科学家的想象力

发表于 科幻世界2004年第2期 

科学家的想象力

 

作者:杨贵福

 

“想象力,是在已知的事实或已有的观念的基础上,在思想上创造出新形象的能力。”[1]

圣经说,雨后七色的虹高挂于云天之上,那是上帝与人类订下的永约的记号[2]

古希腊神话说,英雄阿喀琉斯拥有无比的勇气和力量,他面对太阳神也不屈地扬起拳头,直到卑鄙的小人把冷箭射向他的脚踵。

科学家特南鲍姆说,光线在光纤中衰减很小,如果把世界上大洋中的海水都换成光纤,那么我们就可以从高高的天空,看到海底的每一粒细沙。[3]

有人说,人类是外星人的后代。还有人说,工业革命之前的农耕时期才是人类的黄金时代。

这些,都是想象力。

无论是宗教的、神话的想象力,还是科学家的、伪科学宣传者的、反科学的想象力,作为人类的心理活动,都具有想象力的一般特征。

想象力之于科学研究,是必不可少的,正如想象力之于艺术。没有想象力的艺术,是苍白的;而没有想象力的科学,则只能停留于表面的经验公式,不能创造出构建我们这个世界模型的伟大理论。所以,李政道先生说“科学和艺术是不可分割的,就像一枚硬币的两面。它们共同的基础是人类的创造力,他们追求的目标都是真理的普遍性。”

但是,不同于艺术,科学家的想象力,必须受到时间和实践的烈火地检验,才能越发显现出光彩。也正由于这一特点,科学家的想象力,有点与众不同。

 

一、科学家的想象力,必须有坚实的理论基础,才能被正确描述和理解。

正如善感的人吟唱着:在你的身边,每时每刻都有无数电磁波在穿透或绕过你的身体,而你完全没有注意(接着唱道,正如我对你的爱)。但是吟唱着的人们真地了解电磁波吗?

电磁学中,关于场的定律定量的数学描述,都总括在麦克斯韦方程内。除了可见光,从未见过其它电磁波的麦克斯韦(事实上,如果不借助科学仪器,没有人直接看到可见光外的电磁波),预言了电磁波的存在,并借助数学工具,想象出电磁波的特征和规律。正是根据这些,赫兹第一次证实了电磁波的存在,而且用实验证实了它的速度等于光速。

有时候,验证的方法是容易找到的,但是前提是你首先要深刻理解你想证明或证伪的理论。

科学家说,宇宙从大爆炸中醒来,不断扩张直到现在。当遥远的恒星不断远离我们,它们美丽的光谱出现了红移。鼎鼎大名的多普勒效应这样告诉我们。可是,多普勒效应的发现者最初如何在他那个时代验证多普勒效应呢?他请了一些吹小号的人坐在火车拉着的平板车上,然后请了一群能听出绝对音高的音乐家坐在铁轨边,让他们用耳朵分辨声源靠近和远离时的频率。小号的声音一直延续到今天,在数学公式上与恒星的远离一起振动。

麦克斯韦们的想象是大胆的,同时更重要的,它们也是严密的,需要一定的数学物理基础,才能真正的正确理解。

在这一点上,科学不同于艺术。艺术想象的目的,是唤起人们的感情,感情越强烈、越普遍,则艺术作品越成功。如果最终不能为大众所接受,则艺术作品就只有死亡。而科学而不同,它并不以大众的理解为目的。衡量科学的标准,并不取决于有多少人、多么强烈地理解和支持某一想象的依据或理论。所以,梵高的悲剧与康托尔的悲剧有着些许的区别。

科学的标准是实践。只要想象或理论与实践符合,就能为人类带来利益。你不相信电磁波的存在,并不妨碍你看电视、听广播,或发无线电求救。你也尽可认为那是上帝之手在传递信息,只是工程师们并不按照你的理论工作。

所以说,每个时代的人们,都有自己的想象空间。在这个基础上,《巴比伦塔》就是那个时代合理的想象。

关于合理,王小波先生讲过一段略带苦味的笑话。[4]

“物理学家维纳曾说,在理论上人可以通过一根电线来传输;既然如此,你怎么能肯定地说药片不可能穿过药瓶?爱因斯坦说,假如一个车厢以极高的速度运动,其中的时间就会变慢;既然如此,三国时的徐庶为什么就不能还在人间?答案是:维纳、爱因斯坦说话,不该让外行人听见。我还听说有位山里人进城,看见城里的电灯,就买个灯泡回家,把它用皮绳吊起来,然后指着它破口大骂:‘妈的,你为什么不亮!’很显然,城里人点电灯,也不该让山里人看到。现在的情况是:人家听也听到了,看也看到了;我们负有解释之责。我的解释是这样的:科学对于公众来说,确实犯下了过于深奥的罪孽。虽然如此,科学仍然是理性的产物。它是世界上最老实、最本分的东西,而气功呼风唤雨、药片穿瓶子,就不那么老实。”

如果说,由于理论化的东西过于枯燥,很难举出生动而浅显的例子,我们不妨看一个貌似简单,但是没有一定的理论基础就无法展开想象的翅膀的例子。

让我们看一个想象中的魔术吧。有两个盒子在你的面前,一个黑色,一个白色。你的面前还有一个小球,现在放在黑色的盒子里。从现在起计时,当一分钟到达时,魔术师把小球从黑盒中拿出,放入白盒,再接着计时。当1/2分钟到达时,魔术师把小球从白盒中拿出,放入黑盒。当1/4分钟到达时,小球又从白盒里到了黑盒里。以后,每次计时到上一次的1/2,小球就换到另一个盒子里……。1/81/161/32,时间在流逝。直到,从我们的魔术开始那一刻算起,2分钟到了,魔术师停了下来。你可能正沉醉在越来越短的时间段里小球影子般的跳动中,问题来了。2分钟的时候,小球在黑盒里,还是在白盒里呢?[5]

运用高等数学中的极限知识,你能轻易地指出,魔术师耍了一个什么样的小骗术。客观世界与科学家们为客观世界所建立的模型中,到处都是这样的小骗术。如果你还没有接触这些知识的话,那么穷尽你的想象力,也只可能有两种结果。其一是你的想象没有帮助你得出结论,其二是你是牛顿一样少见的伟大科学家,独立重新发现极限理论。

 

二、科学家的想象力无比瑰丽。

你可能会觉得,受到理论基础束缚的科学的想象力,是否会变得苍白无力呢?让同样只在想象中存在的武侠世界来回答我们的问题吧。

杨过在独孤求败的剑冢发现玄铁重剑。“见那剑两边剑锋都是钝口,剑尖更圆圆的似是个半球,心想:‘此剑如此沉重,又怎能使得灵便?何况剑尖剑锋都不开口,也算得奇了。’看剑下的石刻时,见两行小字道:‘重剑无锋,大巧不工。四十岁前恃之横行天下。’”[6]

自此以后,杨过抛弃了先前灵动的剑法,改为无坚不摧的玄铁剑法,他本人也从跳脱的少侠逐渐转变为沉稳的神雕侠。谁又能说,杨过后来受到沉重的剑法束缚了呢?谁又能说,与先前灵动的剑法相比,玄铁剑法是缺乏想象力的呢?我们只能说,他先前的剑法,有些年少的轻狂吧。

理论基础对于科学家的想象力,从来就不是束缚,而是翅膀。翅膀,本不必斑斓多彩;美丽的应该是天空和梦想,而不是羽翼。荀子转述孔子的话说:“吾尝终日而思矣,不如须臾之所学也。”在前人的肩膀上,你才能领略到科学家的想象力的瑰丽雄奇。

在二战的烽火使图灵先生在解密领域创造奇迹之前,早在193624岁,远在甚至最了不起的幻想家都没有想象到电子计算机之前,他就设想了一种虚拟的机器。这台机器拥有一条无限长的纸带、一个读写头,和一个控制装置。对于不具备足够基础知识来理解该模型的人,这只是粗糙无聊的东西,而当这些机器在科家们的头脑中开动起来,它们有些能做加法(只要在纸带上先写好两个数,然后让图灵机运行,最后机器停止时写在纸条上的那个数就是起先两数的和),有些能做乘法,等等等等。这就是在信息科学史上和“冯·诺依曼机器”齐名的,或者应该说更有名的“图灵机”。你可能会说,这样的想象枯燥而苍白,有什么用处?事实上,我们现在接触的所有的计算机及其中的程序,都是依据这一原理设计的。当然,它的间接产物里也该包括你手里这本使用计算机排版的杂志。

当我们的心灵在虚拟的世界里流连忘返的时候,你可听到,图灵的想象力在展开翅膀?

图灵的想象,我们这里只是简单地描述。它的深刻原理,我们难以尽述的,是数学。这样的想象力,只有在你了解了它的内涵之后,才会惊叹它的奇妙,而在此之前,只有它所创造的和对它粗浅的描述,让你看到一个极不完整的轮廓。云锁山峰,只有亲自登临才能触到大师的灵魂。

所有伟大的科学家的想象,是无法全部枚举的。

克劳得·香农的是伟大的数学家和工程师,你可能不知道他的名字。但是,你一定知道由他的理论所定义信息单位“比特”。我们通常简单地说,比特描述了信息中的“1”或“0”。但是,这只是最简单的说法。事实上,香农使用概率和熵定义了由J. W. Tukey提出的这一概念。[7]我们使用的通信系统,尤其是计算机网络,无一不是香农想象力之下的产物。如今,香农的塑像在新泽西的贝尔实验室俯视着我们,他的身旁放置着他的经典论文《通信的数学理论》,这本书中的光辉思想,照亮整个世界的网络。《通信的数学理论》发表于1947年,世界上第一台电子计算机ENIAC,诞生于此前一年,因特网的前身,在二十多年后才出现。而此时,一个什么样的网络世界,已经在香农的想象中存在?

有人发出这样的慨叹:“香农的论文非常清晰,充满了深刻的见解。我认为他的信道容量的公式,也就是关于在零错误概率下信息最大传输率的公式,是我们这个领域里最简洁,最有力而且最漂亮的公式之一。今天这样的公式又在哪呢?”面对贝尔实验室作者近年来的贡献,他说:“一边是香农的信息论的构想,另一边是现实世界中的计算机通讯协议设计。我想这就是结果吧,后者是留给我们这些俗人来做的。”[8]

能够读懂香农的想象,并发出这样的慨叹,认为自己是俗人的,其实却是伟大的工程师和科学家。而我们,自以为是地无畏地指出科学家们的错误,同时,却甚至不能完全读懂香农的论文中的第一个公式。没有足够的理论修养,不能借助科学的工具,我们甚至不能看到科学家想象的翅膀上的一点亮斑,更不用说推倒科学家构造的闪光的大厦。

至于我们津津乐道的克拉克的想象力与同步卫星,那是克拉克以专业科学家身份,写下的一篇真正的科学论文,发表在正规的科学杂志上。[9]

可以说,借助于数学、逻辑这样的工具,科学家的想象力,超乎我们即使外表多姿多彩而内核仍平庸无奇的想象力。听一听最注重想象力的爱因斯坦的声音吧,“伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重要意义。” [10]如果不是这句话,我们中的有些人可能真的以为相对论甚至描述我们整个世界的科学模型,单单是奇幻的想象力的孩子。

 

三、对于科学而言,想象力只是工具,科学家应该能够区分想象与事实。

科学,只要它的理论能指导实践,带来利益,大众对其描述是枯燥还是感性,通常兴趣不大。所以,许多科学家的瑰丽的想象并未广为人知。感性的描述,不过是想象力的直观些的解释罢了。许多理想实验的描述、数学原理的解释,只是一种为了便于我们理解的形象描述,与事实相去甚远。从科普作品和科幻小说中,我们所看到的那些被庸俗化了的,用于满足世俗想象力的,并不是科学本身。

我们如唐吉诃德般执矛攻击的,通常也只是我们对科学肤浅的理解,而不是科学本身。

牛顿,那个在海边拾贝壳的孩子,当他向我们这些从未见过海的人们描述大海的壮丽时,如果使用了比喻,我们所能想象的,很可能是一条更大更宽的河流。对于一个永远想留在山区的老人,这可能没有什么,如果你恰好是被牛顿吸引了的一个孩子,并梦想成为一名水手,你可要小心你的想象力。想象力,如果只基于直接的经验,它有先天的不足。

佛说,法喻筏。如果说,佛法只是引导人成为佛,渡过大河的船只,我们在渡过大河后,就应该把船只放下,不应再背着船只走路。佛说,法就是过河的筏子。同样的,科普与科幻中的科学,只是作者帮助我们看到河对岸,或者想象大海模样的工具,你如果因此对科学产生了兴趣,就该放下这些工具,去寻找真正的科学。当然,你先要为理解科学,准备必要的理论基础。

如果你想真正成为科学家,或在他们的领域内与之对话,至少要能够使用科学家的语言和规范,理解和发表观点,这是起码的要求。用科学的语言描述你的伟大奇想,才会有其他的科学家去进一步证实或否定你的观点。这是一个社会分工日趋细化的时代,想单枪匹马展开想象,你会举步维艰。

当然,有的时候,区分错误的想象与事实,并不需要高深的知识,恰恰只需要一点儿科学的态度。正如爱因斯坦在《物理学的进化》中所说,“在我们写这本书的时候,关于我们所想象的读者的特征,曾作过很长的讨论,并且处处都在替他着想。我们想象他完全缺乏物理学和数学的实际知识,但是却具有很强的理解能力,足以弥补这些缺憾。我们认为他对物理学和哲学的观念很感兴趣,同时他对努力钻研书中比较乏味和困难的部分很有耐性。他认识到,要理解任何一页,必须细读前面的每一页。他也知道,即使是一本通俗的科学书籍,也不能像读小说一样去读它。”

对于2002年在报纸上铺天盖地的关于“俄罗斯科学家”认为只要把“联盟”火箭装上6000万吨级的核弹头,然后将它们射向月球即可炸毁月球这样的想法。柯南先生指出,“这完全不像一个物理学家——甚至不像一个稍微懂的物理的人说出来的话。人类曾经爆炸过的核武器最大当量是5000万吨TNT。然而,地球并没有因此受到大的伤害,苏联的新地岛核试验场也只不过被炸掉了一层岩石。这样的能量与一次较大的陨石撞击的能量相仿——而月球曾经经受过无数次的这种撞击,月球表面的环形山就是一个明证。可以想象,今天人类甚至不能毁掉一场台风,又怎么可能把这个直径将近3500公里的天体炸毁?也许,俄罗斯科学家需要的不是火箭与核武器,而是好莱坞的科幻电影导演,外加能在彗星上钻一个800英尺深坑的电影明星布鲁斯·威利。”[11]

在同一篇文章中,柯南先生批判了关于月亮的其他的大胆却没有根据的想象,使用的工具,也都是你我看得懂的——科学的态度。

对于某些没有根据的想象,卡尔·萨根辛辣地说道:“这些学说的个别部分可能含蕴着真理的核心部分,但其广泛肯定的部分都缺少知识的严密性,缺少怀疑态度,往往都以主观愿望取代科学验证。总的来说,如果我可以采用这种措词的话,这些学说都是属于边缘系统,大脑右半球范畴的,一种蒙昧臆想的礼规(这个词是恰如其分的)和人对所在环境复杂事物的反应。它们也是些神秘玄妙的学说,这样产生的学说不须经过反证,在本质上也不接受理论上的论证。”卡尔·萨根还告诉我们,“边缘系统是我们同哺乳动物共有的,也是我们同爬虫类共有的,但不那么完善精细。”[12]自我们的祖先离开丛林后,脑中的新皮质进化速度很快。属于这一部分的理性的思维,恐怕才是人类所特有的。

 

四、科学家的想象力,为我们的想象力提供了温床。

这个观点并不复杂。我们能够坐在这里,读着杂志,喝着可乐,正是由于科学家的理论已经无数次挽救我们于无形。不用说原始人的婴儿死亡率有多么高,不用说科学使得这么少的土地养育这么多人口,不用说科学为我们提供更多的而不止是打猎和耕地(其实这两项职业也有科学含量)这样的职业,就单只看科学为科幻小说作家们提供的可幻想的越来越多的领域,就足够有说服力。

量子力学的,计算机网络的,虚拟现实的,人工智能的,相对论的,宇宙空间的,分子遗传学的……事实上,许多科幻和科普作品中伟大的想象,正是以科学家的工作为基础的。我们可以说,科幻和科普作家在这时,是科学家思想上的儿子。

科学家用形式化的或生动的手段,描述他们的想象,让我们能够以之为基础进行比前人更大胆的、合理的,也更美丽的想象。这些想象,是前人从未有过的,或粗糙之极的,而我们把它们变得清晰可见,并写成作品。让祖先为我们骄傲,而不是正相反。

 

作为结尾,我们一起来进行另一个想象的游戏吧,在游戏里,一起感谢让我们这些普通人也得以展开翅膀的伟大的科学家们。

如果在你的面前有一条橡皮筋,长1公里,其上有一只极小的虫子,没有长度。小虫以每秒1厘米的速度从左端爬向右端,同时,橡皮筋每秒钟被拉长1公里,即第1秒末2公里长,第2秒末3公里……在你的想象里,小虫已经跑起来了吗?橡皮筋已经变得更长了吗?好,问题来了。什么时候,小虫才能爬过右端呢?5

如果你简单地说,“这不可能”或者猜个时间。那么,再多一些想象吧,或者,你该抛开直觉,借助一下科学的工具。

 

参考文献:



[1] 新华词典,商务印书馆,1989

[2] 圣经·创世纪911-17

[3] 特南鲍姆:计算机网络,清华大学出版社,1996

[4] 王小波:生命科学与骗术

[5] 马丁·加德纳:从惊讶到思考—数学悖论奇景,科学技术文献出版社,1986

[6] 金庸:神雕侠侣

[7] C. E. ShannonA Mathematical Theory of CommunicationThe Bell System Technical JournalVol. 27, pp. 379–423, 623–656, July, October, 1948.

[8] Robert Luckyxyzs译):当恐龙在地球上行走时,IEEE Spectrum20014月号

[9] Arthur C. Clarke:Wireless World,October 1945, pages 305-308

[10] 爱因斯坦,英费尔德(周肇威译):物理学的进化

[11] 柯南:别闹了,月亮先生,《三思科学》电子杂志(www.oursci.org),2002年第8

[12] 卡尔·萨根(吕柱,王志勇 译):伊甸园的飞龙