
托馬斯·利文森
水星是距離太陽最近的行星,在幾個世紀的觀測中,人們發現水星軌道存在輕微的擾動。這與牛頓理論所預言的行星行爲有些許偏差。爲了解釋這種現象,根據牛頓萬有引力定律,法國天文學家勒威耶進行了計算,於1859年提出假設:水星軌道內尚有一顆未被人們發現的行星。他還以羅馬神話中火神的名字(Vulcan)爲之命名(對應中文譯名即“祝融星”)。此後,人們開始瘋狂地尋找這顆行星,但除了一位鄉間業餘天文學家聲稱目擊了它之外,沒人能再次證實它的存在。1915年,愛因斯坦的廣義相對論體系構建完成,首先解決的問題就是解釋水星軌道的擾動現象。自此證實:祝融星並不存在。
總覺得現在孩子們的科學學習順序有問題,沒有這樣的宏大科學發展史的大背景,就被拖拽這來思考力學,這樣真的對嗎?我覺得是不對的,認爲跳過感性認知來鍛鍊邏輯和抽象思維,這就是拔苗助長。他們應該在小學高階段開始大量閱讀科學發展史的書籍,像本書這樣的腳手架書籍,融合了趣味性、理論的整體性、問題的背景性於一體,是極其鍛鍊視野、錘鍊思維,同時最重要,發現了科學的美! 再來說說這本書的主要內容: 本書以 “祝融星” 的假設、追尋與證僞爲線索,串聯起牛頓力學與愛因斯坦廣義相對論的科學交鋒史,清晰呈現了 19 至 20 世紀天文學與物理學領域的認知變革過程。 全書始於牛頓引力理論的 “成功慣性”。牛頓提出的引力概念精準解釋了行星運行規律,不僅成功預測彗星軌道,天文學家勒維耶還依據該理論,通過計算鎖定了干擾天王星運動的海王星位置 —— 這一 “筆尖上的發現” 讓牛頓理論成爲天文學界的 “權威準則”。當觀測發現水星軌道存在輕微擾動,與牛頓理論預言不符時,學界未質疑理論本身,而是延續 “補全理論” 的思路,勒維耶於 1859 年提出假設:水星軌道內側存在一顆未被發現的行星,並將其命名爲 “祝融星”(羅馬神話中火神伏爾甘的中文譯名)。 此後近 60 年,全球天文學家投入 “追捕祝融星” 的行動:通過日食觀測、星圖比對等方式尋找其蹤跡,期間多次傳出 “發現祝融星” 的消息,但均因缺乏確鑿證據無法證實,這場追尋始終未獲實質性突破。 1915 年,愛因斯坦完成廣義相對論體系構建,在普魯士科學院的演講中,他從理論層面證明祝融星並不存在。愛因斯坦提出,引力本質是時空的性質,太陽引力會使周圍空間彎曲,水星軌道的異常運行正是這一現象的體現,並非由祝融星干擾導致。這一理論不僅重新解釋了水星軌道問題,更顛覆了傳統宇宙觀,宣告了基於牛頓理論推導的 “祝融星” 假設的終結。 除了梳理 “祝融星” 相關的科學事件,書中還揭示了科學發展的內在邏輯:科學認知並非直線前進,而是在假設、驗證、修正與突破中循環推進。牛頓理論在宏觀低速場景下的有效性,讓學界形成思維定式;而愛因斯坦突破既有框架,以新理論填補認知空白,展現了科學探索中 “質疑權威、追求真相” 的核心特質。 總體而言,《追捕祝融星》以清晰的敘事脈絡,將複雜的科學理論與歷史事件相結合,既還原了特定時期的科學研究歷程,也爲讀者理解科學認知的演進規律提供了典型案例,是一部兼具知識性與可讀性的科學史著作。
我把科學定義成人類在不斷否定自我,螺旋式尋找無限的過程。 從牛頓到愛因斯坦到普朗克,從經典力學到相對論到量子力學。。。科學沒有對錯,我們只是不斷地開闊了眼界,從身邊到地球到宇宙,我們雖然渺小,但科學讓我們永不放棄。 祝融星在科學史上是一個特別的存在。它誕生於牛頓力學理論,終結於愛因斯坦相對論。它半個世紀的壽命剛好見證了人類宇宙知識體系的一次飛躍,愛因斯坦帶領人類重新認識了宇宙。 對於這顆從未存在的祝融星的問題,《追捕祝融星》的作者這樣寫道:“所有其他天體的行爲都能通過牛頓學說得到令人滿意的解釋,因此可以肯定地說,祝融星問題的答案一定不在星辰之中,而是隱藏在人類的無知中。” 我們不應以後見之明來懷疑甚至全盤否定勒威耶推測出祝融星存在的合理性。他的推測基於當時世人崇拜的牛頓力學理論體系,又有他引以爲傲的數學計算做支撐,更何況他曾有過通過類似計算發現海王星的讓他成名的科學成就。成功的歷史經驗和由此帶來的自信,讓他對自己的推測深信不疑,更讓他忽略了另外的可能——“問題到底應該歸咎於‘分析誤差還是……我們對天體力學知識的認識還不夠充分’”,最終堅持在錯誤的方向尋求不可能的答案。 經驗是一把雙刃劍,有時候我們憑着成熟的經驗讓新問題迎刃而解,但另一些時候,經驗的確會侷限我們的視野,讓我們在錯誤的範圍內原地打轉。祝融星的歷史退場,也在告訴我們,不能過度拘泥於經驗。當經驗把我們引入彎路的時候,果斷摒棄經驗,才能擁抱新知。 怎樣避免這種心態的影響呢?或許應該淡化內心對某個理論或假設的渴望,冷靜地信任實驗結果。《追捕祝融星》的作者給出了他的建議,“如同費曼所言:‘無論理論多麼優雅,只有它的預言符合實驗結果,我們才能相信它是對自然的有效描述。’對物理學和所有的實驗科學來說,‘實驗至高無上’”。不管是對實驗科學研究還是實際生活中的事物,這個建議都適用。
很好讀的一本書,以祝融星的發現、搜尋和被判死刑爲線索,梳理了從牛頓到拉普拉斯到愛因斯坦的物理學理論在天文學方面的發展,雖然硬核乾貨比較少,但在這本書裏記錄了一些科學家在科研之外的背景故事,比如勒威耶爲了權力和榮譽違背科研道德,愛因斯坦對戰爭的厭惡和對同僚利用科學制造殺人武器的痛恨,側面反應了科學精神的可貴,相比之下愛因斯坦真的是太偉大了,感動! 內容梳理: 天王星、海王星的相繼發現捍衛了牛頓堅不可摧的地位,人們相信牛頓定律可以解釋一切自然現象和宇宙運行的規律。即便按照牛頓力學運算到水星軌道近日點有進動,沉浸在發現海王星帶來的榮耀與地位中的勒威耶不允許質疑萬有引力定律有問題,而是認定水星和太陽軌道之間存在着一顆或多顆內行星造成進動。於是,大家開始尋找這顆未知天體,然而沒有一個人,除了一位鄉村醫生觀測到它的存在,這就是祝融星。然而祝融星就像那隻薛定諤的貓無從尋覓,困擾了人們幾十年,水星軌道波動異常無從解釋,直到愛因斯坦提出相對論,很好地解釋了由於太陽的巨大質量導致時空發生凹陷,造成水星近日點進動43秒,宣告了祝融星不存在的事實。 之前一直好奇宇宙大爆炸那麼久遠的事情,科學家是怎麼推算出來的,這本書裏有提到真的好驚喜,雖然不是很懂微波背景爲什麼到1964年才被發現,不過算是一個啓發的小窗口。 我們之所以能對宇宙誕生之初發生的情形有所瞭解,主要是因爲在宇宙大爆炸——時間、空間、能量和質量突然出現的那一刻留下了餘暉的快照,也叫做宇宙微波背景,宇宙微波背景於1964年被發現(同年,關於希格斯粒子的思想首次被提出),這種來自微波背景輻射的均勻“嘶嘶”聲爲科學家提供了新的機會:通過回溯推算產生宇宙微波背景的大爆炸過程,我們能夠測量宇宙極早期的細節和屬性。
被簡介的浪漫騙了進來,毫無頭緒地看了大半天理科裏我最不擅長的物理和文科裏我最不擅長的歷史……但是仍然對此書致以崇高的敬意。註釋出處等內容幾乎佔了全文的30%,不愧是嚴謹的理科人! 敬這個科學而理性的宇宙。
追捕祝融星後記 這是一個從牛頓差一點就無法被發現的草稿研究開始的故事:他建立的牢不可破的行星體系出現裂縫,各路科學家抓住手中僅有的證據,陷入追捕祝融星的狂歡。而派對結束,什麼結果都沒有,無能爲力的大多數人只能選擇忽視頭頂的烏雲。而愛因斯坦像一根紮在湖底的杆子,憑藉着強大、堅定而聰明的頭腦,破解這道難題。 沒想到也能在一個記錄科學軼聞的書中看到一戰,這讓我一直想起剛看完的巨人的隕落,雖然知道這些事發生的年代是重合的,但總是對戰爭的影響有着片面化的認識,好像各行各業都在幹着和之前一樣的事情,但其實不太一樣,就像是在當下的戰爭中,我的工作內容也會因此而受到影響。也才明白過來在這過程中的人們是怎樣的忍耐着,不管是之前鼓吹戰爭的還是希望和平的人。 術業有專攻,我一直都很理解和接受科學家也可以有低俗的道德觀和政治思想,但不論在這本書裏,還是在之前看過的紀錄片或網上的信息中,我都覺得阿爾伯特·愛因斯坦這個人太有趣了。因此我決定接下來看一下他的相關傳記。
太精彩了!! 回憶起了高中時期擔任物理課代表,每節課被老師叫上黑板寫題,當時學天體的第一堂課,我背不下來公式就在黑板上推導,另一個物課先寫完就下了。最後老師檢驗結果,我的什麼都沒少,他少了平方,有人少g或T,老師就說不要背,推一遍就清清楚楚了,說來神奇,那之後我還真沒錯過。 回到本篇,我也是第一次知道祝融星這段歷史,高中課本上牛頓三大定律作爲力學基石,後面銜接着天體,一下從地球的力對力的碰撞飛躍到了宇宙,那麼爲什麼跨度會如此之大?原來是祝融星的證僞。 牛頓建立起了整個物理學的基礎,人們選擇運用牛頓萬有引力定律解釋宇宙的奧祕。勒威耶運用牛頓定律在“筆尖上”發現了海王星,更證實了這個偉大定律的正確性。但水星軌道的異常問題仍困擾了天文學家多年,無法用牛頓定律解釋,勒威耶則沿用先前發現海王星的辦法,提出水星軌道內還存在一顆未知的行星一一祝融星,於是,人們開始了漫長的獵星之旅。但是愛因斯坦的目光則沒有聚焦於祝融星,反而將牛頓定律其應用於解決水星近日點異常進動,提出了狹義相對論(只適用於勻速直線運動參考系),爲了調和狹義相對論與牛頓理論之間的不一致,他最終發現了引力扭曲了時間。從E=mc平方中知道,能量和質量是等價的,勢能的改變將引起質能總量的改變,因此作用於物體上的引力強度也發生了改變,即廣義相對論———等式的一邊是時空,另一邊是質能,二者合在一起,便是宇宙 至此,祝融星徹底消失,水星只是受引力沿着扭曲思維曲線運動罷了。愛因斯坦帶着跨時代的意義摧毀了祝融星,同時也重新想象了宇宙。 最後提及一下這本書我最喜歡的言簡意賅的引言 我們心目中,早已習慣科學故事具有這樣種框架:偉大的科學家提出了革命性的新思想,沒有人接納他;個別的英雄單槍匹馬突破封鎖,終於驗證了這一切。人們最終接納了新思想,戰勝了傳統的束縛。 但事實,是這樣簡單嗎?實驗已經過去了 100年,爭吵卻沒有停止。 祝融星的出現到證僞代表着物理學的演算過程,理論-觀測-偏差-觀測修正-觀測修正失敗-理論修正-新理論,沒有幸運的個別英雄能那麼輕易的一次單槍匹馬的衝破封鎖,爭吵從未停止,陸地上的人類得以越來越接近浩瀚的宇宙。
很美好的一段閱讀歷程,從牛頓對宇宙到愛因斯坦的宇宙,我無比慶幸能用這本通俗易懂的讀物瞭解到它們。讓我特別感概的是“要得到一個人想要的或者期望得到的結果簡直太簡單了”和“在嚴密、理性、完全實證性的科學世界裏,“渴望”沒有一絲用處”我終於切實感悟到科學精神這四個字的意義,愛因斯坦在戰爭中的經歷也讓我🥲希望戰火永熄,但人類探索宇宙時點起的星火永存
牛頓引力解釋天王星的軌道異常是受到了未知天體的吸引,於是隱匿的海王星被發現。引力能讓天體彼此吸引,也侷限了人類的視野。 路徑依賴讓人類堅信水星的異常背後一定隱藏了一顆“祝融星”等待被發現,苦苦追尋卻不見蹤影。直到廣義相對論出現,引力不再是一種力,而是時空固有的動態的幾何屬性,是質量、能量和密度形成了時空的特定形狀。而水星軌道就滑落向太陽周圍的時空凹坑中。 牛頓體系與海王星的擬合形成了對“祝融星”的癡迷,而愛因斯坦深受休謨、馬赫的批判性思維影響:定律是現象發生條件的描述,起源於經驗的知識是靠不住的,因爲無法證明未來不會變化。同時非歐幾何成熟,有了描述彎曲時空的數學語言。於是幽靈行星“祝融”消失,水星只是沿着四維的曲線運動…… Einstein場方程規定了質能決定時空的曲率,時空決定質能的運動,因此時空不可能靜止,宇宙必須膨脹或收縮。當宇宙膨脹加速到無限大,連夸克也被撕碎;或密度無限大,光也無法逃逸。時空本身不再連貫,因果結構失去意義。此後,就再也沒什麼能描述此後。 爲什麼是愛因斯坦?因爲他從小就擅長對身邊的現象在腦中進行思想實驗,十幾歲就對麥克斯韋方程開始癡迷,優越的條件讓他早早就接觸了先進的哲學和數學。知識的密度和廣度決定他是最快使用數學描述彎曲時空的人。尤其是哲學,他稱馬赫具有鐵一般的獨立性和銳利的懷疑精神。他能讀懂康德、叔本華、休謨的書,這些哲學讓他堅信物理學應該具有簡潔的美感。他視科學爲高級追求,工作生活的間隙全在進行研究。不知道這種獎勵通路是如何打通的,也許也就是研究科學的天選之人。
天文愛好者必讀。 很多人都知道《那顆星星不在星圖上》描述的太陽系範圍的擴大過程:赫歇耳發現天王星,而亞當斯和勒維耶共同通過計算發現了海王星,但很少有人知道勒維耶還計算了“水內行星”的軌道。由於當時科學的限制,這個假想的天體最終被愛因斯坦的相對論證明並不存在。 這兩本書都值得一看,人類從未停止對未知的探索。
“大膽質疑、打破傳統、勇於想象,這永遠是科學不斷前進的動力。古往今來,總是有先行者不囿於窠臼,而科學就在這些勇士的腳下不斷進步。”斷斷續續讀完了這本物理學天文學相關的書籍,物理以其嚴謹性散發着獨特的魅力,期待愛因斯坦場方程理論和現實碰撞,湧現更多不一樣的火花。在我讀高中的時刻,如果曾有幸透過此書一覽物理的樂趣,當時的選科或許會有不同。