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《漫话星空》
万物本原
风起天阑    来源社团:浙江理工大学科普协会...
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先看评语
· 本文作者想介绍天文学发展历程及相关知识、古今中外科学大师的主要科学成就特别是与天文学相关的成就的意愿非常强烈,而且努力用通俗易懂的语言来阐述,这些都很值得肯定。由于太想全面、系统地进行介绍,似乎忘了这是写给谁看的,重点内容、主线、主要的读者对象都不够突出。对古代的科学大师及相关成就介绍的篇幅在全文中占的比例也偏大了。 · 一篇主要介绍太空观测历史的科普文章,开头用FAST引出现在人对宇宙的观测,然后追逐人类的对于宇宙观测的历史。文中科普了很多古代天文学家和一些古人对于宇宙认知的理论。文字通俗易懂,传达的科学信息也基本正确,是篇还不错的科普文章。 · 作者用朴实流畅的语言,介绍了近7000年天文学发展史上走在前列的科学家、哲学家,以及他们的科学精神、科学思想和方法,同时用大量的篇幅介绍了关于时空的测量、万物本原、浑天说、日心说、恒星的演化、大爆炸宇宙论等等理论,并在描述时融入自己的思考。可以看出,作者在写作之前做了大量功课,是下了一番功夫的。 但是,作为科普文章,“漫话星空”这个标题太大,作者希望读者籍此文了解星空的方方面面,却恰恰失去了重点,给人感觉是泛泛而谈。若不是星空迷,这长篇大论的,很难一口气读完。话说回来,若是星空迷的话,这些知识恐怕早已了解。 建议作者在今后创作科普文章时,选取一两个科普点,用细节、用人物、用故事去阐述。 · 科学史是科普的宝库,也是科普创作值得推荐的起步经验。由在校大四学生撰写的《漫话星空》,体现了作者对与天文学史掌握的全面性。古代天文学研究最重要的使命是确定时间和空间,在时空测量方面,作者讲述了古希腊时期和中国古代如何测量大地形状、研究尼罗河泛滥、十二星座、圭表测影、测量地球周长等;在宇宙的组成方面,从古希腊哲学家朴素的四元素论,逐渐发展到原子学说和元素周期表的出现;在宇宙观方面,讲述了中国古代的盖天说、西方的地心说、日心说,再到现在的宇宙大爆炸理论。作者对这些从古到今的科学史娓娓道来,传递出科学并非真理,而是不断更新、不断演化的认知过程。本文的一个特色是,多处恰到好处地引用了南仁东、爱因斯坦等中外科学家的经典语句,为本文增设不少。

在近代,西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础的,那就是:古希腊哲学家发明的形式逻辑体系,以及通过系统的实验发现有可能找出因果关系。

                                                                                          ——《爱因斯坦文集》第1卷

接着上一章的末尾,我们继续说说古希腊的故事。其实在古代,单凭能够清楚的认识到“大地为球形”,就已经相当了不起了。但是希腊人并没有满足于这一点,至少埃拉托色尼之前的希腊人并没有满足。在科学史上,古希腊被誉为科学的发源地,古希腊人创造了举世夺目的希腊文明,不仅仅体现在科学上,还体现在民主政治上。

在公元前800年左右,在当时的希腊就已经形成了众多的城邦国家,其中著名的有雅典、斯巴达等。希腊的城邦国家独立自治,拥有大批的公民,这些公民在城邦里享有绝对的自由,并且可以参与国家大事的讨论和制定。希腊人建立了奴隶主民主制度,公民可以拥有奴隶,奴隶进行劳作,这样公民就更加的自由,不必为了生计而操劳,就可以有更多的时间做自己想做的事情。自由、空闲,希腊人就能够安心的去搞科学,去探索自然。

四种“元素”的对撞

希腊人没有安于衣食住行无忧的现状,在当时,古巴比伦和古埃及的文明及科学已经相当辉煌,但是很明显,它们已经步入“晚年”。“年轻”的希腊人从巴比伦和埃及学到了天文学、几何学等知识,他们惊讶地发现在自己的文明中还不曾有这些。面对自己的无知,他们如饥似渴地学习,终于有一天,在通往知识的楼梯上,他们站在和巴比伦、埃及一样的台阶,再往前一步,他们思考了别人没有想过的问题。

宇宙万物的本原是什么?

这是个具有永恒意义的问题,如果我们能够洞悉世界万物,我们就能知道:我们因何而存在。对于这一问题的解答,希腊人明显的挣脱掉了迷信和伪科学的枷锁,摆脱了非自然因素,开始理性的、好奇的去看待事物的真相。理性精神,这一最基本的科学精神,就是从希腊人对万物本原的探讨中发源的。

最先向这个问题发起挑战的是泰勒斯。他早年曾游历埃及和巴比伦,学习观测日食、月食和土地测量等知识,回到希腊后,他创立了米利都学派,带着他的弟子们研究哲学、天文学、数学,他几乎是有史以来记载的第一位科学家,又被尊为“科学和哲学之祖”。

泰勒斯

                                                              图3.1 泰勒斯

泰勒斯从小生活在海边,在他看来,海洋是水组成的,万物生长离不开水,人的血液和身体里也充满了水的成分。他通过观察发现,水可以聚集成流动的液体,也可以凝聚成固体的冰。在太阳的照射之下,水可以蒸发到空中变成云,云又可以化作雨水,重新回到大地和海洋。这使他觉得甚至地球都是由水构成的,于是,针对万物本原的问题,他提出了“万物源于水”的解答。这是历史上第一个不带神话色彩的万物本原学说,他没有去讨教占星术士和宗教人士的说法,而是自己从客观存在的事物的运行规律中、从各种事物的表面现象的多样性之中做了理性的思考,目的在于寻求其背后的统一性。

但是这种思考仅仅是一种猜测,是带有主观色彩的、没有进行严格科学分析的。泰勒斯意识到了水的重要性,而没有认识到其他一些物质对人、对其他生物同样重要。这也就导致了后人提出了各种不同“元素”的万物本原学说。比如:在他之后的阿那克西米尼认为万物源于气,齐诺弗尼斯认为万物源于土,赫拉克利特认为万物源于火。再到后来,恩培多克勒干脆把水、气、土、火融合在一起,提出“四元素说”,他认为火比空气要稀薄,气分散可以转化为火,气凝聚可以转化为水,水凝聚能转化为土(难道是冰的转化物?),它们之间按照一定的比例相互转化、组合,就构成了世间万物。

赫拉克利特

                                                           图3.2 赫拉克利特

细细想来,这个“四元素说”似乎还是有一点道理的,但是我们不能简单的把世间的一切都归为这四种物质。在今天我们知道,土是固体、水是液体、气是气体,而火是一种物质燃烧的现象,怀着一种怀疑、批判的眼光,重新审视“四元素说”,世间万物在宏观上无外乎固、液、气三种状态,而火可以归结为一种特殊现象。从这个角度解读“四元素说”,宏观上,倒可以认为万物是由固、液、气三态以及一些特殊现象(比如燃烧)构成的。

万物皆数

毕达哥拉斯学派的人研究数学,首先把数学引入希腊。由于研究数学,他们认为研究数学原则是一切事物的原则。因此,数按其本性来说是第一性的。在他们看来,在数中,要比火、土、水中更能看到一切存在和变化之物共同的东西,更能看出,哪种数是“正义的”,哪种数是精神、心灵,哪种是“合时的”,等等。同时,他们在数的和谐中,看到逻辑规律(特性),因为他们认为,一切别的事物的本性都是由数造成的,因而数在一切本性中是第一位的,他们认为数的原素就是一切事物的原素,一切天体也是和谐的数。”

                                                                                           ——亚里士多德《形而上学》

你听说过毕达哥拉斯定理(简称“毕氏定理”)吗?毕氏定理是几何学中的一个基本定理,指直角三角形的两条直角边的平方和等于斜边的平方,即a²+b²=c²。听着很熟悉?在中国,它叫做勾股定理,几乎每个人在小学或中学时都学过勾股定理。在商朝时期,商高就曾提出过“勾三股四玄五”的勾股特例,这个定理也出现在公元1世纪前后的《九章算术》书中。在西方,这个定理最初是毕达哥拉斯提出来的。

毕达哥拉斯

                                                            图3.3 毕达哥拉斯

毕达哥拉斯年轻时曾师从泰勒斯的徒弟阿那克西曼德,后来和他的师祖一样去游学埃及和巴比伦,并创立了毕达哥拉斯学派。这个学派痴迷于对数学的研究,提出了异于他人的万物本原学说,他并没有把万物本原归为“某些具有固定形体的东西”,而认为:数是万物本原,数生万物,数的规律统治万物。乍一听,这太离谱了,上面说的“四元素说”就已经是错误的了,这个猜想岂不更是错误的?

毕达哥拉斯并没有考虑这些,他认为数可要比火、气、土、水更能解释世间万物的运行呢!数是简约的、和谐的,通过这种简单的数可以更好的解释事物的复杂性、世界的多样性。他努力去寻求着事物中的数量关系,在他看来,音乐是最能体现这种数量关系的事物。

古希腊时期的音乐家

                                                      图3.4 古希腊时期的音乐家

在古希腊,音乐和天文、几何、算术一起并称“四艺”,毕达哥拉斯也擅长音乐,他演奏的乐器是里拉琴,在研究琴弦的长度和音律的关系时,他发现在相同张力情况下,当两弦长比为2:1时,两能产生谐音,当两弦长比为3:2时,不能产生谐音。当弦长成简单的整数比时音调才能和谐。在此基础上,毕达哥拉斯把音乐的和谐与宇宙的和谐秩序相对应,他认为围绕宇宙中心旋转的各种天体的距离是成比例的,不同天体的大小和运行速度也是成比例的。这也是他“数是万物本原”思想的产生源泉。

随着“数是万物本原”思想被学派中每个人所接受,他们就开始在数学的领域里施展拳脚了。今天看来,他们最突出的贡献莫过于毕氏定理的证明和根号2的发现。遗憾的是,关于毕氏定理的证明过程没有流传下来,但据说是毕达哥拉斯在观察地板上的方形图案时,发现以直角三角形斜边长为边长的正方形面积正好等于以两条直角边长为边长的正方形面积的总和。或许在对周围事物的观察之中,确实能够得出我们想要的描述事物一般特征的结论呢!

毕达哥拉斯定理的证明图

                                                   图3.5 毕达哥拉斯定理的证明图

注1:如图所示,假设每个小正方形的边长是1 ,那正方形A的边长a为3 ,面积为9 ;正方形B的边长b为3 ,面积为9 ;正方形C的面积为18 ,边长为c;由此可得C的面积为A和B之和。又因为图中三角形的边长为a、b、c,所以可得a²+b²=c²。

相传在毕达哥拉斯定理提出后,其学派中一个学徒——希帕索斯有了疑问:边长为1的正方形其对角线长度是多少呢?他发现这一长度既不能用整数、也不能用分数表示,而只能用一个“新数”来表示。这在学派中引起了不小的轰动,对角线长度竟不能用整数或分数表示,那我们“万物皆数”的信仰还是真理么?事实上,这就导致了数学史上第一个无理数根号2的诞生。为了不让这个发现泄露出去,学派将希帕索斯扔进了大海,并下令让所有人保守秘密。但最终这个发现还是被传播开来。

看来,毕达哥拉斯学派太注重数的简约、和谐了,以至于他们无法接受无理数的存在。这件事在当时导致了人们对于数的认识上的危机(史称“第一次数学危机”),从那之后,希腊人很少再去研究数学中的算术知识了,而更加注重几何方面的知识,比如形体关系。或许正是由于这个原因才促进了希腊几何学的发展。

毕达哥拉斯“数是万物本原”的思想随着根号2的出现也渐渐地变得不重要了,但是他的“数是简约的、和谐的”原则却深深影响了数代科学家,吸引着他们用数的尺度来解释宇宙。最具代表性的当属开普勒(详情见第六章)和爱因斯坦。爱因斯坦曾坚信:科学的美感胜于事实。他认为科学理论要具有完美的形式,要简洁精炼,要与有秩序的、和谐的客观世界相适应。他的质能方程:E=mc² ——描述宇宙间质量和能量的转化关系——就是极富科学美感标准的方程之一。在当代,一些科学家致力于用一个方程来描述自然界的所有已知力,构建大一统理论(科学终极理论),也能够清晰的看到毕达哥拉斯学派思想的影子。

原子的世界

水、土、气、火、数都是我们能够感知或表达出来的事物。但如果万物的本来面目是我们不能感知的呢?

在公元前400年前,古希腊的留基伯和德谟克利特另辟蹊径,发展出原子论学说。他们认为世界万物是由无数细小、不可再分的微粒构成的,这种微粒叫做原子;原子存在于虚空(空虚的空间,这里指承载原子的空间)之中,既不能创生,也不能毁灭,它们在无限的虚空中运动;宇宙空间中除了原子和虚空之外,什么都没有。

德谟克利特

                                                           图3.6 德谟克利特

很有意思!这里的原子细小的看不到、摸不着,德谟克利特认为原子的外形和大小不同,例如水原子圆润光滑、土原子粗糙不平,他们按照不同的比例相结合就能构成我们所看到的世间万物。人是由原子构成的,水是由原子构成的,天上的星星也是有原子构成的。

在古希腊所有关于万物本原的学说中,原子论是最接近于近现代科学关于宇宙万物构成的研究的学说。但是原子论终究是思维臆想出来的,它发展到了柏拉图和亚里士多德那个年代便中途夭折了,主要是因为这两位大哲学家都不赞成原子论,毕竟他们的言论和思想在当时是最具权威的。

在此后漫长的两千多年时间中,原子论学说基本上只在牛顿对“光是微粒构成的”这一假说做辩护时派上了它科学性的一面的用场。1808年,英国科学家道尔顿建立了以实验为基础的科学的原子论学说,他在继承了原子不可再分的说法之后,明确指出了原子是构成元素的最小成分,原子具有重量,并用化学方法测定了元素的原子量。同时他指出化合物是由原子或原子组成的分子构成的,原子在构成化合物时性质保持不变;同种元素的原子的形状、性质、大小和重量相同,异种元素的原子则不同。

道尔顿

                                                              图3.7 道尔顿

道尔顿的原子论具有里程碑式的意义,在他之后,分子学说、化学结构理论、元素周期律等学说都是在原子论的基础上形成和发展起来的。但是道尔顿原子论也有它致命的缺陷,它仍然认为原子不可再分,单从这一点,他就没有摆脱德谟克利特原子论的束缚。随着现代物理学的发展,在19世纪末,X射线、电子和天然放射性元素的发现彻底击垮了“原子不可再分”的传统观念,打开了原子世界的大门。

α粒子散射实验

                                                     图3.8 α粒子散射的实验

1911年,英国物理学家卢瑟福做了一个名为α粒子散射的实验,他发现α粒子穿透金箔(轰击原子)时,大部分粒子可以穿透金箔或偏转一个很小的角度,少量粒子发生很大偏转,有约1/8000的粒子偏转反弹。在此基础上,他提出了有核原子模型:原子是由原子核和核外电子构成的,在原子中心的原子核只占有原子空间的非常小的一部分,但却包含了原子的几乎全部质量。这是一个全新的原子图像,人们可以利用它来说明各种有原子引起的不同的现象。

原子简易结构图

                                                        图3.9 原子简易结构图

尽管已经有像道尔顿、卢瑟福一样的科学家做出了很大的努力,但是原子论发展到今天仍然没有到达尽头。在今天,我们知道原子不仅可以再分,甚至原子核还是可以再分的,原子核是由质子和中子构成的。那质子和中子是否还能再分呢?当然可以。他们是由夸克构成的。但是我们却无法知道夸克是否还可再分,因为我们至今还没有分离出一个单一夸克。我们只能证明夸克的存在,却无法看到它。

在21世纪,当我们再去探讨万物的本原问题时,不妨给出如下答案:一是宇宙万物是由元素周期表中的100多种元素(至2016年已发现第119号元素)构成的;二是由100多种基本粒子构成的,比如夸克、电子、质子,又比如希格斯玻色子(又名“上帝粒子”,2013年被欧洲核子中心发现)、马约拉纳费米子(又名“天使粒子”,2017年被张首晟团队发现)等。前者在相对宏观的意义上去揭示自然界物质的基本构成的,后者在相对微观的意义上揭示物质更加具体的微观结构。虽然这两种解释都没有完全发展成熟,但我想在今天,在人类漫长的找寻宇宙万物本原的历程中,用这两种答案来解答,再合适不过了。

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                                                         图3.10 元素周期表

关于“万物本原”的讨论就告一段落吧!


附录:

下面来探讨下哲学与科学的关系。不知道大家在读完之后对古希腊万物本原学说的发展有了哪些清晰的认识。我认为,首先,我们应该了解到希腊人是在自由、好奇的视野下去探索自然的;其次,我们应该认识到希腊人所发展的学说并不能科学的来解释宇宙和自然界,这是最重要的一点。

其实古希腊的科学家们并不能因为希腊是科学的发源地就可称为完全意义上的科学家,他们更应该被称为自然哲学家,他们在总体上虽然抱着理性精神在探索自然,但是他们缺乏实验精神,他们以自己的直觉和思辨能力、更多的以哲学的视角来看待自然(这从四元素说、“万物皆数”的学说中就可以看出),而没有用科学的方法来分析、看待自然,尽管科学的逻辑方法、数学方法在当时已经有所成型。

古希腊的科学可以称为自然哲学,在现在一些学者看来它并不能称为是科学。因为它与近现代以来形成的科学传统并不一样。近代以来的自然科学是一种实验科学,实验方法得以确立,以实验事实为依据并对实验事实加以检验,确证无误后才形成科学的理论。实验是科学的认识基础。从这之后,自然科学与自然哲学真正的分离开来,仅仅以直觉思辨为基础的研究不再适用于科学理论的发现过程。

所以,你会发现,在任何一所大学,甚至在中小学,都会看到数量众多的实验室,在实验室中动手做实验,不仅可以定性的来描述我们所研究的事物,还能定量的去分析这种事物或者其与其他事物之间的关系。但是你还需要记住,实验本身也是有缺陷的,有时候你并不能研究具体事物的本身,而只能用一个模型来代替它,通过研究模型来了解这个事物,那你所研究的,最终就要回归到自然界中去了!

-完-
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本文作者想介绍天文学发展历程及相关知识、古今中外科学大师的主要科学成就特别是与天文学相关的成就的意愿非常强烈,而且努力用通俗易懂的语言来阐述,这些都很值得肯定。由于太想全面、系统地进行介绍,似乎忘了这是写给谁看的,重点内容、主线、主要的读者对象都不够突出。对古代的科学大师及相关成就介绍的篇幅在全文中占的比例也偏大了。

2018-01-24 15:18 匿名 ——

一篇主要介绍太空观测历史的科普文章,开头用FAST引出现在人对宇宙的观测,然后追逐人类的对于宇宙观测的历史。文中科普了很多古代天文学家和一些古人对于宇宙认知的理论。文字通俗易懂,传达的科学信息也基本正确,是篇还不错的科普文章。

2018-01-25 14:49 匿名 ——

作者用朴实流畅的语言,介绍了近7000年天文学发展史上走在前列的科学家、哲学家,以及他们的科学精神、科学思想和方法,同时用大量的篇幅介绍了关于时空的测量、万物本原、浑天说、日心说、恒星的演化、大爆炸宇宙论等等理论,并在描述时融入自己的思考。可以看出,作者在写作之前做了大量功课,是下了一番功夫的。 但是,作为科普文章,“漫话星空”这个标题太大,作者希望读者籍此文了解星空的方方面面,却恰恰失去了重点,给人感觉是泛泛而谈。若不是星空迷,这长篇大论的,很难一口气读完。话说回来,若是星空迷的话,这些知识恐怕早已了解。 建议作者在今后创作科普文章时,选取一两个科普点,用细节、用人物、用故事去阐述。

2018-01-28 20:50 匿名 ——

科学史是科普的宝库,也是科普创作值得推荐的起步经验。由在校大四学生撰写的《漫话星空》,体现了作者对与天文学史掌握的全面性。古代天文学研究最重要的使命是确定时间和空间,在时空测量方面,作者讲述了古希腊时期和中国古代如何测量大地形状、研究尼罗河泛滥、十二星座、圭表测影、测量地球周长等;在宇宙的组成方面,从古希腊哲学家朴素的四元素论,逐渐发展到原子学说和元素周期表的出现;在宇宙观方面,讲述了中国古代的盖天说、西方的地心说、日心说,再到现在的宇宙大爆炸理论。作者对这些从古到今的科学史娓娓道来,传递出科学并非真理,而是不断更新、不断演化的认知过程。本文的一个特色是,多处恰到好处地引用了南仁东、爱因斯坦等中外科学家的经典语句,为本文增设不少。

2018-02-08 23:46 匿名 ——

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