7月23日，北京大學物理學院教授歐陽奇院士在第十八屆理解未來講座上發表主題為“科學、科學家與科學前沿”的演講。 他從“什么是科學”和“科學家做什么”開始？ 《成為科學家的五要素》三個方面為觀眾帶來了一場科學盛宴。
歐陽院士以自己為例，介紹了成為科學家的五要素：好奇心、奉獻精神、廣泛的興趣、直覺、社會責任感。
7月23日，北京大學物理學院教授歐陽奇院士在第十八屆洞悉未來講座上發表主題為“科學、科學家與科學前沿”的演講（大數據文摘記者魏子民攝） ）
◆◆◆1. 什么是科學？
今天我首先想談談什么是科學。
科學主要是自然科學領域，社會科學我了解不多。 我認為科學應該是相似的。 其次，我想談談科學家。 既然科學這么重要，從科學救國到科學謀生，都是科學。 科學家做什么？ 科學家的作用是什么？ 第三，如果有時間講一下當前的科學前沿，當然主要是物理學的前沿。
一切都必須有一個定義。 科學的定義是什么？ 我讀了一些東西，這可能就是我翻譯的。 科學是判斷的集合。 這個集合是自洽的，描述了自然法則。 我不太擅長翻譯。 從英文到中文，這大概就是科學。 科學是一堆所謂的斷言。 這些斷言必須滿足一定的條件。 首先，它們是自洽的，其次，它們反映了自然規律。
事實上，這個定義本身是有基本假設的。 第一個基本假設自然是遵循規則的。 不管是不是這樣，你可以說是，也可以說不是，這是一個問號。 我們的基本假設，科學家的基本假設是，至少有一些自然現象是有規律的。 其次，它必須是自洽的。 自洽是一個邏輯概念，意味著自然規律服從邏輯推理。 這個假設并不意味著任何人都認為是不言而喻的。 愛因斯坦曾經說過：世界上最不可理解的事情就是世界是可以理解的。 或者說，他為什么要有規則，這是最讓人無法理解的事情，但確實是這樣，這就是定義。
定義完之后，我們需要解釋一下什么是規律？ 當然，也有多種解釋。 最直接的解釋是，如果你發現了模式，你的信息就會被壓縮。 法律本身至少在壓縮信息方面發揮著一種作用。
我舉個例子，這是太陽，行星繞著太陽轉。 在開普勒之前，行星的位置以信息的形式記錄。 如果時間精度為一天，則意味著每天需要觀察并記錄一次。 如果時間精度為一小時，則需要每小時觀察并記錄一次。 時間精度越小，信息量越大，需要記住的也就越多。 然后開普勒出現了。 開普勒說沒必要這樣記，里面有規則。
他總結了三個規則：第一個規則是行星必須以橢圓軌道繞太陽運行，并且太陽必須是橢圓軌道的焦點。 其次，行星的面積應該相等。 第三，周期的平方與長軸的立方成正比。 有了這個規則，就沒有必要每天都記錄軌跡了。 你給我一個初始條件和一個初始數字，我就知道下一刻它應該在哪里。 開普勒制定了三個定律來壓縮信息。 牛頓在開普勒定律的基礎上提出了萬有引力定律和牛頓第二定律，進一步壓縮了信息。
有了這兩條法則，所有行星法則都可以掌握，信息壓縮量巨大。 不僅如此，它不僅解釋了行星的軌跡，還解釋了彈丸的軌跡，信息壓縮的范圍甚至更大。 其實第一個就是自然現象的信息是可壓縮的，而壓縮的方法就是尋找其背后的規律。 第二，自然現象是可以預測的。 我們不僅可以計算過去的情況如何，還可以計算出未來的情況。 第三，一定要有邏輯，而邏輯的表達就是數學。 也就是說，自然規律可以用數學來表達。 這就是科學的定義。
讓我們看看科學與其他知識之間的關系。
第一個關鍵詞是什么？ 它是自洽的。 自我一致性意味著這些科學體系的結論必須不存在矛盾。 剛才提一下藝術與科學的區別，我忘了可能是畢加索說過的。 他說：作為一名藝術家最好的事情之一就是我可以在腦海中保留兩種完全矛盾的想法，并相信它們都是。 是對的。 藝術家有這個自由度，但科學家絕對不能有這個自由度。 兩個完全矛盾的事物在邏輯系統中不可能重疊。 這是科學家最大的局限性。
還有一個關鍵詞。 這個邏輯系統必須描述自然規律。 讓我舉一個例子來說明數學和科學之間的區別。 純數學家最大的夢想是構建一個完全自洽的邏輯系統，與自然現象無關。 這是純數學家最大的夢想，但這個夢想卻常常被物理學家打破。 到目前為止，純數學家還沒有構建出一個特殊的自洽體系，這與自然無關，所以我們干脆將數學納入科學之中。 因為它無法創造這個系統，但夢想是創造這個系統。 純數學家說他們不想成為科學家，他們只想成為數學家。 例如，如果A×B不等于B×A，數學家必須創建A×B不等于B×A，但它很快就被用于量子力學。
諾貝爾獎獲得者史蒂芬·溫伯格表示，數學家最偉大的夢想之一就是構建一個與自然無關的邏輯系統，但他們總是失敗。 只需將數學家視為科學的一部分即可。
科學有界限嗎？
定義完科學，我們再來討論科學有沒有邊界？ 很多電影都說太空是科學的邊界。 情況可能是這樣。 有一天我們會挖掘出科學本質的一切規律，構建一個邏輯體系。 這個邏輯系統可以解釋一切現象。 是否可以？ 事實上，19世紀就有一位數學家用邏輯證明了這樣的系統并不存在。 這個人叫哥德爾。 哥德爾第二定理從數學角度證明，包含代數運算的邏輯系統除了加法和減法之外，還必須包括乘法和除法。 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。 換句話說，如果你想象你有一個完全完整且封閉的系統，那么它里面一定存在悖論。 科學不允許悖論。 科學只能處于前一種情況。 它是自洽的，但它是不完整的。 該系統始終開放。 這是科學的邊界。
科學本身沒有界限，但它為自然法則設定了界限。 例如，相對論為信息傳輸的速度設定了界限。 信息傳輸不能超過光速。 超越光速意味著因果關系可以顛倒，因可以變成果，果也可以變成因。 這是不允許的。 第二個，熱力學第二定律，大學生已經學會了。 它給出了熱機效率的邊界。 當兩個熱源工作時，任何熱機的效率都不能超過卡諾熱機。 量子力學也有邊界。 同時精確測量粒子的位置和速度是不可能的。 無論使用什么樣的精密儀器，都不可能測量出粒子的位置和速度。 這是一系列的邊界。
技術有限制嗎？
技術有限制嗎？ 從我們的定義中，我們會發現科學是有局限性的。 限制在哪里？ 事實上，自然現象的信息是完全可壓縮的嗎？壓縮到什么程度呢？ 我們不知道。 我們現在知道的是，我們正處于兩個極端的中間。 一方面是完全不可壓縮的，你的自然行為是完全不可預測的，現在我們知道這是錯誤的； 另一方面趣味物理實驗牛三，物理學家最希望看到一個大統一理論，一個包含世界上所有現象的理論。 所以我們不知道我們到底處于兩個極端之間的中間位置。 科學家必須從一側推向另一側，不斷發現新的規律，使我們能夠進一步壓縮信息。 這是科學的極限。
另一個限制是給饒毅一個挑戰，這就是腦科學的極限。 從信息論的角度來看，可以說，如果一個簡單的系統暗指一個復雜的系統，它就不會丟失信息。 這意味著什么？ 例如，如果將圖片放置在三維空間中，則可以保存圖片中的任何信息。 如果是一個復雜的系統，但復雜的系統不能暗指簡單的系統而不丟失信息，那么用二維照片反映人體肯定會丟失信息。 這是一個非常簡單的道理。
表示論也是如此，這意味著一個簡單的系統不能完全表示一個復雜的系統。 現在有一個推論。 推論是什么？ 我們無法完全理解比大腦更復雜的自然現象，自然界中也存在比大腦更復雜的系統我們無法理解。 如果我不明白怎么辦？ 我不知道這是宗教還是其他原因。 它有可能存在嗎？ 沒有人證明它不可能存在。 我認為它可能存在。 當然，大腦本身也在進化。 經過進化，我們將了解更復雜的系統。 這是科學的極限。
最后，我們來談談科學標準是什么。
20世紀60年代，卡爾的說法得到了大家的認可。 科學的核心是任何科學斷言都可以被證偽。 你做出的任何預測都可能被證偽。 在這種情況下，科學結論必須能夠預測。 做出預測后，可以進行實驗，看看是否與真實現象相符。 你必須修改、補充，甚至放棄結論。 這是第二個和第三個。 科學沒有終極理論，證偽是不對稱的。 已被證偽3次，未曾證偽。 不知道第四個實驗能否證偽。 所以你對牛頓定律做了十萬次實驗或者幾百萬次實驗，都通過了。 你說（它是）終極法則，（但是）你可能第一百萬次發現它與它不一致，那么你必須修改它以表明定義是不對稱的。
讓我舉一個例子。 這個例子很有趣。 這是通過邏輯推理得出的結論。 我們先來看四個現象： 現象一：日本人吃的脂肪很少，比美國人和英國人更不容易患心臟病。 這是通過實驗觀察到的； 現象二：法國人脂肪攝入較多，患心臟病的可能性較小。 比美國人和英國人少； 現象三：日本人很少喝紅酒，比美國人、英國人更不容易患心臟病； 現象四：意大利人喝大量紅酒，比美國人和英國人患心臟病的可能性更小。 美國人和英國人較少。 經過這個實驗，我們得出一個推論：吃胖、喝酒與健康無關，說英語會殺人！ 這是我們根據有限的實驗得出的結論，邏輯上是無可挑剔的。 但你的結論經得起第五次實驗嗎？ 如果做不到，做不到的話該怎么辦？ 你必須修改你的結論，加入其他因素，然后發現相關性背后還有更深層次的東西。 這是一個非常直白的例子，告訴我們一個科學的結論。 當然，這并不是一個科學結論。 我們需要做出一些結論。 繼續做實驗來證明這一點。
最后我們來談談科學與技術的關系。
我們講了科學的定義、科學的特征、科學與技術的關系。 我們總是談論技術。 科學和技術根本不是一回事。 他們是表兄弟，但絕對不是同一件事。 如何定義呢？
溫伯格在《最終理論的夢想》一書中做了很好的定義：如果把人類對與自然關系的探索比作與上帝下棋，那么科學的任務就是理解棋的規則，而技術的任務就是理解棋的規則。是制定國際象棋策略。 這里有科學家和工程師，科學家的任務就是了解自然。 一旦我了解了自然，我就了解了這些法則，它們可能有用，也可能沒有用。 我將這些定律介紹給應用工程師。 他們知道這些規律，并根據這些規律設計各種裝置來做對人類有用或有害的事情。 這就是工程師的作用。 我們總是談論技術，但技術和技術不是一回事。 他們是什么關系？ 科學研究需要技術支持，有些科學研究需要觀察。 宇宙和微觀觀測要向前邁進一步，需要新的設備，這需要技術的支持。 科技的發展需要科學的指導。 只有了解了規則，我們才能設計設備來做某些事情。 一件事。 這個意義可以說是科學技術。 重要的是要記住，科學和技術不是同一回事。 科學家和工程師與完成任務無關。 科學家們只是在玩耍和探索。
科學也有美學的概念。
人們總說科學是美麗的，但我不明白科學為什么是美麗的。 古希臘和拉丁語的座右銘說：“簡單是真理的標志，美是真理的光輝。” 那個時候，好東西被發現了，真實的東西確實是有一些特點的。 這些特點實際上都被傳承下來了。 這個人Chown是一位物理學家。 他說：如果有一種理論解釋是物理學家認為是美的，而另一種是丑陋的。 一般來說，美麗的總是對的。 這是怎么發生的？ 我不懂美學。 我無法理解的科學一定是美麗的，但它不一定總是美麗的。
狄拉克說：物理定律必須具有數學美。 美的定義是什么？ 我不知道。 當然，也有例外。 上個世紀最大的兩個發現是廣義相對論和量子力學。 廣義相對論的發現立即得到了理論物理界的響應。 雖然愛丁頓爵士當時說真正理解廣義相對論的人不超過三個，當然他是一個，愛因斯坦也是一個，第三個人就不得而知了。 大多數人不知道廣義相對論的真正內涵。 他們只是在讀完它所描述的內容后才認為它很漂亮。 愛丁頓測試了日全食，看看光線是否彎曲。 測量結束后，他發布公告稱，他證實了愛因斯坦的廣義相對論，光路確實是彎曲的。 多少年過去了？ 幾年前，一些好人把愛丁頓的數據分析得出這樣的論點是不可能的，因為它幾乎都是噪音。 因為這個理論是如此美麗，所以我確信它是正確的。 雖然測量噪音很大，但是你看它有點歪。 量子力學受到的對待尤其糟糕。 物理學家認為量子力學太丑陋了。 費曼認為沒有人了解量子力學。 貓的狀態是生與死的疊加。 在最近的一項實驗中，一只貓可以同時存在于盒子中。 那個盒子的存在，你說它有多奇怪，沒有什么奇怪的東西，也沒有現在的技術，這就是一個丑陋的例子。
最后我給大家舉個例子。 玻爾茲曼評估了空氣動力學的推導。 他發現這個過程是用音樂的語言來描述的，“速度的變量一開始就表現得莊嚴而華麗。然后狀態方程從一側切入，從另一側切入用心切出的運動方程”場上，公式的混亂度增加，突然，定音鼓敲響了四個音節“讓n=5”，未知的精神消失了；同時，就像音樂中的情況一樣，一直突出的低音突然落了下來。無聲無息，原本看似難以逾越的事情，現在魔杖一揮就被消除了，結論一個接一個，最后突然來了一個意想不到的高潮，熱平衡條件和輸運系數的表達，場景出現，然后落下帷幕！” 完全用音樂審美的語言來欣賞推導理論。
說完了科學，我們再來談談與科學及其對立面相關的東西——偽科學？
什么是偽科學？ 偽科學是尚未完全發展起來的半成品科學判斷。 我舉個例子，可能會得罪一些人。 達爾文進化論是偽科學。 為什么這么說？ 進化論在生物學中起著核心作用。 這句話已經被引用N次了。 沒有進化論的生物學是不可理解的。 但從嚴格的科學定義來看，進化論不能或正在成為科學結論。 為什么？ 讓我提出一個納入偽科學的基礎。 使用進化論本身做出的推論有時是不可證偽的。 我舉個例子，為什么兔子的耳朵很長？ 進化論說兔子害怕大灰狼。 為了聽聽大灰狼在哪里，如果跑不掉就會被吃掉。 只要耳朵長大，聽力就很好。 耳朵隨著時間的推移而長大。 這是一個解釋。 這個解釋能被證偽嗎？ 我不這么認為。 如果你發現一只耳朵短的兔子，進化論會解釋，隨著兔子的耳朵長大，大灰狼更容易看到它，看到它就會被吃掉，所以兔子的耳朵慢慢進化并且變得越來越小。
因此，在測量之前總有一些話要說。 我覺得（這個）不能算是一個科學的判斷，也不能算是一個科學。 現在進化論正朝著定量和可預測的方向發展，有兩種理論可以被證偽。 一是 20 世紀 50 年代（羅納德·費舍爾）的理論可能被證偽。 他表示，一個物種的進化速度與其差異性呈正相關。 這是一個定量的描述。 這種定量描述已被用于許多實驗中。 證明。 我最近遇到的一個人說，生物進化的方向就是能量耗散最大的方向。 這個斷言也可以被證偽。 所以達爾文的進化論雖然現在還沒有成為一門真正的科學，但它正在成為一門科學。 這是我的觀點。
我們再看看偽科學。
我們再看看偽科學。 讓我舉一個例子。 從歷史的定義來看，什么是偽科學？ 歷史的最初定義是這樣的。 歷史是對已知歷史數據最簡單、不矛盾的解釋。 這顯然是一個科學的定義。 第二個有問題。 定義歷史數據。 歷史數據是文檔。 考古發現是歷史學家的陳述。 這是個問題。 你是院士，我是研究生。 我的學業成績比你高。 你的成熟度正確嗎？ 你是主任，我是部長。 部長肯定比你年長，所以你必須聽我的。 這位歷史學家的說法為偽科學增添了一些私人色彩。
◆◆◆2. 成為科學家的五個要素
科學家認為，在五大特征中，最重要的一個就是好奇心。 讓我舉一個例子。 現在我們帶孩子出去散步，很少能看到月亮了。 如果有一天有月亮，我們把它們拿出來，孩子們可能很大概率會問這個問題，月亮為什么跟著人走？ 恐怕你們有些人無法回答為什么月亮跟著人走。 現在你是否還問這個問題，就是考驗你是否具備科學家的素質。 如果一個科學家沒有答案，他一定會追根究底，知道原因。 他會給大家留下一個課外題，看看他看到的月亮為什么會跟著人走。
十年前有一篇文章發現鴿子走路時頭部會動。 攝像機盯著鴿子的眼睛，發現它的眼睛很長一段時間沒有動，過了一段時間又動了。 （因為）它需要測量外界物體角速度的變化。 這也是月亮跟著人走的道理。 另一篇文章中，蜜蜂落地時非常穩定，不會因為速度控制不好而摔倒在地翻跟頭。 它是如何控制的？ 它也是角速度。 在最近的一篇文章中，當蜻蜓捕食時，它的飛行軌跡非常奇怪。 它為什么要用這個軌跡來吃蚊子呢？ 結果發現，從蚊子的眼睛看蜻蜓的角速度為零。 以此為例趣味物理實驗牛三，有一種新的地空導彈設計。 原來有兩種策略，一種是攔截，一種是追蹤。 對于下一代地對空導彈，從飛行員的雷達來看，導彈在屏幕上永遠不會移動。 雷達最敏感的是角速度而不是速度。 科學家的品質就是，如果我不知道這個問題，我一定會問到底。
第二條規則是奉獻精神。
前幾天我讀到一篇文章，說研究科學不是人類的工作。 確實，學習科學的失敗率非常高，我們必須與世界上最聰明的人競爭。 而如果只差一步，幾年前的所有努力就都白費了。 你必須承認失敗。 失敗率可能達到90%甚至更高。 既然如此，我怎么支持你做科研呢？ 如果你喜歡，我會做一輩子。 我不會做任何其他事情來賺錢。 有了這種精神，你才能成為一個科學家，一個真正的科學家。 孔子曰：“朝聞道，夕死”。 國外也有人說：“我現在已經是老人了，有一天去見上帝，我希望得到上帝的啟示，有兩件事，一是量子電動力學，二是流體湍流。第一，我很樂觀。“我們已經有了量子力學，湍流還處于早期階段。
三是興趣廣泛。 只有善于讀書、不求深奧、興趣廣泛，才能成為一名優秀的科學家。 原因是，第一，我們發現很多不同的科學領域背后的規律其實是相同的； 其次，你必須有一定的距離才能看到一些東西，才能看到更多。
第四是直覺。 真正的概念突破必須突破原有的邏輯框架。 它必須要么符合邏輯，要么基于盲目的想象。 有句話讓人千尋萬遍，驀然回首，卻是在燈火闌珊處！ 轉念一想，也許他是對的。 最要避免的是現在的高考精神。 高考精神永遠培養不出一流的科學家。 它強調的是“頭懸臂，錐刺骨”。 據說河北一所學校實行準軍事化管理。
最后一個是社會責任。 首先，眾所周知，科學發現是一把雙刃劍。 第二個是什么？ 一旦科學發現公布了，你想收回它，這是非常危險的。 這就像打開潘多拉魔盒。 一旦打開了潘多拉魔盒，魔鬼放出去之后就不可能再抓到了。 第三條 如今，人們接觸科學的門檻越來越低。 在本世紀的某個時候，也許是2050年，高中生可以在廚房里合成病毒，以及他們可以用病毒做什么。 有部電影。 選擇宇航員存在問題。 當你看到一種具有更高智慧和更高技術的生命形式時，它只會允許你問一個問題。 你會問什么樣的問題？ 這位女同學說我想問這樣一個問題，“你們技術這么先進，你們是怎么做到的，在開發的過程中又不毀掉自己呢？” 我們科學的發展不慎會給人類帶來巨大的危害。
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