1  不得不說的廢話

 

  本章之所以叫做「不得不說的廢話」,是因為這章的內容跟相對論本身並不直接相關,如果你完全跳過不看,直接從第二章開始,也不會有任何缺失之處,但我又不得不寫。本章的內容對於你理解相對論會有莫大的幫助,看似有點扯遠的內容恰恰是教會我們如何用一種正確的思維去閱讀,甚至去「找碴」、「批判」。

 

關於相對論的謠言粉碎機

 

  一、某些偽哲學家最喜歡說的一句話就是「偉大的愛因斯坦發現了這個世界的奧祕──世間萬物都是相對的,沒有什麼是絕對的。」

  胡說八道!尤其是每當我跟某些人說「這是不會變的」的時候,對方告訴我愛因斯坦的相對論禁止這種想法。我忍不住就大喊一聲:「胡說八道,誰告訴你愛因斯坦這麼說過,別抹黑他!」事實上,愛因斯坦在晚年一直很不喜歡別人把他的理論叫做「相對論」,他自己覺得他的這個理論應該叫做「不變論」,因為他的理論中最重要的部分是那些數學方程式中的不變量(invariant)。愛因斯坦深以為自豪的是他發現了宇宙中一些永恆不變的常數,更何況整個相對論都是從「在任何慣性系中,所有物理規律保持不變」和「在真空中光的傳播速度恒定不變」這兩條原理上發展出來的。如果當年相對論真的如愛因斯坦所希望的那樣叫做「不變論」,我很想知道偽哲學家們是否又要說:「偉大的愛因斯坦發現了這個世界的奧祕──不管世界怎麼變化,永恆的永遠就是永恆的。」

  二、有很多人認為相對論是用來製造原子彈的理論,愛因斯坦正是現在人類面臨的核子危機的罪魁禍首。2011年日本大地震導致的福島核電廠的洩漏又一次帶來了很多這樣的謠言,例如「要不是愛因斯坦,要不是相對論,何以至此。」

  事實是,關於原子彈,愛因斯坦唯一做過的一件事情是在一封由西拉德(Leo Szilard)起草寫給美國總統羅斯福的信上簽了字,這封信主要講的是希特勒有可能正在研製一種威力巨大的「新型炸彈」,如果研製出來,很有可能改變二戰的進程,美國也應該組織力量進行研製,以阻止可怕的災難性後果。而相對論只不過是對這種新型炸彈為什麼會有如此巨大威力的一種理論解釋,即便沒有相對論,這種炸彈也一樣能造出來,只不過人類不知道為什麼其威力如此巨大而已。這就好比我放了一個屁,把自己臭死了,但我百思不得其解為什麼會這麼臭,直到有一天化學家和生物學家經過研究發現了臭屁的原理,但是沒有這個理論並不會阻止我放出臭死自己的這個屁。正如有「活著的愛因斯坦」之稱的霍金(Stephen Hawking)所指出的:把原子彈歸咎於愛因斯坦的相對論,就如同把飛機失事的責任歸咎於牛頓的萬有引力定律一樣(霍金《胡桃裡的宇宙》)。

 

你必須了解的四個概念

 

波普的證偽說──科學與偽科學的量尺

 

  波普(Karl Popper)是一位著名的科學哲學家,他闡明了一個被現在科學界廣為接受的道理:所有的物理規律(或者說科學定律)都是永遠無法被「證實」的,簡單來說就是科學規律永遠不可能用「拿證據舉例子」的方式來證明給你看的,尤其是證明給那些偽哲學家們。乍聽這個說法,似乎很難理解,其實很簡單。比如說我現在發現了一個科學規律:天下烏鴉一般黑。那我怎麼證明這個規律呢?我只能到全世界去抓烏鴉的樣本,每抓到一隻都發現是黑的,然後我就跟你說:「你看,我從全世界抓了那麼多的烏鴉,沒有不是黑的,這下你總該相信我關於天下烏鴉一般黑的理論了吧?」你說:「不,你又沒有把地球上的所有烏鴉都抓來給我看,你怎麼知道沒有一隻白色的烏鴉呢?就算你把地球上所有的烏鴉都抓來了,你怎麼知道宋朝的烏鴉也都是黑的呢?你怎麼知道以後會不會生出白色的烏鴉呢?總之你跟我說什麼都不能讓我相信天下烏鴉一般黑這個理論。」波普說得沒錯,我們確實無法證明這個規律是正確的,因為只要舉出一個反例就可以將它推翻,這便是「證偽」。但是我可以根據這個規律大膽地做出一個預言,哪一天你跟我說你又在非洲的某個叢林裡抓到了一隻烏鴉,我不用去看,我就敢說那隻烏鴉是黑的。你每抓到一隻黑色的烏鴉,就為「天下烏鴉一般黑」這個理論增加了一分可信度,直到我們有一天發現了一隻白色的烏鴉,則這個理論就不攻自破了。因而科學理論之所以能稱之為科學,首先它要能做出一些預言,而這些預言恰恰是要能夠被「證偽」的,也就是這個科學理論所做出的預言是有可能被實驗所推翻的。只有滿足了「預言」和「證偽」這兩個條件,我們才能為其冠以科學之名。反過來說,如果你提出的一個理論並且做出的預言是永遠不可能被實驗推翻的,那麼這個就不能稱之為科學理論。比如說,你給出了一個理論:有一種屁放出來是香的。於是我們把全天下的人放的屁都收集過來聞一下,發現都是臭的,但是這也沒法推翻你的理論,因為我們並不能證明你說的那種香屁從來就沒有存在過。另外,你的這個偉大理論也不能做出一個準確的預言:在何年何月何地何人會放出一個香屁來。因此,當一個理論只能「證實」而不能「證偽」,並且當它無法做出可靠的預言時,我們就暫時不能承認那是科學的,而只能當作一種「見解」來對待,比如「某些人能與死者的靈魂對話」之類的說法。波普認為所有的物理規律都只能算作一種「假說」,它可以做出大量的預測,指導我們的發明創造,但總有一天會因為找到一個不符合理論的反例來要求我們修正理論,不過在沒有找到反例之前,我們仍然認為該理論是正確的、科學的,相對論也不例外。

 

奧卡姆剃刀原理──科學需要什麼樣的假設?

 

  大概是八百多年前吧,英格蘭有一個叫奧卡姆(Ockham)的地方,那個地方出了一個叫威廉(這在英國是一個超級大眾化的名字,就跟中國有很多人叫王剛一樣)的哲學家,他說了一句話一直影響著科學界直到今天,甚至開始輻射到管理學界、經濟學界等,這句話的原文是Entities should not be multiplied unnecessarily,譯成中文意思是「如無必要,勿增實體」,這就是奧卡姆剃刀原理(Occam’s Razor)。為什麼不叫威廉原理呢?你想想看,如果中國有一個住在桃花島的王剛講了一個流傳後世的著名道理,如果叫「王剛原理」就會顯得平淡無奇,但如果叫「桃花島原理」,給人的感覺就完全不一樣了,而且從此桃花島也就出名了,還可以大力開發旅遊資源。不過你看不出奧卡姆剃刀原理有什麼深奧對吧?沒關係,一解釋你就會發現那是大大的有道理。

  奧卡姆剃刀原理說的是這樣的道理:如果你發現了一個很奇怪的現象,要對它進行解釋而不得不做很多各種各樣的假設,可能不同的解釋需要不同的假設,但是記住,根據奧卡姆剃刀原理,那個需要的假設最少的解釋往往是最接近真相的解釋。童話「國王的新衣」大家都應該耳熟能詳吧?看到國王在大街上光著屁股走路這個奇怪的現象時,總理大臣和鄰居家流著鼻涕的小毛都各自有一番解釋。先看總理大臣的解釋:(1)假設皇帝身上穿著一件世界上最華美的衣服;(2)假設只有聰明人才能看見這件衣服;(3)假設我是蠢人,所以我看到的是光著屁股的國王。小毛的解釋:假設國王根本沒有穿衣服,所以我看到的是一個裸體的國王。根據奧卡姆剃刀原理,小毛的解釋最有可能接近真相!因為他的假設最少。奧卡姆剃刀原理還說明了另外一個道理:如果有某個條件是不能被我們感知和檢測到的,那麼和沒有這個條件根本就是等價的。比如說,天上發生閃電的時候,李大師告訴我們,這是他發功召喚來的一條天龍正在吐火,但是這條天龍你們凡人是永遠看不見的,也永遠別想用任何科學手段檢測到,只有他能看見。根據奧卡姆剃刀原理,李大師的說法和沒有這條龍的存在是等價的。換句話說,我們應當把所有一切不能被我們所感知和檢測的條件,毫不留情地像剃刀刮肉一樣從我們的理論中刮去。奧卡姆剃刀原理從提出到現在已經有八百多年了,這個原理是人類智慧的精華,也是幫助我們看清這個紛亂世界的「第三隻眼」。我們將會在本書中看到愛因斯坦如何靈光閃現地運用奧卡姆剃刀原理,他就像說破國王根本沒有穿衣服的那個小孩(那一年他26歲,在物理學界確實可以算是小孩),一語點醒整個物理界對於光速的普遍看法。如果用我的話說,奧卡姆剃刀原理說的就是──「上帝喜歡簡單」。

 

思維實驗──在大腦中進行的實驗

 

  說到實驗,你首先想到的是什麼?是跟我一樣永遠不能忘記第一次看到老師用火柴點燃倒扣在塑膠杯下面的氫氣時,發出的那一聲巨大的爆炸聲和自己的驚呼聲嗎?還是傳說中的伽利略在比薩斜塔上面扔下一大一小兩個鐵球(當然,這只是個傳說而已)?你的腦海中一定翻騰起許多你曾經看到過或者親自做過的實驗。但是你有沒有想過,有一種實驗叫做「思維實驗」,而正是這種思維實驗極大地推動了科學的發展。可能你已經在心裡嘀咕「真的假的?」,現在就給你一個例子。關於思維實驗,科學史上最著名的例子就是伽利略以此推翻了亞里斯多德重物落下得更快的論斷。

  (以下對話為虛構)

 

  伽利略:「親愛的亞里斯多德先生,您不是說重的東西比輕的東西落下得更快嗎?那麼如果我們把一個鐵塊和一個木塊用繩子拴在一起,從高處扔下來會發生什麼事?按照您的說法,較輕的木塊落下得慢,因此它會拖累鐵塊的落下,所以它們會比單扔一個鐵塊落下得慢一點,是不是這樣?」

  亞里斯多德:「沒錯,邏輯正確。」

  伽利略:「但是,鐵塊和木塊拴在一起以後,總重量卻要比一個鐵塊更重了啊,那麼豈不是它們又應該比單個鐵塊落下得更快?」

  亞里斯多德:「呃……」

  伽利略:「這個實驗不用實際去做了吧,單單就在我們腦子裡面做一下就可以發現您的理論是自相矛盾的。」

  亞里斯多德:「你讓我想想,讓我想想……」

 

  上面就是一個思維實驗的好例子,在頭腦中進行的實驗有時候往往比真正的實驗更具有說服力。愛因斯坦就是一個思維實驗的大師,相對論的誕生和思維實驗密不可分,甚至可以說,沒有愛因斯坦在大腦中進行的那些實驗,相對論就不可能誕生。在本書中,我將帶你一起領略很多充滿奇思妙想的思維實驗,感受腦力激盪所帶來的快樂。

 

佯謬──乍看之下肯定是錯的,沒想到卻是對的

 

  在物理學裡面,經常會遇到一些很有趣的事情,這些事情一開始讓你覺得不可能發生,但恰恰最後又被實驗證明是千真萬確的。像這樣的事情,中文裡面有一個詞就叫做「佯謬」。佯,是佯裝、偽裝的意思;謬,是謬誤、錯誤的意思;佯謬就是佯裝是錯誤的,其實是正確的。在這本書中,會出現很多有趣的佯謬。我們先舉一個統計學中著名的例子給大家看(本例子來源於「果殼網」):

  我高考終於考完了,考得相當不錯呢,終於到了填寫志願的時候,東方大學(簡稱東大)和神州大學(簡稱神大)都是我嚮往的學校,錄取分數都差不多,到底第一志願要填報哪所大學呢?想來想去,為了終生大事我決定報考女生更多的大學,於是我從網上開始搜尋兩所大學的資料開始研究。物理系,東大男女比例大於神大(東大是5:1,神大是2:1,兩所學校都是男生多);外語系,東大男女比例又大於神大(東大是0.5:1,神大是0.2:1,兩所學校都是女生多,但東大的男女比例更大一點)……哇,怎麼每個科系東大的男女比例都高於神大呢?那還猶豫什麼,我肯定選神大了!兩個月後我順利進入了神州大學,正當我得意於我的選擇的時候,我悲劇地看到了一份資料,上面寫得清清楚楚:東大的整體男女比例小於神大。我靠,有沒有搞錯?!怎麼可能東大的所有科系男女比例都高於神大,但是整體男女比例卻低於神大呢?!我被耍了嗎?肯定是哪裡算錯了吧?於是我拿出計算機狂敲,卻發現網上的資料沒錯,我也沒有算錯資料,結果卻是千真萬確的。這種情況真的可能發生嗎?是的,這就是著名的統計學上的「辛普森佯謬」(Simpson’s Paradox),看起來不可能的事情真的發生了。

  你可能還是不相信,那麼我們來編造兩份資料,你可以親自動手演算一下。

 

  物理系數據:

 

男生人數

女生人數

男女比例

東方大學

35

7

5:1 (大)

神州大學

100

50

2:1

 

  外語系數據:

 

男生人數

女生人數

男女比例

東方大學

50

100

0.5:1(大)

神州大學

10

50

0.2:1

 

  學校整體資料(兩科系之和):

 

男生人數

女生人數

男女比例

東方大學

85

107

0.8:1(小)

神州大學

110

100

1.1:1

 

  所以說,這個世界的奇妙往往遠大於你的想像,還有無數更加不可思議的佯謬在前面等著我們。在本書中你會看到發生在一對雙胞胎兄弟身上的佯謬推動了愛因斯坦的深度思考,讓相對論發生了質的飛躍。

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時間的形狀——相對論史話

作者: 汪潔

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