吴国盛:百年科技的历史回顾与哲学反思

选择字号:   本文共阅读 551 次 更新时间:2019-03-08 20:06:34

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吴国盛  

  

   19世纪是第一个科学的世纪,二十世纪是第二个,当然也是离我们最近的一个。科学的社会化和社会的科学化是科学的世纪里两个基本的标志。科学的社会化是指科学家不再是个人关在屋子里头自己拍脑袋想,相反,科学研究成为大规模的集体协作的行为,即所谓的大科学,这里面包含着全社会的支持以及科学共同体大规模的系统运作。社会的科学化则是说社会的运作按照科学的模式进行,例如流水线生产、工厂和学校里严格的作息制度、交通秩序等等,都按照科学在实验室里所规定了的秩序来进行。

  

   本讲的主要内容就是二十世纪是如何完成科学的社会化和社会的科学化的。二十世纪整个的一百年里,理论科学的发展基本上可以概括为两次科技革命和四大理论模型;应用科学也可以概括为两大超级能量和两大生活技术。

  

   两次科技革命的第一次指的是在十九世纪二十世纪之交物理学领域发生的科技革命,包括相对论和量子力学的出现。第二次科技革命,在我看来还是一个正在进行中的、尚未完成的革命。这场革命发生在二十世纪后半期,就是非线性科学的革命。四大理论模型是在二十世纪快结束的时候基本形成的。这个四个模型包括宇宙学中的大爆炸模型、粒子物理学中的夸克模型、分子生物学当中的DNA双螺旋模型、地学中的大地板块模型。也有人说还可以再加一个计算机领域的冯.诺伊曼模型。这四个模型或者五个模型大体可以表达二十世纪最重要的一些理论成就。当然不是说其他的成就就不重要,而是说这几个成就格外的重要,因为它们构成了二十世纪理论科学发展的一个平台。

  

   应用科学的两大超级能量,第一个能量就是核能量的释放,包括核武器的研制、核能量的释放和利用等。这个可以称之为超级能量的释放。第二个是登月工程。登月工程之所以能够称为一种超级能量,是因为它代表了人类对地球引力的征服,代表了人类走向太空。这是一个人类自古以来从未想象过的一种现实,可以称它为一种超级能量的开发。

  

   那么什么是两大生活技术呢?这指的是二十世纪后期发生在我们眼前的两种技术。第一个就是生物技术,第二个是信息技术。人有两方面的存在,一个是社会学存在,一个是生物学存在。人类的生物学存在正在遭受生物技术的改造和改变,这是一种生活技术。人作为社会学意义上的存在,是一种交往性的存在。人是通过交往来认同自己的,每个人都要跟人家交往,把一个人关在一个屋子里老不让他交往,他最后不是发疯就是变成非人。但是交往是要依靠技术的,基本的交往技术就是信息技术。所以今天的信息技术就是我们第二大生活技术。

  

世界图景的重建


   我们先来看物理学革命。科学史越讲到后面越难讲,原因就在于它的科学内容越艰深,越来越不好讲。科学史写到二十世纪就只能写一写外部的历史、一些社会的历史,讲一些内部的历史就不大好讲了。但今天我们还是准备简略地把一些推论、有意思的结论给大家讲一讲,算是科普吧。物理学革命分为相对论革命和量子力学革命。相对论基本上是家喻户晓的了,因为爱因斯坦是二十世纪最大的科学明星。爱因斯坦曾经跟卓别林说,为什么所有人都喜欢你,是因为他们都理解你;为什么所有人都喜欢我,是因为他们都不理解我。这就反映了爱因斯坦的相对论非常难理解,不要说一般大众,就是学物理的要真正地理解相对论也是很不容易的,所以爱因斯坦就开了这么一个玩笑。

  

   大家知道相对论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论主要是在时间空间问题上的一场革命。关键是引出了同时性的相对性。比如说现在我们正在王府井搞讲座,此刻天安门那儿有一场隆重的仪式,那么在什么意义上说,此刻天安门和王府井的两个事件是同时的呢?你可以说我们看表看到是同时的,都是十点钟开始,那边也十点,我们这儿也十点。可是这毕竟是两块表,如何才能知道它们是一致的呢?的确,我们不能肯定现在这块表定的时间和天安门广场那块表的时间完全一样,因此讲同时性就需要对钟。爱因斯坦说,你必须告诉我你是怎么对钟的,他要求同时性要有一个操作的定义。由于要对钟,所以需要信号。最快的信号是光,可以用光来对钟。但是光的速度仍然是有限的,这就意味着在对钟的过程中光信号从天安门传到王府井是需要时间的,这就会遭遇一种相对性效应。在一个静止的人看你对钟和一个运动的人看你对钟,对出来的是不一样的。爱因斯坦借此提出同时性的相对性,也就是说,对于一个参照系中的观察者来说是同时的,对另一个参照系的观察者就不是同时的。根据这个同时性的相对性,爱因斯坦就推出了他所谓的狭义相对论。同时性的相对性还比较好理解,但由此出发得出了很多很古怪的结果。

  

   第一个古怪的效果叫尺缩钟慢。在不同的参照系里的人看来,尺子的长度是不一样的。一个运动的尺子会比在静止时短,这个叫尺缩;运动的钟要慢一点,这是钟慢。这个尺缩钟慢效应不是任何外力作用造成的,就是参照系本身造成的,是运动学效应不是动力学效应。由于运动是相对的,你看见我的钟慢了,我看见你的钟也慢了,那么到底是谁慢了呢?由于处在不同的参照系,这个问题是没有意义的。但是,要是让一对双生子派一个人先出去跑一圈再回来,由于他们都会发现对方时钟慢了,生命的生长也慢了,于是对方都比自己年轻了,这样再次碰面就会出现悖论:到底是哪一个更年轻?这就是著名的双生子悖论。这个悖论在狭义相对论里解决不了,只有在广义相对论才能解决。大家知道,一个宇宙飞船飞出去又飞回来,它必然要经历一个加速运动才能飞出去,飞出去之后要想再回来,它又要经历一个减速运动。一加速一减速就不符合狭义相对论的条件,就是广义相对论处理的问题了。经历了加速场的人,按照广义相对论来说,他应该是绝对地变年轻了。因此按照广义相对论,这个双生子悖论是可以解决的,答案是坐宇宙飞船出去转一圈的那个人变年轻了。这是我们要说的尺缩钟慢效应。

  

   还有一个很重要的推论,就是很多人都知道的质能转化公式,E等于MC2,E是能量, M是质量,C是光速。根据这个公式,稍微有一点点质量的损失,可以变成巨大的能量。过去分别有质量守恒和能量守恒,现在两者是一回事,合起来叫质能守恒,这个也是狭义相对论所得出的结论。

  

   接着我们说一说广义相对论。广义相对论处理的是加速问题。牛顿力学里面有两个质量,一个是牛顿第二定律规定的那个质量,我们称为惯性质量;另外一个是万有引力定律里面的,叫引力质量。在牛顿时代,引力质量和惯性质量被认为当然是同样一个质量,但是这个并没有予以说明。爱因斯坦认为,这两个质量的同一性实际上表明了引力场和加速场的等效性。说白了就是,引力场和加速场本质上是一回事。爱因斯坦最喜欢用电梯做思想实验,历史上称为爱因斯坦电梯。比如说你坐在封闭的电梯里,并且用台秤秤自己的重量,现在你发现台秤上显示你的重量大于你的体重,那么爱因斯坦说,你不能肯定究竟是你所在的电梯正在向上加速运动,还是地球的引力突然增大了。这就是加速场和引力场两者不可分的意思。根据这个等效原理,他推出了广义相对论。

  

   广义相对论也有很多重要的预言。其中最有意思的一个推论就是,他认为物质和空间之间不能够像过去那样看成相互外在的两个东西,比如说空间是一个篮子,物质就像篮子里的菜;空间是那个书架子,物质就是书架上的书。爱因斯坦说这不对的,实际情况是,空间变成了物质的某种几何性质。广义相对论主张,有什么样的物质,就会有什么样的空间。就好比篮子装了菜,篮子就发生变化;书架装了书,书架会发生变化。任何有质量的物质都会引起周围空间的弯曲,质量越大、引力场越大,空间弯曲得越厉害。过去我们认为月亮绕地球转,是因为有地球的引力在拉着它,现在,按照广义相对论的说法,好是因为地球的引力场让地球周边的空间变弯了。月亮某种意义上是在走一个直路,只不过空间弯了,它走的直路在我们看来也是一个弯路。

  

   空间弯了,一向走直路的光线当然也会弯曲。这个说法当然是非常奇特的,一般人觉得不可思议。爱因斯坦说只有在特别强大的引力场之中,光才能发生弯曲。我们地球周围最大的引力场就是太阳,太阳质量最大,可是白天太阳很亮,没有办法用它来判定光线是否在经过它是否发生了弯曲。但也有办法,就是等日全食的时候,月亮正好把太阳全部遮住的时候,我们再来看一看处在太阳背后的那个恒星的光,能不能绕过太阳被我们看见,如果能的话就证明爱因斯坦说得是对的。这件事情正好发生在第一次世界大战之后,英国的爱丁顿率领一个考察队专门去考察日全食的时候光线是不是发生弯曲,考察的结果居然是真的发生了弯曲。当时就一下子轰动了,爱因斯坦从此成为家喻户晓的科学家。

  

   我们讲这些基本的东西,是要想说明爱因斯坦的相对论,对人类关于时间、空间、宇宙的基本观念产生了一场革命性的转变,因此我们说爱因斯坦是二十世纪的一个科学革命家。下面我们再来讲讲量子力学。量子力学从某种意义上说,比爱因斯坦的相对论还要深刻,它里面所包含着的革命性因素还要多,主要表现在几个方面。

  

   第一个是微观领域里物质的波粒二象性。微观粒子既表现出波的特性,又表现出粒子的特性。粒子的一个特点是它有个定义明确的界限,有自己独一无二的位置。波则是一个弥散的东西,不能说波在什么位置,波是处在整个空间之中。这本来是两种完全不一样的物质形态,但量子力学发现,微观粒子既像是粒子也像波。比如说这个屋子有两个门,我们每个人进来的时候总只能从一个门进来,你不能说我同时从两个门进来的。可是量子力学发现,微观领域的粒子就是从两个门进来的。同样,它也是从两个门出去的,因此,你就不好说它出去之后究竟在什么地方。

  

   第二个叫做测不准原理。一个粒子的能量和时间、质量和动量不能够同时精确测定,也称为不确定性原理。为什么量子领域会发生这个事情呢?主要的一个原因是我们对量子领域的现象必须通过实验才能了解,可是实验总是会对对象有干预。比如说我们这个黑屋子里面有一个球,现在我们来问这个球在什么位置,当然我们不知道在什么位置,因为屋子太黑了我们看不见。为了知道它在什么位置我必须把灯打开。可是把灯一打开之后,那个灯的光线就对那个球产生作用。对一个宏观的球来说,光线不大可能对它产生什么明显的影响,可是在量子微观领域,这个光子跟这个球差不多,它就完全有可能把球打到不知道什么地方去了。即使你打开灯之后看见那个球在某个位置,你也不能说没打开灯之前那个球在什么位置。如果你不开灯你看不见,一开灯球又变了位置了,所以这就是为什么量子力学说搞不清楚它在什么位置的一个根本原因。

  

量子力学还有很多这类稀奇古怪的现象。经常有物理学家自嘲说,如果你在学过了量子力学之后没有意识到自己根本不懂量子力学,那么你就真是不懂量子力学。只有当你知道自己不懂量子力学之后,你才能说自己稍微懂得一点量子力学。量子力学在二十世纪初产生后,与实验符合得非常好,成了整个二十世纪科学的一个基本的平台。今天诸位都用了手机,用了电子设备,其实里面都包含着量子力学的理论成就。量子力学我们就讲到这里。(点击此处阅读下一页)

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文章来源: 科学的历程 公众号

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