李铁夫在混沌大学文理学院独家授课：人类理性思维的缘起是哪里？

　　文理学院是混沌大学致力打造的国内首个针对企业家与创新者的成人文理学院。在这所文理学院中，混沌大学除了自身坚持的学术品味及线下六大学习模块外，还会不断邀请知名科学家、哲学家、学者教授授课，在科学与人文之间探寻融合之道。

　　混沌大学文理学院为当代社会贡献了诸多洞见，其中非常经典的一课当属李铁夫（清华大学微电子学研究所副教授编辑）在混沌大学文理学院独家授课的“人类理性思维的缘起”，这次洞见从神话到古典宇宙观娓娓道来，详尽地呈现了人类理性思维的行进过程。

　　本文以下内容根据李铁夫在混沌大学线上文理学院授课编辑。

　　1、神话、科学与物理学的价值观

　　物理学是一门很古老的学科，它的起端在哪里？

　　大多数中国人都听说过“共工怒触不周山”的故事，共工水神与颛顼部落大战，共工惨败怒壮不周山，九州大地裂毁，大火蔓延不熄，洪水泛滥不止，女娲临危补天，庇佑苍生。

　　面对同样的现象，西方人给出了一个完全不同角度的解读，比如“诺亚方舟与大洪水”。

　　现代科学怎么解读这件事情呢？

　　2016年，世界顶级期刊《科学》杂志上发表了一篇中国课题组的学术论文。根据该论文，位于青海省循化县境内的积石峡，是黄河上游最重要的峡谷之一，地势十分险峻。积石峡区域在古代曾发生过一次山体崩塌，滑落的土石拦住了黄河，形成了一处堰塞湖。

　　通过对滑坡崩积坝的模拟重建，科学家认为堰塞湖最终会没过坝顶，并迅速形成溃坝洪水，以11~16立方千米的总水量，轻易横扫下游2000公里，与史书中描写的“九州阏塞，四渎壅闭”相吻合。

　　巧合的是，洪水直接冲击的官亭盆地范围内有一处属于早期齐家文化、被称为“东方庞贝”的喇家遗址。更巧的是，科学家发现在喇家遗址地震形成的黄土裂隙中，只存在典型的洪水沉积物，而没有季节性雨水带来的、更加细密的沉积物，这暗示了地震与洪水在一年之内接连发生。

　　科学家通过断代检测，非常精确地将洪水发生的时间窗口缩小到了公元前1922±28年，与考古学记录中中国新石器时代晚期至青铜器时代早期的大规模转型时间符合、与黄河中游夏文明范围内的“二里头文化”在时间上更加贴近。

　　图片引用自Outburst flood at 1920 BCE supports historicity of China’s Great Flood and the Xia dynasty，Science 353，579（2016）.

　　简言之，洪水发生年代的精确测定，反证了夏朝的始建年代，“共工怒触不周山”的神话也有了一个科学、符合逻辑的解释。

　　所以说，为什么有这个神话？为什么有现在的科学？

　　因为认识世界和改造世界是人类的两种基本活动。

　　科学只是人类认识世界众多方式中的一种，除了科学之外，宗教、哲学、神话等等都在认识世界，但为什么科学如此成功，能够吸引最多注意力、获得最多支持？

　　科学有一个标准：可解释、可重复、可预测。

　　比如，在现代科学中，天气预报可以做得很准，预测以小时为量级，甚至在某些关键地区、特殊场合，甚至可以做到以分钟为量级进行预测，尤其是随着巨型计算机等大型数据设备的加持，预测更加精准。

　　再比如，我们知道月有阴晴圆缺，其实金星也是一样，这颗行星表面亮面被看见的部分也是变化的。直到伽利略，人们才第一次透过望远镜观察和记录到这种变化。伽利略完成了从古典物理学到经典物理学的传承，不仅为日心说提供了强力支撑，也为经典物理学实验做出大量开创性工作。

　　物理学是科学的一个重要分支，研究自然哲学、科学哲学，都会将物理学作为研究对象，这是因为物理学是自然科学中发展最久、最系统完善的学科，其牢固的理论体系由一系列定律、实验、数学和逻辑思维等一起搭建而成。

　　物理学研究很重要，是因为其独特的价值观。

　　物理学研究从未满足于把观察事实归之于定律和按一定的秩序去排列定律。比如，物理学永远不满足于开普勒定律等描述性定律的发现，而是会在此基础上进一步深挖，找出牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律、热力学第零定律、热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律等。

　　总的来说，物理学的价值观在于深挖，其目标在于追求所有物理规律的普遍特性，也就是说，要探究比物理定律本身更高的一种普遍性、寻求和发现定律的普遍原则。

　　物理学的每一个分支，比如力学、电磁学、热学、光学等，都各有其特点，也总结出了可解释、可预测的规律，但物理学不满足于此，而是想要找到这些分支学科之间共通的东西，即其底层规律。

　　爱因斯坦说，我不相信上帝创造世界是用一摞物理书，而应该就是一张纸，就是几条最简单的规律。而从古至今，物理学一直想要追求的，就是这几条最简单的规律。

　　这也决定了从实用性的角度来说，物理学的范式最单纯最客观。

　　范式（paradigm）概念由托马斯·库恩于1970年代提出，它是指一个共同体成员所共享的信仰、价值、技术等等的集合。范式等于思想加上解决问题的技术手段。比如，物理学范式就是物理学思想（比如，对自然认识的世界观）加上解决物理学问题的手段（比如，实验、数学等等）。

　　实用层面之外，简单性以及科学美是始终贯穿在物理学发展历程中的科学原则和态度。真正能让你感受到美的，一定是简单的。比如，爱因斯坦著名的E=MC²，只用一个宇宙间的物理常数C（光速），就把质量和能量连接起来。

　　在物理学发展历程中，有三个著名的人物，他们分别有过类似的表述——

　　亚里士多德：“在用很少就可以完成的地方却用了很多是无谓的”。

　　牛顿：“除了那些真实而有效的原因之外，不需要更多的其他原因”。

　　“自然界不作无效的努力，只要少做一点就成了，多做反而无益；因为自然界喜欢简单化，不爱用什么多余的原因来夸耀自己”。

　　马克思·普朗克（量子之父）：“只要物理学存在，其最迫切的目的就是将迄今所观察到的或者将来必然观察到的所有自然现象都归纳到唯一的简单原理之中。所谓唯一的原理必须是能够计算和推测由现在的过程到过去的，特别是将来的过程的原理”。

　　从古典物理学的代表人物亚里士多德，到经典物理学的牛顿，再到量子物理学的马克思·普朗克，这些走在认识自然最前端的物理学家一直抱持着同样一个想法：就是希望用简单、唯一的定律去解释自然界所有的现象，不仅提供单一学科的答案，而是所有学科背后共同的思想性内核，帮助各位解决从自然到社会、及至哲学人文各个领域、各种各样的问题。

　　2、古典宇宙观的思想基础

　　毫无疑问，古典宇宙观是从神话发展而来。

　　如上图所示，是我们根据考古和其他外部材料对于远古时代的不同想象。

　　远古时代，人们对于世界的认识受到所处环境极大地局限，各自看到的世界不同，对于世界的解释也大相径庭，可以想象，三幅图中的人们对于地球、自然、宇宙的认识将是截然不同的。但也有一些相同之处，比如天圆地方。

　　根据史料记载，那个时候的人们对于世界的认识如下图所示：顶上是一层天，如同一个大壳保护着人类，底下则是地府，我们人类生活在中间层。

　　而如下图所示的解释更有意思，他们认为地球由一群大象托着，并且大象是踩在龟背上面。有时候发生地震，可能是因为大龟在动，这都是非常直观的猜测，因为在那个时候，人们觉得只有大象才托得起地球这么重的物体。

　　所以，奥地利科学哲学家埃德加·齐尔塞尔说，“人类似乎非常想以人类社会的形式去解释自然。”这也就是我们过去神话的起源，我们用自己平时生活的样子、用能看到东西的样子来解释世界上的自然现象。

　　古典物理学的发展道理包含两部分：一部分是人们看不到的世界，它取决于人类自己的想象；另一部分是人们能看到的世界，它取决于人类当时的理解和逻辑。由看见的东西推广至看不到、解释不了的想象，两者结合，就形成了古代神话向古代自然科学、古代哲学的转化。

　　发展到后面，希腊神话体系越来越丰满，编了各种各样的故事，但是有时这些故事相互矛盾，然后，越解释越复杂。

　　于是，古希腊自然哲学先驱：泰勒斯提出了不满。

　　泰勒斯出生于爱奥尼亚的米利都城，是希腊最早的哲学学派——米利都学派的创始人，他是西方思想上第一个有名字留下来的思想家，被称为科学和哲学之祖。

　　泰勒斯最大的贡献，就是他带领人们从神话往理性思维走了第一步，或者说爬了第一步。

　　泰勒斯拒绝使用超自然或神话来解释世界，而是试图借助经验考察和理性思维来解释世界。他是古希腊第一个提出“什么是万物本原”这个哲学问题的人。

　　泰勒斯及之后的研究者开始提出，宇宙起源和世界构成由物质组成，而不是由神创造。从此开始，西方文明开始脱离神话时期，进入理性思维的时代。

　　进入到理性思维的时代，出现了一位真正的大家——亚里士多德。他提炼吸收了此前泰勒斯、柏拉图等人的思想，形成了一个相对完整的世界观、宇宙观。作为古典自然哲学的集大成者，从他生活的公元前300多年，一直到17世纪的文艺复兴，思想绵延2000多年，与我们的孔子是同一量级。

　　亚里士多德认为，地球位于宇宙的中心，周围包裹的是一层一层的球壳，而最外层是神的位置。亚里士多德多次批评前人把神话带到了探究知识的领域，他认为，把神话带进认知领域，无益于我们的知识获得。相反，他很喜欢泰勒斯的那一套理论，不用超自然和神话，而是用可以观测到的自然现象来解释自然。

　　亚里士多德的思想里面其实有很大一部分是哲学性和概念性的事实，和经验性的事实不同，它们并没有经过证明。比如，在亚里士多德的理论中，天上的行星都是正圆匀速运动，就是想当然地觉得应该是正圆，这样才完美，无法证明。亚里士多德反对神话的完美思想，又跳不出来，这是他的物理世界最后失败的原因，当然，我们也不能脱离年代苛求古人。

　　我们可以看到，就连当时最有智慧的人，也很难区分我们生活观念中哪些从以前的旧思想中沿袭，哪些来源于真实的经验获得。所以我们需要反思，现在的工作生活是不是也有类似的情况——你明明觉得这个事情“就是这样的”，但它实际上并不是来自于真实经验。

　　古典物理学=观察+思辨

　　此时的古典物理学，或者说自然科学的知识体系，基本上是对自然现象的描述，是对实际经验的总结，是在默认世界观的基础上做一些思辨性的猜测。

　　3、天文学的脉络：从托勒密到开普勒

　　接下来要讲的是地心说的提出者——托勒密，他当时还是用肉眼观察行星的移动，观测工具非常有限、精度很差。

　　托勒密发现，亚里士多德古典物理学的结论不符合新的天文观察，比如，水星和金星从不远离太阳，火星每两年逆行一次、水星每年逆行三次，火星、木星、土星最明亮的时候都和其逆行密切相关，逆行同一时段最亮。

　　下图是托勒密模型的演示图——地球在宇宙的中心，所有运动轨迹全是正圆，并且全部都是等速运动，月亮和太阳均围着地球转。托勒密体系在历史上首次提供了解释并预测天文观测的能力。托勒密的模型预测，基本上符合当时粗糙的观测结果。

　　日心说：哥白尼

　　随着文艺复兴和思想启蒙，人们开始对亚里士多德“万事万物都有自己位置”的观点提出质疑；而随着大航海时代的到来，人们也对天文科学提出了更高的要求。

　　哥白尼是把日心说系统化、理论化的重要科学家，相较前人，他并没有获得更多的实际经验，只是因为当时受到新柏拉图主义哲学思想的影响，认为太阳代表了终极的善，带给我们光和热，因此，太阳应该是核心，所以，就有了日心说。

　　他的核心思想是：地球只保持了静止，但实际上并不处于宇宙中心。行星并不是围绕地球做匀速正圆运行。

　　日心说让太阳成为中心，具有重大的启发意义，但是，依然存在不足——哥白尼的模型保留了正圆运动，也就必须使用本轮-均轮体系；且并不比托勒密的模型更简单。

　　天文观测先驱：第谷

　　在日心说的完善过程中，我认为第谷和哥白尼能够放在同等重要的位置，虽然他其实是一个地心说的拥护者，他的理论体系是——地球还是位于宇宙的中心，太阳和月亮围着地球转，其他所有行星都围着太阳转。但是，第谷的主要工作是观测，有人说他是有史以来直到今天最好的肉眼天文观测者。在当时皇帝的资助下，第谷修建了当时最好的天文台，把观测数据的精度提高到三十分之一度。

　　天文发现的更新者：伽利略

　　接下来，从古典物理学到经典物理学承上启下的重要人物——伽利略，他在很多领域都有巨大贡献，尤其是在实验层面，而他对天文学的巨大贡献就是望远镜。

　　以前，人们都是依赖肉眼观察宇宙，他则在前人的基础上不断改进，把光学望远镜做到了理论上的最大倍数，并且用望远镜亲自做实验去观察宇宙。伽利略看到了一些更新的天文现象，这些现象直接促成了后期日心说的成功。

　　行星运转定律：开普勒

　　开普勒，又是一位物理学的集大成者，他是第谷的助手，在后期比较从容地接受了日心说。第谷去世之后，开普勒拿到了第谷最权威的、在当时甚至之后几百年来最好的天文观测资料，并据此提出了开普勒定律。

　　开普勒的三条定律：

　　第一，每个行星都在一个椭圆轨道上运动，太阳处于这个椭圆两个焦点之一；

　　第二，连接太阳和行星的矢径在相等时间内扫过相等面积；

　　第三，任何两个行星运转一周的时间平方之比等于它们与太阳平均距离的立方之比。

　　这三条定律完美解释了当时所有的观测现象。而且，这三条定律都很简单，每个行星都只有一条轨道，不需要圆环套圆环，符合物理学对于简单、统一的美学追求。

　　从这个时候开始，人们终于摆脱了古典宇宙观，开始走到经典物理时代。

　　4、小结：从神话到古典宇宙观

　　总结一下古典宇宙观的核心。

　　神创造了世界；地球是宇宙的中心，静止不动，超月区域是完美的，属于神；宇宙的运行是有目的的；组成世界的元素各有其本质。

　　可以想象，这是一个世外桃源般的世界，一个山清水秀的地球，有很多行星围绕着它转，而在地球之外，是神的天界在周围保护我们，这是一个小而舒适的宇宙，地球是特殊的，人类也是特殊的。所有的事物都能够得到很好的解释，都有其自然目的。

　　古典宇宙观最重要的一点是不再简单地解释成神律，而是要进一步探究“律”是什么。不是超自然，而是在平时生活中能够观测到的东西。

　　因此，古典宇宙观等于观察+思辨，观察是很粗糙的观察，思辨也是无法抛弃以前神话残留的思辨。但是，古典宇宙观非常重要，它把人们第一次从神话带到了理性思维。

　　思辨在物理学当中不可或缺，但是这种思辨如果没有可靠的观测结果做支撑，再加上很多不来自于经验的、抽象的、哲学的、概念性的东西，就会得到很多错误的结论。

　　古典物理学时期，实验的精度大大限制了当时自然科学的发展，也限制了思辨的正确性和可靠性。从伽利略开始，实验终于走到了一个它应有的重要位置。

　　新现象的发现推动了古典宇宙观的崩塌。真正的宇宙比以前小而舒适的想象世界大无穷倍，而且，地球也不再是宇宙的中心。那么，土元素还怎么往宇宙中心下落呢？万物的本源性质都要发生变化，再加上当时人们对于宗教和社会等级的不满，从思想、社会、政治领域，需要新的理论、新的思想，在科学上，也急需新的科学来填补真空，给人类社会的变革形成巨大的推动力。