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PartThree_《霍金的答案》

笔记本网 2017-10-19 《万万没想到,用理工科思维理解世界》_万维钢 345 ℃ 0 评论

霍金的答案

  哪怕这个问题是全新的,在大多数情况下我们也能用旧的知识解决它。掌握科学知识的人有凭借理论推导就能破解世界的力量。


亚里士多德为何不数数妻子有几颗牙

  大多数人学习科学是为了通过某个考试乃至于找个好工作。有的人学科学是因为科学很有用。还有为数很少的一帮人,他们学科学纯粹是出于好奇。


  他们惊异于这个表面看来复杂多变的世界背后很可能是由一系列简单而神秘的规则所支配运行的。他们未必想要利用这些规则干什么了不起的大事,但他们很想知道这些规则是什么,并以此来看懂世界。就好像一群面对一台构思精巧的服务器的黑客一样,科学是对这帮人的一个挑衅。他们想要破解这个世界。而破解世界有两个办法:一个办法是看书,一个办法是直接上手干。


  看书学科学并不容易。很可能每个学物理的大学生,乃至任何一个想增长点智识的人,都看过《别闹了,费曼先生》这本书。如果你看这本书的时候还没学物理,你可能会因为看了这本书而想去学点物理。如果你看这本书的时候已经学了几年物理,你可能会因为看了这本书而反思自己学过的全部物理。你不是反思自己学的那些“物理”对不对,而是反思自己是不是真学会了。根据费曼在巴西的经验,很多物理专业的高分学生其实没学会物理。


  巴西原来的物理教育,是一种八股文式的应试教育。他们把物理学变成一条条可以死记硬背的标准化知识点,学生们用完全被动的办法把这些知识点输入大脑以便考试的时候可以随时检索出来,却并不知道它们的真正意思。费曼惊讶地发现巴西学生在能够精确背诵“偏振光”知识条目中“布儒斯特角”的定义和性质,甚至还在知道这个角度的计算公式的情况下,居然不知道海水表面反射出来的光就是偏振光。显然课本上没写这条——课本上写的是“一种具备某个折射率的介质”,而学生想不到海水其实就是这么一种介质。更令费曼匪夷所思的是,物理学首先是一门实验科学,而巴西的物理教科书里居然连一个真正意义上的实验都没有,全是知识点。结果费曼指着鼻子告诉巴西的物理教授和政府官员们:你们巴西根本没有在教科学!


  也许中国的科学教育比当初巴西好一点,但考虑到中国师生同样热衷于考试,也许好不了多少。关键在于,科学既不是课本上那一条条知识点,也不是学科竞赛中那一道道难题,它可以随时取用于生活的实在经验。真正懂科学的人不但得对所学知识倒背如流,还得能举一反三,乃至于用这些知识解释身边的现象。能求解各种抽象难题,再厉害也不过是纸上谈兵而已;而能把知识活学活用,才是真本事。


  把杯子里的水倒掉,再怎么倒也会最后留下一些水珠,这是什么原因?秋天的落叶,为什么会打卷?桌子上有一滩水,为什么用干抹布去擦,其吸水效果反而不如用湿抹布?解释这些现象并不需要用到什么高深的学问——真列出来的话,其背后的“知识点”可能甚至不会超过中学范围。然而绝大多数人可能不但不会解释,甚至不会想到这些问题。他们可以一边复习表面张力的知识点一边喝水,而完全不在意杯子上覆着的小水珠。


  但是有人很在意。“科学松鼠会和它的朋友们”写的《再冷门的问题也有最热闹的答案》一书,就专门研究这类问题。此书既不谈宇宙加速膨胀这种未解之谜,也不谈全球变暖这种宏大主题,只谈我们身边随处可见,却又往往视而不见的科学现象。此书的缘起,是《新发现》杂志和松鼠会搞了一个“Dr.You”栏目,由读者提出各种“不按常理出牌的疑难问题”,松鼠会的一干松鼠再进行解答。松鼠们都是研究生或者青年科学工作者,他们分布在世界各地通过网络互相联系。他们运用各自的专业知识提供答案,这些答案相当科学——实际上,如果一个松鼠给的答案有问题,马上就会有另一个松鼠把它指出来,争论是常有的事。不过此书有意思之处还不仅在于这些答案是正确的,而在于这些答案是“热闹的”,写得相当轻松活泼。


  科学知识是一种高度结构化的知识,其有一个很酷的性质:只要学会了一般原理,就能解决无穷多表面看来千奇百怪的问题。掌握科学知识的人可以一听你的问题,不必亲临现场,完全凭借逻辑推理就能告诉你答案。有时候他们推理出来的答案可能出乎意料甚至违反常识,然而你却不得不服。


  比如我们考虑这个问题:如果要用一根绳子紧贴地面绕地球一周,可以想象必然是一根很长的绳子。现在如果我们想把绳子抬高到距离地面一米,请问绳子要加长多少?不会算的人可能会被地球这种大尺度给蒙住,而会算的人会立即指出绳子只需要加长6.28米就够了。再比如说防洪的时候想要用铁板把河岸临时增高一米,请问这个铁板需要多大的抗水压能力?不懂的人可能会设想一个非常厚的铁板,而只要你知道水压只跟深度有关,你就会明白铁板其实用不着比水桶厚多少。


  哪怕这个问题是全新的,在大多数情况下我们也能用旧的知识解决它。掌握科学知识的人有凭借理论推导就能破解世界的力量。所谓运筹帷幄之中,决胜千里之外,这就是知识的力量。这样说来任何一个问题背后的知识都能把人分为两类:学过的和没学过的。在大多数情况下,你要是没学过,就只能服学过的。然而“学过”,也仅仅是懂科学知识而已,还算不上科学家。


  科学家的工作不是使用科学知识,而是使用科学方法。《再冷门的问题也有最热闹的答案》这本书的最可贵之处,在于其中有几个问题是不能用任何课本上的知识回答的。松鼠们除了算理论之外还要亲手做实验,甚至还要查学术论文,甚至最新的学术论文里也没有令人信服的答案。


  比如煮熟的鸡蛋,为什么有的很容易剥壳,而有的却不好剥,总有蛋白粘在蛋壳上?这个问题看似简单,其答案却绝不是任何一个人拿现有理论就能推算出来的。事实上,据松鼠“游识猷”介绍,第一篇关于剥蛋壳的论文出现在1959年,有人实验发现只有蛋清的PH值高于8.7,这个鸡蛋才好剥。1960年代又有至少三篇论文研究为什么PH值会影响鸡蛋的“可剥性”,而直到1990年,还有人搞研究证明白色壳和褐色壳的鸡蛋“在可剥性上没有显著的统计学差异”。而所有这些研究都是基于实验和观测的。


  费曼也会赞赏这种实验精神。但此书的实验精神还不仅限于报道,而是直接动手。在回答完“为什么杯子里的水总也倒不干净”之后,“擦擦嘴”受到这个问题的启发,发明了一个“伟大的滴水衣服加速干燥法”。他的办法是把一些三角形的纸片倒立贴在衣服上,以此促进衣服里的水向下流动,因为这样能让衣服“干得快多了”。他甚至还对比实验了使用脱脂棉放水,结论是不如纸片。在研究“挤出来的沐浴露为何会打圈圈”这个问题的时候,各地松鼠纷纷付诸实践。据说正在南半球某图书馆学习的“Robot”因为在卫生间实验洗手液的旋转堆积是否有方向性,还受到了保安的责难。


  松鼠们并非总能给出最终答案。有人提问说为什么泡好的茶叶有时候会浮在水面上,而咬一口再吐回去就沉底了?到底是什么原理决定茶叶的沉浮呢?结果几位松鼠,“hbchendl”、“八爪鱼”、“Lewind”和“云无心”展开了争论。有人认为是水进入茶叶细胞改变整体密度导致浮沉;有人则认为是茶叶表面的纤毛间气泡的作用,并贴出茶叶的电镜图像;有人更认为杯子的温度分布也有影响。讨论并未达成共识。茶叶的浮沉,竟是一个尚无定论的科学问题。


  对热爱科学的人来说,这难道不是一个非常值得庆幸的局势么?原来连我们身边的一些常见现象,都是现代科学还没有给出确定答案的。一个类似的问题是为什么像小鸡、小鸭和鸽子这样的鸟类在地面走路的时候会一边走一边点头。也许提问的人没有意识到,这其实是一个研究了七十多年而至今仍在争论的问题。据“Fujia”、“八爪鱼”、“Seren”的文章,各国科学家为此提出了多个假说,做了多个实验,考察了300多种鸟类,而共识不可得。


  这个世界比绝大多数人的想象要复杂得多,我们对它所知甚少。我们不但不知道宇宙为什么会加速膨胀,甚至不知道小鸟为什么一边走路一边点头。与宇宙问题不同的是小鸟的问题就算将来得到确定的答案,这个答案恐怕也不会向我们揭示有关世界的什么重大秘密。但是“尚无答案”这个情状本身,已经足够让人感到安慰了。试想要是不管谁提个什么问题,你都明确知道尽管你不能解答,维基百科上却总有现成的答案,这样没有悬念的世界岂不是毫无乐趣可言。我们仍然幸运地生活在剥个鸡蛋都能写篇论文的时代。这个世界仍然在等着被破解。


  破解世界大概有两个办法。一个办法是从已知推未知,只要掌握基本原理,似乎在理论上你就应该能推导出所有现象,只动脑而不动手。但《再冷门的问题也有最热闹的答案》这本书中的几个例子恰恰告诉我们这几乎是不可能的。现有的科学原理远未完备只是一个原因,更重要的原因是复杂现象涉及的数学计算和各种相关因素多到根本不可能用理论推导的程度。在这种情况下,“动手”才是更直截了当的办法。当动脑的人高高在上俯视众生的时候,动手的人很可能正蹲在地上满头大汗地摆弄。而且他们完全不怕把手弄脏。


  人类自古以来敬重动脑的人,用动手的方法理解世界则是近代科学兴起才有的习惯。古代中外各路哲人全都热爱说理胜过热爱事实。他们或者引用神话典故,或者引用先贤明言,而完全不屑于对照一下实验结果。据说亚里士多德也不知道出于什么理论计算,认为女人的牙齿比男人少。他结过两次婚为什么就不数数自己妻子的牙齿呢?[1]


  ***

  [1]这句话是罗素说的,原话是“Aristotlemaintainedthatwomenhavefewerteeththanmen;althoughhewastwicemarried,itneveroccurredtohimtoverifythisstatementbyexamininghiswives'mouths.”但据微博网友@whigzhou考证,亚里士多德得出这个结论其实正是基于经验观察,所以罗素(和我)在这里犯了一个错误。同时感谢@youjiti。

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