关于科学的几个问题

关于科学的几个问题——沈致远教授在上图“国际科学家讲坛”的讲演

    为什么中国现在还没有非常重量级的科学突破?我个人认为,中国的科学家基础非常好,勤奋可能是这个世界上没有一个国家比得上的。我感到,与西方比,中国科学家不仅要有基础,不仅是要勤奋,还要有胆识。有胆就是敢,要敢为天下先,敢于提出不同的见解,敢于坚持自己的意见去做。更重要的是有识,就是你要有非常尖锐的目光,不要让大的发现从你眼皮底下溜过去。    

    我就科学的几个问题讲一点自己的想法。

    科学顿悟——李白、庄子的启发

    首先来看一下科学方法。大家知道科学方法有两种:一种是实验,除了数学以外,所有其它的科学发展都要靠实验,归根到底科学是实证性的;另外一种就是理论,理论是什么呢?理论就是根据一定的前提,用逻辑推理的方法,从前提推导出结论来。请想一想,除了实验与理论以外,还缺少什么东西?我的想法是,现在不是提倡创新吗?不是提倡原创性吗?我感觉到真正原创性的东西需要有突破。要有突破,怎么能达到呢?光靠逻辑思维是没有办法突破的,因为逻辑思维只是从已知的前提出发,然后用一步一步的推理推出结果。说到底,结论已经隐含在前提里面,从根本上讲,并没有新的东西。你要有新的东西,就必须突破这个前提,必须突破这个逻辑体系,提出一个新的体系来。就是科学探索的顿悟,这点和艺术、文艺的灵感是极为相似的。大家都知道著名国学家王国维的“治学三境界”,最后一个境界是:众里寻她千百度,暮然回首,那人却在灯火阑珊处。暮然回首为什么会发现那人在灯火阑珊处呢?一个原因是你已经众里寻她千百度,你已积累了很多资料,但是最后的突破是带有偶然性的。不仅是带有偶然性,而且可以从别的领域得到启发的。

    日本著名物理学家汤川秀树,以提出介子说获得诺贝尔奖,他写了一本书。书中说,他在科学研究中的突破,和李白、庄子很有关系。他特别提到李白一篇文章的开头:“夫天地者万物之逆旅,光阴者百代之过客”,他从这两句话中得到灵感,就怎样处理微观基本粒子的时空观得到了启发。他又从《庄子》的“为混沌开七窍”悟出了基本粒子从一个最原始、没有特性的东西分化出来成为各种各样的粒子。所以他认为东方的哲学思想、东方的文化、东方的文学,对他的科学研究非常有启发。

    “分久必合”——从分析法到综合法

    大家都读过《三国演义》,开宗明义的几句话是:“天下大事,分久必合,合久必分”,我感觉到后面两句话不仅是对天下大事,对科学也适合。西方科学在文艺复兴以前是没有分化的,甚至连科学这个名称也没有,而是叫做“自然哲学”。当时的学者,像达·芬奇那样的人,用现在的眼光来说是横跨各个领域,他既是画家,又是雕塑家,又是生理学家,又是医学家,又是建筑师,又是航空理论家……他的头衔可以报出一打以上。科学的分化是在文艺复兴以后,特别是工业革命以后逐步分化的。分化到今天,已经越分越细。这个分化是推动自然科学的,我们今天所享受的各种物质文明,都是近三百多年来自然科学和技术的突飞猛进所造成的结果。一个很重要的原因,就是分。分!不仅是分科,使大家可以集中精力于一个专门学科,专心致志地去研究;分!更重要的是运用分析法。分析法的老祖宗是伽里略,他做了一个很重要的实验,就是斜塔实验。斜塔实验看起来很简单,但其思想非常重要。在伽里略以前,人们普遍认为越是重的东西所受到的重力加速度就越大,速度就越快。伽里略说:不对!他指出:物体无论轻重,在重力场作用下的加速度和速度都是相等的,斜塔实验的轻重两个球同时落地,证明伽里略是对的。别以为斜塔实验看上去很简单,实际上这开了近代科学使用分析法的先河。为什么这样说呢?古希腊学者与伽里略的想法不一样,主要因素是空气阻力。一根羽毛掉下来很慢,而一个铅球掉下来很快,差别在于空气阻力。伽里略的功劳在于撇开空气阻力的因素,光是研究在重力下这个物体的加速度和速度,结果他得出了与古希腊学者不同的结论,开了现代科学分析法和实验法的先河,这是一件了不起的事情。这就是为什么千禧年的时候大家选最有影响的科学家,他的名字在里面。

    我个人的看法:今天是到了分久必合之时,为什么这样说呢?因为形势变了。现代科学研究的对象越来越复杂。很多人认为21世纪的主流科学是生物学,生物是一个极端复杂的大系统。就拿人体来讲,就拿大脑来讲,我这样问:“你把人体的每一个细胞、每一个分子、每一个原子都弄清楚了,你就了解人体了吗?你对大脑里的每一个神经元、每一个突触,以及其中的每一个分子、原子、基本粒子统统研究透彻,你就了解大脑的功能了吗?”显然不是的,对这种复杂系统,我们习惯于物理的思考,物理学有个特点:你越深挖就越根本。物理学最根本的东西还在更深的地方,我们现在还不知道。但是生物学和脑神经科学是不一样的,我相信这方面最后的突破不是靠往深处发掘,而是要从整体观念探索横向的联系,要考虑各个方面的综合性因素。换句话说,光靠分析法不够,还需要综合法。五年前,我在《科学》上发表了一篇文章,就提出这个想法,我说:“新世纪的曙光在东方”,我当时是这样讲的:“综合法必将东山再起”。所以我们现在要考虑到整个科学的由分到合,百川归海,文化合流。

    就拿脑科学来讲,大约十五年以前,英国著名的数学家、物理学家彭罗斯写了一本书,名叫《皇帝的新心灵》。他费了很大的篇幅讲计算机科学,又费了很大的篇幅讲脑神经学,最后他得出结论:“要揭开自我意识之迷,必须要在亚原子的基本粒子里去钻”。我和很多位这方面的专家讨论过,我们都不同意这个观点。我们觉得要解开自我意识之迷,不是到亚原子的基本粒子里去钻。他原话的意思是“到亚原子的基本粒子还没有发现的规律里去钻”,我们不同意这个看法。我们认为要揭开自我意识之迷,也就是认知科学的最重要的任务,应该是横向的、整体的,关键在于系统各部分之间的关联和相互作用。虽然我们还没有弄明白,但肯定是在这个层次,而不是往下深钻。当然我不否认往下深钻有好处,譬如说你对每一个神经元、每一个突触、每一个分子都弄清楚,肯定有好处。但如果不研究它们之间的关联,不看整体,仍然无法揭开自我意识之谜。

    前天,我拜访了一位著名的脑科学家,他告诉我:“以整体观念研究脑科学有两大困难:一是不可预测性,二是不可重复性。”当然这两个是原则性的困难,因为我们知道,科学就是要能重复,如果不能重复,科学就没有检验标准了;而缺乏预测性的科学用处也不大。我对他说,这确实是严重的困难,不过可以换个角度来看,美国人有种讲法,“玻璃杯里有半杯水,你看到的半杯是水,还是空的?”当然,两者都对,但问题是你怎么看。看到半杯水者是乐观主义者,看到半杯空者是悲观主义者。所以,正因为有这样的困难,就给我们提出了挑战,即使现在的方法不能对付,能不能发明一种新的方法去解决它?困难为我们提供了机遇,不能因噎废食。

    重要的是要有新思想——NEW IDEA

    下面我想讲一下各个学科之间的分割。我们中国有句古话:“隔行如隔山”。还有“女怕嫁错郎,男怕入错行”,就是说,你入错行以后就麻烦了。我个人有不同的看法,我认为行业之间并没有大山之隔。佛教里有一句话:“诸魔皆心魔”,就是说各种各样的恶魔其实只存在于你的心中,我想这句话应用在这里是恰当的。我曾与一位朋友交谈,他也这样看。他说:“整个宇宙是一个整体,并没有物理的宇宙、化学的宇宙、生物学的宇宙、人文的宇宙、艺术的宇宙、哲学的宇宙。所谓的科学、艺术、人文、哲学等等是我们给分割的。”还有一位举了一个很好的例子,他说:“人类的文明是一个高峰,有三条路上去,一条路是科学,另外一条路是艺术,还有一条路是人文。在山脚时,这三条路离得很远,你可以说当中有阻隔,但当你爬到顶峰时,这三条路就汇合了。”有道是:“会当凌绝顶,一览众山小”,就豁然开朗、融会贯通。

    前几天我在几所中学里作讲演,现代中学生很有头脑。我讲到合,讲到要消除各个行业之间的阻隔,要培养通才。一位女学生站起来,她说:“沈先生!你说要培养通才,而达·芬奇这样的通才是天才,我们都是凡人,凡人是成不了通才的。你要是样样都学,就样样不精,结果变成了万金油。你对这个问题怎么看法?”这个问题很有挑战性,我回答她:“我理解你的意思,所谓通才教育,不是叫你每样都去学,而是叫你根据自己的爱好、本身的基础和条件,然后根据当前形势,选择最适合你的东西去广泛地学习。”根据我的观察,科学家越是钻得深的越是容易跳出来。这和井底蛙不一样,青蛙在井里,那口井越是深就越难跳出来。我打了个比喻,这个井底是个弹簧,你越是往下钻得厉害,那个弹簧越压缩得紧,然后你一松手就蹦起来越高。我讲这个话是有根据的:美国著名物理学家盖尔曼,他是一位神童,非常聪明。他研究基本粒子的规则——“重子八重态”,提出“夸克”,得了诺贝尔奖。你猜后来他干什么?如今他在新墨西哥沙漠里的圣菲研究所做大系统的研究,研究自我意识。从基本粒子到自我意识,这个当中有多少跨距啊!

    第二位是美国的著名物理学家费因曼,量子场论专家。他提出了费因曼图,他在场论当中解决了发散问题,和日本的朝永振一郎一起得了诺贝尔奖。费因曼的兴趣十分广泛,他研究美洲土著的手鼓;他到俄罗斯的西伯利亚去研究原始部落;他曾经破译过玛雅文字。他最著名的一手,就是1985年美国的一个太空梭在天空中爆炸,很多人都找不出原因,他做了个实验,把一个橡皮圈浸在液氦里面,拿出来往桌子上一摔,碎了!他说问题就是你们的密封橡皮圈受不了低温,太脆的缘故。这个人的兴趣是广泛得不得了。

    盖尔曼有些发现并非只是他一个人的,而是与别人同时发现的,一位犹太人叫尼曼(YuvalNe'emann),原先是军人,以色列政府派他到伦敦去担任武官。他爱好物理学,有机会到剑桥大学听课。听了几年以后,他不做武官了,就去钻研粒子物理,结果他和盖尔曼同时提出“重子八重态”。很可惜的是他没有得诺贝尔奖,但他和盖尔曼在这个问题上做出的贡献是半斤八两的。这样例子可以举很多,比如说大家知道的一位著名的美国天文物理学家哈伯,他以发现宇宙膨胀著称,于是才有宇宙大爆炸说。哈伯原本是军人,退伍后当律师,后来才从事天文学研究。

    所有这些给我的启发是,行业之间并没有大山之隔。真正的科学突破不完全在于你去拼命地积累资料、拼命地打基础。并不是说这不重要,而我感觉到更重要的是要有新思想——NEW IDEA,三年前我曾向《科学》杂志的潘友星主编提过一个建议,该杂志应该开一个专栏,叫NEW IDEA,提倡新思想,这肯定会对科学发展有推动作用。

    大科学与小科学

    接着,我想讲一下大科学。巨型粒子加速器、宇航飞船、还有生物学方面解读人体的DNA和水稻的DNA,这些都是大科学,规模很大。大科学的主要部分,实际上不是科学,而是工程。为什么这样说呢?在造加速器以前,已经知道这个加速器一定可以造出来,所有的自然规律我们都掌握了。大科学本身是工程,但是大科学造出来以后,为探测性科学奠定了基础。

    比如说,人类DNA被解读出来了,但这只是一个开始,不是结束,解读出来以后我们要去研究:哪一段DNA、哪一个基因起什么作用?该怎么应用?等等,这个才是真正科学的开始,解读只是给我们搭起一个台,而戏是要科学家去唱的。加速器也是这样,用几十亿美金建一个大加速器,这是工程,然后要由科学家去做基本粒子的研究。我给各位讲一个故事:五十年代苏联莫斯科郊区的杜布纳核子研究所,在当时具有世界上最强力的加速器,做了好几年,做不出结果来。杜步纳的所长是轮流的,轮到中国,派了王淦昌去当所长。王先生是一个非常有创意的科学家,去后不久就发现了一个粒子——反西格马负超子。由此可见,IDEA是非常重要的,科学家有创意是非常重要的。王淦昌还不仅如此,他曾是我母校浙江大学的教授,抗战时他在贵州遵义。当时物理学的一个难题:怎样检测中微子?他提出用原子核俘获K介子的反冲来检测中微子。当时是抗日战争期间,他没有办法发表,后来美国人用这个方法检测了中微子,而且得了诺贝尔奖。所以作为一个科学家,最重要的是思想,IDEA。

    再来看小科学,它是小规模的,几个甚至是一个科学家单枪匹马进行科学研究。我们绝对不能看轻这种小科学,很可能一些原创性的重大突破是从小科学里出来,而且花费不会太多。我举一个例子:大约八年前,我到科罗多州的州立大学去拜访物理系系主任,他陪我参观了实验室后说,他们正在做波色-爱因斯坦凝聚态实验,所用装置一共才五万美金,大家知道用五万美金做实验,在美国是非常少的一笔资金,美国一般的科学项目都是上百万的,上千万的都有,五万美金简直是忽略不计的钱。他说用的钱很少,只不过是一两个人在做。当时,我也没有十分在意。后来在四年前,石破天惊,报纸刊登了他们做出结果的消息,去年他们得了诺贝尔奖。这说明,要取得重大的科学突破,不一定需要很多的钱,也不一定需要非常昂贵的设备。当然我不否定这方面,花很多的钱做昂贵的设备,是综合国力的一种表现,有一些研究必须要那样做。我只是说,还要看到另一方面,你有新的IDEA,单枪匹马的去干,花很少的钱,有可能做出震惊世界的大成就。小科学是千万不能忽视的。

    科学不仅仅是功利的

    我想简单提一下“功利”。刚才我和裴钢院士交流了一番,他说现在一提到科学就问“有什么用?”没有用的就不算科学。科学是应该要有功利的,因为科学研究是国家拨款的,我们应该做出东西来对社会、对国家有用。但是科学又不仅仅是功利的,不能说只有有用的才是科学。有些科学在一开始的时候并没有多大的用处,爱因斯坦的相对论刚出来时没有人想到过会有用。大家都知道狭义相对论的质能公式:E=MC2,后来才知道,这为原子能的应用奠定了理论基础。

    所以对前沿性的探索而言,第一、你不知道它会从哪里蹦出来,第二、你不知道它有没有用,但是我们还是要去做。我曾提出过,大科学是可以预测的,可以规划的,可以订计划,可以检查等等;小科学的前沿性探索是没有办法预测的,你根本不知道会出来什么样的东西,你怎么订计划?你怎样去检查?现在的有些地方,每一年、半年就要科学家拿出成果来,我对这很反感。如果这样下去的话,你永远只能做二流、三流的工作,你永远出不了一流的科学成果。

    一流的科学成果可能要十年、二十年才能做出来,甚至可能一辈子都做不出来。我们中国是泱泱大国,应该有这个气魄,让科学家放手去探索,用十年、二十年去探索,到时你做不出来,我也不责备你。丁肇中先生在北京的一次报告中说:他做过五次大规模的实验,所有的实验结果都和他原来预期的不一样。这够说明问题了吧!去年在上海,文汇报记者访问丁先生时,他讲了一句使我非常感动的话,因为当时我刚好在《文汇报》发表了一篇文章——《劝思篇》,提倡思考。在这篇文章发表一个月后,我看到丁先生在上海接受文汇报记者访问的报道,记者问他:“你作为实验科学家,你的主要工作是什么?”你猜他说了一句什么话?他说:“我只做一件事——思考!”一位闻名全球的著名实验物理学家,他的主要任务是思考,那么我们这些人要不要思考?

    科学突破需要胆识

    很多人问我:为什么中国现在还没有非常重量级的科学突破?有的很关心诺贝尔奖,如此等等。我个人认为,中国的科学家基础非常好,勤奋可能是这个世界上没有一个国家比得上的。中国科学家、学者、知识分子的勤奋使我感动,但也使我感到可怕。我有两位非常要好的朋友在去年得癌症去世了。中国有些非常优秀的科学家在五十岁就英年早逝。不分昼夜地干,拼命干,但为什么还出不了大的成就?我感到:和西方比,中国科学家不仅要有基础,不仅是要勤奋,还要有胆识。有胆就是敢,要敢为天下先,敢于提出不同的见解,敢于坚持自己的意见去做。丁肇中就是很好的例子,他最近在做一项花费大量资金在太空检测反物质的工作,这要碰运气的,不一定成功,他敢做,这就是有胆。

    更重要的是有识,就是你要有非常尖锐的目光,不要让大的发现从你眼皮底下溜过去。刚才讲到王淦昌提出检测中微子的方法、发现反西格马负超子,都是因为他有胆有识。还有丁肇中发现J/F粒子,当时物理学界一般认为在那个能量范围没有粒子。他在实验中突然发现有异常现象,反应有时高、有时低。一般人可能会忽略过去,他不,他觉得这里有名堂,他就反复地细作,结果发现了一个共振,共振就是粒子。有人主张还要把它弄得更仔细再发表,他说:“不!肯定了就不要再细作了,马上发表!”他是对的,结果是他与另外一个美国人同时发表,如果他延迟发表,那他就是第二了。大家知道,科学没有第二,只有第一。

    我要讲一下“以人为本”。其中最重要的是要关心科学家。最近我看到有位名人发表议论,他说:他的学生在美国的某所知名大学带了十多个研究生,他们一周工作一百四十小时,意思是说大家要拼命地勤奋工作。我对这个讲法有两点质疑:第一点,一百四十小时除七是二十,每天工作二十小时,也就是说,你每天只剩下四个小时去吃饭和睡觉,我觉得这恐怕有点夸张,不可能持久,果真这样的话,你很快就垮了。刚才我讲了我们中国的一些青年才俊英年早逝的现象,绝对不能再提倡这种拼命方式了。第二点,难道科学的成就是以你花费的时间来计算的吗?我认为,科学的成就只有一个标准,就是你的业绩。“Performance,only performance。”其余都不相干。你能一小时做出来,比花十小时做出来的还要厉害。对科学家来讲,不能说他投入的时间越多,夜以继日,忘寝废食,就一定是好的。报纸上这样的报道,我认为恐怕要小心一点。当然我也不否认勤奋苦干是好的,但是不能过分。不应该提倡拼体力、拼时间。应该提倡巧干,以智取胜,要提高效率。

    “我”丢了——当代科学的四大难题

    我感觉我们这一代是“生逢其时,重任在肩”。我个人的看法,当代科学有四大难题等待我们去突破:

    第一难题是物质本质。现在我们对物质的本质还不清楚,现在大家知道有超弦理论,有M理论等等,就是朝这个方向去努力的。

    第二个难题是宇宙演化。宇宙演化最近非常热,美国报纸上隔两三天就会出来一篇关于“两暗”——暗物质、暗能量的报道。最近发表的微波各向异性检测结果,发现95%以上的宇宙物质是看不见的暗物质和暗能量,其中25%是暗物质,70%是暗能量。我写了一篇文章,在这一期的《科学》上登出来的。我说这里面有文章,和一百年以前的事情很相像。一百年以前,英国的凯尔文爵士在纪念新世纪的晚会上发表演讲,他说物理学已经登峰造极,后人只是在小数点以后的第六位加一点东西,修修补补。但他毕竟是一位很厉害的科学家,他接下去说:在物理学晴朗的天空中有两朵乌云,一朵乌云是迈克尔逊的光速实验,与当时流行的“以太说”不符;第二朵乌云是关于黑体辐射的实验,与当时的经典理论不符。结果十年不到,这两朵乌云就变成了倾盆大雨:爱因斯坦提出的狭义相对论,把以太给否定掉了,普朗克提出的量子说,指出了经典物理的局限性。而相对论和量子力学刚好是20世纪物理学的两大支柱。我有一种预感,但也不敢肯定,就是天文学的“两暗”与以前的“两云”很相像,很可能最后出来的东西不是暗能量。所以,两暗的问题很有挑战性。

    第三个难题是生命奥秘。虽然现在的生物学已经有了非常大的进展,我们已经把人体的DNA解读出来了,但是我觉得,想弄清楚生命究竟怎样运作,恐怕还有一段很长的路要走。当然DNA的解读是一个里程碑式的成果,但这只是开始。

    第四个难题是自我意识。自我意识就是人的自我究竟是什么东西?我曾写过一篇文章,叫做《雨伞·包袱·我》,讲了一个故事:有个老和尚叫小和尚去云游,给了他一把雨伞遮蔽风雨,给了他一个包袱存放零用的物品,然后叫他去云游,嘱咐他:“你不要弄丢了!”,那个小和尚有点痴呆,老和尚就教他念口诀:“雨伞、包袱、我”,“雨伞、包袱、我”……后来小和尚跌了一跤,爬起来,看看手中雨伞还在,摸摸背上包袱也在,就是找不到“我”!于是他大哭,一个路人问他为何哭?小和尚说他把“我”丢了!那人摸摸他的光头说:“这不就是你吗?”他恍然大悟,破涕为笑。我就用这个例子开头,说明“什么是我?”“我”有很多层次:第一个层次就是小和尚的那个“我”,所谓臭皮囊,但是这个臭皮囊并不是真正的“我”,人体的原子和分子,每一年都有一半以上被更新掉,如果这个臭皮囊是“我”的话,岂不是“我已非我”了吗?第二个层次是基因,当克隆羊“多莉”出生以后,很多人说:那可不得了,如果他们用我的基因复制出人,岂不是造出另一个“我”来了吗?不对!真正复制出的,只不过是一个你的克隆,与你的生理相同,但心理不一样。最后一个层次是心灵,即自我意识,这到底是什么东西?我最近在美国看了很多资料,到现在为止,没有一个人能对自我意识说得出道理来,很多著名的脑神经科学家都讲,自我意识究竟是什么还没有一个人知道。