《世界观》读书笔记 (三)

第三部分 科学及世界观的新近发展

第二十三章 狭义相对论

阿尔伯特·爱因斯坦（1879~1955）于1905年发表了狭义相对论，于1916年发表了广义相对论，前者仅仅适用于某些特殊情况，而后者可以广泛应用于各种情况。

绝对空间和绝对时间

• 静止长度为1米的金属棒如果运动起来，它的长度为多少？
  • 如果秉持绝对空间的观点，就会认为空间不会因为运动而缩小或扩大，会认为运动的金属棒还是1米长；
• 假设一对同卵双胞胎，同一时刻出生，如果你见到其中一个现在年龄是20岁，那另外一个是多少岁？
  • 如果秉持绝对时间的观点，就会认为不管在哪里，对谁来说，时间的流逝都是相等的；

狭义相对论概述

两个前提条件：

• 光速恒定原则：在真空中，光速的测量值总是相等；
• 相对性原则：
  • （粗略版）不存在一个优先视角来判定谁在运动而谁是静止的；
  • （严谨版）如果两个观察者在两个完全相同的实验室里，只是两个实验室相对于彼此在进行匀速直线运动（也就是既不加速也不减速），如果此时两个实验室里正在进行完全相同的实验，那么两个实验的结果将完全相同；

光速恒定原则和相对性原则会造成以下几个结果：

• 时间膨胀：运动时，时间流逝按以下比率变慢：

  $\sqrt{1-(\frac{v}{c})^2}$ ，洛伦兹-菲茨杰拉德方程式

• 长度收缩：运动时，长度按以下比率缩短：

  $\sqrt{1-(\frac{v}{c})^2}$

• 同时性的相对性：从一个正在运动的视角看来同时发生的事件，如果从一个静止的视角来看就不是同时发生的，快的时间如下：

  $\frac{lv}{c^2}$ , 其中l代表对移动观察者来说两块时钟之间的距离。（相对于运动方向来看，位置在后面的那块时钟，时间走的更快）

不可抗拒的为什么

我们大多数人一直认为自己关于时间和空间的某些常识性观点是显而易见的经验性事实，但其实都是错误的哲学性/概念性事实。

狭义相对论自相矛盾吗

用大卫·莫明在其著作《狭义相对论中的空间和时间》中所使用的方法来解释。

时空、不变量以及研究相对论的几何学方法

根据相对论，闵可夫斯基引入的“时空间隔”的属性是一个不变量属性，具体定义如下：

​ $s^2=c^2\Delta t^2-\Delta x^2-\Delta y^2-\Delta z^2$

第二十四章 广义相对论

基本原理

两个基本原理：

• 广义协变性原理：在任何参考系中，物理定律都是相同的。（爱因斯坦称其为“相对性的广义原理”）

  • 相对性原则从本质上说物理定律在所有惯性参考系中都是相同的，而广义协变性原理所表述的则是在所有参考系中，物理定律都是相同的。这就是广义相对论被认为是一个广义理论的原因。

• 等效原理：加速度产生的效果和重力产生的效果是无法进行区分的。

爱因斯坦场方程和广义相对论的预言

爱因斯坦场方程：

• 基本思路是这些方程式所得的解可以表明时间、空间和物质是如何影响的。举几个例子：
  • 其中一个解表明了当存在一个像太阳这样的物体时，空间和时间会受到什么样的影响；
  • 另一个解则表明了当一个大质量恒星坍缩形成一个密度非常大的残骸（比如黑洞）时，空间和时间会受到什么样的影响；

广义相对论的预言：

• 水星近日点近动现象
• 引力红移现象
• 当存在一个强引力场时（等价的说法是在一个正在加速的参考系中），时间流逝会变慢
• 大质量物体会导致时空曲率

哲学反思：广义相对论和重力

• 在广义相对论中，不受任何力作用的物体会沿最短路线（测地线）运动；
• 根据广义相对论，大质量物体会导致时空曲率，比如太阳，曲率之大会使火星运动所沿的测地线变成围绕太阳的一个椭圆形。换句话说，太阳和火星之间不存在吸引力，事实上，火星只是沿直线运动，但是由于时空曲率，这条直线变成了围绕太阳的一个椭圆形；
• 如果用现实主义态度对待物理学理论，就应该用现实主义态度对待相对论，而用工具主义态度对待牛顿理论；

第二十五章 量子理论的经验事实、数学方法和诠释概述

三个相关命题：

• 涉及“量子实体”的经验事实
• 量子理论本身，也就是量子理论的数学核心
• 与诠释量子理论有关的命题

事实、理论和诠释

对以上三个独立命题的区分：

• 量子事实：涉及量子实体的经验事实。

  • 包括以下方面：
    • 有关电子、中子、质子和其他亚原子粒子的实验结果；
    • 有关光子，也就是光线单元的实验结果；
    • 有关放射性衰变时释放出的粒子等的实验结果；
  • 量子事实不存在争议，但是如何诠释这些事实存在争议。（比如正常大小的物体是否应该被当做量子实体存在争议）

• 量子理论：量子理论的数学核心。

  • 到目前为止取得巨大成功；
  • 在过去70年中几乎从来没有发生过变化，也没有做出过不正确的预言；
  • 在预言和解释方面，可以说是我们所遇到过的的最成功的理论；

• 量子诠释：对量子理论的诠释。

  • 核心问题：什么样的现实可以既与量子事实和量子理论数学相一致，又可以导致这些量子事实

对现实事实的讨论：

• 波粒二象性
• 测量问题

量子理论数学概述

薛定谔方程

量子理论的诠释

• 哥本哈根诠释（标准诠释）
  • 投影假设，控制的通常所说的波函数的坍缩或衰减；
  • 两个问题：
    • 什么算是量子实体？
    • 什么算是测量？
  • “现实依赖测量”的几个版本
    • 温和派观点：只有基本粒子可以处于态叠加状态，而且几乎任何一种测量都足以使波函数坍缩。（微观效应）
    • 适度派观点：把所有物体都算作量子实体，任何一种测量都能使波函数坍缩，且在人或任何其他生物感知之前就产生坍缩。（宏观效应）
    • 激进派观点：现实依赖于意识。任何物体都算作量子实体，且只有人类的意识才能算作真正的测量。

• 隐变量诠释

  • 爱因斯坦实在论（已无法与新近发现的量子事实保持一致）
    • 量子实体的属性一直都存在，即使是在对这些属性测量之前；
    • 量子理论数学是不完整的，存在没有包含的“现实因素”；
  • 波姆实在论
    • 量子实体是粒子，受通常所说的引导波的作用影响；
    • 引导波具有超距作用，与相对论矛盾；

• 多世界诠释

• 关于量子理论诠释：
  • 对于诠释问题，秉持工具主义态度是很常见的；（在无法得出完备的现实主义诠释理论时，通常采用工具主义态度）
  • 量子理论不能与常识性的现实保持一致；
  • 当前每个关于量子理论的诠释都有某些方面不那么有说服力，不仅仅对哪个诠释是正确的不存在共识，甚至于哪个诠释更可取也没有共识。你更喜欢哪个诠释，说到底基本上是个审美问题。

第二十六章 量子理论与定域性：EPR、贝尔定理和阿斯派克特实验

主要目标：

• 理解关于量子理论的新近实验；
• 分析这些实验对我们看待现实的观点产生什么影响？

背景信息

• 这些新近实验被归类为量子事实；
• 这些量子事实与非定域有关；
• 通过研究“EPR/贝尔/阿斯派克特三部曲”来理解这些事实：
  • EPR思想实验（爱因斯坦、波多尔斯基、罗森，1935年）
  • 贝尔不等式（约翰·贝尔，1964年）
  • 阿莱恩·阿斯派克特实验（20世纪80年代早期）

ERP思想实验

• 孪生光子：具有相同极化属性的光子
• 实验内容：假设有这样两粒孪生光子，把它们分开，然后向两个设置在相反方向的极化探测器发射出去。两个探测器称为A和B，假设B和光子源之间的距离略大于A与光子源的距离。假设其中一个光子到达A处时，探测器探测到光子是上极化，我们可以知道，瞬间后，另一个光子到达B，也会被探测到为上极化。而在该光子到达B后，确实探测到它为上极化。
• ERP尝试推导出量子理论是不完整的：
  • 光子一定是先具有一个确定的极化，然后才被测量为具有这个极化属性；（1）
  • 而量子理论表达的，是在测量前这个极化属性并不能被确定；（2）

• 定域性假设：发生在一个地点的事件不能对发生在另一个地点的事件产生影响，除非两个地点之间存在某种联系和通信；（粗略版，定域性假设 => 命题1）

贝尔定理

贝尔不等式表明量子理论和定域性假设彼此不能保持一致，无法同时正确。

阿斯派克特实验

根据贝尔定理实施的实验，结果表明，量子理论被证明是对的。

定域性、非定域性和幽灵般超距作用

• 爱因斯坦定域性：发生在一个地点的事件，无法影响发生在超距处的另一个事件；

• 因果定域性：发生在一个地点的时间，不能对发生在超距处的另一个事件产生因果影响；

• 信息定域性：发生在一个地点的事件，不能用来向一个在远处的地点传递信息；

第二十七章 演化论概述

两个目标：

• 清晰理解演化论的基本内容；
• 理解演化论的发展过程；

演化论基本内容概述

• 演化的概念：随时间发生的变化，背后真正的含义是种群的连续代际中的变化。（这里的种群是个广泛的概念，包括非生物实体，比如汽车、电脑等）
• 演化的基本内容：
  • （可以传递给后代的）变化
  • 生存竞争（这将影响什么样的变化可以在后代上继续存在）
• 演化的范畴边界（是什么，不是什么）：
  • 目的论
    • 广为传播且最具误导性的错误概念：某些特性，比如智力、语言、工具的使用等，是“更高等“或”更好“的特性，因此演化过程将会产生具有这些特性的生物有机体。
    • 以上观点认为演化是一个以目标为导向的认识论的过程，实际上是在演化过程中，继承下来的特点刚好使得生物体得以生存和繁殖。
  • 概率
    • 另一个错误概念：演化是以概率为基础的。
    • 演化论认为，演化是一个概率与选择共同发挥作用的过程。（生存竞争，其实说的就是选择过程）
  • 演化论”只是一个理论“
    • 演化论并不是像”弦理论“那样，缺乏直接的实验数据支撑。相比之下，支持演化论的经验证据的力度非同一般，几乎可以算是现代科学所有观点中最强的。
  • 人类从类人猿演化而来
    • 正确的观点是现代人类和现代类人猿有共同的祖先。（约500万年）
    • 与和现代黑猩猩的关系相比，现代人类与其他许多物种的关系实际更近，比如尼安德特人（大多数古人类学者认为至少有其他四个物种的人类存在过，现代人类和他们的关系要比类人猿更近）

19世纪早期至今演化论的发展

两个代表人物，查尔斯·达尔文（1809-1882）和阿尔弗雷德·罗素·华莱士（1823-1913）

• 达尔文观点的发展

事件	时间
小猎犬号旅行	19世纪30年代早期
回英国整理笔记	19世纪30年代后半段
阅读马尔萨斯的《人口论》	19世纪30年代末
完成200页短著作来解释自己的核心观点	1844年
发表著作《论通过自然选择的物种起源》	1859年底

• 华莱士观点的发展

  • 1855年，发表短论文阐述”有机种群会随时间经历大量变化，而且新物种可能会出现“的观点。
  • 1858年年初航行中意识到”生存竞争“的概念，写出一篇短文解释其核心观点，同时把短文寄给了达尔文。
  • 1858年年底，华莱士的论文和达尔文1844年的手稿，以及新准备的一篇观点总述，共同在一个伦敦科学协会即将召开的会议上发表，是演化论核心观点首次公布于众。

• 同时期的一些主流观点

  • 融合遗传：核心观点是有机体的特定从一代传递到下一代涉及亲体特点的融合。比如父母一个很高，一个很矮，则子女将获得高矮融合的特点，通常会是中等个头。
  • 拉马克主义：一部分是关于后天习得特性的遗传。核心观点是如果有机体在其有生之年习得某种特性，这些后天特性会传给下一代。

• 孟德尔遗传学

  • 格力高·孟德尔（1822-1884）在1859年前后进行了一系列育种研究，其中重点关注一种特定的豌豆。
  • 研究结论表明：
    • 至少对某些特性来说，遗传并不是以融合方式发生。相反，至少某些特性需要经由某种遗传单元才能传递到后代，而这种单元在从亲体传递到后代时保持不变。（这些单元就是后来所说的基因）
    • 至少对某些特性来说，就其中每一个特性而言，后代都是从两个亲体分别继承了一个单元。
    • 至少对某些特性来说，即使后代没有表现出亲体所具有的这些特性，但这些特性仍然可以出现在后续世代上。

• 20世纪演化论的发展

  • 渐进主义VS突变主义：
    • 渐进主义认为自然选择是演化背后的主要推动力量，认为演化是通过微小变化缓慢累积而发生的。
    • 突变主义认为演化一定是间断的、以大幅不连续的跳跃形式发生的。
  • 现代综合论
    • 罗纳德·费希尔1930年出版了《自然选择的遗传理论》，阐明孟德尔遗传学与”自然选择是演化背后的主要机制“的观点是一致的。
  • 群体遗传学
    • 关注饲养有机体的遗传组成，特别是群体中基因分布会如何随时间发生改变，也就是群体如何演化
    • 四种推动演化的因素：
      • 自然选择：演化发生的基本机制。
      • 遗传漂变：群体基因组成由于随机事件而产生的变化。（如小行星撞击地球导致恐龙群体灭绝）
      • 基因流动：群体基因组成由于迁徙而发生变化。
      • 基因突变：由辐射和影响DNA的化学制品等因素造成的DNA改变所导致的变化。
  • 遗传学物理基础研究
    • 染色体
    • DNA
    • 蛋白质编码
    • 限制酶

注：演化（evolution），本意为随时间发生变化，又译作”进化“。在本书中，作者认为变化没有高低之分，而人类也只是世界上现有上千万物种中的一种，故译为”演化“。

第二十八章 演化的哲学与概念影响

对宗教的影响

• 学者阵营（丹尼尔·丹尼特、理查德·道金斯、爱德华·威尔逊、史蒂文·温伯格等）

  • 严肃对待演化论和整个自然科学，就没有给西方世界关于上帝的传统观点或类似观点留下余地。
  • 宇宙起源、生命发展，以及包括具体事件的发展走向在内的宇宙日常运转问题，都是经验命题。
  • 演化论在任何字面意义上都和”人类是特别的“这一观点不一致。

• 其他观点

  • 约翰·霍特：认为上帝在开始创造宇宙之后不就就完成了工作，随后世界变成了一个试验场。
  • 阿弗烈·诺夫·怀海德的过程哲学
  • 德·夏尔丹的过程神学

• 类比伽利略和贝拉明之间的争论

道德观与伦理学

伦理学的两个领域：

• 规范伦理学：主要关注伦理规范，也就是人们该如何行事。
• 元伦理学：关注一些有关伦理学更宽泛的问题，比如什么样的表达才是道德表达。

合作和利他行为的演化

• 亲缘利他主义
• 互惠利他主义
• 囚徒困境
• 最后通牒博弈
• 信任博弈

演化与规范伦理学：

• 自然主义谬误
• 霍特：演化为规范伦理学提供了基础
• 鲁斯和威尔逊：规范伦理学是演化遗传的一个错觉

第二十九章 世界观：总结思考

概述

关于世界的隐喻：

• 亚里士多德世界观：世界是一个有机体
• 牛顿世界观：世界是一台机器

对相对论的思考

人们常把哲学性/概念性事实当做经验性事实

对量子理论的思考

是否能坚持”宏观世界的物体按照牛顿世界观中机械的方式来运动”的观点？

物理学家已经成功表明，在实体尺寸更大、距离更远的情况下，贝尔影响也存在。

对演化论的思考

演化论否定了“人类很特殊”的观点，我们必须接受人类是一个自然过程，而非超自然过程的结果。

《世界观》思维脑图