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从“真实的不真”到“真的不真实” 精选

已有 6691 次阅读 2020-2-11 10:30 |个人分类:谈点正事|系统分类:科研笔记| 海市蜃楼, 彩虹, 物理学

海市蜃楼是一种很早就被人类观察到的自然现象。在西方神话中,这种现象被描绘成魔鬼的化身,是死亡和不幸的凶兆。我国古代则把海市蜃楼看成是仙境。Christopher Pinney的《无水之海:海市蜃楼的奇异历史》(The Waterless Sea: a Unique History of Mirages)中有句话,非常贴切地描述了这种现象的本性——“真实,但不是真的”(real, but not true)。

如何判断一种现象真实与否?俗话说,眼见为实。很多人可能像老文一样,没看见过海市蜃楼,但看见过彩虹——一种与海市蜃楼相类似的现象。我们亲眼看见过彩虹,所以我们说彩虹是真实的。有人亲眼看见过海市蜃楼,所以海市蜃楼也是真实的。

为什么说海市蜃楼不是真的呢?古人早替我们证明了。据说秦始皇、汉武帝都曾亲自带队前往蓬莱寻访仙境。他们寻到了吗?古人如果懂物理,应该就根本不会去做那样的无用功了。物理学告诉我们,海市蜃楼跟彩虹一样,都是幻景(illusions),也即不是真的。

说到这里,老文不由自主地想到了《红楼梦》中的太虚幻境。贾宝玉游过太虚幻境,但是众所周知,他是梦游,也就是在梦里游过。梦游不能证明是真的。太虚幻境正如其名,是既虚又幻的境,也就是既不真实也不是真的,不属于物理学的研究对象。

同样观察一种现象,物理学家往往想看到更远、更多。物理学家贝利(就是发现贝利相位的Michael Berry)最近撰文指出,描述海市蜃楼的那句“真实但不是真的”,其反面,即“真的但不真实”(true, but not real),令人惊讶地,正是对物理学家所做事情的生动写照。

如何理解“真的但不真实”?贝利说,物理学家将他们的理论与观察或实验相比较,如果两者一致(尽管有时只是初步的或暂时的一致),他们就有理由宣称这个理论是真的;而“它是真实的吗?”(Is it real?)是一个使人滑向深渊的问题,答案通常取决于对某件事情建模的水平。所谓使人滑向深渊的问题,老文理解,就像小朋友不断追问的为什么,是你永远回答不完也回答不了的问题。

举个例子。考虑一个“眼前”问题:你的眼镜是怎么工作的?至少有四个答案,对应于我们理解光的四个理论层次。一是几何光学,描述镜片如何偏转光线,形成我们所感知的聚焦图像。二是波动光学,利用光波的相干干涉描述聚焦。三是电磁理论,考虑了按麦克斯韦方程组传播的电场和磁场。四是量子光学,用到光子概念。

哪个理论解释了真实发生的事情?它们都没有。但每个理论都有用,只是适用的层次或情形不同罢了。每个理论都给出了眼镜的一些定量准确描述,所以是真的。光线解释简单直观,今天的镜片设计师仍然使用光线跟踪算法来补偿散光及优化变焦。但要了解衍射如何模糊镜片的焦点,就必须考虑更深一层的波动光学。即使这样也不足以理解焦点附近电磁场的复杂矢量结构,这要靠电磁理论。量子层面也许被认为在设计镜片或理解镜片的工作原理方面没有用,但它确实将我们的眼镜与自然界和技术中的许多量子现象联系起来了。

贝利还现身说法,阐述他作为一个物理学家如何观察彩虹。当他观看彩虹时,他会看笛卡尔-牛顿利用反射、折射、散射的光线解释之外的东西。他寻找额外的彩虹(supernumerary bows):干涉条纹,这些条纹使物理学家看到了光线理论的不足并被波物理所取代。而在波的背后,他看艾里和斯托克斯对这种干涉的思考如何导致人们对数学中发散级数的基本了解,并联想到量子场论家需要发散级数且在进一步发展它。当他透过并旋转一个偏振片观察彩虹时,发现彩虹获得了一个移动的暗区,这揭示了光的横向矢量性,即偏振。

贝利指出,这些层次都不能真实地描述彩虹。物理学家可能会被诱导声称量子层次的描述是真实的,因为它是其它层次的基础:较早的层次只是近似,通常建立在更深层物理中不存在的实体(例如光线)之上。

贝利说,这应该受到抵制,原因有二。其一,这将使真实与历史相关,即基于我们目前认为最基本的物理。其二,这将使“真实”过于远离我们感知到的现象,与我们的日常用语不一致。例如,我们用日常语言说,这是一张木餐桌。这当然是真的。但仔细观察,餐桌的独特形状溶解成木材分子中的原子排列;再不断深入,我们遇到原子核及其质子和中子,最后也许还有夸克。这些都是真的,但是,桌子哪儿去了?

常人也许会好奇:物理学家为什么做不出真实的物理?根本原因在于,真实的物理根本不存在——老文感觉有点“道可道,非常道”的味道。爱因斯坦在《物理学的进化》一书中已经论证得很清楚了。他说:“科学中没有永恒不变的理论。一个理论所预测的现象被其它实验证伪的事情时常会发生。每个理论都有着一段逐步发展的时期和辉煌期,而在之后可能会经历迅速的衰落。”

值得指出的是,这世上的确有人坚称自己的理论是真实的,甚至坚称自己的工作解决了所有问题。遗憾的是,这类人被归为“科学狂想家”(Scientific Cranks),不在物理学家之列。伯恩斯坦在《发现科学》(Science Observed)一书中指出,“科学狂想家”除了顽固坚持自己的观点,还有以下特点:非常严肃,认为旁人都是来窃取他们的思想的;大量使用大写字母,深信媒体会对他们的工作感兴趣。

物理学家如果坚信自己或别人做出的物理是真实的,那么他们就成“科学狂想家”了——这样的案例在历史上和现实中都有。这对物理学的发展是极其危险的。尼采说,相比谎言,顽固是真理更大的敌人。科学哲学家Robert P. Crease说:“顽固不仅会扫除人们的不满足感,也会扫除人们的玩兴。只有把不满足感和玩兴结合起来,才能在科学上产生强大的推动力。”

综上,我们看到的海市蜃楼和彩虹是真实的,但不是真的;物理学家做出的海市蜃楼和彩虹物理是真的,但不是真实的。推而广之,所有的物理都是真的,但不是真实的。物理学家致力于做真物理,同时承认他们做出的物理是不真实的,这种承认,既是承认一种事实,更是激励他们永无止尽地做真物理的强大动力。




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