第五十八章猜想与推理

科学的新发现往往是最初在模糊的预感中做出一种猜想，然后才是将这个猜想放在已知定律与理论的基础上予以说明。如果猜想可以被已知的定律和理论说明或解释，这个猜想就有很大的可能符合自然的真实。尔后需要的就是实验或观测的证实。

哥白尼认识到地心说的不合理，重新阐述了古希腊的日心说，从理论上论证了其合理性。地心说认为地球静止，而其它天体围绕地球转动。在这样的宇宙图像下，宇宙一定是有限的。否则，无限远处的天体必然以无限大的速度在运转。日心说让其它天体静止，让地球转动，恢复了无限宇宙的可能。从能量角度看，这个图像是节俭的；从几何角度看，这个图像是简约的。因而这个图像是是真的，也是美的。这个宇宙可以是无限的。

布鲁诺猜想千万个星星都是太阳，虽然他是正确的，然而他不能论证其合理性，便不能被当时的社会大众所接受。

开普勒在第谷观测数据的基础上猜想行星轨道为椭圆形，并由计算验证为正确。

相对于中国的传统文化而言，科学完全是一种异质的文化。由于中国近代文化的特殊发展道路，科学研究被认为是唯物主义的领域，科学被赋予客观属性。因为科学被赋予客观唯物的属性，并且中国没有经历科学的早期发展阶段，早期的科学方法被忽略。因而，中国的科学研究以强调实验、观察与归纳，做为主要的方法，而忽略了猜想与思辨的过程。

虽然科学与物质的自然界紧密联系，科学描述物质的自然界，然而它其实是自然界在人的头脑中引起的反应与印象。由头脑中的反应与印象出发，人以特定的语言描述表达自然，并预言自然界的变化和现象，如果预言是正确的，这种描述与表达便成为科学。

在科学的早期阶段，猜想、推理与思辨的过程才是主要的研究方法。并且在科学发展的整个历史中，这种方法始终是产生新的科学理论的主要手段。越是大的科学飞跃，越是大的对旧理论的突破，越是需要依靠猜想来达到。

普朗克在发现黑体辐射定律的时候，能量的量子化分布正是出于猜想，并且也只能出于猜想，才能得到。通过能量的量子化分布猜想，普朗克得到了正确的黑体辐射定律。

一种科学理论，首先是人类的大脑与心灵对外界的感知与思辨，而后才是上升到逻辑上无矛盾的解释。人是自然界的一部分。当人试图去认识自然的时候，人是在用自己的心与脑去感知自然。这个过程从人的行为来讲，是由心与脑出发，因而起始的出发点是唯心的。当这个观察与思辨的人得到了一点想法或一个观点，他要努力修改完善他的想法和观点，尽力使它符合自然界的现象。这时候，这人是在将他的想法去符合自然，他的目标是唯物的。因此，科学的发现过程是由唯心的思辨为起始，达到唯物的结论为目的。

这样说是要表明，并不是因为人用心思考，就是唯心。而是因为新的思想、观点、理论与规律在最初在一个人的脑中出现时，并没有经过检验，而只是出自一种模糊的猜测与假想。这样一个念头的产生，即是所谓“恍然大悟”或“茅塞顿开”的境界，似乎这是天外飞来的想法，其实是长期思考的结果。无数种可能都被反复斟酌过，又被否定。这一瞬间的想法，来自于被否定的种种想法之外的一种考虑。似乎是偶然得到，实际上是考虑了无数种不可能之后，大脑最后想到的一种可能性。这种可能性将要受到实验或观测的验证，验证结果将会表明，这种可能的诠释、理论或规律是否正确的阐述了自然。

人类对大自然的探索有无界限？在物理学领域，原子的基本构成成分质子、中子与电子清楚之后，更小更基本的组成成分是什么？弦理论被多数人看好。在宏观方向，大爆炸成为多数人接受的宇宙模型。然而这两者目前都遇到了似乎是难以克服的困难。

为了使理论上的假说在逻辑上能够自圆其说，提出者可能会提出另外一个或几个假设来支持他的假说。爱因斯坦为了研究宇宙，提出有限无界的宇宙模型，所谓在四维空间中的三维闭合空间就是一种假设，因而其宇宙模型不能成立。我们实际的物质空间只能是三维的^①，更高维的空间只是数学中的概念，并不能将其当作真实的物理概念随意应用。同样，在微观领域设想更高维（达11维）的弦论模型也只能停留在假说的阶段^②，人类无法产生11维的空间来检验其正确性。

一个理论猜想或假说如果能够不用更多的假说来支持它，而是应用了已经确立的科学理论或定律来作为其成立的基础，那么这个猜想或假说的真伪就易于检验，只要其逻辑性不出问题，其为真的可能性就会大得多。

在微观方向，测不准原理设置了人们观测事物能力的界限。科学是对客观世界的诠释。在人类接触的客观世界里，物质存在的最小粒子是质子、中子与电子。在客观存在的领域之外，试图再用科学的方法去研究物质的组成，已非人力所能为。那里已是“后物理学”（metaphysics）的领域。

质子、中子与电子是持续存在的粒子，是原子的组成成分。当人们想要了解它们更微观的组成时，困难出现了。人们建造了巨大的设备让物质粒子相互撞击，以试图得到它们撞击产生的更基本的碎片粒子。虽然得到了一些结果，然而距离形成一个完整的理论似乎还很困难。于是有了弦理论的契机。但是，弦理论向假想的高维空间寻求解答似乎并不那么现实。真实的物理世界是三维的。高维空间只能存在于数学之中。

在微观世界，质量与能量已浑然成为一体。当粒子与粒子以极高的速度相撞时，它们携带的能量与它们自身一同产生碎片粒子，谁又能分清物质与能量。所以，解说物质基本粒子的理论首先应当产生于思考，而不是实验。

宏观方向方向的研究——宇宙学，似乎同样也面临困境，但也许是一个柳暗花明的转折点。

爱因斯坦应用其广义相对论研究宇宙，展示了人类的雄心。斯宾诺莎的自然神论赋予了宇宙以神性，神既是宇宙，宇宙既是神。以人力去探索神的秘密，岂不有些不自量力？在这一点上，爱因斯坦尚有一些自知之明。他将研究的宇宙设为有限的，得出了一个不稳定的宇宙模型。为了使其宇宙模型为静态稳定，他增加了一个宇宙常数。到此为止，他都是正确的，符合逻辑的。但是当哈勃的研究结果发表以后，爱因斯坦也动摇了。

起初爱因斯坦的有限宇宙模型不稳定自有其道理。在有限范围之内，星系的形成可以作为收缩的例子，而超新星爆发亦可作为膨胀的例子。当考虑到更大范围的有限宇宙，若只认为那就是宇宙的全部，自然收缩的可能性为大。如果考虑到宇宙的无限性，那有限宇宙模型之外的部分便会减弱乃至抵消其收缩的趋势，增加一个宇宙常数项是一个明智的行为。而当受到哈勃宇宙膨胀判断的影响，爱因斯坦迈向了错误的方向。他取消了其宇宙模型中的常数项，为了不引起矛盾，他断言其有限宇宙为四维空间中的三维闭合宇宙。但是，这与实际的情况不相符合，因为真实的宇宙空间并不存在第四维^①。

哈勃做出宇宙膨胀的判断是由于他用多普勒效应解释了他所观测到的距离——红移关系。哈勃这样做也是不得已而为之。第一，当时对于红移诠释的理论只有唯一的多普勒效应解释。兹威基的光疲老红移猜想也是在哈勃的结果发表以后几个月做出的。也许他已经看到或预感到多普勒红移诠释会导致的结果是荒谬而令人难以接受的。

第二，多普勒效应已经被应用来解释太阳系的运动，解释银河系的运动。将其应用于解释宇宙的运动似乎也可以。

第三，当时认为星系间的宇宙空间就是空无一物，没有什么可以与光发生作用。也是基于这一点，兹威基^③只能模糊地提出，宇宙中的某种作用使得光在其传播过程中能量减弱，产生了红移。之后的猜想也都是模糊而没有基于已有的物理学基础。

最近，邵明辉^④的研究阐明了兹威基提出的光疲老的产生的原因。光子在传播过程中，与宇宙空间的物质粒子（原子与分子）相互作用，在洛伦茨力作用下，光子能量降低，产生红移。由这一红移诠释，红移与距离并不直接相关，而是与光线在传播过程中遇到的物质粒子数有关。当宇宙空间中的物质粒子接近均匀分布时，红移值才与距离产生间接的近似相关关系，并且这种关系是非线性的关系。因为这时红移已非由天体的远离速度而产生，大爆炸假说的初始原因已不存在，宇宙是以稳定的状态存在。

新的红移诠释不但消除了宇宙大爆炸的起因，一些多普勒效应不能解释的现象也得到了合理的解释。如太阳日面由中心到边缘的红移变化，类星体的大红移都可以得到合理的解释。

一个稳定的宇宙应当是无限的，在时间上无始无终，在空间上无边无界。但是，人的观测能力是有限的。人对与宇宙的观测在目前来讲，主要是由星体的电磁辐射信号得到，由于红移的原因，当电磁辐射延展到射电波人类不可观测的程度时，那里就是人类可观测宇宙的边缘。

①《空间—从相对论到M理论的历史》，关洪著，清华大学出版社，2004年5月第一版。

②《物理学的困惑》，斯莫林著，李泳译，湖南科学技术出版社，2008年4月第一版。

③《On the red shift of spectral lines through interstellar space》,F. Zwicky, Proc. N.A.S. P773, Vol.15,1929.

④《The energy loss of photons and cosmological redshift》, MingHui Shao, Physics Essays P183, 26, 2, 2013.