阿西莫夫:错误的相对性(二)

作者: 阿西莫夫

来源: 科学有故事

发布日期: 2016-10-30 17:20:32

文章讨论了科学理论的错误性和相对性,特别是通过地球形状的认识历史来展示科学理论的逐步完善过程。从最初的平面地球说到球体地球说,再到扁球体地球说,最后到现代对地球形状的更精确描述,说明了科学理论的错误并非绝对,而是随着测量技术和认识的进步逐渐修正和完善。

再假定测验的题目是:你能用多少种不同的方法拼写“糖”?说出每种拼法的道理。自然,学生必须经过大量的思考,才能最终证明他知道的多还是少。为了试图衡量一个学生所知道的是多还是少,老师也必须做大量的思考。我想象的到,这会引起师生双方的义愤。

再说说2 + 2等于几。假定约瑟夫说2 + 2 = 紫色,而马克斯维尔说2 + 2 = 17。他们俩都错了,但如果我说约瑟夫比马克斯维尔错的更严重,这难道不公道吗?

假定你说2 + 2 = 整数。那你将是正确的,对吧?假定你说2 + 2 = 双整数,那你就更加正确了。假定你说2 + 2 = 3.999,难道你不是近乎正确了吗?如果老师想要得到的回答是4,并对各种程度不同的错误不加区分,这难道不是给理解力设置了不必要的界限吗?

所以,当我的朋友——英语文学的专家——告诉我,每个世纪的科学家都以为他们搞懂了宇宙,却总是搞错了时,我想知道的是,他们究竟错到了什么程度。难道他们的错误程度都相同吗?让我们看一个例子。在人类文明的早期,人们普遍认为地球是平的。这并不是因为人们愚蠢,也不是因为他们固执己见非要相信愚蠢的事情不可。他们认为地球是平的,是基于确凿证据的。它不是简单的“地球看上去就是这样”的问题,因为地球看上去并不平。

地球看上去毫无规律地起伏不平:有山、有谷、有沟壑、有悬崖,等等。当然,地球也有平原。在局部平原地区,地表看上去的确十分平坦。其中一块平原位于底格里斯河和幼发拉底河流域,那是人类第一个有史文明(有文字记载的文明),即苏美尔文明的发祥地。也许正式平原平坦的地表,才使聪明的苏美尔人接受了地球是平面这一定论;而且,假如以某种方式削平或者填平地表的一切起伏,那么,你将得到一个平面。

对这个观念的确立起了作用的可能还有这样的事实:在风平浪静的日子,大片水体(池塘或者湖泊)看上去非常平坦。

看待这个问题的另一种方法,就是研究一下地球表面的曲率是多少。就是说,在相当长的距离内,地球表面与理想平面的偏差有多大。根据平面地球说,地球表面与理想平面似乎根本就没有任何偏差,曲率是零。当然,如今我们都学过,平面地球说是错误的,它彻底地错了,极端地错了,绝对地错了。

然而,它其实没有错的那么严重。每千米地球表面的曲率的确接近于零,因此,平面地球说虽然错了,但它却接近正确。这就可以说明,为什么这个理论存在了那么长的时间。

诚然,有些现象表明平面地球说不能令人满意。大约在公元前350年,希腊哲学家亚里士多德把这些现象总结了出来。

首先,当一个人向北走时,某些星星会消失在南方的地平线之外,而他向南走时,某些星星则消失在北方的地平线之外;其次,在形成月食时,地球在月亮上的阴影总是呈圆弧状;再次,就是在地球上,船只无论向哪个方向走,都会消失在水平线之外,而且最先消失的将是船体(然后才是桅杆)。假如地表是平面,那么,三个现象完全得不到合理地解释。但如果假定地球是个球体,那么,他们便可以解释的通了。

此外,亚里士多德还认为,一切固体物质都倾向于移向一个共同的中心。果真如此的话,固体物质最终会形成一个球体。一般来说,一定体积的物质,呈球状比呈其他任何形状都更接近于共同的中心。

比亚里士多德晚一个世纪左右的希腊哲学家Eratoshthenes注意到,太阳在不同纬度投下影子的长度是不同的(假如地表是平面,所有的影子都会一样长)。根据影长的差别,他推算出地球球体的大小。

根据他的计算结果,地球的周长是40000千米。这个大小的球体,曲率大约是0.000126。可以看出,它是个非常接近0的值,是古人掌握的技术难以测出来的。0和0.000126之间的微小差别说明了,为什么平面地球说发展到球体地球说经历了那么长的时间。要知道,即使0和0.000126之间这样微乎其微的差别,也是至关重要的。这种差别是不断放大的。

不考虑这种差别,不把地球当成球体而把它当成平面,那就根本不能准确地、大范围地把地球绘成地图。远洋航行也同样不可能实现,因为没有什么适当的方法来确定自己在海洋中的位置,除非把地球当成球体而不是平面。

另外,平面地球说有两种可能的先决条件:或者地球是无限的,或者地球表面有“尽头”。球体地球说则假定,地球既无尽头,又是有限的。与后来的全部发现相符的,恰恰是后面这种假设。所以,虽然平面地球说只稍稍错了一点点,同时它也是创立者的贡献。但通盘考虑后我们可以说,它错的足以让我们抛弃,转而承认球体地球说。

然而,地球是球体吗?不,它不是球体。在严格数字意义上,它不是。

一个球体应该具备某些数学性质,例如,它的所有直径长度都相等。但对地球来说,情况就不同了。地球上不同的直径有不同的长度。是什么原因促使人们产生了地球不是真正球体的想法?首先,在早起望远镜的检测极限之内,太阳和月亮的轮廓都是完美的圆形。这与太阳和月亮都是完美的球体这一假设相符。然而,当第一批望远镜观测者观测木星和土星时,他们很快就发现,两个行星的轮廓显然不是圆形,而是明显的椭圆。

这意味着木星和土星不是真正的球体。17世纪末,牛顿证明在万有引力的作用下,巨大的形体会形成球体。但是,这个结论只有在星体不自转的前提下才成立。如果星体自转,就会产生离心作用,它克服向心引力,把星体物质向外推。离赤道越近,这种作用就越强。球状物体的旋转速度越快,这种作用也越强。实际上,木星和土星转的非常快。由于地球的自转速度比木星和土星慢得多,因此,离心力也小得多,但它还是应该存在的。

18世纪进行的地球曲率的实际测定,证明牛顿是正确的。换言之,地球在赤道隆起,两极略微扁平。它是个扁球体,而非正球体。这意味着地球上不同的直径,其长度是不同的。最长的是那些从赤道上一点出发到赤道上另一点的任何直径。这些“赤道直径”的长度是12755千米。最短的是从北极到南极的直径,这个“两极直径”的长度是12711千米。他们相差44千米,也就是说,地球的扁率是44/12755 = 0.0034。

这个大小相当于1%的三分之一。

我们换一种表达方式吧。在平面上,曲率处处为零;在球体地球的表面上,曲率处处为0.00126(也就是每千米12.626厘米);在扁球体地球表面上,曲率介于每千米12.584厘米和每千米12.669厘米之间。从球体到扁球体的修正,比从平面到球体的修正要小得多。所以,虽然球体地球说是错误的,但严格地讲,它却错得不像平面地球说那么严重。

同样严格地讲,甚至扁球体地球说也是错误的。1958年“先锋一号”卫星发射升空,环绕地球运行,人们因此能够以前所未有的精度测量地球的局部引力作用,进而推算地球的形状。结果发现,赤道以南的赤道隆起比赤道以北稍大一点,南极海平面到地心的距离比北极海平面到地心的距离稍近一点。除去说地球是梨形的以外,似乎再也找不到更合适的比喻来描述地球的形状了。

于是,很多人立即作出论断,说地球一点也不像球体,它就像一个巴特利梨,悬于空间。其实,这个梨状体与标准扁球体的偏差只是几米的问题,而不是几千米的问题,对表面曲率的修正也只是每千米百万分之几厘米。

总之,我那位英语文学专业的朋友生活在一个错误和正确都绝对化的精神世界里面。他也许还在想,因为一切理论都是错误的,所以,人们现在可以认为地球是球体,但下一个世纪却是立方体,再下一个世纪是空心20面体,再下下个世纪又是圈饼状的东西。实际情况是,科学家们一旦有了一个好的概念,就会随着测量仪器的进步,以越来越成熟的手段逐渐把它完善和发展。理论只有不完善,没有大错特错。

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