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                張雙南:什么是科學
                發布時間:2019-11-07作者:供稿:一席點擊數:107

                大家好,我是張雙南,摩羯座,天文學家,天體物理學家。我平時所做的事情是研究黑洞,還有宇宙的演化,但是我今天給大家帶來的演講是《什么是科學》。

                 


                225號有一場大辯論,關于陰陽五行是否應該寫入《中國公民科學素質基準》里面去。為什么有這么一場辯論呢?

                20164月份,科技部、中宣部等多個政府部門聯合推出了《中國公民科學素質基準》,在里面明確地把天人合一、陰陽五行作為中國公民提高科學素養需要學習的東西??吹竭@個,我在朋友圈里面寫:我的內心是崩潰的,崩潰的,崩潰的。

                很快,我們幾個朋友就寫了一篇文章,在網絡上面發表了。第二天我的另外一個朋友孫小淳教授,他也寫了一篇文章。他說,張老師最好內心不要崩潰,這件事情不是糟得很,是好得很。然后我們就持續爭論了大概一年。終于在225號,我們舉行了這一場大辯論。

                在座有很多年輕的朋友們,30年前不存在的朋友舉一下手,我看看有多少。還是挺多的。1984年我從清華大學本科畢業,我覺得書讀得不夠多,繼續到中國科學院讀研究生。又讀了兩年,我覺得書還是讀得不夠多,決定到英國留學。然后我就真的發現我書讀得不夠多。

                為什么呢?因為在和我的同學、同事,還有老師討論我的研究工作的時候,他們經常問我一個問題:What is the science of this?你說的這件事里面的科學是什么。我每次都一臉茫然,我知道什么是物理,什么是化學,什么是天文,什么是生物,我不知道什么是科學。

                我們知道在中國的傳統文化里面,對這件事情是模糊不清的。這事實上也印證另外一個問題,就是所謂的李約瑟難題。李約瑟是研究中國科技史的英國專家,出版了很多中國科技史的著作。他得到了一個結論:中國古代的文化和技術都曾經比西方發達,有些地方遠遠比西方發達,但是中國沒有產生出來現代科學。他問了一句話:為什么沒有產生。這就是所謂的李約瑟難題。

                科學到底是什么?要想理解科學是怎么發展的,我們必須回到古希臘人的宇宙觀里面去。

                (此處省略一萬字……關于科學是怎么發展的,考慮到內容太高能可能導致你們放棄閱讀,我們把這段調到結尾了)

                那么從這個時候開始,事實上科學是什么,什么是科學這個問題就已經能夠回答了,所以我下面就會給大家做一下總結。但是在這之前,我還是要給大家講一個故事,這是普京大帝的一個故事。多年前普京還是總理的時候——我們都知道他當了總統又當總理又當總統,下一任當什么我不知道。

                在他當總理的時候,當時德國和俄羅斯在聯合研制一顆天文衛星,研究暗能量,這顆衛星今年晚些時候將會發射運行。普京聽取了這個項目的匯報,他覺得非常好玩。就問俄羅斯科學家,啊,非常有趣,暗能量聽起來是蠻好玩的,我想了解兩個問題:第一個問題是暗能量到底有啥用,第二個問題是暗能量危險不危險。我想在座的各位想問這兩個問題的人很多,所以你的水平是跟普京完全在一個層面上面。

                這個問題問完了之后,俄羅斯科學家沒有辦法回答。當時德國科學家在場,就說普京總理問了什么問題你們這么為難,俄羅斯人就重復了這個問題。

                這個德國科學家說,這個問題我們也經常被問到。我們這么回答:如果一百年前你問愛因斯坦先生相對論是否有用,相對論是否危險,愛因斯坦只能回答三個字:不知道。因為的確不知道。

                愛因斯坦當時為什么研究相對論,因為他發現了牛頓理論還有以前的理論有問題、有缺陷。而不是因為以前的理論不那么有用,以前的理論有危險,跟這些事情沒有關系。他只是想回答一些問題,來進一步理解自然規律,所以他有了相對論。

                但是今天,一百年之后,我們知道相對論既有用又危險,核電站的原理,相對論;我們到醫院里面去做各種診斷所用的加速器原理,相對論;我們手機GPS導航的原理,相對論。

                所以今天離開了相對論,我們沒有辦法生活,所以相對論很有用。危險不危險?非常危險:原子彈、氫彈全是相對論的應用。一百年之后,我們知道它既有用又危險。但是,是否有用、是否危險,不是我們做科學研究的目的,我們做科學研究的目的是為了理解自然規律。

                普京聽了之后說,哈哈,我終于明白了,這個項目很好,往前走,給你們錢。所以今年這個衛星將要發射運行,所以這是對科學的理解。

                我一開始講了李約瑟難題,為什么中國古代很先進,但是沒有發展出現代科學,或者我們今天稱作的科學。愛因斯坦也曾經被問過這個問題,他的回答是這樣子的:他說我們都知道現代科學之所以能夠發展出來,之所以能夠發現這些規律,是由于兩件事情,一件是起源于希臘的形式邏輯,另一個是起源于文藝復興時期的伽利略為代表的實驗科學。中國古代的先賢們既不懂得形式邏輯,也不懂得實驗科學,因此沒有發展出來現代科學一點都不奇怪。

                當然這句話我們也可以說其他民族也沒有發展出來現代科學,發展出來現代科學的民族是非常少的,沒有發展出來絲毫不丟人,發展出來只是從希臘文明那一個分支出來的,其他的文明都沒有產生。

                楊振寧先生對這件事情也曾經有過回答。楊振寧說由于中國人懂了兩樣東西,所以發展不出來科學。這兩樣東西是什么,是《周易》和《周易》里面的核心內容:天人合一。所以我等一下也要稍微講一講這件事情。

                那么科學是什么?我們從愛因斯坦的回答,以及剛才我總結的從地心說到日心說,到開普勒、到伽利略、到牛頓,我們就知道,他們一直在追問太陽系內行星運動到底是什么規律。因此科學就是刨根問底。

                如果我們更精確地描述一下,科學具有一些什么樣的性質特質,或者說科學的要素。我們知道科學具有三個要素,分別是:科學的目的,科學的精神和科學的方法。

                科學的目的我前面在講普京的故事的時候已經說了,就是發現各種各樣的規律,可以是自然的規律,可以是人類的規律,也可以是我們社會活動的各種的規律。

                而科學的精神,六個字:質疑 獨立 唯一。質疑我們可以看到,不斷地在質疑已有的行星運動的規律,質疑地心說,質疑哥白尼的日心說,質疑開普勒定律背后是什么原理,還有愛因斯坦質疑牛頓的引力的本質是什么,我們的科學就不斷地發展。

                而獨立,說明不管誰做這個研究,得到的結論都應該是一樣的。這是從亞里士多德開始就認識到的事情。人和自然是分離的,人不會影響自然的規律。

                唯一更是表明你最后做的結果應該是一樣的。

                而科學的方法,我剛才實際上也已經講了,你必須要進行邏輯的推理,要進行演繹的計算,要進行實驗的驗證或者觀測的驗證,所以要有邏輯化、定量化、實證化,只要不滿足這些條件的,那我們統統都不把它稱為是科學。

                這里面我們可以舉很多例子,很多其實是很好的東西,但事實上它不是科學,它可以是文化,可以是哲學,但是它不是科學。

                陰陽五行就是其中的一個例子。陰陽是什么,陰陽是說任何事物都有正反兩個方面。五行是什么,金木水火土五個元素,認為宇宙間任何事情的運行,都是由這五行的相生相克所影響的。因此它可以解釋任何東西,但實際上又不能幫你理解任何東西,因為它不能夠做出任何定量化的東西,它不能夠進行任何的實證。這就是為什么陰陽五行盡管歷史非常悠久,但從來沒有揭示過一條自然規律。

                我們在今天所看到的現代科學,教科書里面沒有任何一個規律是通過陰陽五行揭示出來的,也沒有任何一個規律和陰陽五行哪怕有任何的關系。所以陰陽五行是文化,是哲學。

                那它的出現有沒有進步?有進步。在陰陽五行天人合一之前,解釋自然現象都是用神靈,用鬼怪,用巫術,陰陽五行是希望用自然的現象,用樸素的唯物主義來解釋。所以和以前的裝神弄鬼相比,它是一個重大的進步。

                比如說在陰陽五行之前,說地震是什么,是“神龜擺尾”。有地震了,那個神龜到哪里找呢,也找不到。有了陰陽五行之后,就不說是“神龜擺尾”了,說是陰陽兩氣相逼導致的地震。這個聽起來好一點,哪個陰陽兩氣其實咱們也不知道,但是畢竟不再搞裝神弄鬼了,所以還是一個進步。但是和科學真的并沒有建立什么關系。

                我們看看在這種文化之下,我們會怎樣思考一些問題。我從一個非常簡單的成語“杞人憂天”來講起。杞國有一個人,每天擔心天要塌了,地要陷了。所以他說天塌地陷了,我在哪里活著呢,我就沒地方活了,因此廢寢食。廢寢食不是去讀書去了,而是得了抑郁癥,睡不著覺。當時他的感覺就是這樣子的。

                那么怎么辦呢,他有一個很好的朋友,今天來講就是心理咨詢師。心理咨詢師來看望他,說你為什么要擔心這件事情呢,天顯然不會塌下來,地顯然也不會陷下去。他仔細解釋這背后的道理,他說天就是氣嘛,你天天在氣里面走來走去,呼吸自如、行走自如,怎么會擔心它塌下來呢?

                然后這位“藍瘦香菇”的老兄就說了,啊,如果天是氣的話,那天上的星星、月亮、太陽,為啥不落下來呢?這個心理咨詢師又說了,這個心理咨詢師對陰陽五行是非常在行的。他說這些星星、太陽、月亮,其實都是氣里面的光,光怎么會掉下來呢,它就是掉下來也沒啥事對不對?

                他說那這樣很好,那地呢,地要塌了怎么辦呢?他說你看,地都是一大塊一大塊的東西,就像這個舞臺一樣,你跺一個腳它也很結實,你不要擔心它掉下去。他說,啊,原來我不用擔心,因為它不掉下去,所以就沒事了,結論就是這樣。

                這個故事到此就結束了,但事實上為什么天不塌下來,為什么地不陷下去,為什么日月星不落下來,這里面有深刻的大氣科學問題、地球科學問題、力學問題、天文學問題。你要仔細地研究,現代科學全部都能從這里面出來。

                但是我們的祖先沒有刨根問底追問這些問題,我們在自圓其說。啊,因為不塌下來所以不塌下來。到底是不是這樣,我們并不管它。我們非常地實用,既然沒有塌下來,就不要擔心它塌下來。

                所以從這些故事我們可以看得出來,我們中國的傳統文化里面是不是缺少科學的元素。一直到今天,我們仍然在用杞人憂天來嘲笑那些不切實際、異想天開的人。我們如此嘲笑這些人,我們就不會刨根問底。我們的文化,我們的科學怎么能夠發展?

                我們再來看一個更重要的事情。我們常常說中國古代的四大科技發明:指南針、造紙術、火藥等等,這個大家都知道。這些事跟科學有關系嗎?它們都是技術。我們掌握了這個技巧,但是我們的祖先從來沒有問,為什么指南針會這樣,為什么紙可以這么造出來,為什么會有這個,為什么會有那個。我們的祖先沒有追問背后的道理,來追尋背后的規律。我們只滿足于這些技術能夠給我們帶來實用的功能,到此為止。

                我自己是做天文學研究的,我們中國傳統的古代天文學觀測也比西方發達,比西方很多國家發達,有一些方面是全世界領先的。但是我們在人類認識宇宙的七次飛躍中都無所作為,一點都沒有。

                我們中國古代先進的發達的天文學哪里去了?去了兩個地方:理論方面變成了馬(伯庸)老師剛才講的占星術、算命。技術、實用方面,我們有二十四節氣——種地夠了,所以我們就到此停住了。所以我們理論上沒有形成天文學的理論,連地心說都沒有形成。技術上面也沒有形成農業科學,實用達到目的就行了。

                比如說我今天所從事的工作,我說我是做天文學研究的,更具體來講,我是造出我的望遠鏡放到衛星上面去,然后在太空當中觀測黑洞,觀測宇宙,這是我具體的工作。

                我們中國可以說是世界上少有的航天大國,在人類歷史上發射的專門用于科學研究的衛星有多少呢,一百多個。有人說如果各種都算上的話,幾百個可能也是有的,但至少一百多個是有的。中國什么時候才有呢,幾年前才開始有,最近也才有一兩個、兩三個而已。在這之前我們根本不做。我們老說我們航天科技非常發達,不是,我們航天技術非常發達,我們航天科學極為落后,非常落后。

                所以從古代的傳統開始,一直到今天,我們始終重視的是應用方面,重視的是技術,而對于背后的道理,向來是不重視的。導致一個什么結果,導致這個會場里面我們所有的東西,包括我們的衣服,我們用的設備,所有的這些技術,所有的這些原理,全部、百分之一百來自于西方,沒有一點來自于中國,這就是結果。

                我們顯然不能繼續這樣下去,我最后以我自己的另外一個故事,來作為我今天演講的一個結束,幾年前Science《科學》雜志的記者來采訪我的時候,他問了我一個問題,他說你在國外已經是大學教授了,過得好好的,為什么回國來選擇這么一條道路。

                我當時的回答是這樣的:我說我在國外做大學教授我就要教課,我發現我的教科書里面所有的名字全部都是外國人,里面所涉及的科學發現,都不是來源于在中國本土工作的科學家。有中國人在國外做出來,但是在中國本土上做出來,一件也沒有,絕對是零,從中國古代到現在,絕對是零。

                我說我出國之前,我非常自豪,我們的民族據說是有五千年的文明史。我出國讀了這么多年的書,最后終于當了大學教授,原來發現我學的所有的知識,我教給別人的所有的知識,全部是外國人的,不是我們中國人的。我說我想改變這個情況,所以我決定回國。

                最后回答為什么最開始有那么一個大辯論,這個大辯論我是持什么觀點。

                很顯然,陰陽五行不會教給我們科學,陰陽五行不是科學,既沒有產生科學,未來也不會帶給科學。要學習科學、要理解科學,我們就要老老實實地謙虛地回到科學的本源,來學習真正的科學,理解什么是科學。

                我的報告就到這里,謝謝大家。

                 

                好了,以下是剛剛省略掉的那一萬字……

                古希臘人認為地球是宇宙的中心,代表人物是畢達哥拉斯和亞里士多德。這個學說當然非常有道理。因為我們在地球上每天都看到太陽升起,所有的星星升起、落下去,都往一個方向走。大部分情況下都是這樣,所以我們覺得所有的天體都是圍繞著地球做運動的。

                如果一個學說是正確的話,未來的觀測和實驗應該一直能夠證明它,但如果它與未來的觀測和實驗有矛盾,那么這個學說就需要得到修正。果然這個學說后來得到修正了。我在這個地方特別要講一下亞里士多德,他是我們所謂形式邏輯,或者形而上學、自然哲學和物理學的創始人。

                我們要想追蹤到科學的起源,是需要回到亞里士多德,甚至有時候還要回到更早一點,亞里士多德的師爺,也差不多是我們數學和哲學的創始人:蘇格拉底。他認為整個宇宙當中所有的東西都是數,所以他得到結論:萬物皆數。他的學生柏拉圖更進一步,認為不僅僅是數,而且背后有道理,他說萬物皆理。

                到了亞里士多德,這個情況就發生了變化,亞里士多德認為這個世界這個自然是有規律的,而這個規律是獨立于人的,人可以通過觀察來理解這個規律,他把研究規律的這個學問叫作物理學。

                我們看看從亞里士多德的地心說開始,我們是怎么建立的現代科學的第一套理論——經典物理學。我剛才講了,如果說亞里士多德的地心說是對的話,那么我們每次觀測到的天體的運動,都應該是從東往西走。但事實上不是這樣。后來的觀測表明,有些天體,比如說火星,它大部分時候是由東往西走的,有時候又從西往東走,叫作逆行。

                這個逆行就沒有辦法在亞里士多德的理論模型里面得到解釋。那怎么辦?已有的理論模型有了問題,那就需要修改你們的理論模型。

                托勒密的修改辦法是,每一個天體仍然是繞著地球在運動,但運動的同時它自己還有一個小輪子,繞著它的輪子也運動。所以當繞著輪子運動的方向,和它沿著地球運動方向相反的時候,你就看到它短暫地有個逆行。所以用這種辦法解釋了行星的逆行的觀測。

                但是有人不同意,有人從美學的角度認為托勒密的這個學說太復雜了。所以哥白尼就說,那么我換一換,我把太陽放到宇宙的中心,地球還有其他所有的天體,都繞著太陽做圓周運動,而且是精確的圓周運動。為什么是圓周運動?他認為圓是宇宙當中最美的一種幾何。但是仍然有很多的觀測他不能夠解釋。

                后來開普勒通過繼承了他的老師的一些觀測資料之后,發現了三定律。他發現僅僅需要把哥白尼的日心說里面的完美圓軌道,變成橢圓軌道,就立刻可以解釋當時哥白尼的理論所遇到的一些問題,這樣和觀測數據的擬合就非常好了。但是開普勒并不能夠向別人解釋,為什么天體做橢圓運動而不做圓運動,所以當時很多人其實還是不相信他的開普勒定律的。

                這個時候,科學史上一個非常偉大的人物,伽利略,就出現了。伽利略發明了天文望遠鏡,他立刻對太陽系里的行星進行了觀測。

                伽利略對科學的另外一個貢獻,也是更重要的貢獻,是他發明了實驗科學。亞里士多德盡管是現代科學的鼻祖,但是他不主張做實驗,他認為我們只能做觀察,只能來觀察自然,而不能夠制造出來任何人為的環境。但是伽利略認為這樣不行,我們必須要做實驗,通過實驗來驗證、檢驗已有的規律,來發現新的規律。所以實驗科學的鼻祖是伽利略。

                我們都知道的比薩斜塔的實驗和一系列的這種實驗,都是伽利略所開創的,所以伽利略建立了現代科學的自然研究方法。也因此,愛因斯坦對伽利略極為推崇,認為伽利略是開創了科學革命的第一人。甚至于愛因斯坦認為他比牛頓還要重要。

                當然我們現代科學的革命,是在牛頓的手里達到了頂峰。牛頓提出了牛頓三大定律,牛頓的萬有引力定律建立了人類歷史上第一套完整的自然科學理論。當然,牛頓的貢獻還不僅僅如此。牛頓在他那本巨著《自然哲學的數學原理》里面,通過假設了牛頓三定律和萬有引力定律作為公理,然后進行了大量的演繹的推導,推導出來了開普勒三定律,這在當時是了不得的事情。

                我剛才講了,開普勒擬合猜出來了開普勒三定律,但是他不能回答為什么有,而牛頓就回答了。有的原因是因為有我的牛頓三定律和萬有引力定律。所以牛頓在人類歷史上第一次用更基礎更深刻的科學規律推導出來了已知的經驗規律。

                第二個重大的貢獻,蘋果砸到了牛頓的頭上,讓牛頓想起來了萬有引力定律。牛頓立刻就想到,這樣的事情,這樣的規律,在宇宙當中是不是普遍適用的。這就是為什么他把他得到的萬有引力定律,用來推導開普勒三定律。

                所以牛頓假設了科學規律是普適的。所以沒有所謂的中國的科學、西方的科學,沒有所謂傳統的科學和現代的科學,科學就是科學,科學規律是普適的,在牛頓那個時候就已經建立起來了。

                那么從這個時候開始,事實上科學是什么,什么是科學,這個問題就已經能夠回答了。所以我下面就會給大家做一下總結。但是在這之前,我還是要給大家講一個故事,這是普京大帝的一個故事。

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