張雙南：如果把這些方法帶進(jìn)生活，生活就是科學(xué)

skysun000001 2022-01-12

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*以下根據(jù)張雙南于2020年10月22日在高山書院錦屏山站的部分課程內(nèi)容整理而成，經(jīng)老師審核后公開發(fā)布。點(diǎn)擊文末閱讀原文，了解更多。

授課老師：張雙南，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員，中國科學(xué)院大學(xué)教授，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室伽馬暴偏振實(shí)驗(yàn)、“慧眼”天文衛(wèi)星以及中國載人航天工程空間天文與天體物理領(lǐng)域?qū)＜医M首席科學(xué)家。

張雙南教授，2020年10月22日在高山書院錦屏山站

科學(xué)雖然起源于古希臘，但從古希臘科學(xué)到現(xiàn)代科學(xué)，實(shí)際上是經(jīng)歷了幾次質(zhì)的蛻變——當(dāng)中的靈魂人物，莫過于這三人。

伽利略、牛頓、愛因斯坦

現(xiàn)代科學(xué)的三駕馬車

伽利略

講現(xiàn)代科學(xué)，離不開伽利略。

在物理巨匠愛因斯坦和霍金眼里，伽利略是當(dāng)之無愧的現(xiàn)代自然科學(xué)的鼻祖。在中國，我們一般認(rèn)為牛頓是現(xiàn)代科學(xué)之父，那是因?yàn)槲覀兊目茖W(xué)教育只注重應(yīng)用和結(jié)果，不重視歷史與過程。

愛因斯坦在他《思想和觀念》這篇大作里寫到：“純粹通過邏輯推導(dǎo)出的論斷，是空洞、不著邊際的，而伽利略深刻認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并把實(shí)證宣貫到了科學(xué)世界里；因此他是現(xiàn)代物理，實(shí)際上也是現(xiàn)代科學(xué)之父?！?/span>

霍金在他有名的《時(shí)間簡史》里也說到：“自然科學(xué)的誕生必須歸功于伽利略，他的功勞無人能及?！?/span>

伽利略對(duì)實(shí)證的重視，促使他開創(chuàng)了科學(xué)定量觀測和實(shí)驗(yàn)的方法，從而奠定了現(xiàn)代科學(xué)的輪廓。今天大大小小的科研，無一不遵循著伽利略這一套科研方法。

沿著這份實(shí)證精神，伽利略發(fā)明了很多定量測量的儀器，如溫度計(jì)、脈搏計(jì)、比重計(jì)等。最早的比重計(jì)雖然是由發(fā)現(xiàn)浮力定律的阿基米德所發(fā)明，但使用起來不方便，所以伽利略發(fā)明了便于使用的版本（比重計(jì)在當(dāng)時(shí)是辨別金屬純度的重要方法）。

當(dāng)然眾所周知，伽利略還發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡。

不過，這其實(shí)是科學(xué)史上一樁有趣的爭議。根據(jù)伽利略本人的說法，他是聽說了某個(gè)荷蘭人望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)原理，才開始制作自己的望遠(yuǎn)鏡。

但是由于原創(chuàng)者只是發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡而沒有將它用在天文觀測上，所以科學(xué)史上的普遍共識(shí)是：1608年荷蘭人發(fā)明了第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，而1609年伽利略發(fā)明了第一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡。

2009年是紀(jì)念伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡的第40個(gè)年頭，也因此被聯(lián)合國定為世界天文年。

在伽利略所做的大量觀測與實(shí)驗(yàn)中，他發(fā)現(xiàn)了很多規(guī)律。

比如擺的規(guī)律。當(dāng)物體懸吊在一根繩子上開始擺動(dòng)，它的擺動(dòng)周期取決于什么？過去人們普遍認(rèn)為物體越重就擺得越快，周期越短；但伽利略發(fā)現(xiàn)，這周期只取決于繩子的長度。

另外，伽利略通過一連串的斜坡實(shí)驗(yàn)（以及一個(gè)假想實(shí)驗(yàn)），讓一個(gè)球從不同坡度的斜面上滾下來，他發(fā)現(xiàn)了一旦坡完全變平而小球不再受到任何水平方向的力，那么球就會(huì)一直滾下去；同時(shí)也推導(dǎo)出了“F=ma”加速運(yùn)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

換句話說，實(shí)際上在牛頓之前，伽利略的思想就已經(jīng)清楚地表述了后來牛頓的第一與第二定律，只不過牛頓進(jìn)一步將它們提煉，納入到自己的理論模型里。

牛頓

在牛頓以前，數(shù)百年來科學(xué)家研究出了不少規(guī)律，但這些規(guī)律都是片段的。直到1687年，牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》發(fā)表，才產(chǎn)生了人類史上第一個(gè)科學(xué)理論體系。

在這個(gè)理論模型里，牛頓從第二定律、第三定律及萬有引力定律出發(fā)，推導(dǎo)出了當(dāng)時(shí)廣為人知的開普勒三定律。盡管開普勒三定律當(dāng)時(shí)已經(jīng)能精確地描述行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)，但它還僅僅是三條成功的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律；它們背后的原理，科學(xué)家包括伽利略在內(nèi)，都知其然而不知其所以然。所以即便日心說推翻了地心說，日心說本身的正確性始終缺乏理論支撐，要打上問號(hào)。

而如今牛頓可以從自己獨(dú)立的模型推演出已知的定律，無疑給彼此提供了強(qiáng)力的驗(yàn)證，消除了原來世界對(duì)日心說的疑惑，也讓牛頓更深信自己這一套力學(xué)模型。

這樣的理論模型，實(shí)際上也是延續(xù)了古希臘時(shí)期歐幾里得《幾何原本》的范式，從幾個(gè)更基礎(chǔ)、更深層次的原理出發(fā)，演繹出其他規(guī)律，形成一套閉合而自洽的體系。這也是今天我們對(duì)一個(gè)好的科學(xué)理論的要求：既要經(jīng)得起實(shí)證計(jì)算，也要做得了邏輯演繹。

這還不夠——科學(xué)還必須根據(jù)已有規(guī)律進(jìn)行預(yù)言。

牛頓力學(xué)理論當(dāng)時(shí)最重要的成就，是預(yù)言了海王星的存在。根據(jù)牛頓理論，某個(gè)數(shù)學(xué)家計(jì)算出：在天王星之外的特定位置，必須存在某個(gè)未知天體。而三年后，天文學(xué)家確實(shí)就在預(yù)測的軌道上發(fā)現(xiàn)了這顆未知天體，并命名為海王星。這個(gè)預(yù)言也確立了牛頓力學(xué)理論的正確性。

不過，盡管牛頓力學(xué)和引力定律搞懂了很多事，但有一件事它始終解決不了，就是水星近日點(diǎn)的反常進(jìn)動(dòng)。

根據(jù)開普勒定律，水星繞著太陽做橢圓運(yùn)動(dòng)，距離太陽最近的那一點(diǎn)被稱作近日點(diǎn)。這個(gè)近日點(diǎn)在不同的時(shí)候觀測，位置會(huì)稍有不同。但根據(jù)牛頓力學(xué)所計(jì)算出來的水星近日點(diǎn)，卻和實(shí)際觀測相差了43角秒。這不小的誤差，無疑對(duì)牛頓力學(xué)提出了重大質(zhì)疑。

愛因斯坦

后來，在牛頓力學(xué)的軟肋上，愛因斯坦繼續(xù)追問：到底是為什么有萬有引力？

牛頓力學(xué)的模型是直接假設(shè)了萬有引力定律，但沒有解釋為什么有萬有引力。一直到后來愛因斯坦給出了廣義相對(duì)論，我們才對(duì)引力有了更進(jìn)一步的理解。

在探索的過程中，愛因斯坦通過一個(gè)電梯思想實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了慣性與引力更深層的等效性。

他設(shè)想一個(gè)人在一臺(tái)失靈的電梯里做著自由落體。他掏出一個(gè)手表，發(fā)現(xiàn)手表其實(shí)和自己一起往下墜落。這完全就像是中國宇航員楊利偉和他的手表上到了太空，并關(guān)閉航天發(fā)動(dòng)機(jī)的漂浮狀態(tài)。

再過一小會(huì)兒，電梯和他落到了底部，他發(fā)現(xiàn)自己是不動(dòng)了，而手表開始以他為參照物，進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)。這感覺又像是楊利偉的飛船突然發(fā)動(dòng)，他相對(duì)于飛船不動(dòng)，但手表相對(duì)于自己卻開始做加速度運(yùn)動(dòng)。

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，盡管電梯有引力，而飛船沒引力、只有加速度，但兩邊的現(xiàn)象卻是一模一樣的，根本無法通過觀察分辨。這暗示了一類新的慣性運(yùn)動(dòng)的定義，就是引力中的自由落體也屬于慣性運(yùn)動(dòng)，而通過這種慣性運(yùn)動(dòng)可以重新定義周圍的時(shí)空幾何。

由此，愛因斯坦對(duì)等效原理越刨越深，最后建立了廣義相對(duì)論，廣義相對(duì)論從此也成了現(xiàn)代物理最重要的理論之一。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，引力的本質(zhì)，是質(zhì)量導(dǎo)致的空間彎曲。質(zhì)量越大，空間彎曲則越厲害。

然而，這僅僅是愛因斯坦在腦袋里憑著想象和推導(dǎo)所得到的結(jié)論。即便愛因斯坦是劃世紀(jì)的天才，我們也不能確定他的理論就是對(duì)的。

于是，愛因斯坦瞄準(zhǔn)了前面提到的水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的疑團(tuán)。他根據(jù)廣義相對(duì)論所描述的空間彎曲計(jì)算了近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，得出了和天文觀測完全一致的42.98角秒進(jìn)動(dòng)。后來愛因斯坦說到，經(jīng)過這次與觀測的吻合，他就確信了廣義相對(duì)論是正確的引力模型。

但歷史是相似的，主觀的相信在科學(xué)面前微不足道。任何站得住腳的理論，如果只能解釋已知的結(jié)果，僅僅只是一個(gè)馬后炮。它還必須得預(yù)言出未知的現(xiàn)象。

按照愛因斯坦的理論模型，既然質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致空間彎曲，那么光線在彎曲的空間里行走，應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生引力偏折效應(yīng)，就像我們?cè)趶澋篱_車會(huì)自然地順著曲度拐彎一樣。對(duì)此，愛因斯坦同樣進(jìn)行了一番計(jì)算，接著只要一跟觀測比對(duì)，馬上就能見真章。

不過科研從來不是一步登天，路上總是有一個(gè)接一個(gè)的難題等待我們拆解。

第一道坎兒是，由于地球上涉及的質(zhì)量太小，即便空間真的如廣義相對(duì)論所預(yù)測的彎曲了，彎曲程度太小，觀測不到。解決方案：望向天空，從宇宙找證據(jù)。

如果太陽導(dǎo)致了周圍的空間彎曲，那么遙遠(yuǎn)天體的光線經(jīng)過太陽再到達(dá)地球的時(shí)候，方向肯定會(huì)和不經(jīng)過太陽的時(shí)候稍有不同。那么，只要我們對(duì)天體的位置進(jìn)行比對(duì)，馬上能確認(rèn)廣義相對(duì)論的預(yù)言。

但事情依舊沒那么簡單。

第二道坎兒是，太陽本身太亮眼了，我們基本看不到路經(jīng)太陽的天體光線。解決方案：日全食。

第三道坎兒是，大氣擾動(dòng)本身也會(huì)造成光線的偏折，而引力造成的偏折僅僅是幾個(gè)角秒的量級(jí)，基本被忽略。解決方案：到大氣極為平靜的高山上進(jìn)行觀測。

這也是為什么天文臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一般建在山上，甚至放到衛(wèi)星上，因?yàn)橐坏└哌^了云，就能排除云的擾動(dòng)。

最后1919年的時(shí)候，英國天文學(xué)者愛丁頓率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)到南非做了觀測，終于證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)言。

后人們

故事到此就結(jié)束了嗎？沒有。

在那之后，很多科學(xué)家，包括我自己的研究就是吹毛求疵，試圖從愛因斯坦等效原理、廣義相對(duì)論等理論找出毛病，沿著缺口把科學(xué)推向下一個(gè)里程碑。

但遺憾的是，我們還沒找到它的毛病。我們做了很多觀測與實(shí)驗(yàn)，但至今的每一次都驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的正確。它的其他預(yù)言，比如黑洞和引力波，都相繼地被發(fā)現(xiàn)。

但我們?nèi)匀簧钚艔V義相對(duì)論不是終點(diǎn)。

一方面，是因?yàn)閺V義相當(dāng)論和量子力學(xué)存在根本上的矛盾，理論還不夠完善；但更重要的是，科學(xué)沒有終點(diǎn)。在科學(xué)里，我們只能不斷地逼近真理，永遠(yuǎn)在路上，但永遠(yuǎn)到不了。

科學(xué)，究竟是什么？

分享一個(gè)我自己的小故事。

我本科畢業(yè)以后，先在科學(xué)院做了兩年研究生，后來去了英國留學(xué)。在英國這段時(shí)間，我和導(dǎo)師、同事或同學(xué)討論問題，經(jīng)常會(huì)聽他們說：“這件事里的科學(xué)”是什么？

我當(dāng)時(shí)很困惑。我知道物理學(xué)，我也知道化學(xué)、生物學(xué)，但“這件事里的科學(xué)”是什么？我一點(diǎn)概念也沒有。一直到多年以后，我才慢慢領(lǐng)悟。

什么是科學(xué)？如果以四個(gè)字概括，可能是“刨根問底”。不過這說法顯然不夠準(zhǔn)確，因?yàn)椴簧賹W(xué)問也刨根問底，卻不一定是科學(xué)。

2016年，我寫過一篇文章，談到科學(xué)的三要素：科學(xué)的目的、科學(xué)的精神、科學(xué)的方法。

科學(xué)的目的，是發(fā)現(xiàn)規(guī)律。我們相信世界是有規(guī)律的，事物背后的規(guī)律、技術(shù)背后的規(guī)律，而科學(xué)的目標(biāo)就是把這些規(guī)律找出來。

科學(xué)的精神，本質(zhì)上就是獨(dú)立的質(zhì)疑精神，雖然每個(gè)人的表述可能不太一樣。但質(zhì)疑不是隨便懷疑，一句“我不信”就算了，而是要拿出理由、找到毛病，拋開個(gè)人情感去實(shí)事求是。

科學(xué)的方法，最初雖然是從天文學(xué)發(fā)展出來，但現(xiàn)在已經(jīng)一步步完善，成了所有科學(xué)的范式。

1. 一開始，總是源于好奇，提出一個(gè)好問題。

2. 接著，是觀察和實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)、累積資料。

3. 再來對(duì)這些資料進(jìn)行歸納、總結(jié)，產(chǎn)生局部的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。

4. 有了這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，下一步就建立理論模型。

5. 在這模型下，進(jìn)行邏輯推導(dǎo)、量化計(jì)算，去解釋已知，以及預(yù)言未知。

6. 在一次次觀測和實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)下，模型不斷被修改甚至被推翻，一步步更貼近宇宙的真理。

整體而言，科學(xué)方法其實(shí)就是沿著科學(xué)精神，自然延伸出的一套具體方法，強(qiáng)調(diào)能夠推導(dǎo)（邏輯化）、可以計(jì)算（定量化）及符合觀測（實(shí)證化）。

回到上面的故事，“一件事里的科學(xué)”，指的就是經(jīng)得起邏輯化、定量化、實(shí)證化的規(guī)律。

換句話說，科學(xué)不一定是活在遙遠(yuǎn)、冰冷的實(shí)驗(yàn)室里。它就在我們身邊。如果把這些方法帶進(jìn)生活，生活就是科學(xué)。

結(jié)語：“這不科學(xué)?！?/strong>

生活中有很多學(xué)問和理論，包括哲學(xué)或玄學(xué)等等，本身能自圓其說，但我們不能稱之為科學(xué)。而很多中國人特別糾結(jié)這點(diǎn)，一聽說自己相信的事不科學(xué)，就氣急敗壞要跟人拼命。

其實(shí)沒必要。

不科學(xué)，是指不符合科學(xué)的方法。但不科學(xué)不見得就一定是壞事。

比如不能實(shí)證的理論，在科學(xué)界里有一句著名的話：It is not even wrong，連錯(cuò)誤都談不上。因?yàn)樗^“錯(cuò)誤”，是建立在一件事可以被驗(yàn)證的基礎(chǔ)上；能被驗(yàn)證，才能被證偽。

不是科學(xué)，也依然可以是一個(gè)理論、學(xué)說或信仰。至于要不要相信，那是我們的個(gè)人判斷、個(gè)人選擇。科學(xué)界定了自己，但沒有排除了別人。

整理丨邱施運(yùn)

編輯丨朱珍

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