张双南:科普的正确打开方式

发布日期:2016-08-24

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张双南研究员在首届罗梭江科学教育论坛上作报告

为什么中国特别需要科普?

中国古代的文化和技术都远远比西方发达,但是为什么没有产生现代科学?

中国古代的农学、药学、天文学、数学等都曾经世界领先,但都是在总结经验的基础上产生的一些实用知识,先人们没有对这些知识做出进一步的理性和系统的整理和抽象概括,探索内在规律,使其成为系统的科学理论。中国古代的造纸术、指南针、火药和活字印刷术非常伟大,但是它们都不是科学发现,而只是技术发明。我们的祖先没有刨根问底地去研究这些技术背后的规律,因而这些技术没有发展成科学。中国古代天文观测也比西方发达,但是同样由于没有探究背后的规律,理论发展成了占星术,技术方面的发展服务于农业,最后也没有产生科学。

中国古代并不缺乏思想家,也不缺乏对整个宇宙的思考。但是中国传统文化强调的是人和自然、人和宇宙的关系,强调天人合一,中国的传统思想家满足于形成一套可以自圆其说的思想体系,并不重视探索统治自然和宇宙的基本规律。

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讲座大纲

中国人耳熟能详的“两小儿辩日的故事,本来是严肃的地球大气科学、光学、测量学等科学问题,但是两千多年以来在中国没有作为科学问题进行研究,反而作为孔子的笑料。以诡辩代替刨根问底,以赢得辩论代替追求真理。同样,“杞人忧天”的故事里,气、日、月、星宿和地为什么不塌,都是严肃的地球大气科学、天文学、力学和地球科学等科学问题,但是在中国作为笑料嘲笑不切实际的人,没有作为科学问题进行研究。以自圆其说代替刨根问底,以实用主义代替追求真理。

 

尽管中国近代逐渐开始重视科学,但是中国的教育体系至今也只传授科学知识,不进行科学教育。关于科学的目的、精神和方法这三个要素,在中国的教育体系里面几乎从来都不涉及。这是中国民众科学素养偏低、中国社会普遍缺乏科学精神的一个重要原因,这也是中国迫切需要加强科学教育和科学普及的原因。

 

科普要普什么?

科学教育和普及不但要传播科学知识,更重要的是要教授科学的三要素:科学的目的是发现各种规律,科学的精神是质疑、独立和唯一,科学的方法是逻辑化、定量化和实证化。知识会过时,思想和思维会影响人的一生。就科学普及而言,尽管形式可以多种多样,但是讲故事、接地气和抓热点是基本技巧。

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科普需要明白科学的研究步骤和逻辑

讲故事

以建立了自然科学研究方法的天文学研究为例,我们来看看天文学研究历史。古希腊人提出的是地心说,很符合当时人们的天文观测。但是后来人们发现,行星不总是按一个方向绕着地球运行的,有时候会出现逆行。地心说很难解释这样的逆行现象。后来,托勒密修改了地心说模型,认为行星不仅绕着地球转,本身也有一个轮子并绕着轮子转,这样就可能在地球上观测到行星逆行。托勒密改良的地心说似乎已经是很好的模型了,但是哥白尼觉得这个模型太复杂。他抛弃地心说提出了日心说。在日心说的模型下,地球和其他行星绕着太阳运转,由于各自运行周期不同,就可能在地球上观测到行星逆行的现象。但是哥白尼的日心说假设行星运行的轨道是圆形的,和更精确的天文观测结果不一致。后来开普勒发展了日心说,提出行星椭圆轨道的日心说模型,进而有了开普勒三定律,解释了当时所有的天文观测资料。但是开普勒三定律仍然不是科学规律,而是经验规律,因为它不能回答为什么行星的运行轨道是椭圆形的。直到牛顿力学三定律和万有引力定律的出现才把开普勒的三定律上升为科学规律,它从原理上解释了开普勒的三定律。人类也因此有了第一个科学规律,并预言了海王星的存在。后来,海王星的发现证实了牛顿万有引力定律的正确性。

 

从上面的天文学发展故事中,我们可以看出自然科学的一般方法:通过观测和实验积累资料——归纳总结得到经验规律——演绎并创建模型——预言,观测实验——推翻模型、验证模型或修改模型——演绎科学规律——预言,观测实验——验证和推广规律——预言,观测实验……

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培养质疑精神是科普最重要目标之一

接地气

如果以科学的方法来定义“美”,发现“美”的法则,可以把它归纳为“没缺陷、不常见”这两个美学两要素。归纳完了,我们需要举例证实这两要素是否正确。有人会说,美学理论里有“残缺美”、“距离产生美”、“有爱就有美”的说法。但是,像维纳斯这样的残缺并不是艺术功能上的残缺,因为作为艺术品本身它并没有残缺;距离和爱实际上掩盖了缺陷,造成了审美者“没缺陷”的主观印象。按照这样的程序,不断用例子证实和改良美学两要素,并对其进行逻辑化、定量化、实证化,才能最终得出“美”的法则。

 

其实,用美学这两要素也可以解释科学和技术的区别。技术是弥补缺陷发明不常见,科学是修正缺陷发现不常见。科学技术创新的本质就是对美的追求。牛顿万有引力定律在当时是没缺陷、不常见的,是很美的科学理论。但是,爱因斯坦不这么认为,他觉得牛顿万有引力定律也是有缺陷的,比如它违反狭义相对论并且无法简洁地解释某些天体的反常行为。广义相对论修正了牛顿万有引力定律的缺陷。另外,最近引力波的探测发现证实了广义相对论当初的预言,更凸显其没缺陷和不常见。我认为它是当下最美的科学理论。

 

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张双南老师科普工作的“初心”

科普要抓住热点,不断更新。比如2014年,借电影《星际穿越》可以科普黑洞等科学问题,用男主人公进入黑洞去获取量子数据的情节科普科学的方法与严谨性。又比如,2015年的广义相对论100年和2016年引力波天文台LIGO的引力波发现同样提供了很好的话题,以科普广义相对论是如何修正牛顿万有引力定律的缺陷以及如何通过精确的实验和观测验证科学理论。

现在的科学教科书里面充满了外国人的名字,现在的技术都是基于外国人的科学发现。希望我们的下一代改变这个情况。让我们一起不忘初心!

 

来源:西双版纳热带植物园 微信公众号

作者:张双南,中国科学院高能物理研究所研究员。本文是邱文晖根据他在首届罗梭江科学教育论坛上的大会发言录音整理而成,文稿经过张双南研究员的审核。

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