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12年前他写给民间科学爱好者6道题,如今他们答上来了吗

编者按:
 
12年前,刚刚从中国科学技术大学毕业、在美国德克萨斯大学奥斯汀分校就读研究生二年级的李统藏,在“写给民间科学爱好者”的一篇网文中编辑了6道普通大学物理题,文末他留下了邮箱。如今已经任职美国普渡大学的李统藏说,这么多年收到过很多“民间科学爱好者”的来信,但自己都不用回,“因为他们都不会做那几道题。”
 
李统藏写作上述文章的初衷是有感于“民间科学爱好者”有探索科学真知的热情、但是缺乏有效的科学探索方法,遂简要介绍了亚里士多德、牛顿和爱因斯坦等人的研究方法,并指出:调查学习已有相关知识是自主创新的第一步;写作时不应重新命名已有名称的事物;新的宇宙理论或对相对论的批判应有数学公式,计算结果须符合已有实验。文中还编辑了六道有关物质结构和相对论的习题,以便科学爱好者自我评估。
 
近日舆论再次因“电荷不存在”的争议论文关注“民科”话题,李统藏重新修订上述文章,并授权《知识分子》正式发表,以期有益于有关“民科”的讨论回归正常的科学层面。
 
撰文 | 李统藏(美国普渡大学物理和天文系、电子工程和计算机系助理教授、博士生导师)
责编|李晓明
 
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3年前,在中国科技大学校园里有人宣传他对热力学第二定律的研究,那是我第一次接触民间科学爱好者。这位科学爱好者探索科学真知的热情深深感动了大家,但他对已有相关知识的漠视让人震惊。最近又读了不少民间科学爱好者的论文,发现有些人智慧超群,敢于质疑和创新,却由于基础知识不够,致使其研究仍停留在中世纪的水平,让人惋惜。虽为民间科学爱好者,但在创造新理论、发明新事物时,也需要尽量避开科研误区,以免浪费时间和精力。因此笔者作此文,与广大科学爱好者探讨更有效的科学探索方法。
 
1.亚里士多德、牛顿和爱因斯坦
 
很多民间科学爱好者热切希望能有自己原创的理论,或推翻已有理论,成为著名科学家。那么,历史上的著名科学家如何研究呢?人们为何接受他们的理论?
 
亚里士多德
 
亚里士多德是人类几千年来最伟大的科学家之一,是哲学、物理学、生物学、心理学等多个学科的鼻祖,可以说整个人类的理性思维、科学发展,无不受他影响。公元前384年,亚里士多德出生于一个富裕家庭,父亲是马其顿国王的御医。他从小受到良好的教育,17岁时进入著名的柏拉图学园学习,后来成为亚历山大大帝的老师。亚里士多德搜集了很多生物学资料,并对许多动植物作了令人惊叹的观察记录。同时,亚历山大大帝在四处征战途中,送了很多动植物样品给亚里士多德。现在不少动物以亚里士多德为种名,就是因为他在二千多年前就已经作了深入的观察和详细的纪录。正是由于得天独厚的条件、对当时已有知识的了解、对事物的仔细观察和勤于思考,亚里士多德才有如此巨大的成就。
 
牛顿
 
牛顿1642年出生于英国,是举世闻名的物理学家、天文学家和数学家。他小时候就喜欢做机械玩具,读中学时受到了化学实验的熏陶。1661年牛顿进入剑桥大学,广泛学习了很多自古流传的名著。在此期间,牛顿掌握了算术、三角,学习了欧几里得的《几何原理》,读了开普勒的《光学》,笛卡儿的《几何学》和《哲学原理》,伽利略的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》等等。这为牛顿的研究打下了扎实基础。可以说牛顿的科学成就,除了和他的智慧,更是和广泛深入学习,掌握了当时最新的科学成果知识分不开的。任何研究都要基于前人的工作。著名的牛顿三定律就是基于伽利略等人的实验结果;万有引力公式需要用到开普勒的实验定律来推导。从牛顿开始,物理学成为可以定量计算的精确科学楷模。利用牛顿力学,人们可以精确计算行星轨道,计算建筑材料的受力。由于他的计算结果与当时的地面实验和天文观测精确吻合,牛顿获得了巨大威望!
 
爱因斯坦
 
1879年,爱因斯坦出生于德国[1] 。爱因斯坦小时候喜欢雕刻。12岁时,便读完了欧几里得的《几何原理》,自己动手推导了很多公式。经他人指导,他还读完了长达12卷的《自然科学通俗读本》,对动物学、植物学、天文学、地理学有了基本了解。书中有对像光速这样的自然现象的分析。通过阅读,了解这种自然现象对他创立相对论有奠基意义。大学期间,爱因斯坦阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作,钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学,并经常去理论物理学教授的家中请教。另外,大部分时间他都在实验室做实验,迷恋于直接观察和测量。爱因斯坦还曾自己做实验寻找以太的存在。1902年进入伯尔尼专利局工作后,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己的见解。1905年,爱因斯坦发表了6篇论文,同时在3个领域内做出了4个具有划时代意义的贡献。他写了3篇关于液体中悬浮粒子运动(布朗运动)的论文,3年后由佩兰的实验所证实。佩兰因此得了诺贝尔奖。爱因斯坦提出了光量子假说,解释了光电效应,因此获得诺贝尔奖。他还写了《论动体的电动力学》,完整的提出了狭义相对论。根据狭义相对论,他推导出质量和能量的相当性:E=mc²。这个公式被原子核物理和粒子物理的实验广泛证实,是核能利用最重要的理论基础。几年后爱因斯坦还提出了广义相对论。广义相对论的很多计算结果已被实验证实,开创了宇宙学研究的新纪元。
 
一个好的科学理论,最重要在于能指导人们的生活实践。评判一个科学理论,我们不仅要知道这个理论的内容,更要知道在这个理论指导下,我们得到了什么。1945年美国原子弹的爆炸把许多科学家对相对论的疑团和犹豫一扫而光!大家这么尊敬爱因斯坦,就是因为根据他的理论,人们做到了很多以前无法做到的事!如果相对论完全错误,请问你如何解释原子弹的存在以及航天事业的发展呢?
 
2.自主创新首先要了解已有的相关知识
 
从亚里士多德、牛顿和爱因斯坦的成长过程和研究经历中,我们不难发现,这些著名科学家对当时已有的科学成果都有全面而深入的了解。广大民间科学爱好者要想自主创新,也要了解现有的相关知识。不知道已有的科学知识,研究就会像瞎子摸象,只知自己的理论和某个现象吻合,却不知违背了其他实验;偶尔得到一个正确结论,就以为有了天大发现,却不知在几百年前就有相同结论。因此调查学习已有的相关知识是自主创新的第一步。
 
了解已有的相关知识,才能避免给已有名称的事物重新命名。不重新命名已有名称的事物,首先是为了尊重别人的研究成果。只有首次发现某个物体的人才有资格给这个物体命名。如果你不尊重别人的研究成果,就很难指望别人会尊重你的研究。不重新命名已有名称的事物,更是为了便于交流。如果一个物体,每个人都给它取不同的名字。那么交流时,谁都不知道对方在说什么。所以为了方便交流,也为了别人能理解你的研究成果,论文中不能重新命名已有名称的事物。要避免重新命名已有名称的事物,就得了解相关知识。当你有一个“新发现”时,首先要广泛调查已有的相关知识,确认别人是否已经研究过!
 
从牛顿开始,物理学成为可以定量计算的精确科学,它的定律基本用数学公式表示,可以给出与实验吻合的计算结果。精确计算更是现代物理学理论的精髓。比如根据量子电动力学,理论计算出电子磁矩为1.00115965246个单位(这个数称为狄拉克数),而精密实验测得电子磁矩为1.00115965221个单位。理论值和实验值只相差四十亿分之一!
 
如果你要创立新宇宙理论或批判相对论,那么应有数学公式,计算结果须符合已有实验。新的宇宙理论至少要能计算行星轨道,能计算如何发射飞船到月球等等,否则你的新理论还不如300多年前创立的牛顿力学有效。
 
单纯从逻辑上研究宇宙只能算是哲学思辨,而不是现代科学。单纯从逻辑上批判现代科学理论也是软弱无力的,因为现代科学理论不仅有实验基础,而且在应用过程中取得了良好效果。比如热力学第二定律和相对论中的光速不变原理,都是实验定律。在有新的实验证明它们在某种条件下不成立之前,单纯在哲学上对它们的批判是无效的。
 
因此民间科学爱好者要想研究宇宙和相对论,就要了解现有的相关知识;提出的新理论要有数学公式,得到的计算结果不能违背已有实验,并要能预测新实验的结果。
 
3.六道关于物质结构和相对论的习题
 
专业科学工作者在学习过程中做过很多计算题,通过考试来检查对知识的掌握程度。民间科学爱好者由于条件限制,很少做过习题,也没经过考试,因此不知道自己的水平。为便于大家评估自己对已有知识的了解,特编辑以下六题。这些题目涉及的内容都是能在实验中直接得到证实的。如果不会做这六道题,不用气馁,但要通过找资料来学习、掌握它们。会做这些题目前,请不要提新的宇宙构成理论,因为你提的理论很可能别人早就提过了,只是你不知道;也不要批判相对论,因为你对相对论还不了解,批判是无力的。
 
有关物质结构三题
 
1 把10克氢气和10克氧气混合后充分燃烧,请问得到多少克水?
 
这是中学化学的内容,很多中学生知道如何做实验验证。所以创造你的理论前,要会算这个,以免你的理论与此矛盾而被人笑话。
 
2 氧-15是一种半衰期为2分钟的放射线同位素,请问需要多少时间使99.9%的氧-15原子核发生衰变[2]?
 
是高中物理的内容。该题的计算结果是氧-15的医学应用基础。氧-15在医学中有广泛应用,它标示的水、二氧化碳可用于脑部血流测量、心肌耗氧的定量分析等,标示的氧气也可应用于检测肿瘤的坏死。
 
3 一个电子处在方向向上,强度为1特斯拉的匀强磁场中,请问电子自旋向上和自旋向下两种状态的能量差值是多少[3]?
 
自旋是粒子的基本属性,也是现代物理学的基本概念。目前计算机硬盘的磁头就是利用探测电子自旋来读取数据。如果你不会做这道题,就不要试图建立新的物质结构理论了。
 
有关相对论三题[4]
 
1 根据相对论的质能关系式,请问如果核反应中质量亏损1千克,则释放出多少能量?
 
相对论的质能关系式在原子核和粒子物理中被大量实验很好地证实,它是原子能利用的理论基础。如果你认为相对论错误,就需要解释为什么现在会有原子弹和核电站。
 
 
2 一颗绕地球以3千米/秒的速度在圆轨道上运行的卫星,从正上方往地面接收站发射一个频率为5x1014 Hz的激光信号,请问由于相对论效应,地面接收站收到的信号频率和卫星发射的频率5x1014 Hz相差多少?
 
在垂直于光的运动方向上,观察到的辐射频率小于静止光源的辐射频率。这称为横向多普勒效应,它是相对论时间延缓效应的证据之一。横向多普勒效应为Ives-Stilwell实验所证实,对宇航技术和全球卫星定位系统有举足轻重的作用。如果你认为相对论是错的,就需要解释为什么根据现有理论,人类成功进行了载人飞行,成功使全球定位系统精确到米。
 
3 如果一个电子以0.99c(c为真空中光速)的速度作半径为20米的圆周运动,请问电子的辐射功率是多少?
 
这个问题的结果对电子加速器有重要意义。如果你认为相对论是错的,就必须解释为什么我国科学家以相对论为理论基础,成功创建了合肥国家同步辐射实验室,可提供从真空紫外线到硬X波段的同步辐射光。
 
 
结语:
 
民间科学爱好者要想自主创新,首先要了解已有的科学知识,知道什么东西别人已经研究过,提出的物理理论或对相对论的批判应有数学公式,并能给出符合实验的计算结果。会做本文中的六道题前,请先不要创造新的宇宙构成理论或批判相对论。如果你做出上面六道题后,仍然觉得你创造的新宇宙理论或对相对论的批判很有意义,欢迎发电子邮件来交流(litongcang@yahoo.com)。邮件开头请给出这六道题的答案。
 
感谢浙江大学李如意的建议和对本文的校正。
 
 
李统藏, 2004年本科毕业于中国科学技术大学,2011年博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校。2011-2014年在美国加州大学伯克利分校做博士后。2014年至今在美国普渡大学“物理和天文系”以及“电子工程和计算机系”任助理教授,博士生导师。李统藏在2016年获得了美国国家科学基金会杰出青年教授奖(NSF CAREER Award)。他还曾获得Springer博士论文奖,中国“国家优秀自费留学生奖学金”,美国光学学会基金会“杰·贝内特纪念奖”等奖项。在Science, Nature Physics, Nature Communications, Physical Review Letters 等著名杂志发表论文二十余篇,在Springer出版专著一部。李统藏在2010年和合作者用激光光镊首次实验测量了悬浮粒子布朗运动的瞬时速度,完成了这个爱因斯坦在一百多年前认为是不可能完成的任务。该工作被Science杂志推荐为高中及大学教学内容。2012年和清华大学尹璋琦等合作者首次提出利用超冷束缚离子实现时空晶体的实验方案,被Nature杂志选为研究亮点,并被Discovery传播公司拍摄成纪录片。2015年和尹璋琦合作提出活体微生物的量子态叠加,纠缠和隐形传态方案,引起学术界和媒体的广泛关注。
 
参考文献:
[1] 郑永令,贾起民。《力学》,上海,复旦大学出版社,1990
[2] 徐克尊,陈宏芳,周子舫。《近代物理学》,北京,高等教育出版社,1993
[3] 曾谨言,《量子力学》,北京,科学出版社,2000
[4] 郭硕鸿,《电动力学》,北京,高等教育出版社,1997
 
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