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《重读相对论》第6章 相对论哲学

时间: 2021-06-15 10:28:51 | 作者：孙亮朝 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 107次

《重读相对论》第6章 相对论哲学

第6章 相对论哲学

6.1 世界是真实的

爱因斯坦曾经说过，这个世界最不可理解的地方恰恰就在于它居然可以被理解！这个世界是真实的吗？它为什么能够被人类所理解？又为什么能够通过语言符号来表达呢？要理解狭义相对论的哲学基础，我们还必须从这三个经典的哲学问题开始。

这个世界是真实存在的吗？我们共同生活在这个世界上，当然会关心这个世界的真假，如果我们竭尽全力奋斗一生，最终发现一切不过是南柯一梦，恐怕任何人都难以接受。古往今来的哲学家们更是为此进行了数千年的探索：柏拉图、释迦摩尼、黑格尔、王阳明都认为现实世界是虚假的；而亚里士多德、洛克、牛顿、爱因斯坦则认为现实世界是真实的；在他们中间，还有笛卡尔、莱布尼茨、康德等为数不少的骑墙派。然而，如果我们仔细梳理一下他们的观点，不难发现，这些先贤口中的“真实”并不是同一个概念。

在柏拉图等人的眼中，真实就是完美和永恒的代名词，由于世间的一切都是转瞬即逝的，所以它当然就是虚假的、不可靠的。而在亚里士多德等科学家看来，真实与完美或永恒无关，尽管这个世界不是非常完美，也不能永恒不变的存在下去，但它绝非梦境。因为现实世界与梦境之间存在三个重要的差别：共同性、唯一性和确定性！这是一切世间万象的普遍特征，也是科学思维对真实一词的全新定义。

所谓共同性是指：现实世界中的一切都可以在不同观察者的共同见证下存在。现实世界中存在的任一物体，不同观察者通过不同角度观察，都可以发现它的存在；现实世界中发生的同一事件，不同观察者通过不同角度观察，都可以看到相同的结果。事物的存在不会因为观察者的不同而不同，更不会因观察行为而有所改变。与此相反，梦境则只能存在于每个人自己的意识之中。为什么证明现实世界的真实性一定要通过不同的观察者去观察呢？因为这是区分主观和客观的唯一途径。一个观察者从一个角度所观察到的结果是片面的，这一结果甚至可能受到观察者主观意识的影响。只有多个观察者从多个角度观察到的结果才更加全面的、更加客观。正因为现实世界中的一切都可以在所有人的共同关注下存在，因此现实世界是客观存在的。

所谓唯一性是指：现实世界中的所有事物都是唯一存在的。无论是物质实体还是运动的能量，一切事物既不能无中生有，又不能凭空消失。相反，在梦境中，我们失去的物体还可以重新得到；错过的机会还可以重来。

所谓确定性是指：现实世界中所有事件的发生、发展以及最终结局都是唯一确定的。对于现实世界中正在发生的任意一个事件，无论我们是否知道事件的起因，无论我们有没有看到事件的结果，我们都非常清楚的知道，起因和结果都是唯一确定的。在现实世界中，如果一只猫被关在封闭的盒子中里，即使没有任何人观察猫的状态，我们都清楚的知道，这只猫要么是死的，要么是活的，不可能同时出现即死又活的叠加状态。由于确定性的存在，我们曾经拥有共同的历史，我们正在共同开创未来。但在梦境中，一切都是不确定的，我们可以随心所欲的想象各种版本的历史和未来。

共同性、唯一性、确定性，这三个显著特征代表了现实世界的客观真实性。在我们生活的现实世界中，一切物质实体都唯一的、真实的存在着，一切事件都在人类的共同见证下发生，物体不会因为观察者的主观意愿而消失，事实不会因为观察者的主观意愿而改变。一切事物都客观真实的存在着，历史由全人类共同所有，未来要靠全人类共同创造。因此，整个世界的真实性不容置疑。

尽管这个世界是客观真实的，然而，这并不意味着我们看到的、听到的所有事物都是真实存在的。霁月难逢、彩云易散，尽管很多人都可以看到彩虹的存在，但是几乎每个人都知道，彩虹只是一种光学现象，而彩虹下方的石拱桥才是一种真实的存在。准确的说，我们在日常生活中看到的一切既不是事物的真实面目，又不是虚假的幻相，而是现象。什么叫现象？所谓现象就是某个观察者在某个时空位置上接收到的所有信号的总和，它是人类的主观意识对客观事物的真实反映。

那么，石拱桥和彩虹有哪些区别，与彩虹相比，石拱桥为什么是真实存在的呢？按照真实性的判断标准不难发现：彩虹只有在某个特定的角度观察时才会出现，只要改变一个很大的观察角度，彩虹就会自动消失。但无论从哪一个角度看过去，石拱桥却始终存在。因此，与彩虹相比，石拱桥是真实存在的。然而，如果我进一步问你，石拱桥的真实性究竟表现在哪些物理性质上呢？你立刻又会陷入迷茫：

首先、石拱桥的形状是不确定的，随着观察角度的不同，石拱桥的形状在每个人眼中都会有所区别。在正面、侧面及顶部的不同观察者看来，石拱桥的形状是迥然不同的，因此我们似乎不能说石拱桥的形状是真实存在的；其次、石拱桥的颜色是不确定的，尽管在相对静止的观察者看来，石桥汉在阳光下反射出的是汉白玉的颜色。然而由于多普勒效应的存在，在高速靠近的观察者眼中看来，石拱桥的颜色就会会偏蓝，而在高速远离它的观察者看来，石拱桥的颜色就会偏红。因此颜色也不是真实存在的。最后、石桥的质量也不是真实可靠的，虽然按照质量守恒定律，组成石桥的物质不增不减，它的质量也应该不增不减；但是按照相对论效应，石桥的质量同样会因为相对速度的增加而增加。

形状不可靠，颜色不可靠，质量不可靠，形状和质量都不可靠就意味着体积不可靠，体积不可靠又意味着密度不可靠，密度不可靠就意味着石拱桥的质地不可靠，质地不可靠又意味着石拱桥的坚固程度不可靠。那么，究竟石拱桥的什么性质是可靠的？我们何以断言石桥比彩虹更加真实呢？

首先，我们必须承认，无论是形状、颜色还是体积，物体展现出的所有表观特性都只是一种现象，而非本质。我们之所以能够看到物体的形状，是因为组成物体的各个部分所发射（或反射）出的光波同时达到了我们的视网膜。我们能够判断物体的颜色，则是因为物体发射的光波恰好激发了我们视网膜上的某些感光细胞。根据现象的定义，现象就是观察者在某个时间和空间上接收到的所有信号的总和。因此，我们通过视觉接收到的石拱桥的反射信号，当然只是石拱桥的表面现象了。

然而，尽管如此，我们仍然认为一个固体的形状和颜色是相对固定的，并认为该物体的形状是真实存在的。那么，我们如何得知物体“真实”形状呢？这就要求我们具备透过现象发现本质的能力。接下来，我们不妨以一个更简单立方体为例，探查一下如何从现象还原到本质！

如图6-1所示：实验室中有六个不同的观察者，大家共同面对着桌面上的同一个立方体，从各自不同的角度看到了六个不同的形状。然而，虽然大家看到的形状并不完全相同，但大家却毫无例外的普遍承认它是一个标准的立方体。那么我们是如何在自己的大脑中，不约而同的建立起了同一个立方体的模型呢？

图6-1 立方体模型

现在，大家普遍承认的基本观点有三个：第一、从光学角度分析，那里的确存在一个物体；第二、这个物体的形状保持不变；第三、该物体必须满足唯一性原则，也就是说，那个位置应该有且仅有一个物体。接下来，我们再进一步对物体的形状做出判断：

实际上，对每一个观察者而言，要在桌面上看到一个立方体，并不一定要求这个立方体一定是真实存在的，至少还有另外两种可能：1、桌面上放着一张3D立体画；2、桌面上正在播放立方体的全息投影。要想判断桌面上的确存在一个立方体，就必须否定后两种可能。

如果只依靠几何光学规律来判断，我们如何知道桌面上放的不是一张立体画呢？很简单，因为一张立体画只有在特定的角度观察才是自然的，变换一个角度后就会出现扭曲变形，要想让所有位置看起来都是立方体，就必须有多张立体画放在那里，但这显然有违反了唯一性原则，因为那里有且仅有一个物体，所以它不可能是多张3D立体画。那么，它可不可能只是一张全息投影呢？也不可能，因为全息投影出来的物体都是半透明的，而眼前的物体却是不透明的。否定了其他可能性之后，结论只有一个，即：桌面上的确有一个立方体真实的存在着，这个立方体由六个正方形组成，各条边长度相等，所有角度都是直角。

为什么我们要不厌其烦的对一个简单的立方体展开探讨？因为这里面有一个非常重要的问题：由于立方体并不能以各边相等、各角垂直的方式呈现在我们的视网膜中，这也就意味着立方体不是我们眼睛所能看到的图像，立方体的概念也并不存在于我们的视觉影像当中，它只是经过我们大脑理性加工后得到的一个几何学模型。也就是说，我们判定一个事物是真实的，并不是因为不同角度的观察者们看到的“现象”是完全相同的，而是“现象”背后抽象出的“理论模型”是完全相同的。

因为我们知道存在于桌面上的物体有且仅有一个，所以真相就有且仅有一个。当不同角度的观察者却看到了不同的现象时，为了满足唯一性原则，为了追求唯一的真相，我们就必须统一所有观察者的意见，而为达此目的，我们就必须抛弃表面现象中的差异，依靠我们的空间想象能力和逻辑推理能力，经过去粗取精，去伪存真的分析过程，建立一个能够准确解释所有现象的唯一正确的理论模型。

尽管任何一个观察者都不能直接观察到物体的“本质”形状，但却可以让我们通过有限的现象还原出一个唯一“合理”的解释。换句话说，如果存在某个唯一的理论模型能够在所有观察角度上还原出观察者所看到的现象，那么这个理论模型就可以称之为所有这些现象背后的“本质”。并且我们会因此而判定：这个由理性构建所出的模型是真实存在的！也就是说，“真实”只是为了解释某一类“现象”而构建的理论模型。霍金把它称之为“基于模型的实在论”。

点线面体都是描述物体形状的几何模型，笛卡尔坐标系是一个描述时空的几何模型，牛顿力学是一个描述物体低速运动运动变化的数学模型，与之相对，相对论则是一个描述高速运动物体的更为精确的物理模型。那么，我们为什么能从纷繁复杂的现象中抽象出理论模型，世界又为什么可以被人类所认知呢？

6.2 世界是可知的

尽管这个世界是客观真实的，一切事物都是唯一存在的，一切运动变化也都具有确定性。然而，这却并不意味着整个世界的存在可以被人类所认知，更不意味着整个世界的运动变化被人类所理解。要想达到人类的主观意识与世界的客观存在的统一，还必须依赖于人类与现实世界的三个特征。

首先，现实世界具有主观真实性，人类具备一定的观察能力。所谓主观真实性是指，对于同一事件，不同观察者从同一角度看到的现象是完全相同的。因为现象是主观意识对客观事物的反映，所以我们只能称之为主观真实性。主观真实性是事物的客观真实性在人类意识中的真实反应：由于外部事物客观真实的存在着，所以它们所发出的信号也是真实存在的，又因为我们的主观意识对这些信号的处理过程符合一定的规律，所以我们所感知到现象就具有一定的主观真实性。

与事物的客观真实性相对应的，主观真实性同样具有共同性、唯一性、确定性等基本特征。只不过，由于现象与观察角度有关，因此这里的共同性不再包含观察角度的不同，我们只能说现象的形成与具体的观察者无关，只与被观察对象以及观察的方位和距离有关。因此，当多个观察者从同一角度观察时：对于同一物体而言，不同观察者在同一角度可以看到同样的形状；对于同一事件而言，不同观察者从同一位置可以看到同样的结果。现象是连接主观世界和客观世界的桥梁，由于现象具有主观真实性，所以我们在自己的主观世界里建立起客观世界的抽象模型。

其次，现实世界具备自相似性，而人类具有一定的归纳总结能力。所谓自相似性是指现实世界的各种事物之间存在着不同程度的相似特征。尽管这个世界上不存在两个绝对相同的事物，但是世界上也不存在两个绝对不同的事物。当人类面对纷繁复杂的世间万象时，总是能够敏锐的发现各种事物的相同点和不同点。我们首先会把相同的事物归纳到同一个分类之下；然后再为不同事物建立各种不同的分类，最后一旦我们发现某个事物无法分类，还可以反过来继续调整自己的分类方法。于是，就像一层层的书架一样，我们对整个世界的认识模型就这样构建了起来。虽然我们最初的分类方式不一定合理，但只要在人类认知世界的过程中不断更新迭代，整个世界的认知大厦就会日趋完善。

最后，现实世界具有一定的规律性，而人类具备逻辑推理能力。规的本意是指圆规，它表示一切运动都有确定的轨迹。律的本意是指音乐的节奏，它表示一切周期性变化都有确定的频率。正因为世界上的一切运动变化都符合某种规律，因此世界上的所有事物才表现出某种确定性，某种必然性。而人类的逻辑推理能力，让我们不断地发现规律，并且把这种规律通过数学语言表示出来。依靠规律，我们可以从现实之中找寻历史，预见未来；依靠规律我们可以改变现实中存在的问题，让自己的明天变得更加美好。从某种意义上讲，规律的存在甚至超越了现实世界中一切普通事物的存在，它不但让人类具备了认识世界、改造世界的能力，而且让我们可以更好地认识自身的价值。

综上所述，人类能够认识世界源于三个基本的特征：世界有主观真实性，人类具备基本的观察能力，所以我们可以了解世界的真相。世界有自相似性，人类有归纳总结能力，所以我们可以快速建立整个世界的认知模型；世界具有规律性，而人类具备逻辑推理能力，所以我们可以发现规律，并认识规律。以上三个基本特征使人类的主观世界和外部的客观世界达成统一，也使得人和自然可以和谐共处。于是我们就可以利用规律认识世界，改造世界，从而实现人类自身的价值。

规律性的确是这个世界上最重要的特征，在前面的论述中我们曾经提到，这个世界具有客观真实性和主观真实性，而真实性的基本特征就是共同性，只有一个人观察到的现象很可能只是观察者个人的主观想象，如果事件在多个人的共同关注下发生，就可以被快速证实。然而，如果一个事件发生时现场只有一个目击证人，我们又如何判定它的真假呢？其实，除了共同性、唯一性和确定性之外，整个世界的真实性还有另一个重要的辅证：那就是规律性！因为任何物体的存在，任何事件的发生都要符合一定的规律，违背规律的物体一定不会存在，违背规律的事件也一定不会发生。那么，究竟什么是规律呢？要对规律做出相对严格的定义，我们首先要明确物体和事件的概念：

所谓物体，就是占有一定时间和空间，并能在一定时空范围内，对其他物体的存在和运动产生影响的主体。从这个定义不难得知：一切有质量的存在物都属于物体；电场、磁场、引力场也属于物体；无质量的光子因为携带了能量会对其他物体的运动产生影响，也属于物体。

所谓事件，是指在某个指定的时间和空间范围内，多个物体的相互影响或一个物体的自身变化。比如在某个时刻，石头撞碎了鸡蛋就是一个事件，而鸡蛋蛋孵化成小鸡也是一个事件。值得注意的是：物体自身之所以会随着时间发生变化，根本原因也是由于物体自身由多个组成部分，正是多个组成部分之间的相互影响、相互作用导致了物体自身的变化。所以，从本质上来讲 ，事件就是发生在物体和物体之间的相互影响！

所谓规律就是事件和事件之间存在的普遍的、必然的联系。比如在常温常压下，石头和鸡蛋高速碰撞，一定是石头把鸡蛋撞碎。两物体高速相撞是一个事件，鸡蛋碎裂是另一个事件，两个事件的发生如果存在者普遍的、必然的联系，这种联系就可以称之为规律！既然我们能够发现事件的现象，能够在自己的主观意识中建立事件的关联，我们就能够认识世界的本来面目，发现世界运动变化的普遍规律。

然而，尽管我们能够认识世界的真相，发现运动的规律，但这却并不能表明我们能够精确的描述这种规律。苏格拉底终其一生都不能发现任何一个名词的正确解释，我们又为什么能够通过数学语言描述真理呢？

6.3 真理可言

世界的规律能够通过语言表达吗？这是一个困惑了人类三千年的问题。至少轴心时代的先贤们都认为，这是不可能的。因此，苏格拉底、孔子、释迦摩尼都没有留下任何文字著作，老子虽然留下了《道德经》，但是他首先就明白无误的告诉我们：“道可道，非常道，名可名，非常名。”这个意思再明白不过了，世界的规律是无法通过语言表达的，为什么呢？因为我们连任何一个字词的基本概念都解释不清楚，孔子紧随其后说“名不正，则言不顺”，意思是我们连一个字词的含义都说不清楚，又怎么能顺利的说清一句话呢？正因为如此，苏格拉底终其一生都不能发现任何一个词语的正确解释，清楚的意识到自己一无所知。

然而，事实告诉我们，真理又似乎是可以表述的，否则人类今天的辉煌成就又从何而来呢？那么，我们又如何在一个词语都解释不清的条件下，对一条科学规律做出精确的描述呢？在回答这个问题之前，请跟我一起做个思想实验：

首先，我会用粉笔在黑板上画出一个点，请你告诉我这个点是什么含义？说它是一个点也对，说它是一个很小的圆也对，说它是一些粉笔屑的痕迹似乎也没有什么错误。但如果我一定要坚持让你说出，它到底是什么含义，你又该如何回答呢？别急，接下来我会分别按照三种完全不同的方式继续演示：

第一种方式：我会在黑板上画上一个箭头表示北方，然后在这个点的附近画上另外几个点，围绕这几个点画出一个雄鸡的轮廓。最后我还会在旁边标记上一个比例尺，告诉你一分米相当于多少公里。当所有的工作完成后，包括你在内的所有人都可以做出清晰的判断：先前的那个点表示的是某个具体的城市，比如北京。然而这个点是北京吗？北京是有天安门的，你能从黑板上的一个小点儿中找到天安门吗？显然不能，那么，为什么所有人都肯定这个点表示北京呢？我们先留下这个问题，继续尝试另外两种可能。

第二种方式还是从一个孤零零的点开始，这一次，我同样围绕这个点画出一个雄鸡的形状，并让先前所描绘的点恰巧落在鸡头的中心。此时，所有人立刻就会明白，这个点表示的是雄鸡的眼睛。接下来是第三种方式，如果我不是绘图，而是在这个点的下面继续添上一横，再加上两个点，它就变成一个汉字“六”，而这个点表示的就是汉字上的一点。

以上就是我的三种演示方式，现在，我把所有的痕迹都擦除掉，再问你，这个点究竟表示什么含义呢？显然，如果脱离了完整的背景环境，很难指明一个点的具体含义。然而，我们所给出的背景图像或汉字本身也是由一些点所组成的，为什么一些含义不清楚的点组织在一起就能表现出清楚的含义呢？原因在于：当多个点同时出现以后，我们不在关注点的含义本身，而是关注点和点之间的相互关系。我们不是通过一个个孤立的点来认识整个图像的，而是通过点和点之间的相互关系来理解由点所构成的整体图像。

在对待地图的问题上，无论是唯心主义者、唯物主义者还是不可知论者，大家的观点出奇的一致。几乎所有人都认为：地图上的两点的确可以如实反映两地之间的方位和距离。从来不会有人做出这样苛刻的判断：因为地图上的点不等于实际位置，又因为地图上的距离不等于实际距离，所以地图不能反映世界的真相，因此人类不能使用地图！然而，既然我们在面对地图时如此宽容，为什么面对语言文字时却表现的如此苛刻呢？

既然含义模糊的点能够组成清晰的地图，那么含义模糊的字词为什么就不能组成含义清晰的真理呢？虽然每一个字词的概念都可能是模糊不清的，但是，当我们把这些字词组合在一起，形成一句话，再由几句话拼合成一个整体概念的时候，一个越来越清晰的理论框架就会呈现出来，整个世界的真实面目也就显露无疑。

当然，在我们绘制地图的过程中，不能按照自己的主观意愿胡乱的描点，必须根据实际的地理位置去绘制，同样，我们在描述客观真理的时候也不能按照自己的意愿随意的组织字词，而要在反复观察、思考和实践后，尽可能精准的描述这个世界本来的样貌。最终，含义不清的点能够拼成一目了然的清晰图形，语焉不详的字能够组成准确无误的客观真理。

实际上，清晰的真理不仅可以建立在模糊的符号基础之上，而且还可以建立在虚幻的假设基础之上。接下来，让我们认真反思一下，人类对地图的信赖从何而来呢？是源于对现实世界的归纳总结还是基于逻辑的演绎推理呢？都不是！仔细分析一下不难发现：一张地图能够如实的再现真实的地理环境，除了要基于实际的地理位置绘制之外，还必须建立在如下几条基本假设的基础之上：

1.必须假设两个相互垂直的方向标；

2.必须假设一个合适的比例尺；

3.必须假设地图上第一个点的位置是正确的；

4.尤为重要的，必须假设地球表面和地图都是平面的。

平面假设、方向假设、垂直假设、比例假设、第一位置假设，如果不是建立在这五个假设的基础之上，我们根本无法在地图上绘制其他的位置点，对地图的信赖也就无从谈起。然而，这些假设背后还有更深的道理吗？我们凭什么假设某个箭头的方向表示北方？凭什么假设比例尺是1:100或1:1000？又凭什么认为第一个绘制的地点一定是对的？

没有任何理由！它们仅仅是假设，这一点同我们在解代数方程时假设某个数量是x没有任何区别，同我们假设口字中间加一横就表示太阳也没有任何区别。这些假设即不是依据任何事实归纳总结的结果，又不是依据任何理论演绎推理的结论，它们仅仅是没有任何理由的虚幻的假设。然而没有这些假设的帮助，我们就没有地图，没有数学，没有语言，更没有哲学和科学。

无论是柏拉图还是笛卡尔，近代以前的哲学家、科学家们在探索真理的路途中，总是单方面强调事实的重要，强调一定要保障演绎逻辑的根本出发点是正确性的。然而庞加莱在《科学与假设》中指出，科学规律同样要建立在一系列假设的基础之上。为什么真理离不开假设的帮助呢？因为我们主观世界的概念都不可能全等于客观世界的事物，阿拉伯数字3这个符号不可能全等于真正的数字3，汉字“树”也不可能全等于真正的大树。因此，我们必须借助于一系列假设来在人类的主观世界和外部客观世界的桥梁。而要想通过人类的语言描绘外部世界的客观规律，也不仅要依赖于基于对大量事实的观察、思考、实践，还需要依赖于假设的帮助。

那么，既然真理要建立在假设的基础之上，我们可否随意假设？假设又是否越多越好呢？当然不是！假设毕竟仅仅是假设，假设本身不是事实，只是我们认清事实的桥梁，假设本身更不是真理，只是帮我们描述真理的工具。因此，我们通过一系列假设来描述客观世界规律时，只能描述世间万物的某一个抽象层面。比如数学只关注数量，几何只关注空间结构，物理只关注时空、质量和能量。而且为了描述这一层面的规律，我们的假设必须足够少，足够清晰，必须与事实相符，且假设之间必须融洽相处，不能存在内部矛盾。

那么，我们需要多少条假设才合适呢？现在，你不妨尝试一下，自己可否用一个最简单的成语描述一个常见的自然规律：比如：树大根深、水落石出、唇亡齿寒、积少成多……我们在通过这些成语表达自然规律时，首先要基于这样的假设，每一汉字符号都代表了客观世界的某个事物或状态变化，显然，四个汉字就代表了4条基本假设。并且，我们同时要假设客观世界符合因果律。只有在这5条假设的基础上，一个成语的表述才有意义。实际上，5条假设可能是最基本的要求。为什么是5条基本假设呢？难道除了因果律之外，仅仅是因为成语有四个汉字吗？并非如此！仔细观察不难发现，所有这些描述自然规律的成语都是通过这样的范式表达的：某一事物的状态决定了另一事物的状态，某一个事物的变化决定了另一事物的变化。两个事物、两个状态或变化，加上一个底层的因果关系，自然就是5条基本假设。

一张地图描述地理位置需要5条假设，欧几里得的《几何原本》，同样需要基于5条公设来建立几何学大厦。而所谓公设，也不过就是公共的假设而已。在《几何原本》中，5条公理和5条公设是分开表述的，因为在欧几里得看来，公理是适用于所有领域内的逻辑模型，而公设则只适用于几何空间领域。后来，由于几何自身的应用范围被无限拓展了，因此希尔伯特把公设也并入了公理体系中，然而，总结以后的结果同样是5组。同理，1889年，数学家皮亚诺所建立的算术公理系统同样基于5条公理。就连我们每个人熟知的1+1=2也同样是由四个字符和五个占位组成的。如果我们把最基本的经典牛顿运动定律看作假设，也会惊奇的发现，绝对时空假设加牛顿三定律和万有引力定律，居然也是5条。同样，经典电磁学的麦克斯韦方程组中也由4条方程组成，加上相对时空假设，依然是5条。看来，5这个数字似乎并不是一种巧合。

在地球表面，任何一个物体要想平稳的站立，至少需要3个支点；在宇宙空间中，要精确测量一个点的位置，至少需要4颗卫星定位；而要想描述一个自然规律，则至少需要5条基本假设。因此，我们不得不进一步反思，仅仅通过两个假设就能建立狭义相对论学说，这可能吗？

既然通过模糊的语言可以表达精确的客观真理，那么， 是时候通过自然语言总结一下这个世界的普遍特性了，或许这同样是我们这个世界的五条基本假设：

一、世界是由物质实体组成的：无论是微观世界还是宏观世界，所有物质实体都唯一的存在于时空之中，既不会无中生有，又不会莫名消失。

二、世界是运动的：组成世界的物质实体处于不断的运动变化之中，物体和物体之间既存在相互运动，又存在相互的作用和影响，这些运动和影响形成了一个个相对独立的事件。

三、世界是有规律的：事件和事件之间存在着普遍必然的联系，整个世界的运动变化呈现出一定的规律性。

四、世界是真实的：世界的规律性首先表现为事实层面的客观真实性：对同一物体，不同观察者可以从不同角度的不同形状中抽象出相同的实体模型；对于同一事件，不同的观察者可以从不同的现象中分析出相同的事实。同时，世界的规律性还可以通过现象表现在主观层面：虽然同一物体，从不同角度观察可以看到不同的形状，但是不同观察者从同一角度观察却可以看到完全相同的形状；虽然同一事件，从不同角度观察可以看到不同的现象，但是，不同的观察者从同一位置观察，却可以看到完全相同的现象。因此，世界的规律可以被每一个观察者从主观层面认知。

五、世界有自相似性：因此，形状可以从某个侧面反映物体的真实面貌；现象可以从某个侧面反映事件的经过和结局。同理，由于地图和实体的空间位置之间存在相似性，所以我们可以通过地图描述实体的方位。由于语言和规律之间存在自相似性，我们可以通过自然语言或数学语言描述世界的客观规律。

正是由于上述这些性质的存在，今天，我们可以以亚里士多德的骄傲回应高尔基亚的迷茫：世界是真实存在的，它有物质所组成，物质的运动变化遵循一定的规律，这些规律不但可以被人类所认知，而且规律的不同层面可以通过自然语言或数学语言进行描述。

不过，这里的规律绝不仅仅是指我们已经发现的规律，更不仅仅是指能够通过自然语言和数学语言来表达的规律，事实上，大量规律还远未发现，目前更是无法表达。那么，我们又如何通过尚未发现的规律来判定事件的真假呢？其实一切具体规律背后还有着一些最基本最普遍的规律。

6.4 世界的普遍规律

前文已述，所谓规律就是事件和事件之间的普遍必然联系。那么，为何这个世界上存在规律呢？难道我们看到一万只天鹅是白色的就能证明第一万零一只也是白色的吗？难道我们昨天看到太阳从东边升起，今天的太阳就一定会从东边升起吗？休谟之问提醒我们，规律是否只是人类主观臆想的产物呢？

从某种意义上说，规律的确离不开我们的主观想象。无论整个世界的运动变化多么奇妙莫测，我们总是能够从中发现某些规律。现在，假设有成千上万个小球摆放在我们的面前，我们是否可以让这些小球做出一些完全无规律的运动呢？恐怕很难做到！

首先，我们不可能让所有小球都向同一个方向运动，那样一来，运动的规律性实在是太明显了。为了实现完全无规律的运动，我们就必须让所有小球的运动方向都各不相同。但如果只是这样，我们又可以说这些小球的运动规律是各向均等，或者说在任何一个方向上，小球运动的概率都是相等的。那么，如果小球向某个方向运动的概率大呢？我们又可以说，小球整体的质心在朝那个方向运动。最后，无论这些小球的运动方式如何变化，我们总可以找出一个规律来描述它们。

通过上述分析不难发现，只要我们心中有了归纳总结和逻辑推理能力，努力去分析所有运动的相同点和不同点，一定会发现整个世界在某种规律中运行。同时，承认这个世界的运动是有规律的，似乎并不会给人类带来什么坏处。它只会让我们更好的了解过去，认识现在，掌控未来。在人类征服自然的过程中，我们已经在不同的领域中发现了大量的自然规律，然而，我们还是要进一步追问，所有自然规律的基础是什么？整个世界的普遍规律又是什么？

我们知道：事件是指定的时间和空间内物体之间的相互影响，而规律是事件和事件之间的普遍必然联系；所以规律也就是描述物体运动变化的理论模型。既然要描述物体运动变化的过程，就一定离不开时间和空间的作用。如果我们把一切物体运动变化的普遍特征抽象出来，也就形成了一切运动变化的三个普遍规律：

首先，相同的物体从相同的起点出发，经过相同的过程，一定会达到相同的结果。反之，如果两个事件的结果不同，则要么是因为它们的起点不同，要么是因为它们的过程不同。其中，起点、过程、结果既是时间点的表述，又是空间位置的表述，它指明了时空在运动变化中的基本作用；同时，它表明一切运动规律和具体的时间点和空间点无关，只与起点和过程中的某些环境因素有关。与具体的时间点无关，就意味着运动规律是永恒不变的；与具体地点无关，也就意味着运动规律是放之四海而皆准的。看起来，这似乎就是柏拉图一直追求的理念世界中的完美和永恒的存在，因此科学定律才被世人视之为“真理”。

其次，一切不同事物都是由某些更基本的相同的部分组成的。一切不同的物体都是由某些相同的更微小的物体按照不同的空间结构组合而成的；一切复杂的现象都是由某些简单现象按照不同的运动方式组成的；一切复杂的规律由某些简单的规律相互交织组合而成的。反之，如果某两个微粒的性质存在差异，则证明它们还可以被分离为更小的组成部分。同样，如果某种运动不能表现出确切的规律性，则证明这种运动可以被进一步拆分成多个运动的组合，而每种运动下面都必然隐藏着一个普遍性的规律。这意味着，不同是由相同组合而成的，复杂是由简单组合而成的，而大部分运动规律都只能在某些层面下描述物体的运动。所以只要我们不断的从复杂的现象中抽丝剥茧，就可以发现那些最简单最基本的具体科学规律。

最后，当部分事物组合成一个整体时，组成整体的每一部分的性质保持不变；当简单的规律组合成一个复杂规律后，每个简单的规律保持不变。因此，不同层面的科学规律之间并不冲突，规律之间具备可组合的特性。当一个复杂现象出现时，我们只需要用不同层面的定律解释不同层面的现象，再把这些规律组合起来，从而就可以通过模型真实的再现复杂事件的现场。这种思维方式叫做还原论，它是一切科学分析的基本思想。

以上三个规律是我们对这个世界所有运动变化归纳总结的结果，因此它们涵盖了所有物体的所有形式的运动变化，是一切具体的科学规律的逻辑起点。

当然，我们必须清楚的认识到，这些基本规律中所强调的“相同”，首先是哲学意义上的“相同”，其次才是物理意义上的“相同”。从物理意义上来讲，只要两个物体通过测量工具发现不了区别就可以称之为相同。比如：经过测量发现，两个硬币的颜色、形状、体积、质量、温度都相等，那么我们就可以在物理意义上认为：这两个硬币是相同的。如果我们把这两枚相同的硬币放在相同的桌面上，从相同的高度抛落到相同的地面上就会发现：两枚硬币落地的位置并不相同。然而，这个实验并不能表明硬币的抛落运动不符合规律，只能证明在硬币抛落的起点或过程中存在细微的差异。尽管这种差异不能通过物理检测发现，但是从哲学意义上来讲，世界上没有任何两片相同的树叶，人不能两次踏入同一条河流，因此两个硬币一定会有所差别，二者抛落的过程也不可能完全相同，所以才会产生不同的结果。

然而，如果仅仅停留在哲学层面上，那么我们的第一定律岂不成了一句废话？既然世界上没有任何两个物体是相同的，也没有任何两个过程是完全相同的，那么，哪里还有什么相同的结果？如果没有相同的结果，这个基本定律又有何用处？因此，科学家费曼从不承认这一基本定律的存在。很多科学家也因此而认为哲学已经被当代科学远远抛在了身后，无法对现代科学给予有效指导。但我依然要说，这个看似空洞无物的定律，却是一切科学定律的基础，原因有以下四点。

第一、从哲学角度来讲，虽然世界上不会有绝对相同的物体，但是世界上也不会存在绝对不同的物体。只要我们善于发现，任何两个物体都可以找出一些相同点。同时第二定律又告诉我们，任何一个科学定律都只能在某个层面上对运动变化做出描述。也就是说，科学定律本就不需要绝对相同的两个物体，不需要绝对相同的过程，只需要在本定律描述的层面内达到一致即可。而且，即使是在定律所限定的层面上，也不需要绝对的相同，只要运动的起点和过程在测量误差允许的范围内达到相同，也就可以在同样的误差范围内达到一致的结果，只不过有些运动定律对初始条件的精度要求比较高，而另一些运动定律对初始条件的精度要求比较低而已。

第二、在我们探索未知世界的过程中，一旦遇到现有理论无法解释的现象时，这些基本规律仍然是一切科学理论和科学实践的根本原则。假设科学家们在实验室内见到一个无法解释的偶发现象，尽管已经经历了很多次的重复，但是仍然难以复现同样的现象。此时，几乎所有的科学家都会相信，这个现象绝不会毫无规律的出现和消失。现象不能复现，一定是我们没有注意到实验环节中的某些细节导致的，要么是实验的起点不同，要么是实验的过程不同，只要不断的调整起点和过程中的环境参数，该现象一定可以复现。在这样的信念下，科学家继续开展大量的重复实验，一定可以使现象复现出来。当这一现象多次复现以后，科学家们就可以根据起点、过程、结果中的环境参数和物理量，找到这一现象的发生的规律，如果这一规律能够用精确的数学语言来表述，一个全新的科学规律就诞生了。因此，这些基本规律永远指导着我们去在未知世界中发现未知的规律。如果没有这样的信念作为基础，科学发现将会寸步难行。

第三、所谓实践是检验真理的唯一标准，在自然科学层面是指：这些基本规律是检验其他具体科学定律的唯一标准。无论是物理、化学还是生物学定律，任何一条新的科学定律被发现以后，都必须以这样的范式来描述：怎样的事物在怎样的条件下，经过怎样的过程，必然导致怎样的结果。仔细观察不难发现：这一范式不过就是第一定律的一种具体表述。同时，任何科学理论都只能描述理想条件下所能呈现的结果。我们在实验室中验证这一理论时，只需要在测量的误差范围内找到相同的事物，复现实验所需的相同过程，就可以通过是否出现相同的结果对该理论做出判定。也就是说，一个理论要想得到大家的认可，必须与具体的时间和空间无关，必须与具体的事物无关，必须在普遍性的层面上成立，并经受大量实验的检验。

第四、理论物理学家在进行理论推导的过程中，常常不需要借助于实验的帮助，那么他们所秉持的信念是什么？他们推导未知理论的准则又是什么？除了现有的具体科学规律以外，最最重要的准则也是上述这些基本规律。因为理论推导的过程本就是在理想条件下展开的，所以科学家们当然可以假设某两个物体是相同的，假设过程中的某些条件是相同的，同时，无论这些物体的运动在遵循什么样的未知定律，它们都必须达到完全相同的结果，否则就会在逻辑上自相矛盾，理论推导也就无法进行下去。

综上所述，这个世界的运动变化之所以表现出某些规律性，原因不仅在于这些规律客观真实的存在着，更在于我们有一双善于发现规律的眼睛，我们敏锐捕捉到物体运动的相同点和不同点，我们坚定的相信：相同的物体在相同的起点下，经过相同的过程必然达到相同的结果。在这一普遍规律的支撑下，我们可以进行理论推导，可以探索未知世界，也可以对全新的科学理论做出检验。

现在的问题在于：规律自身具备怎样的特性？如果有两种自相矛盾的规律都可以解释同一个现象，那么，两个规律孰是孰非？我们又该何去何从呢？

6.5 规律的演进

秦始皇的生父究竟是吕不韦还是公子异人？赵匡胤究竟是病死的，还是烛光斧影下遇害身亡？作为现代人，这些宫闱秘事当然无法尽知，然而，几乎所有人都深信不疑的是，事实只有一个，真相只有一个：秦始皇的父亲无论是谁，都只可能是一个人，不可能是几个人合作的结果；赵匡胤也只有一种死法，不可能先后以不同方式死两到三次。然而，由于“真相”只是一个为了解释所有“现象”而构建的理论模型，因此，在同一个现象的背后，很可能同时隐藏着两组以上的“事实真相”，在同一组事实的背后，也很可能同时隐藏着两组以上的规律，如果遇到这样的问题，我们又该何去何从呢？

其实早在孔子周游列国的途中，就曾经遇到过这样的问题：有一天，孔子看到两个小孩在路旁争论，一个孩子说，早晨的太阳距离我们更近一些；另一个孩子说，中午的太阳距离我们更近。孔子不解，便忙追问其中的缘由。第一个孩子说，早晨太阳看起来像车轮那么大，中午看起来只有盘子那么小，而太阳本身的大小不变，根据常识，距离我们更近的物体看起来更大，所以当然是早晨的太阳离我们近了。但另一个孩子接着说，早晨的太阳很冷，中午的太阳很热，而太阳本身的温度不变，根据常识，当然是太阳距离我们更近时更热了。所以，自然是中午的太阳距离我们更近。面对这样的一对矛盾，孔子也不知所措。

现在，在面对太阳的同一组现象时，出现了两组相互矛盾的理论模型：一个是近大远小，另一个是近热远冷。显然，太阳只有一个，不可能即大又小，即热又冷；距离的变化也只有一种可能，不可能即远又近；因此真理也只能有一个，不可能两个理论都正确？遇到这类问题时，我们应该如何处理呢？尽管根据常识，这两个理论模型似乎都没有错误，但既然两个理论模型得出了截然相反的结论，我们就应该在它们之间进行取舍，对已有的理论模型加以修改完善。

今天的我们已经知道，上述推理过程不仅存在着理论错误，而且存在着因果倒置的逻辑错误，虽然近大远小是正确的，但这并不意味着大近小远；虽然近热远冷是正确的，但这并也不意味着热近冷远。因为导致物体看起来更大或者感觉更热的还有其他原因，比如视觉对比错误或阳光入射角度。因此修正现有的理论模型，就是我们处理多种理论模型相冲突的第一类解决办法。

接下来，我们看看第二类处理方法：假设我们正在实验室中对一根木棍的长度进行测量，结果显示，木棍的长度是30厘米，接下来又经过很多人利用各种测量工具反复测量，木棍的长度始终保持30厘米不变，于是大家得出结论，该木棍是一个固体，它的长度是30厘米，并且保持不变。但此时，有人却说：其实世界上所有物体的长度都会随着时间的自动变长，只不过，由于木棍和测量工具增长的速度和比例是一样的，当我们用变长了的尺子测量变长的木棍时，发现刻度保持不变，因此，我们无法通过测量发现木棍长度的变化。

首先我们必须承认，如果按照这个人的理论，我们同样可以解释一切，甚至我们无法找出任何证据证明他的理论一定是错误的。现在解释木棍的长度不变的模型有两个：一是固体长度保持不变；二是木棍、尺子和以及空间的长度会按同样的比例自动变大。二者相互矛盾，但又没有其他证据证明哪一个是错的，在这种情况下我们应该如何取舍呢？舍烦就简！我们会自动舍去复杂的理论模型，而采用理解起来更简单的那一个。为什么要这么做？没有任何理由！按照奥卡姆剃刀原则，选择简单的目的只是为了简单。既然二者相互矛盾，而且较复杂的一个理论也拿不出更多证据支撑，我们何必不选择更简单的那一个呢？

简单性原则告诉我们：理论越简单、越容易理解也就越接近真实。然而既然如此，我们现代人为什么普遍相信地球绕着太阳转，而不是太阳东升西落呢？难道太阳东升西落不是更简单、更符合我们的直观感受吗？这就涉及到了我们对理论模型的第三个选择标准：普适性原则。

普适性原则实际上是简单性原则的一个扩展版本。为了从根本上实现简单的目的，我们总是期望用尽可能少的理论模型去解释尽可能多的现象。如果我们在选择理论模型的时候只依赖简单原则，就会导致这样一个复杂的结果：世界上发生多少个事件就存在多少个理论模型去解释它们。毕竟，最简单的解释方法就是用自己解释自己，或者说，最简单的解释方法就是不用解释，但这显然不是我们期望的结果。普适性原则告诉我们：一个理论能够解释的现象越多，适用的范围越广，也就越接近真理。因此，当两个模型发生冲突的时候，我们就会选择使用范围更广、或者说普适性更强的那一个。

当然，所谓普适性更强是相对于人类的视野而言的，如果我们观察到的现象本来就有限，那么按照简单原则，我们仍然会选择更容易理解的那个理论。比如：在古代的时候，人类认识世界的能力不强，发现的现象也有限，用太阳东升西落的理论模型本就具有很高的普适性。因此古代的人们普遍认为大地岿然不动，是整个宇宙的中心，日月星辰都在围着地球转。如果在这种情况下有人强调地球上的物体都在和地球一起匀速转动，反倒会把理论模型复杂化。因此，地心说的宇宙模型是符合当时的观测事实的。只有人类的脚步进入太空，人类的视野拓展到整个宇宙时，地球围着太阳转才成为了更具普适性的理论模型。然而，如果人类一直认为地球是宇宙的中心，就不会有进入太空的可能；同时，如果人类的视野无法拓展到整个宇宙，我们也无法发现地球围绕太阳转的秘密。那么，这一切又是如何发生的呢？

在人类文明的进程中，追求更简单更具普适性的理论模型就是在求真求美。也正是在这种力量的驱使下，我们才能够开启对宇宙空间的探索之旅。随着时间的演进，我们一方面拓展自己的视野，发现更多奇妙的自然现象；一方面修正自己的理论模型，使其更具普适性。

对于哥白尼而言，尽管地心说已经相当完备了，但是它似乎还不够精简，不够完美。为了求美，哥白尼把太阳放在了宇宙的中心，于是行星的轨道就可以接近正圆了；虽然哥白尼的理论够美，然而还不具备更高的普适性，太阳与其他的恒星有什么不同，为什么其他恒星一定要围绕太阳运转呢？于是为了追求更大的普适性，伽利略取消了太阳在宇宙中心的地位，把太阳降级为一颗普通的恒星；在地心说和日心说两种模型争执不下时，第谷为了寻求真相，进行了数十年的观察积累；而为了完美的符合第谷的观测数据，开普勒又把行星的轨道修正为椭圆，并以著名的行星三定律为天空立法；本来，以天文观测而言，开普勒的三定律已经足够精简，足够美观了，但为了追求更大的普适性，进一步把天空的运动和地面的运动统一起来，牛顿又建立了万有引力定律和牛顿三定律；同样，当麦克斯韦理论的出现时，电磁学理论看似与经典力学无法完美兼容；于是，同样源于对普适性的追求，爱因斯坦通过狭义相对论把经典力学和麦克斯韦电磁理论统一了起来。随着时代的进步，人类求真求美的科学精神却始终未变，在一代代科学家手中薪火相传……

目前，相对论早已成为解释一切宏观运动的最具普适性的理论模型。然而，简单性和普适性二者似乎不可兼得：在哥白尼和开普勒的时代，利用初等数学就可以解决问题，而在伽利略和牛顿的时代，微积分是必须掌握的基本知识，到了广义相对论的时代，黎曼几何又成为了我们认识世界的数学基础。这也就意味着，当普适性和简单性发生冲突的时候，我们选择普适性而放弃简单性原则。

欲穷千里目，更上一层楼，我们要想开拓自己的视野，从一个更加宏观的角度窥见宇宙的奥秘，就必须要与时俱进，努力提升自己的修养。接下来，就让我们进入物理学的领域，通过最普遍的科学规律，从时间、空间和运动的基本关系开始，一起探究那个更具普适性的运动理论：狭义相对论。

文章标题: 《重读相对论》第6章 相对论哲学
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文章标签：相对论  科普  哲学
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