刘华杰:超越自然科学的世界观和方法论颠覆你对科学的看法++文理学院.pptx
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1、奇葩说第五季,陈铭与詹青云之间,一场关于要不要利用技术,一秒让人类大脑知识共享的辩论,成为刻在不少人脑海中的辩论名场面,久久不去。“神仙打架”环节,詹青云一句“知识是人脑海中相信为真的东西”,引起陈铭强烈反驳。多年接受的传统教育,让不少人对科学知识的真实性深信不疑,直到陈铭说出“知识是可证伪的外部客观世界的规律总结”,点醒所有人,原来知识是可证伪的。在哲学家的世界里,科学知识不止是可证伪,甚至科学定律都是假的,“它是简化出来的,是人为了把握自然界、把握复杂性,从复杂现象中抽象出来的一种合理的概括”,在混沌大学文理学院的讲堂上,北京大学哲学系教授、博物学家刘华杰打破了人们对于科学的刻板印象。而面
2、对充满复杂,难以简单预测的世界,我们应该怎么做?刘华杰的观点是,我们生存的世界是极其复杂的非线性世界,已经不能再仅用我们习惯的线性思维进行思考,在自然科学的基础上,融合科学与人文,也是一种选择。授课老师| 刘华杰 北京大学哲学系教授、博物学家编辑| 混沌大学商业研究团队支持| 唐锦 赵哲 混沌大学文理学院,今天我们生活在一个什么样的世界?一个科学的世界。可以说,我们很幸运;但反过来也可以说,我们很不幸,因为个体没法选择。在这个属于科学技术的时代,科学托举了我们的世界观。如果对于作为基础的科技没有了解,我们普通人的生活可能面临诸多困惑,世界观将难以自圆其说。你可能会说,依据迷信、传说和日常经验,
3、照样可以建立自己的世界观,但那样的世界观显然不太靠谱,不被认可。我们在严谨科学的基础上建立世界观,再于这样的世界观之上形成某种人生观。事实上,早在五四新文化运动时期,中国就讨论过科学与人生观之间的关系,这种讨论延续至今。当今时代,科技在扩张,势如破竹!科学寻找规律性,而技术追求操控性。科学追求稳定性、确定性,或者叫不变性,总是要在复杂和变化当中,把握那些不大变化的东西。,而这种不变性主要以因果律和科学定律标识。因果律是我们生活在这个世界上最基本的、要相信的东西。如果我们不相信因果律,那很多事情都没法说了。因果律之后,我们还要学习大量的科学定律。但是,今天我要讲科学定律是“假”的。恐怕从小学到现
4、在,从来没有人跟你讲科学定律是“假”的,人们都讲科学定律是如何真实、如何把握了事物本质,但是,从科学哲学的角度来讲,科学定律确实是“假”的,名不副实。“假”在什么地方呢?它是简化出来的,是人为了把握自然界、把握复杂性,从复杂现象中抽象出来的,一种合理的概括。虽然是假的,但是只有大科学家才能造出这种假来,只有爱因斯坦、牛顿这样的大科学家才能够发现科学定律。这里,我们虽然说“发现”,但跟“发明”是一回事。科学定律是被发明出来的,是人造的,却非常管用。依据科学定律,我们可以做很多很多事情,感受世界的秩序,科学定律还具有预测的功能,我们可以预知很久之后的未来。比如,我们可以提前1万年预测日食、月食,可
5、以精确地把嫦娥5号的每一个动作都事先反复演练,最后实际操练一把。但是,与媒体宣传和直观感受不同,嫦娥系统是非常简单的系统。与之相对应,世界上更多的系统是复杂的:比如,股票系统是复杂的;我抽一根烟,烟雾怎么往上飘,是复杂的;湍流、三体运动、人类社会,是复杂的。而复杂性的系统是没法精确预测的。对于外部世界,我们能预测多远,其实取决于系统的复杂程度。理解世界之复杂性,至少要把握两点:第一,等级结构;第二,非线性,具体而言涉及分形(fractal)和混沌(chaos)。等级结构相对好理解,今天不讲。对于非线性,在分形和混沌之外,其实还有很多概念,比如模式、孤立子(孤波)等等,我们此讲先存而不论。从复杂
6、性科学的角度看,世界图景在横向空间分布上,按照分形组织;在纵向时间演化上,存在混沌运动。在非线性系统中,分形和混沌两大现象极其普遍,以前却是不熟悉的,比如我读大学时一般还不提它们。,科学如何前进?反事实、由简入繁了解世界,我们要借助一些工具,没有工具,科学寸步难行。最近300多年中,科学取得了突飞猛进的发展。标志就是一大堆高度简化的科学模型组成的工具箱,这些模型包括简谐振动、周期运动、太阳系模型、线性微分方程、常微分方程、均衡、理想气体模型、氢原子模型、正态分布、果蝇、豌豆实验等等。这些科学模型极其管用,其存在的前提条件是什么?反事实条件,就是一般情况下它并不成立,只在在特定的、简化的条件下才
7、成立。比如弹簧拉伸,在一定范围内符合线性定律,即胡克定律;但是稍使劲一拉一下,超出线性区,胡克定律就不成立了。,再比如豌豆实验,孟德尔当初如果不选用豌豆,而是选用玉米,就做不出优美的结果;幸好当初他选择豌豆这个物种,因为豌豆比较特别、性状明显且稳定,而玉米的基因有跳跃,再换个物种也可能没戏。通过豌豆实验,孟德尔发现了遗传规律、遗传因子的分离规律及遗传因子的自由组合规律。这些规律真不真呢?有时真,有时不真,通常不真!人,可不可以违背科学定律?百姓听了庸俗科普后,以为科学定律很神圣,是自然规律,不可违背。同时伪科普又吓唬大家:违背规律是要受报应的,即受到规律的惩罚!这是矛盾的,不能违背,意味着根本
8、就做不了,如何又受报应?我给出一种一致性的说法:规律可以违背,而且违背了也未必受惩罚!比如我主动抬起右胳膊,这一行为就违背机械能守恒定律。对此局部系统,这千真万确,而且也没什么惩罚。其实事情很简单,我主动抬起胳膊时,动用了化学能,它不属于机械能(动能和势能)之任何一种。我们看到,科学定律只在一定范围内成立,科学之所以科学、之所以牛掰,就在于把条件叙述得很清晰,而不在于它发布了神谕。科学经历由简单到复杂的过程,从最简单的东西向外延伸和扩展。并不是说牛顿当初没有看到复杂性科学,只是他先从简单入手,而科学发展到现在,我们已经绕不过复杂性。我们掌握的工具有哪些?有物理学工具,还有大量数学工具。大学要学
9、微积分、线性代数以及跟它相关的线性回归分析;工科要学习傅里叶变换、拉普拉斯变换;研究生阶段则要接触小波变换、李雅普诺夫线性化方法等。现实系统本质上非线性的,很难用线性化的办法替代。可是,即使是非常高级的学问量子力学,也是线性的,满足线性叠加。今天,我们掌握的非线性工具仍然非常有限。,认识世界两大特征:时空纵横、分形与混沌在非线性框架下考虑世界的本体结构,我们先来讲分形。稍精确点看,世界并非以我们熟悉的欧几里得几何形式存在。在欧几里得几何的视角下,桌子的点线面是无限平直的,但是如果拿放大镜看,发现并非如此,你也不可能造出完全理想化的数学桌子。现实中,根本不存在欧几里得几何意义上的那种点、线、面,
10、大部分都是非欧几何对象。比欧氏几何复杂一点,我们可以用分形几何。从分形几何的观点看,世界是以分形结构存在的。更新后的观念,具有更强的解释力。分形究竟在这个世界扮演了如何重要的角色,人们可能还缺乏理解。分形,最简单的定义是:整体与部分相似的对象。举例来说,人体遍布分形,否则我们根本没法正常地活着。生命是在膜结构基础上一点点演化而来,比如大脑皮层就是分形结构,如果把大脑皮层一点点展开,可以展到一个足球场那么大。大脑才能够记忆相当多内容,并且有非常强的检索能力。人能够瞬间回忆起幼时场景,诸如与谁见面、说了什么话。当然,这种场景回忆会有出错的时候,但是计算机检索却无法做到如此高效。不仅大脑皮层,血液系
11、统也是如此。如果人体血管系统是一种欧式几何的管道,它的效率会极低。比如拿锥子往身上随便扎一下,会瞬间扎出血,这意味着虽然血液只占人体体重的6%-7%,但血液微循环极为精致,处处皆有血管。如此高的效率,只有分形结构能实现。这是自然演化的结果,人造不出来!大自然演化出的结构通常具有分形特征,从小麦根系、水系、云朵、菜花、珊瑚、材料断口,到人体的大脑沟回、小肠绒毛、血管、支气管、城市系统,皆如此。为什么这么普遍的科学知识一直没有被发现?因为人们一直没有从几何变革的角度思考。人类被欧氏几何观念统治太久了!著名物理学家约翰惠勒说过,以前不知道热力学“熵”这个概念的人是科盲,现在不知道“分形”概念的人也是
12、科盲,即科学上没文化。实际上,熵概念很难理解,有的人会用偏导数计算熵变、焓变和内能,但还是不知道熵是怎么回事;分形却很容易看懂,它非常直观。分形结构的眼光看复杂物理系统,确实可以简化实在。对比物理系统更复杂的对象,也是如此。除了物理学家,分形还与不少数学家有关。下图中的8位数学家都不同程度地接触过分形,但是他们都没有提出分形的概念。,分形概念是由谁提出的呢?数学家芒德勃罗(B. Mandelbrot)。他有个奇怪的习惯,去图书馆不看最新内容,而是去看那些落了一层灰、没人看的旧杂志。通过翻阅诸位数学大牛的论文,他概括出了分形(fractal)这个有力量的概念。以x-1=0为例,代数方程求根,如果
13、用牛顿法求解,如下图中间的每一个交界处都会出现类似“项链环”的结构。这些环层层嵌套,有无穷个级别,即使拿放大镜放大1万倍、100万倍看,结构仍然存在。,从前的数学家,无论多牛,也不会想到,一个代数方程的求根,在边界处会有分形链。现在有了计算机,我们可以轻易将这个结构画出来。我们看更简单z到z+C的复迭代,在复平面上进行,由此可得到Mandelbrot集,简称M集。28年前,我刚开始读硕士时,自己组装了一台计算机,做了下面这些图,选取其中一小部分放大,中间这些“小葫芦”就是以曼德博名字命名的M集。计算机的图片显示,所有各级“小葫芦”都连通在一起,但是严格证明这一点在数学上非常困难。,法国人迪万内
14、曾用上百页的论文证明,分形结构中所有“小葫芦”确实是连通的。普通人可能很难想象,这件事情为什么还需要证明,计算机放大看就是连通的吗!但那不是数学上确定的结论,必须经过严格分析得出结论。当然,物理世界不同于数学世界,前者比后者更复杂,后者只提供一些模型、可能性。分形概念提出后,人们马上猜测,现实世界在本体论意义上,是通过分形组织起来的!这是一种新认识,是一种范式转换,没法严格证明。新的本体论信念为何非常重要?包括两个方面,一是有了更精致的描述方式,二是新观念并非一个劲地意味困难、麻烦,还包含人们喜欢的方面,因为它体现了一种尺度变换下的不变性。也就是说分形对象,也包含规则性。把我们吃的菜花掰下来一
15、块,如果忽略颜色变化,拿手机拍下来后看图片,其实很难判断它的大小,除非拍摄时放一把标尺。这就叫“无标度对象”:在标度变换下具有不变性,这就是分形的自相似特征。从飞机的舷窗向外看云朵,也如此,它们是自相似的,你不知道云朵有多大。在物理学家看来,找到不变性(相当于某种对称性)就好像抓到宝贝。因为不变性很难得,我们已知的不变性有与空间平移不变性对应的动量守恒定律。与时间平移不变性对应的能量守恒定律。与转动变换不变性对应的角动量守恒定律。与空间反射(镜像)操作不变性对应的宇称守恒定律这些都是极其重要的科学定律。所以,当我们找到一种不变性,就代表在科学上取得了重大进展,它们都在19世纪左右被确认的。分形
16、也代表了一种不变性,发现得较晚。它并非总意味着混乱、复杂,它也暗示着规则、秩序。分形结构,其实很容易懂。比如,为什么火锅要放冻豆腐?因为冻豆腐就具有分形结构,它表面积很大,像活性炭一样,吸附能力很强,放在火锅里煮过后会很入味。但冻豆腐储热多,特别烫。这个特性在化学中也有广泛应用,比如催化反应中的催化剂就是分形的。大自然中的分形结构基本上都经过了百万年、甚至上亿年的演化,非常漂亮,比如狐尾椰果实。狍子的头骨,各块头骨之间通过“鲁班锁”之类结构衔接,形成三维嵌套,各块之间可以活动,但是拿不下来,非常精巧。红木家俱的榫卯结构,就是想尽量避免不同构件之间的欧氏几何式接触,但还达不到分形的程度,作为家俱
17、其实也不需要。,所有动物头盖骨都是互相嵌套的,因为只有这种结构才符合自然,才合理;如果是简单的欧式几何式接触,那就只能硬性黏在一起了,很不结实。从本体论层面再次强调一下:分形是大自然在地球缓慢演化中生成的一种结构,复杂系统都具有这种结构。一个非线性系统随着空间演化留下的轨迹通常是分形。但也有例外,在思维领域人们还不习惯于采用分形的观念,虽然实际概念演化过程中存在着分形。比如,西方学界讲的二分法就不是分形。比如演绎与归纳,在实际的推理过程中是分形嵌套的,而不是线性地顺序连接的,更不是只用一种而要否定另一种。这一点现在说起来容易,许多人却听不懂,也不相信。又比如,现在的社会中,社会因素与科学因素已
18、经分形交织在一起,其间不是简单的欧氏包含关系。用这一思维,就可以轻松地理解科学知识社会学(SSK)的难懂观念。分形比较适合东方人思维。通俗讲,分形就是“你中有我、我中有你”,现实中的山水、云雨等都是,再比如苏州园林,本身面积很小,但是进去以后会感觉空间非常大。它采用借景手法,路都是弯弯绕绕的,好像一步能过去,其实需要绕一圈,这就是分形结构。当然,古人并不知道它是分形,只是无意识运用了这个点。从时间演化上看世界,还要提另外一个概念混沌。,弄懂混沌,需要分清两类系统:一类系统是简单的、周期化的,比如昼夜交替、日食月食、嫦娥5号登月、万年历编制;一类系统是复杂的,比如天气、股市、湍流。从达芬奇时代,
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