“不会的题先跳过”,牛顿为什么也这样做? | 科技袁人

  导读

  假如牛顿要回答“质量的本质是什么”,他就陷入了一个大坑,因为这是个非常深奥和困难的问题,在牛顿那个时代是无法回答的。

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  本视频发布于2021年10月14日,观看量已超82万

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  科学对人生有什么意义?许多人只能想到实用意义,如手机、电力、塑料等科技产品的实用价值。其实远远不止于此,科学可以帮助人们实现自身的自由和精神的丰富。

  最近,我的朋友、华东理工大学理论物理教授廖玮博士写了一本书《科学思维的价值:物理学的兴起、科学方法与现代社会》。(《物理学对于人生的意义是什么?| 廖玮》)

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  其中他举了这样一个例子:牛顿第二定律说力等于质量乘以加速度,即F = ma。但是,什么是质量呢?牛顿说质量等于力除以加速度,即m = F/a。

  也许这个回答令人失笑,立刻就有人会问:难道这不是循环论证吗?牛顿说出了任何有价值的东西吗?回答是:牛顿确实说出了非常重要的东西。李政道先生说过,在他的少年时代,当某天他读懂了牛顿力学之后感慨道:牛顿有一手。

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  这里的关键是什么呢?牛顿没有回答“质量的本质是什么”,但他对质量的测量方法给出了操作性的定义。例如,首先认定物体在地球表面具有重力加速度,不同重量物体的重力加速度相同。然后就可以推出,如果两个物体在地球表面的重量相等,那么它们的质量相等。然后,可以取一个标准物体的质量作为质量单位:如果某个物体的重量与这个标准物体的重量相同,就认为它的质量等于这个质量单位;如果两个质量相等的物体的总重量与这个标准物体的重量相同,就认为单个物体的质量等于这个质量单位的一半。以此类推,就可以标定任意物体的质量。这些内容就是m = F/a。

  假如牛顿要回答“质量的本质是什么”,他就陷入了一个大坑,因为这是个非常深奥和困难的问题,在牛顿那个时代是无法回答的。在牛顿300多年以后,我们才终于对这个问题获得了一些深入认识。2013年诺贝尔物理学奖授予了比利时人Englert和英国人Higgs,以表彰他们对基本粒子质量起源机制的贡献。全世界的高能物理学家花费大约十年时间,合作建造了耗资几十亿美元的大型强子对撞机,其后大约六千名实验家在ATLAS和CMS这两个实验组利用大型强子对撞机从事了两年的实验研究,才验证了他们的质量起源理论。

  这时我们回顾牛顿对质量问题的回答,就不得不惊叹他的高明之处。如果牛顿当年纠缠于质量本质的问题,陷入对质量本质的空想之中而不是研究可测量的现象,他就很难在有生之年驱散质量之谜的一点点迷雾。

  牛顿的这种把“对现象的研究”从“对本质问题的讨论”中解放出来的思路取得了巨大的成功,这是近代科学对哲学的超越。此后,当哲学家们还在关于本质问题的讨论中纠缠不清之时,物理学家已经在对现象的研究中高歌猛进,不断取得巨大的成就,并且通过不断地剥离并回答本质问题中较易解决的问题,不断地加深人类对于本质问题的认识。牛顿之后的一些此类著名例子包括:统计力学对于具体的微观规律的影响的回避、量子力学对“量子到经典过渡”的存而不论、量子场论中的重整化理论、量子色动力学中的因子化理论等。物理学的发展和不断取得的成功,有力地证明了这种思路的威力。

  物理学的这些成功之处能够具体让我们学到什么呢?

  首先,我们应该试图去找到可以解决的问题,而不是纠缠于某些大问题,陷入对大问题的空想之中不能自拔。有些人总想要解决大问题,甚至解决所有问题,却不仔细想想这些问题是否可能得到快速的解决,是否有解决办法。有些古人说的“为万世开太平”,就是属于这一类想法。物理学的历史告诉我们:承认某些问题可能是目前无法解决的,对我们并无坏处;谦逊不仅是美德,它也能帮助我们走上求真之路。

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  其次,我们应该力图使自己的认知建立在牢固的基础之上。在我们身边有许多优美的观念、伟大的学说和深奥的理论,但它们中有多少是可靠的呢?人们应该学会分辨哪些知识和观念是可靠的。物理学家强调研究简单问题的目的就在于:只有研究比较简单的问题,我们才能比较容易地解决问题,并确立关于这些问题的牢固可靠的知识;在此基础之上,我们又能够进一步提出和解决更加本质的问题,逐步深入我们对本质问题的认识;只有这样,我们才能一步步地使我们对世界的知识建立在牢固的基础之上。

  最后,我们应该学会锻炼自己分辨问题、知识和观念的能力。这包括:

  (1)学会分辨哪些问题是较易解决的,问题的要点在哪里,哪些问题是有价值的。

  (2)学会分辨知识的适用范围,分辨哪些知识是可靠的,哪些是不一定可靠的。常有人在学到一套理论之后把它当作普遍有效的东西随处乱用,这些人正是犯了“不知道适用范围”的错误。

  (3)学会分辨哪些观念是有现实基础的,哪些还仅仅是空想。近代科学的高明之处就在于:科学家不满足于玄思妙想,而要找到办法检验自己的思想。每个人都应该学会区分空想和科学,这样才能有一天把自己的美好空想变为科学实践。

  分辨问题、知识和观念的能力,应该成为我们每个人应该具有的基本能力。特别是在知识大爆炸的时代,这样一种能力对于我们十分重要。物理学为锻炼我们的能力提供了丰富的、系统的经验和教益,具有难以替代的价值。

  当某人不能听或不能看,我们会对此十分遗憾,因为他不能充分地了解和享有这个世界的丰富。当某人不能欣赏精美的文艺或者美妙的音乐,我们也会对此遗憾,因为他不能享受这个世界的美好之处。但是许多人没有受到良好的物理学教育,却没有意识到应该对此心怀遗憾,这说明我们对物理学对于人生的意义缺乏足够的认识。

  当我们能够娴熟自由地运用各种知识和思想观念而又不被它们的种种局限之处所束缚之时,我们就能够畅游于思想观念的海洋之中而自得其乐。用庄子的话说,这就是乘天地之正,御六气之辩,以游无穷,得无为之乐。

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