霍金 大设计 对科学的理解是什么

霍金 大设计 对科学的理解是什么
霍金 大设计 对科学的理解是什么

霍金 大设计 对科学的理解是什么
曰：遂古之初,谁传道之?
　　上下未形,何由考之?
　　冥昭瞢暗,谁能极之?
　　冯翼惟像,何以识之?
　　明明暗暗,惟时何为?
　　阴阳三合,何本何化?
　　圜则九重,孰营度之?
　　惟兹何功,孰初作之?
　　斡维焉系,天极焉加?
　　八柱何当,东南何亏?
　　九天之际,安放安属?
　　隅隈多有,谁知其数?
　　天何所沓?十二焉分?
　　日月安属?列星安陈?
　　《天问》屈原
　　我们都是充满好奇心的人,对外界各种新鲜的,甚至是稀奇古怪的事物,通常有一种想探究的冲动.就算是没有好奇心,也有恐惧心,对于未知的事情,保持着一种敬畏.想“不语怪力乱神”关起门来,把恐惧挡在外面,似乎效果并不好,反而容易把神奇的自然界挡住,把自己囚禁在人伦的笼子里.于是,我们能怎样理解世界,宇宙是怎么样运行的,现实实在是什么,实在从哪来,宇宙需要创造者吗等问题有时会在我们心里画下问号.本来这些问题以前是由哲学家来回答的,但哲学没有跟上科学,尤其是物理学的发展.现在由科学擎起了
　　知识发现的火炬,带领人类探索更多未知的领域.
　　一、哲学死了.
　　哲学死了,因为哲学没有跟上科学发展的步伐,霍金在《大设计》中非常肯定的说出了这句话.是啊,从伽利略在比萨斜塔扔下一轻一重两个铁球来验证亚里士多德的物体下落理论的那一刻起,哲学对于自然的探索就像是芝诺悖论里的阿基里斯一样,永远追不上科学这只乌龟了.
　　当古希腊人吸收公元1600年前的古巴比伦人创造的包括二次方程式等数学问题的解法的时候,古希腊的哲学家泰勒斯还只能通过观察,归纳来猜测万物的构成.可以说数学自身的发展程度在当时就比古希腊哲学更深邃.
　　希腊哲学是从自然哲学开始的,哲学家们有着一颗比常人多得多的好奇心,通过对自然现象的观察,哲学家们否定前人的结论,推出自己的结论.最终在亚里士多德手里汇集升华.亚里士多德有一句名言：“吾爱吾师,吾尤爱真理.”这句名言显著的体现了他对学术的批判和求真的精神,并且贯穿于他那百科全书式的著作中.亚里士多德是那个时代的佼佼者.他研究形而上学,他研究逻辑学,他研究文艺学,他研究伦理学,他研究精神哲学,他研究教育学,他研究自然科学（包括物理）.研究的范围相当广泛,研究的深度也相当深（当然错误也不少）.我想用爱因斯坦下面的话来评价亚里士多德,我觉得对他而言是无上的光荣.不是因为这句话是爱因斯坦说的,而是因为整个科学确实就是架构在其研究结果-形式逻辑上的.
　　"西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础,那就是：希腊哲学家发明的形式逻辑体系（在欧几里德几何学中）,以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系（在文艺复兴时期）."
　　不知道在这两三千年的历史里,中国有哪个思想家,哲学家能够在知识的广度和深度上接近或者达到同时代世界的佼佼者的水平.可能墨子算一个,可能仅此一个而已.说到墨子,不得不提提这位先秦诸子中最特别的一位,他思考的范围,他所从事的事业是诸子所无法比拟的.可以毫不夸张的说,正是有了他,才使得先秦的科学史不至于暗淡无光.墨子出身“贱民”,他会做木工,曾花三年时间做了一只木鸟在天上飞了三天.他研究政治伦理学,他研究几何,他研究物理学,他研究逻辑学,他研究修辞学,他研究军事学,甚至亲身领导战争.可惜在《史记.孟子荀卿列传》中,关于墨子只有简单的一句话“盖墨翟,宋之大夫,善守御,为节用.或曰并孔子时,或曰在其后.”
　　古希腊哲学家群中还有一位影响力非常大,和科学有关值得一提的人物,他就是毕达哥拉斯（大概生活在公元前500年左右,也就是和孔子同年代）.我们所说的勾股定理在西方就叫毕达哥拉斯定理,因为他发现了勾股定律.毕达哥拉斯有个非常著名的思想：“万物皆数.”他的教派非常神秘,把数学,几何,天文,自然科学,巫术宗教融合在了一起.在他看来,自然界的所有事物的背后都是数和几何.看看现在的物理理论,和他的思想是不是非常相似?他对数,几何,天文的思想深深的影响了柏拉图,所以柏拉图非常重视数学.据说在柏拉图的学园门口立着一块牌子,上面写着：不懂几何者免入.柏拉图为教育定下的四艺中就有算术,几何(平面,立体),天文学,音乐,并成为西方教育的源头,深远的影响后世,后世西方很多著名的哲学家中就有既是数学家,又在哲学上也有独特创见的人：笛卡尔,莱布尼兹,罗素等等.我们的圣人孔子也在其六艺中定有数学教育,不过此数学教育似乎只是九九乘法表?
　　大名鼎鼎的柏拉图有种追求理性的精神,经典的洞穴寓言就是关于这个理性精神的寓言.他认为感官是不可靠的,人被感官所囚禁就如人被囚禁在洞穴里面一样,感官经验就如同在洞穴里看到的外部世界的影子一样是虚幻的东西.只有脱离感官经验,进行理性的思辨才能够从洞穴中逃出来,获得真理.老子对于感官感觉也有一说：“五色令人目盲,五音令人耳聋,五味令人口爽.”两者对于感官感觉的作此评价到底目的是为了什么,这和科学的发展有什么关系,只有我们后人仔细思考了.
　　古希腊哲学群中还有一位虽然对科学没有直接贡献,但是也同样影响深远的人-芝诺.虽然芝诺不是第一个提出悖论的人,但是芝诺提出的一系列悖论,却是影响最大的,其中最著名的就是就是阿基里斯悖论和飞矢不动论.在他之后,最出名的悖论就是关于集合的罗素悖论.中国古代名家的惠施虽然也说过一些如“卵有毛”,“鸡三足”等悖论,但可惜的是这些似乎多是文字上诡辩而已,更可惜的是不多的悖论后来也几乎无人关注了.
　　正如大家所知道的,虽然哲学家们的思想结晶也许被科学的大幕所遮掩,但他们的精神和方法将会永远星光熠熠的闪烁在我们心灵的夜空,为我们指明方向.
　　二、宇宙的终极理论候选者-M理论.
　　我们已经习惯了物理学家给出的通常由主要几组非常简洁的方程式组成的物理理论,如牛顿经典理论,麦克斯韦尔的电磁定律,爱因斯坦的质能方程式.虽然这些方程式非常简洁,但是令人惊奇的是,这些方程式却在很高精度上符合我们对宇宙的观察.我不禁在想,如果真是有造物主的话,那这个造物主一定是个数学家.
　　一代又一代的物理学家为我们展示了造物主的神奇,他们的理论如同生物一样进化,日臻完美.我们不知道是否有一个单一的理论能够涵盖宇宙的所有规律,也不知道物理理论是否有最终的尽头.但是现在,霍金提名了一个终极理论的候选者-M理论.
　　霍金说,和以往的物理理论不同的是,以往的物理理论通常是单个的,但是M-理论不是单个理论,而是由不同的一些理论组合在一起,各自能很好的解释各自所考察的物理现实.M理论就像一张地图,其各个分支就像地图中的某一块,有重叠的区域,同时又有互不相关的区域,共同构成了M理论.
　　霍金继续提到,我们不仅要了解宇宙怎样运行,同时我们必须问为什么：
　　1． 为什么宇宙有东西而不是没东西?
　　2． 我们为什么存在?
　　3． 为什么是这套理论而不是其它理论?
　　三、定律的规则.
　　日晷之离,不鼓缶而歌,则大耄之嗟,凶.《易经》
　　古代人对因果关系有独特的理解.由于古代人对于自然界各种奇异的现象了解不够,所以会形成以我们现在的眼光看来荒诞的因果观.如月蚀产生的原因,中国人有天狗吃月亮一说,西方人则有狼抓了月亮之说.显然中西方的古人都把月蚀产生的原因,归结成是某种超自然生物的行为结果.所以月蚀的时候,中西方古人都要弄出很大声音,想把这个超自然生物吓走.但是随着他们经常的观察,他们发现不管他们是否弄出响声,月蚀照样会消失.而且他们发现月蚀的出现总是相当有规律.古巴比伦人就发现了这个规律,而且很好的预测了月蚀出现的时间.
　　由于古代人对宇宙的认识不够,所以就采用巫术和神话来试图解释自然规律.他们想象万物有灵甚至宇宙本身就是个生命体,想象神能够控制宇宙和人.随着人类对宇宙的长期观察,慢慢形成了巫术和神话之外的一些宇宙观,因果规律观.在西方,古希腊人泰勒斯是目前保留下来的文字记录中最先具备这种观点的人.他把万物视作一种单一的物质,这体现了一种还原观,即把不同事物的特性排除掉,而只抽取其本质.从他开始,一代又一代的人接着观察自然,同时提出自然现象的规律.与现代大多数中国人把宗教和科学完全对立不同,在科学发展的这段期间,宗教、神一直都是伴随着哲学家,科学家们的.即使是牛顿本人,对上帝也是笃信不疑的.对他来说,发现宇宙运行的规律,就离上帝更近一步.中国道教对于道,对长生也有追求,在技术上也有一些成就,如火药的发明,但为什么没有在科学理论上有所贡献,这个值得我们思考.
　　艾萨克•牛顿（Isaac Newton）绝对是一个值得大书特书的人,他在科学史上带来的影响几乎无人能及,死后被当做国王一样安葬.英国诗人亚历山大•蒲柏在他的墓志铭上写着：自然与自然的法则在黑夜隐藏,上帝说,让牛顿出世!世界一片光.我们中国也有类似的一首据说是处在资本主义萌芽期的宋代的儒家写的诗：天不生仲尼,万古如长夜.真是两首意义非常深远的诗!按照孔子做人的标准：温良恭俭让,估计牛顿是一个都挨不着边的.他嘲笑同期的科学家胡克,他和莱布尼茨争微积分发明权,他好财,花在炼金术上的时间可能比物理上都多.偏偏这么一个人,被英国人视作英国历史上最不能缺的两个人,另外一个人是莎士比亚.不知道对于中国人来说,哪两位是中国历史上最不可缺的人呢?推而广之,如果要选两个对世界历史最不可缺的人,大家会选谁呢?
　　如前所述,对于定律的起源,是不是有不按定律的奇迹,是不是只有一套定律等问题,由于宗教的影响,即使是开普勒,伽利略,笛卡尔,牛顿这些伟大的科学家,全部都认为,定律是上帝的杰作,他们都认为有一个超然于科学之外的神存在,这个神可以创造奇迹.对于有没有上帝这个问题,拉普拉斯是第一个清晰表达科学决定论的：给定某个时间宇宙的状态和一套完整的科学理论,按这个理论可以推出宇宙的过去和未来.据说拿破仑曾经问这位著名的数学家,上帝是怎么让宇宙符合科学定律的,拉普拉斯很自豪的告诉他：“陛下,我不需要上帝这个假设.”也就是说宇宙万物均符合科学定律,包括人及其精神!
　　四、什么是实在.
　　霍金在书中以圆形鱼缸里的金鱼作为例子,解释了什么叫模型.对于圆形鱼缸里的金鱼来说,鱼缸外直的东西也会被金鱼当成是弯曲的.我们对于外部实在的认识是不是也像鱼缸里的金鱼,是扭曲的?或者像黑客帝国的电影中所拍摄的一样,人不过是生活在超级智能计算机虚拟的现实里?我们接触的实在到底是不是就是确切的“实在”呢.物理定律描述给我们的实在又是什么呢?
　　在谈到实在的问题前,霍金先回顾了天文学的模型.最先提到的是托勒密的地心说,为了满足地球处于天体中心,解释各天体运动的轨迹,托勒密的地心说模型比较复杂.由于托勒密的地心学说很好的迎合了当时基督教,所以一直被视作完全正确的模型,直到哥白尼提出日心说.哥白尼的日心说重重的震撼了罗马教廷,被视作西方近代科学的开端.因为日心说对当时基督教的宗教学说冲击很大,所以经过伽利略,布鲁诺,开普勒等人付出的心血甚至生命才赢得赞同的.
　　下面这一段是描述布鲁诺坚持日心说,反对罗马教廷,被罗马教廷关押折磨七年,最后被火烧死的场景：
　　1600年2月17日凌晨,罗马塔楼上的悲壮钟声划破夜空,传进千家万户.这是施行火刑的信号.通往鲜花广场的街道上站满了群众.布鲁诺被绑在广场中央的火刑柱上,他向围观的人们庄严的宣布："黑暗即将过去,黎明即将来临,真理终将战胜邪恶!"最后,他高呼"火,不能征服我,未来的世界会了解我,会知道我的价值."刽子手用木塞堵上了他的嘴,然后点燃了烈火.布鲁诺在熊熊烈火中英勇就义.
　　几乎就在同一时期,在中国也有一位类似的人物：
　　1602年,李贽因为不满封建传统教条,和假道学,他批判了孔子,并贬斥《孟子》《论语》,最后以“敢倡乱道,惑世诬民”的罪名被关入监牢.在监牢里,他借着剃头的时机,抢过剃刀,割喉自杀,两日后才气绝而亡.
　　现在我们知道日心说对天体实在的解释也不是完全正确的,它只是比地心说的模型更加正确.到底实在是什么?经典物理学认为存在真实的独立于观测者的外部世界.一个物体放在那,不管什么人去测量物体的各种属性,测量得到的结果都是一样的.针对这种实在观,传统上还有一种反实在的观点.反实在观的人认为经验知识和理论知识有区别,他们认为观察和试验是有意义的,而理论知识只是有用的认识手段并没有具体表达对观察到的外部现象任何更深入的真理.有些反实在主义者想把科学严格限定在可观测的事物中.所以19世纪很多人拒绝接受对于没有见到过的原子的理论.其中最极端的就是乔治.巴克莱,他认为除了头脑和头脑产生的观念外,没有任何东西存在.这位巴克莱先生对于中国的学生是相当熟悉的,因为在政治课本中被当做唯心主义的反面榜样,一代又一代的教给学生（不知道现在的政治课本还有没有提到他）.而霍金在书中提出了一个观点：不存在独立于图像或者理论之外的实在.实在就是基于模型的,物理理论或者世界的图像是一个基于数学的模型,一系列的定律把模型中可观察的元素联系在一起.人类是自然界的一份子,我们无法使我们在对自然进行观察的同时不对自然进行任何影响,实在就是我们对自然观察并且产生影响后的一个基于模型的外在.对于人类或者圆形金鱼缸中的金鱼来说,两者看到并形成的模型都是实在,因为人类无法脱离他所能观察到的外在.就像当初电子被观察到以前,我们的科学模型已经预测出了电子存在,并很精确的预测了电子的行为.即使我们的肉眼没有看到电子,但我们知道电子确实存在.同样的道理,现在质子和中子中的夸克依然没有被观察到过,自由的夸克从来不存在自然中.模型中的夸克符合我们对亚核粒子行为的观测.
　　基于模型的实在能够提供一个框架来论述这样的问题：如果世界是在有限时间以前创造的,那在创造之前发生了什么?早期基督教的圣.奥古斯丁的回答是时间是上帝创造的,在上帝创造时间之前,没有时间.这个回答是一个可能的模型,即使从现在得到的各种证据看来,这个模型有些陈旧.另外一个模型是宇宙大爆炸理论.这个理论能够解释我们目前关于宇宙的大部分观察,所以这个模型更加有用.但是,没有模型能够说比其它模型更真实!
　　看完上面得到的结论,可以想见各路江湖人士会跳起来问：“既然没有模型比其它模型更真实,那我们的模型对宇宙的解释为什么就不科学,不正确或者不好而科学的解释就更正确更好呢?”所以霍金提供了几条对好模型的判断依据：
　　1. 模型应该简洁的.
　　2. 包含少量任意的或可调整的元素.
　　3. 能解释所有对目前现象的观察结果并与观察结果保持一致.
　　4. 能够对未来观测提供可证伪的明细信息做出明细的预测.
　　霍金接下来举了亚里士多德的模型作为例子,讲了下按依据判断.亚里士多德认为世界是由土,气,火和水组成.这个模型比较简洁优雅,但是不具备可调整的元素.并且在很多情况下,不能够做出确定的预测,如果做出了预测,也与实际观测不符.最著名的就是亚里士多德认为重的东西比轻的东西下落快.这个预测被伽利略证实是错误的.说到这里,大家可以根据这个依据比较下阴阳五行理论.
　　讲完上面的判断条件,霍金承认这些判断都是很主观的.比如对简洁的判断,就不是那么容易客观度量的,但是对于科学家来说又是非常重要的,让科学家引以为豪的：纷繁复杂的现象被压缩到一条定律里面.众所周知,一项科学理论一旦提出来,通常会对某些未知的事物进行预测,这就构成了第四条可证伪性判断.这些预测最终得到检测时有些会是正确的,有时候则不会.如果预测不正确,科学家通常不会完全抛弃这项理论,而是不断对理论进行某些修正,直到对这个理论的修正到显得非常笨重,不简洁和人为化程度很高,才会被放弃.在哈勃总结星系谱线红移得出宇宙膨胀学说的时候,同时期不断有科学家试图修正静态宇宙模型的理论来迎合观测.不管他们如何修正模型,哈勃的宇宙膨胀模型仍是符合观测的模型中最自然的,最后被大多数科学家所接受.
　　霍金在这一章的最后用光的波粒二像性做了对什么是基于模型的实在的总结.对光的研究中国可以追溯到墨子而西方则可以追溯到古希腊,其中最著名的是欧几里德,又是他!光到底是波还是粒子?这个问题曾经在近代科学家中间争论过很久,其中两个物理学的巨人牛顿和爱因斯坦还参与进来.牛顿认为光是粒子,并用它很好的解释了光的折射和反射现象.但是光是粒子的理论解释不了牛顿自己发现的被称为牛顿环的光干涉现象（即光干涉后形成明亮相间的圆圈）.通过不断的修正模型和理论,到了十九世纪,光是波几乎已经成为共识,光表现的粒子现象也被光的波动理论很好的解释,除了最基础的一个困难,光作为波运动时的载体是什么.就在光是波的被认为是正确的,而光是粒子的被认为是错误的时期,赫兹发现了光电现象,显著的表明光是粒子.到了20世纪,爱因斯坦发表了一篇题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文,这篇论文就是阐述光的波和粒子的二象性问题,即光在平均时间上是表现为波,而在某个时间点上表现为粒子.正是这篇文章而不是相对论让爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖.波粒二象性对当时的人们的观念是个相当大的冲击,因为就人的日常经验来说,水波是波,其运动就完全不像粒子,而小石头、沙子等粒子的运动表现就完全不像波,没有东西既像波又像粒子.正是摆脱了日常经验的桎梏,波粒二象性得到承认.不管是光的波动说还是粒子说,都解释了光的这些现象的某一部分,但不能说哪个模型更好更体现实在,他们是模型上的实在.所以霍金认为M理论也如光的波粒二象性理论一样,不是单个理论,但是M理论中的每个理论解释了现象的一部分,这些理论又在某些现象的解释上是重叠的,所以可以认为是在一个理论框架中.终极统一理论不像传统上科学家所期盼的那样,是单个理论,而是由一组理论来解释宇宙,正如光的波粒二象性理论.