假设与猜想的价值与意义·读《危机四伏的宇宙》

2023-02-06 07:16阅读：

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——读洛伦佐·科伦布等人《危机四伏的宇宙》一书有感

假设与猜想的价值与意义·读《危机四伏的宇宙》

屈原的《天问》是一篇“奇气纵横，独步千古”的妙文，其中蕴含着不少对宇宙、对自然、对事物运行规律的质疑和追问：“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢闇，谁能极之？冯翼惟像，何以识之？明明闇闇，惟时何为？”自古以来，人类就对宇宙、对事物的运行方式等充满着好奇，提出了这样或者那样的问题，希望能够找寻到其中的答案，既增强见识，也慰藉心灵。
今天的人们，对宇宙的认识和屈原所处的时代已经不可同日而语，但仍然有很多疑惑、很多问题等待着科学家去探究、去破解。洛伦佐·科伦布等三人所著的《危机四伏的宇宙》一书，就是这样一本描述和记录当今的人们对宇宙好奇心的著作，书中提出了一个个的问题，假如太阳在某时刻瞬间消失，假如用消防的方式给太阳降温，假如地球突然停止自转，地球的位置处于银河系的中心，假如银河系和仙女系迎面相撞，加入一个黑洞出现在地球上……那会有怎样的事件发生呢？
培根式的认知方式
英国哲学家、实验科学的创始人弗朗西斯·培根（Francis Bacon）最有名的一句话应该就是“知识就是力量”了。获得正确的知识，让这些知识成为促进个体成长、推动社会进步的力量，是人类矢志不渝的追求

。
培根发现，前人获取知识的方式主要有两种：
一是采取亚里士多德单纯依赖演绎推理的方法。首先需要找出一个第一原则，确立后不可再被经验或理性检验；然后再由第一原则演绎出更多的结论。三段论就是其中最为典型的事例：大前提，人是有理性的；小前提，苏格拉底是人；结论，苏格拉底有理性。这样获取知识的方式存在着两大问题：问题之一是所谓的第一原则本身不一定可靠，这往往导致后面的演绎推理出现错误；问题之二是即便第一原则是可靠的，也不会产生新的知识。就像上面的三段论，本身演绎的结论就蕴含在命题的前提中。
二是采取归纳的方式来获得新知。即通过观察足够多的个例来得出在一定的范围内普遍适用的结论。像天鹅都是白的，金属都能导电等，就是通过归纳法得出来的。培根认为，归纳法的问题在于，无论你观察的个例的数量有多少，所能观察到的个体与该事物的整体之间永远有一道鸿沟，只要后面出现一个反例，原来所得出的结论就不再成立。
培根在对比上述两种获取知识的方式时，曾做了一个非常形象的比喻：“只相信经验的人像蚂蚁，他们只会搜集材料，不知道如何加工、处理这些材料；只知道思辨的人像蜘蛛，他们只凭借自己的材料编造体系；真正的实验科学家像蜜蜂，他们既采集材料，又通过自身消化处理这些材料。”培根将上述两种方式进行了整合，提出了他独具特色的认知世界的方式，即“假说-演绎”法，即通过对经验的梳理归纳提出相关的假说，再经过演绎推理来验证该假说是否正确。培根提出的这种认知方式被称之为“培根式认知”，现在已经成为科学研究最为重要的认知方式之一。在培根之后，历代的科学家对这一认知方式做了进一步的丰富和完善，构成了现在我们所熟知的“发现问题、提出假设、设计方案、实践探究、数据分析、验证分析（得出结论）”的基本认知模式。
在梳理归纳各种经验之后提出假设和猜想，是“培根式认知方式”中非常核心的一点。有的假设接近真相，有的假说远离真相，正是通过猜想，才能将二者区分开来。猜想事物未来的发展趋势，原本就是一件具有重要现实意义的工作。但人们还可以走得更远，将它单纯看作一个“游戏”，一个只有人类才有可能去做的趣味游戏。问自己“假如……，那会发生什么”就是和科学做游戏的绝佳方式，同时也是最能体现人类特点的一个方面。《危机四伏的宇宙》这本书就是关于物理和天文学的许多“假如……，那会发生什么”的合集。三位来自意大利的天体物理学者，采用假设与猜想的方式，给我们呈现了一系列异想天开的荒诞事例，为我们诠释宇宙深处可能发生，或正在发生的神奇现象。超新星、黑洞、彗星……这其中的任何一个出现在地球周围，都会让人类万劫不复！地球能够延续46亿年的历史，人类能够一步步演化到今天的模样，真的是一项奇迹，一件令人惊叹的事情。
假如……，那会发生什么
我们不妨跟着这三位物理学家来做一下这个“游戏”。
“假如地球突然停止自转，那会发生什么呢？”
想象你坐在汽车里，司机因为某种原因突然刹车的情景，因为惯性，你的身体依然会保持很高的速度往前冲，如果没有保险带，你可能就撞到前面的座椅靠背或者汽车挡风玻璃上去了。地球自转的速度非常快，在赤道上约1700千米/小时，罗马所处的纬度为1256千米/小时，如果地球突然停止自转，地面上除了大山之外的所有物体将立刻以这样高的速度飞射出去，从西部被抛到东部，所有的生物都没有存活的可能。海啸也在同步酝酿之中，数千米高的海浪能够摧毁陆地上一切物体，短短几分钟内，大地就会变成另一副模样。
假如你能在这场大灾难中存活下来，也将面临着一个几乎不可能解决的难题：地球一旦停止自转，就无法再产生磁场，现有磁场很快也会消失。抵挡紫外线辐射、宇宙射线以及其他高能粒子的保护屏障都没了。同时，因为离心力的消失，各处的引力不同导致海水将会重新分配，移向两极地区，使赤道附近的海平面降低8千米。地球上的水将汇聚在两极地区，形成两个大洋，中间由一块陆地隔开。在地球上任何一个地方，太阳会从西边升起，6个月后再从东边落下。一年里都将有一半是白天，一半是黑夜，白天变得酷热难耐，夜晚则变得特别寒冷……
你以为这只是在做“游戏”吗？事实上，由于地球与月亮间的潮汐力，我们的卫星——月亮，真的在给地球的自转减速。只不过地球减缓的速度非常细微，人类感觉不到而已。
“假如地球公转轨道的中心不是太阳，而是另一颗恒星或一个黑洞，那会如何？”
要回答这个问题，需要熟悉天文学家对恒星的分类。依据恒星的表面温度而进行的“光谱分类”，将恒星从最热到最冷分为O、B、A、F、G、K、M共7个类别。
M型星，即红矮星，是指体积最小、数量最多、寿命也最长的那些恒星。银河系里超过3/4的恒星都是红矮星。它们最小的恒星质量约为太阳的8%，但最多能活10万亿年，是太阳的1000倍。K型星，即橙矮星，数量要少一点儿，在银河系里占1/8。它们位于暗淡的红矮星与太阳这类恒星之间，质量是太阳的50-80%。橙矮星的寿命也特别长，平均能活200-700亿年。太阳是一颗G型星，即黄矮星。这一类恒星只占银河系的1/13，黄矮星平均能活70-200亿年，我们的宇宙已经见证过一些此类恒星的衰亡。F型星，大约占银河系的1/30。这些恒星就像是打了“激素”的太阳：温度更高，最大的比太阳大40%，寿命有40-70亿年。A型星包含许多天空中非常有名的恒星，比太阳亮40倍，织女星是A型星的杰出代表，除此之外还有牛郎星、天狼星等。它们的体积是太阳的1.4-2.1倍，寿命比F型星还短：10-40亿年。B型星是夜空中当之无愧的主角。它们只占银河系的1/770，但构成星群的大多数恒星都属于这一类别，除了巨星和超巨星以外，它们便是银河系里最亮的恒星。它们的体积是太阳的2-16倍，亮度最高可达到太阳的30000倍。它们的寿命十分短暂，仅为几千万年。这些恒星质量为太阳的8倍以上，能爆炸变成超新星。至于O型星，它们在天体中极其罕见，在银河系中仅占几百万分之一。这类“恶魔”体积巨大，温度极高，以至根本不可能形成行星。O型星的光芒太过强烈，可达太阳的数百万倍，导致宇宙尘埃变成气体，因而没有机会聚合在一起。
B型星和O型星在其短暂且活跃的一生中，会像洋葱一样分层，越靠近内核原子序数越大，时不时还会合成更重的元素。慢慢地，它们变得越来越亮，核心越来越热。结果是表面过度膨胀，温度降低，这些恒星就变成了红超巨星……它们的体积大得无法想象：如果我们把一颗红超巨星放在太阳的位置上，它最外面的几层将吞并土星以内的所有行星。所以地球也会不复存在。
K、G、F、A型恒星在老化的过程中，会在某一刻完全变成另一类恒星，体积变大许多，温度降低，这就是红巨星。大约10亿年后，红巨星会再次解体，只留下炽热的核心：一颗白矮星。白矮星最终会慢慢降温，大约在几千亿年之后降到绝对零度——整个宇宙中最低的温度：-273.15。我们有幸生存在太阳的公转轨道上，虽然说太阳还有50亿年的生存时间，但随着它再过10亿年逐渐变成红巨星，地球也将成为不毛之地了。
而如果是M型恒星呢？可能因为它的能量不够，地球又将变成极冷的冰雪之球了。
科学思维训练的好帮手
本书所罗列的各种涉及到地球、太阳系、银河系、宇宙等的问题，所采取的都是培根式的认知方式，提出假设和猜想，然后利用已知的观察事实、物理学和天体宇宙学的相关知识来进行演绎推理，最终给我们呈现一幅图景：如果宇宙中的某一因素发生了变化，就会带来连锁的反应，真正是牵一发而动全身。
阅读这本书的过程，如果自己是一位有心人，其实就是跟着几位天体物理学家进行思维训练的过程，在他们的带领下领略宇宙的浩瀚无垠，思考宇宙诞生和演化的各种机缘巧合，感受地球和人类在宇宙空间中的渺小，真的是一件非常奇妙的事情。特别是他们以科学的态度所进行的演绎推理等思维过程，能给我们很多启发。
最重要的，是我们可以用他们的方式来引导学生进行这样假设、猜想和演绎推理。学生在阅读这本著作，既可以循着科学家的思路去思考，也可以在科学家思维的基础上，再次提出自己的观点，将他们的思维过程进一步深化。如果还能在科学家的问题之外，再问几个特别有趣的问题，采用科学探究的方式开展一番实践活动，那从中所得就会更多了。
我们时常觉得引导学生科学探究缺少素材，应该还是与阅读不够有关吧。多阅读、多发现，很多教学的难题也会迎刃而解的。

《危机四伏的宇宙》，[意]洛伦佐·科伦布，马特奥·米卢齐奥，菲利波·波拿文图拉著，周佳玲译，浙江科学技术出版社2022年版

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