思维简史–从丛林到宇宙

伦纳德·蒙洛迪诺 2018.4

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人类的长处在哪里？为什么我们的祖先能够打败剑齿虎？

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思维能力

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好奇心和不断从失败中总结经验的本领

• 对未知的探求
• 对已知的总结（系统的思考方法）
• 对极限的挑战

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人与人的差异不在学识，更不是金钱，而是思维方式和做事方法。

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开启科学的第一步，是脱离日常生活

• 伽利略的铁球思想实验
• 牛顿的“自然哲学的数学原理”

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想法先行，产生超越日常事物又有价值的想法，是科学进步的本质行为。

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科学故事的主题是革命

亚里士多德-伽利略-牛顿-爱因斯坦-波尔

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为什么说古代中国没有科学？

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科学是一个反常识的，永远在革命，不以实用为目的的东西，是纯粹的精神追求，是人类想要知道这个世界的底层逻辑，是想破解世界的源代码。

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没有科学是正常的，有科学是不正常的。

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科学家的初心：

• 想要知道世界的底层逻辑
• 要用数学方法来精确表述
• 用实验和观测来验证自己的结论

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思维水平的发展在于从不同的视角去看世界。

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例子：

道士第一天下山，第二天上山，有没有在两天的同一时刻他恰好处于同一地点？

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如何思考？思考问题的角度是什么？

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人类理解能力的进步就是由一批又一批跳出原有思维模式的人推动的。

既“疯狂”，又具有“远见”

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强大的思考力是一种技艺，它值得你把它做好。————苏格拉底

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科学家的法宝：

• 灵活多变和不墨守成规的思考方式
• 耐心的探索
• 对他人相信的东西不盲从
• 改变自己看法的勇气
• 对于一定存在答案和我们必将发现答案的信心

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探索之旅

1. 哲学的诞生
2. 自然科学的诞生
3. 不可见领域的探索

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科学会影响人类的思考方式，而人类的思考方式的变化也在影响科学的发展，在科学理论的构建中发挥着关键的作用。

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第一部分 直立的思想家

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求知欲

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大脑思考为什么

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人类有能力用推理替代本能，并质疑我们的环境，这是科学思维的先决条件，是人类物种最重要的特质。

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当200万年前的一个人类发现用石头以一个角度砸另一块石头可以获得具有锋利特性的石头碎片的时候，人类在认识和改变自然，提高自身生存优势的道路上迈出了第一步。

这一步是大脑赋予我们的力量，超越了我们身体的局限。

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180万年前的非洲“直立人”，拥有想象力和计划能力，可以设计复杂的工具，学会用火。

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20万年前，智人。更大的大脑。

问为什么的能力。

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提出正确的问题是一个人所拥有的最重要的天赋。

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照镜子

认识自己—》我是谁？

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人类为什么定居？

公元前10000年，“哥贝克力石阵”—人类的第一座“教堂”

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共有文化和共享精神信仰的开端—“文化”

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所有伟大思想家的辉煌成就都不是凭空而来的，而是基于前人的知识，在别人的协助下完成的。

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人是唯一可以通过过去的知识和创新去创造的动物。

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文化棘轮效应—互联性

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“并不是需要你有多聪明，而是看你的交际范围有多广”—马克 托马斯，进化遗传学家

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人类聚集后的副产品：

• 新的职业—为了追求观点，而不是获取食物
• 保存知识的手段
• 科学的语言的发展
• 规则与概念的产生

文明

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公元前4000年近东地区，城市的出现（逐步出现）————乌鲁克

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城市-》分工-》合作-》需要制定规则，记录与交易

思考者的出现

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思考者的工具：
阅读，书写，计算

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语言：人类物种的重要特征

文字：人类文明的重要特征

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“至今还没有发现过不会说话的部落，也没有记录显示有哪种语言从作为语言‘摇篮’的某个地区扩散到之前没有语言的族群。” —史蒂文·平克

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当一项新技术出现时，它最初的应用和后来的应用可能大相径庭，也许对它的发明者来说，很多时候也不清楚它到底有什么实际意义。

语言就是这样。。。

很多创新也是这样。。。

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对文字的改造—简化

用文字表达情感

用概念代表音节

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公元前1200年，腓尼基字母表的诞生-》公元前800年，希腊字母

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公元前500年，数学符号，印度，0

理清逻辑关系，有助人类思考

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用“定律”的方式理解自然

思考不再局限于单独的个例，而是把它抽象化

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“人类似乎非常想以人类社会的形式去解释自然。”—埃德加·齐尔塞耳（Edgar Zilsel），历史学家

我们通过故事来描绘我们的生活，把我们学到和经历过的东西拼凑在一起，形成我们是谁和我们在宇宙中位置的世界观。

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“在远方有这样一个巨大的世界，它独立于人类而存在，在我们面前它仿佛是一个巨大的、永恒的谜题，我们只能通过观察和思考有限度地靠近它。对于这个世界的沉思意味着解脱……通往这个天堂的道路……证明了它的可靠，我从未后悔自己选择了它。” —爱因斯坦

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公元前700年，荷马史诗，原始宇宙理论，对自然现象的解释

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我们需要世界的因果关系和秩序

我们一直在问为什么。

神话可以吗？

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“人应该对一个混乱的世界有所预期，这个世界无法以任何形式被人的大脑所理解。”—爱因斯坦

但是：

他又说：“关于宇宙最不可理解的事情竟然是它可以被理解”。

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秩序统治世界，掌管自然秩序的法则没有必要通过神话来解释。

人类拥有破译自然蓝图的独特能力。

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公元前600年，米利都城，希腊，贸易中心

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财富给了人们以闲暇，去思索有关存在的宏大问题

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泰勒斯，预言日食

自然依照科学定律运行，可以预测和解释

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“要耐心对待你心中的未解之事，试着去喜欢问题。。。去实践问题。” —雷纳·马利亚·里尔克，诗人

在科学中，最重要的是提出正确问题的能力。

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毕达哥拉斯（约公元前570—前490），发现音乐的本质，宇宙依靠数字关系来构建

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数学语言帮助科学更深入的发掘理论的意义，由于内在的推理和逻辑规则，比普通语言更具洞察力和精确性。

增强表达效果，阐明内在关系，引发推理过程。

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亚里士多德（公元前384—前322），自然变化产生于物体自身，即自然变化的诱因是物体固有的性质或者构成

• 百科全书式，对“常识”的总结

• 对传统智慧的依赖。“所有人都相信的就是真的。”

• 定性的研究而非定量（受限于测量条件和工具）

• 目的论，用事物的目的来分析物质世界（阻碍了科学的进步）

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世界本无目的：
无论我们的生命有多悲惨或多成功，都和恒星爆炸一样是同一种冷漠定律的结果，无论是好是坏，生命都是一件礼物，一个从统治我们世界的那些枯燥无味的公式中诞生的奇迹

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“我的物理学只是第一步，因而也是很小的一步，尽管它花费了我很多的思考和辛苦劳动。人们必须以第一步的眼光看待它，并以宽容的态度去评价它。你，我的读者或者我讲座的听众，如果你认为作为一个开局我已经做到了我所能做到的一切……将会认可我的成就，也会原谅我将余下的工作留待他人去完成。”————亚里士多德

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如果说在科学发展史和普遍的人类思想中存在着一个阻碍进步的障碍，那就是对于过去————以及现在的————观念的愚忠。

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学习使用推理去分析宇宙，我们到达了一个辉煌的科学新世界的彼岸。但这仅仅是一个更伟大的探险之旅的开端。

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第二部分 科学

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作为一种理解物理世界，而非我们精神体验（至少目前不是）的工具，数学公式的应用已经取得了前所未有的成功。

我们在利用数学方法帮助理解物理世界的有效性上已经达成了广泛的共识。然而这一观念却花费了很长时间才流行起来。

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现代科学作为一种形而上学体系是建立在自然世界依照某种规律运行这种观念之上的

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• 欧洲漫长的中世纪—罗马对希腊的征服
• 阿拉伯世界对希腊知识的保存—伊斯兰科学家的隔离
• 中国—教育制度，不重视科学与技术创新
• 印度—种姓

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11世纪末期，欧洲文艺复兴—本笃会的修士康斯坦丁诺斯·阿弗里卡纳斯把希腊医学论文从阿拉伯语翻译成拉丁语

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研究希腊智慧的实用性动机

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知识在实用价值之外赋予了新的价值，引发人们对自然科学的理解

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1088年博格尼亚，大学的出现—思想的交流

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并不是一群人有意识的联合起来去创造一个新的思想体系，真正的真相是，“科学革命”的变化通常是循序渐进的。

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中世纪科学家面临的挑战

• 对已有知识和信仰的颠覆
• 人们评判事实的标准（是否符合信仰体系）
• 数学工具的不完备
• 测量手段的低劣
• 思考方式的局限

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牛津大学墨顿学院

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“墨顿法则”：物体从静止状态开始持续加速所经过的距离，和以加速物体最高速度一半的速度运动的物体在相同时间内经过的距离相同。

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“（大自然）这本书是无法读懂的，除非你首先学会理解和读懂写成它的语言和字母，它由数学这种语言写成，它的文字是三角形、圆形和其他几何图形，没有它们，人类就无法读懂其中哪怕一个单词；没有它们，人类只能在黑暗的迷宫里徘徊。”—伽利略

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尼克尔·奥雷姆（1320—1382）

发明新的数学工具————用图表描述“墨顿法则”

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1450年左右,欧洲，机械化活字印刷机————改变思想和信息流通方式

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对自然现象的重新重视

对数据进行收集和总结

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达芬奇————投入大量精力感知自然设计的精妙

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1654，伽利略

伽利略·伽利雷，由佛兰德艺术家贾斯特斯·苏斯特曼斯绘于1636年

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重视实验————验证观点正确与否

重视探索————得到意想不到的结果，反思思路

重视量化

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设计出一个好实验的技巧在很大程度上取决于你知道这个问题的哪些方面是重要的，你要保留，哪些方面你可以安全地忽略——以及如何解释你的实验结果。

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“我们必须摆脱这些困难。。。在经验带给我们的局限性下，制造没有阻力的条件发现并论证这个定律，……使用它们并把它们应用（到现实世界中）……”————伽利略用实验验证亚里士多德的自由落体定律

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思想实验：船舱中的抛球游戏，反驳亚里士多德的抛射物问题解释（空气颗粒的不断推动）

伽利略发现惯性定律

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我们倾向于把科学的发展看成是一系列的发现，它们通过一些单独的、拥有清晰和非凡视角的学术巨擘的努力一个引导着另一个出现。但学术史上那些伟大发现的视角通常是含糊的，而不是清晰的，相较于传奇故事，或者发现者自己经常希望去承认的那样，他们的成就更要归功于他们的朋友和同事——以及运气。

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望远镜的（偶然）发明
1610年3月,《星空信使》，畅销书，改变人们对宇宙的认识，与宗教的宣传相悖

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“他（伽利略）不仅照亮了佛罗伦萨，也照亮了全世界和整个世纪。从这个非凡的人物身上，我们获得的辉煌要比从几乎所有其他普通哲学家身上获得的辉煌还要多。”

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牛顿！！！

受目的驱动的自然观—》受数字驱动的宇宙观

世界可被精确预测

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“在相同的公式中囊括宇宙中最大的天体以及最小的原子的运动；对牛顿理论来说没有什么东西是不确定的，未来，就像过去一样，将会展现在它的眼前”

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好奇心，对宇宙本质的探究与宗教信仰结合

对《圣经》进行数学分析

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对亚里士多德学说的质疑，采用精确推理方式思考

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记笔记

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瞬时速度—微积分的发明

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所有物理学家以及所有革新家的错误观点比正确观点还要多，如果他们非常擅长做自己所做的事情，他们也同样拥有疯狂的想法，而这些才是最好的那种——当然，只要它们是正确的。

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“想有一个伟大的点子，那就多去想些点子。”–爱迪生

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任何一个革新家在走上金光大道之前都会钻进更多的死胡同，如果担心走错方向而停滞不前，你永远不会到达某个有意思的地方。

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1669-1684，孤立的研究，炼金术

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1684，与哈雷的见面。开普勒行星运动定律，如何在数学上证明它？

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1684.11 《论天体在轨道上的运动》
1684.11-1686.5 《自然哲学的数学原理》

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重力的观点并不是苹果引发的顿悟，而是在撰写《数学原理》的过程中逐渐发展起来的

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运动三定律：

1. 惯性
2. 力是改变物体运动状态的原因
3. 力的相互性

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用定律解释自然现象

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“这些原理在我看来，并不具备神秘特质……而是自然界的普遍定律……它们的真理以各种形式呈现在我们眼前，尽管它们的原因目前尚未被发现。”

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这里长眠着艾萨克·牛顿爵士，他凭借近乎神圣的思考力，以及他独有的数学原理，探索了行星的轨道和形状、彗星的路径、大海的潮汐、光线的差异以及由此产生的颜色的性质，这一点别的学者之前从未设想过。他用勤奋、睿智以及忠诚诠释了自然、历史和《圣经》，他以他的哲学思想维护了全能和仁慈的上帝的威严，并通过他的举止传达了《福音书》的简朴。人类应该为他们中间曾经存过这样一个伟大的装饰物而感到欣喜！他生于1642年12月25日，殁于1726年3月20日。—牛顿的墓碑

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对物质构成的探索————化学

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实用性：

• 防腐

• 炼金

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物理与化学的区别

化学家需要一定的勇气

化学具有一种求知和征服物质的高贵品质

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化学研究的难度————难以从肉眼看到的现象推断物质构成

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帕拉塞尔苏斯的新式炼金术————用药物治疗疾病

化学一词的由来

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怀疑主义：
英国皇家学会：不要把任何人的话当作真理，尤其是“别把亚里士多德的话当作真理“

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罗伯特·玻意耳（富二代）化学实验室

气不是元素，而是由不同成分构成

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测量手段的进步————仪器

18世纪晚期，集气槽

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普里斯特利 1733—1804

对燃烧中气体的研究，但还固守“燃素”

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安托万·拉瓦锡（1743—1794）（20岁继承大笔遗产）

化学是“建立在极少数事实之上的……由完全不一致的观点和未经证明的假定构成的……未曾被科学逻辑触及的”主题

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采用量化方法，改进普利斯特利的实验

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发现氧气

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质量守恒定律

将化学变化视为元素的组合和再组合的过程

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发明了一种根据元素构成来命名化合物的标准体系

《化学纲要》

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人们经常会提及“科学长征”，但科学并不会自己往前走；是人在推动它向前发展，和行军相比，我们向前发展的过程更像是一场接力赛。并且，这是一场相当古怪的接力赛，因为那些接棒的人经常会向上一个赛跑者意想不到，也不会认可的方向前进。

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约翰·道尔顿（1766—1844）

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在实验室中可以进行的测量来计算原子相对重量的方法

《化学哲学新体系》 5/916

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元素可以由原子质量来区分，原子质量与物理性质有什么关系？

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已经完成的科学理论在经过详细论述后看起来似乎都是显而易见的，但创造它们通常只能依靠巨大的毅力。

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德米特里·门捷列夫（1834—1907）

“戒除空想，专注工作，放弃空谈。耐心寻找上帝和科学的真理。”

依靠直觉和信念的坚持

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每一个伟大发现和创新都源自人类洞察力和幸福环境的结合。

元素可按族划分的观点在19世纪60年代传遍了欧洲

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契机：按一定规律讲授化学

构建”周期表“，过程足够艰辛（人们不理解原子质量与化学性质的关系，很多元素并不存在）

那些成功的方案远远没有那些不成功的方案数量多，错误的方案很快就会被人们遗忘

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“元素周期表”————化学家版的牛顿定律

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第三部分 超越感官

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原子是否存在？

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我们如何“看见”原子？

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肉眼——————望远镜显微镜——————统计观测数据

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“我的座右铭永远都是：提前仔细思考每一步，但接下来，如果你相信自己可以承担这份责任，不要让任何东西阻止你。” ——————普朗克

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在科学领域，有太多普通的人提出普通的问题，他们中的很多人也会做得不错。但最成功的研究人员通常是那些提出古怪问题的人，这些问题没有人想过，或者被其他人认为没有意思。因为他们引出的麻烦，这些人会被看作是异类、怪人，甚至是疯子——直到他们被认为是天才的那一天。

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黑体辐射现象

采用经典牛顿力学不能解释

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普朗克反方向出发，总结一个经验公式，完美符合实验数据（亨里奇·鲁本斯）

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公式需要解释————求助原子假设（路德维格·玻尔兹曼）

对于和自己的成见相左的观点的开放态度就是科学应该如何去做的方式

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用费解的理论解释费解的猜想
普朗克常量————量子理论的诞生

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1900年，主流物理学界并不兴奋，量子理论此时只是假说，比较符合实验，物理学家还是希望找到连续描述世界的方法（詹姆斯·金斯）。

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人们倾向于继续相信他们一直相信的东西。

“科学新真理并不通过说服反对者来取得胜利， 而是因为它的反对者最终都将死去，而熟悉它的新一代将会茁壮成长。”

“”

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“吸引人们投入到艺术和科学研究中的一个最强烈的动机是他们可以从日常生活里那些让人痛苦的粗鄙和毫无希望的枯燥中逃离……每一个动机都让这个宇宙和它的结构成为他情感生活的支点，从而以这种方式寻获平静和安全感，而这些是他无法从个人经历的狭隘旋涡中找到的。” —爱因斯坦

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1905年，爱因斯坦奇迹年，三篇论文：

1. 狭义相对论（麦克斯韦方程，光速不变下的推导）（对牛顿理论的修正）
2. 原子（解释布朗运动）
3. 量子（解释光电效应）（离散的特性视为辐射本身固有的属性）（波粒二象性，宏观的波动，微观的粒子，水）

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在最精密的科学中引入真正的新概念在某些时候就必须得冒险————普朗克评价爱因斯坦

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爱因斯坦赋予新生代思想家勇气，让他们在考虑挑战旧有观念时更加容易

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理论物理学一种令人陶醉的吸引力是，新的观点有可能会对我们的思维乃至生活方式产生巨大的影响。
还存在另一种可能性：那就是你想到的或者偶然发现的一个观点具有如此强大的能量，以至于它远远不只是自然界的一个小秘密，而是某个改变你的同事————乃至整个人类社会————看待宇宙方式的东西。

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研究的前沿笼罩着一片迷雾，任何积极活跃的科学家在沿着无趣或没有希望的探索之路前行时一定会浪费精力。但成功的物理学家之所以能脱颖而出，是因为他们有选择既具启发性又可以被解决的问题的窍门（或运气）。。。

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光量子理论在爱因斯坦提出的10年中一直没有进展。。。

直到。。。

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技术在科学发展中的作用：

爱因斯坦和普朗克的理论进步之所以能够实现，只是因为技术创新赋予了实验家探索涉及原子的物理过程的能力。

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助手盖革和大学生马斯登的发现
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卢瑟福原子模型
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这个模型在经典牛顿理论下不稳定！！！

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大多数理论并不是宏大领域的决定性理论，而只是用以解释一种特定情况的具体模型。因此，即使它们有缺点，并且某种模型在某些情况下也会失效，但它毫无疑问是有用的。

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尼尔斯·玻尔（1885—1962）

解释卢瑟福模型的稳定性问题

在1913年与一个朋友偶然的聊天后才最终定型

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量子化是解释卢瑟福原子稳定性的关键

    ————因而也是宇宙中所有物质的关键

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爱因斯坦的评价：他之前有过类似的想法，但由于这些想法“极其新奇”，他没有勇气发表它们。
“（有史以来）最伟大的发现之一”。

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英国物理学界一位重要的老前辈瑞利勋爵：
“年过七十的人在表达对于新理论的看法时不应该草率”

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