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【前沿动态】小孩子一定要买的两个玩具

-------望远镜和显微镜

时间:2019-10-11 18:08:00     教务处—高宏

2019年10月8日瑞典皇家科学院宣布,将2019年诺贝尔物理学奖授予吉姆·皮布尔斯(James Peebles)、米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)。奖项颁给“有助于大家理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置”的研究成果。其中,奖金的一半颁给来自美国的吉姆·皮布尔斯,以表彰其物理宇宙学的理论发现;另一半颁给来自瑞士的米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹,以表彰他们对于一颗围绕太阳型恒星运行的系外行星的发现。

而在此前的10月7日,2019年诺贝尔生理学或医学奖揭晓,美国哈佛大学教授威廉·凯林、英国牛津大学教授彼得·拉特克利夫和美国约翰·霍普金斯大学教授格雷格·塞门扎三人获奖。这是为了表彰他们在理解细胞感知和适应氧气变化机制中的贡献。据了解,这三位诺贝尔奖获得者做出的开创性发现,揭示了生命最重要的适应过程之一的作用机制。他们为大家了解氧气水平如何影响细胞代谢和生理功能奠定了基础。他们的发现也为抗击贫血、癌症和许多其他疾病的新策略铺平了道路。不知道大家有没有想过,天文学和生物学、医学是往两个尺度上研究这个世界,天文学是往大尺度的方向,而生物学、医学是往小的尺度方向。这两个方向的研究需要两种最基本的工具--望远镜和显微镜。

首先向同学们科普一下,望远镜和显微镜在人类科学历史上的重要意义。望远镜的出现使人们开始抬头仰望星空,探究各种天体的奥妙和运行规律,试图探寻宇宙起源、物质演化的本质规律,爱因斯坦在总结前人研究成果的基础上提出了伟大的相对论,而且相对论已经被各种精密实验所验证,人类目前对宏观宇宙的认知就建立在相对论的基础上。显微镜的出现大约比望远镜晚了几十年,显微镜向人类打开了一扇通向微观世界的门,进入了这道门后,人们先是发现了各种微生物,这对生物医药科学的进步起到了不可估量的作用;后来随着显微镜的放大倍数越来越高,人们逐渐认识到物质是由许多微观粒子构成的,在不断研究这些微观粒子的过程中就总结提炼总结出了量子理论。现代科学的大厦由两个重要的柱子支撑起来,这两个柱子一个是相对论,另一个是量子理论;在人类由愚昧的黑暗的旧世界通往科学的光明的新世界的道路上横亘着一扇厚重的门,而打开这扇门的钥匙有很多个,这其中望远镜和显微镜是比较重要且出现比较早的两个。大家可能要说,相对论和量子理论听起来似乎很高大上,这和大家有什么关系呢?是的,相对论和量子理论确实很高大上,只有少数科学家可以搞懂这些艰深的理论,普通公众大多敬而远之,事实上大多数人注定成不了这方面的专家。但是从望远镜和显微镜出现到相对论和量子理论的诞生,这中间有一条清晰的脉络和一整套思维方式确值得大家借鉴。青少年买来的玩具级望远镜和显微镜也不能用来做科学研究,但是在玩的过程中可以学习到科学的思维方式进而产生对科学精神的向往和追求。

我写这篇文章的目的也就是想把我理解的这种科学思维和科学精神以及其可能在青少年成长过程中产生的影响分享给大家。一、学会了科学思维、具备了科学精神会使你成为一个坚定的无神论者。自从人类进化出了思维能力之后,就面临一个严重的问题,如何缓解对未知世界的恐惧感,对未知事物的说明权从哪里来?在这个问题困扰下,原始的人类惶惶不可终日。最终人们找到了解决问题的方法,那就是创造出主宰世界的各种神以及信仰这些神的宗教。一直到今天这个科学昌明的时代,宗教力量在人类社会依然很强大,即使是在美国这样一个头号发达资本主义国家宗教的影响依然随处可见。不管什么宗教或者神学体系有两个共同的特点,一个是对各种未知事物之间关系的安排,例如:人死后会下地狱,只有依靠某种宗教提供的神秘力量才能得以免下地狱。能不能找到完美的另一半是由前世修来的缘分决定的。一个人命中注定要发财或者破财,会在哪一年发财或者破财等等等等...另一个是有很多超自然的力量,例如:世界上有各种魔法强大的邪恶妖孽,需要法力无边的神来降妖除魔。妖魔或者神灵多数都具备移山填海、隐身遁形、腾云驾雾等超凡法力等等...如果你稍有科学常识的话就会发现上边这些说法在现代科学面前都无法自圆其说或者举出实证。但是如果你只能认识到这一点的话,说明你对科学的了解还太少。宗教体系或者神学体系最大的特点是这个体系是想象出来的,是构建于人脑子里的体系,不是事实,也不是真的世界。这里请特别注意类似宇宙学、天文学的很多体系也是构建于科学家的脑子中,但这种构建有严谨的数学计算做支撑,很多结论需要观测事实来佐证,没有得到实证之前只能算假说,比如著名科学家霍金的很多理论就是这样。而相比较来讲宗教或者神学的体系就粗糙很多了,不但不能进行逻辑演算和推理,有时还自相矛盾。宗教或者神学体系既然是想象的,那就引出一个很有意思的问题。到底是想象力构建的神的世界更奇妙,还是物理规律支配的真实世界更奇妙呢?先给出我的答案,真实的世界比虚构的神的世界要奇妙和不可思议的多。在中西方神话中都有很多吃人的恶魔,这些恶魔吃人的手段残忍,有些专吃小孩,有些专吃人的某一部分,总之就是各种光怪陆离、惊悚恐怖。然而在现实世界中肉眼不可见的细菌、病毒等微生物可以轻易的杀死成千上万的人,例如1348年1352年,短短四年时间,黑死病断送了欧洲三分之一的人口,保守估计总数约有2500万人,而在这之前和之后欧洲都发生过黑死病的大流行。现在大家知道引起黑死病的罪魁祸首实际就是一种叫鼠疫杆菌的细菌,由老鼠和跳蚤传播,而且人们也早已发明出了对抗这种病菌的方法。很显然细菌消灭人类的“效率”比神话中的恶魔要高得多。中西方神话中还有另一个经典的桥段,就是神灵会把作恶多端的恶魔囚禁,可以是收进某种容器,可以装进瓶子、可以压在山下、或者用锁链锁住,总之恶魔是罪有应得、咎由自取,正义最终战胜邪恶,结局总是大快人心的。而在现实世界中,大量物质在引力的作用下聚集,构成各种天体。小一点的就是陨石,再大就是各种行星,再大就是各种恒星。较小质量恒星死亡后会演变成白矮星,例如大家的太阳,中等质量的恒星死亡后会演化成中子星,大质量恒星死亡后会演化成黑洞,多个黑洞还会合并成更大的黑洞,例如2019年刚刚公布的人类首张黑洞照片中的那个黑洞质量就达到了太阳质量的65亿倍。很显然黑洞要比任何神仙手中的囚禁恶魔的法器要利害得多,不仅可以囚禁物质,甚至连光也无法逃脱。由此大家可以看出宗教或者神学体系是当时的人们,依据自己可以感知的世界加上一点想象力虚构出来的,既然虚构就有夸张的成分,但这种夸张的程度还是太小了,远不及真实的世界中的事实,只要大家沿着科学指引的道路走下去,就一定可以走出一个光明的未来。随着科学的日渐昌明,如今的人类已经不再需要神灵的庇护,相信在未来人类一定也不再需要神灵提供的精神慰藉。有宗教信仰的人怀有对神灵的敬畏之心,而信仰科学的人更要有对科学强大能力的敬畏之心,两者之间并不矛盾。否定神的存在并不意味着要大家放弃应有的敬畏之心。人如果没有敬畏之心就会为所欲为、无法无天,这将会带来严重的后果。越是具备强大的能力越应该心怀敬畏,科技不断进步需要更高的道德水平来约束。二、学会了科学思维、具备了科学精神会使你变得更加自信也更加谦卑。人类社会出现数十万年以来,人类不断进步,创造出各种奇迹,今天的人类空前强大,拥有很多不曾有过的能力,这也使人类整体变得更加自信。人类的这种强大有两个基本前提,一个是获取的物质越来越多,例如学会了种粮食、开采煤炭石油等,另一个是获取的能量越来越强,早期的钻木取火,后来用电、再后来搞出核武器。然而随着人类的足迹踏遍大家这个星球的每一个角落,人们发现地球是有确定大小的,地球上的总体资源是有限的,很多资源是不可再生的,比如煤炭石油需要数以亿年的时间才能形成,黄金、白银、核裂变的铀等贵金属是上一代超新星爆发后的产物,无法人工制造,而且随着人们生活水平的不断提高,人类需要的物质和能量越来越多。认识到这一点之后有人喊出了:“人类只有一个地球,请珍惜大家唯一的家园!”的口号,的确构建环境友好型和资源节约型社会是大家当前唯一的选择。然而也有另一派天生乐观的人提出了质疑,他们反问:“石器时代结束,是因为石头用完了吗?”他们甚至打了一个比方,原始封闭的山村里有一个农民小强,小强每天上山砍柴,砍回来的柴小心照看,小强从不出远门,因为他担心自己出远门后,邪恶的城里人会来偷走他的柴,然而小强不知道的是,城里人根本就不烧柴。这些乐观派认为,人类这么强大,怎么会找不到足够的物质和能量呢?这两种观点到底哪一种对呢?都对。从短期来看,地球确实是大家的美丽家园,保护地球就是保护大家自己,而且保护环境本身是文明进步、道德高尚的表现。而从长远来看,也大可不必为物质和能量的来源发愁。人类现有的常识告诉大家,每小时太阳向地球提供的能量足够地球人类使用一整年,而这仅仅是太阳能量的五亿分之一,地球的质量仅有太阳的33万分之一,目前已知银河系中类似太阳的恒星有大约2000亿颗,已知宇宙中类似银河系的星系也有数千亿个;这还只是能量和物质来源的“常规选手”,宇宙中还有制造能量和物质的“特殊选手”,一颗太阳质量30倍的恒星演化到后期会发生超新星爆发,释放的能量大约相当于太阳整个100亿年寿命内释放的能量,可以照耀数百亿光年的范围,这个过程中还可以制造出元素周期表中的所有元素,然后它的中心会坍缩成最神奇的天体--黑洞,黑洞不但质量巨大,黑洞还是制造能量的高手,黑洞在吞噬周围物质的时候,可以将物质的40%左右质量转化为能量,有兴趣的朋友可以根据爱因斯坦著名的质能方程E=MC2算一下,这个效率有多高,人类制造的核弹爆炸时仅有万分之几的质量转化为能量,然而这还不是宇宙全部的真相,宇宙还有数倍于大家已知物质和能量的暗物质和暗能量。所以从长远来看,人类其实不需要为物质和能量的来源担心,只要发展科技去利用这些物质和能量就好了。目前已知宇宙的尺度至少有820亿光年以上,物质和能量在宇宙中几乎是无限的,从资源丰富程度上看这对人类是件好事,但从破坏力上看这也许是噩梦。就在两周前2019年9月27日报道,美国国家航空航天局(NASA)用最新的望远镜(TESS)捕捉到了罕见的“宇宙大屠杀”:一个黑洞猛烈地撕碎了一颗和太阳差不多大小的恒星。NASA称,天文学家认为这个超大质量黑洞的质量约为太阳质量的600万倍,位于约3.75亿光年之外的星系,该星系与银河系大小相似。两个黑洞合并或者黑洞吞噬中子星的引力波可以传导数十亿光年的距离。而令大家感到庆幸的是以大家目前的科技水平尚未发现地球附近有可以影响到地球文明的黑洞存在。但是在距离大家仅有150光年的大犬座有一颗随时会爆发的超新星存在,据测算离地球3000光年以内的超新星爆发,都会对地球带来影响,大犬座超新星何时爆发以及爆发后会对地球产生何种影响目前还不清楚,而这也揭示了一个道理,为什么天文学看起来不着边际没有实际用途,但其实是与人类命运最息息相关的学科。在微观尺度上,人类的研究也有很多成果,但同时也有很多问题。这对人类来说既是机遇也是挑战。前些天美国GOOGLE企业宣布在量子计算领域取得重大突破,实现了“量子霸权”,而到底有没有“量子霸权”其实是有争议的;但这正好说明人们讨论“量子霸权”,本身就意味着微观的量子领域蕴含巨大的科学技术价值,同时也有相当的难度,想要有所突破是极其困难的,而一旦突破意义也将是划时代的。明白了这些你会为人类的渺小感到自卑,这可以使你变得更加谦卑。与此同时大家也看到了人类光明的未来,只要努力发展科技就行了,这又会使你变得更加自信。三、学会了科学思维、具备了科学精神会极大的提升你的思考格局。虽然大家的生物医疗科技有了巨大的进步,但在今天任然有很多严重威胁人类生命的疾病无法治愈,大家对有些疾病甚至搞不懂致病原因;微观的量子世界依然神秘,人类对量子科学依然知之甚少,离可以实际应用依然很遥远,由显微所打开的这条道路仅仅是个开端,往后的路依然漫长。而由望远镜所开启的研究宏观宇宙的道路,虽然使大家认识到人类在宇宙中的非常渺小,但是大家依然会在潜意识里认为地球就是宇宙的中心。今天的人类已经理解了恒星发光的原理就是轻元素(主要是氢和氦)的聚变,也认识到地球资源终将耗尽,从长远看人类必须离开地球进行星际移民,然而对星际飞行的突破性技术可控核聚变的研究目前看不到任何曙光。打个比方宇宙就像一片森林,构成宇宙的主要成分氢和氦元素就像这片森林里可以燃烧的木头,随处可见含量非常丰富,但点燃这些木头需要一根火柴,这根火柴就是可控核聚变技术,有了这根火柴,人类可以在星际飞行的过程中任意的补充燃料,然而如何制造出这根火柴,人类目前还没有这个能力,甚至不知道往哪里努力。知乎、新浪博客著名的科技版博主“资水东流”先生,在他的《技术大停滞》系列文章的最后曾提出一个很严肃的问题:如果人类在地球资源耗尽之前,依然发展不出可控核聚变技术以及由此支撑的星际飞行技术,全体人类是否就会困死在地球这个“孤岛”之上?著名科幻作家刘慈欣也说过:从一个比较长的时间维度上看,无论地球达到何等的繁荣程度,那些没有星际飞行的未来都是黯淡的。尼克松担任总统期间,美国政府曾经雄心勃勃的向癌症发起“世纪战争”,然而几十年过去了,美国政府用于研究癌症的经费已经超过了用于航天的研究经费,可是时至今日人类治疗癌症依然没有特别有效的手段。同样的,对于可控核聚变的研究也在耗费大量的资源,时至今日也没有取得重大的突破。放在上述这两个个严肃问题的审视之下,大家现有的很多看似天经地义的制度安排或者习惯做法都值得反思。比如生育率下降、越来越高的社会福利、自由市场经济、选票政治等等。环视全球大家会发现,西方资本主义主张的所谓自由市场经济体制、一人一票选举的政治制度,越来越无法解决全体人类的问题,甚至连其自身的问题也不能解决,美国金融危机过去十多年了,复苏乏力,欧洲深陷债务危机的泥潭。由于西方社会的公民和政府变得越来越短视,美国、欧盟、日本等主要发达经济体科研经费投入正在逐年下降,事关全体人类命运的基础研究出现了要停滞的迹象,美国已经失去了重返月球的能力,在高福利社会成长起来的年轻人很多也已失去对科学研究的兴趣,他们更愿意待在由电脑虚构的游戏世界里“乐不思蜀”。在这种情况下,中国独特的体制和学问优势就彰显出来了,首先在学问上,中国人自古就有为“万世”谋长远的传统,北宋大儒哲学家张载的横渠四句:“为天地立心,为生民立命,为往圣继绝学,为万世开太平”或许就能诠释这种传统。今天执政的中国共产党,依然继承和发展了儒家的这种治国理念,大家有权威高效的中央政府,有集中力量办大事的制度优势,有重视教育的历史传统、有“天下大同”的胸怀和理想,所以中国人才能提出构建人类命运共同体的伟大主张。今天中国的科研经费正在以超乎寻常的速度增长,中国在可控核聚变和量子科学的研究上投入巨大,中国科学家关于可控核聚变和量子科学的研究也走在世界前列,或许将来带领人类走出地球的正是中国人。时空有界、思想无边。同学们正处在人生的黄金年龄,千万不要停止思考,学会科学的思维方法将会使你的人生变得与众不同。时不时用显微镜探究一下微妙无穷的微观世界,闲暇时举起望远镜看一看头顶的天空,会使你更快的学会这种科学的思维方法,会不断的激发你学习新常识的兴趣。作为人类大家经常犯两个错误,一个是人类中心论,另一个是地球中心论。沿着显微镜和望远镜开启的道路往下走,会逐渐破除你心中的人类中心论和地球中心论,从此以后你思考问题的格局将变得无限广阔。

在刚刚过去的国庆假期,大家迎来了伟大祖国70华诞的重要时刻。在天安门广场举行的盛大庆祝活动向大家展示了一个强大的人民共和国。今天的大多数中国人已经摆脱了缺吃少穿的贫穷生活,富裕起来之后是不是要有点精神追求呢?同学们正处在人生最灿烂的阶段,除了基本的物质生活之外是不是也要学习一点比较“虚”,比较“无用”,比较“遥远”的常识呢?如果是的话请拿起你的望远镜仰望星空,拿起你的显微镜洞察世界吧!
最后说一个有意思的现象。在中国历史上,贵族们喜欢使用昂贵的玉石来妆点生活、制造器物,平民阶层则更喜欢使用陶瓷。中国人一直看不上玻璃这种材料,因此也就没有发展出提高玻璃纯净程度的技术,进而也就错过了发明望远镜和显微镜的机会,最终错过了工业革命(中国错过工业革命的原因很复杂,不重视玻璃只是其中很小的一个原因)。虽然中国人错过了上一个500年里的工业革命,但在下一个500年甚至更长的时间里,中国人也许可以借助自己体制和学问的优势发展出由可控核聚变支撑的星际飞行技术,带领全体人类冲出地球,移民到另一些适宜人类居住的星球上。也许再过500年,5000年,到那时在一个现在还不知道的星球上,每当夜晚来临人们会带着他们的孩子仰望星空,大家从望远镜中搜素到一颗叫太阳的黄矮星,然后在它的旁边找到一个蓝色的小石头,大人们会对他们的孩子说:“看这就是大家曾经的家--地球。”这些孩子中的某些人会在他们成年后,到地球来旅行,来看看他们祖先曾经生活过的地方,因为那些曾经严重威胁人类健康的疾病早已找到治疗的方法,人类的寿命已经延长到足以支撑漫长的星际飞行。

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