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我要讲的下一点是科学的内容,即我们已有的发现成果本身。这些是成就,是金子。是令人激动的地方,是你付出了辛勤工作和严密思考后的收获。我们做这些工作不是为了应用,而是因为发现的过程中激动人心。可能大家都知道这些,但是对于那些不知道的人们,我几乎不可能通过一个讲座就让你们体会这一点,这个真正激动人心的部分,这个科学工作的真正原因。如果你无法领会这一点,你将无法抓住我的重点。如果你不能理解并懂得欣赏科学探险的伟大历程,你就根本无法理解科学,以及它与其他事物的联系。如果你不能理解这是一个激情四溢的巨大探险,你就不能在科学工作中获得自由。
你觉得科学很乏味吗?其实一点也不。科学之美是最难以言喻的部分,但是我也许可以略讲一二,让大家一窥它的迷人之处。现在我们就随便从一个话题开讲吧。
例如说,古人们相信地球是一头大象的背部,而这头大象站在一个在无边无际的大海中游弋的乌龟上。当然,什么东西在托着大海是另一个问题,他们对此毫无所知。
古人的这种信念来自于想象。这是一个美丽而富有诗意的想法。那么再来看看现在我们的看法,你觉得比古人的想法乏味吗?地球是一个旋转的球,人们在各个方向被地球抓住,有些还大头朝下。我们就像在一团大火前面的一滴小水珠一般,围绕这太阳旋转。这个看法比古人更加浪漫,更加让人激动。什么在拉住我们?是重力,它不光是地球的力,而且是一开始让使球成为球的力,它在地球永不停息地试图逃脱的努力中把我们和太阳拴在一起。重力不光拴在星星上,而且还拴在星星之间;它在上下左右很远很远的距离中把星星们拥抱在伟大的银河里面。
宇宙图景已经被很多人描述过,并且这种描述还在继续,它的边界与古老概念中无底的大海的底部一样难以想象—一样神秘,一样令人敬畏而又充满启迪,并且与古人的富有诗意的海中大象图景一样残缺不全。
然而大自然的想象力要远远比人类这些来的丰富。如果不是在观察中管窥到它的一斑,没有人能够想象得到象大自然这样的奇迹。
再比方说,地球的历程。你有没有在任何地方,读到过任何诗人的任何关于时光的诗篇,能够与漫长的,缓慢的自然进化相比?没有,我们太快了,如白马过隙。一开始,地球上没有任何生物居住。几十亿年中这个球就是在那里转呀转,没有生命来欣赏他的日落,海浪和天籁。你能不能设想、体味、或让你自己接受这样一个想法:没有生命居于其间的世界是个什么样子?我们太习惯于以一个生物的眼光来看这个世界了,以至于我们无法理解没有生命意味着什么,然而在个世界的大部分时间是没有生物的,这个宇宙的大部分地方是没有生物的。
再比如说生命本身。生命的内部机制,每个部分的化学过程,都是美丽的事物。并且说起来我们所有的生命其实都是互相联系在一起的。叶绿素是植物的氧过程中的一种重要物质,它的一部分有一种类似方形的结构,这是一个漂亮的环,我们把它叫做苯环。而在生物大家庭的另一端,在像我们这样的动物之中,在我们的血液的输氧系统,即血红蛋白中,也存在着同样有趣的这种苯环,在环的中央是个铁原子,而不像在植物中是个镁原子。这样一来。我们的血液是红色的,而植物是绿色的,但是我们的环都是一模一样的。
细菌中的蛋白质和人类的别无二致。事实上,最近刚刚发现,细菌中的蛋白质制造机制竟然可以接受我们红细胞的命令来生产血红蛋白。生命之间的距离是多么的近在咫尺啊。这种生物化学的普适性毫无疑问是奇妙而美丽的。而一直以来我们人类太骄傲了,甚至无法承认我们与动物之间的血缘关系。
再比如说原子。它美轮美奂——数以英里计的,一个接一个的小球们按照完全相同的模式排列起来形成晶体。还有那些看起来静若处子的东西,比如盖着盖子的一杯水,放在那里连续数日,其实一直都在动如脱兔。原子们不断逃离水面,在杯子里碰来撞去,然后回到水中。在我们粗糙的肉眼中的那些沉静地正襟危坐着的,其实正在狂野而又动感地舞蹈。
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并且,无独有偶,人们发现这个世界的每一部分乃是用同样的一批原子搭建而成的,遥远的星星上的东西和我们这里一模一样。这样一来,人们不禁要问这些东西是从何而来。不仅仅是生命从何而来,或者地球从何而来,而是构成生命和地球的材料从何而来?看起来似乎是从过去某个爆炸的星球喷薄而出的,就像现在正在爆发的星球一样。这些喷出的尘土等候了45亿年的演化,到了现在就有了一个奇怪的生物站在这个讲台上通过麦克风对着听众席里另外一批奇怪的生物讲话。这是多么精彩的一个世界!
再比如说人类的生理现象。其实我所说的并不稀奇,只要你自己足够仔细地去看任何事情,你都会发现没有什么比真相更加激动人心的了,它是科学家经过了刻苦努力后得到的最有价值的东西。
说到生理现象中,你可以想象血液循环,想象一个小姑娘正在高兴地跳绳。她的内部发生了什么?奔流的血液,四通八达的神经网络——这个过程有多快啊:肌肉神经感觉到刺激立即反馈给大脑说:“现在我已经触到地面了,赶快增加肌肉的张力来保护我的脚腕不会受伤。”还有,在这个小女孩上下翻飞的同时,另外一组肌肉受到另外一组神经的控制,在同步说着,“二五六,二五七,三七三八二十一……”,这还没完,她在做这一切的痛时,还正在百忙中向这个观察她的生理学教授微笑呢。这个也是生理的一部分!
最后,再比如说电现象。正负电荷之间的引力是如此之强,以至于在任何的正常物质中,所有的正负电荷都被被吸引到了一起,从而小心翼翼地平衡掉了。相当长的一段时间里,人们甚至没有注意到电现象的存在,除了偶然摩擦一块琥珀后发现它能吸引小纸片以外。但是现在我们通过摆弄这些东西知道,这内部有太多的奇妙机理了。然而对于科学之美,人们仍然难以领略。
举个例子来说,我读过法拉第的“蜡烛的化学史”,那是一套6系列的儿童圣诞讲座。法拉第这套讲座的观点是,无论你在研究什么东西,只要你能足够细致,最终你都把整个宇宙囊括其中。最后,通过仔细的介绍蜡烛的每一特征,例如燃烧,化学等等,他做到了这一点,他在一支蜡烛中映出了整个世界。但是这本书的简介中,在说到法拉第生平和贡献时,说他发现了电解化学物质所需要的电量正比于该过程中被离解的原子数目。然后它继续解释说,法拉第发现的这条原理被广泛地应用在电镀,铝的电着色,以及其他的一些工业中。我很不喜欢这种描述。法拉第当时对他的这一发现是这样说的:“物质的原子以某种方式与电力相关,电力赋予了它们最令人震惊的性质,赋予了它们互相之间的亲和力。”他发现了那种把原子结合到一起从而组成分子的力量,那种决定了铁和氧气如何燃烧而产生氧化铁的力量,恰恰就是一部分带正电的和另一部分带负电的原子之间的吸引,它们因为这种吸引而按照一定的比例而绑定到一起。他还发现了,原子的带电量是以一定单位呈现的。这两者都是极为重要的发现,但是最激动人心的还不是这些,这是科学史上最具戏剧化的历史时刻之一,是一个极为珍稀的历史时刻,此时此刻两个看起来毫不相干的伟大领域邂逅并结合到一起。他突然发现两个表面上风马牛不相及的东西实际上是同一事物的两面。一直以来人们在研究电学,人们也在研究化学,然而突然之间它们变成了一体两面——化学变化就是电力的结果。直到今天我们还是这样理解它。所以说,仅仅认为这个原理应用到了电镀行业,这种想法是完全不可原谅的。
大家都知道,在报纸上,对每一个生理学的新发现都有同样一句模式化的评价诸如:“发现者称该发现可以被用来治愈癌症。”但是他们对其本身的价值却一无所知。
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科学的另外一个特征就是它的客观性。客观地看待观察结果是必需的,因为你,实验者,说不定会更喜欢一类结果。你做完几次实验,因为种种原因,比如仪器上的尘土,实验结果会每次有所不同。你并非一切尽在掌握。如果你喜欢某种形式出现的结果,那么在实验结果恰好如此的时候,你说,“看,它本来就是这样的”而下一次结果就又不同了,你把它忽略了,但是说不定恰恰是第一次有一粒土在仪器上。
这看起来显而易见,但是人们在处理科学或科学外延的问题时却对此不够重视。就像当你在判断股票的走势与总统讲话的关系时,你早已胸有成见。
另外非常重要的一点是,一个定律越是具体,通常它越有意义;一个陈述越明确,对它的验证就越能说明问题。如果有人提出,行星围绕太阳公转的原因是组成行星的物质有一种运动的倾向,一种运动性,我们暂且把这种运动性叫做“oomph”,这种理论也可以很好地解释很多其他的现象。那么这是一个很好的理论,不是吗?不,与行星受到距离平方反比的向心力因而发生圆周运动的解释相比,它连给人提鞋都不配。后者是个好理论是因为它如此的具体,如此明显地它非常不可能是凑巧;它是如此的毫不含糊,哪怕是行星运动的一点点偏差都可以证明他是错误的。而根据第一个理论,行星即使是在天空乱爬,你也可以振振有词:“因为‘oomph’的性质本来就是这样的”
所以,定律越明确具体,他就越威力强大,它就越容易受到例外的考验,所以对它进行检验就越有意义和价值。(译者注:这段话让我想起了一个完全相反的例子,一个笼统含糊的对万物的解释:一个事情是在这样而不是那样的,是因为上帝让它这么做的。这个说法几乎可以解释一切,但它毫无科学价值,因为无论你观察到什么现象,它都不会受到挑战:它不存在任何例外情况。)
有时语言文字可能毫无意义。如果在一个陈述中语言的使用太模糊,无法得到一个截然的结论,就像前面“oomph”的例子一样,那么它就几乎毫无意义,因为通过断言物质有运动倾向你几乎可以解释任何现象。哲学家们对这一点已经言之甚多,他们说语言必须极端精确。实际上我有些不同意这种观点;我认为极端精确的定义经常是不值得的,有时甚至是不可能的——事实上大部分是不可能的,但今天我不想对这个话题涉及太多。
很多哲学家们所谓的科学,实际上绝大多数指的是那些可以保证方法行之有效的技术。但是这些技术层面的东西在其他的领域,在那些观察不作为准绳的领域中是否仍然有用,我一无所知。我不会说 “在观察中寻找例外并用例外考验定律”这种办法放之四海皆准。在其他的领域说不定不必太在意语言的含义,或者法则不必明确具体,我并不知道。
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到此为止我还漏掉了非常重要的一点。我说过观察是判断一个想法正确与否的准绳,但是这个被判断的想法本身是从哪里来的呢?科学的飞速发展要求人类要不断地发明新的东西出来以供检验。
过去人们认为,在中世纪人们所做的只是去做大量的观察,而这些观察结果本身就把定律展现到了我们面前。但是事实不是那样的,实际过程需要比这多得多的想象力。所以下面我要讲的是新 思 想从何处来。而事实上,只要它产生了,从哪里来是无关紧要的。我们有一个判断它是否正确的标准,而这个标准又与它从何而来毫不相干。所以在科学中我们并不关心一个想法从何而来。
科学界并不存在一个权 威 机 构来决定哪一个才是好的思想。这种判断对错的权 威对我们已经毫无必要了。当然我们可以向权 威人士请教一些事情,让他们给我们建议;然后我们可以试一下看看他说的是否正确,如果不正确呢,那也没有什么大不了的,最坏不过是该权 威人士在此事中失去了一部分“权威性”罢
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想当初,科学家们之间的关系是争论不休的,就像在常人之间一样,例如在物理学的早期。但是在当代物理界中,人际关系非常之好。一场科学争论中间,往往包含了很多来自双方的笑声,他们不那么固执己见,并且各自构思验证实验,甚至会为实验的结果打个小赌什么的。在现今的物理界,已经积累的观察结果有那么多,想要再想到一个与以往所有已经提出的想法完全不同的新观念,而这个新观念必须符合所有的现有观察结果,这几乎是不可能的。所以如果你从别人那里听到了新鲜东西,你欢迎它,不必去争论别人为何这么想。
很多学科尚未发展到这种地步,他们现在的情况就好象是初期的物理学,总有太多的争论和太少的观察。我提到这点是因为我发现这一点很有趣:如果有一个公正独立的评判标准,人际关系就会少很多摩擦。
对一个新 思 想的作者,科学界并不关心他的背景和他提出这个想法的动机,对此大多数人深表惊奇。在科学界,你只要听就行了,如果它听起来值得一试,能够一试,与众不同,并且与以往的观察结果没有明显冲突,它就变得令人激动而且值得去做。你完全不必关心这个作者已经研究了多长时间或者他为什么想让你听他的想法。从这种意义上说,无论想法从何而来都是一样的。它们的真正起源是“未知”;我们把这个称作人脑的想象力,创造性的想象力——这是已知的;它是那些“oomphs”概念的同类。
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很奇怪人们并不相信想象力会是科学的一部分。这是一种非常有意思的想象力,与艺术想象力不同。它最大的困难之处在于它试图想象你从所未见的东西,这些东西必须在每个细节上都要与已有的观察一致,但又要和已经想到过的理论泾渭分明,更何况,它必须是明确和毫不含糊的。这真是件难事那。
顺便说一句,这个自然存在着某种法则让我们检验,仅仅是这个事实本身就已经算得是个奇迹了;而我们有可能发现这些法则,如平方反比的重力定律,就更加如此了。我们根本就不能理解它,但是它却开启了理论预测的可能——这意味着,你可以在一个实验还没有做的情况下就可以预期这个实验的结果。
有一点很有意思,并且绝对必要:各个不同的科学法则之间必须自洽。因为观察是同样的观察,一个理论给出一个预言而另一个理论给出不同的预言是不行的。所以,科学不是分门别类的,它是完全普适的。我在生理学中提到过分子,在天文学中提到过分子,还在电学和化学中提到过。它们是普遍的;因而他们必须互相兼容。你不能随便就创造一个不能由原子构成的新东西。
有趣的是在我们猜测法则过程中用到的逻辑推理,和这些法则本身,都在变得越来越简单,至少在物理学中是这样的。我前面说到过的化学和电学原理之间漂亮的统一,就是一例,而这样的例子还有很多。
看起来规律和法则是在用数学语言描述这个自然。这个并非“观察是准绳”所致,也并非是科学的必要特征。只不过恰好我们的定律——至少在物理学中是如此——可以用数学语言来表述,并且这样一来它的威力十分强大,如此而已。至于自然为何是数学的,这又是一个谜。
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现在我们来谈一个重要的话题。旧的定律可能是错误的。但是观察怎么会不对呢?如果它一切都被仔细地核查过,它怎么可能错?为什么物理学家们总是不得不修正这些定律?回答是,第一,定律不等于观察结果,第二,实验总是不精确的。定律都是猜测出来的规律及其外推,而非实验结果唯一确定的东西。它们只不过是一个很好的猜测,而且到目前为止能够通过所有实验的筛子而已。但是后来我们的筛孔变小了,而这一次,这个定律被截下来了。所以定律是猜出来的;它们是在未知领域的外推。在那未知领域里,你不知道会发生什么,所以必须猜。
举一个例子,过去人们认为——人们发现——运动不影响物质的质量,所以如果你转动一个陀螺称一称它,然后在它停下后再称一称,重量是一样的。这就是观察的结果。但是你不可能把称量结果精确到无穷位小数,十亿分之一。但是现在我们知道了,一个旋转的陀螺要比静止的陀螺重大约十亿分之几。如果陀螺转的够快,到它的边缘速度接近186000英里每秒时,此时重量增加才算明显——直到此时。最初所做的实验中陀螺的转速远远小于这个数,所以看起来好像它的重量与静止陀螺一模一样,所以人们猜测:质量永远不变。
真蠢啊!一个笨蛋!只不过是一个臆测的定律,一个外推而已!他为什么有这么不科学的行为呢?其实这里没有任何东西不科学;有的只是不确定。如果不去猜才叫不科学呢。我们必须这么做是因为只有外推才是真正有意义的。这有这样的原理才是值得我们知道的:它在你还没做过的时候就能让你想到将要发生什么。如果你只能告诉我昨天发生了什么,那这是没有真正的价值的。你必须能告诉我如果我这么做,明天会发生什么——不但必须,而且很好玩。当然你必须愿意为你的预言承担风险。
每一条科学定律,甚至科学原理,每一条对观察结果的陈述,都是剔去细节的总结,因为没有东西可以被绝对精确地表述。所以人们“很低级地”忘掉了,他当初应该这么来表达定律,“质量在速度不高的时变化很小”。但是,科学的游戏是这么玩儿的,先提出一套特定的法则,然后看看它能否穿过实验的筛子。所以,在这里我们猜测出来的特定法则就是质量根本不变。一个令人激动的可能性!即使最终无法通过筛子,也不会造成什么灾难。这只不过是不确定罢了,不确定不会带来什么伤害。说出一些不确定的东西总比啥都不说强。
在科学里我们所言的一切,所有的结论,都是不确定的,因为它们只不过是对现有的结论,这一点事实如此并且十分必要。它们是对将要发生的事情的猜测,但是我们不可能知道将要发生什么,因为对此我们还没有做过一次完整的实验。
旋转陀螺对质量的影响十分之小,你可能会说:“嗨,这个无足轻重!”但是,为了得到这样一个正确的,或者至少是一个能够通过一个接一个的观察筛子的定律,这需要非凡的聪明才智和想象力,以及对现有哲学和时空观的颠覆性改造。我这里指的是相对论。一个微小的效应往需要对观念的革命性修正。
所以说,科学已习惯于处理各种怀疑和不确定。所有的科学知识都是不确定的。这种对怀疑和不确定性的经验十分重要。我相信它极具价值,甚至超过了科学本身,你必须打开通向未知的大门,你必须允许“你并非完全正确”这个可能性的存在。反之,如果你在这之前就先有成见,你将无法解决它。
当一个科学家告诉你他不知道,那么他是一个无知之人。当他告诉你他有预感,接下来将会应该如何发生,那么他对此不确定。当他十分确定接下来将要如何发生,并且告诉你,“它会像这样进行,我敢打赌。”此时他还是会抱有一点点怀疑。而无比重要的是,为了进步,我们要认识到这些无知和怀疑。正是因为我们怀疑,我们才会去寻求通往新观念的新方向。科学发展的速度并非仅仅是我们做出观察的速度,更加重要的是,我们创造新理论以供观察检验的速度。
如果我们不能或者不想去寻求新的方向,如果我们没有怀疑,或者没有认识到我们的无知,我们将不会有任何的新观念。那么也就不存在任何值得检验的东西,因为我们知道它一定是正确的。所以我们说,今天的科学知识是一系列具有不同程度不确定性的陈述的集合。他们有的非常不肯定,有些几乎可以肯定,但是没有什么是绝对确定的。科学家们对此已经习以为常了。我们知道“活着”与“不知”是相容的。有人问,“你怎么可能活着而又不知道呢?”我不知道这是什么意思。我从来都是活着并且不知的,这太简单了。我想知道的是,你到底是怎么做到“知道”的。
怀疑的自由在科学界中是很重要的一点,并且我相信,其他领域也是如此。这种自由诞生于一场斗争。那是一场为了争取被允许质疑,被允许不肯定而发生的斗争。我希望大家不要忘记那一场斗争的重要性。作为一个科学家,一个熟知“无知哲学”的价值及其所带来的自由思想和巨大进步的科学家,我觉得我负有这样一个责任,来宣传这种“怀疑的自由”的价值,并且教会大家怀疑不但不可怕,反而应该欢迎,作为人类的一种新生潜能来欢迎。如果你知道你不肯定,你就有机会改进。我要为我们未来的世世代代大声疾呼,强烈要求这种自由!
怀疑精神显见是科学界的一个价值观。至于其它领域是否如此尚需讨论。我期望我的下一讲能够讨论这些问题,并且展示给大家,在其他领域,怀疑精神也一样是重要的,它不可怕,反而具有重要意义。
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原文转自新华网博客,作者lovelyada。本人转过来时做过一两个小改动,以绕过百度的过 滤。如果原作看到,请见谅。
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有点想开骂了,连“水*交融”这样的词都犯了?贴一篇长文怎么就这么费劲啊。
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悲剧,名人讲不确定性那是真理,我讲不确定性那是浪花。
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在网上找了很久,一直没有找到文字版的《费曼物理学讲义》,找到的都是图片版的PDF格式,有谁有文字版的?
2010年03月02日 09点03分
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