小聪明怎么解决大问题？-知识分子的财新博客-财新网

撰文 | 吴进远责编 | 夏志坚

曾经在网上读到过一些帖子，将田忌赛马，曹冲称象等都贬损为小聪明。但是对于科研工作者而言，在工作中充分有效地发挥自己与他人的小聪明，将一项项小的成果积累成为大的成就，其实可是大智慧呢！而且，科研人员的小聪明也不是凭空产生的，它来源于勤于实践勤于思考，来源于对科学背景的深刻理解。

在这篇文章中，作者准备通过科研工作中的几个例子，讨论一下小聪明对于解决科研中的实际问题起到的作用。

01 微小电流测量与龙头漏水

作者在科研工作中遇到过一个测量微小电流的问题。为了检测加速器部件在周围产生的放射性，需要一种探测器。当带电粒子通过探测器时，探测器输出纳安量级的电流，其大小反映放射性的强弱。

通常情况下，要想测量这么小的电流，需要用低噪声放大器将输入信号放大，然后用高精度的模数转换器转换为数字信息。这样的技术设计制作不简单，调试也比较麻烦。此外，在恶劣环境下工作时，电路的可靠性也不是太理想，不够皮实。（顺便说一句，我见到有的朋友将robust翻译成为“鲁棒”，其实这个词很多情况下可以翻译成皮实。）

此外，像低噪声放大器、高精度模数转换器这类集成电路，如果性能要求太苛刻，很可能没有一家公司能够制造出来。在实际工作中，还经常会出现一些公司提前给出性能数据的状况，性能指标很好，应用手册俱全，但想买器件要等18个月以后。你有时甚至等了18个月之后再去查，仍然说需要等18个月后才能买到。因此过分依赖高精技术往往不切合实际。

而一个相对比较皮实但功能略微欠佳的方案，是使用循环积分器将电流值转换为频率值。循环积分器能将被测小电流中的电荷积存到一个电容器里，等到电荷积存到一定数量后，会启动一个逻辑电路，产生一个脉冲，将电容器里的电荷放空。之后电路会再次进入这样一个积分、放电的循环。脉冲的频率与电流成正比，电流越大，脉冲频率越高，因此我们只要用一个计数器，将单位时间内的脉冲个数记录下来，就可以换算成电流。

这有点儿像一个漏水的水龙头，要想测量水龙头的漏水速率需要很高级的水表。不过稍微动动脑筋，我们还能找到另外的办法。水龙头漏出的水在其下端不断积累，积攒到一定体积就会滴下一滴。显然，滴水的频率与漏水速率成正比。比如我们在一分钟里数到水龙头滴了12滴水，每一滴水大约0.05毫升，则水龙头的漏水速率大约为每分钟0.6毫升，或者每秒0.01毫升。

为什么人们认为这个方案功能欠佳呢？首先是测量速度比较慢，比如水龙头的例子中，要等一分钟才能有一个测量结果。其次是精度比较差，比如在同样的漏水速率情况下，一分钟里有时可能看到12滴水，有时也可能看到13滴水，这就有了一个8%左右的误差。第三个问题，这样测到的漏水速率是一个平均值，漏水的速率在一分钟内是不是出现了变化，用这个方法无从知道。

但是，只要我们稍微再动一下脑子，就可以想到一个很简单的改进方案：把数单位时间内水滴的个数，改成测量两次滴水之间的时间，前面谈到的问题就迎刃而解了。原来要一分钟才能得到一个测量数据，现在只要两滴水就可以了，测量速率大大提高。时间测量很容易达到百分之一秒精度，两滴水之间的时间间隔大约5秒，因而整个测量的误差也可以大大降低。此外由于测量速率提高了，测量漏水速率的变化也变得更容易了。比如第一滴水与第二滴水之间时间间隔为5.0秒，第二滴水到第三滴水之间为5.3秒，我们可以看出漏水速率在5秒中显著地变化了。

回到作者工作中测量微小电流的问题，我们把通常使用的计数器换成了一个时数转换器（TDC），以此测量脉冲之间的时间差。这就使一个原来功能略微欠佳的循环积分器方案获得很大的改进，满足了实际系统的需要。【关于TDC的原理，参见《知识分子》2018年4月5日文章】

这个改进是典型的小聪明，把屈指计数改成了掐表计时，算不上是个重大改进。然而这样一个小小的改进，却解决了实际实验中的大问题。

02 一只汽车灯泡的故事

我听老一辈的物理学家讲过一段科研往事，他们制做了一个具有自动记录功能的仪器。仪器中有一个小反射镜，待记录的物理量造成反射镜微微偏转。仪器中用一只手电筒里的小灯泡产生一个光束，照到镜子上，再反射到一个机械旋转的卷筒上。卷筒上卡上一张照相纸，光束照到照相纸上的一个点使之曝光。使用的时候，物理量变化使得反射镜角度变化，从而使光束照到的位置变化。同时卷筒转动，这样就可以记录下物理量随时间的变化。

理想很丰满，但现实总是很骨感，这个看上去并不复杂的仪器调试却总不成功。千辛万苦做了实验，然后摸黑取下照相纸，拿到暗室小心地显影定影。开灯一看，照相纸上白白净净，一点感光的痕迹都没有。

多年前做实验和我们现在做实验有很多地方是相通的，遇到不成功不顺利就要怀疑一切，直至抓狂怀疑人生。当然与我们现在的同学们不同的是，他们那时没有怀疑人生这个说法。照相纸没有感光，要怀疑的事情非常多，是不是照相纸过期了？是不是显影剂潮解了？会不会是配显影液的水里溶解的杂质引起的问题？要不要烧一些蒸馏水试试？

经过反复试验，证实照相纸没有问题，显影液没有问题。那么，会不会是曝光时间不够呢？于是大家又降低卷筒转速再试，甚至将卷筒停下来，让光束在照相纸在一个点曝光几分钟乃至半小时。结果仍然没有感光的迹象。

后来这位老科学家提出，到县城买个汽车灯泡来试试。结果，汽车灯泡替换了仪器中的手电筒小灯泡，洗出的照片上显出了黑色的曲线。就靠买一个汽车灯泡这样的小聪明，他们解决了实践中遇到的一个大问题，仪器调试圆满成功。

实验固然是成功了，但有的年轻人还是想不通。汽车灯泡可能比手电筒小灯泡亮100倍，用汽车灯泡可以使照相纸在很短时间，比如0.1秒内感光。但是，让手电筒小灯泡照射10秒，这样时间延长了100倍，二者曝光量应该相同，为什么照相纸仍然不会感光呢？

这就涉及到下面要谈的问题，小聪明来源于对科学的深刻理解。

03 小聪明源于对科学的深刻理解

《知识分子》的读者，应该不止一次读到过技术不等于科学这样一个论题。科学与技术固然是两个概念，但是二者之间的联系非常紧密。如果将二者截然对立，对二者的发展都没有好处。

科学实验成功与否，与实验装置设计得是否合理有极大的关系。实验装置的设计固然属于技术范畴，但要想确保实验成功，其设计必须基于对科学原理的深刻理解。实验装置好不好主要不在于使用了多高的技术，而在于是不是满足了科学测量的需求。

在技术上的很多改进，看上去好像是灵机一动的产物，但实际上这背后也离不开对科学原理的深刻理解。比如前面谈到的汽车灯泡问题，涉及到对自然现象线性化的局限性以及阈值现象的理解。阈值现象是指，当一个外界作用小于一定量时，某种物理现象或者化学反应不会发生。只有在外界作用的强度高于某一阈值时，现象或反应才会发生。

老科学家当年解释这个现象的话，我到现在仍然记得。他说，就像我们手上拿了一块小石头，如果我们用石头轻轻地敲玻璃，敲1000次玻璃也不会破，但如果把这1000次的能量集中到一次，玻璃一下就会被打破。

很多自然现象在一定的条件下是可以线性化的。比如感光材料的感光度与曝光强度之间，在一定光强范围内近似成正比关系。在光线较好的情况下拍照，如果把光圈从5.6调成8，进入镜头的光通量降低为原来的一半，使用相同的快门时间，照片的亮度相应变低。但如果将快门时间减慢，比如从1/40秒增加到1/20秒，照片的感光度基本上应该恢复到与原来相同。如果光线很暗，这种简单的比例关系就不再成立了。也就是说，自然现象的线性化是存在局限的。

科学结论大多是附带有限制条件的。如果只背理论，忽略实践，往往容易只记得结论，忘记附带的限制条件，导致对科学结论的理解囿于肤浅。这种情况下，一个人很容易思想僵化，很难有小聪明光顾。而勤于实践，有利于对科学结论做批判性地深入思考，从而获得对自然现象的深入理解。这样才会在实验中遇到困难时能经常想出好的点子，解决看上去令人一筹莫展的问题。

04 将小聪明小成果积累成为大成就

在一些领域，经常听到我们与世界先进水平相差10年、20年、30年、40年乃至50年的说法。不得不指出，这种膨胀化的说法与我们经常批评的盲目自大的说法同样脱离实际。

毫无疑问应该鼓励科研人员理性正确地认识到自己的工作与世界先进水平的真实差距，而且应该认识到这种差距在性质上与网上有些文章的说法完全不同。我们做科研工作都是要读文献的，当我们读了很多文献之后，就会清楚地知道世界先进水准在什么地方。这种认识差距的过程，不是只有中国的科研人员应该做，事实上，世界上任何一个院校或科研机构的科研人员都在不断地做。

没有哪个科研团队可以在本领域永远保持第一，任何科研团队做出一个新的成果，都可以在本领域中的一个小领域暂时成为世界第一。而别的团队，又会受到启发，在本领域中或另一个小领域作出更好的成果。科学技术就是在这样你追我赶的动态变化中逐渐进步的。

具体到每一位科研人员，完全可以根据科研任务的需要，找一个富有挑战性而又能够做成的课题。这一点，对于国内与国外的科研人员没有任何不同。实际上，只要课题选得合适，准备做得充分，有时只要踏踏实实地做一两年甚至几个月的实验，就能做出一个本领域在国际上有价值的成果。

如果你能充分深刻地理解所面临课题的科学背景，勤于思考，勤于实践，很有可能会产生一些小聪明，想出若干好点子。比如你可能在你的实验里换了一个好的催化剂，加快了化学反应，看到了以前不容易看到的现象。比如你可能想到一个土办法，让测量中的噪声干扰自动抵消掉了，获得了更加清楚的测量结果与变化趋势。这样的成果，就不仅仅是有价值，而且是一种创新与发明了。

如果有较大比例的科研人员都能在自己的工作中发挥自己的小聪明，取得一些小成果，那么把千千万万个小成果有效地积累叠加在一起，就完全可以成为一个大成就。其中一些成就，就完全可以像大亚湾中微子实验，嫦娥四号着陆探测月球背面，时速350公里高铁自动驾驶等项目一样，为人类科学技术做出独特的重大贡献。

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