何為科學真理

前言

　　盡管促使我寫作這本書的原因是：一個目前時髦的社會學家群體描述科學及其成果的方式讓我憤慨——就是這種描述引發(fā)了所謂的科學戰(zhàn)爭(science wars)，我并不打算針對此觀點的傳播者而展開爭論，只在一章中稍詳細地專門提到他們。我的目的是建設性的：闡述物理科學的智識結構和現代物理引起的對實在(reality)的理解，而現代物理是最先進的和理論上最成熟的科學。有時，我將冒險跨出這個領域，而我抓住的一些最重要的問題，特別是那些涉及理論的作用和實在的性質的問題，假使在其他學科中有不同看法的話。然而，對于像真理這樣的大問題，我從物理學角度描述的深思熟慮的結果，也可以很好地用于科學的全體。　　本書打算寫給任何受過一定科學教育的人，而不是專門寫給職業(yè)哲學家或科學社會學家。由于設想部分讀者并不具有物理學專門知識，我援引的許多用以說明的例子都給出了充分的解釋。有些章節(jié)比起其他章節(jié)要求更多的知識，其中要數在量子理論占統(tǒng)治地位的亞微觀層次上討論那個令人困惑的實在難題(problem of reality)的第十章為最難。恐怕這是難免的；甚至對平常使用量子力學的物理學家們，我們討論的問題也是很難的。用它們與我們必須解答的其他問題沒什么兩樣這種錯誤的推論，去嘗試做膚淺的表達，是毫無意義的。確實，雖然哲學家長期以來為其中許多問題爭斗不休，我偶爾還是要暗示，他們的解答比起實際情況太簡單，為此我預先向讀者致歉。然而，我沒有理由去攪起大量的塵土然后抱怨人們視而不見，就像萊布尼茲(Leibniz)所責怪的哲學家們之所為。　　我要感謝參與過啟發(fā)性討論的許多人，其中我想特別提及福瓦(Ciprian Foias)、戈登(Howard Scott Gordon)、格蘭特(Edward Grant)、考爾格(Noretta Koertge)和已故的韋斯特福爾(Richard S.Westfall)。尤其要感謝我的妻子魯思(Ruth)在本書寫作中寶貴的、不知疲倦的編輯協(xié)助。

內容概要

什么是科學真理？科學真理是否確實存在？諸如此類的觀念沖突，已經引發(fā)了一場文化戰(zhàn)爭。許多人聲稱，可柃驗的客觀真理并不存在。對此，本書發(fā)出種理性的聲音，給出了明確的建設性的意見。本書是位實干的利學家對科學的基礎、過程、價值以及理念、方法、目標的清晰匐述，作者將帶領我們漫游物理科學的智識結構，以其對模型、事實和理論、直覺和想象、類比和隱喻的運用，引領我們去親身感受微觀粒子物理學的“虛擬”實存。

作者簡介

羅杰·G·牛頓，印第安納大學物理學系榮譽教授，著有《探求萬物之理——混沌、夸克與拉普斯妖》（中文版已列入上海科學教育出版社“哲人石叢書·當代科普名著系列”出版）和《考察物理學》。

書籍目錄

對本書的評價內容簡介作者簡介前言緒論對科學的敵意第一章  約定第二章  科學是一種社會建構？第三章  科學的目的在于認識第四章  解釋工具第五章  事實的作用第六章  理論的誕生與死亡第七章  數學的威力第八章  因果性、決定論和概率第九章  兩種尺度上的實在第十章  亞微觀層次上的實在第十一章  真理和客觀性進一步的讀物參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第四章　解釋工具　　模型　　兩個多世紀里，人們一直精心地在物理學中嘗試建構一種圖景去解釋不用具體表達就難于理解的現象。這就是以太模型（ether models），它的建立是用來解釋像萬有引力這樣的力怎樣通過看上去空無一物的空間的傳播，稍后用來解釋在真空中電和磁的振蕩現象和光的傳播。這一模型發(fā)端于笛卡兒（Descartes），他是第一個提出以太的人，以太被想象為充滿了全部星際空間的粒子的渦旋狀鏈，它的特殊的力學性質能夠長距離傳送力。小伯努利（John Bernoulli）1736年由于對光傳播的解釋圖形而獲得法國科學院的獎金：基于他的父親老伯努利的想法，他的模型提出所有的空間皆充滿了包含微細渦旋的流體。一個世紀之后，當普通彈性固體顯然不能解釋光的所有已知特點時，麥卡拉（James McCullagh）為之發(fā)明了一種新型的虛構材料，大數學家高斯（Carl Friedrich Gauss）和他的學生黎曼（Geoge Friedrich Riemann）對物理理論添加了有重大意義的動力學模型，并且精細地研究和擴展了一種類似的結構。但是開爾文和麥克斯韋取得了最大的進展，他們?yōu)闃嬎茧姶艌霾牧隙O計了詳細的數學和力學的表示。這種無效的嘗試一直繼續(xù)到邁克耳孫和莫雷手上才最后死亡，愛因斯坦相對論為它們舉行了葬禮?！　≡谝欢ㄒ饬x上，大多數的以太結構照道理應當被認真地接受為一種支持實在的描述，但是也有一些有意義的例子，其模型事實上并不指望被理論接受但卻起著重要的解釋作用。對凝聚態(tài)物質的相變的理解就是我們要討論的問題。在某些特定的溫度之下，許多材料的某些性質突然發(fā)生變化，最熟悉的例子是水的沸騰和凍結。永磁體被加熱后的行為是一個不大熟悉的例子。在稱為居里溫度〔為紀念法國物理學家居里（Pierre Curie），他是更為著名的瑪麗（Marie）的丈夫〕的特定溫度處，永磁體突然失去磁性。大約在20世紀20年代中期，根據量子力學，鐵磁性的來源，原則上被歸因于每一個電子的磁性，具有奇數個電子的原子的作用就像微小的永磁體一樣。但是對存在特定的相變溫度還沒有找到解釋，在該溫度之下，所有的處于一個晶狀磁疇（在顯微鏡下才能看到的一個小區(qū)域，但包含極多的原子）的原子磁體排列起來形成一個強磁體，而在此溫度之上，“長程序”突然消失。物理學家認識到這種現象不易解釋，因為作為溫度函數的不連續(xù)行為只有對一種無限多原子的理想系統(tǒng)才會發(fā)生，而大量原子之間的力是復雜的。德國物理學家伊辛（Ernest Ising）不去嘗試用實在論理論給出一種解釋，而是構造了一種模型，一方面，它具有引起這一現象的全部屬性，另一方面，又足夠簡單地給出一種成功研究它的數學性質的機會。這就是現在著名的鐵磁性伊辛模型，對基本的原子磁體及其相互作用它使用了一種過分簡化的圖式，它從未作為實際的固體材料的實在論圖景被認真接受，但是其熱力學行為引起了具有挑戰(zhàn)性的一種數學問題?！　∫列聊Ｐ褪怯梢?guī)則排列的、可以取值為+1或-1的符號組成（我們可以把它們想象為能夠指向上或下的、與自旋為1／2的粒子的量子力學行為一致的玩具磁鐵）。這些符號只對其最近的鄰居符號有相互作用，其作用方式是相互作用力傾向于使鄰居符號取相同的值（即使得磁鐵指向相同的方向）。熱力學的一種有力數學工具被用來確定它是否存在“長程序”（即在大范圍的磁鐵整齊排列），而如果是的話，是否存在一個溫度，高于這個溫度，長程序就突然消失。當然，這種排列中最簡單的是在一維情形下所有的磁鐵按規(guī)則間隔位于一條線上。對這種情形，很快就弄清楚了，在其下有長程序、在其上就停止的居里溫度并不存在。稍復雜的下一步是一種格子狀排列（像玩具磁鐵被安置在一個平面棋盤格上）。在多次失敗的嘗試后，這個二維伊辛模型的數學問題終于被解決了，它的解表明，確實存在一個相變溫度來區(qū)分長程序和短程序（short-range ordei）。物理學上最相關的是三維情形，一般認為，即使對這一玩具圖式，也是困難到不可能得到解?！　≡谶@一點上，對大自然復雜得多的情況做過的表面上十分簡單的伊辛模型，是我們所必須對鐵磁性相變存在作出的最接近解釋，甚至在將來，它也許是最接近解釋。基于它的數學上的成功，我們可以說，在某個十分有限的意義下，“我們理解”在高于居里溫度時突然退磁，但還是一點也不理解最熟悉的相變現象——水的凍結和沸騰?！　∠裼糜阼F磁性的這類建模，在理論物理學中并非不尋常。粒子物理學、流體力學和復雜動力學系統(tǒng)中的許多非線性方程非常難求解，理論家們不得不求助于簡化模型，沒有人把它當作對大自然的真實的或者即使是近似的描述。盡管如此，如果一種數學模型包含了實際理論的本質特性，可以被證明表現了反映觀察到的現象的特征，它就至少可以定性地作為認識那些現象的重要工具。毫無疑問，物理學中最成功的理論，是那些能夠作出和實驗結果符合得十分精確的數值預言的理論，在其他情形，即使是最復雜的數學工具，也只能對觀察結果引進一種定性認識，這意味著，在理論物理學中數學的威力遠遠超出數字的應用。在量子場論和粒子物理學中，理論家經常要去求解有關的方程，或在比描述大自然所需要的維數低的條件下，研究系統(tǒng)的性質，其原因不過是因為實際情況過分困難。因為在三維空間中對量子電動力學進行數學上的嚴格研究一直十分困難，數學物理學家代之以一維和二維的研究，一方面是作為練習，另一方面可以作為建立信心的工具；類似地，為了對其他的量子場論進行大尺度模擬，人們在格子點上而不在連續(xù)的時空中進行。沒有人相信這種解以任何方式直接與實驗結果相關，不過它們的定性特點仍然作為解釋實際事物的有用工具。　　對其他學科，建模也十分常見；在生物學中特別是進化論要求這種努力。這些模型通常有爭議，不僅是因為它們對現實世界的可應用性沒有充分確立，而且因為它們所導出的結論未基于可靠的數學推理。例如，考夫曼（Stuart Kauffman）在《秩序起源》中長篇大論地描述了基于自適應復雜系統(tǒng)（adaptive complex systems）觀念的一種生物進化機制模型，在這種系統(tǒng)中秩序從混沌中涌現。不久以前，由這一方案引起的爭論公開化了，由倫敦林奈學會組織了一次公開辯論會，辯論雙方為考夫曼和他從前的老師史密斯（John Maynard Smith）。此種交流并沒有接近于解決爭端，這說明要建立遠離他們要仿效的學科的數學模型是冒險的。復雜性、混沌和分形以及突變理論等時髦學科，在不久之前風行起來，充滿了對現象的可疑解釋，其范圍從生物進化到股票市場，從相變到宇宙學。不過，在興奮和夸張平息下來，塵埃落定之后，它們對我們理解事物似乎沒有太大的貢獻。　　使用模型有一點看來十分清楚：它們的發(fā)明中存在大量的余地，而且可以有許多不同的模型服務于相似的目的。個別科學家可能會覺得某些模型很舒適，故以各種理由排斥其他模型，那些理由中的一些是基于當代的科學或在他們的文化中流行的課題。我們可以肯定，以太的許多表示全部在實質上是力學的而不是其他，比如生物學的：力學這門學科得到了很好的發(fā)展和認識，而生物學則不然?！　☆惐取　∮袝r幫助我們理解一種理論的含義的簡化方式是類比，它是一種強有力的最終甚至可以成功地用計算機程序實現的推理模式。在我討論的模型的例子中，與實際理論的類比是十分直接的；在其他的情形也許很不直接，但仍然能很好地服務于它的目的。有時類比是從物理學十分不同的部分中的現象之間提出來的，通常是因為，盡管它們表面上不同，但它們卻遵從類似的方程。這一方法在教學中和向其他物理學家解釋不熟悉的效應時特別有用。在量子力學的早期，那些較熟悉量子力學的人用電磁理論的類比幫助了解較少的科學家以及學生更好地理解，這是十分普遍的?，F今，許多人發(fā)現，在教研究生時，值得沿著反方向使用類比法，從學生們可能已經熟悉的量子力學現象中提取類比去解釋電磁行為。要描述由恒星和星系發(fā)出的光的紅移，幾乎不可避免地總要提到遠去的火車汽笛聲音調降低?！　☆惐炔粌H幫助我們理解不熟悉的現象，還可以作為對發(fā)明新的理論的想象力和促進新發(fā)現強有力的刺激。這就是類比法對那些具有各種科學領域的寬廣知識的科學家總是有用的緣故，他們可以根據那些知識對手邊的問題作一個類比以求得解決。玻爾一盧瑟福的原子模型是由對太陽系的類比形成的，核作為太陽，電子作為行星，雖然這一圖式對科學界接受原子模型起的作用并不大，但它極大地推動了該類比的普及，只是它大大忽略了天文學和原子世界的尺度差別和所用的基礎物理。楊（Thomas Y0ung）得出他的至關緊要的干涉效應，從而確立了光的波動性質，是由把光和聲音作類比得到的，這在他自己看來是完全可信的，但是在他死后，他著作的編輯認為這是“異想天開，毫無根據”。

媒體關注與評論

　　怎樣通過科學獲得可靠的結論，在物理學家看來，這一過程充滿著神奇，就像那些看起來常常讓人感到神奇的結論一樣。本書以質樸的文字描述了這一過程。它的水平、篇幅和深入淺出會使廣大讀者感到親近。讀過此書之后，就會發(fā)現關于科學認識論最流行的那些議論都顯得冗長乏味，思想混亂。　　——赫施巴赫(Dudley R.Herschbach)，1986年諾貝爾化學獎得主

編輯推薦

　　近來引起爭論的不是某個科學真理，而是真理本身——恰恰是關于科學真理的觀念。圍繞這個觀念引發(fā)了一場文化戰(zhàn)爭，許多人以嘲諷的、雄辯的以及逆反的口吻聲稱，諸如可檢驗的客觀真理之類的東西并不真的存在，因而，也不可能存在所謂科學的權威。對此，本書發(fā)出了一種理性的聲音，給出了一個明確的建設性的意見。　　這是一位著名物理學家給我們的稀有禮物，能夠幫助我們對那些最復雜的科學觀念有所領悟。羅杰?牛頓的書將引導我們漫游物理科學的智識結構，他以其對模型、事實和理論、直覺和想象、類比和隱喻的應用，數學(現在，是計算機)的重要性，以及微觀粒子物理學的“虛擬”實在的親身感受，帶領我們穿越最前沿的科學理論——現代物理學生成的實在。本書是一個實干科學家對科學的基礎、過程和價值的闡釋。　　對于科學是一種社會建構的聲稱，牛頓以科學家的工作信條作出回答：“一組判斷如果能構成一個一致的整體，并且在外部世界和我們內心中都有效，就是真的?！睂τ谂ｎD來說，科學真理不是別的，正是對權威無情的拷問，對客觀性無盡的探索，而這一過程，從最全面的理解看，是無止境的。本書以其對科學的理念、方法和目標的清晰闡述，很好地呈現了這一真理?！　≡鯓油ㄟ^科學獲得可靠的結論，在物理學家看來，這一過程充滿著神奇，就像那些看起來常常讓人感到神奇的結論一樣。本書以質樸的文字描述了這一過程。它的水平、篇幅和深入淺出會使廣大讀者感到親近。讀過此書之后，就會發(fā)現關于科學認識論最流行的那些議論都顯得冗長乏味，思想混亂?！　　帐┌秃?Dudley R.Herschbach)，1986年諾貝爾化學獎得主

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