【編者按】
《歡迎來(lái)到物理學(xué)的世界》是一本關(guān)于物理學(xué)及物理學(xué)史的基礎(chǔ)讀物，借管窺物理學(xué)的方法論、大范圍尺度、重要概念、問(wèn)題、理論系統(tǒng)及學(xué)科發(fā)展等，廓清了現(xiàn)代物理學(xué)的三大支柱：相對(duì)論、熱力學(xué)、量子力學(xué)，并為讀者介紹了現(xiàn)代物理學(xué)的全貌以及何謂科學(xué)精神——懷疑與自我懷疑，誠(chéng)實(shí)面對(duì)證據(jù)和真理，本文即摘編自該書《像物理學(xué)家一樣思考》一章。
我想和你分享一件趣事。2017年我參演了BBC電視臺(tái)的一部紀(jì)錄片，叫《重力與我》。在片中，我講述了對(duì)于“引（重）力”這個(gè)塑造世界的基礎(chǔ)概念，人類的理解在整個(gè)科學(xué)史上是如何演變的：從看不見(jiàn)的牛頓作用力，到時(shí)空本身的結(jié)構(gòu)。這個(gè)節(jié)目更有趣的地方在于，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)智能手機(jī)應(yīng)用程序，它可以按固定的時(shí)間間隔記錄用戶的GPS坐標(biāo)（緯度、經(jīng)度、海拔高度），從而監(jiān)測(cè)該用戶的位置，再利用這個(gè)信息計(jì)算出她那里的時(shí)間流逝速度。根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)間以不同的速度流逝，取決于不同位置引力場(chǎng)的強(qiáng)度。在山頂上的人要比在海平面的人更遠(yuǎn)離地球中心，所以山區(qū)居民感受到的地球引力要弱一點(diǎn)點(diǎn)，這也意味著山頂時(shí)間會(huì)比海平面時(shí)間走得稍快一點(diǎn)點(diǎn)。這個(gè)作用很微弱：海平面上每過(guò)一秒，山頂時(shí)間只會(huì)比它快不到萬(wàn)億分之一秒。所以，如果一個(gè)人一生都生活在山頂，所有其他因素都相同的話（我知道這不可能），她會(huì)比在海平面上生活少過(guò)大約一毫秒——假設(shè)太空中飄著一臺(tái)非常精確的時(shí)鐘，專門測(cè)量地球上的這些時(shí)間差，此外別無(wú)他用，那么它所測(cè)得的結(jié)果就會(huì)是這樣。但與呼吸干凈的山間空氣、健康飲食、經(jīng)常鍛煉等更明顯的好處相比，生活在海平面的這個(gè)優(yōu)勢(shì)就不太有意義了。然而這個(gè)物理作用還是真實(shí)的，那個(gè)應(yīng)用也是有點(diǎn)好玩的。
為做出這個(gè)應(yīng)用，我們還必須考慮另一個(gè)因素。移動(dòng)的時(shí)鐘比“靜止”的時(shí)鐘走得更慢。所以，相對(duì)于站定不動(dòng)的人，你可以通過(guò)移動(dòng)讓自己的時(shí)間慢下來(lái)。這個(gè)作用比引力的作用還小，因?yàn)槲覀兘^不會(huì)以近光速移動(dòng)（快成這樣的話，效果倒是會(huì)很明顯）。盡管如此，這個(gè)應(yīng)用還是把移動(dòng)考慮了進(jìn)去，它會(huì)每隔一段固定的時(shí)間監(jiān)測(cè)一下用戶的位置，如果位置有明顯改變，它會(huì)計(jì)算出相應(yīng)的移動(dòng)速度。
現(xiàn)在要講關(guān)鍵了。我們的地球不是一個(gè)完美球體，它在赤道處是鼓出的。因此，站在赤道上的人，比站在北極的人離地球中心更遠(yuǎn)（相差約22千米），也會(huì)像山區(qū)居民那樣感受到稍弱一點(diǎn)點(diǎn)的引力拉扯。所以在極地的時(shí)鐘，由于引力較強(qiáng)，應(yīng)該比在赤道的時(shí)鐘走得稍慢（廣義相對(duì)論的時(shí)間膨脹）。但地球也在自轉(zhuǎn)，在赤道的時(shí)鐘比在極地的時(shí)鐘移動(dòng)得更快（飄在太空中的評(píng)判時(shí)鐘也會(huì)測(cè)得此結(jié)果），所以應(yīng)該是赤道時(shí)鐘比極地時(shí)鐘走得更慢（狹義相對(duì)論的時(shí)間膨脹）。這兩個(gè)作用由于廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論而相互對(duì)抗，那么哪一個(gè)會(huì)勝出，哪個(gè)時(shí)鐘會(huì)走得更慢一些呢？我分別計(jì)算了這兩個(gè)作用，發(fā)現(xiàn)總體而言，在極地的時(shí)鐘走得更慢，因?yàn)樗艿降囊Ω鼜?qiáng)，盡管在赤道的時(shí)鐘移動(dòng)得更快。
所有這些很酷的數(shù)學(xué)信息都融入了那個(gè)應(yīng)用程序，而這個(gè)應(yīng)用則執(zhí)行我的公式。我們開(kāi)展了一場(chǎng)熱烈的社交媒體宣傳，讓成千上萬(wàn)的人下載了這個(gè)應(yīng)用，在節(jié)目播出前就使用它。我們甚至收到了很多人的視頻日志，比如來(lái)自一名飛行員和一名登山者的，他們提供了各自程序的結(jié)果記錄。
然后我們就遇到了挫折。
本來(lái)這個(gè)節(jié)目不久后就要在BBC播出，但在節(jié)目編輯按計(jì)劃完成前的一周，就在我準(zhǔn)備錄制畫外音之前，一天晚上，非常聰明的制片人保羅·森打來(lái)了電話。他說(shuō)他在某個(gè)物理學(xué)線上論壇中讀了一些材料，暗示說(shuō)我好像搞錯(cuò)了。我立即放下手頭的工作，回頭檢查我的計(jì)算。我也很快給幾位同行發(fā)了郵件，讓他們也檢查一下。
我確實(shí)犯了一個(gè)很基本的錯(cuò)誤。這兩個(gè)作用——極地時(shí)間因?yàn)槭芨鼜?qiáng)引力而減緩，以及赤道時(shí)間因移動(dòng)更快而減緩——是完全抵消的！實(shí)際上，在地球上的所有地方，所有海平面處的時(shí)鐘速度都相同，它們測(cè)得的時(shí)間叫“國(guó)際原子時(shí)”（IAT）。地球表面叫“大地水準(zhǔn)面”（geoid），是一個(gè)引力等勢(shì)面，這個(gè)表面上的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論兩種作用能相互抵消，并非偶然。我們的地球在數(shù)十億年前首次成形之時(shí)，是非常炙熱的，很有可塑性，自轉(zhuǎn)迫使它變成了一個(gè)更穩(wěn)定的形狀，即中間凸出（扁的），這就確保了地球表面所有的點(diǎn)都處于相同的引力勢(shì)能中。因此，只要時(shí)間是在海平面測(cè)得，所有地方的時(shí)間就都以相同的速度流逝—登高的話你的時(shí)間就會(huì)加速，低于地表的話時(shí)間就會(huì)減慢。
我的應(yīng)用程序算出來(lái)的數(shù)字是錯(cuò)的，那些公式需要修改。但問(wèn)題比這更嚴(yán)重。我在已經(jīng)錄制好的節(jié)目里解釋了這個(gè)程序的工作原理，大家都會(huì)看到我的錯(cuò)誤。紀(jì)錄片不能以現(xiàn)在的形式播放。
我把情況告訴了制片人，他馬上讓BBC推遲播出。本來(lái)最簡(jiǎn)單的解決辦法當(dāng)然是把我出錯(cuò)的鏡頭重錄一遍。沒(méi)人會(huì)看出破綻。但我很快意識(shí)到，這給了我一個(gè)很好的機(jī)會(huì)來(lái)展示真正的科學(xué)是如何運(yùn)行的。我不應(yīng)該掩飾我的錯(cuò)誤，而是要坦白地承認(rèn)它，以此來(lái)告訴大家在科學(xué)里犯錯(cuò)是正常的。于是我們拍攝了一些新鏡頭，我承認(rèn)自己犯了錯(cuò)誤，并解釋為什么我錯(cuò)了。這種認(rèn)錯(cuò)不需要什么特別的勇氣或堅(jiān)強(qiáng)的性格，因?yàn)榉稿e(cuò)通常就是科學(xué)進(jìn)步的方式：錯(cuò)誤不可避免；吃一塹，長(zhǎng)一智。畢竟，我們要是不犯錯(cuò)，又該如何獲得關(guān)于這個(gè)世界的新發(fā)現(xiàn)？這就是科學(xué)不同于其他事情，比如政治的地方了。我的意思是，你們看到過(guò)幾回政客毫不含糊地承認(rèn)自己錯(cuò)了？
在科學(xué)的歷史中，從過(guò)去的錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)的例子比比皆是，隨著對(duì)大自然運(yùn)作機(jī)制的不斷了解，或是得到新的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，我們會(huì)用新假說(shuō)、新理論取代舊的。但我們?nèi)绾蜗蛏鐣?huì)大眾闡明“形成假說(shuō)并檢驗(yàn)，與數(shù)據(jù)不符就拋棄”，這種路徑的價(jià)值？這與當(dāng)今發(fā)生的許許多多的公共討論都相去甚遠(yuǎn) ；特別是在社交媒體上，最響亮的聲音，往往來(lái)自那些把個(gè)人觀點(diǎn)、先入之見(jiàn)看得比證據(jù)、嚴(yán)謹(jǐn)性、可重復(fù)性更重要的人。
那么科學(xué)家還能向社會(huì)大眾傳授東西嗎，還是我們要接受“傲慢”“精英主義”這樣的指責(zé)？
與我們對(duì)誠(chéng)實(shí)的執(zhí)著密切相關(guān)的另一個(gè)特點(diǎn)，也是幾乎為科學(xué)研究所獨(dú)有的一個(gè)特點(diǎn)，就是懷疑的重要性。在我們向大眾解釋科學(xué)的運(yùn)行機(jī)制時(shí)，這個(gè)特點(diǎn)有時(shí)候是我們最壞的敵人。我們會(huì)表示永遠(yuǎn)無(wú)法對(duì)某事物有絕對(duì)的把握，某個(gè)科學(xué)理論只是目前對(duì)相關(guān)解釋的最佳猜測(cè)，只要該理論和新的觀測(cè)或數(shù)據(jù)相矛盾，我們就必須準(zhǔn)備好修改它，或用更好的理論取而代之。但是有人會(huì)說(shuō)：“如果你們什么都不能確定，我們又怎么能相信你們告訴我們的東西？沒(méi)有確定性，我們能依靠什么？”這種反應(yīng)是可以理解的。想要“確定地知道”，而不只是有暫時(shí)的“最佳猜測(cè)”，這植根于我們的天性之中。
如果這么想，可就誤解了科學(xué)取得進(jìn)步的方式。科學(xué)值得信任的地方不是來(lái)自確定性，而是來(lái)自它面對(duì)不確定性的開(kāi)放態(tài)度：科學(xué)總是對(duì)我們當(dāng)下的理解提出疑問(wèn)，也總是準(zhǔn)備著在更好的解釋出現(xiàn)時(shí)用更深刻的理解去取代現(xiàn)有的知識(shí)。在其他行業(yè)里，這種態(tài)度可能被當(dāng)作反復(fù)無(wú)常，但在科學(xué)里不會(huì)?？茖W(xué)的進(jìn)步正有賴于科學(xué)家對(duì)誠(chéng)實(shí)和懷疑這兩種品質(zhì)的堅(jiān)定信守。
關(guān)于科學(xué)家的思維方式，這里再舉一個(gè)可能驚到你的例子。要是聽(tīng)說(shuō)許多物理學(xué)家——除了那些為建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)奉獻(xiàn)了數(shù)年生命的人——曾一直希望希格斯玻色子不會(huì)被發(fā)現(xiàn)，人們一定感到震驚。是這樣：要是找不到希格斯玻色子，就意味著標(biāo)準(zhǔn)模型的確有錯(cuò)誤，這就為新的物理學(xué)理論開(kāi)了一扇門。僅僅是確認(rèn)我們已經(jīng)推測(cè)為真的事情，并不如發(fā)現(xiàn)某個(gè)需要從至今還未被探索過(guò)的道路進(jìn)行研究的事物那樣讓人激動(dòng)。
另一方面，還有一些業(yè)余科學(xué)家，他們本心是好的，但有時(shí)會(huì)指責(zé)我們物理學(xué)家心態(tài)還不夠開(kāi)放，不能接納他們的新理論，比如他們聲稱已經(jīng)從愛(ài)因斯坦的相對(duì)論中發(fā)現(xiàn)了某些缺陷。說(shuō)真的，我樂(lè)意見(jiàn)到愛(ài)因斯坦被證明是錯(cuò)的，那就意味著我們需要一個(gè)更好的新理論來(lái)替代他的理論，就像廣義相對(duì)論革新牛頓萬(wàn)有引力定律那樣。但是一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家們一直在不懈地反復(fù)檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦的思想，而相對(duì)論經(jīng)受住了所有這些考驗(yàn)，依然飄揚(yáng)著勝利的旗幟。當(dāng)然，有一天人們或許能發(fā)現(xiàn)一個(gè)更好的理論，它能解釋相對(duì)論所能解釋的一切，而且不止于此。但這樣的理論迄今還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。
為了給物理現(xiàn)象找到更為基本的解釋，人類已經(jīng)持續(xù)努力了很多個(gè)世紀(jì)，作為這項(xiàng)努力的一部分，我們一直試圖推翻現(xiàn)有的理論，不斷檢驗(yàn)它們，直至其崩塌。如果它們經(jīng)受住了考驗(yàn)，那我們就相信這些理論……相信到更好的理論出現(xiàn)之時(shí)。
《歡迎來(lái)到物理學(xué)的世界》，[英]吉姆·勒阿爾-哈利利著，黃佳磊譯，理想國(guó)｜上海三聯(lián)書店2023年6月。
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