假设与猜想的价值与意义·读《危机四伏的宇宙》

标签:
宇宙演进脆弱地球假说猜想认知方式ppl |
分类: 读书评论 |
——读洛伦佐·科伦布等人《危机四伏的宇宙》一书有感
屈原的《天问》是一篇“奇气纵横,独步千古”的妙文,其中蕴含着不少对宇宙、对自然、对事物运行规律的质疑和追问:“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?冥昭瞢闇,谁能极之?冯翼惟像,何以识之?明明闇闇,惟时何为?”自古以来,人类就对宇宙、对事物的运行方式等充满着好奇,提出了这样或者那样的问题,希望能够找寻到其中的答案,既增强见识,也慰藉心灵。
今天的人们,对宇宙的认识和屈原所处的时代已经不可同日而语,但仍然有很多疑惑、很多问题等待着科学家去探究、去破解。洛伦佐·科伦布等三人所著的《危机四伏的宇宙》一书,就是这样一本描述和记录当今的人们对宇宙好奇心的著作,书中提出了一个个的问题,假如太阳在某时刻瞬间消失,假如用消防的方式给太阳降温,假如地球突然停止自转,地球的位置处于银河系的中心,假如银河系和仙女系迎面相撞,加入一个黑洞出现在地球上……那会有怎样的事件发生呢?
培根式的认知方式
英国哲学家、实验科学的创始人弗朗西斯·培根(Francis Bacon)最有名的一句话应该就是“知识就是力量”了。获得正确的知识,让这些知识成为促进个体成长、推动社会进步的力量,是人类矢志不渝的追求。
培根发现,前人获取知识的方式主要有两种:
一是采取亚里士多德单纯依赖演绎推理的方法。首先需要找出一个第一原则,确立后不可再被经验或理性检验;然后再由第一原则演绎出更多的结论。三段论就是其中最为典型的事例:大前提,人是有理性的;小前提,苏格拉底是人;结论,苏格拉底有理性。这样获取知识的方式存在着两大问题:问题之一是所谓的第一原则本身不一定可靠,这往往导致后面的演绎推理出现错误;问题之二是即便第一原则是可靠的,也不会产生新的知识。就像上面的三段论,本身演绎的结论就蕴含在命题的前提中。
二是采取归纳的方式来获得新知。即通过观察足够多的个例来得出在一定的范围内普遍适用的结论。像天鹅都是白的,金属都能导电等,就是通过归纳法得出来的。培根认为,归纳法的问题在于,无论你观察的个例的数量有多少,所能观察到的个体与该事物的整体之间永远有一道鸿沟,只要后面出现一个反例,原来所得出的结论就不再成立。
培根在对比上述两种获取知识的方式时,曾做了一个非常形象的比喻:“只相信经验的人像蚂蚁,他们只会搜集材料,不知道如何加工、处理这些材料;只知道思辨的人像蜘蛛,他们只凭借自己的材料编造体系;真正的实验科学家像蜜蜂,他们既采集材料,又通过自身消化处理这些材料。”培根将上述两种方式进行了整合,提出了他独具特色的认知世界的方式,即“假说-演绎”法,即通过对经验的梳理归纳提出相关的假说,再经过演绎推理来验证该假说是否正确。培根提出的这种认知方式被称之为“培根式认知”,现在已经成为科学研究最为重要的认知方式之一。在培根之后,历代的科学家对这一认知方式做了进一步的丰富和完善,构成了现在我们所熟知的“发现问题、提出假设、设计方案、实践探究、数据分析、验证分析(得出结论)”的基本认知模式。
在梳理归纳各种经验之后提出假设和猜想,是“培根式认知方式”中非常核心的一点。有的假设接近真相,有的假说远离真相,正是通过猜想,才能将二者区分开来。猜想事物未来的发展趋势,原本就是一件具有重要现实意义的工作。但人们还可以走得更远,将它单纯看作一个“游戏”,一个只有人类才有可能去做的趣味游戏。问自己“假如……,那会发生什么”就是和科学做游戏的绝佳方式,同时也是最能体现人类特点的一个方面。《危机四伏的宇宙》这本书就是关于物理和天文学的许多“假如……,那会发生什么”的合集。三位来自意大利的天体物理学者,采用假设与猜想的方式,给我们呈现了一系列异想天开的荒诞事例,为我们诠释宇宙深处可能发生,或正在发生的神奇现象。超新星、黑洞、彗星……这其中的任何一个出现在地球周围,都会让人类万劫不复!地球能够延续46亿年的历史,人类能够一步步演化到今天的模样,真的是一项奇迹,一件令人惊叹的事情。
假如……,那会发生什么
我们不妨跟着这三位物理学家来做一下这个“游戏”。
“假如地球突然停止自转,那会发生什么呢?”
想象你坐在汽车里,司机因为某种原因突然刹车的情景,因为惯性,你的身体依然会保持很高的速度往前冲,如果没有保险带,你可能就撞到前面的座椅靠背或者汽车挡风玻璃上去了。地球自转的速度非常快,在赤道上约1700千米/小时,罗马所处的纬度为1256千米/小时,如果地球突然停止自转,地面上除了大山之外的所有物体将立刻以这样高的速度飞射出去,从西部被抛到东部,所有的生物都没有存活的可能。海啸也在同步酝酿之中,数千米高的海浪能够摧毁陆地上一切物体,短短几分钟内,大地就会变成另一副模样。
假如你能在这场大灾难中存活下来,也将面临着一个几乎不可能解决的难题:地球一旦停止自转,就无法再产生磁场,现有磁场很快也会消失。抵挡紫外线辐射、宇宙射线以及其他高能粒子的保护屏障都没了。同时,因为离心力的消失,各处的引力不同导致海水将会重新分配,移向两极地区,使赤道附近的海平面降低8千米。地球上的水将汇聚在两极地区,形成两个大洋,中间由一块陆地隔开。在地球上任何一个地方,太阳会从西边升起,6个月后再从东边落下。一年里都将有一半是白天,一半是黑夜,白天变得酷热难耐,夜晚则变得特别寒冷……
你以为这只是在做“游戏”吗?事实上,由于地球与月亮间的潮汐力,我们的卫星——月亮,真的在给地球的自转减速。只不过地球减缓的速度非常细微,人类感觉不到而已。
“假如地球公转轨道的中心不是太阳,而是另一颗恒星或一个黑洞,那会如何?”
要回答这个问题,需要熟悉天文学家对恒星的分类。依据恒星的表面温度而进行的“光谱分类”,将恒星从最热到最冷分为O、B、A、F、G、K、M共7个类别。
M型星,即红矮星,是指体积最小、数量最多、寿命也最长的那些恒星。银河系里超过3/4的恒星都是红矮星。它们最小的恒星质量约为太阳的8%,但最多能活10万亿年,是太阳的1000倍。K型星,即橙矮星,数量要少一点儿,在银河系里占1/8。它们位于暗淡的红矮星与太阳这类恒星之间,质量是太阳的50-80%。橙矮星的寿命也特别长,平均能活200-700亿年。太阳是一颗G型星,即黄矮星。这一类恒星只占银河系的1/13,黄矮星平均能活70-200亿年,我们的宇宙已经见证过一些此类恒星的衰亡。F型星,大约占银河系的1/30。这些恒星就像是打了“激素”的太阳:温度更高,最大的比太阳大40%,寿命有40-70亿年。A型星包含许多天空中非常有名的恒星,比太阳亮40倍,织女星是A型星的杰出代表,除此之外还有牛郎星、天狼星等。它们的体积是太阳的1.4-2.1倍,寿命比F型星还短:10-40亿年。B型星是夜空中当之无愧的主角。它们只占银河系的1/770,但构成星群的大多数恒星都属于这一类别,除了巨星和超巨星以外,它们便是银河系里最亮的恒星。它们的体积是太阳的2-16倍,亮度最高可达到太阳的30000倍。它们的寿命十分短暂,仅为几千万年。这些恒星质量为太阳的8倍以上,能爆炸变成超新星。至于O型星,它们在天体中极其罕见,在银河系中仅占几百万分之一。这类“恶魔”体积巨大,温度极高,以至根本不可能形成行星。O型星的光芒太过强烈,可达太阳的数百万倍,导致宇宙尘埃变成气体,因而没有机会聚合在一起。
B型星和O型星在其短暂且活跃的一生中,会像洋葱一样分层,越靠近内核原子序数越大,时不时还会合成更重的元素。慢慢地,它们变得越来越亮,核心越来越热。结果是表面过度膨胀,温度降低,这些恒星就变成了红超巨星……它们的体积大得无法想象:如果我们把一颗红超巨星放在太阳的位置上,它最外面的几层将吞并土星以内的所有行星。所以地球也会不复存在。
K、G、F、A型恒星在老化的过程中,会在某一刻完全变成另一类恒星,体积变大许多,温度降低,这就是红巨星。大约10亿年后,红巨星会再次解体,只留下炽热的核心:一颗白矮星。白矮星最终会慢慢降温,大约在几千亿年之后降到绝对零度——整个宇宙中最低的温度:-273.15。我们有幸生存在太阳的公转轨道上,虽然说太阳还有50亿年的生存时间,但随着它再过10亿年逐渐变成红巨星,地球也将成为不毛之地了。
而如果是M型恒星呢?可能因为它的能量不够,地球又将变成极冷的冰雪之球了。
科学思维训练的好帮手
本书所罗列的各种涉及到地球、太阳系、银河系、宇宙等的问题,所采取的都是培根式的认知方式,提出假设和猜想,然后利用已知的观察事实、物理学和天体宇宙学的相关知识来进行演绎推理,最终给我们呈现一幅图景:如果宇宙中的某一因素发生了变化,就会带来连锁的反应,真正是牵一发而动全身。
阅读这本书的过程,如果自己是一位有心人,其实就是跟着几位天体物理学家进行思维训练的过程,在他们的带领下领略宇宙的浩瀚无垠,思考宇宙诞生和演化的各种机缘巧合,感受地球和人类在宇宙空间中的渺小,真的是一件非常奇妙的事情。特别是他们以科学的态度所进行的演绎推理等思维过程,能给我们很多启发。
最重要的,是我们可以用他们的方式来引导学生进行这样假设、猜想和演绎推理。学生在阅读这本著作,既可以循着科学家的思路去思考,也可以在科学家思维的基础上,再次提出自己的观点,将他们的思维过程进一步深化。如果还能在科学家的问题之外,再问几个特别有趣的问题,采用科学探究的方式开展一番实践活动,那从中所得就会更多了。
我们时常觉得引导学生科学探究缺少素材,应该还是与阅读不够有关吧。多阅读、多发现,很多教学的难题也会迎刃而解的。
《危机四伏的宇宙》,[意]洛伦佐·科伦布,马特奥·米卢齐奥,菲利波·波拿文图拉著,周佳玲译,浙江科学技术出版社2022年版