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梁文道:如何帮地球量体重?

2010年10月29日 09:48
来源:凤凰网读书 作者:梁文道

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阅读提示:这个实验当然最后是成功的,但是这里面有相当多的问题,你想想看空气的温度,空气的流向,还有这些杠杆本身它们的密度,它们的引力又会怎么样,卡文迪什就对这一连串的东西做了非常精确的把握,排除了任何的干扰,所以这个实验后来成为一个经典。

凤凰卫视10月28日《开卷八分钟》,以下为文字实录:

梁文道:我们昨天提到有些实验是很美的,这个说法也许你们听完之后会觉得有点古怪,为什么呢?因为我们回头想想看,我们常常听人说科学是很美的,但是讲这个科学之美的时候,我们通常讲的可能是某种方程式,某种理论上抽象的观念,那么这种观念,这种方程式,它具有一种非常简洁的,符合某种理想秩序的美感,那么这种美我们大体上都能够了解。但是实验呢?实验怎么也会具有这些特质,实验怎么会美呢?今天给大家介绍一本书《如何帮地球量体重》。那么这本书有个副标题跟我们昨天介绍那书几乎是一模一样,叫“史上最美的科学实验”。这本书的作者则是专业学者,他是纽约石溪大学的哲学系教授,也是布鲁克海文国家实验室的史学家,他是个搞科学哲学的人,同时也研究科学史,而且专题题目就是物理学上的实验的历史。

那么他曾经在一个物理学界内部的刊物,叫《物理学世界里面》写一个专栏,在这个专栏它曾经呼吁过这些学界的同仁们、学生们,大家来投票选出你心目中认为最美的实验是什么,然后海选了一堆之后,他在这里,再选出了几个实验,撰成这本书,那么告诉大家为什么实验也可以是美的。身为一个哲学家,他很关注这个基础的问题,于是他尝试去回答,他讲到,为什么实验也能是美的呢?他就说实验是动态,是和画作和雕像都不一样,它比较像戏剧表演,因为这是人类计划布置执行并观察的东西,用来产生出他们极感兴趣的结果,实验之美是什么呢?不像变戏法一样,从帽子拉出一只兔子,而是因为我们精心策划一个世界,我们让世界的谜团自己开口说话,实验之美就在于它是如何让本身所含的元素开口说话。那么哈代,一个大诗人大作家,他拿证据和西洋棋棋布相比,据此推断美的实验就是能够显示世界某种深层的事物,并足以改变我们对这方面的认识。不,这个哈代是数学家哈代。

我们现在就来看一看,有哪一种实验可以符合他刚才讲的。像一种表演,这个表演能够让世界的谜团开口说话,显示出世界的某种深层事物,并且改变我们对它的认识。我们举一个例子,这个例子就是卡文迪什的实验。卡文迪是英国非常有名的化学家跟物理学家,在18世纪,他的影响力大概是最大的了。那么今天大家如果有人去剑桥念书,知道剑桥有一个很有名的实验室叫卡文迪什实验室,这个实验室就是为了纪念他,光荣他而命名的。

那么在这里面,我们碰到这个实验,就是我们书名所指的实验了,就是“如何帮地球量体重”。帮地球量体重,我们用普通最粗浅的方式听起来,觉得是不可思议的事情,量体重你得有一个秤,这个地球难道真的像那个书的封面一样,把它挂到秤上,放到秤上去量它体重吗?当然不是这样。所谓帮地球量体重,换个说法讲,其实是要帮地球测量它的密度,测量它的密度,就知道它的体重,这其实是个相当的事情。但是我们先来看看个卡文迪什这个人,他是个怪人,他有钱,是个贵族,是那时候典型的科学家,是家里有钱,有闲,有空,于是可以把科学当成自己的业余爱好。

那么那个时候有钱的这些后代,都喜欢拿科学做实验,把这个当成自己的兴趣。那么大家要是有什么争论,有什么真理上的,彼此不同意的地方,那就要讲道理,就要用实验来睡眠对方。不像我们现在,现在说不定我们要说服别人,不一定是要讲道理,要让别人相信自己,也不一定要老实验,你通常只需要跟说一句,我爸是李刚,那就搞定了对不对?但可惜卡文迪什他爸不是李刚,他说不出这句话,那他怎么办呢?他就搞实验,他做这个实验,是为了要回应一个问题,这个问题是什么呢?他想要解决当时英国皇家学会,曾经委任了一个委员会,叫万有引力委员会。这个万有引力委员会有个任务,就是要测量地球的密度。这个委员会里面,就包括了卡文迪什。

我们先来讲讲,这个万有引力跟地球的密度有什么关系,大家中学都读过牛顿,我们知道根据牛顿的说法,两个物体之间,它们的万有引力和它们两者的密度是成比例的。由于天体它会相互施加相对的引力,可以由此得知他们的相对的密度,那么牛顿变成据此,比如说用矿坑里面物质的相对密度猜测地球的密度,结果是相当精确的。但是问题是那个时候他们做不到实验来确认这一点,就连牛顿都说,这个实验太难了,为什么呢?我们怎么讲,这个原理是这样,我们再讲清楚一点。就是我们拿两个物体,我们先测量它们的相对的万有引力,知道了这个力然后就知道它们的相对密度,这时候我们就拿一个已知其相对密度的东西,比如说一座山,来看看它对一个小物件,比如说放一个小铁球,看看它和小铁球构成了什么样的引力,拉力的强度,拿这个比例,再放大,去看这个小铁球跟地球本身的这个引力的比例,这么就可以逐步去比例的推算出这个地球的密度了,对不对?

但是问题是这个测量非常困难,为什么呢?因为牛顿都说了,整座山都完全不足以产生任何可察觉的效果,就是对那些小物体,小铁球,怎么办呢?然而卡文迪什却要做一个很漂亮,很有名的实验,这个实验漂亮它美在什么地方呢?就像刚才我们讲的剧场一样,有时候我们认为美来自于我们说它精确,这个实验的美就来自它的精确无误。这个精确是怎么回事?就是这个实验本来其实是另一个他的朋友,米契尔牧师设计的一个做法,这个做法是怎么样的呢?就是要在两颗铅球之间,测量它们的引力,在两颗铅球放在一个房间上面悬吊的杠铃上面,然后在旁边放一些大铁球,去观察这些大铁球,对小铁球构成什么样的引力,测量它们中间振荡引力之后,再逐步推算它们的密度,再来看这些小铁球跟地球的引力,我们就能看出地球的密度。

这个实验当然最后是成功的,但是这里面有相当多的问题,你想想看空气的温度,空气的流向,还有这些杠杆本身它们的密度,它们的引力又会怎么样,卡文迪什就对这一连串的东西做了非常精确的把握,排除了任何的干扰,所以这个实验后来成为一个经典,就是他告诉我们一个实验者怎么样精心的去把一个实验里面足以干扰你的各种条件都一一排除。

[责任编辑:张哲]
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