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【读书视频】思维实验

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admin更新于2021-11-25 12:56:42

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类型:百科

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达奇学习网资源简介:

 思考一个难题最好的方法是什么?我们应该怎样着手处理有关自然、道德以及形而上学的大问题?怎样给出富有创造性的回应,挑战被认为是标准的概念、消除偏见以及先入之见?一种方法是利用问题本身,并且以一种它担负得起的富有创造力以及洞擦力的方式来构建它,以明晰取代混乱,使晦涩变得可理解。这些都是“实验”所支持的东西。在现代,或许就科学而言,术语“实验”意味着一种在现实世界中实施的物理的实践操作。但是,它可能还有许多更宽泛的定义,例如一种能彻底保持理智以及发挥想象的思维方式。爱因斯坦称这种“实验”为“思维实验”或者“思想实验”。在本书中,“实验”这个术语包含了悖论以及类比,如:用于举例说明,测试并梳理论证以及假说的情境,推平逻辑矛盾并推进理论破壁。

当行动来不及,时间有限时,就能通过思想实验找到解决问题的答案和方法。思想实验区别于空想;它保证完全理性的情况,同时又能发挥足够的想象力

波粒二象性:物质是由粒子和波组成的,其中一种性质表现得越明显,另一种性质就越模糊。

薛定谔的猫:哥本哈根解释的重点在于量子系统的量子态可由波函数完全表示,量子态具有不确定性和概率。

回到薛定谔的猫,描述的是将一只猫关进装有放射性物质的盒子里,组织放射性衰变的概率有50%,物质衰变后猫就会中毒死亡,当然猫存活的概率只有50%。

所以,波尔认为猫的状态在人去打开盒子观察之前是“既死又活着”的状态,只是在开盒瞬间,因为人的行为和观察,这个不确定的二选一状态(波函数)“坍缩”一个确定唯一的状态。

然而,爱因斯坦认为这个猫的死或者活在人为打开盒子前就已经是一个确定的状态,不会因为人的观察为转移的,即它的死活与人无关。

现在,薛定谔的猫多用来形容一个未知、不确定状态会因为你的行动变为一个确定状态。例如你心中有一个疑问“对方爱不爱我”,在询问对方前,你心中有两个,当你询问对方后会得到确切的一个答案。

电车问题:一个失控的电车在原有轨道上继续行驶会撞到五个在铁轨上玩耍的小孩,如果扳道岔,电车又会撞到在另一轨道上的一个维修工人,问是否要扳道岔?

这是一个思量起来也很难说清的一个问题,被称为悖论。

如果扳道岔,五个小孩可以得救,但那个工人原可以平安,他是无辜的。每个人的生命都应该是平等的,但在这里确不得不做出选择,是在煎熬矛盾。

在英雄题材类电影中容易找到这个“人性悖论”的讨论点,生活中我们提到的“牺牲小我成就大我”也是如此,我想问“小我是否有时可以变成大我?”

村上春树说:“善恶不是一成不变的东西,而是不断改变的场所和立场……”

所以,跳出具体问题看到本质规律,会有更深刻的认识和觉知。

牛顿大炮:当我不断向你坠落,最终确与你擦肩而过。这是一个文艺的解释,具体的科学版本的叙述不是我关心的,哈哈。

“思想实验”就是爱因斯坦提出来的,叫作“保持绝对理智,又可以发挥想象的思维模式”,就是我们有些东西,不能够通过实验的方法来解决——你不可能真的把一只猫关在一个笼子里边,让那个衰变的粒子来杀死它;你也不可能让一个电梯,突然从空中直接地坠落下去来完成一个科学的实验,那样会伤害到别人。但是,我们可以通过思想,我们可以想象。这种没有边际的、自由的,但又在理智框架之内的想象,能够帮我们探索很多哲学、科学、伦理学的问题。

思想实验读书笔记

人类历史上,最有名的思想实验莫过于“薛定谔的猫”了。我们之前在《爱因斯坦传》和《世界观》里边,都曾经尝试着讲过“薛定谔的猫”。我个人感觉都没讲明白,我今天在这本书里边,要把“薛定谔的猫”彻底给大家讲明白到底是怎么回事。

还有一个我们讲过的、很有意思的思想实验,就是“布里丹之驴”,就是《反脆弱》那本书里提到的:有一头驴,又渴又饿在中间,左边有一堆食物,右边有水,然后这只驴既想吃食物又想喝水,它对于吃的和喝的渴望是同等的,最后这只驴又渴又饿,死在了中间。

这个思想实验是告诉我们什么呢?说非理性的合理性。如果一个人纯粹理性,说只要两边的需求是等价的,那么我没法做出决策,那么,最后他会像“布里丹之驴”一样困在当下。这时候来一点点小小的非理性,比如有人拍它一下,它去了那边,或者到了这边,无论是先吃草还是先喝水,它都能够活得下来。所以,拥抱不确定性,接受非理性,这是用“布里丹之驴”这个思想实验说明的。

我个人最佩服的思想实验,是爱因斯坦的那个下坠的电梯。就是爱因斯坦就想,假如一个人在一个深不见底的电梯当中往下掉,然后一直掉,一直掉,这个人在电梯里边又没有参照物,又看不到外边光线的变化,这个人会是什么样的表现——因为那个时候没有太空船,那个时候并没有一个真的这样去持续下坠的电梯,让你去体会这种失重的状态。但是,爱因斯坦脑子里边想象的那个场景说,这个人会漂浮起来,这就是我们今天在太空船上看到的漂浮的那个状况。所以,你会觉得思想实验,真的是非常有趣的一件事。

我们今天这本书专门讲思想实验,它把人类历史上各式各样知名的思想实验全部整合在一起,形成了这么一本书。这里边我分了这么几个模块:

第一个是关于自然世界的思想实验。

第二个是关于心灵的思想实验。

第三个是关于伦理学的思想实验。

第四个是关于哲学的思想实验。

我们来取其最有趣的部分跟大家分享。

首先,关于自然世界的思想实验。

第一个,就是芝诺悖论之“阿喀琉斯与乌龟”。你看,这本书的英文名字叫作“无限的乌龟”。什么叫无限的乌龟呢?就是阿喀琉斯是古希腊的一个战神,特别能打仗,跑步很快。然后芝诺说,阿喀琉斯追不上乌龟。为什么追不上乌龟?你看,这个乌龟比阿喀琉斯提前出发一段,然后当阿喀琉斯追到乌龟这个位置的时候,无论多少,乌龟都会往前再走一点吧。那么,当阿喀琉斯再追到乌龟的位置时,无论多少乌龟会往前再走一点吧。所以,阿喀琉斯永远追不上乌龟。

谁能够反驳这件事情呢?这个事情使得没有人能够反驳。但是,事实情况我们能够看到,阿喀琉斯一步可能就跨过这个乌龟了。事实是阿喀琉斯能够追上乌龟,但是芝诺所讲出的这个道理,你没法反对。因为的确阿喀琉斯在走这段路的时候,乌龟肯定要往前走一点,不管多少,肯定要走一点。那么,阿喀琉斯在走乌龟这一段的时候,他也得花费点时间吧,在这点时间里边乌龟也得走一点,所以按照这样的思路推下去,阿喀琉斯一辈子也追不上乌龟。

事实上,就是因为那时候的人们没有能够理解极限这件事情,也就是说,乌龟所走的所有的这些路线加在一起,它总的也不会超过阿喀琉斯这一步。这是二分之一,再二分之一,再二分之一,再二分之一,无限个二分之一加下去的总数一,它不可能加出一点二来。不可能,这是极限的概念。所以,芝诺悖论就给我们打开了人类开始用思想实验解决问题、探讨问题的一个窗口。你确实觉得很难跟他辩论,直到人们后来发现了这就是求极限。当阿喀琉斯能够走过“一”的时候,他就超过了这个乌龟,这是第一个人类历史上非常有名的悖论,叫作芝诺悖论,也就是无限的乌龟的悖论。

第二个,就是伽利略的球。在伽利略之前,亚里士多德认为,这个世界上重的东西下落得快,轻的东西下落得慢。为什么呢?你看羽毛,羽毛飘得很慢,这个球下得很快,所以大家很直接、很简单地观测的结果是认为,很简单,就是越重的东西下落的速度越快。

伽利略做了一个思想实验来解决这个问题。打破了亚里士多德所认为的,重物一定下坠得更快的道理。那么,羽毛为什么下落得慢呢?因为有浮力。如果没有浮力,在真空管当中的话,羽毛下落的速度和球是一样的。这就是伽利略所做的贡献。他在1628年的时候写了一本,这个书名非常拗口,叫作《关于两大世界体系或者两门自然科学的对话》,在科学史上简称《对话》。在这本书当中,伽利略阐述了他对于“日心说”的坚信。

第三个思想实验很著名,叫牛顿大炮。牛顿在看到大炮射出一个炮弹以后,他会发现这个炮弹落在了远处。牛顿想,假如我把这个大炮架得再高一点,这一炮打出去,是不是落得就更远一点了?那么,如果再把它架得高一点,或者我的这个大炮的初速度更快一点的话会怎么样呢?

牛顿说,如果炮弹的速度大到一定的程度,它受引力影响下落的距离,正好等于呈弧形的地球表面“下陷”的距离——这个各位能想象吗,就是地球是一个球形,所以,如果我们认为,地球是一个球形的话,那么地球的表面,虽然在我们这儿看来是平平的一个平面,但实际上,它是在不断地“下陷”的,它是个球形。那么,假如这个炮弹下落的这个距离恰好等于地球“下陷”的这个弧形的话,那么它与地球间的距离将保持不变,就会这么一直往下滑并围绕地球转圈。借用道格拉斯·亚当斯在《银河系漫游指南》中的一句话说:炮弹向地球坠落,却与地面擦肩而过。

事实上,如果你去算一笔账,有人算过这个账,你拿一把枪,就是速度1200m/s的一把手枪,站在月球上开一枪,结果会怎样呢?答案就是这个枪会绕月球一圈,最后射中你的后脑勺。因为月球的引力小,然而这个子弹下落的速度更慢,但是向前的初速度是一致的,又没有损耗,没有空气。所以,这个枪会绕月球一圈,你打完了赶紧跑,否则的话,后脑勺中枪,这很有意思。

所以,牛顿用这样的思想实验去建立了第一宇宙速度的概念,这就是思想实验,他没法真的做这样的实验。

(备注:第一宇宙速度:7.9千米/秒,指物体在环绕地球做匀速圆周运动所需要达到的速度。)

第四个思想实验,是跟达尔文相对应的,叫作荒野之时。什么叫荒野之时?有一些人坚定地认为,这个地球是造物主造出来的。为什么呢?他说,如果你走在一个荒野当中,确信这个地方没有住过人,是一个荒野,然后在这个荒野当中捡到了一块手表,这个手表的设计极其精妙。

这时候,请问:你会认为这个手表是哪儿来的?

难道你会认为这个精密的手表是从地里边长出来的吗?不可能,这个精密的手表,一定是有一个人认真地设计做出来的,放在这儿。所以,他说,你看一下,我们人类的眼球设计得多么精妙,那个光学,然后你能够看到缤纷色彩的这个世界等等。这些东西,如果不是有一个造物主认真设计,怎么可能有?你再去想想我们的大脑,我们的大脑能够处理那么多的信号,比那个手表要精妙得多。我们的皮肤、我们的器官,这么精妙的一个东西,如果没有一个认真的、全知全能的神去设计,宇宙中不可能出现这样的手表。你看,这叫荒野之时。这个说法说服了特别多的人,

所以,在当年大量的人反对达尔文说,不可能,你的手表——荒野之时你怎么解决?但是达尔文通过他的研究,告诉我们,我们的大脑压根就是一个拙劣的设计,千万不要以为我们的大脑是完美的设计。我们的大脑是一个拙劣的设计,只是适应了现在的环境而已。我们的大脑有特别多的问题:特别容易短路、特别容易忘东西、特别容易冲动、特别容易被骗、特别容易相信别人的东西,我们是完全感性,而不是理性的动物。它并不是一个精妙的仪器,只是它在慢慢地进化过程当中,凑合能够适应我们现在的环境而已。而地球一步一步地发展到今天,不是有一个造物主在刻意地关照地球,而是因为我们地球在发展的过程当中,实现了“金凤花环境”。

什么叫“金凤花环境”呢?就是一个故事里边说,有个姑娘叫金凤花姑娘。金凤花姑娘要求做什么事都要恰到好处。喝水要不冷不热,坐椅子要不软不硬,睡在床上要舒服等等。她什么东西都要求恰到好处。而地球在发展的过程当中,必须满足“金凤花条件”你才能够发展。所以,达尔文说,我们进化出这样的眼球,进化出这样的大脑,根本不是什么荒野之时,有一个人在做这样的设计。而是我们足够幸运,而是这个自然界就在不断地筛选,所有那些不符合的没有啦。

你们知道人类未来发展的趋势是什么呢?就是人类的胳膊会变得越来越长,脑袋会变得越来越大,然后腿会变得越来越短,肚子会变得越来越胖。原因就是人类不需要那些部分。当然这是一种假说了,不一定。

接下来,第五个,我们说爱因斯坦的思想实验。爱因斯坦曾经在16岁的时候,完成过一个了不起的思想实验,叫作假如我追逐一束光。

各位,你们有没有想过这个问题:假如你追逐一束光会怎样?爱因斯坦16岁的时候,他就说,如果我以速度C——速度C就是30万公里每秒,也就是真空中光的速度去追赶一束光,我会看到什么?他说:“我应该会观测到,这样一束光……将保持静止……看上去似乎不存在这样的事情,但是,这种判断既非基于经验,也不是按照麦克斯韦方程组。从一开始,它就直观且清晰地向我呈现:从观察者的角度判断,每件事都会遵从相同的物理定律,即一位与地球保持相对静止的观察者所观察到的。那么,对于首位观察者来说,他是如何知晓,自己正处于一个速度极大的匀速运动状态之中呢?当时就有人意识到,狭义相对论早已在此悖论中萌芽。”

爱因斯坦的狭义相对论,就是建立在相对运动和光速不变这两个前提假设之上的。他研究出来时间会停滞、时间会膨胀、速度的变化会带来时间的变化,这就是爱因斯坦通过思想来解决的问题。

爱因斯坦的妻子,在一次参观哈勃望远镜的时候,哈勃望远镜向她展示:你看我们的望远镜多大,多精密,我们能看到宇宙深处多远的地方,了解宇宙的奥秘。然后爱因斯坦的夫人,就说了一句话,说据我所知,我的丈夫了解这个宇宙只花了半个信封的背面。就是没有做实验,也没有用望远镜,而是在一个信封的背面做了些演算,通过思想实验来了解了整个宇宙。好酷。

那么,接下来,第六个思想实验。有一个“祖父悖论”。“祖父悖论”是说,玛丽的外祖父是一个很坏的人,导致了玛丽这一生都不幸。所以,玛丽长大了以后决定杀死她的外祖父,于是,她时空穿梭回到了在外祖父生她妈妈之前,拿枪,砰,打死了自己的外祖父。

结果怎样呢?结果就是形成了一个悖论。因为假如她真的在那个时候,打死了她的外祖父的话,她的外祖父不会有她的妈妈,她的妈妈不会生下她,就不会有人回去打死她的外祖父。所以,这是用“祖父悖论”来证明时空穿梭是很难实现的。

后来有人说,不对,我们可以搞一个“叔祖父悖论”。什么叫“叔祖父悖论”呢?就是玛丽的叔祖父,叫作阿道夫·希特勒。玛丽觉得阿道夫·希特勒给这个世界造成了很大的伤害,所以,她决定穿越时空回去杀死阿道夫·希特勒。她在他脑后边开了一枪,砰,把她的叔祖父打死了。这样并不影响玛丽的出生。但又产生了一个悖论是什么呢?就是阿道夫·希特勒到今天为止,你发现他在历史上并没有被人枪杀。他并没有被人枪杀,说明玛丽根本没有穿梭回去杀死了他。如果玛丽可以穿梭回去杀死他的话,那么他就不会出现在这个历史上。所以“叔祖父悖论”依然不能够证明时空穿梭的可能性。

后来,有一个人想终结这个话题,这个人叫史蒂芬·霍金。霍金做了一个思想实验。他干吗呢?霍金做了一个派对,在这个派对上扎了很多的气球,准备了很多吃的全部放在那儿。然后,唯一的特点是在派对结束之后,霍金才发出邀请函。就是霍金在这个派对的时间结束以后,向全世界发出邀请说,谁能够回来参加我昨天的那个派对,就可以到我家来吃饭。按照霍金的影响力和他的声望,我相信只要他发出这个邀请函,有能力去的人就一定会去,但是霍金说,昨天我摆这个宴席的时候,没有一个人来吃饭,证明没有时空穿梭者。所以,“祖父悖论”这些东西是为了向我们表明,时空穿梭的难度的。但其实,时空穿梭是有着一个理论上的可能性的。

我这儿给大家念一下,怎么实现时空的穿梭。如果你乘坐一艘令人舒服的、加速度为1g(9.8米/二次方秒)的火箭旅行。加速度1g你们知道什么概念吗?就是从楼上往下跳,这加速度就是1g,假如你用这个速度飞行一年时间,注意,一年的时间里边的加速度都是1g,就是一直在加速,就可以想象从楼上往下跳,这个楼深不见底,永远都到不了地面,掉了一年以后,你的速度差不多就接近光速,到了C的那个速度了。假如你能够用这个速度持续旅行40年——这个40年,我们是指飞船内的时间,就你在飞船内感觉自己旅行了40年的这个时间,你将能够在此地和银河系当中走个来回。也就是你这40年的飞船时间,能够让你从这儿到银河系的中间,再回来,走一个来回。这个旅程大概是60000光年,就是从我们地球上看这个距离是60000光年。

那为什么是40年呢?40年是那个飞船里的时间,这个时候,你回到了原地,你的年龄增长了多少岁呢?40岁,因为你在飞船里边只过了40年,接近光速的速度在旅行,只过了40年。但是,地球上已经过了60000年。所以,如果你希望能够知道地球上60000年以后的场景,那么,你就一直把自己加速到光速,然后飞出去40年,再回来,你就能够知道60000年以后地球上的样子。它很有意思。

接下来,我们说第七个思想实验。在自然界当中,“薛定谔的猫”到底是怎么回事?我以前一直没有把“薛定谔的猫”讲明白的原因,是因为我没有搞清楚“薛定谔的猫”的前提,是为了反对玻尔所说的哥本哈根解释。所以,要想了解清楚“薛定谔的猫”,我们首先得搞明白什么叫哥本哈根解释。“尼尔斯·玻尔将‘测不准原理’,融合到了一种更为宽泛的认识论中,这就是后来在量子力学领域中,人所共知的哥本哈根解释。”“物质是由粒子和波组成的,其中一种性质表现得越明显,另一种性质就越模糊。”

你看这个杯子,粒子吧。它粒子的性质表现得越明显,它波的性质就表现得越不清晰。这个水是既有波又有粒子,所以它粒子的形象表现得不明显的时候,波的形象表现得就更容易。

“那么,当我们描述一个以波状运动的粒子时,就会引发悖论,因为其能够同时以波和粒子两种形式存在,所以被视为一种叠加,有些像通体遍布水纹的波浪。”波浪上的叠加,那么这里边“描述粒子的这件事是反直觉的。比如说,当我们讨论某个粒子的放射性衰变的时候,那它要么衰变,要么不衰变——通常我们认为,它必然是非此即彼的。”按照咱们从牛顿力学训练出来的概念,衰变或者不衰变,生存还是毁灭,你必须选一个,这事你必须选一个。

“然而,对这一放射性衰变过程进行数学描述的时候”,也就是当我们用波函数来描述这个东西的时候,“却包含了两种结果的叠加,所以我们能够确定的只是二者出现的概率各有多高。根据哥本哈根描述,想要确定其结果,唯一的方式就是观察——这一行为本身将使波函数坍缩,给出关于其本质的确定答案。这意味着,像‘客观现实’这样的概念根本不存在——只有被观察到的时候,现实才是确定的。”

那这个不是“薛定谔的猫”,这个是“薛定谔的猫”之前,玻尔所提出来的哥本哈根解释,认为如果你不去观测这个波函数所描述的粒子形态的话,你没法确定这个粒子有没有衰变,是衰变了还是没衰变。观察在这其中起到了很大的作用。

那当这个哥本哈根解释在学术界引发了大量争论以后,爱因斯坦在天天跟玻尔辩论。他们俩有一段时间,你说一个,我说一个,就像欧阳锋和洪七公过招一样,打不动了。但是你说一招,我想一天,我明天再跟你辩论,就这样在争论这件事。这个时候薛定谔提出了一个“邪恶的装置”,就是这个“薛定谔的猫”的思想实验。

他说,我们把一只猫关在一个封闭的铁屋当中,并且在屋里边加入一个装置。这个装置猫没法碰到,在一个计数器中,存有少量的放射性物质,在一个小时之内其中的某个原子就可能会产生衰变,也可能不衰变,概率相等。只要衰变就把猫杀了,只要不衰变,这个猫就活着。“但是如果让实验中的系统运行一个小时后,猫并未死亡,那么我们是否可以认为没有原子发生衰变?”

你想,如果按照我们确定性的思想,我们就会认为,你打开这个盖子以后,猫要么死了,要么活了,要么衰变,要么不衰变。衰变了就死,不衰变就活,这就很好解释。但是,如果根据哥本哈根解释的话,答案是什么呢?就是“根据量子不确定性,在一个小时之内,放射性原子衰变的概率是50%,一旦衰变发生,就意味着‘猫死了’——首次原子衰变就将毒死它。薛定谔已将‘原本局限于原子域的不确定性’和‘可以通过“直接观察”进行分析的宏观不确定性’联系起来。在理解量子不确定性之前,人们可能认为,猫是活着还是死了这件事是明确的,只不过亲眼看到前,我们并不知道是哪一种。但是根据哥本哈根解释,猫实际上是‘既活着又死了’,‘波函数描述了猫的“系统”,’薛定谔写道,‘它将通过铁屋里那只“既活着又死了”或“处于任一状态”的猫来诠释这一系统。’总之,直到我们打开盒子朝里看的时候,该函数才会像某种状态‘坍缩’。”

所以,“薛定谔的猫”得到了来自爱因斯坦大力的称赞。爱因斯坦一听到这个说,这也太妙了,说你看,你们说那些东西奇怪不奇怪,你们讲的那个东西没法接受。所以,薛定谔所做的最聪明的贡献是什么呢?就是把量子领域里边那些大家没法琢磨的,所谓的波函数、坍缩、不确定性这些东西,用一个思想中的设备和一个确定性的猫联系在了一起。所以,按照爱因斯坦们——爱因斯坦代表我们,按照爱因斯坦们的这种想法是说,无论我打不打开这个铁皮屋,那个猫要么死了,要么活的

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