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太阳和水星之间发现神秘“火种”

仰望星空 /  著作权归作者本人所有

伤我心太深  2016-12-12 22:06

  1915年11月11日至18日,爱因斯坦做了一个简短的计算:他用了14步对水星轨道进行分析,解释了50多年以来让天文学家感到棘手的一个反常现象。


  发现天体运行机制的一个小细节不至于让人们大惊小怪,但是爱因斯坦和朋友说,当他看到最后的计算结果,确认他的理论和实际观察结果一致时,他的心脏“不由自主地颤抖”。原因是:对水星轨道的正确分析首次验证了他的广义相对论,即物质间引力的相互作用。正如理查德·费曼后来对科研方法的评价:“这是一种解释事物本质的特殊方法。”那么,是什么使得其特殊?是其结果的不确定性。也许被肯定,也许被否定,最终的评判正如费曼所言,是“观察才是对事物本质最好的判断”。


  刚接触科研工作的科学家把科研方法称为“科学”,其步骤不过就是老生常谈的那一套:首先“建立假设”,然后“用实验(或观测)测试假设”,最终“分析结果”并“得出结论”。如果结论和预期不相符,就又回到了第一步。

  

太阳和水星之间发现神秘“火种”627 / 作者: / 来源:


  依循这些步骤,科研方法就成了“知识制造机”:数据进去,知识出来。但是这里面有一个问题:即使科研人员是爱因斯坦,真正的科学并不遵循这些模式。

  看起来“火神”的存在太有科学依据了,仅仅依靠观察来推翻这样完美的假设不能让人接受。


  为什么这样说?看看在爱因斯坦发现答案之前那些研究水星的天文学家都做了什么。勒维耶是19世纪中期伟大的天文数学家。1846年,他用纯运算的方式发现了海王星(借助牛顿的万有引力定律预测了这颗肉眼看不到的行星的存在,它产生的引力使得天王星偏移其已知轨道)。9年之后,他分析了水星的运动轨迹,又发现了一处不合常规之处——水星在其运动轨道发生的偏移不可能是金星、木星或者太阳系其他行星引起的。根据发现海王星的逻辑,他推测离太阳不远的地方有一颗肉眼看不见的行星。这颗假想的行星马上被命名为“火神”。


  对“火神”环环相扣的推理过程看似完美无瑕。仅仅几个月后,随着第一份观测报告的出现,“火神”的存在基本被确认。勒维耶认可了第一份观测报告,尽管在接下来的20多年中出现的十几项对“火神”的新发现没有任何重合之处,他仍然对“火神”的存在深信不疑,直至去世。


  最后一位相信“火神”存在的天文学家是著名的流星观测者詹姆斯·克雷格·沃森,他是密歇根天文观测台的主任。在观测1878年发生的一次日全食中,沃森在太阳的边缘上发现了“一颗红色星球,星等约为4.5”——这正是“火神”应该出现的地方。


  2年之后,沃森和勒维耶一样,带着对“火神”的坚定信念阖然长逝。两人都是优秀的科学家,勒维耶更是公认的伟大人物:他把牛顿万有引力定律用于分析现实世界中的精细结构,进行了无比复杂的计算,其对“火神”的预测无懈可击。实际上,勒维耶发现的水星轨道的偏移自始至终都是正确的,因为水星运行轨道的确发生了偏移。


  沃森做了费曼认为科学家应该做的事:通过对客观事物的直接观测来检验理论的正误。但就在这件事上,程序化科研形成的“知识制造机”发生了故障:勒维耶和沃森都不接受来自自然的、客观的结论。看起来“火神”的存在太有科学依据了,仅仅依靠观察来推翻这样完美的假设不能让人接受。他们相信自己的发现是正确的,自始至终都相信。


  正是这种理论上的冲突, 而不是观测带来的质疑, 最终给他带来成功。


  为什么?显而易见,科学家和普通人一样,有思想有感受,他们也有欲望、野心,追求成功带来的快乐。长期来看,科学是不断自我修正的,正如爱因斯坦的广义相对论取代了牛顿的万有引力理论,提出了不需要“火神”的存在同样可以解释水星轨道偏移的观点。但是就某一时期来说,人的期待总是把个人发现强行赋予人类——这绝对不是指责个人或者整个科学界,因为人们共同探索物质世界、不断接近真相的过程总是不完美的。

  

太阳和水星之间发现神秘“火种”387 / 作者: / 来源:


  即使伟大的科学家在真正做出突破的时候也是不完美的。在展示科研方法的动画中,爱因斯坦本应该从水星的轨道偏移出发,对牛顿的万有引力提出质疑,但事实不是这样。相反,爱因斯坦注意到他的狭义相对论和牛顿的理论有矛盾的地方。正是这种理论上的冲突,而不是观测带来的质疑,最终给他带来成功。


  “火神”的存在貌似科学,实为谬误——21世纪有无数这样的理念。这颗不存在的星球已经逐渐被人淡忘,连同那些因为其获得殊荣的人。在科学的历史上,广义相对论成为最伟大的个人成就。然而,勒维耶和沃森在计算和观测过程中,都为“火神”的存在兴奋不已;爱因斯坦“心脏的颤抖”是因为他意识到他验证了前人从未发现的自然真相。在科学发现的重大时刻,没有什么方法可言,科学家要面对的,是无处不在的科学真相。

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