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以科学的名义做思想实验


作者:MorningRocks




科学的全部

就是正常思维的一个精致版本

——爱因斯坦


 - 思想实验 - 


因为有许多实验在现实中没有办法真的做到,所以这类只能用想象力去进行的实验就被统称为「思想实验」。比如中学物理中常提到的「一个平滑,无摩擦力的地面」就是思想实验常见的场景。


知名的思想实验除了双生子佯谬,还有黄油猫悖论、双缝实验、薛定谔的猫等(这些太有名了,今天就不写了)。



你会发现,许多日常被奉为真理的科学知识,其实并没有经过「真正的实验」。


比如每个人都听过伽利略在比萨斜塔上做的双球实验吧——从高处同时扔下一重一轻两个球,伽利略设计出这个实验为了推翻当时亚里士多德的理论「越重的物体下落越快」——说起来也很有趣,几千年间,伽利略是第一个想到要检验「不同重量的物体是否确实以不同速度下落」的人,在那之前人们认为这简直理所当然。


几乎所有人都认为伽利略真的做了这个实验,其实并没有,这仅仅是个思想实验。



虽然没有真的登上比萨斜塔,但是伽利略的确做了一些替代实验——将不同重量的球从光滑的斜面上滚下。这情况类似于重物的垂直下落,但因为速度较小而更容易观察。


从而验证了牛顿定律,并得到那个伟大的结论:不管物体的重量是多少,其速度增加的速率是一样的。


放在那个年代,这不亚于思想大爆炸。




 - 忒修斯之船 - 


思想实验不都是物理学,还可能在生物学、经济学甚至哲学的领域内。


前两年大火的小说《S.》中,就引用了哲学领域内非常著名的思想实验「忒修斯之船」:假定某物体的构成要素被完全置换,那么它依旧是原来那个物体吗?


1 世纪时,希腊作家普鲁塔克提出这个问题:


忒修斯与雅典的年轻人们从克里特岛归来时所搭乘的 30 桨船,被雅典的人留下来做为纪念碑。随着时间过去,木材逐渐腐朽,雅典人不断使用新的木头来替代。最后,这艘船的每根木头都被换过了。


那么,这艘船还是原本那艘忒修斯之船吗?如果是,但它已经没有最初的任何一根木头了;如果不是,那么它是从什么时候开始不是的呢?



那些历史上著名的哲学家赫拉克利特、苏格拉底、柏拉图等等,都曾对这个问题发表看法。


赫拉克利特曾提出相似的悖论:人不能两次踏入同一条河流,因为无论是这条河还是这个人都已经不同。




 - 变成蝙蝠会怎样? - 


《成为一只蝙蝠可能是什么样子》是美国哲学家 Thomas Nagel 在 1974 年发表的一篇论文,旨在说明「感受性」在物理与心灵之间的解释鸿沟。


「头疼时的痛感,酒的香味,傍晚暗红色的天空。」这些信息说出来,你我在心里都有各自的感受,但我们永远无法准确地传导给对方那些物理因素。


一个冷知识:所有哺乳类动物中,有 1/5 都是蝙蝠。它们已经在地球上生存了 8800 万年,几乎跟恐龙同时代


根据 Nagel 的论证,物理信息无法让我们知道身为一只蝙蝠的感觉是什么。


比如蝙蝠是由声呐来感知世界,获知物体的距离、大小、形状等等信息,与我们的五感方式有很大不同,我们无法以自身的内在感受去推知蝙蝠的内在。就算以科学方法得知蝙蝠在接收超音波时,脑中会出现特定的神经冲动,但人类不能知道脑中产生那种神经冲动「是什么感觉」。只有从蝙蝠的主观观点出发,才会知道是蝙蝠是什么感觉,它的感觉不能用物理的术语去通用理解。


也自此可推知,我们永远无法知道他人对于颜色、声音、气味、疼痛等等的感觉「到底是什么感觉」。




 - 莫利纽兹问题 - 


这是一个有关于人类认知能力的思想实验,比较特殊,是因为它在多年后终于被执行了。


首次出现在英国哲学家 John Locke 的《人类理解论》中:



如果一个人天生眼盲,但他可以透过触觉来分辨不同的形状,如圆形、或方形。


假设他有一天恢复视力,在未接触到物体之前,他能不能够单纯以视觉来分辨出不同的形状?



人们曾展开不同观点的讨论:经验论者认为人类生来像是白纸,需要依靠经验累积来形成认知。但是先天论者认为,人类先天就拥有认知能力。


通过莫利纽兹问题,能给这两种争论画下休止符。如果先天的盲人在恢复视力之后,立即就能够分辨形状,就证明了先天论者的论点是正确的;反之,则证明了以视力分辨形状,是后天学习得到的,因此经验论者的观点正确。


2003 年,一支麻省理工学院的团队在印度新德里真正进行了这个实验。他们找到 5 名,年龄分别为 8-17 岁的实验对象,他们出生时皆为全盲,但在经过手术治疗后恢复了视力。


实验的结果是:他们在恢复视力后的第一时间并不能够单纯以视觉来分辨杯子与花瓶之间形状的差异。但经过一周时间之后,他们就自然地拥有了以视觉分辨形状的能力。这项实验显示的结果在经验论和先天论之间,人类脑部的可塑性总体超过先前学术界的判断。




 - 戴森球理论 - 


科幻爱好者肯定对戴森球不陌生。


Freeman Dyson 是一位著名的数学物理学家,他著有许多科普读物,在外星智能方面做过深入的研究,其中最著名的构想就是戴森球:一个包围母恒星的巨大球形结构,它可以捕获大部分或者全部的恒星能量输出。


Dyson 认为,这是一个技术文明对于能量需求增长后的必然结果。所以,这也是我们寻找系外文明时可以使用的一种观测方法。


 艺术家概念图,来自 Adam Burn


人们真的发现了一颗这样的「可疑」星球。


KIC 8462852,又名 Tabby 星或 WTF 星(「Where's The Flux?」的缩写,不是「What The Fuck」),这是颗位于天鹅座的恒星,距离地球 1480 光年。


开普勒太空望远镜观察到它的亮度有异样的起伏:有数个非周期性的小骤降,且每次降低的强度是不一致的,另外还有 2 个大骤降约每 750 天会发生一次——这就像是许多小型物体以「密集队形」在绕行恒星,科学家们根据观测到的结果这样猜想。


艺术家笔下,被小型物体环绕的年轻恒星


这不是一颗变星,它的亮度变化不应该来自于本身,想到这里,已经足够让人心潮澎湃了。更离奇的是,2011 年 3 月 5 日第一次骤降的遮盖挡住了 WTF 星 15% 的亮度,另一次则造成了 22% 的下降——一颗木星那般大的行星仅仅只会造成这颗恒星亮度下降 1% 而已,表示这并不是一颗行星在遮挡它的光,而是某个几乎有它一半宽的物体。


目前还没有一种「自然状况」能够完美解释这种情况,因此非常可能:这「东西」不是天然的,而是「人造」的。戴森球结构这个理论非常自然地被联想到了。


艺术家概念图,来自 Chris Anderson


如果真的这样,那么 KIC 8462852 所在的星系里很可能有个正在进入「卡尔达肖夫指数」(是根据一个文明所能够利用的能源量级,来量度文明层次及技术先进程度的一种假说)第二型的先进文明,他们正在构建的「戴森球」雏形,至少在 1480 年前是这样,现在或许已经搭建完成。


又或许这是一个消逝的文明,留下的太空遗迹,遗留下部分破碎的太阳能板仍在轨道上绕其母星旋转。




 - 中文房间 - 


John Rogers Searle 是一位哲学教授,他提出了「中文房间」这个思想实验,借以反驳强人工智能的观点:只要计算机拥有了适当的程序,理论上就可以说计算机拥有它的认知状态,并且可以像人一样地进行理解活动。


在 1980 年发表的论文《心灵、大脑和程序》中,描述了这个实验:



一个对汉语一窍不通、只说英语的人被关在只有一个开口的密闭房间中。房间里有一本用英文写成的手册,指示该如何处理收到的汉语讯息及如何以汉语回复。


房外的人不断向房间内递进用中文写成的问题。房内的人便按照手册的说明,查找到合适的指示,将相应的中文字符组合成对问题的解答,并将答案递出房间。



John 认为,尽管房里的人可以以假乱真,让房外的人以为他确确实实说汉语,他却压根不懂汉语——就像一个以假乱真的人工智能。


全世界第一位机器人公民 Sophia 就刚刚被爆出其实只是一场骗局,她那些语出惊人的言论,其实都是团队事先刻意设计好的内容。


Sophia 由 Hanston Robotics 公司制造,去年首次亮相就被各大媒体评为「最像人的机器人」,表达情绪是索菲娅的专长——她会做出全方位的面部表情,高兴时微笑,不高兴时则皱眉,并能够跟踪和识别人的面孔,看着人的眼睛,并进行自然对话。在回答记者问题时,她还幽默地调侃道:「你读了太多 Elon Muck 的预言,看了太多好莱坞电影。」


「中文房间」实验的反对观点中,有一派比较有趣,他们拿人类本身来类比:所有人都认为人是拥有智能的,而人的智能决策来自于脑细胞的电信号转换,可每一个脑细胞并不理解单词的意义,只是简单的缓冲、传递或抑制一个电信号,脑细胞创造了语法规则,创造了决策策略(相当于规则书与不懂中文的人),那么你能说,人类显示出的这种沟通能力并不代表人类具有智能吗?


所以他们依然认为若某段计算机程序,能够完成图灵测试(这也是一个思想实验),则说明该段计算机程序具有认知能力。




 - 缸中之脑 - 


同样在思考「人所体验到的一切最终都要在大脑中转化为神经信号」这件事的思想实验,还有缸中之脑,由哲学家 Hilary Whitehall Putnam 提出。


从原型上,跟庄周梦蝶、柏拉图的「地穴寓言」、笛卡尔的「我思故我在」都十分类似。



假设有一个疯子科学家,他将一个大脑从人体取出,放入一个装有营养液的缸里维持着它的生理活性。


一台超级计算机通过神经末梢向大脑传递和原来一样的各种神经电信号,并对于大脑发出的信号给予和平时一样的信号反馈,则大脑所体验到的世界其实是计算机制造的一种虚拟现实。


那么,这个大脑能否意识到自己生活在虚拟现实之中?



因为缸中之脑和我们头颅中的大脑接收一模一样的信号,而且这是它唯一和环境交流的方式,从大脑中角度来说,它完全无法确定自己是颅中之脑还是缸中之脑。


是不是很像《黑客帝国》中的情节?人类生活在由母体创建的虚拟现实之中,同时充当能量来源。




 - 牛顿大炮 - 


记得高中学到的第一二三宇宙速度吗?牛顿在他的 《自然哲学的数学原理》里描述了这个思想实验:



有一门加农炮架在一座非常高的山的山顶上,假设在没有任何引力和空气阻力条件下,炮弹应该沿着发射的方向以一条直线的轨迹远离地球。


如果有一个吸引力存在的话,炮弹会沿着一条不同的轨道运动,轨道的形状取决于炮弹的初始速度。



如果速度比较低,炮弹就会直接掉在地球上;如果速度达到了所在海拔的第一宇宙速度,炮弹将会沿着一个固定的环形轨道环绕地球,就像月球一样;如果速度大于轨道速度,但小于第二宇宙速度的话,炮弹会沿着一个椭圆轨道环绕地球;如果速度非常快,炮弹将会沿着一个抛物线(当速度恰好为第二宇宙速度)或者双曲线(当速度大于第二宇宙速度)轨道逃离地球。


有没有觉得重温了一堂物理课。


《自然哲学的数学原理》(第 3 卷,第 6 页)中牛顿大炮插图的照片


这个思想实验对自然科学、对人类十分重要,以至于这张插图也被收录在旅行者金唱片中,搭载在旅行者 1 号和旅行者 2 号上,离开了太阳系正往太空深处前进。




 


The whole of science is nothing more than a refinement of everyday thinking.





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