7月23日，北京大学物理学院教授欧阳奇院士在第十八届理解未来讲座上发表主题为“科学、科学家与科学前沿”的演讲。 他从“什么是科学”和“科学家做什么”开始？ 《成为科学家的五要素》三个方面为观众带来了一场科学盛宴。
欧阳院士以自己为例，介绍了成为科学家的五要素：好奇心、奉献精神、广泛的兴趣、直觉、社会责任感。
7月23日，北京大学物理学院教授欧阳奇院士在第十八届洞悉未来讲座上发表主题为“科学、科学家与科学前沿”的演讲（大数据文摘记者魏子民摄） ）
◆◆◆1. 什么是科学？
今天我首先想谈谈什么是科学。
科学主要是自然科学领域，社会科学我了解不多。 我认为科学应该是相似的。 其次，我想谈谈科学家。 既然科学这么重要，从科学救国到科学谋生，都是科学。 科学家做什么？ 科学家的作用是什么？ 第三，如果有时间讲一下当前的科学前沿，当然主要是物理学的前沿。
一切都必须有一个定义。 科学的定义是什么？ 我读了一些东西，这可能就是我翻译的。 科学是判断的集合。 这个集合是自洽的，描述了自然法则。 我不太擅长翻译。 从英文到中文，这大概就是科学。 科学是一堆所谓的断言。 这些断言必须满足一定的条件。 首先，它们是自洽的，其次，它们反映了自然规律。
事实上，这个定义本身是有基本假设的。 第一个基本假设自然是遵循规则的。 不管是不是这样，你可以说是，也可以说不是，这是一个问号。 我们的基本假设，科学家的基本假设是，至少有一些自然现象是有规律的。 其次，它必须是自洽的。 自洽是一个逻辑概念，意味着自然规律服从逻辑推理。 这个假设并不意味着任何人都认为是不言而喻的。 爱因斯坦曾经说过：世界上最不可理解的事情就是世界是可以理解的。 或者说，他为什么要有规则，这是最让人无法理解的事情，但确实是这样，这就是定义。
定义完之后，我们需要解释一下什么是规律？ 当然，也有多种解释。 最直接的解释是，如果你发现了模式，你的信息就会被压缩。 法律本身至少在压缩信息方面发挥着一种作用。
我举个例子，这是太阳，行星绕着太阳转。 在开普勒之前，行星的位置以信息的形式记录。 如果时间精度为一天，则意味着每天需要观察并记录一次。 如果时间精度为一小时，则需要每小时观察并记录一次。 时间精度越小，信息量越大，需要记住的也就越多。 然后开普勒出现了。 开普勒说没必要这样记，里面有规则。
他总结了三个规则：第一个规则是行星必须以椭圆轨道绕太阳运行，并且太阳必须是椭圆轨道的焦点。 其次，行星的面积应该相等。 第三，周期的平方与长轴的立方成正比。 有了这个规则，就没有必要每天都记录轨迹了。 你给我一个初始条件和一个初始数字，我就知道下一刻它应该在哪里。 开普勒制定了三个定律来压缩信息。 牛顿在开普勒定律的基础上提出了万有引力定律和牛顿第二定律，进一步压缩了信息。
有了这两条法则，所有行星法则都可以掌握，信息压缩量巨大。 不仅如此，它不仅解释了行星的轨迹，还解释了弹丸的轨迹，信息压缩的范围甚至更大。 其实第一个就是自然现象的信息是可压缩的，而压缩的方法就是寻找其背后的规律。 第二，自然现象是可以预测的。 我们不仅可以计算过去的情况如何，还可以计算出未来的情况。 第三，一定要有逻辑，而逻辑的表达就是数学。 也就是说，自然规律可以用数学来表达。 这就是科学的定义。
让我们看看科学与其他知识之间的关系。
第一个关键词是什么？ 它是自洽的。 自我一致性意味着这些科学体系的结论必须不存在矛盾。 刚才提一下艺术与科学的区别，我忘了可能是毕加索说过的。 他说：作为一名艺术家最好的事情之一就是我可以在脑海中保留两种完全矛盾的想法，并相信它们都是。 是对的。 艺术家有这个自由度，但科学家绝对不能有这个自由度。 两个完全矛盾的事物在逻辑系统中不可能重叠。 这是科学家最大的局限性。
还有一个关键词。 这个逻辑系统必须描述自然规律。 让我举一个例子来说明数学和科学之间的区别。 纯数学家最大的梦想是构建一个完全自洽的逻辑系统，与自然现象无关。 这是纯数学家最大的梦想，但这个梦想却常常被物理学家打破。 到目前为止，纯数学家还没有构建出一个特殊的自洽体系，这与自然无关，所以我们干脆将数学纳入科学之中。 因为它无法创造这个系统，但梦想是创造这个系统。 纯数学家说他们不想成为科学家，他们只想成为数学家。 例如，如果A×B不等于B×A，数学家必须创建A×B不等于B×A，但它很快就被用于量子力学。
诺贝尔奖获得者史蒂芬·温伯格表示，数学家最伟大的梦想之一就是构建一个与自然无关的逻辑系统，但他们总是失败。 只需将数学家视为科学的一部分即可。
科学有界限吗？
定义完科学，我们再来讨论科学有没有边界？ 很多电影都说太空是科学的边界。 情况可能是这样。 有一天我们会挖掘出科学本质的一切规律，构建一个逻辑体系。 这个逻辑系统可以解释一切现象。 是否可以？ 事实上，19世纪就有一位数学家用逻辑证明了这样的系统并不存在。 这个人叫哥德尔。 哥德尔第二定理从数学角度证明，包含代数运算的逻辑系统除了加法和减法之外，还必须包括乘法和除法。 如果它是自洽的，那么它一定是不完整的； 如果它是完整的，它一定不是自洽的。 换句话说，如果你想象你有一个完全完整且封闭的系统，那么它里面一定存在悖论。 科学不允许悖论。 科学只能处于前一种情况。 它是自洽的，但它是不完整的。 该系统始终开放。 这是科学的边界。
科学本身没有界限，但它为自然法则设定了界限。 例如，相对论为信息传输的速度设定了界限。 信息传输不能超过光速。 超越光速意味着因果关系可以颠倒，因可以变成果，果也可以变成因。 这是不允许的。 第二个，热力学第二定律，大学生已经学会了。 它给出了热机效率的边界。 当两个热源工作时，任何热机的效率都不能超过卡诺热机。 量子力学也有边界。 同时精确测量粒子的位置和速度是不可能的。 无论使用什么样的精密仪器，都不可能测量出粒子的位置和速度。 这是一系列的边界。
技术有限制吗？
技术有限制吗？ 从我们的定义中，我们会发现科学是有局限性的。 限制在哪里？ 事实上，自然现象的信息是完全可压缩的吗？压缩到什么程度呢？ 我们不知道。 我们现在知道的是，我们正处于两个极端的中间。 一方面是完全不可压缩的，你的自然行为是完全不可预测的，现在我们知道这是错误的； 另一方面趣味物理实验牛三，物理学家最希望看到一个大统一理论，一个包含世界上所有现象的理论。 所以我们不知道我们到底处于两个极端之间的中间位置。 科学家必须从一侧推向另一侧，不断发现新的规律，使我们能够进一步压缩信息。 这是科学的极限。
另一个限制是给饶毅一个挑战，这就是脑科学的极限。 从信息论的角度来看，可以说，如果一个简单的系统暗指一个复杂的系统，它就不会丢失信息。 这意味着什么？ 例如，如果将图片放置在三维空间中，则可以保存图片中的任何信息。 如果是一个复杂的系统，但复杂的系统不能暗指简单的系统而不丢失信息，那么用二维照片反映人体肯定会丢失信息。 这是一个非常简单的道理。
表示论也是如此，这意味着一个简单的系统不能完全表示一个复杂的系统。 现在有一个推论。 推论是什么？ 我们无法完全理解比大脑更复杂的自然现象，自然界中也存在比大脑更复杂的系统我们无法理解。 如果我不明白怎么办？ 我不知道这是宗教还是其他原因。 它有可能存在吗？ 没有人证明它不可能存在。 我认为它可能存在。 当然，大脑本身也在进化。 经过进化，我们将了解更复杂的系统。 这是科学的极限。
最后，我们来谈谈科学标准是什么。
20世纪60年代，卡尔的说法得到了大家的认可。 科学的核心是任何科学断言都可以被证伪。 你做出的任何预测都可能被证伪。 在这种情况下，科学结论必须能够预测。 做出预测后，可以进行实验，看看是否与真实现象相符。 你必须修改、补充，甚至放弃结论。 这是第二个和第三个。 科学没有终极理论，证伪是不对称的。 已被证伪3次，未曾证伪。 不知道第四个实验能否证伪。 所以你对牛顿定律做了十万次实验或者几百万次实验，都通过了。 你说（它是）终极法则，（但是）你可能第一百万次发现它与它不一致，那么你必须修改它以表明定义是不对称的。
让我举一个例子。 这个例子很有趣。 这是通过逻辑推理得出的结论。 我们先来看四个现象： 现象一：日本人吃的脂肪很少，比美国人和英国人更不容易患心脏病。 这是通过实验观察到的； 现象二：法国人脂肪摄入较多，患心脏病的可能性较小。 比美国人和英国人少； 现象三：日本人很少喝红酒，比美国人、英国人更不容易患心脏病； 现象四：意大利人喝大量红酒，比美国人和英国人患心脏病的可能性更小。 美国人和英国人较少。 经过这个实验，我们得出一个推论：吃胖、喝酒与健康无关，说英语会杀人！ 这是我们根据有限的实验得出的结论，逻辑上是无可挑剔的。 但你的结论经得起第五次实验吗？ 如果做不到，做不到的话该怎么办？ 你必须修改你的结论，加入其他因素，然后发现相关性背后还有更深层次的东西。 这是一个非常直白的例子，告诉我们一个科学的结论。 当然，这并不是一个科学结论。 我们需要做出一些结论。 继续做实验来证明这一点。
最后我们来谈谈科学与技术的关系。
我们讲了科学的定义、科学的特征、科学与技术的关系。 我们总是谈论技术。 科学和技术根本不是一回事。 他们是表兄弟，但绝对不是同一件事。 如何定义呢？
温伯格在《最终理论的梦想》一书中做了很好的定义：如果把人类对与自然关系的探索比作与上帝下棋，那么科学的任务就是理解棋的规则，而技术的任务就是理解棋的规则。是制定国际象棋策略。 这里有科学家和工程师，科学家的任务就是了解自然。 一旦我了解了自然，我就了解了这些法则，它们可能有用，也可能没有用。 我将这些定律介绍给应用工程师。 他们知道这些规律，并根据这些规律设计各种装置来做对人类有用或有害的事情。 这就是工程师的作用。 我们总是谈论技术，但技术和技术不是一回事。 他们是什么关系？ 科学研究需要技术支持，有些科学研究需要观察。 宇宙和微观观测要向前迈进一步，需要新的设备，这需要技术的支持。 科技的发展需要科学的指导。 只有了解了规则，我们才能设计设备来做某些事情。 一件事。 这个意义可以说是科学技术。 重要的是要记住，科学和技术不是同一回事。 科学家和工程师与完成任务无关。 科学家们只是在玩耍和探索。
科学也有美学的概念。
人们总说科学是美丽的，但我不明白科学为什么是美丽的。 古希腊和拉丁语的座右铭说：“简单是真理的标志，美是真理的光辉。” 那个时候，好东西被发现了，真实的东西确实是有一些特点的。 这些特点实际上都被传承下来了。 这个人Chown是一位物理学家。 他说：如果有一种理论解释是物理学家认为是美的，而另一种是丑陋的。 一般来说，美丽的总是对的。 这是怎么发生的？ 我不懂美学。 我无法理解的科学一定是美丽的，但它不一定总是美丽的。
狄拉克说：物理定律必须具有数学美。 美的定义是什么？ 我不知道。 当然，也有例外。 上个世纪最大的两个发现是广义相对论和量子力学。 广义相对论的发现立即得到了理论物理界的响应。 虽然爱丁顿爵士当时说真正理解广义相对论的人不超过三个，当然他是一个，爱因斯坦也是一个，第三个人就不得而知了。 大多数人不知道广义相对论的真正内涵。 他们只是在读完它所描述的内容后才认为它很漂亮。 爱丁顿测试了日全食，看看光线是否弯曲。 测量结束后，他发布公告称，他证实了爱因斯坦的广义相对论，光路确实是弯曲的。 多少年过去了？ 几年前，一些好人把爱丁顿的数据分析得出这样的论点是不可能的，因为它几乎都是噪音。 因为这个理论是如此美丽，所以我确信它是正确的。 虽然测量噪音很大，但是你看它有点歪。 量子力学受到的对待尤其糟糕。 物理学家认为量子力学太丑陋了。 费曼认为没有人了解量子力学。 猫的状态是生与死的叠加。 在最近的一项实验中，一只猫可以同时存在于盒子中。 那个盒子的存在，你说它有多奇怪，没有什么奇怪的东西，也没有现在的技术，这就是一个丑陋的例子。
最后我给大家举个例子。 玻尔兹曼评估了空气动力学的推导。 他发现这个过程是用音乐的语言来描述的，“速度的变量一开始就表现得庄严而华丽。然后状态方程从一侧切入，从另一侧切入用心切出的运动方程”场上，公式的混乱度增加，突然，定音鼓敲响了四个音节“让n=5”，未知的精神消失了；同时，就像音乐中的情况一样，一直突出的低音突然落了下来。无声无息，原本看似难以逾越的事情，现在魔杖一挥就被消除了，结论一个接一个，最后突然来了一个意想不到的高潮，热平衡条件和输运系数的表达，场景出现，然后落下帷幕！” 完全用音乐审美的语言来欣赏推导理论。
说完了科学，我们再来谈谈与科学及其对立面相关的东西——伪科学？
什么是伪科学？ 伪科学是尚未完全发展起来的半成品科学判断。 我举个例子，可能会得罪一些人。 达尔文进化论是伪科学。 为什么这么说？ 进化论在生物学中起着核心作用。 这句话已经被引用N次了。 没有进化论的生物学是不可理解的。 但从严格的科学定义来看，进化论不能或正在成为科学结论。 为什么？ 让我提出一个纳入伪科学的基础。 使用进化论本身做出的推论有时是不可证伪的。 我举个例子，为什么兔子的耳朵很长？ 进化论说兔子害怕大灰狼。 为了听听大灰狼在哪里，如果跑不掉就会被吃掉。 只要耳朵长大，听力就很好。 耳朵随着时间的推移而长大。 这是一个解释。 这个解释能被证伪吗？ 我不这么认为。 如果你发现一只耳朵短的兔子，进化论会解释，随着兔子的耳朵长大，大灰狼更容易看到它，看到它就会被吃掉，所以兔子的耳朵慢慢进化并且变得越来越小。
因此，在测量之前总有一些话要说。 我觉得（这个）不能算是一个科学的判断，也不能算是一个科学。 现在进化论正朝着定量和可预测的方向发展，有两种理论可以被证伪。 一是 20 世纪 50 年代（罗纳德·费舍尔）的理论可能被证伪。 他表示，一个物种的进化速度与其差异性呈正相关。 这是一个定量的描述。 这种定量描述已被用于许多实验中。 证明。 我最近遇到的一个人说，生物进化的方向就是能量耗散最大的方向。 这个断言也可以被证伪。 所以达尔文的进化论虽然现在还没有成为一门真正的科学，但它正在成为一门科学。 这是我的观点。
我们再看看伪科学。
我们再看看伪科学。 让我举一个例子。 从历史的定义来看，什么是伪科学？ 历史的最初定义是这样的。 历史是对已知历史数据最简单、不矛盾的解释。 这显然是一个科学的定义。 第二个有问题。 定义历史数据。 历史数据是文档。 考古发现是历史学家的陈述。 这是个问题。 你是院士，我是研究生。 我的学业成绩比你高。 你的成熟度正确吗？ 你是主任，我是部长。 部长肯定比你年长，所以你必须听我的。 这位历史学家的说法为伪科学增添了一些私人色彩。
◆◆◆2. 成为科学家的五个要素
科学家认为，在五大特征中，最重要的一个就是好奇心。 让我举一个例子。 现在我们带孩子出去散步，很少能看到月亮了。 如果有一天有月亮，我们把它们拿出来，孩子们可能很大概率会问这个问题，月亮为什么跟着人走？ 恐怕你们有些人无法回答为什么月亮跟着人走。 现在你是否还问这个问题，就是考验你是否具备科学家的素质。 如果一个科学家没有答案，他一定会追根究底，知道原因。 他会给大家留下一个课外题，看看他看到的月亮为什么会跟着人走。
十年前有一篇文章发现鸽子走路时头部会动。 摄像机盯着鸽子的眼睛，发现它的眼睛很长一段时间没有动，过了一段时间又动了。 （因为）它需要测量外界物体角速度的变化。 这也是月亮跟着人走的道理。 另一篇文章中，蜜蜂落地时非常稳定，不会因为速度控制不好而摔倒在地翻跟头。 它是如何控制的？ 它也是角速度。 在最近的一篇文章中，当蜻蜓捕食时，它的飞行轨迹非常奇怪。 它为什么要用这个轨迹来吃蚊子呢？ 结果发现，从蚊子的眼睛看蜻蜓的角速度为零。 以此为例趣味物理实验牛三，有一种新的地空导弹设计。 原来有两种策略，一种是拦截，一种是追踪。 对于下一代地对空导弹，从飞行员的雷达来看，导弹在屏幕上永远不会移动。 雷达最敏感的是角速度而不是速度。 科学家的品质就是，如果我不知道这个问题，我一定会问到底。
第二条规则是奉献精神。
前几天我读到一篇文章，说研究科学不是人类的工作。 确实，学习科学的失败率非常高，我们必须与世界上最聪明的人竞争。 而如果只差一步，几年前的所有努力就都白费了。 你必须承认失败。 失败率可能达到90%甚至更高。 既然如此，我怎么支持你做科研呢？ 如果你喜欢，我会做一辈子。 我不会做任何其他事情来赚钱。 有了这种精神，你才能成为一个科学家，一个真正的科学家。 孔子曰：“朝闻道，夕死”。 国外也有人说：“我现在已经是老人了，有一天去见上帝，我希望得到上帝的启示，有两件事，一是量子电动力学，二是流体湍流。第一，我很乐观。“我们已经有了量子力学，湍流还处于早期阶段。
三是兴趣广泛。 只有善于读书、不求深奥、兴趣广泛，才能成为一名优秀的科学家。 原因是，第一，我们发现很多不同的科学领域背后的规律其实是相同的； 其次，你必须有一定的距离才能看到一些东西，才能看到更多。
第四是直觉。 真正的概念突破必须突破原有的逻辑框架。 它必须要么符合逻辑，要么基于盲目的想象。 有句话让人千寻万遍，蓦然回首，却是在灯火阑珊处！ 转念一想，也许他是对的。 最要避免的是现在的高考精神。 高考精神永远培养不出一流的科学家。 它强调的是“头悬臂，锥刺骨”。 据说河北一所学校实行准军事化管理。
最后一个是社会责任。 首先，众所周知，科学发现是一把双刃剑。 第二个是什么？ 一旦科学发现公布了，你想收回它，这是非常危险的。 这就像打开潘多拉魔盒。 一旦打开了潘多拉魔盒，魔鬼放出去之后就不可能再抓到了。 第三条 如今，人们接触科学的门槛越来越低。 在本世纪的某个时候，也许是2050年，高中生可以在厨房里合成病毒，以及他们可以用病毒做什么。 有部电影。 选择宇航员存在问题。 当你看到一种具有更高智慧和更高技术的生命形式时，它只会允许你问一个问题。 你会问什么样的问题？ 这位女同学说我想问这样一个问题，“你们技术这么先进，你们是怎么做到的，在开发的过程中又不毁掉自己呢？” 我们科学的发展不慎会给人类带来巨大的危害。
过去的亮点
本期编辑|以太坊
全球物理学
ID：
全球物理以物理学习为主题，以传播物理文化为使命。 主修物理，致力于物理！ 目的是激发学习者学习物理的兴趣，分享物理智慧，学会用物理思维思考问题，向大家展示一个有趣、多彩、神奇的物理世界！
支持热线：
请联系我们提交意见
地址：北京市海淀区苏州街名商大厦环球物理1101
