时空简史 从芝诺悖论到引力波

本书从“时间和空间”这个总视角，回顾了人类文明目前重大的科学革命。全书通过“时空观”这一科学哲学思维范式全面审视了科学革命和进步发生时人们对于时间和空间观念的根本性转变，梳理了这些科学革命发生时的关键思想细节。本书把“时空观”提升到哲学高度，提纲挈领地阐述了那些重大科学革命背后的哲学思考。第一作者朱伟勇教授负责全书的框架，第二作者朱海松负责内容；第一作者负责内容的深入，第二作者负责内容的浅出；第一作者负责科学，第二作者负责哲学。在思考和创作本书的过程中，中国的科学和技术发展及其对世界的影响始终萦绕在我们的思绪当中。在完成本书之际，仍觉得有必要反思一下中国自十七世纪以来没能参与到引领世界科学革命发生进程的深层原因。

01 静止的时空：从芝诺悖论说起 / 001
万物皆数：第一位宇宙人 / 002
芝诺的时空：“万物静止” / 004
无穷的烦恼：“潜无穷”与“实无穷” / 008
第一次数学危机：拒绝无理数 / 010
定义连续性：“刀切”拥挤的数轴 / 012
整体与部分相等：疯了，无穷大可计算 / 016
反驳芝诺：芝诺的意义 / 021
数学的柏拉图主义：认识即回忆 / 024
康熙皇帝与勾股定理 / 026
02 运动的时空：微积分思想 / 029
无穷小的复活 / 030
导数：探寻永恒的刹那 / 032
牛顿的物理直觉：消失的“瞬” / 034
莱布尼茨的几何直觉：消失的“三角形” / 039
牛顿-莱布尼茨公式：小心求证与大胆假设 / 042
第二次数学危机：捕捉“无穷小的幽灵” / 044
消灭无穷小：极限理论 / 045
数学符号：宇宙的语言 / 049
03 绝对时空：朴素沉静的绝对时空 / 053
新范式的胜利：把圆压扁 / 054
伽利略：过程比原因重要 / 058
笛卡尔：天花板上的苍蝇 / 063
牛顿：定义质量 / 066
绝对时空：分割的时间与空间 / 069
万有引力：神秘的超距作用 / 072
经典的因果论和决定论范式 / 074
数学与物理的伟大融合 / 077
04 相对的时空：时空一体，同时相对 / 087
麦克斯韦方程与牛顿力学的冲突 / 088
迈克尔逊-莫雷实验： “以太”存在吗？不存在！ / 091
光速是绝对的：空间的运动影响时间的流逝 / 093
狭义相对论：同时相对，众生平等 / 095
时空一体：时间膨胀，空间收缩 / 097
E＝MC2，质量可以换转为能量 / 100
信仰与范式 / 103
05 弯曲的时空：引力即几何 / 107
发现引力波 / 108
从平直空间到弯曲空间：非欧几何 / 113
狭义相对论的困惑：惯性系为什么如此特殊 / 119
突破：引力质量与惯性质量 / 121
等效原理：引力和加速度是等效的 / 124
时空弯曲：引力即几何 / 125
引力使光线弯曲 / 128
广义相对论三大经典预言的验证 / 129
人类第一次用肉眼验证广义相对论 / 132
相对论的意义：物质与时空，有限与无界 / 133
爱因斯坦的哲学和美学思想 / 138
06 膨胀的时空：时空的方向性 / 145
两种宇宙范式 / 146
宇宙常数：“一生中优选的错误” / 148
宇宙创生时刻 Big Bang！ / 151
什么是时间 / 154
时间的方向性：时间箭头 / 156
统计熵：宏观与微观的统一 / 159
时间的静止：黑洞的引力时间膨胀 / 161
时空穿越：时间的演化 / 164
07 混沌的时空：无序的世界 / 169
混沌现象：不确定性 / 170
“蝴蝶效应”的来历 / 172
“面包师”变换 / 176
通往混沌的路径：周期倍分岔 / 177
三生乱象：周期三导致混沌 / 179
混沌是自然系统的内在特征：费根鲍姆常数 / 181
通往混沌的四条道路及其轨道 / 183
预测在原则上是不可能的 / 185
08 破碎的时空：分形的世界 / 187
分形几何：英国的海岸线有多长 / 188
分形的数学渊源：病态函数 / 190
上帝的指纹：对经典的挑战 / 194
分形维数：“量化了物体细节的瀑流” / 197
理解分形：对称破缺之美 / 200
科学与艺术的结晶：混沌分形图 / 204
混沌分形的世界观：“复杂思维”范式 / 206
09 纠缠的时空：量子世界 / 213
量子通信：幽灵般的超时空穿越 / 214
连续性的丧失：普朗克时空 / 216
因果性的丧失：上帝掷骰子吗 / 221
确定性的丧失：测不准原理 / 226
实在性的丧失：当你不看月亮时，月亮存在吗 / 228
局部性的丧失：量子纠缠 / 229
信仰之争：决定论与概率论 / 234
10 振动的时空：多维的世界 / 241
时空中的场 / 242
“杨-米尔斯”规范场 / 245
宇宙的四种基本力 / 247
标准模型与“上帝粒子” / 249
一切都在振动：多维的时空 / 253
宇宙的琴弦：平行宇宙 / 258
在路上：无边界的宇宙 / 260
结语 / 269
写在后面的话 / 280

     科学革命中的“时空范式” 宇宙就是时空。上下四方曰宇，空间；往古今来为宙，时间。自古以来，对时间和空间的认识构筑了人类的知识框架和思维方式。科学与文明的进步是通过人类对时间和空间认识的深入而推动的。不同的时空观会导致不同的文明与进步，并影响到人类社会生活的方方面面。时间和空间的问题是科学的基本问题。时空的基本认识是知识体系建立的核心基础和根本前提。不同的时空观就会有不同的认识基础，时空观的改变往往产生认识上的革命。本书中，我们把“时空观”用科学哲学目前的一个重要名词“范式”来阐释，不同时期的时空观就是当时的思维范式。时空观的改变也意味着范式的转移，也就是科学革命。 托马斯·库恩的“范式” 《科学革命的结构》是20世纪科学哲学的经典名著，该书作者美国科学哲学家托马斯·库恩认为，科学发展的历史是一部同科学共同体密切联系的历史，科学作为一个在时间和空间上扩展的复杂过程，其发展规律的内在性是同这个过程的主体不可分割地结合在一起的。在库恩看来，科学作为科学共同体活动的结果，它表现为科学“范式”的不断完善和更迭。库恩所指的“范式”是一种看待时间和空间的思维方式。库恩认为，“范式就是一个公认的模型或模式”，“科学共同体取得一个范式就是有了一个选择问题的标准，当范式被视为理所当然时，这些选择的问题可被认为是有解的问题”。他认为“范式是一个成熟的科学共同体在某段时间内所接纳的研究方法、问题领域和解题标准的源头活水。因此，接受新范式，常常需要重新定义相应的科学”。 库恩进一步指出，“范式”是形而上学的、高于规则之上的观念约定：“历史研究还有规则展示出，有一类更高层次的，准形而上学的承诺，虽然这些承诺还不是科学的不变特征，但却较少受时空的局限。”“这套承诺既是形而上学的，又是方法论的。”“我认为，规则发扬光大于范式，但即使没有规则，范式仍能指导研究。”“范式的存在并不意味着有任何整套规则存在。” 库恩在论述“范式”时所提到的科学共同体，是指具有共同思考前提和思维“范式”的科学共同体。科学革命就是新“范式”对原有“范式”造成强烈的冲击，使旧范式向新范式进行了转移，导致科学革命。 “反常”带来的“危机”是思维“范式”变革的前奏 所有的“反常”现象都是人们在旧的时空范式下审视现象的结果。当开普勒把行星运行的轨道从完美的圆周“压扁”后成为椭圆时，原来行星运行的所有反常的本轮现象得到完美解决，而那根深蒂固的圆周思维范式被打破，新的椭圆运行轨道范式成为主导的基本认识。库恩认为：“一种反常虽然没有明显的基本重要性，但它所禁止的应用却具有特殊的实践重要性。”库恩说，“有时，一个反常能使人们对范式中清晰而基本的概括明显地产生疑问”，“所有危机都始于范式变得模糊，随之而使常规研究的规则松弛”。 科学目前对光的认识，经历了光的粒子说和光的波动说。光到底是粒子还是波，最终量子力学告诉我们，二者都是！光具有波粒二象性。这个历时几百年的争论，充分体现了不同的范式之间的竞争与融合。光的粒子说是一个科学基本范式，波动说也是一个范式。粒子说盛行时，光的波动反常现象就出现；当波动说占上风时，粒子说的反常现象就出现。从牛顿的粒子说开始，直到爱因斯坦光的波粒二象性一统江湖，人类对光的认识不断深化。对光的认识就是对时空的认识，对宇宙的认识。正像库恩所说的那样，“当一种反常现象达到看来是常规科学的另一个难题的地步时，就开始转化为危机和非常科学。于是，这种反常现象本身就这样被同行们更为普遍地认识了。这领域的越来越多的杰出人物对它越来越注意”。 库恩认为：“从一个处于危机的范式，转变到一个常规科学的新传统能从其中产生出来的新范式，远不是一个积累的过程，即远不是一个可以经由对旧范式的个性或扩展所能达到的过程。不如说它是这领域按新原理的一种重建，是一种变革这领域的某些最基本的理论推广，以及它的许多规范方法和应用的重建。在过渡时期，会有一大批问题，既能由旧范式解决，也能由新范式解决，在这些问题之间绝不会接近重叠。但是，解决的方式也会有决定性的差别。当转变完成时，专业的视野、方法和目标都将变革。” 托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中，为我们描绘和分析了科学革命发生的前后过程。库恩认为，科学的发生和发展一般要经历几个阶段：前科学时期、常规科学时期、反常和危机时期、科学革命时期，以及动态的周而复始过程。 任何一次科学革命都不是只带来个别或少数要领的变化，而是常常带来一系列新概念、新术语的飞跃式的增生，甚至常常出现一个内容广泛的“概念场”或“理论概念群”。在复杂网络和混沌分形的“破碎时空”理论中，复杂网络、中心节点、幂律分布、小世界、弱关系、无标度、人类动力学、自相似、对称破缺、破碎化等新概念、新理念大量出现，这些都