哲学密不可分
哲学家及科学家二者都关心事物的因,而且都有要问的问题:
为什么事物是如此而不是那般?
为什么它们的行为是这样而不是那样?
相对论除了在科学上的重要性之外,还构成了一种主要的哲学体系,这体系增大了伟大的认识论者,如洛克、柏克莱、休谟等人的深思反省。
不过是一些老生常谈
本书不触及黑洞、夸克……,因为专注于这些事物,却很容易变成去提倡这个感觉:
科学是在我们日常生活之外的事物。
然而科学并非“遥不可及”,并不比“你讶异于为什么天是蓝色的?
”更加不可及。
别怕问天真的问题
艺术家米勒(BobMiller)喜欢问下面的“科学”问题:
你如何能把10万吨的水托到稀薄的空气中,而不用到看得见的支架?
答案:
“造一朵云。
”在科学的最前锋,最奇妙的事往往只是把日日遇到的科学奇妙处,加以润色修饰而已。
我们之中大多数的人,对于每日接触到而不了解的事物,数目之多,就和古代的希腊人或巴比伦人一样。
可是我们学会了不去问这些问题。
科学成就的一个后果居然是把好奇心泄了气,把好奇心抹煞了。
像牛顿或爱因斯坦这一类的天才成为天才的原因是:
他们问很明白、很天真的问题,结果是,这类问题的答案却是惊天动地的。
科学当然是文化的一部分
科学非但实用,也决定了我们如何思考及感受。
了解之后,更加谦卑
因为生命的似不可能性,使得生命更为可贵。
牛顿的万有引力理论曾引起一场文化上的风波,不是因为他“发现”了重力,而是因为他发现了重力是无处不在的(万有)。
不能什么事都讲求功利
威尔逊(RobertR.Wilson)和一位参议员关于费米国家加速器实验室里原子击破器的对话:
——有没有任何和这个加速器有关的东西,涉及国家安全?
——没有,先生,我相信没有。
——在这方面真的一点价值都没有?
——它只和我们人民之间的互敬、人民的尊严、我们对文化的爱好有关。
它与以下这些事物有关:
我们是不是好的画家?
好的雕塑家?
伟大的诗人?
我们的意思是,在我们这个国家中,这些都是我们真正崇拜仰慕及尊重的东西,使我们爱国的东西。
在这种意义下,这些新知识和尊容、国家有关,可是它和防卫我们的国家没有直接的关系——除了能使这个国家变得更值得去保卫。
第一部
求知的艺术
第一章科学如隐喻
在哲学、科学及感触的最前沿经验上,不可避免地,要去摸索出一种新语言,用来为这些刚注意到及正在了解中、还不稳当的新东西,赋予精确的意义及心像(image)。
——法兰克·
欧本海默
我们运用这些字的方式是隐喻(metaphor):
以我们熟悉的材料为模,再加上幻想为型。
试看一堆有字天书
物理学家在解释某些名词时,如果出现的景色愈复杂,他们也就愈要伸展开,去寻觅适当的幻想词语来描述。
如培根对热的描述“热是一种扩张的行动,不分布于物体的整体,只存在于其小部分,同时又互为制衡、互斥、被击回,因而物体会有一种不同的运动,永远在颤抖中挣扎、被回音所刺激,因而从这些颤抖、挣扎、回声中能冒出火及热的威猛。
科学家词穷了
科学关心的主体非但经常无法由肉眼看到,也无法感触及,无法量度,而且有时还想像不到。
司大罗JohannB.Stallo说过,目前的宇宙模型只是“推理小说”,是一个在了解它时有用的工具,可是最后也只能把它们看成物质世界“象征的表象”而已。
去想像看不到的事物是件难事,因为想像的意思是在脑中已经有了视觉化的心像。
而对一件你从来没有看过的东西,你怎会有一个心像?
科学用语也不能免俗
因为不能假想宇宙真正的形态是什么,我们只能依赖自己很觉得自在、可是有相当限度的模型。
这些模型的形象不时在改变,后果是,我们对宇宙的看法也一直在大幅改变。
常识不一定可靠
隐喻是从日常经验取出的。
除了用已经知道的东西当做蓝本以外,没有其他方法去想像不知道的事物。
每一个科学模型,如学习外语,直到你不假思索的时候,才真正管用。
可当你很流利或对某一套理念很流利,它们就已经是你的一部分了。
到了这个程度,其他的语言及不同的理念都会自动变成外语,或觉得诡异。
太熟悉也很危险
世上那些日常经验已使我们框制出(科学出现之前)观念。
科学还有一个特别的语言问题,即字词都是从日常生活的语言中借来的,再把这些字词应用在离开日常生活很远的领域中。
科学所用的字眼和我们日常生活及语言中用的字眼一样,造出的误解经常要比阐明的多。
夸克是什么意思?
许多物理学家对于应用在次原子粒子方面的字眼感到不安,如charm,color,flavored。
有些物理学家声称这些词的应用比胡说八道还要糟,因为它们不折不扣必定会引起误解。
爱因斯坦把“以太”请出物理教室
字的毛病是,无论我们觉不觉得,它们会自动表现出某种心像。
哈佛大学的生物学家古尔德提醒我们,早期要人们去接受大陆漂移理论,是件多么困难的事。
因为这个理论和我们当时的思路异道而行;
可是一旦这理论被接受了,每个人都认为不能接受这理论的人是笨蛋。
化约抽象法是老把戏
模型有可能是十全十美的,但却是不可行的。
处理真实的自然世界的自然形态,是一件太复杂的工作。
抽象化是一种把深刻到无法去测量的事物蒸馏出要素的方法。
模型愈简单,就和现实离得愈远,然而最简单的模型往往是最有用的。
数学在这里发出光耀
数学术语之有用,在于它能让你以精美及精确的方法去描述事物,而你可以对这事物的性质一无所知。
至于如何想像出无法用日常语言描述的心想?
因为你无需去想像,你可以把这个问题置之不理。
不幸的是,我们不能把世界变成数学。
搭错线,却走对了路
我们对大自然所设定的数学或其他心像,终究一定会是错的,可是即使是不正确的模型,仍然有用。
模型可以用来作为坚实的基础,即使这模型的假设有误。
费曼是视觉化的大师
视觉化的心像,可协助我们思考那些想像不到的事物。
有时自然界的事物是无法想像的,因为太复杂,和我们日常经验到的事物,差距太大了。
最伟大的发现都是模型之外抽象的东西,而那个模型在这方面没有什么大用。
模型就只是模型
即使是最坚固的脚手架也要被拆散丢开,而最好的模型也会被新的模型所取代。
脚手架可以用来盖楼,但它们不是真正的目的。
模型用在不适当的场合时,也可能产生误解,如把物理学的简单模型应用到复杂的事物如人身上。
第二章正确?
错误?
我们也许再次需要倚重科学的影响力,来保持社会的神志清明。
能适合这角色的不是科学知识的确定性,而是其“不确定性”。
——温伯格,《一个终结理论的梦》
犯错并不是发生在科学家身上最坏的事,而是如物理学家鲍立所说的“连犯错都不够格”,那才是更糟的事,因为你的理念根本就不值得去反驳。
爱因斯坦的理论一定有错
科学中很少有真正是错误的东西,可是科学中没有一件东西是永远对的。
没有绝对的真理
一旦某个理论面临了技术修正的问题,并不会被驳为错,而是建立了限制它的有效范畴。
在这范畴之外,必须再建立新的理论。
科学只是近似!
在真正的科学中,永远不能证明一个假设正确。
哪来“科学革命”这回事?
正确的理念是能生长出更多正确理念之花的种子,而错误的理念常常是不孕的,产不出果实。
错要错得有价值
一个好好地想出的错误理念,能用来和正确的理念做比较,那是跳到正确理念的始点。
第三章瞧出端倪
夸克、胶子……如何能相信真有这些似乎只存在于瞬间的东西?
这些都是没有人能看到的东西。
“那就是看你认为‘看到’这词是什么意思了。
我们的“心眼”狭窄?
我们对许多资讯都很盲目,辐射只是其中一种,还有声音、冷热,我们都比不上动物植物敏感。
跨出自己的蜘蛛网世界
百叶窗及瞳孔的目的不是把资讯放进来,而是把资讯排除。
把资讯从“杂讯”中铨选出来是所有认知中最重要的过程,可是它明显的也是能暗藏错误的诡雷地。
视而不见的东西往往是我们最熟悉的,譬如鼻梁或眼镜,日落及孩童的吵闹声亦然。
残像原来是如此
感官机能的疲乏,有时能让你认知出与收到的讯号相反的现象。
聪慧的科学家(或作家、或父母、或医生、或木匠)就是拥有“集中注意力于重要事物”这个特别才能的人,既能把讯号和杂讯分开,又能知道在什么时候,看似杂讯的讯号含有重要资讯的呢喃声。
“像”由心生
我们的宇宙心像转变得这么快的一部分原因是,我们看的能力成长得很快。
非但视觉,所有的感官经验也都在我们体内产生出来。
可是我们仍然把这些性质归属于体外的事物。
科学不再以人的感官去探测世界
凡事只有一个观点才是错误的
我们看到的完全依赖我们在找什么,也依赖我们的观点是在哪里。
时和空、能量及质量、波与粒子,都是同一东西的不同形态。
格雷高利指出,认识是用以前储存的心像来看待现在的事物;
认知是选择一个最可能的(最熟悉的)事物,当作“这是什么?
”这问题的明显答案。
我们非但只相信自己看到的东西,到某种程度,我们也只看到自己相信会有的东西。
要把这“真实”世界的心像从我们先入之见的影响中解开,是很困难的事情。
我们知道的宇宙有多少是我们真正发现出来的,还是我们认为是如此的?
先入之见毕竟是好臆测。
那是我们需要的捷径,能使外界来的资讯不至于把我们压得不能喘气,可是绝不能认为它们是真理(这很必要)。
记忆并非不折不扣的记录
我们看到的都是对自己说来熟悉的东西,同时我们也选择出自己想要看到的东西。
我们看到的是什么,也与文化有关;
这偏差甚至还适用于我们透过应当是客观的科学所看到的事物。
感官仍然继续愚弄我们
仅靠智慧知识,也不能改变我们认知出来的是什么。
我们都有极多的经验,知道飞过我们的东西在消退于远距离时都变小了。
如果它们看上去“并不”变小的话,那么这种现象只能说是这些物体真的变大了!
科学在寻找不变性
这世界上充满了许多重要、可爱、但就是无法去测量的东西。
爱情是其中之一,憎恨、幽默及几乎所有的感情亦然。
我们非但是观众,也是演员
当婴儿学到,从不同观点看,一只奶瓶能呈不同形状,可是还是同一只奶瓶,他或她就学会了对奶瓶的认知。
光速不变类似于此,我们认知出的是“不变性”。
第四章科学的审美观
诗人说科学把星星之美拿走了;
科学家说,星星只不过是一团气体原子而已。
能把木星形容为人的人,是诗人,为什么把木星看是一个极大的沼气及氨气的球体的人,却得闷声不语?
科学并没有把大自然的情操和美剥掉,使它成为只是一群赤裸的方程。
相反,对于自然界的科学了解,能加深我们对它的敬畏及展延它的神秘感。
艺术家和科学家都被自然及人性所吸引,自从人们企图了解周遭的世界以来,科学及艺术就已经并存了。
科学家冷酷无情?
艺术家以感觉去看待自然;
而科学家则依赖逻辑。
艺术探诱情感;
科学家则要构出道理。
事实上,这种二分法太离谱了,并非真相。
一位不能自制的人只能做不入流的诗人,而谨守科学方法的科学家也不能扬名立万。
好的科学理论要有美感!
对科学家而言,他们依赖一种称为“洞察”的艺术方法,以便做出想像力的大跃进。
想出新理论并不容易,那需要难以置信的想像力。
导引科学家向想像力下一步大跃进的方向,往往是对于美的憧憬,可是往往也不是。
伟大的科学家一定满怀热情!
费曼被介绍为会打鼓的物理学家而不是会理论物理的鼓手。
简单就是美
你能认出真理,因为它既美又简单。
第五章自然的互补
量子力学是一个极为成功的体系,它的贡献不是普通人说的发现:
不是一个新粒子,甚至于不是一个新理论或新方程。
它是一种哲学上的展望及见解,能让现代科学家看到不计其数、隐藏在矛盾或诡论后面的东西。
互补就是美
如果一个是真理,另一个按定义来说,必定是异端。
结果呢,当然两者都是对的。
换个角度看一看
对于互补的应用,奥妙在于知道什么时候该用哪个观点。
在某些极端的例子,专注于一个情势的某一面向,真的能把这情势的另一面向给毁了,如海森堡测不准原理。
千万不能定于一尊
任何对大自然或人性抱持“只有一个象是真理,另一象是异端”这种观点,大约是错的,或者至少是危险的。
互补不是妥协。
毋宁说它像一个盒子的各面,或者一个问题的不同面向。
你看到的是什么,依你看的是盒子的哪一面而定。
显微镜能加强你观看的能力,可是代价是视野受了限制。
一个观点是对的,相反的观点不见得就是错的——真理不是和异端对立的另一端(反之亦然)。
第二部
发动者及震撼者
第六章力和赝力
如果你坚持非要力的精确定义不可,那你永远也得不到
!
——费曼,《费曼物理学讲义》
力是什么?
力是很真实且重要的东西,可是如果以日常生活的隐喻去描述它,肯定会使我们更糊涂。
严格来说,力是一种能量与动量的转移。
换句话说,力其实是描述东西互相“联系”起来的一种方式。
惯性的成因仍然是谜
让物体倾向于直线运动的力是什么呢?
我们不知道惯性定律的来源。
结果是,习以为常的惯性仍然是自然界最深晦的谜之一。
真空中羽毛和石头同时落下,因为重力大的惯性也大。
马赫原理
爱因斯坦觉得重力和惯性能如此完美地互相平衡,因为不接受这个巧合,他下了这个结论:
重力不是一种力,而是我们生活的空间中,一种看不见的曲率。
马赫原理假定对于变化的阻力,来自宇宙中所有物体和所有其他物体的重力交互作用,你的跑动或眨眼可能影响到其他星球的运动。
运用到广义相对论上,就是质量极大的旋转体在动的时候会把时空带着跑。
你被打回的力不能比你打出的力更重。
因为这张纸无法以如50磅的力回打你,因此,你也无法真以50磅的力去打到它。
重力就是一种赝力
赝力就是那些在某一座标系中看上去似乎是力,而在另一座标系中却不是的力。
相对论并不是说“每一件事都是相对的”,而是指不管你怎样看这情势,物理上的后果都一样。
四种基本作用力
重力——载这个力的粒子是尚未发现的重力子。
强作用力——被胶子所载,胶子把核粒子胶住。
电磁力——被光子所载。
弱作用力——被W粒子及Z粒子所载。
最后两种同属电弱作用力。
重力
电荷能找到伴侣而变成中性,可是重力绝不松手。
原子核可吸引的电子,数目有限制;
可是一枚星球能用重力吸入的物质,数量却没有限制。
电力
电力才是物质中真正的“东西”。
强作用力、弱作用力
强作用力有时叫核力,是把原子核中的成员拘束在一起的力。
弱作用力是放射性的推动力,和电磁力有共同的根源。
力非常挑剔
重力和电力强度随距离增大递减而色力恰相反,不同种的作用力只在某种东西上才有效应。
时空中的皱纹
“场”是用来克服“反对牛顿对重力的理念”的观念。
力是怎样从这里传播到那里去的?
场的观念就消除了对“超距作用”的烦恼;
它暂时把距离消除掉。
场的理念能把力转换成几何。
当一颗恒星爆炸了,多年后它的重力场仍然徘徊不散。
力场有它们自己的生命。
基于鲍立不相容原理
在通往“力也是粒子”这理念的路上,提出“重力场可以是一种分立的实体”的观念,是很重要的第一步。
下一步就是量子力学。
所有的物体,包括能量或力场,都是量子化的。
物质的粒子顺从鲍立不相容原理,所以不能压缩物质,可力粒子不遵守这个原理。
力与物质的边界又模糊了
在温度极高或极低时,力与粒子模糊不清无法区别。
第七章量子跃迁
量子力学的意义是,所有次原子事物的质(依次类推到万物),都是可以很精密地去“定出量”来的。
牛顿宇宙中的平滑连续性就此没有了。
现在大家看到的自然,是结结巴巴的或颗粒的,从一数量跳到另一数量去,从来不横越这二者之间。
不确定性就此降临?
量子力学看上去是模模糊糊还是清清楚楚,就要看你专注的是两个互补性质中的哪一个。
如果你专注于某种相向,譬如众人皆知的海森堡测不准原理,那么量子力学就显得很模糊不清。
而如果你专注的是量子单位的明确性,那么量子力学看起来就很具体。
物理学家维斯可夫甚至于说,测不准原理应当称为明确性原理。
在太阳系中,可能有无穷的稳定轨道形态;
然而在原子系统中,只有一百来个——每个对应于一种已知的元素。
给我量子,其余免谈
在离子体内没有量子态(也没有“原子”)。
可是宇宙中的大多数物质都存在于这种高能量形态中。
但是在地球上的温度范畴中,量子支配一切。
量子化并不陌生
没有2.2个人,灯不可能既开又关……
质与量
多一些(或少一些)某物,就能改变物体的质,这是量子力学的核心理念。
量变引起质变。
目前物理学家最紧迫的第一要务,乃是在找出极大和极小的行为之间的联系,所谓重力量子化的工作。
探索极端
在整部科学史中,最有成果的探索经常徘徊于极端及边缘的地区——热与冷、快和慢、大和小、少与多的外限。
或者如一位物理学家朋友告诉我的,“所有在中间的东西都属于工程。
第八章相对说来
几乎一开始,人们就把相对论认为既是哲学又是物理。
相对论的精髓在于绝对性
“并非”所有的东西都是相对的,而是自然律永不改变。
更为重要的是,内含于牛顿定律中的物理观念,在极高速度或极强重力的环境或其他许多情势下就不灵了。
既然自然律是依你的观点而定,牛顿力学才是相对性的理论呀!
爱因斯坦看来,时间和空间呈相对性(就此而论,能量和质量亦然),不过这是其他基本常数的绝对性的外围效应。
所有相对论中奇奇怪怪的东西都来自这个更为古怪的事实:
光速的绝对性。
“每件事都是相对的”之根源就是因为光速和自然律都不是相对的,而是绝对的。
时间的相对性
只有和事物有联系时,时间才有意义。
天上一日,人间一年?
时间的性质依你用何方法去量度而定。
小娃一日,老人一年?
计算一段时间的长短是很神秘、高度个别化的过程。
去问时间出现以前的时间,就如问空间的另一边是什么一样的荒谬。
时间有起点而空间却没有。
时间与空间
时间和空间分不开。
时就是空,空就是时
似星体100亿年前发生的事,与地球上今天发生的事,很奇妙地具有同时性。
同时性是相对性的。
如果要测量速度,你必须测量距离及时间,但要测两点间的距离必须确定两地的钟已经同步了。
于是得用光,可仍得把光旅行的时间算进去,可由此你又得测光速。
真正的怪事是,光速是绝对的量,同时数不清的实验证实了时间和空间的量度不是绝对的,而与其他东西有关。
狭义绝对主义
来自光的绝对速度及其他自然律的相对性效应如下:
第一,当你以近光速旅行时,时间的流动变慢,空间收缩。
第二,以近光速旅行的物体的质量,会变得更大些。
物质是一种“冻结住”的能量。
所有的钟都依照相对论的方式走
你无法知道你是否变重,或时间是否慢下来,空间收缩了,甚至无法知道自己是否在运动。
爱因斯坦把这种观点称为“固有”观点,使它与其他座标系的观点有别。
我们的倾向是认定自己的习性和习惯正常;
唯有别人的行为模式才似乎是扭曲的。
广义相对论
狭义相对论的基础是电与磁力、或光的相对运动。
广义相对论则把当时所知的最后一种力——重力,带入了这家庭的畜栏中。
在广义相对论中,你无法知道你是在加速中,或者仍然身处在重力场内。
重力是时空的曲率
重力是相对的;
它不是一种强迫物体下落的力,而是一种空间的性质。
相对论并不是说每件事都是相对的,从不同观点去观看,还能得到同样的结论。
一旦你发现了哪些东西是绝对不变的时候,你就学到了哪些东西只是表象而已。
第三部
线与结
第九章波和四溅的水花
原子来,原子去,可是记忆能一辈子都在。
很显然,我们不以组成人的原子来替人下定义。
抽象体似乎带有一种魔魅性,因为它们可以单独存在,不需要物质;
同时也因为它们能做出物质本身做不出的事。
模式万能
所有自然律其实都是观测到的模式,那是物件与事件之间的关系。
它们有极大的权威,因为它们允许无限的种类出现,可是又具有令人惊讶的规律。
波,真不是东西
波和四溅的水花的区别是,波可能比自己还要大。
因为它的成为不是“东西”,它是资讯的运动。
只有当能量不断注入时,例如人们对这波流行时尚感到兴趣……波才能继续走下去,甚至还能把它的强度增大。
造成波的不是动的东西,而是运动中的资讯。
这就是为什么波能互相干涉,可是还能保存自己特性的原因。
干涉模式无处不在
当两件东西加起来变成没有的时候,可以很确定的说,这两件东西都是波。
干涉现象这个大模式,来自两个其他模式的叠加因此它是极好的放大镜。
物质波不是分布波,而是几率波。
爱丽斯漫游兔洞的奥秘
正弦波的周期出奇地一致,如摆的等值性。
模式是力的图形
地球是圆的,因为重力在拉它,而因为离心,所以不是正圆球。
第一十章共振的魔力
顺天时,识时务
共振的威力不折不扣来自:
时间对,地点对。
共振能把许多小小的一推,叠加起来,结果变成很大的推劲。
已经十分愤怒的群众,只要小小的刺激,就足以造成暴动;
餐桌旁的许多相互挖苦刺激,最后能造成离婚。
共振,有声有色
音乐和颜色的由来。
共振,无处不在
共振决定了什么要沉下,什么能通过。
第十一章对称性和影子
有时模式