理念世界与思想实验
爱因斯坦是如何发现公理的呢?在这方面,他有两种非常独特的方法论,首先来说第一种,我们称之为“定律中的定律”。
一般来讲,科学的研究和发展都建构在第一性原理的基础之上。
在一般情况下,普通的科学家都会致力于研究学科内部的学问,却不会去研究作为学科基础的第一性原理,因为对他们来说,第一性原理的存在就是一个直接给定的前提假设。
然而,真正顶级的科学家、思想家和哲学家,他们所研究的主要内容就是学科系统之下作为基础的第一性原理,而深挖基础后,爱因斯坦发现,几乎所有从实验室中总结出来的物理学规律(第一性原理),归根结底都需要满足某些固定的定理,这些也被称为“定律中的定律”,比如要满足对称性、能量守恒定律和某种最小作用量原理等。
这些定理并不存在于某个物理学的细分系统中,而是作为整个物理学的学科基础存在的。爱因斯坦发现这件事情之后如获至宝,认为这些规律就是发现公理的前提。在这种思维的指导下,爱因斯坦顺利地以一些定律中的定律为前提,成功地推导出相对论相关的理论。
我们再来探讨一下爱因斯坦在发现公理方面的第二个方法论,这个方法其实是很多伟大的理论物理学家公认的有效途径,我们称之为“思想实验”。简单来说,思想实验就是在大脑中进行纯逻辑的推演。
关于思想实验,德国的传记作家阿尔布雷希特·弗尔辛(Albrecht Foelsing)在《爱因斯坦传》中,用一句非常有趣的话描述了爱因斯坦的思维实验方法:“凭借想象中的飞跃,而不是基于对实验数据的归纳。”爱因斯坦通过思想实验洞悉了伟大的原理,所以他的家人都知道,如果他坐在某个地方发呆时,一定不能去打扰他。
因为在那个时刻,也许他的思维正在一个像宇宙一样广阔的实验场中进行一项伟大的实验。
究竟是一种什么样的力量在帮助我们找到位于元起点的公理?也许是好奇心,也许是求知欲。一般来讲,大多数人只会对那些于自己有利的事物感兴趣,而公理往往是以不可见或容易被忽略的形式出现,比如学科系统中的前提假设,以及已经在公众心智中形成群体认知的理念。所以,我们常常满足于直接给定的公理化假设,很少去质疑或进一步探询。伟大的哲学家康德说过,所谓哲学,“起始于对所谓自明的问题的追问”。顶级科学家从来都不缺少“盘根问底”的好奇心与求知欲,对于我们司空见惯的基础假设,他们会进一步研究,从这个角度来讲,好奇心是一个人所能拥有的最宝贵的财富。
除了好奇心,元起点的定位还要依靠人们的想象力。爱因斯坦曾经说:“想象力比知识重要得多。”知识是给定的内容,而想象力是突破已知的重要力量。所以,伟大的科学家从来都不会是所谓的“书呆子”。比如爱因斯坦,除了研究物理学,他还有很多独特的个人爱好,如演奏小提琴、划船等。在这些娱乐和运动的过程中,人类的思维会得到活化,想象力也会随之发挥。
大多数人对爱因斯坦的第一印象来自中学的课本,在课本的描述和插画的展示中,爱因斯坦提出了狭义相对论和广义相对论,是现代物理学的奠基人之一,是一位伟大的科学家、物理学家。爱因斯坦的伟大不仅仅是因为他提出了一个伟大的理论,还因为他从根本上改变了科学研究人员的实际工作方法,将科学研究引入一个新的哲科时代。
从研究方法来讲,爱因斯坦的贡献毫不逊色于哥白尼提出的日心说所带来的思想革命。以他为分水岭,物理学家探索世界的方式发生了根本性的改变。在过去,大多数科学家进行研究的宗旨是“实践出真知”。首先,去实验室里进行实验;然后,观察结果,如果有某个结果重复出现,并且其他人也可以通过同样的实验步骤独立验证出同样的结果,那么科学家就可以从中找到某种规律;最后,进行分析和总结,将规律转变为成熟的理论。实际上,这种基于归纳法思维的研究方式,在今天依旧是很多普通科学家最常用的方法。
从理论的角度解读爱因斯坦找到万物至理的过程显然有些苍白,所以接下来,我们从爱因斯坦推导出狭义相对论的实际过程来分析。
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