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    想当科学家?你一定要知道的五条经验

    2017年4月20日 来源: 中科院物理所

    作者:Ethan Siegel

    翻译:山寺小沙弥

    审校:Alex Yuan

    科学研究是人类最复杂的工作之一,但是从它之中总结出的经验教训的适用范围却不局限于科学领域。

    相对于大部分人“不过脑”的赞成,我更喜欢一个聪明人的尖锐批评。

    ——约翰尼斯·开普勒

    科学的突破尽管不是那么常见,但也不能无中生有。牛顿说过,“如果说我看得比别人更远些,那是因为我站在巨人的肩膀上。”这句话在今天也不会过时,因为前辈们为我们留下了很多丰富的知识遗产。然而,纵观科学史,科学发展的道路并不是笔直的,它是由很多条不同的路径相互交叉、循环而成,甚至有时候是死胡同。每隔一段时间,科学大道上会出现一条新的岔路,这条路将通往全新的目的地,如果你能清楚的认识自己的位置并知道如何到达目的地,那么新的发现已经在向你招手。

    宇宙中大规模结构的演变,从早期的均匀状态到今天我们所知道的聚簇宇宙。

    我们大多数人不会成为科学家(虽然很多人小时候都想成为科学家=。=),我们也很难达到爱因斯坦、达尔文、芭芭拉·麦克林托、哈勃等人的高度。但是,过去那些伟大的科学进程所留下的宝贵经验并不被科学家们所独占。作为并不从事科研行业的人,我们也可以透过这些历史看看有多少艰辛的汗水、错误的路线、令人赞叹的想法成就了这些科学硕果,进而学到一些适用于我们的经验。

    达尔文进化论依赖于突变和自然选择,不同的新物种可来源于同一物种的祖先。

    1、虽然大多数新想法是错误的,但它们仍值得我们努力追求。

    不要因为犯错而感到羞耻,这个道理大家都懂,但真要做到却很难。很多人并不能切身体会新想法在科学领域的真正价值,如果你能身临其境也许你就会明白它的重要性和稀有性。虽然大家都知道地球上的生物在不断的进化着,但是几世纪以来关于进化的机制并没有盖棺定论,时至今日,被大多数人认可的理论也不断的受到质疑。

    达尔文通过自己的知识积累以及新奇的想法,提出了关于生物多样性、突变、自然选择的达尔文进化论。乔治·库维尔,让·巴蒂斯特·拉马克,阿尔弗雷德·华莱士等人关于生物的进化提出了一些在当时科学界众所周知并且影响深远的观点。通过在加拉帕戈斯群岛收集的证据,达尔文(和华莱士)的观点成为主流理论(它们的观点也不完全正确),但如果没有其他科学家的新奇想法(即使这些想法是错误的),我们熟悉的进化论可能永远都不会被人们所了解。

    地球和太阳与40亿年前相比似乎没有什么不同。

    2、巧妙地设置问题往往比解决问题更难。

    在学校里,你如果掌握了代数、几何的知识,往往就能比较容易地解决一道数学题,但是现实中的系统往往是错综复杂的,能够解决问题的方法很简单,但是能够将问题的不相干部分刨去,找到解决问题的关键点却是十分困难的。如果我们想知道引力如何影响地球,那么我们需要知道宇宙中每个粒子的位置和质量,然后计算它们和地球之间的引力。这是一个荒谬的想法,因为这样的计算量根本无法完成,换句话说,找到一个可行的计算方法实际上是不可能的。

    但是,如果我们将地球看作已知质量和体积的一个对象,将太阳、月球、银河系等其他质量体通过恰当的处理当作另一对象,那么我们就可以得到一个合适的解决方式。问题的关键在于我们可以换个角度解答问题: 确定对引力有主要贡献的质量体,忽略一切可以忽略的影响(可以看做微扰)。对于潮汐,我们的研究对象是月球、太阳、地球上的海洋; 对于地球和其他行星的绕日运动,我们需要广义相对论; 对于地球在宇宙中的运动,我们需要知道太阳、星系及其中星体的运行速度。提出一个好问题是困难的,巧妙地设置问题有助于找到适当的解决方案。同一个问题换一个问法,往往可以令人豁然开朗。

    根据爱因斯坦的广义相对论,地球在太阳周围的运动并不是无形的力造成的,而是地球正好处于太阳强大的引力制造的弯曲空间。

    3、巨大的突破往往需要否定既定假设。

    在爱因斯坦之前,牛顿的万有引力定律被认为是不可挑战的权威。然而爱因斯坦大胆的假定牛顿的引力定律是错误,它只是真实宇宙的近似。虽然很多人提出了和引力相关的理论,但是如果它们和牛顿引力定律相悖,就会被视为错误。虽然有人通过平面、三维欧几里得空间及其相关的理论描述宇宙,但是大家都认为宇宙的运作方式仍未被证实。

    通过将时空看作一个四维的结构,由于物质和能量的存在而扭曲,爱因斯坦在许多数学家和其他物理学家的帮助下提出了广义相对论。他在广义相对论中提出了两个全新的假设:①广义相对性原理:在任何参考性中,物理规律都是相同的; ②等效原理:一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系等价。这两点与既是对狭义相对论的进一步延伸,又是对牛顿经典时空观的又一次否定。如果你没研究过广义相对论,你可能不知道赫尔曼·闵可夫斯基,西蒙·纽科奇,伦德茨·亨利克·伦伦兹,伯恩哈德·黎曼,马塞尔·格罗斯曼、亨利·庞加莱这几个科学家,爱因斯坦能成功地否定牛顿的理论,离不开他们的贡献。

    开普勒《宇宙的神秘》中描述的“将6个行星的天球嵌套进5个正多面体中”

    4、直觉并不可靠,更可靠的是严密的数学推导。

    科学家们一直都有一个梦想,那就是提出一套漂亮、强有力、令人信服的理论。当哥白尼提出他的日心模型时,很多人为之着迷,但是这套理论并不能解释所有我们观察到的行星运动,托勒密的理论同样也无法解释。大约五十年后,约翰尼斯·开普勒建立在哥白尼的理论基础之上,创作了一本书:《宇宙的神秘》。该书描述了一系列嵌套的球体,其比例可以解释行星的运行轨道。可惜的是,有些数据的拟合并不符合事实。

    然而,如果使用椭圆模型,得到的数据拟合之后近乎完美。开普勒摒弃了圆形的美,取而代之的是数学的严谨,用“丑陋”的椭圆代替美丽的圆,没想到这个“丑陋”的椭圆竟可以解释行星的运动。时至今日,开普勒三大定律仍被广泛运用着,而且这些定律还给牛顿带来了启发。如果没有数学的“定量”,那么就没有伟大的开普勒定律,所以我们不应纯粹地追求美感,而应该相信数学的引导。

    1929年哈勃公布的观测数据

    5、你永远无法得知做某件事是否会有更好的方式,除非你将它付诸实践。

    在20世纪20年代初,人们认为宇宙是静止的。毕竟,当时的人们没有观察到相关现象,宇宙似乎一直保持不变。亚历山大·弗里德曼和乔治·莱马蒂等科学家根据相对论提出了宇宙膨胀学说,但是爱因斯坦是宇宙静止论的忠实粉丝,他对乔治·莱马蒂说:“你的计算是正确的,但是物理现实却是残酷的。”但是,检验这些科学家理论正确与否就是将其付诸实践。

    爱德温·鲍威尔·哈勃发现,来自遥远星系光线的红移与它们的距离成正比,这是宇宙膨胀的有力证据。基于哈勃1929年的数据和霍华德·罗伯逊科学研究,宇宙膨胀学说和哈勃定律渐渐地流行了起来。哈勃的实验观测就是对那些科学家理论的关键考验,宇宙膨胀学说是理论和实验的完美结合。

    宇宙是一个神奇的存在,它的演变方式值得我们学习和深思

    虽然我们大多数人不会取得特别重大的科学突破,但是这些经验总结对于和科学类似的领域来说仍十分适用。这些经验教训都是行之有效的,并非科学家专享。

    编辑:J.C

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