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    2017年03月20日

    第06期 总第456期

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  • 走过“科学”,走向“科学”

    时间:2016-09-23    来源:经理世界网    作者:张轶群 我要评论() 字号:T | T

  • ——读《给世界的答案》

    “科学”一词并不陌生,但“科学”的演化是神秘而复杂的。

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    亚里士多德撰写《形而上学》,奠定西方思想理论;哥白尼提出日心说,改变人类对自然看法,否定教会权威;牛顿描述了万有引力和三大运动定律,奠定现代工程学基础。斯蒂芬·温伯格所写得《给世界的答案》却没有如此描述物理和天文的发展。《给世界的答案》主要论述了我们如何寻求探索世界的方法,在讲述伟人做出贡献外,也清晰指出其理论下存在的问题与矛盾。在破解太阳系一章中,哥白尼理论阐述了地球有公转和自转,对行星轨道的大小给出更加明确的界定,解释了托勒密理论中的许多怪现象。同时哥白尼在围绕太阳公转和围绕地轴自转外,为地球加入第三种运动是一种思想局限与误解。以这种开放、批判性思维,本书从希腊物理学讲起,不仅叙述了希腊物理学的兴起,更表达了物理、物质、诗歌、音乐、数学、运动和哲学的延续性,同一性。物理的发展首先是从理解世界开始的。物质是水?空气?泥土?众多的诗歌都给出自己的答案,“水是万物本源”“万物源自泥土,万物归于泥土。”物理正是从这种自然现象的探讨中诞生;通过调整弦的长短比例,乐声和谐动听,由此引发了人类对数学的思考,数学的发明与自然现象无关,但常常在物理理论中发挥作用;事物是绝对运动和相对静止的统一,在运动中,希腊物理学认为运动着的东西由其他东西推动,一运动物体推动另一个,序列不能无限延伸,必须存在第一推动者……

    在古代世界,最富成果的科学分支是天文学。天文学在古代具有一定的实用性,人类通过观察天文,为生活和社会提供实际的指导意义,水手们在夜间航行借助北极星确定方位,斗柄北指天下皆冬,斗柄东指天下皆春。古希腊天文学没有射电望远镜,也没有火箭,更无法进入太空,但是凭借着观测思考,测算了地球、太阳和月球的大小、以及日地距离和地月距离。那时的阿那克西曼德认为地球是圆柱体,亚里士多德通过月食时候,地球在月球上的投影推测出地球是球形,但亚里士多德同时也认为地球未运动,并给出趋向宇宙中心的自然运动理论。托勒密引入本轮、对位点和偏心轮机制解释了行星的逆行,但其理论机制复杂。站在现代科学理论角度看,古希腊天文学发展有很大局限性,但对于当时历史条件来说,天文学取得非凡的进步。从罗马帝国开始衰亡,在中世纪早期的西欧,几乎没有人懂希腊文,从此刻到科学革命的爆发期间,天文学不是停滞不前,在欧洲的大学和伊斯兰机构中得以保存和发展的。最典型的就是海塞姆提出光在折射中发生弯折的真正原因是光从一种介质进入另一种介质时速度产生变化。但伊斯兰国的天文观测主要服务于历法与宗教,不用于科学目的。所以当科学革命到来时,伊斯兰国毫无动静,只有欧洲见证了这场巨变。

    对于科学革命的认识,有两种认识,一种认为在一定程度的科学发展基础上的自然延续;另一种认为是科学革命是学术史上的分水岭。本书作者支持分水岭说法,并给出了他认为的理论支撑点,“在科学革命之前,科学中充满了宗教元素以及今人所称的哲学元素,且并未理清与数学的关系。而17世纪以后的物理学和天文学其中有些地方与现代科学极为相似。”科学革命主要从四方面体现出来,对太阳系的研究、牛顿定律、开始尝试实验,研究方法进行了转变。太阳系的研究从哥白尼《天体运行论》开始,到开普勒的《天文学中的光学》《宇宙的奥秘》,到伽利略的《星空信使》《试金者》《对话》,人类对太阳系有了正确的描述,而这些行星为何遵循开普勒三定律,牛顿等另一代人给出了答案。牛顿出版了《自然哲学的数学原理》是自然哲学史上的巨作。《原理》第一卷中陈述牛顿三定律后,对其进行演绎推论。第二卷用过大量篇幅研究物体在流体中的运动。第三卷介绍了对以测量事物的分析计算以及对尚未测量事物的新预测。《原理》确立了运动定律和万有引力原理。之后的爱因斯坦提出的广义相对论否定了牛顿的绝对时空概念。这些理论的发展都伴随着实验的进行。例如伽利略对沿斜面滚下的球进行研究,考虑了落体的加速度。惠更斯测量给定摆长的摆钟周期成功推断出伽利略未能精确测定的地球表面自由落体的加速度数值。

    《给世界的答案》不仅仅客观自然的讲述“科学”的发展,而且在书后附加了技术札记,涉及到泰勒斯定理、和声、圆的面积、重力加速度、测定光速等。在此例举阿基米德证明圆的面积。阿基米德设想一个有许多条边的多边形外切一个圆。简单其间,让我们考虑一个正多边形,它所有边和角均彼此相等。多边形的面积是从中心到多边形顶点的连线,和从中心到多边形各边中点的连线所构成的所有直角三角形面积的总和。直角三角形的面积为两直角边乘积的一半。这意味着每个三角形的面积是中心到边的重点的距离r与边的重点到最靠近多边形顶点的距离r的乘积的1/2。把所有这些面积加总求和,我们发现整个多边形面积等于r的一半乘以多边形的总周长。如果我们让多边形的边数趋于无穷,其面积将趋于圆的面积,周长将趋于圆的周长。所以圆的面积等于圆周的一半乘以半径。

    《给世界的答案》是一部科学文化史,在其中可以领略到科学论证,可以领略到科学历史的发展,也可以洞察到整个社会历史的发展对科学发展的影响,以及科学发展如何循序渐进到现在,破除了我们对科学发展的点状思维,从而在头脑中形成一条清晰而动态的科学线。正如著名物理学家、弦理论领军人物布赖恩·格林对本书的评价“杰出的世界级物理学家斯蒂芬·温伯格,以其清新坦率的风格和诗意抒情的笔调,在《给世界的答案》中游刃有余地记述了人类科学时代来临的始末。人们不懈追求着理解世界,本书真是对这一追求的可喜歌颂。”

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