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04 惯性

除非有事物发生运动,否则就无事发生。

开始一件事很难,但其实结束一件事也很难。在物理学中,惯性是物体抵抗其运动状态被改变的性质。静止的物体不会自发开始运动,而行星在没有推进力的情况下也能持续围绕太阳运行。惯性原理是牛顿第一运动定律的主要内容,该定律指出:“当作用在物体上的合外力为零时,物体将保持静止状态或匀速直线运动状态。”如果不受外力(比如摩擦力)作用,物体将始终保持原来的运动状态。如果不受外界干扰,系统就会抗拒变化的发生。

伽利略在一个实验中发现了惯性原理,他将两个斜面相对放置,形态类似滑板的U形滑道,然后让静止的小球从A点滚下斜面AB,滚到最底端后,小球又会滚上斜面BC。这个巧妙的实验清楚地表明斜面越光滑,小球就越接近与A点同高度的C点。根据这一发现,伽利略主张小球的初始高度与最终高度之间的差异是由摩擦力造成的。

在《哲学原理》一书中,笛卡尔也谈到了惯性。表示大自然的第一定律是“只要不受外力干扰,物体总是保持原来的状态。因此,只要物体开始运动,就将继续以同一速度沿着同一直线方向运动” [1]

惯性模型可以用于理解我们行为的一些组成部分,包括思维模式和习惯。我们天生就不愿接受新生事物,本质上就是不愿为了改变付出努力,这很正常。保持现状几乎无须付出任何努力,也没有什么不确定性。推动变革需要力量,而力量源自努力。这一模型为我们提供了一个视角,帮助我们理解为何人们抗拒改变,以及为何自满会招致失败。

惯性意味着做事的时候一旦半途停下,重新开始要比始终坚持更难。从最基础的层面而言,诸多大脑研究表明一心多用其实全无利处。当我们把注意力在不同事项之间来回切换,所花的时间和精力要远多于把一件事情做完再做另一件事。

惯性也可以解释为什么坏习惯总是根深蒂固,以及为什么系统性的改变难如登天。许多城市依然依赖汽车进行短途通勤,而不是积极建设基础设施以方便公共交通、步行或骑行。我们抱怨了一万次工作,可又不想离开,不愿与观点不同的人进行深度交流,也几乎从不改变父母在我们出生时指定的宗教信仰。这一切都是因为坚持原先的道路是轻松之选,虽然这么做无异于故步自封、停滞不前。

就像牛顿第一定律中的物体一样,一旦我们的思维认定了一个方向,往往就会固守着那个方向前进,除非受到某种外力的影响。 [2]

——列纳德·蒙洛迪诺

动量

不妨想象一下火车进站后停车的场景。司机不会等到需要停车时才紧急踩下刹车,而是会提前很久行动,留出充足的时间让重达上千吨的整列火车完全停下。由于动量的存在,火车无法在司机踩刹车的瞬间就停止运动。计算动量的公式为 p = m × v p 代表动量, m 代表质量, v 代表速度。有质量的物体在运动时就有动量。

质量越大、速度越快,物体的动量就越大。如果你出去跑步,中途停下要比让火车停下省力得多,因为你更轻,速度也更慢。物体的速度或质量翻倍,其动量也会翻倍。

牛顿第二定律指出,物体的加速度与两个因素有关:作用在物体上的力,以及物体的质量。而牛顿第一定律指出,如果作用在物体上的合外力为零,那么物体将保持静止或匀速直线运动。两相比较可知,加速度是合外力不为零的结果。

在物理学之外,如果事物朝着一个特定的方向前进,只有极大的外力才能迫使其停止或者转向,那我们就认为这个事物具有动量。 [3]

想法一旦产生,就很难消失

为什么有些产品可以长红几个世纪,即便市场上出现了质更高、价更优的同类竞品?为什么其他产品带着强大性能横空出世,却如昙花一现,很快便销声匿迹?我们可以从惯性的角度尝试找出问题的答案。

大多数时候,我们的消费模式是基于旧有习惯,而非新的思维。我们买的都是平时常买的东西,所有的偏好也不过是因为日积月累的习惯。在购物时,我们很少会花费精力对自己买过几十次的产品进行批判性思考。某种商品购买的次数越多,它在我们日常生活中的地位就越稳固。即使发现它不够健康,我们也很少会做出改变,更不要说立即改变。我们可以通过牛顿第二定律来理解这一现象。该定律描述的是力与加速度的关系,它表明,质量决定惯性。当力作用在物体上时,物体会沿着力的方向加速运动。质量一定时,合外力越大,加速度越大。合外力一定时,质量越大,加速度越小。从本质上说,质量越大,惯性越大。越重的物体实现加速或减速需要的作用力越大。

质量与惯性的关系也可以引申到日常习惯上。我们坚持做某件事的时间越长,它就越深地融入我们的身份感及我们对世界的理解之中。所谓“积习难改”,就是说形成习惯的时间越长,做出改变就越难。除了个人层面,在社会层面也是如此。一种产品在社会上使用的时间越长,就越难被新产品取代,哪怕新产品的优点更多。接下来我们看看铅和苦艾酒这两种产品,比较一下它们的社会惯性。

大约2 000年前,马尔库斯·维特鲁威·波利奥 撰写了《建筑十书》,内容广泛,不仅涉及建筑,还涉及工程、哲学和医学。他提出了许多建议和意见,其中一条是:“要保持饮用水卫生,就绝不应该用铅管输送水。”早在人类发明火药、指南针、叉子之前,我们就已经深刻认识到铅对人体的危害。

可惜没人拿他的建议当回事儿。在接下来的1 000年里,铅被添加到化妆品、汽油和涂料中,也是许多制造流程(比如印刷)所需的原料。随着人们接连发现死亡与接触铅之间的高度相关性,对其副作用的担忧也不断加剧。

尽管如此,铅还是被用来稀释葡萄酒、制造输水管道,还被添加到面霜中,帮助女性达到社会中美的标准——苍白。

1910年,艾丽斯·汉密尔顿 被任命在美国伊利诺伊州负责一项关于工业疾病的调查。在随后的几年里,她作为美国工业毒理学方面的权威专家,为工作场所接触铅等一系列职业问题的危害提供了确凿的证据。 尽管如此,美国通用汽车公司还是坚持在20世纪20年代推出含铅汽油。汉密尔顿广泛宣传,明确反对在汽油中添加铅,她和同事详细论述了含铅汽油的毒理学和含铅尾气的危害。 然而,直到20世纪80年代,美国才禁止使用含铅汽油。

尽管我们现在都知道铅的危害,如今它仍然被应用于某些领域。例如,铅被添加到涂料中,以防涂料因温度变化而开裂。在许多国家,含铅涂料仍被用于粉刷房屋、制作玩具,虽然以同等价格明明可以买到无毒涂料。

可以将铅的历史与苦艾酒做个对比,后者的兴衰不过发生在短短50年内。

“苦艾酒由植物和香料混合制成,先将苦艾、茴芹、茴香和野生马郁兰等原料碾碎,浸泡在酒精中,再进行蒸馏,就制成了一种梨色的苦味利口酒。接着,将一定量的酒倒入专用玻璃杯,再将放有方糖的勺子摆放在杯子上方,缓缓浇下冰水,酒液就会变为混浊的乳白色。” 自19世纪60年代始,苦艾酒成为一种广受欢迎的开胃酒,即餐前酒。在19世纪下半叶,据说每到下午五六点,整个巴黎都弥漫着一股淡淡的草药香,这段时间也因此得名“绿色时光”。

50年后,人们把苦艾酒与鸦片相提并论,认为它是重大的社会弊病。此外,“在法国,医生开始怀疑苦艾酒其实是一种毒品。饮酒者表示出现了幻觉,有些甚至罹患永久性精神错乱”。人们随即展开了动物实验。紧接着,“在瑞士,压死骆驼的最后一根稻草出现在1905年。当时一位名叫让·兰弗雷的男子在喝了大量苦艾酒后杀害了他怀孕的妻子及两个年幼的女儿。这起案件被称为‘苦艾酒谋杀案’,三年后,苦艾酒在瑞士被全面禁止”。1914年,法国也颁布了类似的禁令。

短短50年,苦艾酒经历了从被追捧、滥用到被抛弃的全过程。有趣的是,“后来的检测表明,很多所谓证明苦艾酒有害的证据都是无稽之谈”。这种酒其实并不比其他同等度数的酒精对人体的危害更大。

如此看来,一边是铅,2 000年来人类始终知晓其毒性,却未放弃使用它;另一边是苦艾酒,仅仅是由于其副作用令人生疑,在短短50年内就被撤出市场。已有确凿的证据证明铅有毒,可它依然顽固地残留于消费品中。苦艾酒虽被证明无罪,但在许多酒水店里仍然难觅踪迹。为何二者境遇天差地别?显然,原因错综复杂,但思维模型的价值恰恰在于它可以提供洞察力。因此,通过使用惯性模型,我们可以得出一些结论。

质量很重要,物体的质量越大,使它停下就越困难。铅和苦艾酒有着不同的“社会质量”:铅在多个制造流程中发挥着重要作用,苦艾酒不过是让人喝醉;铅已经被整合到其他许多物质中,所以还涉及激励的问题,停用和替换铅的成本非常高,人们得放弃自己惯用的产品,更不用说改造以铅为原材料的制造系统的成本了,而苦艾酒是独立于其他事物之外的,没有此类问题。因此,停售苦艾酒要比停用铅省力得多。

这在一定程度上说明了,为什么仅仅证明某物有害并不一定足以驱动行为的改变。一种产品、习惯抑或想法存在的时间越长,其惯性就越大。有无数都市传说和广为流传的迷思已经存在太长时间,尽管有证据表明其不准确性,它们也早已深深印刻在我们对世界的理解之中。有时,可靠信息根本无法扭转大众的错误观点,我们会因此感到灰心丧气。惯性模型可以帮助我们理解个中所涉原理,并启发我们推动行为的改变。

如何才能坚持

惯性告诉我们,信念可以变成习惯。习惯是根深蒂固的行为,有好有坏。

在《向章鱼学习》一书中,拉菲·萨加林认为,信仰体系“背后有着巨大的进化上的惯性”。 [4] 他解释说,树立信念的能力一直是我们的生存机制之一,这便从生物学的角度解释了为何信念如此难以改变。因此,有时信念的惯性会阻碍我们前行,比如会让我们对新机遇视而不见,或者不愿接受新的信息或理念,因为不符合我们对世界固有的认知。例如,发明的历史就是一部拒绝接受新思想的历史。从收音机、电话,到汽车、飞机,再到笔记本电脑,许多改变了人类生活的发明最初都被认为是无关紧要或者一无是处的。我们都听过这样的故事:有很多人错失了开发和投资这些革命性技术的机会,事后才对自己缺乏远见懊悔不迭。

虽然我们经常在回首过去时为自己当初缺乏远见摇头叹息,但这也表明新理念必须在长期证明其价值所在。鉴于这些技术最终确实成为世界不可或缺的一部分,那么显然还是存在一些高瞻远瞩的人,他们的信念足够灵活,可以在对抗惯性方面助其一臂之力。

因此,信念的惯性也并非全然是一件坏事。在最基础的层面上,当我们的信念具有持久性时,我们就不需要一直重复学习所有知识。此外,具有强烈惯性的价值观也可以帮助我们克服障碍和挫折。这并不意味着我们就应该盲目坚持自己的信仰,抑或成年后就可以放弃学习。信念的坚定与灵活并不冲突。事实上,如果能根据新的信息和经验不断改进和完善自身的信念,它们就能持续支持我们应对挑战。

通常,新理论、新发明背后的故事都包含了信念在两个方面的惯性作用。积极的一面促使科学家和发明家勇敢面对拒绝和嘲笑,而消极的一面则助长了对科学家和发明家的冷嘲热讽。

信念的惯性使得改变世界难上加难,但同样的惯性也可以帮助那些一心求变的人坚持己见,排除万难。核物理学家莉泽·迈特纳 的故事就生动诠释了这种惯性的一体两面。她可谓出师不利,从一开始就面临根深蒂固的社会偏见。在一个更公正的世界,她所做的很多事情都实无必要,但坚定的决心使她愿意适应不公平的体制。

战争中的惯性

惰性在战争中发挥着重要作用。克劳塞维茨在书中提到,让休息好的人行动起来更容易。 [5] 精疲力竭的人惰性更大,因此更难让他们行动起来。有机会进食和睡觉的人更容易被激励,因此会更快被调动起来。

对思考的需求不会因为“智者”所谓的权威见解就不复存在;它只能通过思考得到满足,而我昨天的思想只有在我想要且能够对其进行反思时,才能满足我今天对思考的需求。 [6]

——汉娜·阿伦特

逃逸速度

物体也有逃逸速度,即它们为挣脱大型物体(地球)的引力需要达到的速度。例如,当火箭升空时,为了摆脱地球强大的引力,它需要达到极快的速度。在距地球很远后,速度可以慢一点儿。因为将它拉回地球的引力此时已不足以抵消其动能。随着火箭不断上升,其燃料和动能被转化为重力势能。如果火箭的初速度足够快,即使没有进一步的推进力,它也可以完全逃脱地球的引力束缚——此时的初速度被称为逃逸速度,等于每秒7英里。我们可以把逃逸速度与本书后文提到的“活化能”这一概念联系起来。我们需要付出多大的努力,才能不仅克服阻力,而且让目标对象踏上一条新的道路?

莉泽·迈特纳1878年出生于奥地利。23岁时,她成为维也纳大学物理学课程和实验室录取的第一位女性,也是该大学第二位获得物理学博士学位的女性。1907年,物理学家马克斯·普朗克邀请她前往柏林,她在那里作为无薪研究助理工作了几年。在此期间,她遇到了奥托·哈恩,与他共事了数十年,他们一起发现了元素周期表上原子序数为91的元素镤。这所大学不允许女性进行独立研究,所以他们为了做研究想尽各种办法。帕特里夏·赖夫在《犹太妇女档案》中对迈特纳的介绍是这样的:“起初,她只是哈恩手下的客座研究员,没有报酬,但大多数人都知道二人在研究团队中的地位是平等的。” [7] 不过官方总是尽可能抹去她的研究贡献。正如汝茨·丽温·赛姆在《莉泽·迈特纳:物理学中的一生》一书中所描述的那样:“在每一篇发表的论文署名上,哈恩都是第一作者,迈特纳显然对此也不反对,尽管她做了很多工作。” [8]

尽管遭受了不公待遇,迈特纳与哈恩依然保持了一生的友谊,她甚至成为哈恩独生子的教母。

最终,鉴于迈特纳出色的工作能力、同事对她的敬重,以及她对辐射和核物理学的持续贡献,她受邀创办并管理威廉大帝化学研究所 的物理分部,一做就是20年。在接到邀请时,迈特纳“将其视为认可、信任和职业成熟的标志”。1919年,她成为该研究所的教授,也是普鲁士第一位获此殊荣的女性。

20世纪20年代和30年代初,迈特纳继续在物理学的不同领域进行研究,取得的所有成果无一不是认真和耐心工作的结果。迈特纳是第一个在无辐射的情况下观察和描述多重跃迁的人,她与同事库尔特·菲利普同为“第一个从非宇宙来源识别正电子,并且证明正电子与负电性元素一起出现的人”。她在此期间的成就使她成功跻身“一流实验物理学家”之列。随着她的学术头衔不断增多,因工作成果获得一系列奖项,她的教学任务也不断加重。

1933年,情况开始发生变化。那一年,纳粹党颁布法令,禁止犹太学者担任教授。迈特纳的研究仍在继续,但1938年,她还是在大名鼎鼎的物理学家尼尔斯·玻尔的帮助下,离开德国前往瑞典。二战期间,她在诺贝尔物理研究所工作,但职位仅为研究助理,薪水微薄,与此前在柏林所做的工作也无甚关联。 [9]

然而,正是在这段时期,迈特纳有了她此生最为重要的发现。哈恩与她的交流不曾中断,他向迈特纳详细描述了自己的实验结果,询问她能否给出合理的解释。迈特纳开始思考这些数据,在与自己同为物理学家的侄子奥托·弗里施讨论时灵光乍现,由此提出了对核裂变的第一个解释。她的研究首次揭示了核反应所包含的能量,也正是因此才有了原子弹等发明制造。这是迈特纳对核物理学最重要的贡献。

尽管迈特纳的贡献不可磨灭,奥托·哈恩却因发现核裂变成为1944年诺贝尔化学奖的唯一获得者。莉泽·迈特纳曾29次获得诺贝尔奖提名,其中包括三次被尼尔斯·玻尔提名,但每次都失之交臂。 [10]

我们从这个故事不难看出,迈特纳的一生都在与信念的惯性抗争。首先是关于女性的文化信念,比如女性的才能和社会地位。在人生的诸多重要节点,她都不得不克服社会对女性的偏见。无论是接受教育的权利,还是科研的能力,她都必须极力克服惯性的力量证明自己。

此外,作为身处纳粹德国的犹太人后裔,她还面对盛行一时、具备巨大惯性的信仰。奥托·哈恩隐瞒了迈特纳对核裂变这一发现做出的巨大贡献,一部分也是出于对德国政治环境的考量。

然而,在莉泽·迈特纳的故事中,最大的亮点是她对物理学的满腔热情激励着她克服重重挑战。首先,科学家需要具备奉献精神。汝茨·丽温·赛姆详细描述了迈特纳在进行研究时的非凡耐心,也提到她对自己的工作有着充分的信心。迈特纳并不是想要得出某个特定问题的答案,而是认为科研过程本身富有价值。因此,她的信仰不是僵化的教条,而是通过调查和发现新知而产生的灵活的理解。在明明自己承担了主要工作,却不得不将论文第一作者的署名权拱手让人时,在拿着低廉的薪资,忍受艰苦的实验条件时,或许正是这些信念赋予了她前行的力量。

迈特纳的成就远远超出当时从事物理学研究的其他女性,她不仅在实验物理学领域提出重大发现,还领导着学术机构的一个部门,赢得了广泛的尊重和声望。在其学术领域内,迈特纳得到了平等的对待,在纳粹上台之前,她是德国唯一的女性物理学教授。

久而久之,迈特纳对物理学和她自身的信念惯性也在不断增加,使她得以应对环境中的偏见带来的挑战。

虽然没能得到诺贝尔奖,但她还是获得了许多荣誉博士学位和其他奖项。迈特纳在晚年发表了许多演讲,鼓励女性在科研领域积极进取,并坚持研究工作直到81岁。她备受全球同行的敬仰,丽温·赛姆认为,无论迈特纳走到哪里,她都能结交一生的挚友。

迈特纳毕生锲而不舍,面临重重障碍依然坚持心中热爱。她对其他女科学家说:“要记住,科学可以给你的生活带来快乐和满足。”

结论

能量宝贵,必须节约使用。保持现状是人类的天性,因为做出改变要消耗能量。万事开头难,可一旦起步,让事情朝着特定的方向发展,接下来就更容易保持前进的动力。但反过来,事情一旦开始也很难停下。质量越大,改变状态所需的努力就越多。

[1] Descartes, Rene. Principles of Philosophy . Translated by John Veitch. London: Forgotten Books, 2018.

[2] Mlodinow, Leonard. Elastic: Flexible Thinking in a Constantly Changing World. New York: Penguin Books,2018.

[3] “Newton’s Laws of Motion.” Encyclopedia Britannica . https://www.britannica.com/science/Newtons-laws-of-motion

[4] Sagarin, Rafe. Learning from the Octopus . New York: Basic Books, 2012.

[5] Clausewitz, General Carl Von. The Campaign of 1812 in Russia. New York: Da Capo Press, 1995.

[6] Arendt, Hannah. The Life of the Mind. San Diego: Harcourt Brace Jovanovich, 1981.

[7] Rife, Patricia.“Lise Meitner.” Jewish Women: A Comprehensive Historical Encyclopedia. February 27, 2009. Jewish Women’s Archive. Accessed August 15, 2019.

[8] Sime, Ruth Lewin. Lise Meitner: A Life in Physics. Berkeley: University of California Press, 1996.

[9] Kiewitz, Susanne.“Portrait of Lise Meitner.” Max-Planck-Gesellschaft . https://www.mpg.de/11721986/Lise Meitner. Accessed August 15, 2019.

[10] Smart, Ashley G., Andrew Grant, and Greg Stasiewicz. Physics Nobel nominees, 1901-66. Physics Today. https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.4.20170925a/full/. Accessed August 15, 2019. 6DTc/mFwJ6u2LXFRyRqhEPmfzTKZnCOq9ckLP6Rspsvh37CZ7QYCVgJgJL7HVzVQ

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