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云淡风清

宠辱不惊,看庭前花开花落;去留无意,望天上云卷云舒。......

 
 
 

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业从营建却好文,古圣先哲在心中。 平生有幸识书法,老来又生翰墨情。 澄心静坐破万卷,益友清谈也开心。 最是轻车天下游,万里路上赏闲云。

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我的哲学思考——透过“思想实验”看世界(4)  

2010-09-16 20:45:38|  分类: 哲学探幽 |  标签: |举报 |字号 订阅

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          四、透过“爱因斯坦的光线”说时空

 爱因斯坦著名的狭义相对论受启于他16岁时做的一个思想实验。爱因斯坦在他的自传中回忆道,他当时我的哲学思考——透过“思想实验”看世界(4) - 云淡风清 - 云淡风清幻想在宇宙中追寻一道光线。他推理说,如果他能够以光速在光线旁边运动,那么他应该能够看到光线成为“在空间上不断振荡但停滞不前的电磁场”。这就是著名的“爱因斯坦的光线(Einstein’s Light Beam)”思想试验。

对于爱因斯坦,这个思想实验证明了对于这个虚拟的观察者,所有的物理定律应该和一个相对于地球静止的观察者观察到的一样。事实上,没有人确切地知道这意味着什么。科学家一直都在争论一个如此简单的思想实验是如何帮助爱因斯坦完成到狭义相对论如此巨大的认识飞跃的,因为在当时,这个实验中的想法与现在已被抛弃的“以太”理论是相违背的。但经过了好多年总算证明了狭义相对论是正确的。

我曾和老魏谈起过这个思想试验,与他的感觉相反——他觉得这个思想试验很好理解(也许他没有深入地思考),这个思想试验让我的思考很凌乱,一直理不出个头绪来,这个在光线旁边的虚拟人,如果观看这束光线的话,他也还需要光,光作为电磁波,他除非是蝙蝠,不然什么都看不到,而且就现有的知识来讲,光也不仅仅是人类眼睛可以看见的一种电磁波,光是由光子为基本粒子所组成,具有粒子性与波动性,称为波粒二象性,我们既可把光看作是一种频率很高的电磁波,也可把光看成是一个粒子,即光量子,简称光子。如果能看见的话,看见的应该也是这些粒子啊。但光线不同于火车,通过光线去看光线就像通过爱因斯坦去思考爱因斯坦一样不可思议。 我觉得这个思想试验跟相对论没有知识上的联系,更多的是起到了摧毁爱因斯坦头脑中传统时空观的作用。所以,最后我还是决定从时空的角度来思考这个思想试验。

但是,这里有个问题横亘期间,那就是无限与有限的关系问题。从理论上讲时空是无限的,而我们现在的感知是有限的。作为一个有限时间、有限空间内生存的生命个体,无限总是那么的不好把握,甚至是无从把握,因为就我们有限的感知是无法想象无限的意义的,有时候我甚至在想宇宙也许并不是无限的,只是一个大的超出了我们感知的有限而已,但这样就又出现了一个问题,如果宇宙是有限的,那么那个有限的边缘以外又是什么呢?

对于我们的感知来讲时间是一个事件顺序的度量,空间是一个存在位置的度量,时空其实是割裂的。但近代物理学认为,时间和空间不是独立的、绝对的,而是相互关联的、可变的,任何一方的变化都包含着对方的变化。因此把时间和空间统称为时空,时空就成了四维的,由长、宽、高和时间坐标组成。到这个层面我们也是可以理解和接受的,但这只是一个基础,我们从爱因斯坦、霍金那儿知道“空间的维度是无穷的”,我们确实无法想象五维、六维以至于无限维(现在人们最多说到了十二维,但我想既可能有十二维,就可能有二十四维……)的空间,这真像庄子所说的“朝菌不知晦朔,蟪蛄不知春秋”一样,也许我们真是太囿于自己的感知了。

囿于自己的感知,我无法系统地梳理自己对时空的思考,只好将自己的一些思考罗列一下了。

1、黑洞

最早我是从霍金那儿了解了“黑洞”这个概念的,这可以说是近代物理学中非常重要的一个假说。有的科学家宣称发现了“黑洞”,但却都未经证实,所以这还是停留在理论中的一个物理学概念,但从理论上我是相信它的存在的,我也相信人类最终会证明它的存在的。

所谓“黑洞”,用通俗的话来讲,就是一个密度非常非常大的天体,它可以把任何物质甚至包括光吸引过去。说它“黑”,是指它就像宇宙中的无底洞,任何物质一旦掉进去,“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸,所以我们无法直接观测到黑洞。然而,可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。

对于黑洞,我最感兴趣的是它的另一端,我觉得黑洞应该就是宇宙与宇宙相连的那个“虫洞”。

2、平行宇宙

最早我应该是在看李连杰的电影《宇宙追缉令》时认识平行宇宙的,这对于我来说真是一个以“科学”冠名的幻想,我甚至不认为它是一个科学的物理学理论。

什么是平行宇宙?平行宇宙是一种在物理学里尚未被证实的理论,根据这种理论,在我们的宇宙之外,很可能还存在着其他的宇宙,而这些宇宙是宇宙的可能状态的一种反应,这些宇宙可能其基本物理常数和我们所认知的宇宙相同,也可能不同。

也可以这样讲:假设你手里拿着一片树叶,全世界独一无二的一片树叶,当然啦,世界上没有两片完全相同的叶子么。或者换种看法,你手里拿着无数片树叶,只不过它们全都一模一样,在时间空间上叠合在一起了,所以你只能看见一片树叶,呵呵,有点诡辩,但也没错吧。甚至连你自己都有无限多个,只不过叠在一起了,在某种特定条件下没准会分一个出来呢。分出来的不止你一个人,整个世界也跟着分出去了,于是有两个互不相干的世界,其中各有一个一模一样的你,只是你们俩永远都不会碰到一起,也就无从知道对方的存在,这就是所谓平行宇宙了。

往高深里说,这牵涉到量子物理学,往浅显里说,估计大家小时候闲来没事也想到过这个。说法都不尽统一,叫法也有平行宇宙、平行世界、多重宇宙等。

一个宇宙的无限还让我费神,现在又跑出无限个无限的宇宙了,真是让我太浪费脑细胞了。有些人甚至说佛学中讲的就是多重宇宙,由此我们也不由得对人类想象力之无穷而感叹了。

3、暗物质、反物质

我是从阅读李政道和丁肇中而知道暗物质和反物质的,并且也相信其是存在的。之所以相信其存在却不是来自于理性的认识,更多的是一种假定的想象,就像我们没有想到原子裂变和聚变能产生那么大的能量一样。

现在,暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它代表了宇宙中90%(暗物质加暗能量)以上的物质含量,而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5%左右)。1957年诺贝尔奖的获得者李政道更是认为其占了宇宙质量的99%。暗物质无法直接观测得到,但它却能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设,但直到目前还没有得到充分的证明。

反物质更是一种假想的物质形式,从哲学角度来讲,我国古代的太极图似乎也暗示了它的存在,但现代天文学还拿不出令人信服的证据。在粒子物理学里,反物质是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的,如同普通物质是由普通粒子所构成的。物质与反物质的结合,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭,且因而释放出高能光子或伽玛射线。1932年由美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在。随后又发现了负质子和自旋方向相反的反中子。目前,由丁肇中主持的“寻找宇宙中的暗物质和反物质”研究已有16个国家的科学家参与其中,投入的资金更是高达1000多亿美元。探测反物质的探测器已于2005年发射升空并永久停留在太空。当然否定反物质的人很多,美国宇宙学家施拉姆(Schramm)说:“大多数理论家的直觉,不存在反物质。这意味着如果你找到它,那是一个伟大的发现,证明这些理论家都是错误的。但是最大的可能是,这意味着你找不到它。”连丁肇中也很慎重地表示:“从这一领域发展的历史来看,人们要有思想准备,也许我们会发现意想不到的东西,与原先想研究的东西毫无关系。”

4、光线扭曲与空间弯曲

爱因斯坦在1916年通过广义相对论提出了适用于行星、恒星的引力学说,说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变,这就是著名的空间弯曲理论。它说物质弯曲了空间,而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。如光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

对于这个理论我们也可以做这样一个思想试验,假设我们在地上建一幢建筑,我们一定会测量并使这个建筑保持在一个水平上,这个水平一定是一个直线。这个建筑相对于地球来说可能只是一个点,如果我们把这个建筑放大,放大到地球半径的三分之一,它保持的那个水平是什么样的呢?当然是一个弧度了,也就是说水平也可以是弯曲的。这样来类比或者理解光线的弯曲就很直观了。也就是说宇宙是圆的,在宇宙的小范围内观察,光线就像水平一样是直的,但是,放在整个宇宙的范围内看,光线必然是弯曲的。否则它便会像那个建筑会脱离地球一样脱离宇宙。

从哲学的角度来讲,最直的直线是曲线,最快的捷径是曲折,曲径方能通幽。看来一切正确的思维都是有科学的时空观做基础的,反之亦然。至于宇宙为什么是圆的倒是值得研究一下。

从以上几个近乎神话想象的“科学”概念中我们看到科学的发展和人类思维能力的无限,这使我有几点感慨:一是我们有理由对人类认识的能力寄予更高的期望和乐观;二是科学的发展确实已经到了一个需要飞跃和突破的阶段,也许走过这一步,前面的路会豁然宽阔;三是如霍金所说,科学的高度发展使得哲学无法跟上,一定程度上讲“哲学已死”,所以我们要“拯救哲学”。

正像我们经常用的那个比喻一样,我们的知识就像一个圆圈,我们知道的是圆圈内的面积,我们知道我们的所不知道的就是这个圆圈周长,这个圆圈越大,我们就会越感觉到自己的不知道之多。所以我发现我对时空的思考越多,我对于时空的无知也是越来越多了。

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