简历阅读物理学家为何在黑暗中编造故事

关闭

你已经阅读了2篇免费月刊中的1篇。了解更多

关闭
 

物理学家为何在黑暗中编造故事

在看不见的世界里,科学总是与幻想相通。

几个世纪以来,科学家们研究光来理解可见世界。为什么事物是有色的?彩虹是什么?Philip Ball如何看待我们的眼睛

f或者几个世纪以来,科学家们研究光来理解可见世界。为什么事物是有色的?彩虹是什么?我们的眼睛是如何工作的?光本身是什么?这些问题是亚里士多德和罗杰·培根、艾萨克·牛顿、迈克尔·法拉第、托马斯·杨和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦所关注的科学家和哲学家的问题。

但在十九世纪下旬,所有这些都发生了变化,而且很大程度上是麦斯威尔的做法。这是一个时期,那时物理学的整个焦点仍然作为一个独特的科学学科出现,从可见的向无形的转变。光本身有助于这种变化。光的组成部分不仅不可见“场”,而且光被显示为仅仅延伸到远处看不见的一小片彩虹。

物理学从未回首过。今天,它的理论和概念主要与无形的实体有关:不仅是看不见的力场和无感觉的射线,而且用最先进的显微镜,即使是太小的颗粒也看不见。现在我们知道我们的日常感知只允许我们进入现实的一小部分。望远镜对无线电波、红外辐射和X射线的反应极大地扩展了我们对宇宙的看法,而电子显微镜、X射线束和其他精细的自然粒度探针揭示了隐藏在我们视觉敏锐度之外的微观世界。理论在物理学的推测前沿,用平行的世界和这个神秘的实体命名这个看不见的宇宙,因为它们的隐形性:暗物质和暗能量。

这种超越可见的运动已经成为科学叙事的一个基本部分。但这是一个比我们常理解的更复杂的转变。弄清楚什么是看不见的“超光”——人类经历有着更长的历史。在科学探索这个领域之前,我们必须利用神话和民间传说中的故事。这些故事并不是随着科学的进步而被摒弃的,而是简单的改造。在无形的前沿工作的科学家总是面临着知识、理解和实验能力上的差距。面对这些限制,他们不知不觉地画上了旧故事的意象。这是科学的必要组成部分,这些故事有时可以提出真正富有成效的科学思想。但危险在于我们会开始相信他们的表面价值,把他们误认为是理论。

回顾一下《看不见的历史》,就可以看出神话和民间传说的叙述和比喻如何刺激科学,同时表明真相可能远比这些古老故事所能容纳的更离奇和出乎意料。

隐匿光

现在谁将支持英国物理学家埃德蒙?福涅尔?达尔贝,他在1908提出了一个理论:人类灵魂是由一种称为“精神分裂症”的不可见粒子组成的,它具有一种基本的智力。他估计了这些粒子在一个灵魂(大约50毫克)中的质量,并暗示他的假设可以解释超自然现象,例如鬼魂和仙女,甚至摩西燃烧布什。当然,这听起来很荒唐,但是福尼埃是一位受人尊敬的无线电通信研究者,他坚持认为,鉴于最近的发现如X射线和电子,我们不明智地因为我们不能直接看到它而打折。

“我们必须坚决地反对寻找那些看不见的事物的倾向。”“看不见的一切都是关于我们的……一个单一的八度音阶在光波范围内给我们的视网膜留下了一个很小的比例,这对于一个装备更齐全的智能体来说是显而易见的。”

换句话说,他和他的同时代人坚称,天堂和地球的存在更多。

那些我们看不到或摸不到的东西曾经属于神秘的领域。这仅仅意味着它们是隐藏的,不一定是超自然的。但是隐匿成了各种想象超自然现象的藏身之处:鬼魂、鬼魂、心灵感应和其他“心灵力量”。这些东西现在似乎是科学的对偶,但是当科学首先开始关注不可见的实体时,许多主要的科学家没有看到这些神秘概念和硬科学之间的明显区别。他们发明了奇妙的故事来链接和解释它们。维多利亚时代的物理学家特别容易出现。有人推测,在亚原子或宇宙尺度上存在着智慧的、不可捉摸的生物。其他人推测,可见范围之外的高频波可以在头脑之间传递思想,或者不朽的灵魂与热力学定律一致。任何事情似乎都是可能的,就像我们意识到自己无知时经常发生的那样。

这种向无形的转向从理解古老问题开始:光是什么?在十九世纪初,法拉第将一个领域的概念引入了一个无形的、普遍的影响来解释电和磁的性质。在19世纪60年代,麦斯威尔写下了一套方程式,展示了电与磁是如何联系在一起的。麦斯威尔方程暗示这些耦合场中的电磁波将以光速穿过空间。很明显,这些波实际上是灯具

但是当可见光的波长在400到800百万分之一毫米之间时,麦斯威尔的方程式表明,电磁波的波长没有明显的限制。它们可能存在于可见范围的上限和下限之外。

这些预测很快就得到了证实。1887,德国科学家海因里希赫兹表示电流的波动会引起长波长的辐射,这被称为无线电波。意大利GoelelMo McCONI花了不到十年的时间,表明无线电波可以用来在很远的地方传送信息。

现在很难理解这是多么的革命性,不仅仅是实际的,而且是概念上的。以前,除了喊叫声范围之外的消息必须通过物理信件或电报线下的电脉冲发送。电报已经非同寻常了,但它仍然需要发送者和接收者之间的物理联系。通过无线电,人们可以交流无线地通过“空的空间”。

许多杰出的科学家在神秘科学和硬科学之间没有明显的区别。

这些发现在维多利亚时代的灵性主义狂热的高潮中发生,这并非巧合,其中媒体声称能够接触死者的灵魂。这两种趋势相互支持。新物理学暗示了对思想转移的解释,无论是从他人还是从精神上,以及对无形的影响和智慧的普遍信念为物理学中的思想创造了一个接受环境,似乎不那么令人难以置信。如果无线电波可以无形地在广播设备和接收器之间传播,那么似乎不难想象,人类大脑最终被电神经信号加速可以充当接收器。

但是,发送者是什么呢?科学家们已经熟悉了“看不见的领域”这一概念,他们开始思考非物质存在,它们栖息在看不见的存在面上。麦斯威尔的朋友Peter Guthrie Tait和Balfour Stewart都是物理学教授。看不见的宇宙(1875)其中,他们提出了以太是假设稀有流体携带麦斯威尔波作为桥梁之间的物理和精神世界,他们都认为是充满智慧。《电讯报》的一些先驱们已经与灵性主义相提并论,他们称之为“天体电报”。现在,无线催生了一个空洞的景象,那是一个活生生的痕迹。你所要做的就是收听,就像无线电爱好者们在广播中扫描赫尔辛基和慕尼黑的消息一样。吉卜林的短篇小说《无线》(1902)描述了一个男人,他因肺结核而发热,成为济慈诗歌片段的接收者,而在家中的其他地方,一组业余无线电爱好者从附近的一艘船上拿起广播。而在“S”字中由媒介引导的精神“电报线”提供了离开已故的亲人的安慰,无线似乎反而使精神世界成为一个非个人的、经常是毫无意义的密谋的来源,在一个无人关心的宇宙中漂泊。

威廉1895年发现的X射线进一步刺激了这些想象。X射线很快就变得清晰了,在光谱的另一端是看不见的射线,波长比光短得多。他们的发现是对从热金属电极发射的“阴极射线”的实验的一个分支,在1898,它们本身被发现是被称为电子的带电亚原子粒子流。

使X射线如此惊人和令人惊叹的原因是它们不仅是隐形的,而且是无形的。揭示看不见的,最不可见的,是我们肉体下的骨头,对死亡的一种令人不安的预感。在19世纪90年代,人们涌向公众展示,如柏林的Urania或纽约的Thomas Edison的舞台眼镜,观看他们的骨架出现在荧光,X射线敏感的屏幕上。X射线摄影似乎是“精神摄影”的直接延伸,它在19世纪70年代和80年代变得流行起来,声称通过虚伪或真正无意的双重曝光来揭示鬼魂。它证实了照相乳剂是一种“敏感介质”,它能使隐形物显现出来。其他人声称看到了照片中新的隐形射线的证据,甚至能够拍摄“思想形态”和灵魂。

鳍翅看不见的“射线”到处都是,没有任何声称显得过于奢侈。有阴极射线和阳极射线,完全虚假的辐射,如N射线和“黑光”(虽然紫外光也获得了这个名字),最著名的是,昂利·贝可勒耳发现的“铀射线”来自1896的铀盐。这些流淌在一个不可遏制和不可抑制的流动中,暗示着巨大的隐藏的能量来源,通过彼埃尔和Marie Curie、欧内斯特·卢瑟福和其他人的工作,最终被追踪到原子核的核心。居里夫妇把这些射线称为“放射性”。

有一种古老的文化观念,认为无形的“发散”可能有生命提升的机构,无论这些都是中世纪赋予草药的“美德”,还是十八世纪德国医生Franz Anton Mesmer的“动物磁性”或“催眠力”。因此,我们不应该感到惊讶的是,人们普遍认为放射性具有神奇的治愈能力。“不管你有什么病,写信给我们,”1905的诺瓦塔镭疗养公司广告。“治愈病例的证明书将发给你。”“治疗”镭被添加到牙膏和化妆品中,温泉小镇自豪地宣传他们的水域中的放射性(天然来源的氡)。直到20世纪20年代,放射性元素对健康的影响才是完全相反的:拯救Marie Curie本人的时间太晚了,或者一些镭女工在过去的十年里一直在舔油漆笔蘸上放射性涂料来寻找手表。


鬼魂工厂

十九世纪底这些发现的一个重要信息是我们感知的宇宙只是其中的一小部分。“精神世界”有着悠久的传统,至少追溯到中世纪,那时,一个不可见的、邪恶的恶魔潜伏在我们周围,这是司空见惯的事情。这些信念为理解新的“无形宇宙”提供了无意识的模板。著名的物理学家William Barrett在他的书中提出了1882年度的心理研究学会。看不见的门槛(1917)存在着人类无形的“要素”。

这是这个时代最著名的“精神科学家”威廉姆·克鲁克斯实验所共有的一个想法。克鲁克斯是1913至1915年间担任皇家学会会长的化学家和企业家,他在1861发现了新的化学元素铊时就出名了。然而,他似乎特别相信灵性主义者的说法,甚至可能与他们共谋。他被几个媒体,包括著名的Florence Cook。像许多媒体一样,Cook是一位引人注目的年轻女性,她发现很容易操纵维多利亚时代的绅士们的判断力。克鲁克斯确信“存在着无形的智慧生物”。宣称“(他显然把这当成了怀疑的观点)。为了研究他认为媒介所指挥的“精神力量”,克鲁克斯发明了一种称为辐射计或“光磨机”的装置,其中一个密封的玻璃灯泡内的枢轴上的精致叶片在被光照射时会旋转。虽然旋转的原因并不是如最初所想的那样,是由于光本身所施加的“压力”,尽管没有质量,但是光线可以向表面产生一点踢,压力是一种真实的现象,辐射计帮助建立它。因此,一种由超自然信念所激发的工具促使人们对光的性质进行有益的科学研究。

辐射计
光明中的精灵在19世纪70年代,为了研究精神力量,化学家威廉姆·克鲁克斯实验发明了辐射计(上面),其中精细的叶片在被光照射时旋转。Nevit Dilmen


同样可以说克鲁克斯的“辐射物质”,据说是“普通物质和纯光之间的某处的第四种物质”。克鲁克斯在用气体放电管进行重要工作时发现了这一点,其中带电的电极电离了一个蒸气,这样电流就可以通过它,产生一个辉光。1879,他声称辐射物质存在于“已知与未知之间的阴暗世界”中,他怀疑它像以太一样,可能是通向精神世界的桥梁。

辐射物质是克鲁克斯过分活跃的想象力的另一种形象。但这也会产生果实。他用辐射物质来解释被称为“暗空间”的放电管内的一个神秘区域,但事实证明暗区是由阴极射线引起的,克鲁克斯对这一现象的研究最终导致了电子和X射线的发现,并与Marconi的无线电广播相结合,发展了电视。事实上,一些早期的电视先驱是出于他们超常的同情心,无论是克鲁克斯对阴极射线管的精炼,还是他自己设计的独特的电视技术,或者通常被视为设备的约翰·罗杰·贝尔德。真实发明家,他相信他与Thomas Edison逝世的灵魂有着精神上的联系。

无线电通信和电视都是代表性的。全部现代媒体,因为他们是鬼工厂,永远制造什么在1886精神研究者弗里德里克W.H.梅尔斯称为“活生生的幻象”:我们自己的无实体复制品,准备为我们说话。收音机可以想象出首相或电影明星在你的起居室里像幻影一样消失了的幻觉。如果你能看到这样的电子幽灵和听到它们,那么幻觉会有多大的力量。它可能似乎是自然的和无害的,指的是早期的电视机的双重图像,这是由电子接收不良或电子束同步不良引起的“鬼魂”——但是这一术语与你所看到的屏幕上的数字可能并不总是对应于真实的人有共同的怀疑。毕竟,他们可能已经死了。1953年12月,新闻记者蜂拥到长岛州Jerome E. Travers的家中,目睹了一个在屏幕上出现的陌生女人的面孔,即使当手机被拔掉时也不会消失。(这家人把屏幕对着墙,好像丢脸似的。)

一些早期的电视先驱是出于超自然的同情心。

通过将我们的存在传递到不可能到达的时间和空间上,并保持我们的形象和声音超越死亡,这些媒介颠覆了几个世纪的规律,通过要求信件的物理传送或人自身的存在来限制人类的互动。我们假定我们爱人的声音从电话中发出的幻觉,在屏幕上召唤的天空图像(现在是发光二极管而不是电子爆炸的荧光体)是肉身中遥远的亲戚。

那么,谁会惊讶于互联网充斥着幽灵呢?正如民俗学历史学家Owen Davies所说,“网络空间已经成为了困扰地理的一部分”。这里,死者的模拟痕迹也可能无限期地流传;这里也有假名的身份,据说是从坟墓之外讲出来的。甚至比电话和电视,互联网,那无形的声音潺潺的声音,似乎几乎都是用来设计精神的,毕竟它并没有比我们自己的网络存在更灵巧。

我们一次又一次地看到,科技本身并没有驱逐民间信仰和迷信,它只是为他们创造了新的环境。也许这不应该是什么意外,因为技术进步本身并不会在人们推理或评估证据的能力方面产生任何进步。但是,科学仍然可以推回无知和迷信的乌云吗?是的,当然可以。但这并不是说,今天的科学家们比他们的前辈们更不喜欢想象的飞行。谢天谢地,科学需要象冷逻辑一样的想象力。但就像维多利亚时代一样,当两个词都用白天的行话时,很难区分幻想和事实。


隐秘世界

例如,量子力学的许多世界解释。关于如何解释量子理论告诉我们什么是微小的尺度的现实本质,目前还没有达成一致,但是许多世界的解释有很多有影响力的追随者。它假设存在平行宇宙,它体现了描述量子系统方程的许多可能的解决方案的每一个可能结果。根据麻省理工学院物理学家Max Tegmark的说法,“它预言一个经典的现实逐渐分裂成许多这样的现实。”这个想法源于20世纪50年代的物理学家Hugh Everett的作品,但埃弗雷特自己从来没有说过“很多世界”。

那时,量子理论的普遍观点是,当你对一个量子系统进行测量时,它只选择了被称为“波函数”的数学实体中列举的一个可能的结果。这个问题是,理论上没有任何东西导致这个崩溃,你必须把它放在“手工”中。埃弗雷特提出了一个显然无害的建议,也许没有崩溃:所有其他可能的结果也有一个真实的物理存在。他从未谈到过这个问题。在哪里?那些其他国家居住。但是他的一些继任者围绕着他们建立了一个完整的宇宙,除了一个方面,在各个方面都与我们自己完全相同。每一个量子事件都导致这些平行的宇宙扩散,因此,“做出决定的行为导致一个人分裂成多个副本”,根据TeGMARK。(更恰当地说,这些替代性的宇宙一直存在,只是每个事物的进化方式不同。)

但是当你试图用有知觉的生物来填充许多世界时,这个想法本身就崩溃了。这不是(正如TeGMARK可能被暗示上面),我们在这些世界中有不同的版本,它们是全部在某种意义上说,我们,但没有什么地方可以把我们独特的意识放在哪里。这个难题并不是(如一些拥护者所坚持的)是“认真对待数学”的必然结果,而仅仅是因为动机,既没有实验也没有理论,使每一个正式的数学表达都是一个完整的世界,从这个看不见。这不是为了任何科学原因,而是因为面对未知,我们总是这样做。在中世纪,有形的证据,如无形的力量,如磁性使无形的生命,如恶魔似乎更可信。X射线、无线电波和放射性的发现同样支持了一个人口稠密的“看不见的宇宙”的信念。波函数的明显崩溃确实是一个深刻的谜团,我们是否应该惊讶于一个反应是建立不可见的宇宙来补偿?

互联网,那无形的声音,似乎几乎被设计成精神。

同样的考虑也适用于“膜”(简称膜)世界的概念。这源于弦理论的最先进的变型,它试图解释称为弦的超小实体的所有已知粒子和力,可以设想为粒子延伸到振动的小股。理论的大多数版本要求方程中的变量似乎在空间中具有额外维度的作用,因此弦理论不假定四维(时间和空间)而是11。正如物理学家和作家Jim Baggott指出的,“这些假设没有实验或观察基础”——“额外维度”只是方程的形式方面。然而,该理论的最新版本表明,这些额外的维度可以是非常大的,构成额外维度的膜,它们是替代我们自己的替代宇宙的潜在储存库,就像一本书的堆叠的叶子。不可避免地,有一种强烈的欲望,想象这些地方也可能充满众生,尽管这是可选的。关键在于,这些膜世界只不过是推测性方程中的数学实体,化身为无形的平行宇宙。

暗物质和暗能量通过对真实世界的观察更直接地激发。暗物质显然需要解释重力效应,这些引力效应似乎来自不可见普通空间的部分空间,或者不足以解释拖船。例如,旋转星系似乎有一些额外的引力来源,在可见的恒星和气体之外,阻止它们飞散。远距离天体物理被时空引力扭曲扭曲的“透镜效应”似乎也要求这种无形的物质形式。但是暗物质在通常意义上并不存在,因为它没有被看到,也没有能够令人信服地解释或要求它存在的理论。暗能量也是一种“物质”,用来解释宇宙膨胀的加速,这是天文学家在20世纪90年代中期观测到远处物体时发现的,但它只是一个谜题的名字,没有任何直接的探测。

暗能量,也可能是暗物质,很可能会变成像克鲁克斯的“暗空间”和“辐射能”:不完全是物质,而是一些迄今未知的物理原理的症状。这些联系在菲利普·普尔曼的作品中是非常直观的。他的黑暗物质三部曲,其中(标题单独给出一个线索)一种叫做尘埃的神秘物质是暗物质和巴雷特的准有意识的精神分裂体的融合体,由普尔曼替代的蒸汽朋克牛津大学的科学家神父给出的精神解释,它利用克鲁克斯的光磨坊的仪器来感知它的存在。

当然,科学家们并不是在虚构事物的同时,依靠想象的隐蔽性。他们使用暗物质和暗能量,(如果一个人是慈善的)量子许多世界和膜,和其他难以察觉和假设的领域,执行一项基本任务:用他们能掌握的概念来填补他们知识的空白。

如果科学不因其缺陷而脱轨或士气低落,就需要这些临时的修复和发明。当这种情况发生时,似乎不可避免的是,这些发明将采用熟悉的形式,它们将从旧概念甚至神话中汲取,它们将是“神秘的”粒子或射线,甚至是整个想象的世界,充满了居民。这些可能是完全错误的概念,但它们使我们的无知具体化,使我们能够思考如何探索它。

当我们在知识的前沿工作时,思考难以直观或形象化的时间和空间问题,冷逻辑和严格遵守实验和证伪可能是不够的。但是,诀窍是发明和想象,而不忽视这一事实,这就是我们正在做的。我们可能会发现我们的发明是错误的,恰恰是因为它们往往来自一个古老的经典。但希望他们会错在一个好的方式,照亮了深入了解宇宙的道路。


Philip Ball是许多科学著作及其对更广泛文化的影响的作者,包括生命的矩阵:水的传记;石头的宇宙;音乐的本能;好奇心:科学如何对一切都感兴趣;为帝国服务。他的书临界质量荣获2005万神科学图书奖。他的下一本书是看不见的:看不见的危险诱惑。

16个评论-加入讨论