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重温课本(3):科学如何证明自己?

已有 3539 次阅读 2013-8-21 12:41 |系统分类:科研笔记|关键词:学者| 科学, 课本

我想,几乎每个老板都会问自己的学生:“你怎么证明你的结果是正确的"? 有些时候, 学生会很茫然,不知道到底老板需要什么样的答案。有些人会说:"这是实验结果"; 有些人会说:"我计算的结果就是这样"; 也有人说:"别人的结果也是这样"。看来,这并不是一个很简单的问题。

那么,换过来想,科学又是如何证明自己是正确的呢? 当然,简简单单回答“实验证明”或者“理论证明”已经不足以回答这个问题。这是一个每个科研工作者都要时刻思考的问题,思考得越深刻,领悟也会越深。这个博客是给出我的一些总结和思考。

我们可以从两个方面来看待这个问题。

首先讲经典力学。牛顿第一定律说: 任何一个物体在不受外力或受平衡力的作用时,总是保持静止状态或匀速直线运动状态,直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。证明非常简单,取一个很光滑的平面,把一个物体放在上面,它可以在平面上几乎匀速跑很远;表面越光滑,它跑得越远。但是这里有一个很奇怪的东西--理想无摩擦的平面。这种平面在自然界无法找到,可是却被用在证明牛顿力学的准确性来。其实这里包含了科学最简单的原理:用最简单的最纯净的系统来证明一个最简单的结论。这里我用了很多“最”,因为这也是现在很多实验的追求。在物理上要制备最干净的样品,最简单的结构,以及最直接的测量方法等等。

这里不得不提到中医。中医肯定是有效的,但是中医的问题是,把很多乱七八糟的东西放在一起,然后把病治好了,但是却不知道具体是哪味药中的哪个成分把病治好了。用这种方法来做研究,是很难取得大的进步的。中医在此是一个科学上失败的典型例子。

然后是量子力学。Schrodinger在写出它的方程以后,如何证明它是对的呢? 同样的原理,要选择一个最简单最干净的系统,用一种最让人信服的方法。从经典力学到量子力学,科学已经发展了400多年,大家对这种所谓信服的实验证明更加苛求。科学家选择了光谱。之所以选择氢原子光谱,有几个原因: (1) 在量子力学建立之前,已经有大量的实验数据和经验公式(光谱是离散的,但是没有解释); (2) 氢原子可以简化为可以严格求解的单体问题,物理图像最简单,结果最简单,求解最简单。需要指出来的是,Dirac方程以及电子自旋,也是在氢原子体系中证明的。

在科学上,这两个例子很典型。在这里老调重弹,是因为有这样一个不好的趋势,有些科研工作者自觉不自觉去研究一个复杂的系统,然后去讲一个简单的故事。无论是做理论还是做实验,这已经违背科学的简单原理了。所以重温课本,好好去思考这些基本的问题,还是会有很大的收获的。从这个新的角度去重新审视那些被誉为经典的实验,可以欣赏到作者的“独具匠心”--科学想法都在这里。这是另外一种不容忽视的美妙构思。如果用这种简单原理指导自己的工作,会有更好的收获。



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2 曹聪 wliming

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