<

科学文化漫谈-王直华

  







  主讲人简介

  王直华,60年代从清华大学电子专业毕业,毕业后从事科学研究工作多年,后调至科学时报从事科技新闻报道工作。曾任科学时报副总编。现任中国科普作协副理事长。出版过《小行星撞地球》等多篇科普著作,发表《论新闻科普》、《论素质教育》等多篇论文。

  内容简介

  科学和文化应该有一个很好的融合。但是科学和文化的融合需要转变观念,真正的科学大师们一般都有独特的视角。在这里我想举一个物理学家的例子。这个物理学家是狄拉克,他在三十年代前后,提出来反物质的概念,他的观念也是非常的超前的。突破了当时人们的日常思维。现在大家再看一幅科学图像,在这儿我们真的欣赏到科学之美,在这里我们也看到科学的线条美。实际上科学既有它的线条美,也有它的色彩美,还有它的动态美,我们看科学它有美感,科学是完全可以欣赏的,而科学体现出来的美,有的时候是需要转换我们的视角,才能发现科学的真理之美。著名的科学家汤姆生,他说,在对科学发现做出贡献的诸多因素当中,观念的转变是最伟大的。所以我们要注意在做研究的时候,在我们做艺术创造的时候,要注意观念的转变。

  另外我们也需要丰富想像,转换视野。比如著名的物理学家爱因斯坦,他总结他的经验,就认为研究科学,也需要在艺术上有所涉猎。爱好非常广泛才能开拓思路,敏锐直觉,启发思维。所以他做出了物理学史上的第四次大综合,并不是偶然的。爱因斯坦总结他的经验,他说:“如果没有我少年时代音乐方面所受到的教育,我以后的各方面的成功,就是不可能的。”我们要把理性和感性、认知和情感、知识和文化很好地融合起来,实现互融互补和互动。

  全文

  今天我们讲的题目是《科学文化漫谈》,我先从语言文字说起。比如说我们经常见到这样的表述:说香蕉可以防止便秘,说石榴可以防止衰老。我就讲这个事情恐怕是有条件的,香蕉能够防止便秘,你把香蕉放在桌子上放两个月,它也不会防止你便秘。你把石榴放在那儿不吃它,也不会使任何人防止衰老。所以这样的语言表述它本身就不够准确,它就需要有一个条件在那儿管着这几句话。所以语言文字的事情是跟我们生活密切相关,又非常重要的一个文化的载体。

  这个时候我就想到我一个朋友翻译的一本书,我这个朋友是文化功底非常深的,整个书翻译得非常漂亮。我就给他提了一个意见,我说你这个佼佼者不能这样用,他讲一个诺贝尔奖金获得者是佼佼者里的佼佼者,在咱们日常生活中,大家都认为佼佼者是非常水平高,非常优秀的人。实际上在咱们的汉语里佼佼者并不是这样的人,中国的古人说叫做“庸中佼佼”,就是平庸之上的人这是佼佼者。所以你说一个人是佼佼者里的佼佼者,那就是说他在中等以上的这种人里头还不是水平不是很高的,还是一个中等的人。所以这样的表述就等于不是在表扬一个人,而是在批评一个人。所以对于语言文字的了解呢,需要我们下功夫来做。即使是水平相当好的人,也有进一步提高自己的语言艺术这样的问题。这个时候我就想起北大的一位教授,实际上他是系主任了,在每年开学的时候他就会给同学们讲:你们来学文学这个专业,首先要敬畏文学,要敬畏它,对文学要有一种敬畏之感。所以我们的语言文字一定要用得非常规范,一定要以敬畏之心来珍惜祖国的语言文字,像严复他就说过,叫做“一名之立”,确立一个名词,一名之立,他要辗转反侧,要犹豫不决,十天半个月,所以用这种精神来做我们的事业,所以我就讲我们人人要渴求知识,人人要积淀文化。

  这里我向大家推荐美国著名的天文学家,也是美国著名的科学作家叫卡尔萨根的一句话,他说“我们探索宇宙,一要勇于怀疑,二要富于幻想”。所以咱们就从这个话题开始,下面讲我们需要转变观念,科学大师的视角。现在大家看到的呢,就是世界上第一块集成电路芯片的样子。大家都经常说,最初的科学发现,最初的技术发明,很可能就是一个丑小鸭,现在大家经常用到芯片,我们经常用到计算机。大家都知道,现在计算机的芯片非常小巧,它的样子做得也非常美,是一件非常成熟的工业产品,但是第一个集成电路芯片就是这个样子,在这个芯片上,一共集成了几个东西呢?只有一个晶体管,里边有四个电阻和三个电容,一共就这么八件东西。然后它们当中的连线当然也都集中在这个电路里边,这个集成电路最早是由美国的一个工程师叫做基尔比,在1958年做出来的。因为我们要讲到科学家的视角,我们就要看一看,他做集成电路,他是怎么看这个问题的。

  当时科学家把电子的元件尽量做小,因为把这些元件做小了,损耗的功率可以减小。但是当时基尔比是1958年刚进入美国得克萨斯仪器公司,当时他就对这个减小元件尺寸这个做法,并不感到满意,他就要闯一条另外一条路,用一种新的视野,新的视角来看这个问题。他就想,我能不能把这些元件都用一个新的工艺做在一个芯片上,这样就可以大大地降低它的尺寸和重量。这个时候正好老板带着员工到外地去出差了,去休息去了。那么他就没有去,他就在他的实验室里边设计他这个第一个集成电路的图纸,等这些人休息回来以后,他的方案也出来了,又经过两个月的努力,世界上第一个集成电路就做出来了。

  大家知道,在集成电路之前,我们使用的都是电子管,电子管就是这个东西,一个玻璃管,像拇指这么大的玻璃管。现在最新的集成电路,大家经常用的计算机里边的奔腾4,一个集成电路里边有多少个晶体管?一个集成电路里边现在有五千万个晶体管,就相当于在这样一个芯片上面,有五千万个这样的电子器件。就是我手里拿的,如果用电子管来做这些设备的话,有五千万个这个东西,有的人计算了一下,如果现在的手机用电子管来做,用电子管来做现在的手机,它那个大小就相当于一个160米高的一个巨大的纪念塔。而我们知道,最近几年大家也经历了电子器件的变化,也经历了我们所使用的,比如说移动电话的变化。我这里带来一个八十年代末的手机,大家看看这个手机,现在如果谁再打这个手机,大家一定感觉到他是老古董。这个是2000年左右出现的手机,然后大家再想像,如果是1958年他发明集成电路的时候,用电子管做的手机,将是一个160米高的一个纪念塔。所以这个基尔比集成的概念,给我们人类生活带来多大的变化,我们能够深深感受到。

  而且现在一个芯片上有五千万个晶体管,而当时在二十世纪五、六十年代,全世界一年的电子管的总产量是十亿个。大家可以比较出来,现在的20个芯片里边,含有的晶体管就相当于四五十年前全世界所有的厂家的电子管的产量。所以就看到,一个观念上的变革,由单个到集成的这样一个观念上的突破,就给科学和技术、给人类的生活,给我们经济和社会带来了多么翻天覆地的变化,这是我想讲的一个问题。

  另外我想向大家介绍一位著名的生物学家,她叫麦克林托克,她是美国的一个女科学家。她在二十世纪五十年代初就提出来,就是基因在染色体里边不是完全固定不动的,人们的观念就是基因就像一串珠子,串到这一串珠子里边来的珠子,它就不可能跳来跳去。但是她在研究这个玉米籽粒的基因突变的时候,她就提出来,老玉米的颜色发生了变化。它这里边就是因为它的基因发生了突变,她就提出来可以移动的遗传因子。所以在美国冷泉港一次学术交流会上,她就提出了这个观点。有的遗传学家就嗤之以鼻,说不要理她,她这个人简直是个疯子。过了几年,还是在冷泉港又开这个学术交流会,那么麦克林托克就把这几年的研究成果,又继续地向大家来报告。就是这样一个超前人们三十年,超前人们思想三十年的一个理论,在1983年获得了诺贝尔生物学奖。所以我们就看到,一个全新的,一个超前人们原来的观念的一个新的理论,往往跟人们的看法是完全相反的。一个说基因是不能动的,她自己的理论认为基因是可移动的,所以也是一个180度的转弯。

  在这儿我又想起一个物理学家——狄拉克,他在三十年代前后提出来反物质的概念。这个现在屏幕里演示的大家看的是非常美的一幅科学图像,从下边打进来的是一个伽玛射线,产生了一个带负电的电子,做螺旋运动。另外一个方向上又产生了一个带正电的电子在螺旋运动,这样正反电子或者叫正负电子它们在磁场里边划出了完全相反的两个轨迹,在这儿我们真的欣赏到科学之美,在这里我们看到科学的线条美。实际上科学既有它的线条美,也有它的色彩美,还有它的动态美。我们看科学它有美感,科学是完全可以欣赏的,那么狄拉克在1933年获得诺贝尔物理学奖的时候,他有一番讲话,这番讲话在我们今天的人们听来,可能都像是天方夜谭。我们就可以看到这个科学家的思想,他的想像是多么超前,跟我们原来的想法是多么地相反。他讲在我们地球上或者在我们太阳系里边,所有的物质都是由带负电的电子和带正电的质子组成的原子来构成的,这种很可能是宇宙里的一个特例。

  他说如果我们相信正负电荷具有完全对称性,宇宙里的物质具有完全对称性,那么就会想像还有星球是由带负电的质子,以及带正电的电子这样的原子来组成的。就跟地球上的物质完全相反,就是有的星球是完全是由反物质组成的,很多物质他说在宇宙里,有由反物质组成的星球。他说很可能这样的星球,正好是各一半。由物质组成的星球,由反物质组成的星球,在宇宙间可能是各一半。这样一种推测,这样一种科学的假设呢,实际上几十年来,人们都在进一步地做实验来研究。在今天几乎所有的粒子都找到了它的反粒子,科学家都找到了这一粒子的反粒子,未来的国际空间站,阿尔法磁谱仪升空以后,其中一个重要的任务,就是探测太空里的反物质。所以我们看到呢,这些科学家们的思维多么超前。

  这时候我就想起丁肇中先生有一句话,他说非常天才的科学家,他们跟疯子的距离可能是很小的。有一位著名的画家叫做达利,他跟马蒂斯和毕加索,在西方是齐名的。这样三个著名的画家,达利被曾经被人们说成是一个疯子,大家看一看达利的一个作品。达利是一个怪诞的一个艺术家,他曾经做一个雕塑作品,这个雕塑作品叫做太空象。他为了展示太空象之高大伟岸,你看这个太空象的腿,比一般的象多了一节腿骨,他就是这样来做自己的想像。所以有的人把他说是疯子,达利就说:“我跟疯子的惟一区别就是我还没疯。”所以就是说科学家和大的艺术家,他们的想法往往是跟常人有一个相反视角。

  实际上我们在欣赏作品的时候,也发现,就是欣赏艺术作品的时候也发现,很多艺术作品它也跟我们常人的想法不一样。比如说画家画一幅画,书法家写一幅字。他往往趋向于空灵,叫做疏可走马,密不透风,一幅书法它本身也是疏可走马,密不透风,让我们感到它的节奏和韵律美。大家看到这幅照片是黄山的一幅照片,徐霞客到了黄山。他说:“登黄山天下无山,观止矣!”已经到了顶了,所以黄山之美就在于它的怪石嶙峋,怪峰突兀。所以大家看到黄山非常美。写文章也一样,就是文如观山不喜平。写的文章如果平淡了,没有冲突了,没有上下跌宕起伏了,它也不好看。所以实际上做科学研究,和我们欣赏艺术作品这个道理也是一样的。

  这个时候,我要强调一点,就是我们在对原来的观念进行转变的时候,要注意避免无知的怀疑。我想起一个美国著名的物理学家拉比,他在二十世纪四十年代的时候,1944年获得诺贝尔物理学奖,他就提出来能够探测原子磁矩的这种共振的方法,叫磁共振的方法。实际上二十世纪七十年代出现的磁共振、断层扫描仪,就是由这个理论发展起来的。别人问他,你获得诺贝尔奖最主要的经验是什么?拉比回答说,他说我的最重要的经验就是每天我回到家里边,我的妈妈都问我,你给老师提了什么有用的问题没有?这就是他一生治学和研究的经验。

  另外,我们也有这样一个故事跟大家介绍,就是著名的物理学家刚才咱们讲到狄拉克,就是提出来反物质那个狄拉克。有一次他做报告,做报告下边一个学生向他提了问题,提了问题他就没有理会。跟他一起坐在台上的另一位先生就提醒他,狄拉克先生,下边有人向你提问呢。他就非常幽默地说,他提问题了吗?他没有提问题,为什么?下边那个青年人提的问题是:“老师你这个公式由第三步到第四步是怎么推导出来的?”这样的问题在科学家眼里不是问题。所以我们在做科学研究的时候,要提出有价值的和有意义的问题。所以这一段呢,我们可以用汤姆生一句话来总结。著名的科学家汤姆生,就是发现电子的汤姆生,他讲在对科学发现做出贡献的诸多因素当中,观念的转变是最伟大的。所以我们要注意在做研究的时候,在我们做艺术创造的时候,要注意观念的转变。

  下面我们讲我们需要丰富想像,科学大师的视野。在这儿我们展示了一幅非常美的图像,虽然是一副黑白照片,但是我相信大家看到它一定觉得非常美,这是一个晶体衍射的照片。自从伦琴发现X射线以后,利用X射线进行晶体衍射来研究物质的结构取得了很大的成绩。在上个世纪初一个著名的物理学家劳厄,他曾经用X射线做晶体衍射实验,被爱因斯坦称为最美的实验。所以科学也是非常美,科学很美,科学有它的理论美,有它的实验美,现在又出现科学的第三个支柱叫做计算科学,所以科学也有它的计算美,科学有它的数学美。所以在这儿,我们既看到了科学的实验美,也看到了科学本身它的形象美。

  在这里我想在这儿介绍麦克斯韦,麦克斯韦是实现了物理学第三次大的综合的这样一个科学家。他在1864年发表的《电磁场理论》,把电学和磁学以前所有的规律都用一组方程式,把它表达出来,所以他是完成了物理学史上第三次大综合。能够做到这个工作的,跟他自己的全面素养是分不开的。那么麦克斯韦,他有非常好的家庭教育,他的母亲在他小时候,8岁他的母亲去世了,也是患癌症去世的。他的父亲把他送到了学校,从那个时候开始,他就对数学,对英语都非常感兴趣,对科学也非常感兴趣,他对拉丁文也很感兴趣。甚至在上学的时候,他对诗歌也有很浓厚的兴趣,所以麦克斯韦是一个爱好非常广泛的一个人。

  他在14岁的时候就研究了画椭圆的方法,实际上当时能够研究画椭圆的方法的人呢都是像牛顿和笛卡儿这样大牌的学者,所以当他的论文交给的当时的学校的一个科学哲学老师以后呢,老师都感到非常惊讶。这个老师叫做福布斯,然后福布斯很快就把他的作品提交给了爱丁堡的皇家学会,爱丁堡皇家学会的会报,很快就发表了他这个论文。当时的麦克斯韦只有14岁,所以他的数学功底,他对数学的爱好,跟他以后的成功都有非常大地关系。后来他就上了爱丁堡大学,这个时候呢,他就不仅是研究科学,和研究数学,他自己呢,还研究美学,还研究哲学,他对历史也非常感兴趣。后来他就讲了一句话,他说做一个科学家,不能只研究自己的具体的专门学问,还要对哲学、对历史、对美学感兴趣,这是他的一个非常鲜明的观点。所以麦克斯韦能做出物理学上的一个综合性的工作,跟他自己的全面的爱好,跟他自己广泛的视野,是有关的。这个图上有两位伟大的科学家,后面那位是牛顿,前面这位是爱因斯坦。爱因斯坦呢,他也是做出了物理学史上第四次伟大的综合,第四次大综合。他从小学的时候,6岁的时候就在母亲的引导下,他就学小提琴,到13岁的时候,他又对几何学和哲学感兴趣,所以爱因斯坦他的爱好非常广泛。那么他呢,就是在1905年提出狭义相对论,1913年做出广义相对论,做出了物理学史上的第四次大综合,也不是偶然的。

  所以爱因斯坦总结他的经验,他说:“如果没有我少年时代音乐方面所受到的教育,我以后的各方面的成功,就是不可能的。”所以爱因斯坦自己有非常深刻的体会和感受。下边这幅图呢,就是一幅关于质量和能量关系式,爱因斯坦著名的质能关系式的一幅宣传画,在这儿我们真的欣赏到科学之美。我们看科学它有美感,科学是完全可以欣赏的。

  实际上艺术作品也同科学发现一样,人们也要有不同的视野。要比常人有更宽广的视野,比如这一幅照片,大家看很像中国的一幅山水画。但实际上呢,它拍的是石林,大家一想到石林的照片,就是那一根一根的石头柱子。但是这个地方,我们看到从局部一个很小的范围来拍石林,也是非常美,给我们一种中国的国画的感觉。这是颐和园里石舫的一个夜景,我们古人曾经有个说法,凝视月亮就会产生诗一般的灵感。我们的古人呢,在几千年的文化里边,留下了很多的咏月的诗篇,屈原的《天问》、张若虚的《春江花月夜》、李白的《把酒问月》和苏轼的《水调歌头》,都是咏月的,非常好的作品。

  在屈原的《天问》里边他提出这样的问题:“日月安属,列星安陈。”太阳和月亮是怎么样挂在天上的呢?天上那么多的星星,它是怎么排布在天上的呢?这是对大自然奥秘的一种探索,张若虚他留下来的诗,我们只知道他有两首诗,但是就有一首成了千古的佳作。所以有人曾经评论过他,叫做:“孤篇横绝 竟成大家。”他只有一篇作品流传到后世,但是他却是唐代诗人里边一个大家,有的人评论他的《春江花月夜》是诗中之诗,是峰上之峰,是峰顶上的峰顶。张若虚这样的诗句真是脍炙人口:“江畔何人初见月,江月何年初照人。”李白的《把酒问月》:“今人不见古时月,今月曾经照古人。”我们看到这幅作品的时候就会有这样的感觉,看到今天的月亮,实际上我们就想到在这个月下曾经照过很多很多的古人。有一次我同一个天文学家在谈论苏轼的《水调歌头》:“明月几时有,把酒问青天,不知天上宫阙,今昔是何年。”他就讲这个苏轼能够知道天上的星体上的记时系统跟咱们是不一样的。我们知道月球上面,如果我们把月球当作琼楼玉宇的话,它那上边背太阳的一面,月球背太阳的一面最低的温度是零下180度,所以真是高处不胜寒。这些诗句既是对人生哲理的探索,也是对宇宙奥秘的探索,所以我们古代的诗人们,他们的想像是非常宏伟,是非常浩大的。拥有科学和人文的综合素质,拥有很宽广的视野,可以使我们有更宽广的思路,可以有更敏锐的直觉,可以有更活跃的灵感,和更丰富的想像,在发展科学和发展艺术当中能够发挥更大的作用。

  下面我们讲我们需要科学文化,科学大师的理念,在我们回顾科学和艺术的发展历史的时候,就有一个感觉,近代科学发展到一定程度之后,那么科学和艺术的分离,科学文化和人文文化的分裂,就越来越严重了。在二十世纪四十年代,梁思成曾经做过一次报道,题目就叫做《半个人的时代》,在1959年斯诺发表了《两种文化与科学革命》,到1965年又出了一本书,是马尔库塞写的《单维人》,这都是在探索科学文化和人文文化的分离。

  爱因斯坦在他的一篇名作叫做《论教育》里边提出,学校应该永远以此为目标,就是从学校出来的人,不只是个专家,应该是个和谐的人。中国的著名的美学家蔡仪呢,他提出来你要研究美学,必须有三门基本功:一个叫做美学的历史,一个叫做美学的哲学,再一个就是要研究一门艺术。朱光潜先生曾经说过:“不通一艺莫谈艺。”如果你对一门艺术没有加以研究,没有深入进去,你就很难去研究美学。所以我们提倡把科学和人文融合起来,我们研究科学,第一要钻进一门科学。同时呢,也要研究科学史,也要研究科学的哲学。所以呢,这三个方面是对于成就一个人的事业是非常重要的。

  在我们谈论科学和艺术之间的关系的时候,在我们提倡科学与艺术融合的时候,也要注意避免把科学和艺术直接对号。我们很难说爱因斯坦喜欢的哪一个曲子使他发现了相对论,这是不可能的。所以呢,我们要把理性和感性、认知和情感、知识和文化很好地融合起来,实现互融互补互动。所有的科学大师、艺术大师都是如此。我们在做科学教育,在研究科学,在进行科学传播的时候,也要这样来做。

  最近我写了一篇散文,今天我把它朗读给大家,与大家分享,与大家共勉。题目是《让我们到山顶上会合》。仿佛听见那位科学大师在太阳系的边缘向我们大声说话,那是科学哲人的语言,我们探索宇宙,既要勇于怀疑,又要富于想像;仿佛看见那位文学大师,在高山上向我们招手,文豪的话语如诗似歌,让人难忘。科学与艺术,山脚下分手,山顶上会合。向着那科学与艺术相拥的山顶,让我们一起攀登。凝神静思,那魂牵梦萦的山顶很高很远,昂首远望,那心仪已久的目标却越来越近。向着那科学与艺术相拥的山顶让我们一起攀登,征途中,知识共文化一色,直觉与灵感齐飞,专注携想像同行,激情源天地之美,水远山高,达万物之理,天荒地老。我们播撒着快乐,我们收获着幸福。在富于想像的攀登与创造之中,向着那科学与艺术相拥的山顶,让我们一起攀登,一起创造一起快乐,我们谁也不掉队,让我们山顶上会合,山顶上再见,谢谢大家。