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[转载]想象力比知识更重要 | 像爱因斯坦一样思考

已有 488 次阅读 2019-5-22 20:42 |个人分类:海洋战略|系统分类:观点评述|文章来源:转载

想象力比知识更重要 | 像爱因斯坦一样思考

来源: 李铁夫 混沌大学 2019-05-19

科学的概念定律,是可以通过纯粹的思想创造出来,并符合客观世界的。

科学家的直觉判断和自由创造也能够把握真理。 

——爱因斯坦

 

(本文仅为完整课程的1/4,完整课程视频内容可点击文末小程序码免费学习)

授课老师
 |  李铁夫
清华大学微电子系副教授

 

 

我们先来看一个典型的问题:

 

如果在海里有一个人落水了,那救生员应该怎么去救他呢?应该沿着直线的路径1,还是沿着折线的路径2?

答案是路径2沿着折线跑。为什么呢?

 

解答的核心在于,怎么能够最快地到达落水者那里。人在岸上跑的速度,比在水里游要快。所以,要尽量压缩在水里的距离,通过合适的搭配让总时间最短。

 

也就是说,这个问题里面的最小作用量”是时间:要最快地到达落水者那里,而不是通过最短的距离到达落水者那里。就像我们查地图软件一样,会让你选是要最短时间,还是最短路程,还是要最少换乘,就看你关心的作用量是什么。

 

不管是在力学系统,还是在其他系统里面,都有这么一个作用量,系统会遵循让这个作用量最小的原则来运行,这就是最小作用量原理。

 

知道了诸如此类的原理,就可以更容易地去研究那些未知领域。

 

今天,我们来讲一讲近代物理学中一些新的理念和思维。

 

 

引子

爱因斯坦对牛顿的升华

 

说到思维,就不得不提到也许是世界上最聪明的人,爱因斯坦。

 

爱因斯坦和牛顿的工作一脉相承,牛顿最重要的贡献是牛顿运动定律和万有引力定律,而爱因斯坦的相对论,则是对牛顿力学的突破、延伸和巩固。

 

突破

 

牛顿力学以一个绝对时空为背景,而相对论则告诉我们时空是相对的。

 

举个例子,小明的身高从1.7米长到了2.2米,花了5年时间。在绝对时空观里,每个人不管你是什么状态,看到这件事都是一样的。

 

但是在相对的时空观里,如果你处在某种运动当中,那么你看到的这件事,可能就变成了小明花了10年的时间,从1.4米长到了1.5米。时间发生了变化,空间也会发生变化,不同的人处在不同的时空当中。

 

从绝对时空到相对时空,是爱因斯坦相对牛顿时空观的颠覆。

 

另一方面,牛顿用万有引力将孤立的物体联系起来,但是引力到底是什么、引力是如何产生的,牛顿并没有解释。而爱因斯坦的广义相对论,用空间的弯曲解释了引力的产生,这是对引力定律的突破。

 

延伸

 

我们发现,爱因斯坦的相对论,在低速运动的系统当中,可以近似地写成牛顿力学公式的样子。

 

换句话说,爱因斯坦的相对论包含了牛顿力学,并且更精确,适用范围更广。

 

巩固

 

相对论进一步强化了牛顿力学所建立的因果决定论,并且更为具体、更为明确。

 

爱因斯坦描绘了一个光锥的概念。一个点表示时空中的一个事件,光从这点出发向时空各处传递,形成了这样一个锥体。

 


只有锥体内的事件,才可能和那个点的事件有因果关系;光锥以外的事件,不会与之有直接的因果关系。相当于在相对论的时空下,因果关系要受到光速的限制

 


科学概念

可以通过纯粹的思想创造

 

爱因斯坦相比牛顿,最不同的地方在哪里呢?

 

就在于对待如何把握真理的观点上。

 

爱因斯坦说过这样一句话:“我们现在特别清楚地意识到,那些相信理论是从经验中归纳出来的理论家是多么地错误,甚至伟大的牛顿都不能摆脱这种错误。”

 

牛顿的推理逻辑是一种归纳-演绎法。牛顿的数学演绎能力是毋庸置疑的;关于归纳,他在《自然哲学之数学原理》当中写道:

 

“我们必须把那些从各种现象中运用一般归纳而导出的命题,看作是完全正确的,或者是非常接近于正确,虽然可以想象出任何与之相反的假说,但是没有出现其他现象足以使之更正确,或者出现例外以前,仍然应当给予如此对待。”

 

牛顿非常强调观察和归纳在他科学当中的作用,认为这是他科学建立的基础,在此基础上,再通过演绎建立完整的理论。

 

他还认为:凡不是来源于现象的都应称其为假说,而假说无论是形而上学的,还是物理学的,无论是关于隐秘性质的,还是关于机械性质,在实验哲学中都没有位置。牛顿是主张在科学中排除形而上学。

 

但是爱因斯坦正相反。

 

在爱因斯坦看来,形而上学是科学中必不可少的,科学的概念定律是可以通过纯粹的思想创造出来,并符合客观世界的。科学家的直觉判断和自由创造也能够把握真理。

 

所以,爱因斯坦曾说过:“想象力比知识更重要。”

 

相对论的建立就完全是这种方法的体现。

 

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理论

往往在现象和实验之前


狭义相对论是建立在两条基本假设之上的:


 1. 光速不变原理:不管一个人如何运动,他所看到的光速都是一样的。

 

这显然是一个有悖于常理的假设。我们知道,如果你坐在一个火车里,你看到车里的车座或其他物体,都是没有速度的,跟你一起走;但是站在路边的人看同样的东西,都是在运动的。

 

然而爱因斯坦却假设了,一个坐在车上的人和站在路边的人,看同一束光的速度却是完全一样的。


 2.  相对性原理:对于所有的惯性参考系,所有的物理规律是一样的。

 

所谓惯性参考系,就是静止或者匀速直线运动的系统。相对性原理告诉我们,物理规律在惯性系统当中都是一样的,我们也就不能通过系统内部的物理现象来判断整个系统的运动。

 

比如,你在一个运行很平稳的火车上,如果不看外面只看车里的现象的话,你无法判断车是静止还是匀速运动。

 

在这两个假设的基础上,爱因斯坦通过纯粹的思维演绎,得到了相对运动当中的尺缩钟慢效应以及著名的质能方程E=MC2。

 

光速不变原理和相对性原理的提出,虽然说有以太漂移实验这种现象作为基础,但并非来自于经验的归纳,而是爱因斯坦在面对新的实验现象时的直觉判断相对性原理更是一个形而上的原理,因为它本身并不是一个对描述现象的定律,而是所有物理规律必须遵从的一个模式和规则。

 

如果说狭义相对论还有一定的事实基础,那么广义相对论则是一次纯粹的创造。

 

广义相对论的建立过程中,并没有任何科学上的反常现象出现,也没有任何难题急需解决。如果狭义相对论是爱因斯坦抓住了科学革命的机遇的话,那么广义相对论就是爱因斯坦自己创造了改变世界的机遇

 

广义相对论也建立在两个基本假设之上:

 

1. 等效性原理:引力和加速度是等效的,是不可区分的。虽然牛顿第二定律已经明确了力产生的效果就是加速度,但在爱因斯坦这里,引力和加速度的本质区别都消失了,是不可区分的。

 

2. 广义相对性原理:把狭义相对性原理从惯性系统扩展到了所有系统,消除了惯性系统的特殊性,用时空形状的差异来解释所有运动的差异。

 

在这两个假设下,引力、运动和时空被统一了,爱因斯坦因此建立了一个无比简洁而又逻辑完备的宇宙模型:宇宙就是一个不断变化的、弯曲的时空连续体。

 

更神奇的是,广义相对论这个纯粹思维产生的理论,不断地被新的观察现象所验证,从而告诉我们纯粹思维也能够把握实在。

 

波姆曾经评价说:“广义相对论是认识自然的人类思维最伟大的成就,是哲学的深奥、物理学家的洞察力和数学技巧的最惊人的结合。”

 

爱因斯坦认为,所有科学的概念和定律,都是人类心灵的自由创造,理论物理的公理基础不可能从经验中提取,而是必须自由地创造出来。

 

在爱因斯坦看来,牛顿的理论也来自于思维的创造,只是牛顿理论太过于成功,以至于所有人都无法将其从经验事实中区分出来。正如牛顿本人将万有引力描述为数学的力,而非物理的力,在爱因斯坦看来,这就是思维的创造。

 

与牛顿面对这种创造的诚惶诚恐的态度不同,在爱因斯坦的物理学新基础的构建中,不仅经验和实验不重要,其他物理学家的思想也不重要,只有自由的创造才是最重要的。爱因斯坦的这种观念,与亚里士多德认为的“真理只能靠思维来把握”,有着异曲同工之处。

 

 

但是爱因斯坦依然重视思辨与经验的结合,也就是说,物理思想最终还是要靠实验结果来验证。

 

由此,科学研究开始摆脱了实验观察的束缚,新的科学方法也树立了起来:理论来自于思想的创造,并且跟实验相结合,最后由事实来检验

 

在现今众多的物理学领域当中,理论往往都走在了现象和实验之前。比如说引力波的提出和发现、中微子的观测,还有黑洞方面的研究。新科学在新思维的引领下,终于走向了更为广阔的领域。

 

 

小结

 

爱因斯坦通过纯粹思维的方式得到了相对论,这是人类思维的一种辉煌创造。

 

虽然我们不可能成为爱因斯坦,但我们也希望自己可以像他一样,用纯粹思维的力量去把握这个实在世界的规律,只是我们的思维可能需要一些方向性的引导。

 

爱因斯坦思维的方向包含在了相对性原理中,它不是对事实的假设,而是去描述一个物理定律所应遵循的规律。因此,这种更深层次的规律,或者叫做定律的定律,就是引导我们思维的方向。

 

借用爱因斯坦的一句话来总结:“我想知道上帝是如何设计这个世界的,我是说他的思想,其他的都只是细节问题。”

 

新的物理学带给我们新的思维:不应该仅仅从现实归纳经验来获取知识,而是应该从底层思想出发去把握客观世界的规律。只有这样,才能真正发挥人类思维的创造性,延伸到未知区域。


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