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什么是科学 张双南
大家好，我是张双南，摩羯座，天文学家，天体物理学家。我平时所做的事情是研究黑洞，还有宇宙的演化，但是我今天给大家带来的演讲是《什么是科学》。
2月25号有一场大辩论，关于阴阳五行是否应该写入《中国公民科学素质基准》里面去。为什么有这么一场辩论呢？
2016年4月份，科技部、中宣部等多个政府部门联合推出了《中国公民科学素质基准》，在里面明确地把天人合一、阴阳五行作为中国公民提高科学素养需要学习的东西。看到这个，我在朋友圈里面写：我的内心是崩溃的，崩溃的，崩溃的。
很快，我们几个朋友就写了一篇文章，在网络上面发表了。第二天我的另外一个朋友孙小淳教授，他也写了一篇文章。他说，张老师最好内心不要崩溃，这件事情不是糟得很，是好得很。然后我们就持续争论了大概一年。终于在2月25号，我们举行了这一场大辩论。
在座有很多年轻的朋友们，30年前不存在的朋友举一下手，我看看有多少。还是挺多的。1984年我从清华大学本科毕业，我觉得书读得不够多，继续到中国科学院读研究生。又读了两年，我觉得书还是读得不够多，决定到英国留学。然后我就真的发现我书读得不够多。
为什么呢？因为在和我的同学、同事，还有老师讨论我的研究工作的时候，他们经常问我一个问题：What is the science of this？你说的这件事里面的科学是什么。我每次都一脸茫然，我知道什么是物理，什么是化学，什么是天文，什么是生物，我不知道什么是科学。
我们知道在中国的传统文化里面，对这件事情是模糊不清的。这事实上也印证另外一个问题，就是所谓的李约瑟难题。李约瑟是研究中国科技史的英国专家，出版了很多中国科技史的著作。他得到了一个结论：中国古代的文化和技术都曾经比西方发达，有些地方远远比西方发达，但是中国没有产生出来现代科学。他问了一句话：为什么没有产生。这就是所谓的李约瑟难题。
科学到底是什么？要想理解科学是怎么发展的，我们必须回到古希腊人的宇宙观里面去。
（此处省略一万字……关于科学是怎么发展的，考虑到内容太高能可能导致你们放弃阅读，我们把这段调到结尾了）
那么从这个时候开始，事实上科学是什么，什么是科学这个问题就已经能够回答了，所以我下面就会给大家做一下总结。但是在这之前，我还是要给大家讲一个故事，这是普京大帝的一个故事。多年前普京还是总理的时候——我们都知道他当了总统又当总理又当总统，下一任当什么我不知道。
在他当总理的时候，当时德国和俄罗斯在联合研制一颗天文卫星，研究暗能量，这颗卫星今年晚些时候将会发射运行。普京听取了这个项目的汇报，他觉得非常好玩。就问俄罗斯科学家，啊，非常有趣，暗能量听起来是蛮好玩的，我想了解两个问题：第一个问题是暗能量到底有啥用，第二个问题是暗能量危险不危险。我想在座的各位想问这两个问题的人很多，所以你的水平是跟普京完全在一个层面上面。
这个问题问完了之后，俄罗斯科学家没有办法回答。当时德国科学家在场，就说普京总理问了什么问题你们这么为难，俄罗斯人就重复了这个问题。
这个德国科学家说，这个问题我们也经常被问到。我们这么回答：如果一百年前你问爱因斯坦先生相对论是否有用，相对论是否危险，爱因斯坦只能回答三个字：不知道。因为的确不知道。
爱因斯坦当时为什么研究相对论，因为他发现了牛顿理论还有以前的理论有问题、有缺陷。而不是因为以前的理论不那么有用，以前的理论有危险，跟这些事情没有关系。他只是想回答一些问题，来进一步理解自然规律，所以他有了相对论。
但是今天，一百年之后，我们知道相对论既有用又危险，核电站的原理，相对论；我们到医院里面去做各种诊断所用的加速器原理，相对论；我们手机GPS导航的原理，相对论。
所以今天离开了相对论，我们没有办法生活，所以相对论很有用。危险不危险？非常危险：原子弹、氢弹全是相对论的应用。一百年之后，我们知道它既有用又危险。但是，是否有用、是否危险，不是我们做科学研究的目的，我们做科学研究的目的是为了理解自然规律。
普京听了之后说，哈哈，我终于明白了，这个项目很好，往前走，给你们钱。所以今年这个卫星将要发射运行，所以这是对科学的理解。
我一开始讲了李约瑟难题，为什么中国古代很先进，但是没有发展出现代科学，或者我们今天称作的科学。爱因斯坦也曾经被问过这个问题，他的回答是这样子的：他说我们都知道现代科学之所以能够发展出来，之所以能够发现这些规律，是由于两件事情，一件是起源于希腊的形式逻辑，另一个是起源于文艺复兴时期的伽利略为代表的实验科学。中国古代的先贤们既不懂得形式逻辑，也不懂得实验科学，因此没有发展出来现代科学一点都不奇怪。
当然这句话我们也可以说其他民族也没有发展出来现代科学，发展出来现代科学的民族是非常少的，没有发展出来丝毫不丢人，发展出来只是从希腊文明那一个分支出来的，其他的文明都没有产生。
杨振宁先生对这件事情也曾经有过回答。杨振宁说由于中国人懂了两样东西，所以发展不出来科学。这两样东西是什么，是《周易》和《周易》里面的核心内容：天人合一。所以我等一下也要稍微讲一讲这件事情。
那么科学是什么？我们从爱因斯坦的回答，以及刚才我总结的从地心说到日心说，到开普勒、到伽利略、到牛顿，我们就知道，他们一直在追问太阳系内行星运动到底是什么规律。因此科学就是刨根问底。
如果我们更精确地描述一下，科学具有一些什么样的性质特质，或者说科学的要素。我们知道科学具有三个要素，分别是：科学的目的，科学的精神和科学的方法。
科学的目的我前面在讲普京的故事的时候已经说了，就是发现各种各样的规律，可以是自然的规律，可以是人类的规律，也可以是我们社会活动的各种的规律。
而科学的精神，六个字：质疑 独立 唯一。质疑我们可以看到，不断地在质疑已有的行星运动的规律，质疑地心说，质疑哥白尼的日心说，质疑开普勒定律背后是什么原理，还有爱因斯坦质疑牛顿的引力的本质是什么，我们的科学就不断地发展。
而独立，说明不管谁做这个研究，得到的结论都应该是一样的。这是从亚里士多德开始就认识到的事情。人和自然是分离的，人不会影响自然的规律。
唯一更是表明你最后做的结果应该是一样的。
而科学的方法，我刚才实际上也已经讲了，你必须要进行逻辑的推理，要进行演绎的计算，要进行实验的验证或者观测的验证，所以要有逻辑化、定量化、实证化，只要不满足这些条件的，那我们统统都不把它称为是科学。
这里面我们可以举很多例子，很多其实是很好的东西，但事实上它不是科学，它可以是文化，可以是哲学，但是它不是科学。
阴阳五行就是其中的一个例子。阴阳是什么，阴阳是说任何事物都有正反两个方面。五行是什么，金木水火土五个元素，认为宇宙间任何事情的运行，都是由这五行的相生相克所影响的。因此它可以解释任何东西，但实际上又不能帮你理解任何东西，因为它不能够做出任何定量化的东西，它不能够进行任何的实证。这就是为什么阴阳五行尽管历史非常悠久，但从来没有揭示过一条自然规律。
我们在今天所看到的现代科学，教科书里面没有任何一个规律是通过阴阳五行揭示出来的，也没有任何一个规律和阴阳五行哪怕有任何的关系。所以阴阳五行是文化，是哲学。
那它的出现有没有进步？有进步。在阴阳五行天人合一之前，解释自然现象都是用神灵，用鬼怪，用巫术，阴阳五行是希望用自然的现象，用朴素的唯物主义来解释。所以和以前的装神弄鬼相比，它是一个重大的进步。
比如说在阴阳五行之前，说地震是什么，是“神龟摆尾”。有地震了，那个神龟到哪里找呢，也找不到。有了阴阳五行之后，就不说是“神龟摆尾”了，说是阴阳两气相逼导致的地震。这个听起来好一点，哪个阴阳两气其实咱们也不知道，但是毕竟不再搞装神弄鬼了，所以还是一个进步。但是和科学真的并没有建立什么关系。
我们看看在这种文化之下，我们会怎样思考一些问题。我从一个非常简单的成语“杞人忧天”来讲起。杞国有一个人，每天担心天要塌了，地要陷了。所以他说天塌地陷了，我在哪里活着呢，我就没地方活了，因此废寝食。废寝食不是去读书去了，而是得了抑郁症，睡不着觉。当时他的感觉就是这样子的。
那么怎么办呢，他有一个很好的朋友，今天来讲就是心理咨询师。心理咨询师来看望他，说你为什么要担心这件事情呢，天显然不会塌下来，地显然也不会陷下去。他仔细解释这背后的道理，他说天就是气嘛，你天天在气里面走来走去，呼吸自如、行走自如，怎么会担心它塌下来呢？
然后这位“蓝瘦香菇”的老兄就说了，啊，如果天是气的话，那天上的星星、月亮、太阳，为啥不落下来呢？这个心理咨询师又说了，这个心理咨询师对阴阳五行是非常在行的。他说这些星星、太阳、月亮，其实都是气里面的光，光怎么会掉下来呢，它就是掉下来也没啥事对不对？
他说那这样很好，那地呢，地要塌了怎么办呢？他说你看，地都是一大块一大块的东西，就像这个舞台一样，你跺一个脚它也很结实，你不要担心它掉下去。他说，啊，原来我不用担心，因为它不掉下去，所以就没事了，结论就是这样。
这个故事到此就结束了，但事实上为什么天不塌下来，为什么地不陷下去，为什么日月星不落下来，这里面有深刻的大气科学问题、地球科学问题、力学问题、天文学问题。你要仔细地研究，现代科学全部都能从这里面出来。
但是我们的祖先没有刨根问底追问这些问题，我们在自圆其说。啊，因为不塌下来所以不塌下来。到底是不是这样，我们并不管它。我们非常地实用，既然没有塌下来，就不要担心它塌下来。
所以从这些故事我们可以看得出来，我们中国的传统文化里面是不是缺少科学的元素。一直到今天，我们仍然在用杞人忧天来嘲笑那些不切实际、异想天开的人。我们如此嘲笑这些人，我们就不会刨根问底。我们的文化，我们的科学怎么能够发展？
我们再来看一个更重要的事情。我们常常说中国古代的四大科技发明：指南针、造纸术、火药等等，这个大家都知道。这些事跟科学有关系吗？它们都是技术。我们掌握了这个技巧，但是我们的祖先从来没有问，为什么指南针会这样，为什么纸可以这么造出来，为什么会有这个，为什么会有那个。我们的祖先没有追问背后的道理，来追寻背后的规律。我们只满足于这些技术能够给我们带来实用的功能，到此为止。
我自己是做天文学研究的，我们中国传统的古代天文学观测也比西方发达，比西方很多国家发达，有一些方面是全世界领先的。但是我们在人类认识宇宙的七次飞跃中都无所作为，一点都没有。
我们中国古代先进的发达的天文学哪里去了？去了两个地方：理论方面变成了马（伯庸）老师刚才讲的占星术、算命。技术、实用方面，我们有二十四节气——种地够了，所以我们就到此停住了。所以我们理论上没有形成天文学的理论，连地心说都没有形成。技术上面也没有形成农业科学，实用达到目的就行了。
比如说我今天所从事的工作，我说我是做天文学研究的，更具体来讲，我是造出我的望远镜放到卫星上面去，然后在太空当中观测黑洞，观测宇宙，这是我具体的工作。
我们中国可以说是世界上少有的航天大国，在人类历史上发射的专门用于科学研究的卫星有多少呢，一百多个。有人说如果各种都算上的话，几百个可能也是有的，但至少一百多个是有的。中国什么时候才有呢，几年前才开始有，最近也才有一两个、两三个而已。在这之前我们根本不做。我们老说我们航天科技非常发达，不是，我们航天技术非常发达，我们航天科学极为落后，非常落后。
所以从古代的传统开始，一直到今天，我们始终重视的是应用方面，重视的是技术，而对于背后的道理，向来是不重视的。导致一个什么结果，导致这个会场里面我们所有的东西，包括我们的衣服，我们用的设备，所有的这些技术，所有的这些原理，全部、百分之一百来自于西方，没有一点来自于中国，这就是结果。
我们显然不能继续这样下去，我最后以我自己的另外一个故事，来作为我今天演讲的一个结束，几年前Science《科学》杂志的记者来采访我的时候，他问了我一个问题，他说你在国外已经是大学教授了，过得好好的，为什么回国来选择这么一条道路。
我当时的回答是这样的：我说我在国外做大学教授我就要教课，我发现我的教科书里面所有的名字全部都是外国人，里面所涉及的科学发现，都不是来源于在中国本土工作的科学家。有中国人在国外做出来，但是在中国本土上做出来，一件也没有，绝对是零，从中国古代到现在，绝对是零。
我说我出国之前，我非常自豪，我们的民族据说是有五千年的文明史。我出国读了这么多年的书，最后终于当了大学教授，原来发现我学的所有的知识，我教给别人的所有的知识，全部是外国人的，不是我们中国人的。我说我想改变这个情况，所以我决定回国。
最后回答为什么最开始有那么一个大辩论，这个大辩论我是持什么观点。 很显然，阴阳五行不会教给我们科学，阴阳五行不是科学，既没有产生科学，未来也不会带给科学。要学习科学、要理解科学，我们就要老老实实地谦虚地回到科学的本源，来学习真正的科学，理解什么是科学。
我的报告就到这里，谢谢大家。 好了，以下是刚刚省略掉的那一万字…… 古希腊人认为地球是宇宙的中心，代表人物是毕达哥拉斯和亚里士多德。这个学说当然非常有道理。因为我们在地球上每天都看到太阳升起，所有的星星升起、落下去，都往一个方向走。大部分情况下都是这样，所以我们觉得所有的天体都是围绕着地球做运动的。
基于当时的天文观测知识建立的模型 / 根据李向东在2011年天文学会年会的报告修改
如果一个学说是正确的话，未来的观测和实验应该一直能够证明它，但如果它与未来的观测和实验有矛盾，那么这个学说就需要得到修正。果然这个学说后来得到修正了。我在这个地方特别要讲一下亚里士多德，他是我们所谓形式逻辑，或者形而上学、自然哲学和物理学的创始人。
我们要想追踪到科学的起源，是需要回到亚里士多德，甚至有时候还要回到更早一点，亚里士多德的师爷，也差不多是我们数学和哲学的创始人：苏格拉底。他认为整个宇宙当中所有的东西都是数，所以他得到结论：万物皆数。他的学生柏拉图更进一步，认为不仅仅是数，而且背后有道理，他说万物皆理。
到了亚里士多德，这个情况就发生了变化，亚里士多德认为这个世界这个自然是有规律的，而这个规律是独立于人的，人可以通过观察来理解这个规律，他把研究规律的这个学问叫作物理学。
我们看看从亚里士多德的地心说开始，我们是怎么建立的现代科学的第一套理论——经典物理学。我刚才讲了，如果说亚里士多德的地心说是对的话，那么我们每次观测到的天体的运动，都应该是从东往西走。但事实上不是这样。后来的观测表明，有些天体，比如说火星，它大部分时候是由东往西走的，有时候又从西往东走，叫作逆行。
这个逆行就没有办法在亚里士多德的理论模型里面得到解释。那怎么办？已有的理论模型有了问题，那就需要修改你们的理论模型。
托勒密的修改办法是，每一个天体仍然是绕着地球在运动，但运动的同时它自己还有一个小轮子，绕着它的轮子也运动。所以当绕着轮子运动的方向，和它沿着地球运动方向相反的时候，你就看到它短暂地有个逆行。所以用这种办法解释了行星的逆行的观测。
托勒密本轮说
但是有人不同意，有人从美学的角度认为托勒密的这个学说太复杂了。所以哥白尼就说，那么我换一换，我把太阳放到宇宙的中心，地球还有其他所有的天体，都绕着太阳做圆周运动，而且是精确的圆周运动。为什么是圆周运动？他认为圆是宇宙当中最美的一种几何。但是仍然有很多的观测他不能够解释。
哥白尼日心说
后来开普勒通过继承了他的老师的一些观测资料之后，发现了三定律。他发现仅仅需要把哥白尼的日心说里面的完美圆轨道，变成椭圆轨道，就立刻可以解释当时哥白尼的理论所遇到的一些问题，这样和观测数据的拟合就非常好了。但是开普勒并不能够向别人解释，为什么天体做椭圆运动而不做圆运动，所以当时很多人其实还是不相信他的开普勒定律的。
开普勒定律
这个时候，科学史上一个非常伟大的人物，伽利略，就出现了。伽利略发明了天文望远镜，他立刻对太阳系里的行星进行了观测。
伽利略对科学的另外一个贡献，也是更重要的贡献，是他发明了实验科学。亚里士多德尽管是现代科学的鼻祖，但是他不主张做实验，他认为我们只能做观察，只能来观察自然，而不能够制造出来任何人为的环境。但是伽利略认为这样不行，我们必须要做实验，通过实验来验证、检验已有的规律，来发现新的规律。所以实验科学的鼻祖是伽利略。
我们都知道的比萨斜塔的实验和一系列的这种实验，都是伽利略所开创的，所以伽利略建立了现代科学的自然研究方法。也因此，爱因斯坦对伽利略极为推崇，认为伽利略是开创了科学革命的第一人。甚至于爱因斯坦认为他比牛顿还要重要。
当然我们现代科学的革命，是在牛顿的手里达到了顶峰。牛顿提出了牛顿三大定律，牛顿的万有引力定律建立了人类历史上第一套完整的自然科学理论。当然，牛顿的贡献还不仅仅如此。牛顿在他那本巨著《自然哲学的数学原理》里面，通过假设了牛顿三定律和万有引力定律作为公理，然后进行了大量的演绎的推导，推导出来了开普勒三定律，这在当时是了不得的事情。
我刚才讲了，开普勒拟合猜出来了开普勒三定律，但是他不能回答为什么有，而牛顿就回答了。有的原因是因为有我的牛顿三定律和万有引力定律。所以牛顿在人类历史上第一次用更基础更深刻的科学规律推导出来了已知的经验规律。
第二个重大的贡献，苹果砸到了牛顿的头上，让牛顿想起来了万有引力定律。牛顿立刻就想到，这样的事情，这样的规律，在宇宙当中是不是普遍适用的。这就是为什么他把他得到的万有引力定律，用来推导开普勒三定律。
所以牛顿假设了科学规律是普适的。所以没有所谓的中国的科学、西方的科学，没有所谓传统的科学和现代的科学，科学就是科学，科学规律是普适的，在牛顿那个时候就已经建立起来了。
那么从这个时候开始，事实上科学是什么，什么是科学，这个问题就已经能够回答了。所以我下面就会给大家做一下总结。但是在这之前，我还是要给大家讲一个故事，这是普京大帝的一个故事。
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发表于 2017-8-7 10:55
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