世界上最漂亮的物质,桑建平 | 物质的宇宙 精神的世界

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微天堂真人图书馆

真图书单第61期

11月1日下午,一场文学与宇宙的跨学科对话在图书馆总馆学术报告厅展开,以“你的世界,有多大“为主题的第60期微天堂真人图书馆是武汉大学图书馆和武汉大学通识教育中心联合推出的“通·读”系列活动之一。来自全校各院系的两百多位师生,认真品读了武汉大学文学院李建中教授、物理科学与技术学院桑建平教授、电子信息学院赵江南教授三本“真人书”,在两个小时里穿越时间和空间,经历了奇妙的思想旅行。

真图简介

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桑建平

武汉大学物理科学与技术学院教授,博士生导师,武汉大学通识教育中心常务副主任,武汉大学基础通识课《自然科学经典导引》教学团队首席专家。

开讲

桑建平老师开讲          

桑建平老师从现代科学的起源谈起,带领同学们用自然科学的视角,观察广阔的世界。

当下普遍认为,以严密的理论体系和可重复的实验著称的现代科学起源于西方,萌芽于古希腊,这离不开古希腊三贤的哲学思想引领。哲学与科学交相辉映,互相促进,共同发展,推动人类文明的进展。牛顿的《自然哲学之数学原理》揭示了宇宙中最普遍的规律,有“人类文明第一书”之盛誉。

自然科学注重逻辑,发展有清晰的脉络。桑老师阐释《自然科学经典导引》中推荐的各经典篇目的内在联系,分析从《理想国》开始的诸多哲学著作如何为自然科学提供方法论的指导,讲述自然科学如何在历代科学家的建构中形成愈加完善的有机整体。

哲学引发精神的思考,科学探寻物质的世界,二者之间的内在联系是具体的,也是深刻的:对时间与空间的思考,对物质与世界的探索,永远是哲学和科学共同的命题。

01

用心计时,用手丈量

——时间与空间的相对性

时间是什么?

中世纪教父哲学家圣·奥古斯汀曾说:“时间是什么?你不问我,我还知道;你若问起,我便茫然。”在经验世界里,我们自然感受着时间的流逝;但是在理性世界中,很难给时间确切定义。

时间其实非常复杂。常识和生活经验告诉我们,用钟可以计量时间的流动,并且全世界所有计时系统都走得一样快——这是牛顿的时空观:时间是绝对的。但在爱因斯坦眼中,时间是相对的。“与漂亮女孩共处,一小时好似一秒钟;而坐在火炉之上,一秒钟好似一小时”,以具体的感受类比,可以帮助我们理解时间的相对性。爱因斯坦同时进行了思想实验:站在地面上观测高速运动列车里的钟,会发现钟变慢了,变慢的程度取决于火车的速度。也就是说,时间流逝的快慢,与物体的运动状态有关,运动速率不同,其观测结果也不同。

在爱因斯坦看来,不仅是时间,空间也是相对的。人们日常感知的空间不随外在物质而改变,好似长度永远不会发生变化的尺子;相对论则在光速不变原理的前提下思考运动,推导出运动的尺子会沿运动方向收缩。当高速运动时,空间的尺度与物体的运动状态有关,运动速率不同,其观测结果也不同。这些合理推导与我们的生活直觉相悖,将我们带到更辽阔的世界。

抽象复杂的相对时空观蕴含着清晰简明的哲理。老师又引导在场读者带着思考从理论世界回归生活。不仅仅是观察钟,在观察任何事物时,由于其状态不同,都可能会得到不同的结论。想要获得正确的结论,就需要从多个角度冷静思考,仔细观察。

所以,不要只站在自己的立场理所当然地评价一切,人之为人需要基本的同理心;不要武断地做出绝对的判断,在不同的角度观察,才能看到更全面的东西,接近事物本质。

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02

用眼观察,用脑思考

——物质与时空的关联性

我们生活在物质世界中,认知物质就是在认知世界,而认知的方法是多样的。

由于物质反射可见光,所以人们可以看到物质;有些物质肉眼看不到时,可以通过发射不同频率的电磁波进行测定。愈加丰富的认知方式拓宽着人们对世界上物质的认知,可世界绝对不仅于此。

“有些物质对于电磁波是透明的,人们无法观测到,这部分物质就是暗物质,占整个宇宙的27%”,桑老师向在场读者介绍学界推导暗物质存在的严密过程。那些人身暂不能及的地方,人的思维可以到达,可以探索,可以描绘。

“通过对地球和宇宙中其他恒星的光谱的测定,可以推测出物质由118种元素构成;根据物理学中的标准模型,可用62种基本粒子组成我们眼前的物质世界。”物质的世界,在科学的描绘中愈加清晰。

思考让我们了解看不到的世界,也带人们重新审视生活。对于爱因斯坦引力场方程,从等式的左边往右看“时空告诉物质如何运动”;而从右往左看“物质告诉时空如何弯曲”。理论展现了世界更丰富的样貌,不仅仅是我们现在所处的世界,还有我们未来可能到达的世界。

探索并不总是一帆风顺的。为了使引力场方程能描述静态的宇宙,爱因斯坦加入了引力常数项;人们后续观测到,宇宙正在膨胀,所以爱因斯坦又拿掉了方程中的常数项;后来研究发现,宇宙不仅在膨胀,而且还在加速膨胀,于是宇宙常数项又获得了新的解释。人类认知世界的过程是曲折的,但这不影响人类对宇宙的探索,即使人类无法抵达真理,也还是可以不断地接近真理。

老师说,在物理领域,世界的复杂可以经由一个个理论描绘变得清晰;但世界绝不简单,人们能观测到的物质世界只是宇宙的5%,而95%是无法观测到的暗物质和暗能量。

所以,不必畏惧,也不要停下探索的脚步。在这一态度上,科学与哲学高度统一。

03

哲学与科学在本源上是统一的

人类文明不断进展,科学和哲学都走了很远,但不曾忘记为何出发。

对于物质世界,哲学和科学中最基本的问题是什么?当然是:时间、空间、物质与运动。回顾历史,我们发现:每一次时空观的变革,都伴随着哲学和科学的重大进步和发展。

未来,依然会有无限的可能。老师讲物理学的现状,展望将来的学科发展。目前,描述微观的量子力学和描述宏观的相对论都非常成功,但又存在深刻的矛盾。若能解决引力场的量子化问题,或许又会产生新的时空观,那时,人类认知世界的方式和方法也必然发生变革。

老师说,大道至简,就是说,真理到最后都是简单的,一定是美的。思考一个问题,往往需要缜密的逻辑思维,需要有发散性的联想,这些都会使整个问题复杂化——但是,最本源的问题,往往是简单的。

互动阅读精选

读者

老师是怎么看待自己的工作的,在工作过程中有什么给您留下过深刻的印象?

桑老师:我从小学时候开始希望做老师,那时候很崇敬老师,觉得他们是天下最有知识的人。很幸运,真的做了一辈子老师。

每次上课,我都会做好充分的准备,讲课的时候不会低头看任何资料。三尺讲台,是我最享受的舞台,我想把自己知道的都告诉学生。每当同学们用眼神告诉我“听懂了”,我就很开心。最高兴的就是看到学生的进步,如果有来生,我还想做老师。

读者

看到过 “科学的终结”的说法,想请教老师,在您看来,人对宇宙的认知是否存在极限?

桑老师:举一个具体例子,比如说一个电子,它有位置,同时有一个速度。在微观世界里,电子的位置和速度不可能同时具有确定的数值,其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大。如果要精确地测定位置,就意味着它的速度则完全不可确定;如果精确测定它的速度,位置就完全不能确定。此外,测量也会对物质状态产生影响。

但是,相互作用不仅仅存在于物质世界。我们通过主观世界认识客观世界的时候,二者是一体的,可以分开讨论,但是不能分割。通过相互作用获取到信息,再通过信息来分析推理,即使不能穷尽真理,也可以无限接近真实。

互动阅读片段

读者

有的时候,科研上的一些定理和某些复杂的生活现象会出现相重合、相照应的情况,我们会不自觉地朝那种我们所探索的道理上去靠近,桑老师您怎么看待这种现象?

桑老师:自然科学、社会科学都有原理、定理或定律。但是,大学需要的是探索和追问,不能再像在中学,把公式背下来,用这个公式来解题,然后找标准答案。到大学,如果还活在标准答案里,那不会有多少收获。

真正重要的是思考。比如说刚刚谈到的动尺收缩,如果只知道这是爱因斯坦狭义相对论中的三个重要推论之一,那仅仅停留在知道的层次;如果理解到当速度变化,它的缩短程度会不一样,这种认识就更深入;如果可以把这个思考运用到生活和工作当中,那就是超越。学到的知识随着时间的流逝可能会忘记,但基于内容的超越就是通识,是教育最核心的部分。就像今天,我们讲的内容大家很快就会忘记,但我们来到这里,是希望今天大家能获得一些思考,那么也就不虚此行。

读者

老师觉得,咱们武汉大学通识教育学院中心的发展建设,有没有遇到什么困难?

桑老师:咱们武汉大学的通识教育,还需要更多德高望重的、资深的、有教育情怀的教师参与。这样我们有意思的通识课会更丰富,通识教育会做得更好,这是第一点。

第二点是,咱们的通识教育,值得同学们更加重视。欧美的很多大学,前两年都是不分专业的,他们用学分限制和模块区分引导同学们自主选课。在前两年引导同学们找到兴趣和方向,对自己的人生有思考和规划:我想成为什么样的人?我怎么成为理想中的人?这两年为这种自我剖析提供时间。而我国大学目前普遍是进校时就确定了专业,培养的人才专业性很强。武汉大学提供了平台,学习通识课程,可以补充一些缺失,引导同学们开拓眼界、思考人生。当然,还有一方面是,毕业后,除了专业知识,同学们还要有更综合的能力,才能适应社会。我们知道,没有任何一个国家、任何一所大学,有专门培养领导干部的专业。做得非常出色的领导干部,来自各个专业,他们共有的能力是对非专业知识的学习,这需要通识。

我建议同学们有意识地选择这两类通识课:自己感兴趣的和自己短板的。我经常推荐同学学习哲学课程和音乐课程。这两门课程,大家在进入大学之前很可能没有足够的重视。但学过哲学的人做科研做工作,都有更活跃的思维、更缜密的逻辑;学过音乐,特别是能够欣赏经典音乐的人,是更能够感受生活的。这些,我们个人和这个社会都很需要。

桑老师谈读书

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为什么要读书?

读书能修身养性。修身要读与自己的专业和将来职业相关的书,养性要读一些自己感兴趣的书,我建议不要只读专业书,要广泛阅读感兴趣的书,想读什么就读什么。我读书就是随心随性的,如果走进我的书房,你一定不知道我是学什么专业的。我有4个书柜,一个书柜的书是物理,一个书柜的书是英语,另外两个书柜什么样的书都有。要读纯粹的书,也要读杂糅的书。读完杂糅的书,再去读纯粹的书,可能会有更多的体会。

我想这是一个最好的时代,因为我们有很多选择;这也是一个最坏的时代,我们可能会迷失在选择里。那么在时间和生命有限的情况下,读什么?怎么读?如果没有明确的兴趣引导,那么在时间有限生命有限的情况下要选择阅读经典。

自然科学导引课涉及了很多学科,大家可以自由地选择书籍来阅读,当然首推《自然科学经典导引》一书中所选经典。

读有故事的人,做有深度的书——微天堂真人图书馆,是武汉大学图书馆和武汉大学学生社团阅微书社的合作项目。自2012年12月17日首次开馆至今,已经举办过60期真人图书馆,推出了138本真人图书,逾万名读者通过室内、户外、线上、现场直播等多种形式参与了活动。真人图书馆不同于讲座单向输出的方式,追求复调表达、互动交流。读者通过对话阅读不同领域的真人图书,开拓思维,发现自身的潜力。而真人图书,也因为读者关注的不同角度,产生思维碰撞的火花。

全文转载自武汉大学图书馆公众号。