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提升思維層次
導讀
科學思維雖然是一種深刻和豐富的思想方法，但是也是十分簡單的思想。
作者：廖玮
出版社：科學出版社
出版時間：2021-08-01
内容簡介
《科學思維的價值：實體學的興起、科學方法與現代社會》主要以伽利略、牛頓等人的主要科學發現為例，講述科學思維和科學方法的特色以及對于人的價值，主要内容包括實驗科學對于理性認識的價值、科學家如何進行思考、科學思維與古代智慧的聯系和重要差別、科學與技術互相促進的關系、科技給予現代社會的挑戰和機遇以及科技與藝術等諸多方面。通過一些具體的例子，《科學思維的價值：實體學的興起、科學方法與現代社會》展示了科學思維的藝術，并且展現了科學思維雖然是一種深刻和豐富的思想方法，但是也是十分簡單的思想。
作者簡介
廖玮，1996年畢業于武漢大學實體系；2001年于中國科學院理論實體研究所獲得博士學位；其後分别在意大利國際理論實體中心和加拿大粒子實體與核實體國家實驗室工作；2007年至今任華東理工大學教授；主要從事粒子實體唯象學研究，研究方向包括中微子實體、暗物質、超出标準模型新實體等。
精彩書摘
第5章 科學的威力和魅力
光和熱是人類熟知的現象，對光和熱的研究和猜想具有悠久的曆史。早在先秦時代，中國古代墨家就通過實驗發現了光的直線傳播和光的小孔成像等現象。但是光和熱到底是什麼，長期以來人們并不知道多少。在伽利略之後，随着科學研究方法的興起，對光和熱的研究突然在一兩百年之内結出了極其豐碩的成果。
人類對光和熱的認識經曆了曲折的發展，經曆了多次的混亂和自以為理清混亂的清醒，十分具有戲劇性。在這個發展過程中，有許多不同的思想為加深對光和熱的認識做出了貢獻，同時也為制造混亂做出了貢獻。但是在實驗的幫助下，人們還是在不太長的時間之内逐漸把握住了光和熱的基本屬性，發展出了系統的關于光和熱的科學理論。時至今日，人類對光和熱的認識已經遠遠超出牛頓時代的人們所能想象到的範圍，這應該歸功于曆代實體學家的持續努力，也應該歸功于系統的科學方法的運用。通過大量的和系統的實驗研究，實體學家揭示了許多關于光和熱的前所未知的性質。有一些關鍵的實驗還重新校準了人們的思維方向，把實體學家引導到了正确的道路之上。
在本章中，我們将以對光、熱和真空的認識為例子進一步闡述科學方法在人類認識自然世界的過程中所起到的作用。
5.1
5.1 牛頓的光學實驗與光的微粒說
光有許多有趣的現象，可以引起很多猜測。人們可以注意到光常常是和熱伴随着出現的，例如被太陽光曬之後人們可以感到熱，讓人感到熱的火堆也會發光。培根是以猜測光和熱具有相通的本質。此外，人們總是可以通過光看到顔色。這裡可以産生兩種觀點。一種觀點是，顔色是物體所具有的，顔色不是光的性質；另外一種觀點是，光具有顔色，顔色是光的性質。對彩虹的觀察使人們認識到光可以脫離物體而具有顔色，幫助我們理清了這兩種觀點的沖突。但是光到底是什麼?光的顔色又是什麼?
在牛頓之前，人們已注意到白光經過棱鏡後會呈現出彩虹的所有顔色。對此現象，笛卡兒認為，當光通過棱鏡之後被轉化為各種顔色的光。這個觀點得到了廣泛認可，并且與感覺直覺看起來符合很好。
牛頓是一位出色的實驗家，他做過許多光學實驗。他說：
1666年我緻力于磨制球形以外的其他形狀的光學玻璃，并制造出一塊三角形棱鏡去實驗這一有名的顔色現象。
牛頓更進一步，做了圖5.1所示的一個實驗。牛頓的實驗方案如下：
1)牛頓先把白光投射到一個三角棱鏡，産生一個光譜；
2)然後把三角棱鏡産生的光譜投射到一個平闆上；
3)在平闆上開小孔，使不同顔色的光通過不同的小孔，控制小孔的開合，一次隻允許一種顔色的光通過小孔；
4)把通過小孔的光投射到第二個棱鏡上。
圖5.1 牛頓的色散光學實驗
牛頓對第一個棱鏡産生的所有顔色的光都做了一遍這個實驗。他發現通過第二個棱鏡後，光的顔色沒有發生變化，不再變為更多的顔色。這使他認定笛卡兒的理論是不對的。他由此認為：白光是具有不同可折射的光的混合物。也就是說：不同顔色的光有不同的折射，白光是不同顔色的光的混合物。如果僅僅使用第一個棱鏡做實驗，可以得到兩個可能的結論,即
1)光的顔色被棱鏡轉化;
2)白光是混合物，棱鏡把白光分解成不同顔色的光。
隻有通過第二個棱鏡的實驗，才能檢查發現第一個觀點是不對的。牛頓由此還得出結論：使用棱鏡折射的望遠鏡會有折射造成的色差效應，會對大型望遠鏡造成很大影響。為回避這一問題，他設計了全反射望遠鏡。
牛頓解決了一個問題，同時也留下了一個新的問題。牛頓認為光是一種粒子，持光的微粒說。光的微粒說認為光是一種實體物質。早在古希臘時期，就有人以微粒說的方式解釋視覺。這種學說認為，物體表面可以發出一些粒子，即一種光原子，這些粒子可以在真空中傳播，進入人的眼睛之後形成視覺。這可以當作是微粒說的萌芽。牛頓支援這種前人提出的假說，并且進一步認為光是從光源發出的一種物質微粒，在均勻媒體中以一定的速度傳播。他用微粒說來解釋光的顔色現象，認為不同顔色的光對應不同的微粒，光的顔色的混合來自具有不同顔色的粒子的混合。光的微粒說很容易解釋光的直線傳播現象。微粒說也很容易解釋光在光滑平面上的反射現象，因為這可以被了解為粒子與光滑平面的碰撞。微粒說也可以解釋光在透明媒體邊界上的折射現象。但是，微粒說難以解釋光在兩種透明媒體的邊界會同時發生反射和折射現象。此外，微粒說還很難解釋光可以互不影響互相穿過的現象。雖然有很多不足之處，但因為牛頓的學術威望，光的微粒說在當時還是成為了對光的主流認識。
5.2
5.2 光的波動說與幹涉實驗
光的波動說也有很長的曆史。亞裡士多德反對原子論的真空學說，對他而言把光當作一種可以在真空中傳播的微粒是不可接受的。他對視覺的解釋是，物體可以使周圍的媒體發生變化，這種變化通過媒體傳播出來，到達人的眼睛後被人覺察。這種解釋可以當作是波動說的萌芽。到了17世紀，笛卡兒繼承了這樣一種思路，提出了光的波動說。笛卡兒也不相信真空學說，他認為世界中彌漫着以太物質。他把光與聲波作類比，認為光是在以太中傳播的壓力。
波動說在胡克和惠更斯那裡得到了系統的發展和完善。日常可見的波有水波和聲波。這種波有一些顯著的特點，例如：(1)具有衍射和幹涉現象；(2)兩列波可以互相通過；(3)需要通過媒體傳播。胡克和惠更斯把光與聲波作類比，把光當作是一種縱波。他們認為光是在以太媒體中傳播的一種機械波。胡克認為，光的顔色是由波的頻率決定的。惠更斯提出了惠更斯原理，即波傳播到達的每一個點都可以當作是一個新的波源，産生次級波。圖5.2示範了這樣一種思想。從A點産生的球形波傳播到BG弧，BG弧上的每一點都可以當作是新的波源。這些波源産生次級的球形波，傳播到KL弧等衆多弧線所示的位置。這些次級的球形波疊加在一起産生原始的球形波的CE弧，整個波動仍然表現為向外傳播的球形波。
圖5.2 惠更斯對波傳播性質的示範(圖檔來自The Wave Theory of Light Memoirs of Huygens, Young and Fresnel)
惠更斯認為，以太可以滲透進通常物質之中，導緻光可以在透明媒體中傳播。惠更斯使用他的理論解釋了光的反射和折射現象。他還試圖使用波動說解釋光的直線傳播現象，但是限于當時研究的深度，他的讨論不太令人信服。惠更斯理論最大的問題是，他的波動說是與聲波作類比得到的，他假設了光波是縱波。這使他的波動學說在解釋實驗方面有許多弱點。
胡克和惠更斯的光的波動理論與牛頓的微粒說形成了巨大沖突，在當時引發了巨大争論。但是由于牛頓的影響，在之後的歲月中，光的波動理論長期被人擱置遺忘。
一百年之後，托馬斯·楊重新發掘了光的波動說。1801年，托馬斯·楊進行了著名的楊氏雙縫幹涉實驗。他把一束光照射于兩條平行的窄縫，在窄縫之後的探測螢幕上觀察到了一系列明亮條紋與暗淡條紋相間的圖樣。這樣一種結果與微粒說相沖突，而與波動說符合。圖5.3示範了雙縫幹涉實驗的實驗方案。托馬斯·楊用實驗證明了光是一種波，這産生了革命性的影響。在此之後，托馬斯·楊又提出光波是一種橫波，而不是縱波，進而可以解釋光的偏振等現象。此後，菲涅耳進一步發展了惠更斯的波傳播理論，使用該理論證明了光的直線傳播規律。此外，菲涅耳還用實驗證明了這個理論預言的奇特的衍射現象。在此之後，光的波動說終于建立起來，光的微粒說逐漸被人們抛棄。
圖5.3 雙縫幹涉實驗。來自S的波從兩個狹縫S1和S2透過，在後邊産生幹涉
在此之後，麥克斯韋假設以太是電和磁現象的傳播媒體，使用位移電流假說論證電磁場可以在以太中傳播，即預言了電磁波。他發現電磁波的傳播速度大約等于光速，随即推斷光是一種電磁波。其後，赫茲通過實驗發現了電磁波，并發現電磁波的傳播速度等于光速。他還用實驗證明電磁波有反射、折射和偏振等現象。這些實驗證據使人們進一步認識到光就是一種電磁波。到19世紀末，光的波動說占據了支配地位，人們徹底相信光是一種波。
然而，故事并沒有到此結束。在經曆了短暫的遺忘之後，光的微粒說以另外一個面目重新得以複蘇。導緻光的微粒說複蘇的是新的實驗。
目錄
科學思維的價值：實體學的興起、科學方法與現代社會
序
第1章 導言/1
第2章 關于兩大世界體系的對話/7
2.1 日心說與地心說的争論/9
2.2 地動說與伽利略的相對性思想/14
2.3 伽利略的天文觀測及其對兩個世界體系的決定性判決/16
2.4 實驗和觀測對于認識的價值/20
第3章 伽利略的勻加速運動與科學方法/25
3.1 伽利略面對的困難/28
3.2 伽利略的創造、推理和斜坡實驗/33
3.3 伽利略的研究方法及其對于理性思維的價值/43
第4章 實體學作為實驗科學的誕生/51
4.1 開普勒的天文研究/54
4.2 牛頓的《原理》/57
4.3 實驗與科學方法/60
第5章 科學方法的威力和魅力/71
5.1 牛頓的光學實驗與光的微粒說/73
5.2 光的波動說與幹涉實驗/75
5.3 光量子假說與光電效應/78
5.4 熱功實驗與熱質說/83
5.5 布朗運動與原子分子假說/85
5.6 真空是否存在/89
第6章 科學方法與現象學/95
6.1 不利于科學的思維傾向：目的論世界觀、形而上學和數學神秘主義/97
6.2 牛頓的品質和重力的本質/112
6.3 自然哲學的新哲學：現象學/120
第7章 科學革命的變奏/139
7.1 科學革命與古代智慧：理智主義和經驗主義/141
7.2 思想驅動的科學變革與工具驅動的科學變革/146
7.3 實驗科學的戲劇/154
第8章 科學與技術/159
8.1 科學對技術的推動/161
8.2 技術對科學的推動/164
8.3 科學與技術的聯盟/170
8.4 實驗室技術與應用技術/176
8.5 科學與技術的協調發展/179
第9章 科技與現代社會/183
9.1 變革的科技與科技的變革/187
9.2 科技對人類的挑戰/194
9.3 科技給予人類的機遇/199
第10章 科技與藝術/203
第11章 結語：實體學對于人生的意義/219
參考文獻/227
附錄 實體學思維的藝術/229
A.1 伽利略的直覺和推理/232
A.2 惠更斯的複擺與做功概念/242
A.3 從虛位移到作用量原理/247
A.4 對真實世界的抽象化、具體化、簡化和模型化/255
A.5 實體中的類比思維/261
A.6 特殊的推理：從錯誤的假設到正确的結論/265
A.7 什麼是研究“現象與現象的關聯”/270
索引/279
後記/285