为何物理让人学到头秃,而科普书令人恍然大悟?

皇冠 报导:

本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:Adam Kirsch,翻译:三木,头图来自:《星球大战》

英国物理学家吉姆·艾尔-哈利利(Jim Al-Khalili)所著的《物理学解释世界》(The World According to Physics),看上去不太像是巴诺书店(Barnes & Noble)科学区的书籍,而更像是一本可以在酒店床头柜上找到的读物。

这本书没有护封,只有漂亮的蓝色布面封皮,上面凸印着银色文字,就像本圣经。而书名也有意识地展现出新约风格,和四福音书*有着相似的命名方式。与其他科普作家常见的简介不同,这本书的封底写着一些传教小册子上才会出现的那种措辞:

*译者注:四福音书包括《马可福音》 (The Gospel According to Mark)、《路加福音》(The Gospel According to Luke)、《马太福音》(The Gospel According to Matthew)和《约翰福音》(The Gospel According to John)。

这些设计显露出的一种张力,存在于大多数关于物理学和宇宙学的畅销书中,而我也从几年前开始热衷于阅读这类书籍。虽然这些书站在明确的反宗教立场,但却起到了宗教文本的作用。我们诉诸它们,就像人们曾经诉诸布道集或圣经注释那样,以寻求构建这个世界的真理。

这些真理曾经来源于神的启示,如犹太教中的摩西、基督教中的耶稣和伊斯兰教中的穆罕默德;对于今天的受教育者来说,不管我们的宗教信仰是什么,这些真理主要来源于科学。正如我们的祖先那样,我们需要一群能斡旋于真理的复杂性和我们自身能力有限性之间的专家,即便在此过程中会丢失很多东西。

《物理学解释世界》ARAB NEWS

现代版的科普宇宙学始于《时间简史》的爆卖,这是斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)于1988年出版的一本超级畅销著作。从那以后,像加来道雄、史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)和弗里曼·戴森(Freeman Dyson,于今年年初逝世,享年96岁)这样的世界级物理学家,通过撰写有关基本物理学概念的科普文章,涵盖时间和空间、物质和能量、宇宙的起源和命运,赢得了更为广泛的声誉。

在布赖恩·格林(Brian Greene)的最新科普力作《直到时间终结》(Until the End of Time)中,单是目录里的章节标题就能让你大吃一惊,像“起源与熵”“微粒与意识”“持续与瞬间”。

这些主题现在被划入物理学的范畴,但它们过去曾属于形而上学的领域。“形而上学”(metaphysics)一词源于公元一世纪,由一位亚里士多德作品的匿名编撰者创造,用以指代学生们在研究了亚里士多德的《物理学》之后应当再去学习的论著——在希腊语中,“ta meta ta physica”的字面意思就是“物理学之后”。

亚里士多德将这一学科称作“第一哲学”,因为它所关涉的是所有学科中最为基本的东西——存在本身,也就是他所说的“作为存在的存在”(being as being)所谓“某物存在”是什么意思?事物是如何存在,又是如何变化的?宇宙是永恒的还是有始有终的?

其他知识学科则涉及一些实用问题:政治哲学关于如何治理,伦理学关于如何生活。而亚里士多德说,形而上学是思想的最高形式,因为除了纯粹的知识,它没有其他目的。“我们不为任何其他利益而找寻智慧;只因人本自由,为自己的生存而生存,不为别人的生存而生存,所以我们认取哲学为唯一的自由学术而深加探索,这正是为学术自身而成立的唯一学术。”*

*译者注:此句翻译参考《形而上学》吴寿彭译本。

亚里士多德生活在公元前4世纪,而他的形而上学教义主导了之后2000年的西方思想。这些学说令人信服,以至于犹太教、基督教和伊斯兰教的思想家们都在寻找方法,来调和他们的圣书和古希腊形而上学中的内容。

犹太教中的经典例子是迈蒙尼提斯(Maimonides)写于1190年的《解惑指引》 (Guide of the Perplexed),此书观点十分接近于亚里士多德的想法,即世界是一直存在的,但《创世纪》的观点绝非如此。

 Max Löffler

如果迈蒙尼提斯生活在今天,那么他长大后很有可能成为一名物理学家,而非一位“拉比”(rabbi)*。因为关于形而上学的问题(虽然不一定涉及政治学或伦理学),现在从科学中得到的解答,远比从宗教和哲学领域中来得更好。自17世纪的欧洲开始,科学革命推翻了亚里士多德的观点,即物理学与形而上学之间存在明显差异,前者是实践性、经验性的,而后者是观念性、猜测性的。

*译者注:“拉比”是指接受过正规犹太教育,系统学习过犹太教经典,担任犹太人社团或犹太教教会精神领袖或在犹太经学院中传授犹太教教义者,主要为有学问的学者。

多亏了科学方法,现代世界能够真正解决那些在古代只能徘徊不前的争论。正如艾尔-哈利利所言:“通过理性分析和仔细观察,我们现在可以十分自信地宣称,我们对宇宙了解很多。”我们现在知道物质是由原子组成的,正如德谟克里特(Democritus)所猜想却无法证明的那样,我们甚至知道原子是由什么组成的。

我们还知道,星体并非如亚里士多德所认为的,由一种独特元素构成,而是如伽利略和牛顿所证明的那样,和地球上的物体遵循着相同的运动规律。

但当艾尔-哈利利说“我们对宇宙了解很多”时,这里“我们”的指代是模棱两可的。艾尔-哈利利了解很多,因为他对于他所讨论的话题,如热力学、相对论、弦理论,都有着深刻的数学理解。但对于《物理学解释世界》和类似科普书籍的读者而言,他们并不能真正了解这些知识,因为他们无从接受这种形式的教授,于是只能对这些内容进行不太严谨精准的改述。

真正的物理学导论中全都是方程式,就像1963年理查德·费曼(Richard Feynman)在加州理工学院的讲课那样,后来这些讲授内容被整理成了权威教材。正如伽利略在400年前所言,大自然这本书是用数学语言写成的。(这句话也出现在《费曼物理学讲义》的开始部分,在总共115讲中的第8讲。)

Ryan f Johnson 

没有方程式的物理学导论,就好比没有法语单词的法语入门课,只试图通过中文的讨论来捕捉法语的本质。当然,物理学的科普作家必须遵守这一限制,因为他们是在为不理解方程式的数学小白写作,我也是其中之一。(有时候,我浏览维基百科上的数学文章,只是为了让自己沉浸在它们不明觉厉的结界之中,如同在参观一个外星球。)

这些书籍所教授的并非物理学的真理,而是告诉你物理学的真理从理论上来说是可知的,因为物理学家知道它们。讽刺的是,这意味着一个科学外行,基本上和一个宗教外行处于相同的境地。耶胡达·哈列维(Yehuda Halevi)于12世纪创作的犹太教护教学著作《库萨里》(The Kuzari)中,也使用了类似的论证来证明,我们应当相信神迹。

例如,当我们在《摩西五经》(Torah)中读到吗哪(manna)从天而降,养活了沙漠中的以色列人,我们的自然反应是持怀疑态度。但是哈列维写道,这一神迹是“无可辩驳的”,因为它“发生在60万人的身上,并持续了40年之久。”我们自己从未见到过从天而降的吗哪,但其他人说他们见到过,那我们必须相信他们。

如此,我们自己也永远无法理解描述量子系统状态的薛定谔方程,但我们相信那些说自己理解的人。

当然,最大的不同在于,科学通过其改变世界的能力证明了它对世界的解释是正确的,而宗教则无法做到这一点。例如在犹太法典《塔木德》(Talmud)中,圣人们就如何通过斋戒结束旱情,制定了规则。首先,社区领袖实行每周三天的日间斋戒;如果没有起作用,那么整个社区都会加入斋戒;如果还是不下雨,那么每个人都必须斋戒、哀悼七天。他们通过展现犹太人民的迫切需求,来试图说服上帝改变天气。

但《塔木德》中所规定的这一程序本身也默认了其无用性:斋戒并不会改变天气,这就是为什么你必须一直斋戒,直到天气改变。

Jon Han 

现代科学也不能凭空降雨。艾尔-哈利利解释说,天气仍然是对物理学家而言最为困难的研究对象之一,因为“我们尝试建模的对象具有高度的复杂性,还需精确掌握许多变量的数值,从温度到大气和洋流的变化,再到气压、风向、风速、太阳活动等等。”

但他强调,“这并不意味着这些知识理论上是不可知的。”即使我们不知道天气模式的所有产生原因,我们也知道哪些不是它的成因——比如触怒了神明。

这是科学要求我们在形而上学上做出牺牲的一个例子。传统形而上学对世界的理解,是基于从人类经验中得到的分类。对宗教而言,这个世界是由上帝统治的,上帝和我们有着相同的动机——出于愤怒而造成干旱,由于人类顺从而平息灾害。

对哲学而言,在关于何为自然、何为适合此类问题的判断上,这个世界和我们有着相同的直觉。亚里士多德认为,一块石头掉到地上,是因为它自然地想要和土元素重新结合;而火焰升起,是因为它自然地想要和气元素重新结合。

接受现代科学的代价是,我们要认识到自己无法仅仅通过思考来理解世界,因为我们的思考方式只适用于理解人类,而非“作为存在的存在”。相反,我们必须在存在面前放下身段,密切关注这个世界真正的存在方式,而非我们认为是有道理的存在方式。

没有什么比量子物理学更能清楚地体现这一点了。在20世纪初,量子物理学迫使物理学家放弃了他们关于世界如何运作的基本直觉。阿尼尔·阿南塔斯瓦米(Anil Ananthaswamy)于2018年出版的书籍《同时通过两扇门》(Through Two Doors at Once)聚焦著名的“双缝干涉实验”,来说明量子力学的奇异之处。在这个实验中,将一束光投向一块金属挡板,并穿过挡板上平行的两条长缝,在挡板后放置着一块屏幕,显示出光照射在上面的图样。

 Jon Han 

正如英国物理学家托马斯·杨(Thomas Young)于1803年在实验中所展现的,屏幕上形成了明暗相间的条纹图样,证明了他的光波动说。当光穿过缝隙时,形成两束互相干涉的光波,波的相长干涉会形成明亮的光带,而波的相消干涉会形成暗淡的光带。水波也会产生同样的现象。

然而在20世纪,爱因斯坦发现,为了解释光和电子如何相互作用,光只能以离散的物理量存在,或称为“量子”(quanta),即“量子物理学”(quantum physics)一词的出处。这些光粒子被称为“光子”(photon)

利用更为先进的科学设备,我们可以一次只向挡板上发射一个光子,来进行双缝实验。这导致挡板后面的屏幕上只出现单个的点——如果光不是一种波而是一种粒子,那这正是你预料的画面。

但如果你继续每次发射一个光子穿过缝隙,则会发生不可思议的现象:随着单个点的累积,它们会形成明暗相间的光带,就和光波穿过缝隙时一样。解释这一现象的唯一方法就是认为光既是一种波,又是一种粒子。

这意味着在最基本的层面上,自然界并非如亚里士多德在《形而上学》中所言,“一切信条中最无可争议的就是……相反叙述不能同时为真。”

费曼说,双缝实验导致了一种“无休止的折磨,因为你会不断问自己‘但怎么可能是这样?’”“折磨”一词语气强烈,但也很贴切,因为现代物理学违背了我们关于空间、时间和逻辑的直觉,表明“存在”(being)和“人类”(human being)之间的根本错位。

《圣经》给人以一种形而上学的保证,即世界被创造是为了让人类去统治它;自普罗泰戈拉(Protagoras)以来,哲学也向人类保证“人是万物的尺度”。但物理学使这两个承诺皆成泡影。

而科普物理学作品可被视为这种折磨的治疗方法——一种形而上学的自救方式。在《直到时间终结》一书中,布莱恩·格林比大多数科普作家更明确地提出这一目标。他在此书最后一章“存在之高贵”(The Nobility of Being,这并非费曼在加州理工学院讲课时谈及的主题)中坦诚道:“人类生命短暂,犹若露珠消散。”* 

但格林很快作出了另一番肯定:“宇宙中的一小撮粒子能够聚集起来,审视自身和所处的现实,确证其短暂有限的生命,而在转瞬迸发活力,创造美好、建立联系、冲破迷障,这多么奇妙。”这像极了打针前安抚小孩的医生会用的语气。

*译者注:此句翻译借用《秦时明月之君临天下》台词“生命短暂犹若露珠消散”。

通过描述诸如量子纠缠(quantum entanglement)和宇宙背景辐射(cosmic background radiation)这类概念,物理学家们试图帮助我们适应现代形而上学的现实,即这个世界总是日新月异、充满挑战,即使它的本质早在几百年前就已清晰明了。那是因为我们生来就具有在宇宙中寻找人类意义的本能。

科学革命并非是在几个世纪之前发生的一个历史事件,而是在每个人学习科学真理之路上的一个过程。

然而最具讽刺意味的是,这种对于真理的虔敬本身,就来自于古老的宗教形而上学遗产,而这正是科学所拒斥的。若非真理是一项戒律(mitzvah),否则我们为何如此执着于活在真理之中,甚至不惜以自身的幸福为代价呢?

最后,正如尼采在《快乐的科学》(The Gay Science)一书中写道:“我们对科学的信仰始终还是基于一种形而上学的信仰。即使是我们现今的求知者、无神论者和反形而上学者,也是从那个古老信仰所点燃的千年火堆中取火……认为上帝即真理,真理是神圣的。”

Note: This story originally appeared in English in Tablet Magazine, at tabletmag.com (http://tabletmag.com/), and is reprinted with permission.

原文首次以英文发表于Tablet Magazine(tabletmag.com)。翻译与转载已获网站授权。原文:https://www.tabletmag.com/sections/arts-letters/articles/physics-secular-religion

本文来自微信公众号:神经现实(ID:neureality),作者:Adam Kirsch,翻译:三木

皇冠 我们下期再见。

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