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有没有一个简单普遍的原则,能解释宇宙所有的问题?

2019-05-06 10:23      点击:

有没有一个简单普遍的原则,能解释宇宙所有的问题?

(图片来源:摄图网)

编者按:本文转载自微信公众号:混沌大学(ID:hundun-university)。混沌大学是一所没有围墙的互联网创新大学,遍邀全球名师,拓展认知边界,奉献最专业、最实用、最顶级的互联网创新课程,陪伴这个时代最有梦想的人,早半步认知这个混沌的世界。

一个喜欢思考的人,能够从每个学科当中,总结出其独特的思维模式,并且将其联系结合,从而达到融会贯通。

——查理·芒格

授课老师 | 李铁夫清华大学微电子系副教授

从今天开始,我们来了解一些物理学思维。

为什么要了解呢?因为它有助于丰富我们的范式(理论体系),启发我们的创新思维。

物理学是一个基础学科,是所有自然科学当中发展最早、范式最完善的一门科学。化学、生物学、经济学、心理学等很多学科在发展过程中,都从物理学的范式中获得过启发。

简单来说,物理学的目标就是认识这个世界,包括这个世界到底是什么样子,以及如何运行。

同时,物理学也有价值原则和审美态度,那就是追求世界的普遍性和简洁性的规律。

那么我接下来不由得在想,有没有一个简单的普遍的原则,能够解释宇宙中所有的问题?是不是能找到一些共同的内核,从而提升大家对自然、社会的认知,帮助大家解决各自领域当中的问题?我们不妨从头说起。

理性思维的第一步

古典宇宙观

包括物理学在内的科学,起源于古希腊。

奥地利哲学家齐尔塞尔曾说:“人类似乎非常想以人类社会的形式去解释自然。”这就是神话的起源。

但当神话体系出现越来越多的角色,越来越复杂,甚至自相矛盾时,有人就不满了,不愿意用超自然的现象来解释自然,从而带领着人们向着理性思维迈出第一步。

在理性思维的年代,出现了第一位大家,亚里士多德,他是古希腊古典哲学的集大成者,也是第一个提出“物理”这个词的人。所以可以称亚里士多德为物理学的开创人。他吸收了泰勒斯、柏拉图等人的思想,形成一个相对完整的世界观,影响了西方世界大概2000多年。

目的论:ag客户端运动源于其本性

亚里士多德采用了目的论的视角。他认为,一切事物都有一个终极的目的。我们很容易理解每个人做事的时候都有目的,但是亚里士多德认为不仅仅是人,连像桌子这种东西,它的存在都有目的,并且这个终极的目的就是事物发生变化的原因。

比如,为什么苹果会落地呢?目的论的解释是:苹果当中包含了种子,种子存在的目的就是有朝一日长成一棵苹果树,为了达到这个目的,苹果就一定要落到地面,落入土中。所以,亚里士多德的目的论,就是用未来解释现在。整个世界看起来就像一个有生命的有机体。

这种方式解释了世界为什么是这样,也就是why,但他并没有或不屑于给出这个变化的过程,也就是how。这很像我们现在的目标导向的工作方式,每个人都向着自己的KPI去努力,可是KPI没法让我们准确地去理解工作过程当中的方方面面。

目的论的思维方式,加上两个基本假设,就构成了亚里士多德完整的宇宙观:

第一个假设,地球是宇宙的中心,静止不动。这其实是赋予了地球存在的一个终极目的。

第二个假设,月亮之下的区域叫做月下区域,物质由土、水、气、火四种元素构成;月亮以上叫做月上区域,物质由以太构成。以太也是一个哲学性、概念性的假设。

在这种宇宙观中,运动为什么会发生呢?因为组成物质的每一种元素,都有因其自然本性而运动的原因和目的,比如土元素的本性就是朝着宇宙中心来运动。

在这种自然本性目的驱动下的运动,亚里士多德称之为自然运动。而违背其自然本性的运动,称为暴力运动,它必然有外部的作用力驱动,比如人捡起一块石头,人对石头的作用力使石头产生了违背其自然运动的运动。

亚里士多德所描述的宇宙模型是一个什么样子呢?

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宇宙被一个大球壳包围着,地球位于中心且保持静止。

水星、金星、火星、木星、土星五颗当时人们能够看到的行星,以及月亮和太阳,都处在月上区域,由以太组成。以太的自然本性是完美,当时人们认为完美的运动就是正圆匀速运动。

其他恒星都嵌在最外层的球壳上。

这是一个小而舒适、有限而和谐的宇宙。

古典宇宙观的建立,标志着人们从神话走向了理性时代。对于亚里士多德而言,理念高于一切。

开拓视野,修正观念

诚然,思辨是物理学中不可或缺的方法,但如果完全脱离了事实,就不可避免会带来错误。在新的观测现象出现时,它就受到了冲击。例如水星和火星的“逆行”等等。

托勒密对此作了解释,他在地心说模型的行星轨道上,又加了一个圆环,认为“行星是绕着一个点做正圆匀速运动,而这个点绕着地球做正圆匀速运动”。如果还是不符合观测结果,就再加一个圆环,直到与观测结果相符。最后形成一个有80多个圆环的复杂模型。

这种不断修正、愈加复杂的模型当然不符合物理学对于简洁性的追求,也必然会被替代。

走出这一步的是哥白尼,他受到新柏拉图主义哲学思想的影响,提出了日心说的宇宙模型。尽管他的日心说模型仍然很复杂,但是开启了一个新的思想通道。

新的观测现象还在不断地出现,尤其是当伽利略改进了望远镜之后,人们能够更清晰地观测到之前陌生的月上区域,发现跟想象的完美的以太的样子大相径庭,并不是洁白无暇反而坑坑洼洼,倒跟地球上的物质差不多。

既然行星不是以太构成的,是不是就可以不做正圆匀速运动了呢?那么它们到底是怎样一个运动方式呢?

最终这个问题由开普勒解决了,他沿用日心说模型,并且放弃了正圆匀速运动这个观念,通过大量计算,用变速椭圆轨道的模型,完美地符合了当时的观测结果,这就是著名的开普勒行星运动定律。

同时人们也意识到,那些看起来在天空中不动的恒星,其实是由于相隔太过遥远,而没法感觉到它们的运动。人们原本认为的一个小而舒适、有限的宇宙,突然变得很大很空旷,甚至是无限大的。

当地球不再是宇宙的中心,土元素如何向宇宙中心运动呢?目的论下关于运动的种种解释都不再成立了,整个世界都在迫切地等待新的科学诞生。

机械世界观的源起

牛顿力学

失去了“自然本性目的驱动下的运动”,苹果落地、变速椭圆运动又是如何维持的呢?

在头脑中建模

伽利略用斜面理想实验探究了物体的运动。这标志着物理学真正的开端。它体现出了人对事物的认识,就是在头脑中建模的过程。世界上各种现象给我们的信息是巨大的,我们必须把一个现象中最核心的信息提取出来,舍弃无关的信息,建立起一个抽象的模型。

伽利略提出:物体在不受外力的情况下可以一直运动下去。然而,伽利略没能正确地指出这种不需要外力维持的运动是一种什么样的运动,也没能给出对开普勒椭圆行星轨道以及人们日常所见的各种运动的解释。

这些解释就由站在巨人肩膀上的牛顿来完成。他提出了惯性定律,也就是牛顿第一定律:一切物体在不受外力作用的情况下,会始终保持静止或匀速直线运动状态,直到有外力迫使它改变为止。

在亚里士多德看来,运动不过是为了达到其目的的过程。但是在牛顿看来,静止和运动都是物体的状态,它们之间质的区别被消除了。

匀速直线运动,恰恰体现了无限宇宙的观念,因为只有在无限的宇宙中才可能存在一直持续下去的直线运动。

突破思维枷锁

那么,行星的圆周运动,以及生活中各种复杂运动,又是如何形成的呢?这就要归功于万有引力了。任何物体之间都有相互吸引力,这个力的大小与物体的质量成正比,而与它们之间距离的平方成反比。这个普遍存在的引力,使物体的静止或匀速直线运动状态发生了速度大小或方向的变化,从而形成各种不同的运动。

这是一个非常神奇的发现,因为引力在生活中是看不见摸不着的。那牛顿怎么就能够发现万有引力的呢?天才,突破了当时的思想枷锁。这里人类的思想升华了:古代人觉得力一定得是看得见摸得着的,实打实的力;但是牛顿的思想升华到,力不一定看得见摸得着。

物体在万有引力作用下,运动又是如何变化的呢?牛顿第二定律又给出了准确描述:运动总量的变化与施加的动力成正比,并且沿该力的作用方向发生变化。即,力等于质量乘以加速度(F=ma)。

原先人们对行星运动的认识,只是把观测到的现象定性定量的描述,也就是开普勒定律所做的。但现在,认识已经深化,从现象描述到现象背后定律的描述。这时最重要的一点是,天上和地上大一统,把同样的关系、同样的内容,结合到了一起。

天上跟地上是一回事儿,支配无限宇宙中所有运动的都是同一组定律,它既是苹果落地的定律,又是行星绕着太阳旋转的定律。

接近真理和发现真理是不一样的,真正的发现真理,就好像你想打破一面墙,你需要敏锐地找到它的一个弱点和突破口,并且敢于用尽全力一击。这是很不容易的,牛顿成功了,但在当年很多人也在做着同样的事情,但是并没有成功。

这个过程就类似于一次成功的创业,我们经历了互联网、移动互联网、人工智能、区块链等热潮,有人可能经常会觉得,这个点子当年我也想到过。但其实这里面的差别会非常大,关键并不在于你有没有提前看到或想到这个点子,而是你对它的认识和洞察力并不足以让你去坚信它,就像牛顿那样敢于全力地一击。

建立机械世界观

牛顿力学的成功和影响,不仅仅局限在物理学,它甚至超越了自然科学领域,渗透到生活的方方面面。

与亚里士多德的目的论不同,牛顿从更普适的层面准确描述了世界运行的规律,从而可以从过去来解释现在,甚至预测未来。亚里士多德解释的是宇宙运行终极的why,但牛顿给出的是宇宙运行底层的how。牛顿的宇宙如同一台设计精巧的钟表,遵循着一个确定的规律准确地运转,我们称之为机械世界观。

牛顿对于事物的分析,会遵循把整体还原为其基本组成之和的逻辑方式,这种方式就是还原论。这奠定了物理学追求简单性和普遍性的思想基础,也就是认为整体总是可以分解为部分,复杂的现象总是可以分解成简单的现象来理解。

牛顿的经典力学还为我们树立了一个重要的观念,就是世界和科学的客观实在性。首先承认有一个绝对客观的、独立于人类意识而存在的世界。这些定律来自于现实或实验的归纳,是对世界的纯客观的真理性描述,而不是科学家或者人类之间达成的一个共识。在对自然界进行观察和实验时,人仅仅是一个操作员和记录员的角色。

小结

牛顿的物理学相比于亚里士多德,少了形而上学的味道,更能解决实际问题。正因为如此,它极大地推动了社会生产力的进步:

世界是一台运行严密的机器,强调流程、标准、程序,甚至工人也被看作是机器的一部分。正是这种流水线的生产和控制型的管理,与新科学导致的新技术一起,带来了两次工业革命。

不过,当我们用机械论的观点来看待人的问题的时候,往往面临着一些局限:人的意识失去了位置,人类只成了世界的旁观者。所以,我们必须对头脑中已经存在的、固有的牛顿式世界观有所警觉,只有这样,才能更好地应用它,也才可能有突破性的思维与创新。