北大物理学院欧阳颀院士:成为科学家的五大要素

“科学的道路漫长而艰辛,要能持之以恒的坚持,需要做到兴趣驱动而非职业(收入)驱动,问题驱动而非学科驱动, 科学趣味驱动而非发表论文(SCI)驱动。”

7月23日,北京大学物理学院教授欧阳颀院士在第18期理解未来讲座上,做了以“科学、科学家和科学前沿”为主题的演讲,从“科学是什么”“科学家是做什么的?”“成为科学家的五大要素”三个方面为现场听众带来了一场科学盛宴。

以自身为例,欧阳院士介绍了成为科学家的五大要素:好奇心、献身精神、广泛的兴趣、直觉、社会责任感。

大数据文摘深入现场,带来第一手报道,本周末与您分享本次演讲,并致敬所有科学家及励志献身科学的年轻人,以下为欧阳颀院士演讲实录:

7月23日,北京大学物理学院教授欧阳颀院士在第18期理解未来讲座上,做了以“科学、科学家和科学前沿”为主题的演讲 (大数据文摘记者魏子敏 摄)

◆ ◆

一、什么是科学?

今天首先我想讲一讲什么是科学。

科学主要是在自然科学领域,社会科学我也了解不多。我想科学应该是有相似性。第二个我想讲一讲科学家,既然科学那么重要,从科学救国到科学吃饭,全是科学了。科学家是干嘛的,科学家有什么作用。第三个如果有时间讲讲现在的科学前沿,当然主要是物理前沿。

什么东西都要有一个定义,科学的定义是什么,我是翻了一些东西,大概我翻译出来就是这么一句话,科学是一些论断的集合。这个集合是自洽的,用以描述自然规律。我翻译不太好,从英文翻译到中文大概这就是科学,科学是一堆所谓论断,这些论断必须要满足一些条件,第一自洽,第二反映自然规律。

实际上这个定义本身就有基本假设,第一个基本假设自然是遵从规律的,是不是这样,你可以说是,也可以说不是,这个是一个问号。我们的基本假设,科学家的基本假设,至少一部分自然现象存在规律,第二要自洽,自洽是一个逻辑的概念,也就是说自然规律服从逻辑推理。这个假设并不是说随便一下大家认为不言而喻的事情,爱因斯坦有一句话说:世界上最不可理解的事,是这个世界是可以理解的。也就是说他为什么要有规律,是最不可理解的事,但是它确实是这样的,这是定义。

定义以后我们要解释什么是规律?当然有各种各样的解释,最直接的解释就是你要找到规律,你的信息就会压缩。规律本身至少有一方面的作用是压缩信息。

我举个例子,这是太阳,行星绕着太阳转。开普勒之前,行星的位置以信息的形式记录下来。时间精度是一天,就是每天要观测记录一次,如果时间精度是一个小时,就要每个小时观测记录下来。时间精度越小信息量越大,需要记的越多。然后出现了开普勒。开普勒说不用这么记了,这里面有规律。

他总结了三条规律:一条规律是说行星围着太阳转,一定是椭圆轨道,太阳必须是椭圆轨道的一个焦点上。第二个,行星跑的面积应该相等的。第三个,周期的平方正比于长轴的三次方。有了这个规律,就不用天天的记轨道了。你给我一个初始条件、初始数目,我就知道下一刻它应该在哪儿。开普勒搞了三个规律,就把信息压缩了。牛顿根据开普勒定律又提出一个万有引力定律、一个牛顿第二定律,又进一步把信息压缩。

两个定律把所有行星规律都可以掌握,这个信息压缩量就很大了。不但如此,不光解释了行星的运动轨迹,还可以解释一个抛物体的轨迹,信息压缩范围更大了。实际上第一个就是说自然现象的信息是可压缩的,压缩的方法就是找到它背后的规律。第二个就是自然现象是可预测的,不但可以算出以前怎么走,还可以算出以后怎么走。第三个就是必须有逻辑,逻辑表达就是数学,也就是说自然规律可以用数学表示,这是科学的定义。

我们再看看科学和其他学问之间的关系。

第一个关键词是什么呢?是自洽。自洽就是说这些科学系统的论断必须是没有矛盾的。就是举艺术和科学的区别,我忘了可能是毕加索说的,他说的一句话是:作为一个艺术家最好的事情之一是,我可以在心中保持两个完全矛盾的思想并相信它们都是对的。这个是艺术家他有这个自由度,但是科学家绝对不能有这样的自由度,两个完全矛盾的东西在一个逻辑系统里不可能重合,这是科学家的最大限制。

还有一个关健词,这个逻辑系统一定要描述自然规律,我举一个例子就是数学与科学的区别,纯数学家最大梦想就是构造一个完全自洽的逻辑系统,它跟自然现象没关,这是纯数学家最大的梦想,但是这种梦想经常物理学家给打破,到现在为止纯数学家还没有构造出特别自洽系统,跟自然界一点关系没有,所以我们干脆把数学包到科学里面,因为它造不出来这个系统,但是梦想就是造这个系统。纯数学家说不想做科学家,就是想做数学家。比如说A×B等B×A,数学家就非要创造出A×B不等B×A,但不久就被用到量子力学中去了。

斯蒂芬·温伯格是诺贝尔奖获得者,他说数学家的最大梦想之一是构造一个与自然无关的逻辑系统,但他们总是失败。干脆把数学家包成他们也是科学的一部分。

科学有没有边界?

定义完科学再讨论一下科学有没有边界?好多电影都说空间是科学的边界,也可能是这种情况,有一天我们把科学自然规律全部挖干净了,就构造出一个逻辑系统,这个逻辑系统可以解释所有的现象,可不可能?实际上世纪就有一个数学家,他用逻辑来证明这种系统是不存在的,这个人就叫哥德尔。哥德尔第二定理,从数学角度证明,一个包含代数运算的逻辑系统,除了加减法,必须还得有乘除法,如果它是自洽的,就一定不是完备的;如果它是完备的,就一定不自洽。也就是说如果你想象你有一个系统它是完全完备,是闭合的,里面一定要有悖论,悖论是科学不允许的。科学只能是前一种情况,它是自洽的,但它是不完备的,这个系统永远是开的,这是科学的边界。

科学本身没有边界,但它对自然规律设立边界。比如说相对论是设定信息传递速度的边界,信息传递不能超过光速,超过光速就意味着因果关系可以逆转,原因可以变成结果,结果可以变成原因,这是不允许的。第二个,热力学第二定律,大学生都学过,它给热机效率的边界,两个热源工作下,一切热机效率不可能超过卡诺热机。量子力学也有边界,不可能同时精确测量一个粒子的位置和速度,不管用什么样的精确的仪器,对粒子位置和速度都不可能测量,这是一系列的边界。

科技有没有局限性?

科技有没有局限性?从我们这些定义来讲会发现科学是有局限的,局限在什么地方呢?实际上自然现象的信息是不是完全可压缩、压缩程度什么样?我们不知道。我们现在知道的是我们出在两个极端的中间。一端完全不可压缩,你的自然行为完全不可预测,现在知道这是不对的; 另外一端物理学家最希望看到大统一理论,一个理论把所有世界的现象都给包含进去。所以我们在两个极端的中间,到底在什么位置并不知道,肯定是科学家从这边往这边推,不断发现新的规律,使我们信息可以进一步压缩,这是科学的极限。

另外一个局限,就是给饶毅一个挑战,是脑科学的极限,就是你从信息论的角度可以这么讲,一个简单的系统如果向复杂系统做影射不会丢失信息,也就是什么意思呢?比如说一个图片放在三维里面,图片任何信息都可以保存,如果说一个复杂系统但是复杂系统不可能向简单系统影射不丢失信息,一个人用二维照片来反映这个人体肯定要丢失信息,这是很简单的道理。

在表示理论也是的,也就是说一个简单的系统不可能完全表示一个复杂的系统,现在就出现一个推论,推论就是什么呢?我们不能完全理解比大脑更复杂的自然现象,自然界存在比大脑更加复杂的系统我们是不能理解的。不理解怎么办?趋宗教或者趋什么我就不知道了,可不可能存在呢?谁也没有证明不可能存在,我想可能是存在的,当然大脑本身也在进化,进化以后我们就会理解更加复杂的系统,这是科学的极限。

最后说科学的判据是什么。

上世纪60年代,Karl Popper这句话是大家都承认的,科学的核心是任何一个科学论断都可以被证伪。你任何预测可以证伪,这样的话科学论断必须能够给出预测,有了预测以后就来做实验,看看是不是和真实的现象相吻合,就必须有修改,补充,甚至放弃这个论断,这是第二个,第三个,科学不存在终极理论,证伪是不对称的,证伪三次没有被证伪,不知道第四次实验是不是能够证伪。所以牛顿定律你做了10万次实验、百万次实验,都通过了。你说(是)终极定律,(但)第100万另一次就说不定发现是不符合的了,那就一定要修改,说明定义是不对称的。

我给出一个例子,这个例子很有意思,就是一个逻辑推理得出来一个论断。我们先看四个现象:现象一:日本人吃很少脂肪,得心脏病的几率比美国人和英国人少,实验观测出来的;现象二:法国人吃大量脂肪,得心脏病的可能性也比美国人和英国人少;现象三:日本人很少喝红酒,得心脏病的可能性比美国人和英国人少;现象四:意大利人大量喝红酒,得心脏病的可能性也比美国人和英国人少。这个实验以后得出一个推论来,吃肥肉喝酒与健康无关,说英语会要人命!这是根据我们有限实验得出来的结论,从逻辑上无懈可击,但是你这个论断是不是经得起第五次实验,你经不起,经不起怎么办?你就要修改你的结论,把其他因素放进去,发现相关性背后有更深刻的东西,这是非常直白的一个例子,告诉我们科学的论断,当然这个不是科学论断了,有些论断我们要不断做实验去论证它。

最后说科学与技术的关系。

科学的定义、科学的特性我们说了,科学与技术的关系。我们老说科技,科学和技术根本就不是一回事,它是表兄弟,但绝对不是一回事,怎么定义呢?

温伯格在《最终理论的梦想》这本书做了很好的定义:如果把人探索自然的关系比作与上帝下棋,科学的任务是了解下棋的规则,而技术的任务是发展下棋的策略。有科学家、有工程师,在这里面科学家任务就是了解自然,我了解了自然,我了解了这些规律,也可能有用,也可能没用。我把这些规律拿出来给这些做应用的工程师们,他们知道这些规律,根据这些规律设计各种不一样的设备,来做一些对人类有用或者有害的事,这是工程师的作用。我们老说科技,科和技不是一个东西。他们关系是什么?科学研究需要技术支持,有些科学研究需要做观测,观测在宇观和微观更向前走一步需要有新的设备,就需要技术支持,发展技术需要科学的指导,知道规律才可能设计设备做某一件事。这个意义可以说科技,切忌科学和技术不是一回事,科学家和工程师完成任务没有任何关系,科学家就是瞎玩,就是要探索。

科学还有一个美学的概念。

老说科学很美,科学为什么美我也搞不清楚。古希腊拉丁箴言说:“简单是真的标志,美是真理的光辉”。那时候发现好的东西,真的东西真的有一些特性,这种特性实际上一直传承下来,这个人Marcus Chown是一个物理学家,他说:如果有一个理论解释物理学家认为是美的,而另一种是丑的,一般来讲美的那个总是对的,这种怎么来的,美学的事我不知道。科学我弄不明白的事,它一定是美的,也不一定都是美的。

狄拉克说:一个物理定律必须具有数学的美。美的定义是呢?我就不知道了。当然也有一个例外,上世纪最大的两个发现,一个是广义相对论,一个是量子力学。广义相对论发现立刻在理论物理界得到响应,虽然当时爱丁顿爵士说真正理解广义相对论不超过三个,当然他是一个,爱因斯坦是一个,第三个人不知道是谁。大部分人不知道广义相对论真正内涵的,只看了广义相对论描述的东西就觉得这是美的。爱丁顿测试日全食看光是不是弯曲,测量以后就发表了一个公告,说我证实了爱因斯坦广义相对论,光的路线确实有弯曲,过了多少年,几年前有好事者把爱丁顿数据分析不可能得出那样的论据,因为几乎全是噪声,因为理论特别美我就确定肯定是对的,虽然测量噪声很大,你看看这有点弯。量子力学待遇特别糟糕,量子力学在物理学家认为太丑了,费曼认为没有人理解量子力学,猫的状态是生和死的叠加,最近做的实验一个猫可以同时存在这个盒子也可以同时存在那个盒子,你说多诡异,没有诡异的东西没有现在的科技,这是比较丑的例子。

最后给大家一个例子,玻尔兹曼评价空气动力学的推导,他发现过程中用音乐语言描述,“速度的变量在一开始就被庄严宏伟的展现出来。然后从一边切入了状态方程,从另一边切入了有心场的运动方程。公式的混乱程度有增不已。突然,定音鼓敲出了四个音节“令n=5”。不详的精灵隐去了;同时, 就如像音乐中的情形一样,一直很突出的低音突然沉寂了,原来似乎不可超越的东西,如今被魔杖一挥而被排除,一个个的结论接踵而至,最后,意外的高潮忽然降临,热平衡条件和运输系数的表达式出现,接着,大幕降落!”。完全用美学欣赏音乐的语言来欣赏推导论。

说完了科学我们再说跟科学相关的东西和相反的东西---赝科学?

什么叫赝科学?赝科学是还没有发展成熟的科学论断的半成品。我举一个例子,可能要得罪一些人。达尔文进化论是赝科学。为什么(这么)说呢?进化论在生物学中有其核心的地位,这是被引用N次的话,没有进化论的生物学不可理解。但从严格的科学定义来讲,进化论还不能或者正在成为一个科学论断。为什么呢?我来提出一个纳入赝科学的根据,用进化论本身做的推断有时候不可证伪。我举个例子,兔子耳朵为什么长?进化论说兔子怕大灰狼,为了听着大灰狼在哪儿,如果跑不掉就被吃了。耳朵长听力就好,慢慢进化耳朵就长起来了,这是一个解释。这个解释能不能证伪?我觉得不能。如果说你发现了一个短耳朵兔子,进化论会解释说,兔子耳朵长了,大灰狼容易看见,看见就被吃掉了,所以慢慢进化兔子耳朵就越来越小。

所以在一个测量面前它总有话说,我认为(这)就不能作为科学论断、作为科学。现在进化论正在向定量、可预测的方向走,有两个理论是可以证伪的。一个是上世纪50年代Ronald Fisher(罗纳德·费希尔)的理论可以证伪,他说一个是物种的进化速度和它的差异正相关,这是一个定量的,这个定量的描述已经被好多实验证明。最近有一个交England的人说,生物进化的方向是能量耗散最大的方向,这个论断也是可以被证伪的。所以说达尔文进化论虽然现在没有成为真正的科学,它正在走向科学,这是我的观点,。

我们再看一下伪科学。

我们再看一下伪科学。我举一个例子,从历史学的定义看什么叫伪科学?历史原来的定义是这样的,历史就是对已知史料最简单、无矛盾解释,这显然是一个科学的定义。第二个就有问题了,定义史料,史料就是文献,考古发现历史学家的陈述,这就有问题,你是院士我是研究生,我的学术成就比你高,你的成熟就对?你是处长我是部长,部长肯定比你大,你就要听我的。这个历史学家的陈述就给伪科学塞进了私货。

◆ ◆

二、成为科学家的五大要素

科学家我认为五大特征,最重要的特征是好奇心,我举一个例子,我们现在带小孩出去散步,现在看到月亮时间很少了,万一有一天有月亮我们带着他们出去,小孩可能很大的概率会问这么一个问题,月亮为什么跟人走?在座人恐怕有一部分人回答不出来,月亮为什么跟人走,你现在还问不问这个问题,就是考验你是不是有科学家的素质。科学家如果没有答案的话,他一定追到底,一定知道为什么,解释给大家留一个课外题,去查一查,为什么看到的月亮跟人走。

十年前有一篇文章,发现鸽子走的时候脑袋也跟着动,摄影机盯着鸽子眼睛,发现它的眼睛在很大一段一段时间不动,隔一段再动。(因为)它要测量外界某个东西角速度的变化。这和月亮为什么跟着人走是一个道理。另外一个文章,蜜蜂落地的时候是非常稳,不会因为速度控制不好落到地上翻一个跟头。它怎么控制的?也是角速度。最近Nature的(一篇)文章,蜻蜓捕食的时候,飞行轨迹非常诡异,它为什么用这个轨迹(能)吃蚊子?发现从蚊子眼睛来看蜻蜓的角速度为零。以这个为例就有了新的地空导弹设计。原来有两种策略,一个拦截式,一个尾随式。下一代地空导弹,从飞行员的雷达上、导弹在屏幕上永远不动,雷达最敏感的就是角速度而不是它的速度。科学家的素质就是这个问题我不知道就一定会问到底。

第二条就是献身精神。

前几天看了一个东西研究科学不是人干的活儿,确实研究科学失败率非常高,而且我们要和世界上最聪明的人竞争。而且你差一步前几年就前功尽弃,你必须承认失败,失败率有可能达到90%甚至更高。这种情况下怎么支持你来做科研,就是你喜欢它,这辈子我就干它,别的赚钱的事我都不干了,有这种精神才能做一个科学家,真正的科学家。孔子说“朝闻道,夕死可已。”。国外有一个人也说过:“我现在已经是一个老人了,当我有一天去见上帝的时候,我希望有两件事可以得到上帝的提示。一个是量子电动力学,一个是流体的湍流。对于第一件事情,我是乐观的。”量子力学我们已经有了,湍流还早。

第三个就是有广泛的兴趣。好读书,不求甚解,要有广泛的兴趣,才能做一个好的科学家。理由,第一个我们发现许多不同科学领域背后的规律居然都是相同的;第二就是看一件事情必须有一定的距离才能看得更多;

第四个是直觉。真正概念的突破一定突破原来的逻辑框架,一定不是有逻辑,就是靠瞎想象。有一句话,众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处!乱想想完了有可能就对了。最切忌就是现在高考精神,高考精神绝对训练不出来一流的科学家,他讲究的是“头悬梁,锥刺骨”,河北一个学校据说准军事化管理。

最后一个就是社会责任感。第一个大家都知道科学发现是一把双刃剑。第二个是什么呢?科学发现一旦公布再想收回来就收不回来,是非常危险的,像打开潘多拉魔盒一旦打开,把魔鬼放出去再抓仅仅就不可能了。第三条,现在人接触科学门槛越来越低,本世纪某个时间可能2050年,高中生在厨房里可以合成病毒,能制造出病毒能有什么。有一个电影Contact。挑宇航员有一个问题,你见到智能高很多、技术高很多生命体,他只允许你问一个问题,你问什么样的问题,这位女同学就说我要问这么一个问题,“你们在技术上如此先进。在发展过程中你们没有毁灭自己,这是如何做到的?”,我们科学发展不小心可以对人类造成极大危害。

大会速记来自主办方,部分有删改

图文编辑|魏子敏

原文发布于微信公众号 - 大数据文摘(BigDataDigest)

原文发表时间:2016-07-30

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