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思维简史(一)——论春秋时代的现代物理学研究

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2020-2-21 10:38:48 显示全部楼层 |阅读模式

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      总想为人类史上那些纯粹的思想者立传,正是他们,用智慧之笔描绘出自然界的深层规律,超越了技术和时代的限制,为人类文明点亮了前行的道路,比如达尔文的生物进化论,告诉了我们从哪里来;又比如爱因斯坦的相对论,告诉了我们,物质,运动与时空是一个相互牵连的整体,而普朗克常量又为我们揭开了微观世界充满波动和不确定性的一面……,对这些创造性猜想的验证与运用,极大的推动了人类文明的发展,而这种预言性质思想的起源在哪里,是否还有更多类似的预言等待我们去一一证实呢?带着这个问题,我们开始了本文富有开创性的探索。
序章—现代物理学与老庄哲学的联系
       日本著名物理学家,诺贝尔物理学奖获得者,汤川秀树在回顾自己漫长的物理学研究生涯时曾说:“与其他物理学家不同,长年累月吸引我,对我影响最大的是老庄思想,这虽然是一种东方哲学思维,但是当我思考物理学问题时,却不知不觉地进入其中”,这句话并非随口一说,汤川秀树最重要的贡献在于,发现核子之间是通过介子来传递强相互作用力,这个模型与道德经中,“万物负阴而抱阳,冲气以为和”的见解何其一致,介子不正是在看似空旷的核子之间起到沟通有无,传递力场的作用吗,虽然只是一个简单的类比,却可以看出,千年以前的朴素道家思想对于微观世界的规律也是有着极大的包容性,甚至具有某种启发价值。现在我们不妨以物理的眼光来重读道家经典,看看会从中找到哪些有益的启示。
庄子
       庄子是春秋时代最为杰出的思想家之一,他最为著名的篇章就是《逍遥游》,顾名思义,游,就是旅行,我们可以猜想,逍遥游其实就是讨论空间自由旅行技术的文章,在这篇文章中,庄子用近半数的理论篇幅阐述了广义相对论的核心思想,甚至非常认真的讨论了弦理论的模型,在那些看似天马星空,恢弘磅礴的想象中,还预言了空间旅行的交通工具——空天飞机,一篇文章中,将现代物理学的三大基石阐述了二个。而有些预言的细节太过于准确,以至于我读书的时候,曾经深深的怀疑过,庄子是不是亲眼见过那些现在才有的航天机器?那么就让我们一道跟随庄子的思想,去进行一场华丽的空间旅行吧:
逍遥游,请认准鲲鹏级空天飞机
      要进行空间自由行,首先得有交通工具,牛车肯定不行,庄子就设想了一种高大上的交通工具,逍遥游开篇就说:“北冥有鱼, 其名为鲲。 鲲之大, 不知其几千里也; 化而为鸟, 其名为鹏。 ”也就是说,这种交通工具上天能飞,下海能游,在天上像大鸟叫做鹏,在海里像大鱼叫做鲲,时间是检验真理的唯一标准,我不知道周天子治下的人们是怎么理解这些看似发疯的文字,但是在庄子出生2千多年以后,美国人就发明了这么一个可以上天下海,兼具两种形态的东西,他们叫做航天飞机(Space Shuttle),在天上飞的时候是飞机(plane),像大鸟,到了太空中航行的时候,就成了宇宙飞船形态(spaceship),那不就是大鱼嘛,春秋时代当然不可能有航天飞机这种词汇存在,所以庄子只能用鹏和鲲两种东西来表示交通工具的样子。总之庄子同学的第一个预言蒙对,高考可以考虑加分,但是等一下,也有可能是庄子真的见过航天飞机,不然怎么连航天飞机起飞时喷出的烟雾都写得那么详细:“鹏之徙于南冥也, 水击三千里, 抟扶摇而上者九万里”估计还是从水上起飞的,这货完全是在开挂,不过这也启示了我们,为了纪念庄子的预言,可以考虑把中国第一艘空天飞机命名为鲲鹏号。
(空天飞机是具有飞船和飞机双重属性的旅行工具)
一 .质量可以扭曲空间,质量越大扭曲程度越大
庄子牛掰的地方在于,他不仅仅是随便抛出几个概念来忽悠人,他也知道这么超前的概念估计连自己的老婆孩子都不会相信,因此他详尽地讨论了这些时空旅行的物理基础,来证明自己并不是胡编乱造,而是真的懂得这个世界是怎么回事,庄子认为,有质量的物体可以扰动附近的时空,为了解释这个观点,他提出了一个模型:“且夫水之积也不厚,则其负大舟也无力。覆杯水于坳堂之上,则芥为之舟;置杯焉则胶,水浅而舟大也”,这段话可以理解为:如果把水看成一个载体,也就是三维空间,把一个质量很轻的东西,比如芥放上去,对这个载体没什么影响,水还是平坦光滑,可以自由流动的,但是如果放一个较重的东西,比如杯子,情况就不同了,由于杯子的质量使得水面的平滑性被破坏,杯子把水面压下去了,水也就相对凝滞了,也可以理解成空间的流动速度减慢了,这与二千多年后,爱因斯坦根据黎曼几何提出的广义相对论模型中,质量影响时空均匀分布,并且使得周围的光速变慢的模型完全一致。
(如下图,具有大质量的物体让周围的时空变得扭曲,就类似于杯子放在水洼里面,让液面凹下去的模型)

高速运动与质量效应是等价的,都可以扭曲空间
       紧接着,庄子敏锐地指出,质量与速度在扭曲空间的效果上是等价的 “风之积也不厚,则其负大翼也无力,故九万里则风斯在下矣。而后乃今培风,背负青天而莫之夭阏,而后乃今将图南”意思是说,对于那些高速运动的物体,比如说以接近光速飞行的鹏或者空天飞机,他们似乎让周围的空间密度增加了,否则就无法维持高速运动,似乎空间在向这些物体聚拢弯曲。对比上文,我们可以很明显的看出,庄子认为杯子对水面光滑性的破坏与高速运动的飞船对于空间的均匀性的破坏是等价的,水与风一样,都是物质的载体,也就是空间,在不同质量(速度)的物体周围,空间的扭曲程度也不同,用物理语言描述就是,拥有质量的物体可以破坏空间分布的均匀性,同样的,加速运动的物体,也可以破坏空间分布的均匀性,物体的速度越快,那么附近的空间就越不均匀。
在不同的地方,时间的流逝速度,并不是相同的
和爱因斯坦的天才想法一样,庄子也认为,时间与空间、质量三者是相互关联的,在《逍遥游》接下来的文章中,庄子继续写道:“…朝菌不知晦朔,蟪蛄不知春秋…上古有大椿者,以八千岁为春,以八千岁为秋…”,这里大椿可以理解为大树,也可以看成是质量非常大的物体,这似乎是在告诉我们,质量越大的物体,它身边的时间流逝速度,或者说生命周期变慢了,而按照广义相对论,在大质量物体附近,由于时空扭曲效应,光速减慢了,时间也相对其他地方变慢了,这种现象已经被当今无数的实验所证实了。结合上面质量扭曲空间的模型,庄子用了大量的比喻和篇幅,就为了向我们解释广义相对论的核心理论:大的质量扭曲了附近的时空,而高速运动的物体,也等效于拥有巨大质量。现在,庄子终于把质量,速度,时空统一在互相关联的框架之中。
二.对于大尺度的观察者而言,时空中的部分维度是隐藏的
      现在我们终于对逍遥游的主旨内容有了一定的了解,那就是讨论空间旅行的技术工具以及随之产生的相对论效应,但是朋友们,这仅仅是个开始,庄子并不满足于以相对论速度进行旅行,在接下来的文章里,庄子进一步地大胆提出,相对论也是有它的理论极限的,无论是拥有巨大的质量还是以很高的速度运动,都存在着无法突破的极限,庄子写道:“举世而誉之而不加劝,举世而非之而不加沮,定乎内外之分,辩乎荣辱之境,斯已矣。彼其于世,未数数然也。虽然,犹有未树也。夫列子御风而行,泠然善也,旬有五日而后反。彼于致福者,未数数然也。此虽免乎行,犹有所待者也”这段话中列举了两个不同的现象,一个是宋荣子,他的特点是知识广博,犹如一个拥有巨大质量惯性的物体一样,不会因为人们的赞誉或者毁谤改变自己的品德,另一个是列子,他的特点是可以御风而行,速度很快。可以看成一个是拥有精神上的巨大体积质量,另一个拥有高速运动的能力,按照一般人的观点,这两个人绝对是完美了,但是庄子的评价是,犹有所待者也,他们离真正的逍遥游还差的远着呢,庄子认为,世界上还存在着我们所看不见的其他维度,只有当我们认识到了所有这些维度,才能够达到真正逍遥旅行的目的。庄子写到:“若夫乘天地之正,而御六气之辩,以游无穷者,彼且恶乎待哉”这就是说,只有当我们解开,并且利用天地之正,六气之辩这七个隐藏维度属性,再加上三维空间一维时间,共计11个维度,才能真正达到来去自如的境界,才算是无所制约的逍遥游境界。历史又一次地产生了巧合,按照当代物理超弦M理论的模型,宇宙中共存在着11个维度,除了三维空间与时间这四个维度,其余的七个维度都被隐藏了起来,霍金认为借助三维空间之外的维度,也就是我们所说的高维虫洞进行旅行,我们是确实有可能达到超越光速的移动,比如在三维空间里,地球和室女座星云隔着几百万光年的距离,但借助高维虫洞,你或许可以发现穿越这个距离只需几小时,通过穿越虫洞,我们就可以在不违反自然规则的情况下“超越光速旅行”。接下来,庄子用一系列的日常比喻说明,在我们这些大尺度的观察者眼中,时空中的很多维度属性是看不见的:“尧让天下于许由,曰:“日月出矣,而爝火不息;其于光也,不亦难乎?时雨降矣,而犹浸灌;其于泽也,不亦劳乎?夫子立而天下治,而我犹尸之”这段话意思是说,对于习惯生活在日月光芒下的人们来说,蜡烛火把的光芒被淹没,隐藏起来了,对于沐浴在雨水之中的树木而言,灌溉这个功能被隐藏起来了,对于被许由的高尚道德感化的人们来说,我尧的统治作用几乎已经被隐藏起来了。用物理的语言描述就是,在我们的日常生活中,很难感觉到空间的其他维度,但是随着高能物理学以及弦理论的发展,我们或许可以在未来解开更多的维度,从而建立更为统一完美的物理理论,也帮助我们真正实现庄子的逍遥游。


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 楼主| 2020-2-21 10:39:16 显示全部楼层
在接下来的文章中,都是庄子对多维空间理论以及广义相对论所进行的一些类比解释,有了前面理论的理论基础,那些天马行空的比喻就很容易理解了,至少我们现在可以不仅仅把庄子的《逍遥游》当做是单纯的文学作品,书中所描述的物理模型是严谨深刻并且值得我们去探究的。

三.世界是由物质所组成的,并且物质有向更低级,稳定形态转变的趋势
     庄子在《逍遥游》中讨论了物体的运动速度,质量与时空之间的相互关系,那么我们现在把目光转向庄子的第二篇物理学文章《齐物论》,顾名思义,这篇文章的主要内容是探究物质的基本性质,在文章的开始,庄子认为,物质的种类与形态是繁多的,从人籁,到地籁再到天籁都充满着各种大小,形状,性质相异的物体,它们都按照自己的本能进行运转,庄子写道:“夫天籁者,吹万不同,而使其自己也,咸其自取,怒者其谁邪!”,这句话意思是,天籁,就是世间万物按照自己的性质与规律运动所发出的声音,并不是什么外界的主宰来决定的。这句话表明了庄子是一个唯物主义者,他相信事物的运行规律是由物质本身的性质所决定的。接下来,庄子通过自己观察的结果,认为,世间的物质是基本均匀的,并且可以在大小,急缓,轻重,虚实之间相互转化变换,无穷无尽,只有掌握了世间运行的规律,才能对这混乱的一切作出解释,庄子写道:“大知闲闲,小知闲闲;大言炎炎,小言詹詹。其寐也魂交,其觉也形开…喜怒哀乐,虑叹变,姚佚启态。乐出虚,蒸成菌。日夜相代乎前,而莫知其所萌…”,庄子敏锐地从风吹过孔洞,大风变成了许多小风,大小相异,轻重缓急的声音互相转化无穷的现象推导出物质世界也是可以相互平等转化的,今天你可能是一个人,明天因为某种变故,你可能就埋入黄土,变成了大树,到后天你可能又变成了某个动物的一部分,原来庄子说了这么多,就是想告诉我们物质不灭,质量守恒原理,当然我们知道,这个结论在高能物理学看来,是错误的。是那么庄子从物质的量守恒原理出发,继续对有生命的物质进行推导,得出了一切物体在运动中,均会向更为低级,能量更小的状态转化,庄子写道:“一受其成形,不亡以待尽。与物相刃相靡,其行尽如驰,而莫之能止,不亦悲乎!”,表达了一切高级生命都不免走向灭亡的悲观结论,我们知道这也可以看成是熵定律的雏形,《齐物论》后文的诸多比喻和探讨,都是对于质量守恒和熵定律这两个原理的形象解释,比如庄子著名的梦蝶假说,就是想表达人和蝴蝶从根本上,都是由物质所组成的,因此可以互相转化的道理。
四.被庄子漏掉的定律:处于不同能量层面的物质,相互转化的过程中会相应的吸收或者释放能量。
      但是我们要指出,庄子在齐物论中走向了一个相对主义的极端,他固然认识到低级的物体之间可以互相转化,比如云雨蒸腾相互变化,但是由于春秋时代压根就没有重力势能这个概念存在(当然没有了,否则中国从春秋时代就开始了工业革命,走上殖民帝国的不归路..),他并没有觉察到物质形态变化过程中其实伴随着能量的变化,同样是一滴水,它所处的位置决定了它所蕴含的能量,比如在三峡大坝顶部的一滴水能量较高,而大海里的一滴水能量较低一些,那是因为它们在重力场中所处的位置不同,如果要把大海里的一滴水搬运到大坝底部,就必须消耗能量,反之,就要释放出能量。类似的,我们可以把生命则可以看成一种更高形态的能量体,类似于水滴模型,我们把处于不同食物链层面的生命看成一个比一个更高的水坝,最底部的大海是无机物,处于食物链最顶端的当然就是人类,我们知道在大气中,泥土里,植物中,动物以及人体内都含有碳原子C,但是它在不同的组织中所包含的能量也是不同的,在大气中自由形态的碳原子能量是最低的,绝大多数碳都是以CO2的气体存在,其实它纯粹就是能量燃烧之后的废气!,而在植物中,因为光能的驱动,捕获了空气中的二氧化碳,并把它制造成了纤维素,化学式为(C6H10O5)n,这是一种最低级的能量载体,而动物吃掉植物,将碳元素转化成了更高级的形态,比如各种蛋白质或者脂,它们拥有复杂的化学式以及更高的结合能,而最为高级的人类出于对周围环境的适应,逐渐缓慢地升级自身精密的硬件与软件,我们可以想象,一个大气中的碳元素,历尽千难万险来到了人体,其所包含的能量也提高了千百倍,我们可以说,它变成了一个更加高贵的碳原子,而随着人生命周期的终结,它也复归大气,完成了自身旅行的新的周期。我想,这种跨越各个层面的旅行,也许就是庄子所追求的逍遥游吧。
那么现在,庄子关于物理学的所有思想我们都已经归纳并用现代物理学的语言所重新描述了一遍,我们可以毫不夸张的说,庄子同学在春秋时代就取得了辉煌的物理学成就,虽然没有认识到势能的存在,但是他提出的几个重要理论在各个层面都被证明为完全正确的,那就是:
1.        质量可以扭曲附近的时空,质量越大的物体,周围的时间流逝得越慢,而速度同样可以造成时空扭曲的效果——相对论的核心思想
2.        对于大尺度的观察者而言,时空中其余7个维度被隐藏起来了——超弦M理论基本思想
3.        世界是由物质所组成的,并且物质有向更低级,稳定形态转变的趋势——熵定律
4.        我根据庄子的思想,结合现代物理成就补充完整的一个思想,那就是:处于不同能量层面的物质,相互转化的过程中会相应的吸收或者释放能量。
有了这四个基本定理作为分析工具,为我们阅读道家的理论,或者研究物理学,都提供了极大的方便,当然以上四条关于世界的基本规律也有可能只是粗糙的描述,随着另外空间7个隐藏维度的解开,也许会出现更加完备而统一的理论,这也正是指引我们今后奋斗的方向所在。当然庄子不仅仅讨论了物理学,他还有大量的篇幅描述了社会/政治学的模型,关于这些内容,我们在本系列的第二篇文章_《论中国春秋时代的社会政治学思想成就》中会另行讨论。
老子
庄子与老子,分别在春秋时代建立了唯象的相对论与量子力学两种学说
我们从上面的总结中可以发现,庄子主要关注的是大质量物体的自由运动,主要工作在于建立相对论模型。而对于微观状态下受到约束的物体性质则描述不多。这时我们自然而然地把关注的目光转到了同属道家体系的另一个宗师,老子与庄子喜欢研究宏大的东西例如鲲鹏,大椿这种物体相反,老子则喜欢琢磨一些微小甚至看不见的玩意儿,并且整本书中就在讨论这些微小的东西具有着有无相生,绵延波动的性质,这让我们很自然的联想到了,二十世纪初叶,物理学的两大理论基石,相对论与量子力学,一个关注于宏观中质量与速度所造成的时空扭曲效应,另一个则关注于微观空间里物质所呈现出来的波动性质,二者看似水火不容,但最后却统一在了弦理论的框架中。庄子与老子思想的区别,与相对论与量子力学的区别及其类似,都是同一种物理性质的不同尺寸的描述而已,认识到这一点,对于我们理解老子的思想,有着非常大的帮助,关于《道德经》的很诸多疑问都会得到合理的解释。
一.        物质在微观下呈现出波动性质,并且满足“测不准原理”
老子在《道德经》中写道:“有物混成,先天地生,寂兮!寥兮!独立而不改,可以为天地母,吾未知其名,字之曰道”,这句话意思是说,老子认为,“道”是组成成天地万物最基本的单元,无法直接观察,只能通过自然规律去猜测。老子在道德经开篇写道:“道可道也,非恒道也。名可名也,非恒名也”,这句话的字面意思是:可以用言语表达的道,不是永恒不变的,可以用言语描述的物体状态,并不是永恒不变的,而用物理的语言来描述就是,道这个东西是事实存在的,并且有其运动规律,但是当你试图去测量它的运动状态的时候,它却已经不是原来的状态了,道也有具体的形态,但是当人们试图去观测具体形态的时候,它却已经发生了改变。道的这个性质,与量子力学中粒子所呈现的测不准性质是及其一致的,(具体可以参考著名的“杨式双缝实验”) 我们知道,老子那个时代,文明还十分的落后,不具备高能物理的实验条件,那么老子先生是如何进行微观自然规律的探索工作呢,老子在第二十五章中说明了自己研究自然规律的法宝,那就是一切自然规律的相似性,老子写道:“故道大,天大,地大,人亦大,域中有四大,而人居其一焉,人法地,地法天,天法道,道法自然。”这句话意思是说,天、地、人都是按照道的规律来运动,通过总结探究人类社会,或者自然界的运动规律也可以对道的性质有一定的了解,我们知道,世界是由物质组成的,不管物质多么复杂,即使上升到人类社会的层面,也是要服从物质的基本规律的,当然人类社会的规律有其复杂不能和基本物质的运动简单相类比。
二.虚空即是实体,实体即是虚空, 世界具有精细对称的结构
老子在第二章中阐述了自己学说的重要观点:有无相生,矛盾具有对立统一性:“天下皆知美之为美,斯恶已,皆知善之为善,斯不善已。故有无相生,难易相成…”老子从道德的美丑,善恶的对立性推广到微观世界中,有和无相生,也就是虚空和实体具有相互转化的关系,我们知道按照现代物理学理论,真空并不是纯粹的真空,由于不确定原理,其中充满了各种正负粒子对的涨落,而高能光子,也同样有几率变成正负电子对可见真空非空,而是和实体物质互相转化的,可见老子深刻理解了天法道这个基本规律,从世间普遍的道理正确推导出了有无相生这个微观世界的基本性质。
纵观道德经全篇,大量的描述都是从人类社会出发,而后归结于道本身的性质,还包括很多正确而深远的推论,值得我们去详尽的研究。
以上就是我们从物理学的角度对中国春秋时代的道家研究所作出的解读,可以看到在人类技术文明还很落后的古代,先哲们却用自己敏锐地头脑,从自然现象中总结出了现代物理学的基本规律,在工业文明已经发展到瓶颈的今天,利用人类天生的想象力来进行突破的时机已经到来,请看本系列的第二篇文章,《思维简史—人类社会的政治、历史发展的规律探究》
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2020-2-21 16:12:08 显示全部楼层
很好的文章,我也喜欢哲学和物理学的结合,万物本身就很奇妙,解释的角度各有不同
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