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人类认识的格式塔(二)——格式塔转换

特定的对象和背景就是我们认识的格式塔。利用格式塔可以使我们一次只需考察少量的对象,就能够达到一定的认识目的。毫无疑问,作为一种认识方法,格式塔适合人类的思维。美中不足的是,这种方法在认识上具有一定的局限性。这就好比我们用视角很小的望远镜观察远处的风景,该望远镜一方面使我们看清局部的景致,但在另一方面却又限制了人的视野。作为补偿的最好办法,就是在使用望远镜的过程中不断地变换观察角度。于是,科学的开放性,就在于不断地变换人类认识事物的格式塔。比如,日心说取代地心说和相对论取代经典力学,不只是理论的替换,而且还意味着我们认识世界的格式塔发生了转换。格式塔的不断转换,不仅是一个人年轻并富有创新的标志,而且也是人类思维的一种必要的手段。

格式塔的存在和转换,在日常生活中是屡见不鲜的。实际上,每一句有意义的话、每一本有价值的书,都是一种特定的格式塔,都是为了把人从旧的观念即从原有的格式塔中解放出来。比如,先入为主就是格式塔效应,如果后来发生了某件重大的事情,促使我们改变了原来的看法,就是格式塔的转换。一个人应该从各种不同的角度看待和分析事物,因为在不同观念的人眼里,即便是同一个事物,它们的表象也是不同的。在前面,我们曾经提到过的情人眼里出西施,就是这个道理。

为了对格式塔的转换有一个亲身体验,下面我们就结合物理上的一些实际例子,具体地分析和研究这种转换的情况。

首先,根据科学家的计算,由万有引力理论、狭义相对论和等效原理组成的复合理论,可以同样精确地给出广义相对论的光线弯曲、水星剩余进动和引力红移三个经典实验的理论值,而该复合理论与广义相对论在物理机制上是不同的。由此,我们可以得出这样一个结论:理论是认识和理解实验的格式塔。一个具体的实验在原则上可以被无数种理论所解释。实验本身并没有任何特定的意义,因为它所面对的格式塔是无数的。同理,对于一系列原始实验数据,按照不同的格式塔即不同的公式和方法进行统计,得出的“实验结果”也是不同的,表现出具有一定的不确定性。例如,在广义相对论的光线弯曲实验中,用绝对法和相对法对原始数据进行统计得到的实验结果是不一样的。

其次,在近代物理中,一方面各种物理常数和现象都要求存在着一个与物质形态相对应的具有真实物理意义的空间形态(以太),而另一方面关于以太的各种理论又陆续遭到了许多实验的否定。对此,爱因斯坦在建立狭义相对论时的做法是,把真实空间概念(以太)连同错误的以太理论一起抛弃了。对此,需要另辟蹊径,重新找出一条解决上述困难的途径。这实际上就是格式塔转换,要求换一种角度来重新分析和解决上述困难。

关于以太,以往的做法是,科学家们根据他们已有的经典力学知识和在宏观尺度获得的经验,赋予了以太机械的性质,并以此建立了机械的以太理论,然后再利用实验进行验证。因此,实际上实验否定的并不是以太本身,而只是人们强加于以太的那些机械的性质,否定的是当时人们心目中的“机械以太”。所以,我们可以对问题进行反向思考,即这些实验的作用并不是为了验证或否证以太的存在,而是关于以太性质的实验。也就是说,可以首先认定以太作为空间形态是存在的,但事先并不设定以太具体有哪些性质,然后再通过一些相关的实验来研究以太究竟应该具备何种性质,才能够满足这些实验。只有变换认识的角度,根据这些实验来重新建立以太理论,其问题才有可能得到相应的解决。比如,如果光速的变换存在着半变换距离,就可以把各种对立的实验结果分别限定在不同的极限情况,使这些实验在新理论的框架下统一起来。

当一个人陷入困境的时候,如果能够对其所面对的问题进行格式塔转换,探寻出新的解决问题的途径,那将是非常难能可贵的。比如,爱因斯坦通过光电效应,对光的本性提出了一种新的格式塔,认为光是粒子,由此发现了质能转换公式,导致了人类对原子能的利用。作为一位伟大的科学家,爱因斯坦的伟大之处就在于能够提出一种具有认识意义的格式塔,能够提出一个富有启发性的观念。在人类认识的发展过程中,即使是提出错误的新观念,也比重复前人的旧观点要有意义,因为前者是暴露错误,而后者则是在掩盖错误。对错误观念进行批判,可以为建立正确的理论扫清认识道路上的障碍。对于科学和人类的认识来说,最大的悲剧莫过于停滞不前。而导致停滞不前的根本原因,就是固守旧的 格式塔。因为,在旧的格式塔中,原有的理论永远是“正确”的。

最后,我们再来分析粒子物理的情况。在现代粒子物理中,流行夸克理论。根据该理论,包括共振峰在内的所有基本粒子都是由不同的夸克组成的,这些粒子的基本性质是由各种夸克的基本性质线性叠加的。显然,这是一种唯象和机械的粒子物理模型。比如,质子由2个正夸克和1个反夸克组成,由于正反夸克的电荷分别是+2/3和-1/3,所以质子的电荷数为2×2/3+1×(-1/3)= 1。

夸克理论有以下三个致命的弱点。

弱点1:没有形成新的理论反差,使认识仍停留在唯象的整理与归纳的层次上,因而在认识上没有产生质的飞跃。比如,通过夸克理论,虽然我们可以根据基本粒子的分布及其对称性预言新的粒子,但我们对粒子的基本性质如电荷是如何产生的,却依然是一无所知。我们并没有因为有了夸克理论而对电荷的本质获得更进一步的认识,而只是简单地把关于基本粒子性质的问题转移至下一层次的夸克。这实际上是问题的迁移而不是问题的转换,即并没有把关于电荷的问题转化为新问题,这显然不利于认识的深入与发展。

弱点2:没有把普朗克常数h包括在内。根据不确定原理,任何物质的存在都不可避免地会受到h的影响,特别是在微观领域,这种影响是不可忽略的。由此推断,夸克理论充其量只是一个唯象型理论,具有认识的不完备性。

弱点3:在寻找带分数电荷的夸克时,遇到了困难。尽管用于研究基本粒子的加速器的能量一再增大,然而时至今日,仍然没有找到自由夸克存在的直接证据,没有确切地证实分数电荷的存在。

既然夸克理论存在着上述困难,那么我们能否另辟蹊径,提出一个关于基本粒子的新格式塔呢?作为类比,我们首先简单回顾一下产生原子光谱的机理。根据量子力学,原子之所以能够发光是因为电子在原子核的束缚下,由激发态向基态跃迁时释放能量。对于电子来说,原子核好比是一个势阱。一方面,电子与质子之间的静电吸引限制了电子逃离原子核;另一方面,根据不确定性原理 rh/2πp,电子又不能无限制地接近原子核。这就像两堵无形的井壁把电子夹在中间,此时电子不仅无法逃脱,而且在势阱中的存在状态也是有限的。电子只能在被允许的不连续状态之间,随着能量的变化,不断地进行激发和跃迁,从而产生出了一系列确定的但却不连续的原子光谱。这些限制条件就是我们通常所说的量子化条件,是由普朗克常数h和电势q/r2共同决定的。实际上,量子化条件就是原子光谱的有序结构。

由于基本粒子谱和原子光谱有很多相似之处,比如都具有不连续性和多样性且能量越高稳定性越差,所以我们可以把基本粒子中两个最稳定的粒子——电子和质子,视为由量子的不同组合所产生的两个基态。前者是轻子的基态,其他轻子皆为电子的激发态;后者则是重子的基态,其他重子及共振峰都是质子的激发态。其理由是,电子和质子分别是轻子族和重子族中最稳定且能量(质量)最小的粒子。于是,构成基本粒子的更深层次的粒子,就不再是不同种类的夸克,而只是单一品种的量子。作为这一新格式塔的直接推论,就是能量越高的粒子越不稳定,其衰变的时间就越短暂。共振峰是这一推断的典型代表,一方面它的能量值是固定的,而另一方面其寿命非常短暂,不到百万分之一秒。

于是,新的研究途径就是分析各种基本粒子之间的相互关系,找出它们的量子化条件,然后再进一步研究究竟是何种束缚力可以与普朗克常数h形成势阱,进而产生这些量子化条件。根据这种思路,我们最终要获得的结果是,目前已知的四种相互作用力是新束缚力在四种不同极限情况下的四个特例,而各种基本粒子则是量子的组合在该束缚力与普朗克常数h共同确定的一系列量子化能级上的激发态,即是电子或质子的激发态。

接下来我们再列举一个通过格式塔的转换开拓思路的例子。众所周知,我们赖以生存的世界由负电子和正质子组成。然而,在粒子物理实验中,科学家们发现了正电子和负质子,这些粒子仅仅是电荷与其所对应的粒子相反,而且正反粒子相遇时会产生湮没现象,转化为光子。根据一维物质观,物质是绝对客观存在的实体(即质量是守恒的),于是人们会很自然地把正电子和负质子称为反物质,将两类不同的粒子对立起来。这种机械的格式塔给人们的认识带来了新的困惑。为什么当正反粒子相遇时,不会因为 rh/2πp 而避免湮没呢? 是否存在大规模的反物质? 如果是,那么为什么正反物质会被分隔开来? 如果否,与正物质共同产生的反物质又为什么会消失呢? 反粒子的质量是负的,其在引力场中感受到的是斥力? 根据质能公式,难道反物质的能量也是负的吗?

面对这些疑问,我们可以尝试着进行格式塔的转换,用有机的格式塔取代机械的格式塔。根据有机的格式塔,物质并不是绝对的实体,而仅仅是由数个量子构成的封闭体系。因此,不存在物质的正反性。所谓反物质只是量子的另一种特殊状态的封闭体系(如自旋相反),这种封闭体系是不稳定的,类似放射性元素,即便没有遇上相对应的封闭体系,也会自行衰变,衰变为光子及其稳定的封闭体系,即 “反物质”只是“正物质”的一种特殊的激发态。

通过以上列举的事例,我们对现实世界的观念发生了转变,由原来机械的格式塔转换为有机的格式塔。根据这一新的格式塔,展现在我们面前的图景是:

自然界中的一切物质都是由一定数量的单一品种(量子),直接或间接地在由普朗克常数h和束缚力构成的势阱中形成的封闭体系;而导致物质种类的多样性则是由于封闭体系在势阱中允许存在的能量状态是不连续的,服从一定的量子化条件;此外,物质之间的各种相互作用力都只是该束缚力在各种不同层次上的不同表现。

这种新观念,一方面有助于对各种物质层次及其结构形成一个统一的量子阶梯概念,另一方面各种物质层次的基本性质也可以统一地由量子及其束缚力来给予说明。虽然这种观念还只停留在定性的阶段,不过在这里我们所要强调的并不是有机的格式塔本身的正确与否,而是为了让大家能够从中领略到格式塔转变的魅力及其可能性,使我们认识到新的格式塔就存在于日常的生活之中,潜伏于我们的思想深处。当年麦哲伦通过“直线”航海能够返回原地证明了地球是圆的,这固然是一种格式塔的转换;而哥伦布能够把鸡蛋竖起来,同样也是一种格式塔的转换。当年水手们在吃早餐时,试图把煮熟的鸡蛋竖立起来,却总是无法成功。哥伦布看到此情景,拿起鸡蛋往桌子上一磕,鸡蛋就稳稳地立了起来。在一般人的思维里,鸡蛋是不能破的,这是一种传统的格式塔;而哥伦布不受此思维的束缚,所以他做到了常人所不能做的事。

人类认识的最深刻和最本质的特征,就是格式塔的存在和格式塔的转换。这一基本特征不仅决定了科学是开放的,以及科学的发展是没有极限的,而且还为从事科学的人提供了无限的乐趣和发挥其创造力的可能。对象与背景的不断变换,标志着人类的思维突破了原有的认识平面,步入了一个更高的认识层次。(待续)

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