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第三次沉思-电子书下载

简介

这本书是诺贝尔物理学奖、美国国家科学奖章得主斯蒂芬·温伯格关于科学史、物理和宇宙、社会观评、个人遐思的文集,收录了温伯格发表在报刊上的文章、演讲以及部分未发表文章。
从宇宙、天文学、量子力学到今天科学的局限,温伯格热忱而清晰地向我们展示了一个理性的科学家看待世界的方式。
天文学有什么用?研究三代夸克和轻子又有什么用?我们要不要建对撞机?基本粒子是什么?科学家是如何发现新科学的?主导物理学近半个世纪的标准模型是什么?是什么让宇宙不断膨胀?我们今天的宇宙是偶然的结果吗?如何解释多重宇宙?
比起无限可能的多重宇宙,他更相信我们的宇宙拥有一个确定的历史。比起做个权威,他更希望自己参与创建的标准模型能被超越。比起人类凌驾于万物,他更相信有些东西独立于我们和我们建立的模型而存在。
除了科学问题之外,这本书还展现了一个嬉笑怒骂又真实的温伯格。他表达对公共政策的不满,与不同意见者在报纸上公开争论,也评论诗歌、艺术,在公众面前发表风趣渊博的演讲。从物理学的世界到我们生活其中的真实世界,温伯格都给出了诚恳、广博的意见。
追随这个物理学家和科学传播者,你将看到对多重宇宙的另一种解释,看到世界真相的另一种可能。

作者介绍

斯蒂芬·温伯格
诺贝尔物理学奖得主,曾获美国国家科学奖章、刘易斯•托马斯奖等多项殊荣。曾任得克萨斯大学奥斯汀分校教授,并兼任美国国家科学院院士、伦敦皇家学会外籍会员、美国哲学学会会员等。
温伯格出版了多部影响力很大的理论物理教材。在专业领域之外,他致力于将科学理念与人文知识相结合,著有《最初三分钟》《终极理论之梦》《仰望苍穹》等书。

部分摘录:
天文学的用处 这篇文章脱胎于我乘坐“海云”号游艇巡游爱琴海时在甲板上所做的演讲。乘客大多是来自美国奥斯汀市的朋友,正在参观古老世界的遗址。为了贴合这次航行的精神,我主动做了一次晚间演讲,话题是我当时刚为之着迷的古希腊天文学。
几年之后,在奥斯汀市的哈里·兰塞姆中心演讲时,我讲了同样的内容。哈里·兰塞姆中心在文学和其他艺术的相关资料方面有一流的收藏,并不太注重科学领域。然而,2009年9月,它却举办了一场名为“其他的世界:罕见的天文学著作”的宏大展览,展品包括哥白尼和伽利略著作的早期版本。作为一个热心的科学史爱好者,当我受邀做一次晚间演讲来庆祝这一展览时,我非常高兴。另外让我很高兴的是,能够有机会抨击我一直不喜欢的一件事情——美国国家航空航天局(NASA)浪费严重的载人航天项目。
随后我将自己在哈里·兰塞姆中心的演讲的文字版本发给了《纽约书评》的罗伯特·西尔弗斯。这些文字在2009年10月22日得以发表。发表时的配图是哈里·兰塞姆中心展览上伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书的卷首插图,图中有代表亚里士多德、托勒密和哥白尼的人物形象。下面几乎就是这篇文章,只有几处修正。后来,它也成了我的《给世界的答案》一书中第六章的基础。
几年前,我决定要更多地了解科学史,所以很自然地,我主动请缨来教这门课。在准备讲义的过程中,一个事实让我深感震惊:以现在的角度看,天文学在古代所达到的精确度和复杂程度,远超其他任何自然学科。一个显而易见的原因是,可见的天文学现象比地球表面可观察的事物要简单得多,因而更容易研究。古人并不知道,但是地球、月亮和其他行星都以几乎恒定的速率自转着,并且它们在轨道上的运行只被一种力量所主导,那就是万有引力。因此,人们在天上看到的景象变化简单而又具有周期性:月亮有规律地盈缺,太阳、月亮似乎每天绕着天极转一圈,而太阳每年都沿着同一轨迹经过同样的星座,也就是黄道星座。[1]即使只有简陋的仪器,也可以研究这些周期性的变化,而且已经达到了相当高的数学精确度。而对于地球上的事物,比如鸟的飞行或者河中的流水,研究达到的精确度要低得多。
但是,天文学在古代和中世纪科学中如此突出还有另一个原因——它很有用,而当时的物理学和生物学没有什么用。即使在史前,先民也一定曾将太阳在天空中的位置当作钟表、日历或者罗盘来使用,即使那时还很粗略。随着圭表的使用,这些功能变得精确了很多。圭表也许是最早的科学仪器,古希腊人认为它是阿那克西曼德或者巴比伦人发明的。
圭表不过是在可以照到太阳的开阔水平地面上竖着的一根柱子罢了。当白天柱子的影子最短时,就是正午。在希腊或者美索不达米亚各地,柱子的影子在正午都指向正北,因此罗盘上所有方向都可以在圭表周围的地面上永久而精确地标示出来。通过一天又一天地观察正午时柱子的影子,可以找到影子最短或者最长的日子,这就是夏至日和冬至日。通过影子在夏至日的长度,可以计算出纬度。日落时的影子在春季和夏季的指向往东偏南一些,而在秋季和冬季的指向往东偏北一些。当日落时的影子指向正东时,就是春分日或者秋分日。[2]
通过将圭表作为日历,雅典天文学家优克泰蒙在公元前430年发现了将会困扰天文学家2 000年的现象:通过二分二至可以精确测出四季的起点与终点,四季的长度竟略有不同。这一发现排除了太阳以地球为中心在圆形轨道上匀速运转(或者地球绕太阳运转)的可能性。因为那样的话,二分二至点在一年里的间隔就应该是均等的。古代世界最伟大的观测天文学家——尼西亚的希帕克,在公元前150年发现有必要引入本轮的概念,原因之一就在于此。本轮这个概念指的是,太阳(和众行星)在被称为本轮的小圆上运行,本轮的中心又在以地球为中心的圆形轨道上运行。3个世纪之后,托勒密采纳并详尽阐述了这一想法。
即便是哥白尼,因为执着于轨道必须是由圆形组成的,仍保留了本轮的概念。直到17世纪早期,开普勒才终于解释了希帕克和托勒密曾归因于本轮的现象。地球绕太阳运行的轨道不是一个圆,而是一个椭圆;太阳也不在椭圆的中心,而是在其中一个焦点上;还有,地球的速度也并不恒定,而是在靠近太阳时比较快,在远离太阳时比较慢。
对于我前面探讨过的用途来说,太阳也是有局限的。通过太阳辨别方向当然只能在白天;而且在使用圭表以前,太阳的周年运动只能让人们得到关于年的粗略概念。从最早有记录的时代以来,人们就使用恒星来弥补这些空白。荷马就知道哪些星星可以在晚上指示方向。在《奥德赛》里,海中女神卡吕普索告诉奥德修斯如何从她的海岛回到伊萨卡:让大熊始终在他的左侧。大熊当然就是大熊座,也就是北斗七星。北斗七星是靠近北极星的星座,在地中海的纬度上,永远不会落到地平线之下(或者用荷马的话说,“永远不会到海中沐浴”)。保持北方在左侧,奥德修斯就能向东航行重返家园。[3]
恒星也被用作日历。埃及人似乎很早就通过观察天狼星的升起预测尼罗河的泛滥。约公元前700年,诗人赫西俄德在《工作与时日》中向农民建议,应该选择在一年中首次观察到昴星团在日出之前落下的日子开始耕种。
人们因为上述这些原因而观察星空。很多早期文明注意到了有五颗“星星”(希腊人称它们为行星),在一年里它们在其他星星组成的背景中移动,和太阳在黄道上的路径几乎相同,但有时它们似乎逆向运行。如何理解这些运动是巨大的难题,困扰了天文学家上千年,最终艾萨克·牛顿的工作推动了现代物理学的诞生。
天文学的这些用处之所以重要,不只是因为它把注意力集中在太阳等恒星和行星上,从而产生了一些科学发现。它的应用在科学的发展过程中也很重要,因为当一个人实际运用科学理论,而不是纯粹猜测时,就有更大的可能把事情做对。如果女神卡吕普索告诉奥德修斯始终保持月亮在他的左侧,他就会一直兜圈子,永远回不了家。相比之下,亚里士多德的运动理论之所以在中世纪后仍然流传,是因为它从未被实际应用过,也就未被揭示出它存在多么大的错误。天文学家们的确曾经尝试使用亚里士多德的行星系统理论(最初要归功于柏拉图的学生欧多克索斯及其学生卡利普斯)。这一理论认为,太阳、月亮和行星处在以地球为中心的相互嵌套的透明圆球上。这(不同于本轮理论)与亚里士多德物理学是相符的。
他们发现这个理论不管用,比如亚里士多德的理论不能解释行星亮度随时间的变化,而托勒密将这一变化的原因正确地理解为行星与地球的距离并非恒定不变。由于亚里士多德在哲学方面的威望,一些哲学家和医生(但几乎没有开展实际工作的天文学家)在古代世界和中世纪仍坚持亚里士多德的太阳系理论。而到了伽利略的年代,这一理论已经不再受到重视。当伽利略写下《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》时,他所考虑的两大系统是指托勒密和哥白尼的,而非亚里士多德的。
之所以说天文学对于科学进步很重要,还有另一个原因:它促进了政府支持科学研究。第一个伟大的例子是亚历山大城博物馆,由统治埃及的希腊国王们在约公元前300年,即希腊化时代早期建立。它并非现代意义上的博物馆,不是供游客们参观化石和照片的地方,而是一座献给缪斯女神的研究机构,其中包括天文学的缪斯女神——乌拉妮娅。埃及的国王们在亚历山大城资助的发射机与其他大炮构造的研究,以及对投掷物飞行的研究,大概都是在博物馆里进行的。博物馆同时也向阿里斯塔克斯以及埃拉托色尼提供了资助,前者测量了日月的距离与大小,后者测量了地球的周长。在这座博物馆之后,出现了一连串由政府支持的研究中心,包括830年由哈里发马蒙在巴格达建立的智慧宫,以及1576年由丹麦国王腓特烈二世赠予第谷·布拉赫的天文台“天堡”。由政府支持研究的传统延续至今,比如CERN(欧洲核子研究组织)和费米实验室这样的粒子物理实验室,以及由NASA和欧洲航天局送上太空的哈勃太空望远镜、WMAP(威尔金森微波各向异性探测器)和普朗克这类无人天文台。
实际上,天文学的用处在过去被高估了,而这让天文学获益匪浅。古巴比伦人给古希腊世界留下的遗产,不仅包括大量精确的天文观测数据(可能也有圭表),也包括占星术的伪科学。托勒密不仅写就了伟大的著作《天文学大成》来描述天文学规律,他也是占星术书籍《占星四书》的作者。在中世纪和近代早期,王室之所以支持天文数据表格的编制,大部分动力来自占星师要使用这些表格。这与我刚刚讲的似乎相互矛盾,我讲到实际应用对于引领科学走上正确的道路很重要。但是占星家们在天文学方面确实是对的,至少在行星与恒星的视运动方面是如此。至于他们在解释人间事务方面的失败,可以通过预言的模糊性加以掩饰。
并非人人都热情地支持天文学的实用。柏拉图在《理想国》中讨论了对于未来哲学王的教育。苏格拉底建议要涵盖天文学,助手格劳孔急忙表示赞同,因为“不只农民或者其他需要敏锐觉察季节、月份和年份的人,对于军事将领来说,它也同样重要”。可怜的格劳孔——苏格拉底说他太幼稚了,并解释道,学习天文学的真正目的是它迫使头脑向上看,思考比平凡世界更为高尚的事物。
虽然时常也会遇到惊喜,但在我自己的主要研究领域基本粒子物理学中,并没有任何人可以预见的直接应用[4],所以当我注意到实际应用对于科学历史发展的重要性时,也并没有多开心。如今,像粒子物理学这样的纯科学已经发展出了验证标准,不再需要应用来确保我们保持诚实(或者我们乐于这样认为),并且科学家们在智力刺激的驱动下努力着,不必考虑其实际应用。但是要争取政府支持的话,纯科学的研究仍然要和其他更倾向于有直接用途的科学竞争,比如化学和生物。
不幸的是,就天文学争得支持的能力而言,我前面讨论过的天文学的用途大多已经过时了。我们现在使用原子钟来判断时间,精确到可以测量一天和一年长度的微小变化。我们可以在手表或者电脑屏幕上看到日期。最近,恒星对于导航也不再那么重要了。
2005年,我乘坐“海云”号游览爱琴海。一天晚上,我和船长讨论起了导航。他教我如何使用六分仪和精密计时器确定在海中的位置。根据精密计时器给出的时刻,通过测量地平线与一颗特定的恒星之间的夹角,可以知道你的船一定在地图的某条曲线上。通过测量另一颗恒星与地平线的夹角,你会获得另一条曲线,两条线的交点就是你所在的位置。测量第三颗恒星与地平线的夹角,如果得到的曲线和前面两条在同一点相交,就表示你没弄错。展示完这些,我的这位“海云”号船长朋友开始抱怨起年轻的高级船员刚加入船队时,都不会用精密计时器和六分仪确定位置了。全球定位卫星的出现使得星空导航派不上用场了。
天文学还有一个用途:在发现自然法则方面,它继续起到关键作用。如上所述,正是行星运动的问题使牛顿发现了运动和万有引力定律。19世纪,通过对太阳光谱的观察,人们发现原子只能发射和吸收某一特定波长的光,而这一发现在20世纪导致了量子力学的发展。19世纪晚些时候,对太阳的这些观测揭示出当时在地球上还是有未知的新元素存在的,比如氦。20世纪早期,爱因斯坦的广义相对论在天文学上得到了检验,首先是比较他的理论预测与水星的实际运动,随后他又成功预测了太阳引力场对于星光的偏转。

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