- 算法与预言
- (意)亚历山德罗·韦斯皮尼亚尼等
- 2218字
- 2023-04-14 11:12:23
登陆新世界:预测的历史
1942年12月2日这一天注定要被写进历史。这天,恩里科·费米(Enrico Fermi)来到芝加哥大学体育场的地下室,这里是芝加哥一号堆,也是世界上第一座铀—石墨原子反应堆。这位意大利物理学家是斯多葛主义信徒,向来喜怒不形于色。如今,实验到了最后关头,在场所有人都能感受到他内心的紧张与兴奋。他手持计数器站在控制台前,9时45分,反应堆正式启动,能够吸收中子的镉控制棒被慢慢抽取出来,使越来越多的铀接触到中子。中子轰击铀核,使铀核发生裂变,裂变过程中会释放中子,这些中子会再引发其他铀核裂变。石墨使铀核裂变释放出的中子速度放慢,从而使中子更容易与其他铀核碰撞发生裂变。随着计数器咔咔声节奏越来越快,铀核裂变开始了。下午3时20分,费米下令把控制棒继续往外抽取,几分钟后,计数器的声音稳定下来,反应堆达到临界点。人类历史上第一次核链式反应开始自动进行了。大家打开提前准备好的红酒,斟满纸杯,无声而热烈地庆祝。诺贝尔物理学奖得主、物理学家阿瑟·康普顿(Arthur Compton)给时任美国国防研究委员会主席詹姆斯·科南特(James Conant)发去一封著名电报,内容相当简洁:“意大利航海家已登陆新世界。”
这封电报宣告人类进入了原子时代。这场始于17世纪的探索在1942年12月2日有了完美结局。300年来,人类对自然元素的探究从未停歇,这场旅途让我们更了解自然,也更了解自身。我们对今天的天气了如指掌,对明天会不会下雨心中有数,还能准确预测下一次日食会在哪一天发生。这份对未知世界的确知和自信,是原子时代科学昌隆的象征。这场旅途从未停止,还在不断加速前进。如今,人类已进入亚原子世界,商业化载人宇宙飞船已成为现实,几十年前,人类还在月球上留下了脚印。这是人类致广大、探精微的共同事业,是瓦格纳音乐大气磅礴的高潮。在一次次从成功走向成功的过程中,我们几乎产生了幻觉,以为自己不仅完全了解外部世界,还掌控了周围的万事万物。掌控万事万物?这么说可能太抽象了。其实,了解化学反应的机制、制造新能源、设计新型飞机,都是对物质进行控制的某种形式。
当然还有更精致、更微妙的控制形式,那就是本书的主题——预测能力。晚上入睡前,我们知道第二天太阳会照常升起,并且一定会在几点几分升起,这就是确定性;看着一轮满月挂在夜空,我们欣赏之余还不忘查一下下次月全食会在哪天发生,这是种有诗意的确定性;引发海啸的地震会产生独特的声波,我们可以利用它缩短海啸的预警时间,这是可以拯救生命、减少财产损失的确定性。人类在宇宙中何其渺小,预测能力极大缓解了我们的无力感。因为能够预测未来,我们意识到历史上的天灾并非神秘力量作祟,作为自然现象,它们完全可以被我们认识。知识是对治恐惧的药方。预测能力帮我们战胜了最古老的恐惧。
不瞒大家说,我刚开始学物理时,最令我兴奋的就是通过学习获得一种掌控感。我能预测天体运行,掌握运动定律和热力学法则。我知道得越多就越自信,越相信周围的一切都可以被理解、被预测、被控制。物理学家在把原子、电子这些视之不见、抟之不得的微粒写成方程时,会产生智力上的愉悦。但我还要告诉大家,真正优秀的物理学家不会沉溺于这种快乐,而是随着研究的深入越来越清醒。
科学的基础是实验,但实验的条件都是明确的或是给定的,观察的现象也是具体的。我们观察两颗行星的运动,学习引力法则;观察恒温液体被推进完美的试管中,学习流体力学。但对周围世界的预测不能仅从理想状态入手,否则无异于纸上谈兵。要预测太阳系,我们必须考察太阳系的所有行星。要进行大气预测,就要从温度、密度等角度考察液体状态,温度和密度在空间的每个点位都会发生变化,更不用说很难获得令人满意的数据。换言之,预测真实世界或现实社会,不仅费力,还未必“讨好”。但我们仍在努力用数学公式、物理定律来描述和分析未来。归根结底,这并非现代科学进步的产物,而是沿袭了我们祖先几千年来认识世界、预知未来的传统。
古巴比伦人是优秀的天文学家。在公元前2000年,也就是距今4 000多年前,古巴比伦人仰观天象,追踪星辰的运行轨迹,参悟到天文现象有固定的周期律。他们通过数学运算,记录下星辰运行的周期,已经能实现相当精准的预测。在公元前3世纪,天文学家已经可以利用几代人在几百年间观测的数据,发掘行星运动的规律,甚至可以据此预测日食的准确时间,确定行星的具体方位。古希腊人则将行星运行周期和几何学结合起来,进一步发展了天文学。今天的天文学家,仍要心怀敬意地肯定前人的发现。天行有常,今天的夜空仍在依循古人破解的秘密星罗棋布,我们的祖先数千年来留下的记录和发现,仍在被现代人使用。今天的预测因此掌握了层叠积累的历史数据。换言之,预测科学将求索的目光投向未来,而研究进路的起点却在数千年前。预测科学正是基于周期长达几十年甚至数百年的观测,寻找规律和重复的痕迹。同样,今天的气象学家能成功预测潮汐,也离不开前人留下的历史数据。潮汐是万有引力在月球、地球和太阳之间相互作用的结果,古希腊人充满诗意地指出“月亮产生潮汐”,但地球自身的因素也决定了潮汐的规模和周期。准确预测潮汐,要充分考虑当地海岸线的形状、海底深度等因素,这离不开对历史数据的梳理和分析,明确不同历史时期有哪些因素产生过周期性影响。潮汐是海水在太阳和月亮的引力作用下产生的,这是这一自然现象背后的根本原理,但在预测实践中,我们不仅要守住根本原理,还要参考众多其他因素。一言以蔽之,预测是项系统工程,本书介绍的众多算法,正是推动预测结果越发精准的保障。