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

授課老師：張雙南，中國科學院高能物理研究所研究員，中國科學院大學教授，天宮二號空間實驗室伽馬暴偏振實驗、“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域專家組首席科學家。

張雙南教授，2020年10月22日在高山書院錦屏山站

科學雖然起源于古希臘，但從古希臘科學到現代科學，實際上是經歷了幾次質的蛻變——當中的靈魂人物，莫過于這三人。

伽利略、牛頓、愛因斯坦

現代科學的三駕馬車

伽利略

講現代科學，離不開伽利略。

在物理巨匠愛因斯坦和霍金眼里，伽利略是當之無愧的現代自然科學的鼻祖。在中國，我們一般認為牛頓是現代科學之父，那是因為我們的科學教育只注重應用和結果，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：“純粹通過邏輯推導出的論斷，是空洞、不著邊際的，而伽利略深刻認識到這一點，并把實證宣貫到了科學世界里；因此他是現代物理，實際上也是現代科學之父。”

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

伽利略對實證的重視，促使他開創(chuàng)了科學定量觀測和實驗的方法，從而奠定了現代科學的輪廓。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。

沿著這份實證精神，伽利略發(fā)明了很多定量測量的儀器，如溫度計、脈搏計、比重計等。最早的比重計雖然是由發(fā)現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（比重計在當時是辨別金屬純度的重要方法）。

當然眾所周知，伽利略還發(fā)明了天文望遠鏡。

不過，這其實是科學史上一樁有趣的爭議。根據伽利略本人的說法，他是聽說了某個荷蘭人望遠鏡的光學原理，才開始制作自己的望遠鏡。

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

2009年是紀念伽利略發(fā)明天文望遠鏡的第40個年頭，也因此被聯合國定為世界天文年。

在伽利略所做的大量觀測與實驗中，他發(fā)現了很多規(guī)律。

比如擺的規(guī)律。當物體懸吊在一根繩子上開始擺動，它的擺動周期取決于什么？過去人們普遍認為物體越重就擺得越快，周期越短；但伽利略發(fā)現，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驗（以及一個假想實驗），讓一個球從不同坡度的斜面上滾下來，他發(fā)現了一旦坡完全變平而小球不再受到任何水平方向的力，那么球就會一直滾下去；同時也推導出了“F=ma”加速運動的經驗規(guī)律。

換句話說，實際上在牛頓之前，伽利略的思想就已經清楚地表述了后來牛頓的第一與第二定律，只不過牛頓進一步將它們提煉，納入到自己的理論模型里。

牛頓

在牛頓以前，數百年來科學家研究出了不少規(guī)律，但這些規(guī)律都是片段的。直到1687年，牛頓的《自然哲學的數學原理》發(fā)表，才產生了人類史上第一個科學理論體系。

在這個理論模型里，牛頓從第二定律、第三定律及萬有引力定律出發(fā)，推導出了當時廣為人知的開普勒三定律。盡管開普勒三定律當時已經能精確地描述行星繞太陽的運動，但它還僅僅是三條成功的經驗規(guī)律；它們背后的原理，科學家包括伽利略在內，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。

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

這樣的理論模型，實際上也是延續(xù)了古希臘時期歐幾里得《幾何原本》的范式，從幾個更基礎、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。這也是今天我們對一個好的科學理論的要求：既要經得起實證計算，也要做得了邏輯演繹。

這還不夠——科學還必須根據已有規(guī)律進行預言。

牛頓力學理論當時最重要的成就，是預言了海王星的存在。根據牛頓理論，某個數學家計算出：在天王星之外的特定位置，必須存在某個未知天體。而三年后，天文學家確實就在預測的軌道上發(fā)現了這顆未知天體，并命名為海王星。這個預言也確立了牛頓力學理論的正確性。

不過，盡管牛頓力學和引力定律搞懂了很多事，但有一件事它始終解決不了，就是水星近日點的反常進動。

根據開普勒定律，水星繞著太陽做橢圓運動，距離太陽最近的那一點被稱作近日點。這個近日點在不同的時候觀測，位置會稍有不同。但根據牛頓力學所計算出來的水星近日點，卻和實際觀測相差了43角秒。這不小的誤差，無疑對牛頓力學提出了重大質疑。

愛因斯坦

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

牛頓力學的模型是直接假設了萬有引力定律，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論，我們才對引力有了更進一步的理解。

在探索的過程中，愛因斯坦通過一個電梯思想實驗，發(fā)現了慣性與引力更深層的等效性。

他設想一個人在一臺失靈的電梯里做著自由落體。他掏出一個手表，發(fā)現手表其實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，并關閉航天發(fā)動機的漂浮狀態(tài)。

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

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

由此，愛因斯坦對等效原理越刨越深，最后建立了廣義相對論，廣義相對論從此也成了現代物理最重要的理論之一。根據愛因斯坦的廣義相對論，引力的本質，是質量導致的空間彎曲。質量越大，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所得到的結論。即便愛因斯坦是劃世紀的天才，我們也不能確定他的理論就是對的。

于是，愛因斯坦瞄準了前面提到的水星近日點進動的疑團。他根據廣義相對論所描述的空間彎曲計算了近日點進動，得出了和天文觀測完全一致的42.98角秒進動。后來愛因斯坦說到，經過這次與觀測的吻合，他就確信了廣義相對論是正確的引力模型。

但歷史是相似的，主觀的相信在科學面前微不足道。任何站得住腳的理論，如果只能解釋已知的結果，僅僅只是一個馬后炮。它還必須得預言出未知的現象。

按照愛因斯坦的理論模型，既然質量會導致空間彎曲，那么光線在彎曲的空間里行走，應該會產生引力偏折效應，就像我們在彎道開車會自然地順著曲度拐彎一樣。對此，愛因斯坦同樣進行了一番計算，接著只要一跟觀測比對，馬上就能見真章。

不過科研從來不是一步登天，路上總是有一個接一個的難題等待我們拆解。

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

如果太陽導致了周圍的空間彎曲，那么遙遠天體的光線經過太陽再到達地球的時候，方向肯定會和不經過太陽的時候稍有不同。那么，只要我們對天體的位置進行比對，馬上能確認廣義相對論的預言。

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太陽的天體光線。解決方案：日全食。

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

這也是為什么天文臺光學望遠鏡一般建在山上，甚至放到衛(wèi)星上，因為一旦高過了云，就能排除云的擾動。

最后1919年的時候，英國天文學者愛丁頓率領團隊到南非做了觀測，終于證實了愛因斯坦的預言。

后人們

故事到此就結束了嗎？沒有。

在那之后，很多科學家，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、廣義相對論等理論找出毛病，沿著缺口把科學推向下一個里程碑。

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驗，但至今的每一次都驗證了廣義相對論的正確。它的其他預言，比如黑洞和引力波，都相繼地被發(fā)現。

但我們仍然深信廣義相對論不是終點。

一方面，是因為廣義相當論和量子力學存在根本上的矛盾，理論還不夠完善；但更重要的是，科學沒有終點。在科學里，我們只能不斷地逼近真理，永遠在路上，但永遠到不了。

科學，究竟是什么？

分享一個我自己的小故事。

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

我當時很困惑。我知道物理學，我也知道化學、生物學，但“這件事里的科學”是什么？我一點概念也沒有。一直到多年以后，我才慢慢領悟。

什么是科學？如果以四個字概括，可能是“刨根問底”。不過這說法顯然不夠準確，因為不少學問也刨根問底，卻不一定是科學。

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

科學的目的，是發(fā)現規(guī)律。我們相信世界是有規(guī)律的，事物背后的規(guī)律、技術背后的規(guī)律，而科學的目標就是把這些規(guī)律找出來。

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

科學的方法，最初雖然是從天文學發(fā)展出來，但現在已經一步步完善，成了所有科學的范式。

1. 一開始，總是源于好奇，提出一個好問題。

2. 接著，是觀察和實驗，收集數據、累積資料。

3. 再來對這些資料進行歸納、總結，產生局部的經驗規(guī)律。

4. 有了這些經驗規(guī)律，下一步就建立理論模型。

5. 在這模型下，進行邏輯推導、量化計算，去解釋已知，以及預言未知。

6. 在一次次觀測和實驗的檢驗下，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，科學方法其實就是沿著科學精神，自然延伸出的一套具體方法，強調能夠推導（邏輯化）、可以計算（定量化）及符合觀測（實證化）。

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

換句話說，科學不一定是活在遙遠、冰冷的實驗室里。它就在我們身邊。如果把這些方法帶進生活，生活就是科學。

結語：“這不科學?！?/strong>

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

其實沒必要。

不科學，是指不符合科學的方法。但不科學不見得就一定是壞事。

比如不能實證的理論，在科學界里有一句著名的話：It is not even wrong，連錯誤都談不上。因為所謂“錯誤”，是建立在一件事可以被驗證的基礎上；能被驗證，才能被證偽。

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

整理丨邱施運

編輯丨朱珍

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