理論是幹什麼用的
中國人總是持有一種絕對真理的觀念。我們的中學課本總是向我們灌輸這種理念。其實,這個世界上大大小小的理論多如牛毛,並不存在什麼放之四海而皆準的絕對理論。就算是引力理論對於引力的本質還有待於確定,更不要說社會科學理論了。
1.理論只是我們認識世界的工具
沒有人能真正看清世界的本來面目,人們一般都只是透過理論、預設和假定的幔紗來瞭望世界。人們觀察和解釋世界的活動經常是緊密地交織在一起的,我們在審視世界的同時,也賦予它某種獨特的意義。理論是我們認識世界的工具。理論幫助我們理解所面對的信息。心理學家發現過一個有趣的例子,就是某個人記憶力超強,能記住無數多的細節。你可能覺得,這個能力好啊,太羨慕了!然而事實是,這個人無法思考!因為他的腦子根本無法運轉這麼龐大的數據。
於是我們給自己裝備了理論或模型——能夠簡化現實,幫助我們理解信息的概念框架。
約翰·梅納德·凱恩斯曾經嘲諷道:「那些對理論不屑一顧的實踐派,雖然自詡不受任何知識分子的影響,但往往是某位業已作古的經濟學家的奴隸。」換言之,不管我們有沒有意識到,我們都在使用理論。所以,我們不是在理論和實踐之間進行選擇,而是在不同的理論之間,選擇一些最具有解釋力的理論。
2.理論的正確與否,只是解釋力大小的不同。
大家知道,經典力學的基礎是牛頓運動定律,萬有引力定律更確立了牛頓的地位,牛頓運動定律和萬有引力定律在宏觀、低速、弱引力的廣闊領域,經受了實踐檢驗。由牛頓力學定律導出的動量守恆定律、機械能守恆律等是航空航天技術理論的基礎。火箭、人造地球衛星、太空梭、宇宙飛船、行星探測器等航天器的發射,都是牛頓力學規律的應用範例。
然而在1905年,愛因斯坦(1879-1955)發表了狹義相對論。這個理論指出,在宇宙中唯一不變的是光線在真空中的速度,其它任何事物──速度、長度、質量和經過的時間,都隨觀察者的參考系(特定觀察)而變化。經典力學中物體的質量不隨運動狀態改變,而狹義相對論指出,質量要隨著物體運動速度的增大而增大。當物體的速度遠小於真空中的光速時,經典力學完全適用;當物體的速度接近光速時,經典力學就不適用了。
並且科學家們發現,電子、質子、中子等微觀粒子不僅具有粒子性,同時還具有波動性,它們的運動在很多情況下不能用經典力學來說明。20世紀20 年代量子力學的出現,才很好地揭示了微觀世界的基本規律。
牛頓的萬有引力定律取得了巨大的成就,但在解釋一些問題上也遇到了困難。例如:水星的公轉軌道在不斷旋進,其實際觀察值要比經典力學的預言值多。1915年,愛因斯坦創立的廣義相對論對此則能作出很好的解釋,同時還預言光線經過大質量星體附近時會發生偏轉,且已被觀測證實。牛頓運動定律只適用於弱引力,在強引力的作用下,牛頓的引力理論不再成立。
相對論和量子力學的建立,並不是對經典力學的否定。但經典力學的解釋力有局限性。經典力學有它的適用範圍:只適用於低速運動,不適用於高速運動;只適用於宏觀世界,不適用於微觀世界;只適用於弱引力情況,不適用於強引力情況。對於高速運動(速度接近真空中的光速),需要應用愛因斯坦的相對論。當物體的運動速度遠小於真空中的光速時,相對論物理學與經典物理學的結論沒有區別。對於微觀世界,需要應用量子力學。當普朗克常數可以忽略不計時,量子力學和經典力學的結論沒有區別
從「薛定諤貓」的實驗,我們可以看到經典力學解釋力的不足。
「薛定諤貓」是由奧地利物理學家薛定諤於1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗,是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。
微觀物質有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微觀物質以波的疊加混沌態存在;一旦觀測後,它們立刻選擇成為粒子。實驗是這樣的:在一個盒子里有一隻貓,以及少量放射性物質。之後,有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓,同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。
根據經典物理學,在盒子里必將發生這兩個結果之一,而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果。在量子的世界裡,當盒子處於關閉狀態,整個系統則一直保持不確定性的波態,即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後,外部觀測者觀測時,物質以粒子形式表現後才能確定。這項實驗旨在論證量子力學對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解,可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理,貓既活又死違背了常識。
潘建偉在談到量子疊加時說:我們每天的生活當中,這瓶水要麼放在桌子上,要麼放在地板上,它不會同時在兩個地方。但氫原子就不一樣了,就是一個原子核,外面有個電子在跑,電子在跑的時候,不僅可以處於基態,還有激發態,能量高一點就往外面跑,跑的過程中科學家發現,某些時候粒子不僅可以在地板上能量低一點,可以在桌子上能量高一點,兩種狀態同時都存在,這是量子力學裡面的基本現象。什麼時候會有這種現象的存在呢?前提就是你不要去測量它處於什麼狀態。
比如你去歐洲旅行,飛回北京,假定兩條航線,一條航線從莫斯科過來,另外一條航線從新加坡過來。你從歐洲回來到北京,因為在飛機上比較累,睡著了,你媽媽去接你的時候,她說你這次從莫斯科航線過來,還是從新加坡航線過來?你說,我左半邊感到非常溫暖,右半邊感覺非常寒冷,又冷又熱。你媽媽就會說你胡說八道,這孩子睡著了,弄不清。結果你就很老實了,每次回家睜大眼睛不睡覺,假定你天天回家,飛了一萬次,有五千次發現看到莫斯科的紅場,感到涼颼颼的,五千次看到新加坡的獅子,聖淘沙裡面有一個獅子,你感到渾身溫暖。你覺得很放心,原來第一次坐飛機搞錯了,只能在某一條航線上,不會同時在兩個地方。以後你出去又睡覺了,發現只要睡著的時候,每次到北京都感到又冷又熱。這個時候麻煩了,為了解釋這個現象,只能按照量子力學的觀點,當你沒有看到自己在哪條航線的時候,你是同時處於兩個地方的疊加。你可能說,我坐飛機也睡覺,醒來沒有感覺又冷又熱,那是因為你在睡覺,旁邊的人可能中間醒來,他沒有睡覺,他看看我們在哪條航線。你睡著可能空姐沒有睡,或者飛行員沒有睡。所以什麼時候你才會出現疊加的現象呢?就是整個宇宙當中,沒有任何一個人、沒有任何一個機器能告訴我們,你是在哪的時候,其實你可以跟分身術一樣,在很多的地方。
很多原子在大多數特定條件下,是同時存在好幾個地方,這是微觀世界每時每刻都存在的,這個叫做量子疊加。這個夠奇怪了吧,當時我想一兩個月沒有搞明白,覺得這是不可能的事情。
當然,潘建偉最後還是想通了,否則怎麼成為中國的「量子之父」呢。
量子理論在解釋微觀世界的問題上超越了我們的常識,但這並不表明它就是錯的。
3、請不要將一種理論奉為絕對真理
超出我們常識的出人意料的理論其實並不只有相對論和量子理論。想在哥白尼和伽利略之前,我們的常識是:地球是宇宙的中心;地球是平的;重的物體落地的速度比輕的物體快;月球表面是平的;銀河是銀白的雲彩等等。
當年只有25歲的伽利略認為,如果重的物體落地的速度比輕的物體快,那麼把重10磅和1磅的兩個鐵球拴在一起,落得慢的就會拖住落得快的,落下的速度應當比10磅重的鐵球慢;但是,如果把拴在一起的兩個鐵球看作一個整體,就有11磅重,落下的速度應當比10磅重的鐵球快。這樣從一個事實中卻可以得出兩個相反的結論,這怎麼解釋呢?伽利略帶著這個疑問反覆做了許多次試驗,結果都證明亞里士多德的這句話的確說錯了。兩個不同重量的鐵球同時從高處落下來,總是同時著地,鐵球往下落的速度跟鐵球的輕重沒有關係。伽利略向學生們宣布了試驗的結果,同時宣布要在比薩城的斜塔上做一次公開試驗。
1590年的一天,年輕的比薩大學數學教授伽利略,邀請比薩的一些學者和大學生來到斜塔下面,他和他的助手登上斜塔,讓一個重十磅和一個重一磅的鐵球,同時由塔上自由下落,輕的和重的幾乎同時落地。伽利略把試驗重複一次,結果仍然相同。
伽利略的試驗,動搖了亞里士多德在物理學中長期占統治地位的臆斷,在觀眾中引起了極大的震動。
伽利略發現了真理,但卻觸怒了比薩大學裡亞里士多德學派的信徒,他們攻擊伽利略膽敢懷疑亞里士多德,必定是聖教的叛徒。伽利略被趕出了比薩大學,但他由於這個試驗發現了自由落體定律。
1609年,伽利略聽說荷蘭人發明瞭望遠鏡,他通過別人的一點描述,憑著自己獨特的天賦,經過刻苦鑽研和實驗,成功地研製了世界上第一架放大倍數為33倍的天文望遠鏡。在這架天文望遠鏡的幫助下,伽利略探索了深邃神秘的天空,在一年之內他就做出了一系列重大的發現:
月球表面並不像亞里士多德所說的那樣平滑,而是呈現不規則的凹凸起伏;
銀河也不是人們所說的銀白的雲彩,而是由千千萬萬顆暗淡的星星所組成的;
木星旁邊有四顆運轉著的衛星;
地球並不是各個天體旋轉的唯一中心;
太陽上面有黑子;
土星周圍有光環……
所有這些結果,都有力地支持了哥白尼的太陽中心說:即地球和所有行星都圍繞太陽運行。
然而,當時勢力強大的教會反對哥白尼的「日心說」。他們認為地球是宇宙的中心,太陽是圍繞地球轉動,而地球是不動的。因此教會在1616年給伽利略下了一道禁令,不準講授哥白尼的學說。
1983年,羅馬教會終於為伽利略冤案公開平反,為此在羅馬成立了一個由不同宗教信仰的著名科學家組成的委員會,它的宗旨是:「研究科學同宗教信仰的關係,伽利略案件的科學方面以及伽利略學說對現代科學的貢獻。」
理論本身是中性的,因而把一種理論奉為絕對真理的做法則難免武斷。
當然,需要注意的是,解釋和解釋力是不同的。宗教可以解釋一切問題,但宗教並不具有解釋力。休謨說:「如果我們手裡拿著任何一本書,例如關於神學或者關於形而上學,我們就可以問一下:它含有任何關於量和數的抽象推理么?沒有。它含有任何關於事實和存在的經驗推理么?沒有。那麼就可以把它付之一炬,因為除了詭辯和幻覺之外,它一無所有」。
任何理論或命題,凡在邏輯上可證偽的(可反駁的),並在經驗上證實了這種證偽性的,便是科學的,否則便是非科學的。
對於某個命題、假說、理論而言,如果有與這個命題相反的觀察陳述存在,我們就說這個命題具有可證偽性
如果在經驗上找到反例,那麼就說這一命題被證偽了
理論的可證偽度不僅是理論經驗內容的量度,而且是理論的普遍性、精確性、邏輯力(解釋力和預言力)的量度。
我們使用某條理論,不是因為它們正確,而是因為它們有用。因此,我們不應該在課堂上推行單一理論,推舉一种放之四海而皆準的絕對真理。我們只能提供一些理論供他們選擇,對同一種現象提出不同的解釋,讓人們從不同的角度來剖析自己的經驗。換言之,人們需要的不是教條,而是幾個可供選擇的理論。
![](https://pic.pimg.tw/zzuyanan/1488615166-1259157397.png)
![](https://pic.pimg.tw/zzuyanan/1482887990-2595557020.jpg)
TAG:天朝小草 |