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从行星的轨道为什么是椭圆形说起

2017-06-13 09:02 来源:科学大院 
2017-06-13 09:02:58来源:科学大院作者:责任编辑:肖春芳

  作者:叶洪涛(中国科学院紫金山天文台)

  一些年前,随口问一位天文学家:“为什么行星的轨道是椭圆形?”天文学家不假思索的答道:“你用牛顿的引力方程解一下,就会得到椭圆。”当时不禁震撼,怪不得阿西莫夫如此写道:“我认为大多数科学史家都会立刻异口同声地说,牛顿是世界上从未有过的最伟大的科学家。”是牛顿真正解开天体运行之谜,自从有了他的引力理论,行星的运行能够被精确计算,我们可以将日月食的预测推算准确到秒,也就此奠定了现代天文学的基础。

  一些年后,突然震惊,上面这答案似乎并不是答案——难道牛顿说是椭圆就是椭圆?他是上帝吗?应该是轨道为椭圆,所以牛顿才得出椭圆的结论吧……那到底为啥轨道是椭圆?……

  先有科学,还是先有科学理论?

  古希腊诞生了最早的行星运动理论,即托勒密体系,“那时”太阳是绕地球转,而轨道是完美的圆形。此后一千多年,人们维系着这个理论体系,直到哥白尼提出日心说,不过运行轨道依然是圆形。

  随着研究的深入,开普勒提出了行星的椭圆轨道,即开普勒第一定律。比较开普勒与牛顿,牛顿进一步为椭圆轨道赋予了原因——万有引力(其实还有另一个尴尬的原因——上帝在切线方向上的第一推动),也就此将天文学带入了物理学时代。

  霍金以极其精炼的语言创作了科普读本《时间简史》,唯一反常的是,他在书的开头和结尾,重复同一话题:科学理论只是科学家头脑中的数学模型。为什么他要特别强调这一点?

  早年法国天文学家拉普拉斯被拿破仑问到他的巨著《天体力学》里为啥没有提到上帝时,坚定地回答:“我不需要上帝这个假设!”那么不要上帝这个假设,需要什么假设呢?

  在人类寻常的思维习惯中,总是有果必有因,并且这原因还应该是具体而实在的。但在科学中,情况并非完全如此。那是怎样的呢?

  请允许我离开天文学一小会儿,回忆一下化学。

  现代天文学和物理学的奠基人是牛顿,而现代化学的奠基人则是拉瓦锡,他为现代化学创造了基础理论——氧化学说。在他之前,曾有一个通行的理论叫“燃素说”,即所谓燃烧就是可燃烧物质中燃素的消耗过程。但随着越来越多实验的进行,人们发现很多物体燃烧后不是变轻而是变重了,自此燃素说显然站不住脚了。于是氧化理论诞生了,现代化学诞生了。而让人不由联想的是,人并不能决定自然现象的发生,如果从来没有一种物体燃烧后会变重,那么何年人类才会建立氧化的概念?确实,人的认识永远受自然的制约。但又确实,历史不能也无需假设,而且从对人类智慧的自信我也认为氧化学说必然产生。(“离题”更远点,之所以有“燃素说”似乎只是由于人们当时并没有把气体当做物质看。)

  如此看来,科学可以说是人类与自然之间的纽带。用比喻的说法,新郎、新娘、月老都确有其人,科学理论就是那根传说中一线牵的红绳。

  科学最根本的目标是说明自然界各种现象之间的关系;人为创造的科学理论、科学定义、科学概念并不一定要具有实在性,更多只是一种表述。就像磁力线是对磁场的描述性概念,其具体存在与否并非要点。也可说,相信引力理论的正确性与坚信有一个叫做引力的东西存在是可以分开的两件事。(这也许不是必须解决的现实问题,但至少意味着一种眼界和胸怀。)关键是,更好的更先进的科学理论提升了人类的认知水平,例如精确度。所以文章开头的那个答案其实合格,只要愿意放弃对实体性答案的追求。毕竟,连牛顿本人也只好抬出上帝。(不得不承认理论的正确性是结果导向性的,只要是对得上的数据就是好数据,只要是对得上的理论就是好理论,这与邓氏的猫理论异曲同工。)

  所以,科学是揭开自然之谜的解题思路。任何理论上的结果,在现实中,严格意义上都无法确定其存在。无论1、2、3亦或是π,无论点、线、面亦或是直角。所有结论都只是人类思维与自然现象的偶合。

  世上无绝对性的真理

  任何理论都建立在假设之上(不管多么合理且显而易见的假设本质上都还是假设),现代对理论合理性的要求只是其内部的自洽。这种认知方法,开始于数学,开始于几何,开始于高斯,是他第一个开始质疑欧几里得几何中平行公设的不可证明性。既然公设无法又无需证明,那似乎可以允许任意创造公设,只要在其后的推理中能够形成封闭的、不自相矛盾的逻辑体系。虽然高斯没有勇气公开,但随后罗巴切夫斯基、黎曼等一代代数学家逐步建立起各种非欧几何体系,直到广义相对论的产生第一次开出现实之花。

  现今通行的理论是在现今条件下经过充分实验证明的理论,物理学家费曼说:“实验是任何观念的正确性的唯一试金石。”而哲学家波普尔的证伪理论为我们提供了可供参考的补充思路,即所有现在被证明正确的理论其实都是尚无机会证明其错误的理论,就像没有发现物体越烧越重时的“燃素说”。

  科学有着可深入和发展的特性,也许有一天发展出了新的理论全面替代万有引力,不过牛顿依然可能是最伟大的科学家,没有之一。因为他的伟大在于对人类认知的拓展,而不局限于其理论的正确与否。

  从群体内部看,科学家之间有着能力高低、研究领域层次深浅的差异,所以直接引用他人尤其是高人的经检验的结论并不为错。当拉瓦锡的头颅在法国大革命的怒潮中被无情砍下时,距离我们天文学更近的拉格朗日惋惜道:这样聪明的脑袋再过一百年也长不出第二个!但科学本身是排斥英雄主义的,每个伟大科学家都有犯错的可能甚至有确实的经历。衡量正确与否的最好方法是随时随地、近乎无数次的验证,而不是“教授嘴大,讲师嘴小”。这构成了一重矛盾。

  而从科学内部讲,任何一个理论都是可错的,都是不断完善的认知阶梯中的一级。比如现在全面禁用的DDT也曾是诺贝尔奖的宠儿。如此说来,具体的理论都是历史性的(就像按历史唯物主义,奴隶制度具有历史合理性),如果把所有证明错误的理论都排除于科学之外,用学究的话说:这使科学失去自己的历史。

  特定时期被普遍接受的理论是在当时所有证据下通过人类智力可能得到的最优化认知方案,过去、当前、未来皆如此。没有所谓绝对化的真理,永远有需要改进的方面。否则科学不是失去历史,却是失去了现实而只成为历史。(当年普朗克毕业时激动地表示要为物理学努力终生,老师遗憾的表示:可惜,物理学已经没有难题。没过些年,当时物理学天空中仅剩的“两片乌云”就催生了量子力学和相对论。)但实际上在科学之外,日常语言里总是充满着:“这样是不科学的!”之类的话语(也不管事情到底与科学有多大关系),这种语境中“科学”俨然成了“正确”的同义词。在科学的内部需要普遍的怀疑精神,而在外部,科学的正确性被无条件接受;现代科学是以反宗教启程,却变成现代的迷信。这构成了又一重矛盾。

  科学只是人类理解世界的方式之一

  现代科学通过研究自然,取得卓越的成就。但“科学”渐渐也陷入了被泛化的窘境,变得越来越难定义。因此人大教授周孝正所提倡的将已经被用惯的名词“人文科学”改为“人文学科”确有其理。甚至有人会以为“艺术”也是一门科学。

  科学是理解世界的方式之一,而非唯一。它有其特有的研究对象、目标和方法,比如自然、求真和精细性。例如生物学可以揭示出弱肉强食的丛林法则,但对于人性中的同情、怜悯与善良,科学的作用不比宗教更大。科学只是整个人类认知的一部分而绝非全部,如果科学是一个人,他应该感到高处不胜寒了吧,“把所有问题都自己扛”,哪吃得消啊:)这构成了再一重矛盾。

  各种矛盾都催促对科学的更进一步考量。比如,现代对科学的崇拜最根本的原因是科学所带来的技术进步,科学与技术到底是能划等号还是可以区分的两件事物,这值得思考。又如,在李约瑟所说没有产生现代科学的中国,科学,至少在名分上,为何获得如此之高的地位,也同样是有意思的思考题。

  有句话说:“人类一思考,上帝就发笑。”不会的!如果没有人类的思考,上帝都不会产生,它凭什么笑?另外补充一句,上帝其实也可被视为科学的前现代代名词。

  (文章首发于科学大院,图片来源于网络,光明网授权转载)

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