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张双南：如果把这些方法带进生活，生活就是科学
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。
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
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。
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。
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。
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
投稿/内容合作：info@gasauniversity.org
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