“ 一群金鱼被养在圆形的鱼缸里，看到的世界和我们所处的世界，哪个更真实？……

我们怎么知道，我们不在一个更大的我们没有观察到的圆形鱼缸里呢？

——张泉灵辞职日记

爱因斯坦：玻尔，亲爱的，上帝不掷骰子！

玻尔：爱因斯坦，别去指挥上帝应该怎么做！

霍金：上帝不但掷骰子，他还把骰子掷到我们看不到的地方去！

几年前，意大利蒙扎市议会禁止宠物的主人把金鱼养在弯曲的鱼缸里，其理由是：因为金鱼向外凝视时会得到实在的歪曲景色，所以将金鱼养在弯曲的鱼缸里是残酷的。

金鱼的实在图像与人类的不同，但金鱼仍然可以表述制约它们以后，所观察到的鱼缸外面物体运动的科学定律。例如，由于变形，人们观察一个自由物体在一条直线上运动，会被金鱼观察成它是沿着一条曲线运动。尽管如此，金鱼可以从它们变形的参考系中表述科学定律，这些定律总是成立的，但比我们的参考系中的定律更为复杂。所以说，简单性只不过是口味而已。

金鱼在一个缸里游动，他们观察的景物是什么样子呢？

托勒密(Claudius Ptolemaeu, 约公元85—165) 在公元150 年左右提出一个描写星体运动的模型，这是一个实在的不同图像的著名例子。它认为地球是一个球形的、静止的、位于宇宙中心，行星和恒星在非常复杂的轨道上围绕着地球运行。由于人们没有觉得脚下的地球在运动，这个“地心说”模型似乎是自然的。直到1543 年，哥白尼才在他的著作《天体运动论》中提出另外一个模型，认为太阳处于静止，而行星以圆周轨道围绕着它运转。哥白尼模型引起关于地球是否静止不动的狂烈辩论，这个辩论于1633 年因伽利略受到异端审判而达到高峰。1992 年，罗马天主教廷终于承认谴责伽利略是错误的。

那么，托勒密系统或哥白尼系统，哪个是真实的？尽管人们时常说哥白尼证明了托勒密是错误的，但那不是真的。正如我们的正常观点和金鱼的观点相比较的情形，人们可以利用任一种图像作为宇宙的模型。对于我们天空的观测，既可以从假定地球处于静止，也可以从假定太阳处于静止得到解释。事实上，哥白尼系统的真正优势在于太阳处于静止的坐标系中运动方程要简单得多。这有点像大学一年级学生在力学课程，选择惯性系和非惯性系，列出物体满足的动力学方程不同，但结果是一样的，有时候后者比前者简单。

我们在科学中制造模型，一个物理理论和图像是一个模型(通常具有数学性质) 以及一组将这个模型的元素和观测相连接的规则的思想。例如：电子是一个有用的模型，它能解释在一个云雾室中的轨迹和电视显像管上的光点这类观察结果，以及许多其他现象。1897 年，汤姆孙在剑桥大学的卡文迪许实验室发现了电子。他利用在真空玻璃管中的电流来做称为阴极射线现象的实验。从实验中，他获得了一个大胆的结论，神秘的射线由微小的“微粒”构成，这种微粒是原子的构成物质，那时原子被认为是物质的不可分的基元。汤姆孙没有看到“电子”，他的实验也没有直接或清晰地证明他的观测。但是从基础科学到工程的应用中，这个模型是关键的，而现在所有的物理学家都确信电子的存在，即便看不到它。

我们也看不见夸克，它是解释原子核中的质子和中子性质的一个模型。虽然说夸克构成质子和中子，因夸克之间的束缚力随着分离而增大，因此孤立的自由夸克不可能在自然界存在，所以我们永远观察不到夸克。尽管如此，根据依赖模型的实在论，夸克存在于一个和我们对亚核粒子如何行为的观察一致的模型中。

本文由刘四旦摘编自包景东编著《格物致理·批判性科学思维》一书。

批判性思维是高等教育的精髓，不时品味，你将感悟科学的真谛并发现自己的短板，实现从感性思维向理性思维的跃升。

教育部高等学校物理学本科指导性专业规范人才培养提出了"素质、能力和知识"三个基本要求，其中在创新能力方面，首次强调了培养学生应具备"批判性思维能力"。《格物致理·批判性科学思维》目的在于使理工科学生更富于批判性地思考我们周围的这个科学世界。探讨了批判性思维的几个核心要素：解读、分析、评价、推理的意义；对论辩、悖论和博弈论进行了深度解读；列举了大量物理实例来阐明科学发现中质疑、逻辑和想象的作用；最后还设计了一些思维能力测试选择题目。

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