张双南：如果把这些方法带进生活，生活就是科学

*以下根据张双南于2020年10月22日在高山书院锦屏山站的部分课程内容整理而成，经老师审核后公开发布。点击文末阅读原文，了解更多。

授课老师：张双南，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院大学教授，天宫二号空间实验室伽马暴偏振实验、“慧眼”天文卫星以及中国载人航天工程空间天文与天体物理领域专家组首席科学家。

张双南教授，2020年10月22日在高山书院锦屏山站

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科学虽然起源于古希腊，但从古希腊科学到现代科学，实际上是经历了几次质的蜕变——当中的灵魂人物，莫过于这三人。

伽利略、牛顿、爱因斯坦

现代科学的三驾马车

伽利略

讲现代科学，离不开伽利略。

在物理巨匠爱因斯坦和霍金眼里，伽利略是当之无愧的现代自然科学的鼻祖。在中国，我们一般认为牛顿是现代科学之父，那是因为我们的科学教育只注重应用和结果，不重视历史与过程。

爱因斯坦在他《思想和观念》这篇大作里写到：“纯粹通过逻辑推导出的论断，是空洞、不着边际的，而伽利略深刻认识到这一点，并把实证宣贯到了科学世界里；因此他是现代物理，实际上也是现代科学之父。”

霍金在他有名的《时间简史》里也说到：“自然科学的诞生必须归功于伽利略，他的功劳无人能及。”

伽利略对实证的重视，促使他开创了科学定量观测和实验的方法，从而奠定了现代科学的轮廓。今天大大小小的科研，无一不遵循着伽利略这一套科研方法。

沿着这份实证精神，伽利略发明了很多定量测量的仪器，如温度计、脉搏计、比重计等。最早的比重计虽然是由发现浮力定律的阿基米德所发明，但使用起来不方便，所以伽利略发明了便于使用的版本（比重计在当时是辨别金属纯度的重要方法）。

当然众所周知，伽利略还发明了天文望远镜。

不过，这其实是科学史上一桩有趣的争议。根据伽利略本人的说法，他是听说了某个荷兰人望远镜的光学原理，才开始制作自己的望远镜。

但是由于原创者只是发明了望远镜而没有将它用在天文观测上，所以科学史上的普遍共识是：1608年荷兰人发明了第一台望远镜，而1609年伽利略发明了第一台天文望远镜。

2009年是纪念伽利略发明天文望远镜的第40个年头，也因此被联合国定为世界天文年。

在伽利略所做的大量观测与实验中，他发现了很多规律。

比如摆的规律。当物体悬吊在一根绳子上开始摆动，它的摆动周期取决于什么？过去人们普遍认为物体越重就摆得越快，周期越短；但伽利略发现，这周期只取决于绳子的长度。

另外，伽利略通过一连串的斜坡实验（以及一个假想实验），让一个球从不同坡度的斜面上滚下来，他发现了一旦坡完全变平而小球不再受到任何水平方向的力，那么球就会一直滚下去；同时也推导出了“F=ma”加速运动的经验规律。

换句话说，实际上在牛顿之前，伽利略的思想就已经清楚地表述了后来牛顿的第一与第二定律，只不过牛顿进一步将它们提炼，纳入到自己的理论模型里。

牛顿

在牛顿以前，数百年来科学家研究出了不少规律，但这些规律都是片段的。直到1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》发表，才产生了人类史上第一个科学理论体系。

在这个理论模型里，牛顿从第二定律、第三定律及万有引力定律出发，推导出了当时广为人知的开普勒三定律。尽管开普勒三定律当时已经能精确地描述行星绕太阳的运动，但它还仅仅是三条成功的经验规律；它们背后的原理，科学家包括伽利略在内，都知其然而不知其所以然。所以即便日心说推翻了地心说，日心说本身的正确性始终缺乏理论支撑，要打上问号。

而如今牛顿可以从自己独立的模型推演出已知的定律，无疑给彼此提供了强力的验证，消除了原来世界对日心说的疑惑，也让牛顿更深信自己这一套力学模型。

这样的理论模型，实际上也是延续了古希腊时期欧几里得《几何原本》的范式，从几个更基础、更深层次的原理出发，演绎出其他规律，形成一套闭合而自洽的体系。这也是今天我们对一个好的科学理论的要求：既要经得起实证计算，也要做得了逻辑演绎。

这还不够——科学还必须根据已有规律进行预言。

牛顿力学理论当时最重要的成就，是预言了海王星的存在。根据牛顿理论，某个数学家计算出：在天王星之外的特定位置，必须存在某个未知天体。而三年后，天文学家确实就在预测的轨道上发现了这颗未知天体，并命名为海王星。这个预言也确立了牛顿力学理论的正确性。

不过，尽管牛顿力学和引力定律搞懂了很多事，但有一件事它始终解决不了，就是水星近日点的反常进动。

根据开普勒定律，水星绕着太阳做椭圆运动，距离太阳最近的那一点被称作近日点。这个近日点在不同的时候观测，位置会稍有不同。但根据牛顿力学所计算出来的水星近日点，却和实际观测相差了43角秒。这不小的误差，无疑对牛顿力学提出了重大质疑。

爱因斯坦

后来，在牛顿力学的软肋上，爱因斯坦继续追问：到底是为什么有万有引力？

牛顿力学的模型是直接假设了万有引力定律，但没有解释为什么有万有引力。一直到后来爱因斯坦给出了广义相对论，我们才对引力有了更进一步的理解。

在探索的过程中，爱因斯坦通过一个电梯思想实验，发现了惯性与引力更深层的等效性。

他设想一个人在一台失灵的电梯里做着自由落体。他掏出一个手表，发现手表其实和自己一起往下坠落。这完全就像是中国宇航员杨利伟和他的手表上到了太空，并关闭航天发动机的漂浮状态。

再过一小会儿，电梯和他落到了底部，他发现自己是不动了，而手表开始以他为参照物，进行自由落体运动。这感觉又像是杨利伟的飞船突然发动，他相对于飞船不动，但手表相对于自己却开始做加速度运动。

爱因斯坦发现，尽管电梯有引力，而飞船没引力、只有加速度，但两边的现象却是一模一样的，根本无法通过观察分辨。这暗示了一类新的惯性运动的定义，就是引力中的自由落体也属于惯性运动，而通过这种惯性运动可以重新定义周围的时空几何。

由此，爱因斯坦对等效原理越刨越深，最后建立了广义相对论，广义相对论从此也成了现代物理最重要的理论之一。根据爱因斯坦的广义相对论，引力的本质，是质量导致的空间弯曲。质量越大，空间弯曲则越厉害。

然而，这仅仅是爱因斯坦在脑袋里凭着想象和推导所得到的结论。即便爱因斯坦是划世纪的天才，我们也不能确定他的理论就是对的。

于是，爱因斯坦瞄准了前面提到的水星近日点进动的疑团。他根据广义相对论所描述的空间弯曲计算了近日点进动，得出了和天文观测完全一致的42.98角秒进动。后来爱因斯坦说到，经过这次与观测的吻合，他就确信了广义相对论是正确的引力模型。

但历史是相似的，主观的相信在科学面前微不足道。任何站得住脚的理论，如果只能解释已知的结果，仅仅只是一个马后炮。它还必须得预言出未知的现象。

按照爱因斯坦的理论模型，既然质量会导致空间弯曲，那么光线在弯曲的空间里行走，应该会产生引力偏折效应，就像我们在弯道开车会自然地顺着曲度拐弯一样。对此，爱因斯坦同样进行了一番计算，接着只要一跟观测比对，马上就能见真章。

不过科研从来不是一步登天，路上总是有一个接一个的难题等待我们拆解。

第一道坎儿是，由于地球上涉及的质量太小，即便空间真的如广义相对论所预测的弯曲了，弯曲程度太小，观测不到。解决方案：望向天空，从宇宙找证据。

如果太阳导致了周围的空间弯曲，那么遥远天体的光线经过太阳再到达地球的时候，方向肯定会和不经过太阳的时候稍有不同。那么，只要我们对天体的位置进行比对，马上能确认广义相对论的预言。

但事情依旧没那么简单。

第二道坎儿是，太阳本身太亮眼了，我们基本看不到路经太阳的天体光线。解决方案：日全食。

第三道坎儿是，大气扰动本身也会造成光线的偏折，而引力造成的偏折仅仅是几个角秒的量级，基本被忽略。解决方案：到大气极为平静的高山上进行观测。

这也是为什么天文台光学望远镜一般建在山上，甚至放到卫星上，因为一旦高过了云，就能排除云的扰动。

最后1919年的时候，英国天文学者爱丁顿率领团队到南非做了观测，终于证实了爱因斯坦的预言。

后人们

故事到此就结束了吗？没有。

在那之后，很多科学家，包括我自己的研究就是吹毛求疵，试图从爱因斯坦等效原理、广义相对论等理论找出毛病，沿着缺口把科学推向下一个里程碑。

但遗憾的是，我们还没找到它的毛病。我们做了很多观测与实验，但至今的每一次都验证了广义相对论的正确。它的其他预言，比如黑洞和引力波，都相继地被发现。

但我们仍然深信广义相对论不是终点。

一方面，是因为广义相当论和量子力学存在根本上的矛盾，理论还不够完善；但更重要的是，科学没有终点。在科学里，我们只能不断地逼近真理，永远在路上，但永远到不了。

科学，究竟是什么？

分享一个我自己的小故事。

我本科毕业以后，先在科学院做了两年研究生，后来去了英国留学。在英国这段时间，我和导师、同事或同学讨论问题，经常会听他们说：“这件事里的科学”是什么？

我当时很困惑。我知道物理学，我也知道化学、生物学，但“这件事里的科学”是什么？我一点概念也没有。一直到多年以后，我才慢慢领悟。

什么是科学？如果以四个字概括，可能是“刨根问底”。不过这说法显然不够准确，因为不少学问也刨根问底，却不一定是科学。

2016年，我写过一篇文章，谈到科学的三要素：科学的目的、科学的精神、科学的方法。

科学的目的，是发现规律。我们相信世界是有规律的，事物背后的规律、技术背后的规律，而科学的目标就是把这些规律找出来。

科学的精神，本质上就是独立的质疑精神，虽然每个人的表述可能不太一样。但质疑不是随便怀疑，一句“我不信”就算了，而是要拿出理由、找到毛病，抛开个人情感去实事求是。

科学的方法，最初虽然是从天文学发展出来，但现在已经一步步完善，成了所有科学的范式。

1. 一开始，总是源于好奇，提出一个好问题。

2. 接着，是观察和实验，收集数据、累积资料。

3. 再来对这些资料进行归纳、总结，产生局部的经验规律。

4. 有了这些经验规律，下一步就建立理论模型。

5. 在这模型下，进行逻辑推导、量化计算，去解释已知，以及预言未知。

6. 在一次次观测和实验的检验下，模型不断被修改甚至被推翻，一步步更贴近宇宙的真理。

整体而言，科学方法其实就是沿着科学精神，自然延伸出的一套具体方法，强调能够推导（逻辑化）、可以计算（定量化）及符合观测（实证化）。

回到上面的故事，“一件事里的科学”，指的就是经得起逻辑化、定量化、实证化的规律。

换句话说，科学不一定是活在遥远、冰冷的实验室里。它就在我们身边。如果把这些方法带进生活，生活就是科学。

结语：“这不科学。”

生活中有很多学问和理论，包括哲学或玄学等等，本身能自圆其说，但我们不能称之为科学。而很多中国人特别纠结这点，一听说自己相信的事不科学，就气急败坏要跟人拼命。

其实没必要。

不科学，是指不符合科学的方法。但不科学不见得就一定是坏事。

比如不能实证的理论，在科学界里有一句著名的话：It is not even wrong，连错误都谈不上。因为所谓“错误”，是建立在一件事可以被验证的基础上；能被验证，才能被证伪。

不是科学，也依然可以是一个理论、学说或信仰。至于要不要相信，那是我们的个人判断、个人选择。科学界定了自己，但没有排除了别人。

整理丨邱施运

编辑丨朱珍

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