《思想实验》1.关于自然世界

《思想实验》读书笔记和读后感。“思想实验”就是爱因斯坦提出来的,叫作“保持绝对理智,又可以发挥想象的思维模式”,就是我们有些东西,不能够通过实验的方法来解决——你不可能真的把一只猫关在一个笼子里边,让那个衰变的粒子来杀死它;你也不可能让一个电梯,突然从空中直接地坠落下去来完成一个科学的实验,那样会伤害到别人。但是,我们可以通过思想,我们可以想象。这种没有边际的、自由的,但又在理智框架之内的想象,能够帮我们探索很多哲学、科学、伦理学的问题。

思想实验读书笔记

人类历史上,最有名的思想实验莫过于“薛定谔的猫”了。我们之前在《爱因斯坦传》和《世界观》里边,都曾经尝试着讲过“薛定谔的猫”。我个人感觉都没讲明白,我今天在这本书里边,要把“薛定谔的猫”彻底给大家讲明白到底是怎么回事。

还有一个我们讲过的、很有意思的思想实验,就是“布里丹之驴”,就是《反脆弱》那本书里提到的:有一头驴,又渴又饿在中间,左边有一堆食物,右边有水,然后这只驴既想吃食物又想喝水,它对于吃的和喝的渴望是同等的,最后这只驴又渴又饿,死在了中间。

这个思想实验是告诉我们什么呢?说非理性的合理性。如果一个人纯粹理性,说只要两边的需求是等价的,那么我没法做出决策,那么,最后他会像“布里丹之驴”一样困在当下。这时候来一点点小小的非理性,比如有人拍它一下,它去了那边,或者到了这边,无论是先吃草还是先喝水,它都能够活得下来。所以,拥抱不确定性,接受非理性,这是用“布里丹之驴”这个思想实验说明的。

我个人最佩服的思想实验,是爱因斯坦的那个下坠的电梯。就是爱因斯坦就想,假如一个人在一个深不见底的电梯当中往下掉,然后一直掉,一直掉,这个人在电梯里边又没有参照物,又看不到外边光线的变化,这个人会是什么样的表现——因为那个时候没有太空船,那个时候并没有一个真的这样去持续下坠的电梯,让你去体会这种失重的状态。但是,爱因斯坦脑子里边想象的那个场景说,这个人会漂浮起来,这就是我们今天在太空船上看到的漂浮的那个状况。所以,你会觉得思想实验,真的是非常有趣的一件事。

我们今天这本书专门讲思想实验,它把人类历史上各式各样知名的思想实验全部整合在一起,形成了这么一本书。这里边我分了这么几个模块:

第一个是关于自然世界的思想实验。

第二个是关于心灵的思想实验。

第三个是关于伦理学的思想实验。

第四个是关于哲学的思想实验。

我们来取其最有趣的部分跟大家分享。

首先,关于自然世界的思想实验。

第一个,就是芝诺悖论之“阿喀琉斯与乌龟”。你看,这本书的英文名字叫作“无限的乌龟”。什么叫无限的乌龟呢?就是阿喀琉斯是古希腊的一个战神,特别能打仗,跑步很快。然后芝诺说,阿喀琉斯追不上乌龟。为什么追不上乌龟?你看,这个乌龟比阿喀琉斯提前出发一段,然后当阿喀琉斯追到乌龟这个位置的时候,无论多少,乌龟都会往前再走一点吧。那么,当阿喀琉斯再追到乌龟的位置时,无论多少乌龟会往前再走一点吧。所以,阿喀琉斯永远追不上乌龟。

谁能够反驳这件事情呢?这个事情使得没有人能够反驳。但是,事实情况我们能够看到,阿喀琉斯一步可能就跨过这个乌龟了。事实是阿喀琉斯能够追上乌龟,但是芝诺所讲出的这个道理,你没法反对。因为的确阿喀琉斯在走这段路的时候,乌龟肯定要往前走一点,不管多少,肯定要走一点。那么,阿喀琉斯在走乌龟这一段的时候,他也得花费点时间吧,在这点时间里边乌龟也得走一点,所以按照这样的思路推下去,阿喀琉斯一辈子也追不上乌龟。

事实上,就是因为那时候的人们没有能够理解极限这件事情,也就是说,乌龟所走的所有的这些路线加在一起,它总的也不会超过阿喀琉斯这一步。这是二分之一,再二分之一,再二分之一,再二分之一,无限个二分之一加下去的总数一,它不可能加出一点二来。不可能,这是极限的概念。所以,芝诺悖论就给我们打开了人类开始用思想实验解决问题、探讨问题的一个窗口。你确实觉得很难跟他辩论,直到人们后来发现了这就是求极限。当阿喀琉斯能够走过“一”的时候,他就超过了这个乌龟,这是第一个人类历史上非常有名的悖论,叫作芝诺悖论,也就是无限的乌龟的悖论。

第二个,就是伽利略的球。在伽利略之前,亚里士多德认为,这个世界上重的东西下落得快,轻的东西下落得慢。为什么呢?你看羽毛,羽毛飘得很慢,这个球下得很快,所以大家很直接、很简单地观测的结果是认为,很简单,就是越重的东西下落的速度越快。

伽利略做了一个思想实验来解决这个问题。打破了亚里士多德所认为的,重物一定下坠得更快的道理。那么,羽毛为什么下落得慢呢?因为有浮力。如果没有浮力,在真空管当中的话,羽毛下落的速度和球是一样的。这就是伽利略所做的贡献。他在1628年的时候写了一本,这个书名非常拗口,叫作《关于两大世界体系或者两门自然科学的对话》,在科学史上简称《对话》。在这本书当中,伽利略阐述了他对于“日心说”的坚信。

第三个思想实验很著名,叫牛顿大炮。牛顿在看到大炮射出一个炮弹以后,他会发现这个炮弹落在了远处。牛顿想,假如我把这个大炮架得再高一点,这一炮打出去,是不是落得就更远一点了?那么,如果再把它架得高一点,或者我的这个大炮的初速度更快一点的话会怎么样呢?

牛顿说,如果炮弹的速度大到一定的程度,它受引力影响下落的距离,正好等于呈弧形的地球表面“下陷”的距离——这个各位能想象吗,就是地球是一个球形,所以,如果我们认为,地球是一个球形的话,那么地球的表面,虽然在我们这儿看来是平平的一个平面,但实际上,它是在不断地“下陷”的,它是个球形。那么,假如这个炮弹下落的这个距离恰好等于地球“下陷”的这个弧形的话,那么它与地球间的距离将保持不变,就会这么一直往下滑并围绕地球转圈。借用道格拉斯·亚当斯在《银河系漫游指南》中的一句话说:炮弹向地球坠落,却与地面擦肩而过。

事实上,如果你去算一笔账,有人算过这个账,你拿一把枪,就是速度1200m/s的一把手枪,站在月球上开一枪,结果会怎样呢?答案就是这个枪会绕月球一圈,最后射中你的后脑勺。因为月球的引力小,然而这个子弹下落的速度更慢,但是向前的初速度是一致的,又没有损耗,没有空气。所以,这个枪会绕月球一圈,你打完了赶紧跑,否则的话,后脑勺中枪,这很有意思。

所以,牛顿用这样的思想实验去建立了第一宇宙速度的概念,这就是思想实验,他没法真的做这样的实验。

(备注:第一宇宙速度:7.9千米/秒,指物体在环绕地球做匀速圆周运动所需要达到的速度。)

第四个思想实验,是跟达尔文相对应的,叫作荒野之时。什么叫荒野之时?有一些人坚定地认为,这个地球是造物主造出来的。为什么呢?他说,如果你走在一个荒野当中,确信这个地方没有住过人,是一个荒野,然后在这个荒野当中捡到了一块手表,这个手表的设计极其精妙。

这时候,请问:你会认为这个手表是哪儿来的?

难道你会认为这个精密的手表是从地里边长出来的吗?不可能,这个精密的手表,一定是有一个人认真地设计做出来的,放在这儿。所以,他说,你看一下,我们人类的眼球设计得多么精妙,那个光学,然后你能够看到缤纷色彩的这个世界等等。这些东西,如果不是有一个造物主认真设计,怎么可能有?你再去想想我们的大脑,我们的大脑能够处理那么多的信号,比那个手表要精妙得多。我们的皮肤、我们的器官,这么精妙的一个东西,如果没有一个认真的、全知全能的神去设计,宇宙中不可能出现这样的手表。你看,这叫荒野之时。这个说法说服了特别多的人,

所以,在当年大量的人反对达尔文说,不可能,你的手表——荒野之时你怎么解决?但是达尔文通过他的研究,告诉我们,我们的大脑压根就是一个拙劣的设计,千万不要以为我们的大脑是完美的设计。我们的大脑是一个拙劣的设计,只是适应了现在的环境而已。我们的大脑有特别多的问题:特别容易短路、特别容易忘东西、特别容易冲动、特别容易被骗、特别容易相信别人的东西,我们是完全感性,而不是理性的动物。它并不是一个精妙的仪器,只是它在慢慢地进化过程当中,凑合能够适应我们现在的环境而已。而地球一步一步地发展到今天,不是有一个造物主在刻意地关照地球,而是因为我们地球在发展的过程当中,实现了“金凤花环境”。

什么叫“金凤花环境”呢?就是一个故事里边说,有个姑娘叫金凤花姑娘。金凤花姑娘要求做什么事都要恰到好处。喝水要不冷不热,坐椅子要不软不硬,睡在床上要舒服等等。她什么东西都要求恰到好处。而地球在发展的过程当中,必须满足“金凤花条件”你才能够发展。所以,达尔文说,我们进化出这样的眼球,进化出这样的大脑,根本不是什么荒野之时,有一个人在做这样的设计。而是我们足够幸运,而是这个自然界就在不断地筛选,所有那些不符合的没有啦。

你们知道人类未来发展的趋势是什么呢?就是人类的胳膊会变得越来越长,脑袋会变得越来越大,然后腿会变得越来越短,肚子会变得越来越胖。原因就是人类不需要那些部分。当然这是一种假说了,不一定。

接下来,第五个,我们说爱因斯坦的思想实验。爱因斯坦曾经在16岁的时候,完成过一个了不起的思想实验,叫作假如我追逐一束光。

各位,你们有没有想过这个问题:假如你追逐一束光会怎样?爱因斯坦16岁的时候,他就说,如果我以速度C——速度C就是30万公里每秒,也就是真空中光的速度去追赶一束光,我会看到什么?他说:“我应该会观测到,这样一束光……将保持静止……看上去似乎不存在这样的事情,但是,这种判断既非基于经验,也不是按照麦克斯韦方程组。从一开始,它就直观且清晰地向我呈现:从观察者的角度判断,每件事都会遵从相同的物理定律,即一位与地球保持相对静止的观察者所观察到的。那么,对于首位观察者来说,他是如何知晓,自己正处于一个速度极大的匀速运动状态之中呢?当时就有人意识到,狭义相对论早已在此悖论中萌芽。”

爱因斯坦的狭义相对论,就是建立在相对运动和光速不变这两个前提假设之上的。他研究出来时间会停滞、时间会膨胀、速度的变化会带来时间的变化,这就是爱因斯坦通过思想来解决的问题。

爱因斯坦的妻子,在一次参观哈勃望远镜的时候,哈勃望远镜向她展示:你看我们的望远镜多大,多精密,我们能看到宇宙深处多远的地方,了解宇宙的奥秘。然后爱因斯坦的夫人,就说了一句话,说据我所知,我的丈夫了解这个宇宙只花了半个信封的背面。就是没有做实验,也没有用望远镜,而是在一个信封的背面做了些演算,通过思想实验来了解了整个宇宙。好酷。

那么,接下来,第六个思想实验。有一个“祖父悖论”。“祖父悖论”是说,玛丽的外祖父是一个很坏的人,导致了玛丽这一生都不幸。所以,玛丽长大了以后决定杀死她的外祖父,于是,她时空穿梭回到了在外祖父生她妈妈之前,拿枪,砰,打死了自己的外祖父。

结果怎样呢?结果就是形成了一个悖论。因为假如她真的在那个时候,打死了她的外祖父的话,她的外祖父不会有她的妈妈,她的妈妈不会生下她,就不会有人回去打死她的外祖父。所以,这是用“祖父悖论”来证明时空穿梭是很难实现的。

后来有人说,不对,我们可以搞一个“叔祖父悖论”。什么叫“叔祖父悖论”呢?就是玛丽的叔祖父,叫作阿道夫·希特勒。玛丽觉得阿道夫·希特勒给这个世界造成了很大的伤害,所以,她决定穿越时空回去杀死阿道夫·希特勒。她在他脑后边开了一枪,砰,把她的叔祖父打死了。这样并不影响玛丽的出生。但又产生了一个悖论是什么呢?就是阿道夫·希特勒到今天为止,你发现他在历史上并没有被人枪杀。他并没有被人枪杀,说明玛丽根本没有穿梭回去杀死了他。如果玛丽可以穿梭回去杀死他的话,那么他就不会出现在这个历史上。所以“叔祖父悖论”依然不能够证明时空穿梭的可能性。

后来,有一个人想终结这个话题,这个人叫史蒂芬·霍金。霍金做了一个思想实验。他干吗呢?霍金做了一个派对,在这个派对上扎了很多的气球,准备了很多吃的全部放在那儿。然后,唯一的特点是在派对结束之后,霍金才发出邀请函。就是霍金在这个派对的时间结束以后,向全世界发出邀请说,谁能够回来参加我昨天的那个派对,就可以到我家来吃饭。按照霍金的影响力和他的声望,我相信只要他发出这个邀请函,有能力去的人就一定会去,但是霍金说,昨天我摆这个宴席的时候,没有一个人来吃饭,证明没有时空穿梭者。所以,“祖父悖论”这些东西是为了向我们表明,时空穿梭的难度的。但其实,时空穿梭是有着一个理论上的可能性的。

我这儿给大家念一下,怎么实现时空的穿梭。如果你乘坐一艘令人舒服的、加速度为1g(9.8米/二次方秒)的火箭旅行。加速度1g你们知道什么概念吗?就是从楼上往下跳,这加速度就是1g,假如你用这个速度飞行一年时间,注意,一年的时间里边的加速度都是1g,就是一直在加速,就可以想象从楼上往下跳,这个楼深不见底,永远都到不了地面,掉了一年以后,你的速度差不多就接近光速,到了C的那个速度了。假如你能够用这个速度持续旅行40年——这个40年,我们是指飞船内的时间,就你在飞船内感觉自己旅行了40年的这个时间,你将能够在此地和银河系当中走个来回。也就是你这40年的飞船时间,能够让你从这儿到银河系的中间,再回来,走一个来回。这个旅程大概是60000光年,就是从我们地球上看这个距离是60000光年。

那为什么是40年呢?40年是那个飞船里的时间,这个时候,你回到了原地,你的年龄增长了多少岁呢?40岁,因为你在飞船里边只过了40年,接近光速的速度在旅行,只过了40年。但是,地球上已经过了60000年。所以,如果你希望能够知道地球上60000年以后的场景,那么,你就一直把自己加速到光速,然后飞出去40年,再回来,你就能够知道60000年以后地球上的样子。它很有意思。

接下来,我们说第七个思想实验。在自然界当中,“薛定谔的猫”到底是怎么回事?我以前一直没有把“薛定谔的猫”讲明白的原因,是因为我没有搞清楚“薛定谔的猫”的前提,是为了反对玻尔所说的哥本哈根解释。所以,要想了解清楚“薛定谔的猫”,我们首先得搞明白什么叫哥本哈根解释。“尼尔斯·玻尔将‘测不准原理’,融合到了一种更为宽泛的认识论中,这就是后来在量子力学领域中,人所共知的哥本哈根解释。”“物质是由粒子和波组成的,其中一种性质表现得越明显,另一种性质就越模糊。”

你看这个杯子,粒子吧。它粒子的性质表现得越明显,它波的性质就表现得越不清晰。这个水是既有波又有粒子,所以它粒子的形象表现得不明显的时候,波的形象表现得就更容易。

“那么,当我们描述一个以波状运动的粒子时,就会引发悖论,因为其能够同时以波和粒子两种形式存在,所以被视为一种叠加,有些像通体遍布水纹的波浪。”波浪上的叠加,那么这里边“描述粒子的这件事是反直觉的。比如说,当我们讨论某个粒子的放射性衰变的时候,那它要么衰变,要么不衰变——通常我们认为,它必然是非此即彼的。”按照咱们从牛顿力学训练出来的概念,衰变或者不衰变,生存还是毁灭,你必须选一个,这事你必须选一个。

“然而,对这一放射性衰变过程进行数学描述的时候”,也就是当我们用波函数来描述这个东西的时候,“却包含了两种结果的叠加,所以我们能够确定的只是二者出现的概率各有多高。根据哥本哈根描述,想要确定其结果,唯一的方式就是观察——这一行为本身将使波函数坍缩,给出关于其本质的确定答案。这意味着,像‘客观现实’这样的概念根本不存在——只有被观察到的时候,现实才是确定的。”

那这个不是“薛定谔的猫”,这个是“薛定谔的猫”之前,玻尔所提出来的哥本哈根解释,认为如果你不去观测这个波函数所描述的粒子形态的话,你没法确定这个粒子有没有衰变,是衰变了还是没衰变。观察在这其中起到了很大的作用。

那当这个哥本哈根解释在学术界引发了大量争论以后,爱因斯坦在天天跟玻尔辩论。他们俩有一段时间,你说一个,我说一个,就像欧阳锋和洪七公过招一样,打不动了。但是你说一招,我想一天,我明天再跟你辩论,就这样在争论这件事。这个时候薛定谔提出了一个“邪恶的装置”,就是这个“薛定谔的猫”的思想实验。

他说,我们把一只猫关在一个封闭的铁屋当中,并且在屋里边加入一个装置。这个装置猫没法碰到,在一个计数器中,存有少量的放射性物质,在一个小时之内其中的某个原子就可能会产生衰变,也可能不衰变,概率相等。只要衰变就把猫杀了,只要不衰变,这个猫就活着。“但是如果让实验中的系统运行一个小时后,猫并未死亡,那么我们是否可以认为没有原子发生衰变?”

你想,如果按照我们确定性的思想,我们就会认为,你打开这个盖子以后,猫要么死了,要么活了,要么衰变,要么不衰变。衰变了就死,不衰变就活,这就很好解释。但是,如果根据哥本哈根解释的话,答案是什么呢?就是“根据量子不确定性,在一个小时之内,放射性原子衰变的概率是50%,一旦衰变发生,就意味着‘猫死了’——首次原子衰变就将毒死它。薛定谔已将‘原本局限于原子域的不确定性’和‘可以通过“直接观察”进行分析的宏观不确定性’联系起来。在理解量子不确定性之前,人们可能认为,猫是活着还是死了这件事是明确的,只不过亲眼看到前,我们并不知道是哪一种。但是根据哥本哈根解释,猫实际上是‘既活着又死了’,‘波函数描述了猫的“系统”,’薛定谔写道,‘它将通过铁屋里那只“既活着又死了”或“处于任一状态”的猫来诠释这一系统。’总之,直到我们打开盒子朝里看的时候,该函数才会像某种状态‘坍缩’。”

所以,“薛定谔的猫”得到了来自爱因斯坦大力的称赞。爱因斯坦一听到这个说,这也太妙了,说你看,你们说那些东西奇怪不奇怪,你们讲的那个东西没法接受。所以,薛定谔所做的最聪明的贡献是什么呢?就是把量子领域里边那些大家没法琢磨的,所谓的波函数、坍缩、不确定性这些东西,用一个思想中的设备和一个确定性的猫联系在了一起。所以,按照爱因斯坦们——爱因斯坦代表我们,按照爱因斯坦们的这种想法是说,无论我打不打开这个铁皮屋,那个猫要么死了,要么活的

赞(2)
未经允许不得转载:读书笔记 » 《思想实验》1.关于自然世界

评论 抢沙发

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址