“如果你每天都讀你看得懂的書，你就只知道已知的世界觀”。不是世界變化太快，可能是你的世界觀還沒來得及刷新。所謂成長(zhǎng)，就是用“世界觀”升級(jí)認(rèn)知。這是一本廣受美國(guó)大學(xué)歡迎的人文通識(shí)讀本，科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)史的必備入門書。
本書縱論西方科學(xué)兩千年，探索科學(xué)的起源和思維的本質(zhì)。這是每一個(gè)現(xiàn)代人都需要閱讀、了解的關(guān)于科學(xué)的歷史和哲理，有助于讀者構(gòu)建正確的世界觀。
建立新的認(rèn)知體系，刷新已有的世界觀
確立看待世界、知識(shí)學(xué)習(xí)的“底層邏輯”
掌握科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)史的基本脈絡(luò)
1.有趣的是，事實(shí)和真理的定義往往依賴于彼此。
2.對(duì)于一個(gè)科學(xué)理論來說，不管有多少可以證明其正確性的證據(jù)，這個(gè)理論是錯(cuò)誤的可能性始終存在。
3.如果我們信任彼此，那么我們的所作所為就會(huì)跟不信任彼此時(shí)完全不同。
4.我們的某些觀點(diǎn)可能會(huì)以某種無聊的方式影響現(xiàn)實(shí)的某些方面。
[美]理查德·德威特
美國(guó)費(fèi)爾菲爾德大學(xué)教授，除了研究科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)之外，他研究的領(lǐng)域還包括哲學(xué)思想、數(shù)學(xué)和哲學(xué)邏輯。他利用豐富的課堂教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)《世界觀》一書的文稿進(jìn)行反復(fù)打磨，并配以豐富的圖表補(bǔ)充說明。同時(shí)，作者具有將復(fù)雜的技術(shù)概念分解成讀者可理解的語(yǔ)言的獨(dú)特能力，讀來令人腦洞大開。
一、認(rèn)識(shí)世界觀
二、世界觀的基礎(chǔ)命題
三、從亞里士多德世界觀到牛頓世界觀的轉(zhuǎn)變
四、相對(duì)論和量子理論
一、認(rèn)識(shí)世界觀
什么叫作“世界觀”？“世界觀”這個(gè)概念常常作為“三觀”之一出現(xiàn)，但是很少有人能說清楚它到底是什么。在本書中，作者給出了他的定義：“世界觀”指的是一個(gè)觀點(diǎn)體系，其中不同觀點(diǎn)如同拼圖的一塊塊拼板一樣，相互聯(lián)結(jié)。也就是說，世界觀并不僅僅是一些分離、獨(dú)立、不相關(guān)的觀點(diǎn)的集合，而是一個(gè)不同觀點(diǎn)相互交織、相互關(guān)聯(lián)、相互聯(lián)結(jié)的體系。
比如亞里士多德世界觀，它是公元前300年到公元1600年間占統(tǒng)治地位的觀點(diǎn)體系，它并不是亞里士多德個(gè)人的觀點(diǎn)，只是在很大程度上以亞里士多德的觀點(diǎn)為基礎(chǔ)。
亞里士多德世界觀拼圖
那么亞里士多德的觀點(diǎn)是怎樣的呢？比如，他認(rèn)為地球位于宇宙中心，是靜止的；月亮、其他行星和太陽(yáng)圍繞地球運(yùn)行，大約每24小時(shí)運(yùn)行一圈；地球和月球之間的區(qū)域叫作月下區(qū)，由四種元素組成，即土、水、氣和火；月亮以外的區(qū)域叫作月上區(qū)，該區(qū)域的物質(zhì)由第五種元素“以太”構(gòu)成，“以太”有一種進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的天然趨勢(shì)……
亞里士多德世界觀統(tǒng)治了西方世界1900年左右的時(shí)間，直到被牛頓世界觀顛覆和取代。牛頓世界觀認(rèn)為，地球圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，大約每24小時(shí)旋轉(zhuǎn)一周；地球和行星沿橢圓形軌道圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)；宇宙中基本元素的種類略多于100種；一個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的物體趨向于保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這一規(guī)律同樣適用于行星和恒星這一類的物體……
牛頓世界觀中的多數(shù)觀點(diǎn)到現(xiàn)在依舊適用，不過近代相對(duì)論和量子力學(xué)的快速發(fā)展，正在對(duì)牛頓世界觀發(fā)起挑戰(zhàn)。世界觀一直處在不斷迭代和更新的發(fā)展過程中，現(xiàn)有的世界觀也有可能會(huì)像亞里士多德世界觀被顛覆那樣成為過去。我們生活在一個(gè)有趣的時(shí)代。
二、世界觀的基礎(chǔ)命題
1.真理
每個(gè)人可能都信奉著一些所謂的真理，但是很少有人能夠真正地了解什么是真理。關(guān)于真理的定義，其實(shí)有兩種較為普世的說法。
（1）真理符合論
根據(jù)真理符合論，決定一個(gè)觀點(diǎn)為真的因素是這個(gè)觀點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)相符合；決定一個(gè)觀點(diǎn)為假的因素是這個(gè)觀點(diǎn)沒能與現(xiàn)實(shí)相符合。這里的現(xiàn)實(shí)指的是“真的”現(xiàn)實(shí)，這樣的現(xiàn)實(shí)是完全客觀的，獨(dú)立于人的觀點(diǎn)的。
舉個(gè)例子，如果“地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)”這個(gè)觀點(diǎn)為真，那么決定其為真的因素一定是這個(gè)觀點(diǎn)與事物真實(shí)的情況相符合，也就是地球是真的在圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。（不過直到現(xiàn)在，我們都沒有地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的直接證據(jù)。）
那么，如何判斷我們眼中看到的事物一定是客觀的呢？作者提出了一個(gè)困惑，所有人在觀察世界的時(shí)候，其實(shí)都無法跳出自己的意識(shí)。也就是說，我們根本沒有辦法評(píng)估感官給我們提供的表征是否準(zhǔn)確，或者換句話說，我們沒有辦法確定真正的現(xiàn)實(shí)到底是什么樣子的。
（2）真理融貫論
根據(jù)真理融貫論，決定一個(gè)觀點(diǎn)為真的因素是這個(gè)觀點(diǎn)與其他觀點(diǎn)連貫一致，或緊密結(jié)合。那么上述所說的“其他觀點(diǎn)”都是什么觀點(diǎn)呢？根據(jù)觀點(diǎn)來源的不同，真理融貫論又分為至少三種類型：個(gè)人主義融貫論、團(tuán)體融貫論和以科學(xué)為基礎(chǔ)的融貫論。
a.個(gè)人主義融貫論
對(duì)于個(gè)人來說，如果一個(gè)觀點(diǎn)能夠與自己的其他觀點(diǎn)相一致，那么這個(gè)觀點(diǎn)對(duì)于這個(gè)人來說就是真的。比如，假如史蒂夫認(rèn)為“月球上有人居住”這個(gè)觀點(diǎn)是真的，那么在個(gè)人主義融貫論的體系里，任何人都無法說服史蒂夫相信月球上無人居住。總之，個(gè)人主義融貫論其實(shí)是一種“一切皆有可能”的相對(duì)主義。
b.團(tuán)體融貫論
根據(jù)團(tuán)體融貫論，如果一個(gè)觀點(diǎn)可以與某一群體整體的觀點(diǎn)集合拼合在一起，那么這個(gè)觀點(diǎn)就是真的。但是這種觀點(diǎn)的問題在于，群體秉持的觀點(diǎn)也有可能是錯(cuò)誤的，并且沒有辦法明確哪些人算是群體的一份子。
c.以科學(xué)為基礎(chǔ)的融貫論
如果一個(gè)與科學(xué)相關(guān)的觀點(diǎn)可以與部分科學(xué)家這個(gè)群體的觀點(diǎn)集合拼合在一起，那么這個(gè)觀點(diǎn)就是真的。以科學(xué)為基礎(chǔ)的融貫論其實(shí)也是一種團(tuán)體融貫論。
所以，真理融貫論可能會(huì)因?yàn)椴煌N類的存在而出現(xiàn)巨大的差異。在過去的幾千年里，人們一直都在對(duì)真理進(jìn)行討論，但始終沒有達(dá)成共識(shí)。
2.經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和哲學(xué)性/概念性事實(shí)
（1）經(jīng)驗(yàn)事實(shí)
以觀察為基礎(chǔ)的事實(shí)，通常被稱為經(jīng)驗(yàn)事實(shí)。假如書桌上有一支鉛筆，那么“在你的面前有一支鉛筆”就是一個(gè)明確的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)。
（2）哲學(xué)性/概念性事實(shí)
依賴于人們對(duì)自己所處的世界的一些哲學(xué)性/概念性的判斷，這種事實(shí)被稱為哲學(xué)性/概念性事實(shí)。假如你看到上述那支鉛筆被人放進(jìn)了抽屜里，你會(huì)認(rèn)為“抽屜里有一支鉛筆”，雖然你并沒有直接看到鉛筆在抽屜里。這個(gè)判斷就來自于我們看待世界的方式。
經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和哲學(xué)性/概念性事實(shí)往往是交織在一起的，我們很難將某些觀點(diǎn)簡(jiǎn)單地歸為哪一類。舉個(gè)例子，在亞里士多德的時(shí)代，人們通過觀察得出一些經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，比如某些恒星看起來像是沿著正圓軌道做勻速運(yùn)動(dòng)，在這些經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，人們得出相應(yīng)的哲學(xué)性/概念性事實(shí)——恒星沿著正圓軌道做勻速運(yùn)動(dòng)。
雖然現(xiàn)在看到“正圓軌道”和“勻速運(yùn)動(dòng)”理論，我們會(huì)覺得不可思議，但是這確實(shí)是當(dāng)時(shí)比較顯而易見的結(jié)論。因此，我們知道“顯而易見”可能是一個(gè)思維的陷阱。同時(shí)，不要錯(cuò)誤地認(rèn)為生活在現(xiàn)在這個(gè)有現(xiàn)代科學(xué)的時(shí)代，我們就已經(jīng)逃脫了相信哲學(xué)性/概念性事實(shí)的陷阱。
3.證實(shí)推理和不證實(shí)推理
大約在100年前，愛因斯坦提出了相對(duì)論，這個(gè)理論在當(dāng)時(shí)引起了巨大的爭(zhēng)議。愛因斯坦在其理論中曾預(yù)言大型物體，如太陽(yáng)，其引力效應(yīng)將會(huì)使恒星光線彎曲。后來，在1919年5月的日全食中，研究者經(jīng)過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)光線確實(shí)如愛因斯坦所預(yù)言的彎曲了。這個(gè)觀測(cè)結(jié)果成為支持愛因斯坦相對(duì)論的一個(gè)重要證據(jù)，這其實(shí)就是一種證實(shí)推理。
作者給出了一個(gè)示意圖來表現(xiàn)證實(shí)推理過程：
如果T，那么得出O
O（O是正確的）
所以 T（非常有可能是正確的）
證實(shí)推理是一種歸納推理。歸納推理的特點(diǎn)是，在一個(gè)歸納推理過程中，即使所有前提條件都是真的，所得到的結(jié)論也有可能是錯(cuò)的。因此，對(duì)于一個(gè)科學(xué)理論來說，不管有多少可以證明其正確性的證據(jù)，這個(gè)理論是錯(cuò)誤的這種可能性始終存在。
關(guān)于不證實(shí)推理，作者同樣給出了一個(gè)示意圖：
如果T，那么得出O
O是不正確的
所以 T是不正確的
不證實(shí)推理是一種演繹推理。演繹推理的特點(diǎn)是，在一個(gè)演繹推理過程中，真的前提條件就保證了真的結(jié)論。比如，蘇格拉底有一個(gè)著名的三段論：人都會(huì)死，蘇格拉底是人，所以蘇格拉會(huì)死，這是一個(gè)正確的推理。無獨(dú)有偶，相傳柏拉圖也曾經(jīng)說過，無毛的兩腿動(dòng)物是人。他的學(xué)生聽到后，就把一只雞捉來，將毛拔光，根據(jù)柏拉圖的定義，那么被拔了毛的雞也是人。顯然，這個(gè)推理是錯(cuò)誤的，因?yàn)榇笄疤徨e(cuò)了。
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但是，通常不證實(shí)推理會(huì)涉及大量輔助假設(shè)，因此，通過不證實(shí)推理得出的證據(jù)只能表明要么是使用的理論不正確，要么就是一個(gè)或幾個(gè)輔助假設(shè)不正確。
關(guān)于不證實(shí)推理，作者給出了一個(gè)更為準(zhǔn)確的示意圖：
如果T，且A?,A?,A?…，An，那么O
O是不正確的
所以 T是不正確的，或者A?是不正確的，或者A?是不正確的，或者A?是不正確的…或者An是不正確的。
比如，研究人員將酒精放入燒杯加熱，如果研究人員觀測(cè)到樣本在達(dá)到酒精沸點(diǎn)時(shí)并沒有沸騰，那么我們可以得出結(jié)論，要么樣本不是乙醇，要么溫度計(jì)壞了，或者樣本受到了污染，或者實(shí)驗(yàn)室里的氣壓不正常等等。
4.證偽主義和可證偽性
卡爾·波普是證偽主義最著名的支持者，他認(rèn)為證偽是科學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵元素，也是區(qū)分科學(xué)理論與非科學(xué)理論的關(guān)鍵前提。波普認(rèn)為，科學(xué)強(qiáng)調(diào)的應(yīng)該是嘗試對(duì)理論進(jìn)行反駁，而不是證實(shí)理論。如同上述證實(shí)推理中探討的那樣，對(duì)于任何一個(gè)科學(xué)理論來說，不管有多少證明其正確性的證據(jù)，該理論都有錯(cuò)誤的可能。
從某個(gè)意義上說，對(duì)于波普而言，一個(gè)理論所冒的風(fēng)險(xiǎn)越大，它的科學(xué)性就越強(qiáng)，比如愛因斯坦的相對(duì)論。
那么，我們?nèi)绾沃酪粋€(gè)理論是否具備可證偽性呢？作者認(rèn)為，可證偽性其實(shí)是一個(gè)非常微妙和復(fù)雜的命題，因?yàn)槲覀儫o法確定什么樣的證據(jù)才算是有意義的證據(jù)。當(dāng)你試圖論證一個(gè)理論是否具備可證偽性的時(shí)候，不可避免地會(huì)加入你自己的觀點(diǎn)體系，最后出現(xiàn)的結(jié)果可能是這兩個(gè)觀點(diǎn)體系誰(shuí)也說服不了誰(shuí)。
所以，作者認(rèn)為，可證偽性是對(duì)某個(gè)理論所秉持的態(tài)度，而不是這個(gè)理論本身的一個(gè)特點(diǎn)，正是這個(gè)態(tài)度決定了我們認(rèn)為該理論是可證偽的還是不可證偽的。
5.工具主義和現(xiàn)實(shí)主義
對(duì)于工具主義者來說，一個(gè)適當(dāng)?shù)睦碚摽梢越o出預(yù)言和解釋，至于這個(gè)理論是否反映或模擬現(xiàn)實(shí)世界，并不是一個(gè)重要的考量。而對(duì)現(xiàn)實(shí)主義者來說，事情恰恰相反，一個(gè)合理的理論必須不僅可以給出預(yù)言和解釋，而且要反映現(xiàn)實(shí)事物的真實(shí)情況。
托勒密曾用周轉(zhuǎn)圓研究火星的運(yùn)動(dòng)，如下圖。在以地球?yàn)橹行牡挠钪嬷校鹦菄@點(diǎn)A運(yùn)行的圓形軌道就稱為周轉(zhuǎn)圓。
托勒密體系中火星的運(yùn)動(dòng)
對(duì)于工具主義者來說，周轉(zhuǎn)圓是否真實(shí)存在并不重要，重要的是該理論能夠預(yù)言和解釋相關(guān)數(shù)據(jù)；而對(duì)于現(xiàn)實(shí)主義者來說，如果周轉(zhuǎn)圓并不是真實(shí)存在的，那么托勒密的理論就不能被接受。
有趣的是，對(duì)待重力，提出該概念的牛頓本人是持工具主義的態(tài)度的。也就是說，他可以用自己的方程式來進(jìn)行相關(guān)的預(yù)言，但是對(duì)于重力是否是一個(gè)“真實(shí)”的力，他本人是保持沉默的。
三、從亞里士多德世界觀到牛頓世界觀的轉(zhuǎn)變
1.亞里士多德世界觀
在西方世界，在大約公元前300年到公元1600年間，亞里士多德世界觀是占主導(dǎo)地位的世界觀。
以下為亞里士多德世界觀中的幾個(gè)主要觀點(diǎn)：
（1）“地心說”：地球位于宇宙中心，是球形的。
（2）地月關(guān)系：月球離地球最近，月球與地球之間的區(qū)域?yàn)樵孪聟^(qū)，月球以上的區(qū)域?yàn)樵律蠀^(qū)，由元素以太構(gòu)成。
（3）星星和太陽(yáng)的順序：首先是水星，然后是金星，接下來是太陽(yáng)、火星、木星、土星以及所謂的恒星球面。
（4）宇宙：宇宙邊緣就是恒星所在的球面，所有恒星與地球之間的距離都相等，且都鑲嵌在一個(gè)球面上。球面以自身軸線為中心轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈大約24小時(shí)。
（5）目的論和本質(zhì)論：宇宙是有目的的，而且有本質(zhì)存在。宇宙中每個(gè)基本元素的天然目標(biāo)都是要到達(dá)其在宇宙中的天然位置，天然存在的物體都被認(rèn)為有本質(zhì)屬性，而正是因?yàn)檫@些本質(zhì)屬性，物體才有了它們所表現(xiàn)出來的行為模式。比如土元素的天然趨勢(shì)就是要位于宇宙中心，也就是地心說。
在將近2000年的時(shí)間里，亞里士多德世界觀被接受為一種普遍觀點(diǎn)，雖然隨著時(shí)代的發(fā)展，該理論不斷得到修正，但是其理論基礎(chǔ)依舊是一個(gè)以地球?yàn)橹行摹⒂斜举|(zhì)存在、有目的的宇宙。
2.天文學(xué)數(shù)據(jù)：經(jīng)驗(yàn)事實(shí)
（1）恒星運(yùn)動(dòng)
被稱為恒星的亮點(diǎn)以一種可預(yù)測(cè)的模式運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)運(yùn)動(dòng)模式早在人類有記錄的歷史開始之前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了。恒星運(yùn)動(dòng)似乎是以一種規(guī)律的模式，將近24小時(shí)重復(fù)一次。太陽(yáng)相對(duì)地球東升西落，這決定了地球的晝夜變化；同時(shí)，它在地球邊緣升起的位置每個(gè)季節(jié)都發(fā)生變化，這決定了地球的春分、夏至、秋分和冬至。
（2）月球的運(yùn)動(dòng)
比較明顯的月球運(yùn)動(dòng)包括，月球大概每29天多會(huì)循環(huán)一次；相對(duì)恒星，它會(huì)向東偏移，但是偏移的速度比太陽(yáng)快。
（3）行星的運(yùn)動(dòng)
在任何一個(gè)夜晚，我們稱之為行星的一個(gè)亮點(diǎn)，與我們稱之為恒星的一個(gè)亮點(diǎn)看起來并沒有顯著的不同，其在空中運(yùn)行的方式也是相似的。所以，人們很難分辨恒星和行星。
然而我們的前人早就發(fā)現(xiàn)了夜空中有5個(gè)亮點(diǎn)跟其他上千個(gè)亮點(diǎn)都有所不同。這個(gè)不同點(diǎn)主要是基于這5個(gè)亮點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模式，但并不是它們?cè)谀骋粋€(gè)夜晚的運(yùn)動(dòng)，而是經(jīng)過許多夜晚形成的模式。
順帶提一句，我們通常認(rèn)為存在9顆行星，但是直到18世紀(jì)，我們所能夠看到的也就是金、木、水、火、土這5顆行星。
舉個(gè)例子，如果你花上幾個(gè)小時(shí)來觀測(cè)木星，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它隨著恒星運(yùn)動(dòng)，而且通?？雌饋砼c恒星沒有任何不同。然而如果你持續(xù)幾天或者幾個(gè)星期仔細(xì)觀察木星，你就會(huì)注意到，與月球和太陽(yáng)相似，木星與恒星的相對(duì)位置在不斷地偏移。
同樣值得提出的是，與恒星不同，行星的亮度變化很大。當(dāng)金星肉眼可見的時(shí)候，總是看起來相當(dāng)明亮，不過有些時(shí)候它會(huì)比其他時(shí)間更明亮，最明亮的時(shí)候，金星看起來像一架正在著陸的飛機(jī)上的著陸燈。
5顆肉眼可見的行星都會(huì)時(shí)常出現(xiàn)亮度上的明顯變化，實(shí)際情況還要比這更復(fù)雜一些。比如，行星會(huì)做一種“反方向偏移運(yùn)動(dòng)”，也叫作“逆行運(yùn)動(dòng)”。所有的行星都有逆行運(yùn)動(dòng)，盡管逆行的間隔并不完全相同。木星和土星大約一年有一次逆行，火星大約每?jī)赡暧幸淮文嫘?，金星大約每一年半有一次，而水星大約一年有三次逆行。
相信很多人可能會(huì)對(duì)夜空感興趣，尤其是孩子。那么怎么通過肉眼觀測(cè)到金星呢？作者在書中提到，根據(jù)金星和太陽(yáng)的位置關(guān)系的變化，你可以在太陽(yáng)快要升起，或剛落下后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)看到它。
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3.天文學(xué)數(shù)據(jù)：哲學(xué)性/概念性事實(shí)
在亞里士多德世界觀體系下，“天空是一個(gè)完美的地方”的觀點(diǎn)，為人們提供了一種方法來解釋天體如何保持運(yùn)動(dòng)。與該觀點(diǎn)形影不離的是，“天體一定是沿正圓軌道做勻速運(yùn)動(dòng)”。久而久之，行星沿正圓軌道進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)似乎變成了一個(gè)常識(shí)。現(xiàn)在我們回過頭發(fā)現(xiàn)，正圓事實(shí)和勻速運(yùn)動(dòng)根本不是一個(gè)事實(shí)，而是一個(gè)哲學(xué)性/概念性的事實(shí)，并且是錯(cuò)誤的。
4.托勒密體系
托勒密在公元150年發(fā)表了《至大論》，他在書中提出了一整套的運(yùn)動(dòng)體系。托勒密體系很明確地尊重了正圓事實(shí)，因?yàn)橥欣彰芩褂玫姆椒ㄈ际且浴疤祗w運(yùn)動(dòng)只沿正圓軌道進(jìn)行”為基礎(chǔ)的。
盡管托勒密體系也并不完美，而且錯(cuò)誤很多，但是值得強(qiáng)調(diào)的是，在托勒密之前或之后的1400年內(nèi)，沒有其他關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的理論，在進(jìn)行解釋和預(yù)言方面達(dá)到與托勒密體系接近的程度。
在托勒密的體系里，火星沿一個(gè)點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是下圖中的點(diǎn)A。火星運(yùn)動(dòng)軌跡形成的圓形，也就是以點(diǎn)A為圓心的一個(gè)小圓圈，被稱為周轉(zhuǎn)圓。
托勒密體系對(duì)火星的研究
周轉(zhuǎn)圓的圓心，也就是點(diǎn)A，沿一個(gè)半徑更大、以點(diǎn)B為中心的圓圈運(yùn)轉(zhuǎn)。像這樣半徑更大的一個(gè)圓圈被稱為均輪或偏心圓。
在上圖中，位于中心位置的并不是地球，而是點(diǎn)B，但是請(qǐng)注意，地球確實(shí)是托勒密體系的中心。當(dāng)點(diǎn)B剛好與地球中心重合的時(shí)候，那么這個(gè)以點(diǎn)B為中心的半徑更大的圓圈就將被稱為均輪。在另一種情況中，如果點(diǎn)B不是位于系統(tǒng)中心，那么這個(gè)更大的圓圈就將被稱為偏心圓。
簡(jiǎn)言之，均輪和偏心圓的相同之處在于它們都是由周轉(zhuǎn)圓運(yùn)轉(zhuǎn)軌道形成的半徑更大的圓圈?？梢哉J(rèn)為偏心圓是圓心發(fā)生偏移的均輪。在這個(gè)周轉(zhuǎn)圓里，可以經(jīng)過計(jì)算找到一個(gè)點(diǎn)，如果火星周轉(zhuǎn)圓圓心相對(duì)于這個(gè)點(diǎn)做勻速運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)點(diǎn)就被稱為等距點(diǎn)。
周轉(zhuǎn)圓-均輪系統(tǒng)非常靈活，因?yàn)橹恍枰淖円幌缕渲懈鹘M成部分的大小、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，就可以產(chǎn)生大量不同的運(yùn)動(dòng)。由于有高度的靈活性，所以周轉(zhuǎn)圓-均輪系統(tǒng)非常有用。
5.哥白尼體系
托勒密理論大概延續(xù)了1400多年，接下來登場(chǎng)的是尼古拉·哥白尼。
哥白尼在16世紀(jì)初提出太陽(yáng)是宇宙的中心，哥白尼體系跟托勒密體系在很多方面其實(shí)是相似的，但是其中地球和太陽(yáng)的位置發(fā)生了對(duì)調(diào)。哥白尼認(rèn)為所有恒星與宇宙中心的距離是相等的，也都鑲嵌在所謂的恒星球面上。
與在托勒密體系中一樣，這個(gè)恒星球面就是宇宙最遠(yuǎn)的邊界。哥白尼的宇宙比托勒密的宇宙要大。哥白尼體系也運(yùn)用了周轉(zhuǎn)圓、均輪和偏心圓，并且同樣地，哥白尼也尊重正圓軌道和勻速運(yùn)動(dòng)的事實(shí)。
哥白尼繞過了托勒密體系里的等距點(diǎn)的概念，直接明確地尊重了勻速運(yùn)動(dòng)事實(shí)，而且對(duì)逆行運(yùn)動(dòng)、多顆行星的不同亮度與它們逆行運(yùn)動(dòng)時(shí)間點(diǎn)之間的相關(guān)關(guān)聯(lián)，以及金星、水星總是出現(xiàn)在距離太陽(yáng)不遠(yuǎn)處的事實(shí)，作出了更加直接明確的解釋。
哥白尼為什么會(huì)提出日心說呢？據(jù)說，和一個(gè)叫作新柏拉圖主義的哲學(xué)流派有關(guān)。新柏拉圖主義認(rèn)為，太陽(yáng)是至善的，太陽(yáng)變成了“上帝”的代表。那么，對(duì)于相信新柏拉圖主義觀點(diǎn)的哥白尼來說，太陽(yáng)理應(yīng)位于宇宙的中心。
6.第谷體系
第谷·布拉赫是16世紀(jì)下半葉備受尊敬的一位天文學(xué)家，他的主要貢獻(xiàn)是發(fā)展出了現(xiàn)在被稱為第谷體系的天文學(xué)體系，并且在幾十年間給出了非常精確的經(jīng)驗(yàn)性觀察結(jié)果。
第谷憑借自己的能力發(fā)展出了一個(gè)體系，其中既包括了大多數(shù)哥白尼體系的優(yōu)勢(shì)，又保留了“地球是宇宙中心”的觀點(diǎn)。根據(jù)第谷體系，地球是宇宙的中心，恒星球面同樣被定義為宇宙的邊界。月球和太陽(yáng)繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)，但行星圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
7.開普勒體系
第谷去世后，開普勒獲得了第谷積累的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，他經(jīng)過異常努力的研究，終于做出了兩大關(guān)鍵性創(chuàng)新——橢圓軌道和變速運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)開普勒體系，行星圍繞太陽(yáng)沿橢圓形軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，太陽(yáng)占據(jù)橢圓軌道兩個(gè)焦點(diǎn)之一的位置，這個(gè)理論通常被稱為開普勒行星運(yùn)動(dòng)第一定律。
開普勒的另一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新是讓行星在沿其軌道圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行變速運(yùn)動(dòng)。更具體地說，如果以行星為起點(diǎn)畫一條直線，和太陽(yáng)連起來，這條直線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過的面積相同。這個(gè)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)速度的描述被稱為開普勒運(yùn)動(dòng)第二定律。
終于，在17世紀(jì)中期，關(guān)于勻速、沿正圓軌道運(yùn)動(dòng)的哲學(xué)性/概念性“事實(shí)”不再被當(dāng)作事實(shí)了。
8.伽利略體系
在從地心說觀點(diǎn)向日心說觀點(diǎn)轉(zhuǎn)變的過程中，另一個(gè)發(fā)揮了核心作用的人物就是伽利略。
伽利略是第一批將望遠(yuǎn)鏡用于天文學(xué)觀察的人之一，通過使用望遠(yuǎn)鏡，他發(fā)現(xiàn)了有趣的新數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)地心說和日心說支持者之間的爭(zhēng)論產(chǎn)生了極大的影響。以下是伽利略的一些發(fā)現(xiàn)：
（1）月球上的山峰
伽利略所觀察到的月球地表特征包括山峰、平原以及我們現(xiàn)在所說的月坑。這與亞里士多德世界觀中的“天空中的物體都由以太組成”的觀點(diǎn)矛盾。但是這并不足以撼動(dòng)亞里士多德世界觀的地位，畢竟，關(guān)于月球的觀點(diǎn)并不是亞里士多德世界觀中的核心觀點(diǎn)。
（2）太陽(yáng)黑子
伽利略同樣是第一批用望遠(yuǎn)鏡觀察太陽(yáng)黑子的人之一。利用觀察所得的結(jié)果，伽利略令人相信，太陽(yáng)黑子一定是太陽(yáng)表面本身就有的區(qū)域，而不是其他什么圖像。因此，月上區(qū)肯定不像亞里士多德世界觀所認(rèn)為的那樣，是一個(gè)完美區(qū)域。于是，亞里士多德世界觀又多了一個(gè)小瑕疵。
（3）土星的光環(huán)或耳朵
伽利略是第一個(gè)觀察到土星有時(shí)會(huì)有邊緣凸出現(xiàn)象的人，這個(gè)凸出的邊緣看起來就像把手或耳朵。這個(gè)數(shù)據(jù)再次挑戰(zhàn)了亞里士多德世界觀，因?yàn)橛伤^的“以太”組成的行星并不一定是正球體，月亮和太陽(yáng)也不是。
（4）木星的衛(wèi)星
伽利略觀察到有四個(gè)小亮點(diǎn)圍繞在木星周圍運(yùn)轉(zhuǎn)，他正確地推斷出這四個(gè)小亮點(diǎn)是圍繞木星運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星。根據(jù)亞里士多德世界觀，特別是在托勒密體系中，地球是宇宙中所有圓周運(yùn)動(dòng)唯一的中心。顯然，木星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)，再次讓亞里士多德世界觀蒙上了一層陰影。
（5）金星相位
所謂金星相位，意思是金星不僅會(huì)經(jīng)歷周期性的相位變化，而且它的大小也會(huì)根據(jù)所處的相位發(fā)生變化。這也是伽利略通過望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的結(jié)果。
而且伽利略還發(fā)現(xiàn)，除了肉眼可見的恒星，還存在其他無數(shù)恒星。這至少意味著，宇宙很可能比之前猜想的大得多，甚至有可能是無限大的，其中包括無限多的恒星。
1632年，伽利略出版了《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》一書，這本書內(nèi)容豐富，對(duì)支持和反對(duì)地心說體系和日心說體系的論據(jù)都分別進(jìn)行了討論。這本書并沒有得到教會(huì)的接受，因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)，僅對(duì)日心說體系進(jìn)行討論并沒有被教會(huì)禁止，被禁止的只是支持這個(gè)觀點(diǎn)就是現(xiàn)實(shí)的做法。伽利略恰恰觸犯了教會(huì)的禁忌。
最后伽利略被裁定為有持異教思想的嫌疑，被判終身監(jiān)禁，同時(shí)還被要求正式宣布“日心說”的觀點(diǎn)是假的。最后，伽利略在家中度過了余生，于1642年逝世。
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9.牛頓世界觀
仿佛是某種“輪回”，在伽利略逝世后的第一年，牛頓就出生了。17世紀(jì)是個(gè)充滿變革的時(shí)代，新科學(xué)開始出現(xiàn)并快速發(fā)展，這是很多研究人員共同努力的結(jié)果。然而集大成者是牛頓，他在1687年發(fā)表了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，簡(jiǎn)稱《原理》?！对怼氛故玖艘环N新的物理學(xué)，建立了一個(gè)新的觀點(diǎn)拼圖，一個(gè)代替了亞里士多德世界觀的觀點(diǎn)拼圖——牛頓世界觀。
在牛頓世界觀中，宇宙被認(rèn)為是廣闊的，甚至可能是無限大的，太陽(yáng)只是太陽(yáng)系的中心，行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)；物體運(yùn)轉(zhuǎn)模式的形成原因不再是其內(nèi)在本質(zhì)，相反，物體是在外力的影響下而形成其運(yùn)轉(zhuǎn)模式；宇宙一天天保持運(yùn)轉(zhuǎn)，就像鐘表每天滴答滴答不停地走。
（1）牛頓三大定律
牛頓第一定律，也就是我們常說的慣性定律：任何物體在不受任何外力的作用下，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變這種狀態(tài)。
牛頓第二定律：物體運(yùn)動(dòng)的改變與其所受作用力成正比，而且與其所受作用力的方向成一條直線。這條定律通常被歸納為F=ma，即物體所受作用力等于質(zhì)量乘以加速度。
牛頓第三定律：對(duì)任何作用力，總會(huì)存在一個(gè)方向相反、大小相等的反作用力。
（2）萬(wàn)有引力定律
萬(wàn)有引力通常被表述為任意兩個(gè)物體之間的相互吸引力，兩個(gè)物體之間的萬(wàn)有引力作用與物體的質(zhì)量成正比。物體質(zhì)量越大，萬(wàn)有引力作用越強(qiáng)。牛頓還在《原理》第三卷中提出，重力普遍存在于一切物體中。不過，牛頓通常聲稱自己是用工具主義的態(tài)度來看待重力的。
與亞里士多德世界觀一樣，牛頓世界觀也不是一系列靜止的觀點(diǎn)。在17世紀(jì)以后的幾個(gè)世紀(jì)里，牛頓世界觀得到了發(fā)展和修正，但盡管如此，這個(gè)世界觀的核心元素依舊保持不變。
在化學(xué)領(lǐng)域，安東尼·拉瓦錫運(yùn)用定量研究方法進(jìn)行化學(xué)研究，很快這種研究方法成為當(dāng)時(shí)學(xué)界的主流。同樣運(yùn)用此方法，約翰·道爾頓構(gòu)建了他的原子理論，這是一個(gè)基本都在牛頓科學(xué)體系內(nèi)的理論。在整個(gè)19世紀(jì)以及20世紀(jì)初，通過運(yùn)用牛頓方法，化學(xué)研究取得了卓越成果。
在生物學(xué)領(lǐng)域，人們發(fā)現(xiàn)有關(guān)神經(jīng)的一些現(xiàn)象其實(shí)是一種電學(xué)現(xiàn)象，引起這種現(xiàn)象的物理、化學(xué)過程與生物學(xué)之外的物理、化學(xué)過程都是相同種類的。生物學(xué)的這個(gè)領(lǐng)域可以與牛頓世界觀對(duì)物理、化學(xué)過程中的機(jī)械論拼合在一起。
同樣地，牛頓的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)定量方法也被用于電磁學(xué)研究上，法拉第和麥克斯韋的研究成果都一定程度上得益于牛頓的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)定量方法。
以上只是牛頓體系下諸多科學(xué)領(lǐng)域的其中三個(gè)，許多其他科學(xué)領(lǐng)域都出現(xiàn)了令人印象深刻的成果和發(fā)現(xiàn)，牛頓世界觀的影響普遍又深遠(yuǎn)。
（3）幾朵小烏云
英國(guó)著名物理學(xué)家開爾文爵士在1900年發(fā)表了一段談話，他指出，在現(xiàn)代科學(xué)本應(yīng)晴朗的天空里，現(xiàn)在只剩下幾朵“小烏云”了。其中有兩朵最為重要，分別是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射。
①邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)
邁克爾遜和莫雷從一個(gè)定點(diǎn)發(fā)射出兩道光，發(fā)出時(shí)的夾角是直角，這兩道光分別通過與光源距離相等的兩面鏡子反射回來。如果牛頓體系內(nèi)關(guān)于光傳播的機(jī)械論觀點(diǎn)是正確的，也就是光通過介質(zhì)以太來傳播，那么光源和鏡子應(yīng)該在以太中運(yùn)動(dòng)。
盡管相對(duì)于光源，兩道光傳播的距離相等，但是由于光源和鏡子同時(shí)在以太中運(yùn)動(dòng)，那么對(duì)于以太，兩道光傳播的距離是不相等的，因此我們預(yù)計(jì)可以看到兩道光回到光源處會(huì)有微小的時(shí)間差。然而與預(yù)期的相反，兩道光總是在相同的時(shí)間點(diǎn)回到光源處。
由于牛頓科學(xué)體系非常成功，因此科學(xué)家認(rèn)為如果因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果而放棄牛頓科學(xué)體系的觀點(diǎn)，將是非常不明智的，所以把它當(dāng)作了無足輕重的小烏云。
②黑體輻射
黑體指的是一個(gè)理想化的物體，可以吸收所有指向它的電磁輻射。舉個(gè)例子，光是電磁輻射的一種形式，所以，如果我們向一個(gè)黑體投射光線，黑體將吸收所有的光線，因而表現(xiàn)出黑暗的性質(zhì)，所以才叫作黑體。
根據(jù)牛頓科學(xué)體系，一個(gè)受熱的黑體，預(yù)計(jì)將以某種特定模式對(duì)外進(jìn)行輻射。然而實(shí)際觀察到的輻射模式，與根據(jù)牛頓科學(xué)體系預(yù)言的輻射模式有顯著差異。
簡(jiǎn)單地說，當(dāng)僅觀察波長(zhǎng)較長(zhǎng)的輻射時(shí)，所觀察到的輻射模式與預(yù)言的模式十分相近。但是到了短波時(shí)，觀察到的輻射模式則與預(yù)言模式大相徑庭。這個(gè)問題有時(shí)被稱為“紫外災(zāi)難”。
與邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)一樣，黑體輻射問題后來被證明并不只是一朵小烏云。直到量子理論的出現(xiàn)，黑體輻射問題才被成功解釋。
四、相對(duì)論和量子理論
1.狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論
除了上述幾朵小烏云之外，在大多數(shù)人的世界觀里，空間和時(shí)間都是絕對(duì)的。這一切，在相對(duì)論中都有了不同的解釋。阿爾伯特·愛因斯坦于1905年發(fā)表了狹義相對(duì)論，于1916年發(fā)表了廣義相對(duì)論。下面是一些相對(duì)論常見的觀點(diǎn)：
狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)是光速恒定原則和相對(duì)性原則，對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的物體來說，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生一些讓人驚訝的變化，如時(shí)間膨脹、長(zhǎng)度收縮、同時(shí)性的相對(duì)性等等。
廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)是廣義協(xié)變性原理和等效原理。根據(jù)廣義相對(duì)論，大質(zhì)量物體的存在導(dǎo)致了時(shí)空曲率。不受任何力的作用的物體也會(huì)沿最短路線運(yùn)動(dòng)等等。這部分詳見《愛因斯坦傳》。
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2.量子理論
量子理論實(shí)際上是一種“波”數(shù)學(xué)，應(yīng)與“粒子”數(shù)學(xué)相區(qū)別。一種是涉及離散式物體（粒子）時(shí)所用到的，另一種是涉及波的情形的時(shí)候所用到的。舉個(gè)例子，如果你把一個(gè)保齡球扔出去，保齡球這個(gè)物體會(huì)受到多重力的影響，這個(gè)情形的數(shù)學(xué)就是粒子數(shù)學(xué)。但是水波、光波、聲波等各種涉及波的情形，就要用到量子數(shù)學(xué)。
那么，為什么說量子理論是很不尋常的理論呢？值得一提的是，量子理論數(shù)學(xué)給出的通常是概率性的預(yù)言，而不是確定的預(yù)言。舉個(gè)例子，如果我們用量子理論數(shù)學(xué)來預(yù)言一個(gè)電子的位置，數(shù)學(xué)計(jì)算將會(huì)告訴我們?cè)诓煌恢锰綔y(cè)到這個(gè)電子的可能性。相比之下，如果是針對(duì)屋頂?shù)袈涞谋｝g球，數(shù)學(xué)計(jì)算將給我們一個(gè)確定的預(yù)言。這正是量子理論數(shù)學(xué)與其他理論的不同之處。
為了更好地理解量子理論，我們可以了解一下薛定諤的貓，薛定諤的貓是關(guān)于量子理論的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。假設(shè)在一個(gè)密封的盒子里有一只貓，同時(shí)還有一個(gè)微弱的放射源。
具體來說，這個(gè)放射源在一小時(shí)內(nèi)，釋放出一粒放射性粒子的概率是50％。如果放射源釋放了一粒放射性粒子，這個(gè)粒子將會(huì)觸發(fā)一個(gè)探測(cè)器，而這個(gè)探測(cè)器在觸發(fā)之后會(huì)打開一小瓶毒藥，這種毒藥可以毒死盒子里的貓。
量子力學(xué)告訴我們，存在一個(gè)中間態(tài)，貓既不死也不活，直到進(jìn)行觀察看看發(fā)生了什么。除非進(jìn)行觀測(cè)，否則一切都不是確定的，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規(guī)律不以人的意志為轉(zhuǎn)移，貓既活又死違背了邏輯思維。
關(guān)于進(jìn)一步對(duì)薛定諤的貓的詮釋，學(xué)界出現(xiàn)了很多觀點(diǎn)，但是至今都沒有達(dá)成共識(shí)。唯一有共識(shí)的是，人類才剛剛邁入量子理論的大門。
通過對(duì)本書的學(xué)習(xí)，我們大致了解了自己生活在一個(gè)怎樣的世界當(dāng)中。從亞里士多德世界觀到牛頓世界觀，再到相對(duì)論和量子理論的發(fā)展，我們的世界觀一直處于更新迭代的過程中。
過去秉持的觀點(diǎn)，并不一定現(xiàn)在就是真的，現(xiàn)在的世界觀也有可能會(huì)被未來的發(fā)現(xiàn)所顛覆。但是我們能夠確定的是，我們生活在有趣的時(shí)代。
生命如是之觀，何等壯麗恢宏，請(qǐng)繼續(xù)做一株會(huì)思考的蘆葦。
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