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[转载]费曼:探究世界的游戏规则

已有 633 次阅读 2019-11-29 10:45 |个人分类:沙里淘金|系统分类:科普集锦|文章来源:转载


 

著名物理学家费曼把科学研究视为观看天神的游戏,发现物理学规律就是努力探究世界的游戏规则。

 

《发现的乐趣》这本书里,讲得比较简明:

我们为了理解自然规律所做的事情,有一个好玩的类比,那就是上帝在玩一个巨型游戏。比如说下象棋吧,你不知道这个游戏的规则,但是可以在一旁看棋局,至少是时不时可以看一眼,或许就躲在一个小角落里。你努力从中看出这个游戏的规则,以及棋子的走法。你可能会看出点门道,比如,当棋盘上只有一个象,那么它将永远走在一种颜色的格子上。再后来,你会看出象沿对角线走的规律,这将有助于你理解前面发现的那条规则——象只留在同一种颜色的格子上。这就好比我们理解一个原理的过程,你发现了一条规律,然后又发现了对这个规律的更深层次的理解。如此这般,看似每件事情都在向好的方向发展,你已发现了全部的规则……然而,突然在棋盘的某个角落发生了一些之前你没有见过的奇怪的现象,那你就开始调查原因——原来是王车易位。顺便提一下,在基础物理研究中,我们总是试图去研究那些我们不理解其结论的事物,然后努力去查找原因。在彻底研究之后,我们心里才会释然。

那些不合常理、出乎你意料的事情才是最有意思的。同样地,通过这些不合常理的现象,我们也掀起了物理学革命。就像下象棋,你注意到象停在相同的颜色格子里,沿着对角线走子等,所有这些规则,大家都知道它们是正确的,长期以来也都习以为常。突然有一天你发现有些棋局里象的走法变了,不再只停在一种颜色的格子里。之后你才发现了另一种可能性,在象被吃掉后,卒一路走到对方底线后,那它就成了新的象,这种情况下象就要变色。这种情况是可能发生的,不过之前你并不知道。这跟我们探索自然法则一样,科学家们都认定了一些定律,他们研究研究着,突然发现一些不合常理的现象颠覆了他们的看法,然后我们就得去研究象这个棋子在什么情况下会变色,然后再逐渐掌握这条能解释新现象的新规则。可是,物理研究跟下棋不同:下棋的时候,你会发现规则越变越复杂;而搞物理研究的时候,新发现的规律会越发简洁。从总体上看,它可能变得更复杂,因为我们发现了更多的现象,比如说新的粒子和新物质,因此这些规则再次变得复杂起来。但是,如果你总能意识到这是件有意义的事情,也就是说,我们的认识范围不断扩大,每一次我们都有新的收获,最终把这些认识统一起来,那么我们得到的理论比以往任何一次都要更简洁。

如果你有兴趣探究物理世界乃至整个世界的本质,在我们这个时代,我们唯一的工具就是数学推理。一个不懂数学的人,他就不能理解——至少不能完全理解——世界上这些特殊的现象、这些自然法则最本质的东西以及事物间的联系。除了数学,我不知道还有什么其他办法可以做到这一点——去准确地描述这个世界……或是去弄清楚世间万物的互相联系。所以,我认为一个没有数学素养的人是无法完全理解这个世界的——请不要误解我的意思,世界上有很多东西是用不到数学的,比如说爱情,它让人愉悦,能给人带来神奇的体验,人们对爱情心驰神往,却又觉得它捉摸不定。我不是说物理学是这个世界的唯一,可是要说到物理学,要从物理学的角度去理解这个世界,那么不懂数学就是一个很大的障碍。

 

在《费曼物理学讲义》里,讲得更多一些:

(第一卷,第二章 基本物理,§2-1 引言

在本章中,我们将考察有关物理学的最基本概念——即我们在目前所知道的事物的本性。这里将不去涉及我们如何知道所有这些观念是正确的那个认识过程,你们在适当的时候会学习到这些具体的细节。

我们在科学上所关心的事物,具有无数形式和许多属性。举例来说,假如我们站在岸边眺望大海,将会看到:这里有海水、拍击的浪花、飞溅的泡沫以及汹涌的波浪,还有太阳、光线、蔚蓝的天空、白云以及空气的流动——风;在海边有沙粒,不同色纹和硬度的岩石;在海里浮游着生物,此生彼灭;最后,还有我们这些站在海岸边的观察者;甚至还有幸福和怀念。在自然界的其他场合,难道不也同样出现如此纷繁复杂的事物和影响吗?无论在哪里,到处都是这样错综复杂和变化无穷。好奇心驱使我们提出问题,把事物联系起来,而将它们的种种表现理解为:或许是由较少量的基本事物和相互作用以无穷多的方式组合后所产生的结果。

例如,沙粒和岩石是两回事吗?就是说,沙粒只不过是大量的细小石块吗?月亮是不是一块巨大的岩石呢?如果我们了解岩石,是否就能了解沙粒和月亮呢?风是否与海洋中的水流相似,就是一种空气的流动?不同的运动有什么共同特征?不同的声音有什么相似之处?究竟有多少种颜色?等等,等等。我们就是试图这样地逐步分析所有的事情,把那些乍看起来似乎不相同的东西联系起来,希望有可能减少不同类事物的数目,从而能更好的理解它们。

几个世纪以前,人们想出了一种部分解答这类问题的方法,那就是:观察,推理和实验;这些内容构成了通常所说的科学方法。在这里,我们将只限于对那些有时称之为基本物理中的基本观点,或者由于应用科学方法而形成的基本概念作一描述。

现在我们要问:所谓理解某种事情指的是什么意思?可以作一想象:组成这个世界的运动物体的复杂排列似乎有点像是天神们所下的一盘伟大的象棋(这里指的是国际象棋——译者注),我们则是这盘棋的观众。我们不知道弈棋的规则,所有能做的事情就是观看这场棋赛。当然,假如我们观看了足够长的时间,总归能看出几条规则来,这些弈棋规则就是我们所说的基本物理。但是,即使我们知道了每条规则,仍然有可能不理解为什么下棋时要走某一步棋,这仅仅是因为情况太复杂了,而我们的智力却是有限的。如果你们会下棋,就一定知道,学会所有的规则是容易的,但是,要选择最好的一着棋,或者要弄懂别人为什么走这一着棋,往往就很困难了。在自然界里,也正是如此,而且只有更难一些。但是,至少我们能发现所有的规则。实际上我们今天还没找到一切规则(时而会出现一些像弈棋中以车护王那样的情况,使我们仍然感到无法理解)。除此之外,我们确实能用已知规则来解释的事情也是非常有限的,因为几乎所有的情况都是极其复杂的,我们不能领会这盘棋中应用这些规则的走法,更无法预言下一步将要怎样。所以,我们必须使自己只限于弈棋规则这个比较基本的问题。如果我们知道了规则,就认为理解了世界。

如果我们不能很好的分析这盘象棋游戏,那么又怎样来辨别我们猜测出的规则实际上是否正确呢?大致地讲,可以有三种办法。第一,可能有这种情况:大自然安排的,或者说我们将大自然安排的十分简单,只有少数几个组成部分,从而使我们能够正确地预测将要发生的事。在这种情况下,就能检验我们的规则是怎样起作用的。(在棋盘角落里可能只有少数几个棋子在移动,所以我们能够正确地解决。)

第二种检验规则的好办法是,利用那些由已知规则推导出来的一些较一般性的法则来检验已知规则本身。比如,象在棋盘中移动的规则是只许走对角线,因而我们可以推断,无论象走了多少步,它总是出现在红方块里。这样,即使不能领会细节,我们也总能检验有关象的走法的概念,只要弄清楚它是否一直在红方块里。当然,在相当长的时间里,它都将如此,直到突然发现它出现在黑方块里。(显然,这时发生的情况是这个象被俘获了,另一个卒走过来成为皇后,红方块里的象就变成黑方块里的象。)这也就是物理学中出现的情况,即使我们不能领会其中的细节,但是在相当长的时期内我们仍有在各方面都很好地起作用的规则;但是在某个时候,我们又会发现新的规则。从基本物理的观点来看,最有趣的现象当然是在那些新的场合——那些已知规则行不通的场合中所出现的现象,而不是在原有规则行得通的地方发生的现象!这是我们发现新规则的一条途径。

第三个鉴别我们的观念是否正确的方法比较粗糙,但或许是所有方法中最为有效的。这就是用粗略的近似方法来加以辨别。我们可能说不出为什么阿莱克因(Alekhine)(世界著名弈棋手,系国际象棋大师。曾多次获得国际象棋世界冠军。——译者注。亚历山大·阿寥欣(18921946),国际象棋世界冠军。——转载者注)要走这步棋,但是我们或许能大致认为它或多或少地在调集一些棋子到王的周围来保护它。因为这是在这种情况下明摆着的事。同样,根据我们对这盘棋的理解,即使不能看出每一步棋的作用,也常常能对自然界多少有所理解。

人们首先把自然界中的现象大致分为几类,如热、电、力学、磁、物性、化学、光或光学、X射线、核物理、引力、介子等等现象。然而,这样做的目的,是将整个自然界看作是一系列现象的许多不同侧面。这就是今天基础理论物理面临的问题:发现隐匿在实验后的定律;把各类现象综合起来。在历史上,人们总能做到这一点,但随着时间的推移,新的事实发现了;我们曾经将现象综合得很好,突然,发现了X射线,随后我们又融合了更多事实,但是又发现了介子。因此,在弈棋的任何一个阶段,看起来总是相当凌乱。大量事实被归并了,但总还有许多线索向一切方向延伸出去。这就是今天的状况,也就是我们将试图去描绘的现状。

历史上出现过的若干进行综合的情况有如下几个。首先,是热与力学的综合,当原子运动时,运动得越是剧烈,系统所包含的热量就越多,这样,热和所有的温度效应可以用力学定律来说明。另一个巨大的综合,是发现了电、磁、光之间的联系,从而知道它们是同一件事物的不同方面,即今天我们称为电磁场的那个东西的不同表现。还有一个综合,是把化学现象、各种物质的各种性质以及原子的行为统一起来,这就是量子化学的内容。

显然,现在的问题是:能不能继续把所有的事情都综合起来,并且仅仅发现这整个世界体现了一件事情的种种不同方面?无人知道答案如何,我们所知道的只是:这样做下去时,我们发现可以综合一些事实,随后又发觉出现了一些不能综合的事实。我们继续尝试这种拼图游戏。至于是否只有有限数量的棋子,甚至这场拼图游戏是否有底,当然不知道。除非有那么一天终于把拼图拼成了,否则我们就永远不会知道事情的究竟。在这里我们要做的是,看看那种综合已经到了什么程度,在借助于最少的一组原理来理解基本现象方面,现状又是如何。简言之,事物是用什么构成的?总共存在多少基本元素?




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