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思维的层次

思维的层次

胡昌伟 张操

上海市老科协双创委

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内容提要:科学理论的发展需要思维层次的逐步提升。通过对两种不同性质的时空观等的分析,表明它们对应着不同的思维层次;并进一步指出,颠覆性创新需要新的思维层次。惯性思维是对原有思维层次的固守,会阻碍科学理论的发展。举例描述了惯性思维的不同表现形式及其作用。对思维层次的发展提出了若干看法。

关键词:思维,思维层次,颠覆性创新,惯性思维

1、引言

思维是大脑的功能,它是在表象、概念的基础上,进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程;它涵盖了人类所有的认知或智力活动。由于看问题的视角不同,研究的对象不同等等,思维过程中的表象和概念的性质会有所不相同,这就是思维层次的不同。人类的知识相当丰富,门类繁多,这显示了我们的思维是多层次的。即使是同一门学科,由于研究范围的延伸,条件状态的变更,也要求人们的思维层次作相应的调整。科学理论是思维的系统性的结论,科学理论的发展需要思维层次的逐步提升。我们将通过物理学的事例来进一步阐明思维层次的意义。惯性思维是固守一种思维层次的表现,是孳生“偏见”或“先入之见”的温床。

霍金对“现实”的看法,涉及到了思维的层次问题。他在一篇与他人合写的文章里说:

“金鱼看见的世界与我们所谓的‘现实’不同,但我们怎么能肯定它看到的就不如我们真实?据我们所知,就连我们自己说不定终其一生,也在透过一块扭曲的镜片打量周遭的世界。 在物理学中,这个问题并非纯理论空想。实际上,物理学家和宇宙学家发现他们自己眼下的处境和金鱼差不多……每个理论对于‘现实’ 都有一套自己的描述,就像透过它自己的圆形鱼缸观察世界一样。”[1]这段话含有这样的意思:金鱼眼中的事物表象和概念同我们感觉到的不一样,因此,如果它们能思维的话,其层次不同于我们的思维层次。那么,根据智慧金鱼的思维层次,能得到怎么样的理论呢?霍金没有进一步研究。这是个很有趣,也有一定意义的问题,我们就此入手,来进行有关思维层次的探讨。

2、智慧金鱼的时空观

时间和空间是物理学的最基本的物理量,我们就来描述一下智慧金鱼的时空观。它可分为两部分,一是金鱼描述鱼缸外世界的时空观;二是金鱼描述鱼缸内世界的时空观。

 

图1 金鱼的缸外时空观

 

以光来观察世界,金鱼看到的鱼缸外的景象显然与我们看到的不一样,因为,玻璃和水会折射光线。为简单起见,我们假设鱼缸是折射率与水一样的透明的平板塑料构成。如图1所示,EF是鱼缸的平板塑料;A、B是两条金鱼;C是鱼缸外的一个物体的位置。金鱼A眼中的这个物体位于C;而金鱼B眼中的这个物体位于D。如果鱼B向鱼A游去,那么,它眼中的这个物体也会随着从D点向C点运动。这就是说,鱼缸外不动的物体在游动的鱼儿看来是运动着的,而且如果金鱼B进行的是匀速运动,D点进行的却是变速运动,因为D点的位置与折射角有关,而折射角会随着鱼B的运动而不断地变化。这显示鱼缸外的物体,在不同视角的鱼儿看来,它的位置、形状和运动状态是各不相同的。这表明金鱼的时空标准会随着它所处位置的不同而变化,即金鱼的时空观是局域的。

现在来考虑智慧金鱼描述鱼缸内世界的时空观。如果鱼缸内水的密度是均匀的,且始终不变,那么,它们的时空观与我们日常的,低速、宏观环境中的绝对时空观基本一样。然而,一般流体的密度或多或少是会变的。非均匀介质是变折射率介质,其中的光线会向密度较大的方向弯曲。如果鱼缸内水的密度分布是不均匀的,那么,鱼儿的时空观也将是局域的。如图2所示,水密度的大小用颜色的深浅来表示,鱼B发出的传入鱼A眼睛的光线所走的路线是弯曲的(当然,实际上这样的弯曲非常微小),因此,鱼A会误以为鱼B是在C点;如果鱼A游起来,C点会随着变动。另外,鱼在可压缩性流体中移动时,会改变它周围流体密度的分布,这也会影响它的时空观。

 

 

图2 金鱼的缸内时空观

 

总之,鱼缸时空观的一个基本特征是局域性,它与我们日常的牛顿时空观迥异,两者是不同构的。我们不能用通常的思维层次去理解智慧鱼儿的时空观。造成智慧鱼儿时空特殊性的,是一个它们自身难以意识到的“水对视觉的影响”这个因素。

3、对应不同思维层次的两种时空观

大家知道,绝对时空观可以用伽利略变换(1)来表达:

(1)

在伽利略变换中,时间间隔和空间间隔是不变量,即时、空标准绝对不变,这是绝对时空观的最基本的性质。由于时、空标准的不变性,我们可以在任何地方建立一个刚性的三维坐标系和一维的时间轴,它们就是绝对时空观中的一个可计量的时、空的数学表达。

相对论性时空观突破了时空标准的不变性。狭义相对论的时空仍然是欧几里得平直空间,但它的坐标轴和时间轴不是刚性的,它们会随着运动速度而伸缩;而且,坐标轴和时间轴不再相互独立,时空已混为一体,成为四维几何连续体。洛伦兹变换(2)就是对这种时空观的数学表达:

(2)

广义相对论还进一步指出:时空标准会随着引力势而变化。

那么,我们是否可以导出智慧鱼儿时空观的数学表达呢?对于鱼缸外世界的时空观,因为这涉及鱼缸的材质、形状等等不确定因素,难以作出统一的数学表达;对于鱼缸内世界的时空观,则是有可能的。

众所周知,空间的均匀性是一条在绝对时空观和相对论性时空观中都成立的宇宙学原理,它在鱼儿的时空观里也应该成立。水是鱼的生存空间,我们可以假设:在鱼的时空观里,水的分布是处处均匀,各向一致的。这意味着水的密度不会变化,或者说水是不可压缩的。而在我们日常的绝对时空观里,水或多或少是可压缩的。因此,我们推导鱼儿缸内时空观的步骤是:求出将可压缩性流体转换成不可压缩性流体的变换式,把它代入表达绝对时空观的伽利略变换(1),导出的就是表达鱼儿时空观的表达式了。这个推导过程很简单,但结果却出人意料:表达鱼儿时空观的表达式竟是洛伦兹变换式(2),只是其中的C不是光速,而是水中的声速!(具体推导请参看[2])

这里印证了霍金的猜想:“我们自己说不定终其一生,也在透过一块扭曲的镜片打量周遭的世界。”是的,正如鱼儿在透过水看世界一样,人类也在透过某种特殊的流体看世界。这种特殊流体是什么呢?相对论的普适性要求它是无限分布的超流体,而且它的声速就是光速,因此,它只能是物理真空!现代物理学已充分显示:真空不空,物理真空是一种特殊的介质。我们称物理真空为“以太”,并在洛伦兹变换的流体力学导出的基础上提出了“可压缩性以太论”[2]。

一般认为,时空是唯一的,牛顿的时空观是相对论性时空观的一种近似表达。由上可知,这种看法是错误的,绝对时空观和相对论性时空观是两种不同性质的时空观,前者是与任何介质无关的纯粹的真正的时空观;而后者是充满了真空态介质以太的时空观。在宏观、低速、弱引力场的情况下,以太的作用微不足道,绝对时空观可以成立;在微观、高速、强引力场的情况下,以太的作用明显了,相对论性效应就显现出来了。实际上,相对论性效应都可归结为宏观以太的密度变化效应。另外,我们认为,量子性理论是由微观以太造成的,这方面的情况比较复杂,在此不作详述。

实际上,牛顿物理学和相对论之间不只是时空观的差异,在物质观上也有差异。在牛顿物理学里,一个物体的质量不会随着运动速度和位置的变化而变化;而相对论告诉我们,物体的质量会随着速度和引力势而变化。时空观、物质观等的差异,充分表明:绝对时空观和相对论性时空观是两种不同性质的时空观,它们对应着两种不同的思维层次。

4、颠覆性创新需要新的思维层次

从量变到质变是事物发展的一条规律。在科学的发展过程里,量变是人类的思维在同一层次里的推进过程;而质变则需要人类的思维进入新的层次。

在物理学的发展过程里,相对论和量子力学的诞生都是颠覆性创新的结果,是种质变。它们的基本方程,不可能在牛顿力学的基础上,通过纯粹的形式逻辑演绎出来。爱因斯坦的颠覆性创新在于提出了2个前提性的原理——相对性原理和光速不变性原理,在这基础上导出了洛伦兹变换;量子力学则是在量子假设、二像性假设等等的颠覆性创新的基础上发展起来的。这些前提性的原理和假设,就是思维突破原有的层次,跃居新层次的表现。

在各种现象的基础上,人类有着广阔的想象空间,或者说,人们的思维具有丰富的层次,但只有能够与现实相耦合的思维层次,才有实际意义。通过提出前提性的原理或假设来建立颠覆性的新理论都是尝试性的,其正确与否,关键在于新的理论数据是否能够与实验数据相吻合。相对论和量子力学成功的背后有着许多的失败尝试。

俗话说:条条大路通罗马。我们的洛伦兹变换的流体力学导出过程,与爱因斯坦的方法显著不同。我们的推导不需要前提性的原理或假设,在这里,导致时空观发生“质变”的是基于一种物理变换,即将可压缩性流体转换成不可压缩性流体的变换。显然,引入物理变换的逻辑不是纯粹的形式逻辑,它包含了事物之间的一种物理关系,可称之为“物的逻辑”。

爱因斯坦提出的原理,相当于欧几里得几何的公理,相对论是一种公理体系。公理是无法证明的最基本的道理,因此,在相对论中有许多问题难以追根问底。于是有人认为:相对论不需要物理机制,正确的,即理论数据能与实验数据相吻合的数学模型就代表了现实。显然,这种看法值得商榷。众所周知,数学公式有一定的抽象性,比如,等式1+1=2,它可以表示一个人加一个人等于二个人;也可以表示一个苹果加一个苹果等于二个苹果;如此等等。所以,缺失物理机制,不是相对论的高明之处,而是其不足的表现。我们的包含“物的逻辑”的洛伦兹变换的流体力学导出,指出相对论不是没有物质基础的空中楼阁,它的物质基础就是以太。我们可以在绝对时空观的基础上揭示相对论的物理机制。这里显示:思维的层次与思维的形式之间也是相辅相成的;同一思维层次的思维也会有一定的“维度”差异(独立参数的不同)。

5、惯性思维阻碍科学的发展

在物理学中,任何有质量的东西都具有惯性。思维当然无所谓质量,但它也有一定的习惯于原有套路的惰性。所谓惯性思维,就是固守原有思维层次的表现。新生事物的成长往往会遇到自身或他人的惯性思维所造成的阻力。马克斯.普朗克提出了量子假设,这被视为是诞生的标志,但普朗克本人却一直试图将自己的理论纳入经典物理学的框架之下。相对论从诞生之日起,对它的质疑始终不断,其中有对它适用范围和欠缺的合理质疑,但更多的是源自牛顿力学的惯性思维。

惯性思维阻碍新生事物的道理,大家都很明白。不过,新生事物成为了主流理论后,也会形成新的惯性思维,对于这一点,人们的认识是欠缺的。而实际上,对流行的主流理论的盲从,是一种很有害的惯性思维。

有一个简单的问题:电能的传播速度是多少?许多人的回答是:真空光速。对此,我们进行了不同电路参数的上百次实验,发现:电能传播速度会随着电路参数而变化;在大多数情况下,该速度小于光速,但在特定的电路参数下,电能传播速度可以远超光速[3][4][5]!我们的实验简单可重复,但许多人囿于相对论的光速极限的说法,而不予理会。实际上,我们认为电的速度可以超光速,这并不是对相对论的否定,而只是认为:相对论与其他物理学理论一样会有一定的局限性,超光速超出了相对论的适用范围。正如超声速不会让我们听到过去的声音一样;超光速也不会让我们回到过去而颠覆因果关系。

如果把事物的发展称为从低级到高级的递进,一般的惯性思维的阻碍表现为低级的惯性思维对高级思维层次的阻碍。那么,高级的惯性思维有可能会妨碍低级的思维层次吗?这个问题看起来有点不合逻辑,其实是可能的。这方面有一个实际例子:

直流电路的电能传输,本来的描述很简单:电能在电路里传输。但在大学教科书里,有人认为原来的描述太低级了,就改成用玻印廷能流来解释:电池向周围空间输出玻印廷能流,该能流再从电路外进入电阻等用电器。对于这个问题,我们专门撰文指出:在稳定的直流电路外,不存在玻印廷能流[6],因此原来的描述才是合理的。

6、思维层次的发展

随着人类认识的提高,思维层次也会相应提高。以物理学为例,纵观其发展的历史,结合上述的有关分析,我们可以对物理学思维层次的发展进行一种概括性的描述。

古代的自然哲学是物理学的前身,它是在可见现象基础上的联想,其思维层次就是“眼见为实”,即它的基本概念都是可以直接看到的东西;牛顿站在伽利略、开普勒等等巨人的肩膀上,建立了牛顿物理学,描述了时间、空间、质量等等物理要素之间的定量关系,其思维层次是“绝对时空观”,即这些物理要素都与任何介质无关;以相对论和量子力学为基础的现代物理学,它的思维层次则是“以太效应”,因为现代物理学的基本物理量都与真空态的以太有关联。

当然,对思维层次的划分不是唯一的,上面对物理学思维层次的分类是一种“粗分”。对事物不同的侧面,不同的视角,不同的标准地进行层次的区分,会有不同的结果,但随着事物的发展,人类的思维层次必然会不断地发生变化。

我们要克服惯性思维,促进思维层次的发展。这说起来容易,做起来难。记得有人说过:看人家的论文,要先“钻进去”,搞清楚作者的基本思想脉络,然后钻出来进行评论。这种态度应该提倡。每个人,或多或少难免会有一定的偏见,但许多人没有认识到这一点,因此,他们往往以批判的目光去审视别人的论文。这实际上是带着有色眼镜看问题,容易出偏差。

包容是促进思维层次发展的一个正确态度。创新,尤其是颠覆性的创新,难以用一般的逻辑推理进行解释,开始往往被视为是错误的。因此,对于看来是错误的东西,我们可以批评,但不要一棍子打死。有包容才会凝聚百家;有包容才能绽放新芽!

现在,学术交流的形式多种多样,许多学术群热闹非凡。然而,学术不能追求热闹。有不少人热衷于碎片化的讨论,他们往往围绕片言只字即兴发挥,泛泛而谈。在这样的场合中,创新思想会出现,但也会中伤、淹没。学术上应该多一些严谨和深思熟虑,多作论文交流。历史上著名的爱因斯坦和玻尔的论战,主要是通过论文进行的,提出了EPR佯谬等等问题,促进了量子力学思维层次的巩固和完善。这种真诚、严谨的论文交流形式,值得提倡和发扬。

 

参考文献

  • 斯蒂芬霍金,莱昂纳德·蒙洛迪诺,真实世界的“真实”,环球科学,2010/11.

[2]胡昌伟,可压缩性以太论,现代物理, 2017, 7(4): 112-133.

[3] 张操,廖康佳,樊京,导线中交流电场时间延迟的测定,Modern Physics 现代物理, Vol.5, 29-36,2015。

[4] 张操, 廖康佳, 交变电场速度测量的物理原理,《现代物理》,Vol. 5 No. 2 ,35-39 (March 2015).

[5] 张操,廖康佳,申红磊,胡昌伟,交流电超光速的实验研究,《前沿科学》,Vol. 11,(Mar. 2017) 67-72.

[6] 张操, 胡昌伟. 坡印廷定理的再思考[J]. 现代物理, 2018, 8(2): 42-49. ?DOI: 10.12677/mp.2018.82006