科学研究什么

对于科研工作者来说，在刚刚踏上自己的科学研究之路时，一定是对未来充满了美好的憧憬，也同时有一点点恐慌和不安，因为你们无法预测未来的科学研究是否会一帆风顺。以下是施一公教授基于自己的切身经历所提出的对学术品味、学术道德、学术道路的一些看法。一、做一个优秀的研究生，时间的付出是必须的所有成功的科学家有一个共同的特点，那就是他们必须付出大量的时间和心血。实际上，一个人无论从事哪一种职业，要想成为本行业中的佼佼者，都必须付出比常人多的时间和心力。有时，个别优秀科学家在回答学生或媒体的问题时，轻描淡写地说自己的成功凭借的是运气，不是苦干。这种客气的回答避重就轻，只是强调成功过程中的一个偶然因素，常常对年轻学生造成很大的误导；一些幼稚的学生甚至会因此开始投机取巧、不全力进取而是等待所谓的运气。说极端一点：如果真有这样主要凭运气而非时间付出取得成功的科学家，那么他的成功很可能是攫取别人的成果，而自己十有八九不具备真正在领域内领先的学术水平。神经生物学家蒲慕明先生在多个神经科学领域做出了重要贡献。十几年前，身处加州大学伯克利分校的蒲先生曾经有一封电子邮件在网上广为流传，这封邮件是蒲先生写给自己实验室所有博士生和博士后的，其中的一段翻译过来是这样说的：“我认为最重要的事情就是在实验室里的工作时间，当今一个成功的年轻科学家平均每周要有60小时左右的时间投入到实验室的研究工作......我建议每个人每天至少有6小时的紧张实验操作和两小时以上的与科研直接有关的阅读等。文献和书籍的阅读应该在这些工作时间之外进行。”这封邮件写得语重心长，用心良苦。其中的观点我完全赞同，无论是在普林斯顿还是在清华大学我都把这封邮件的内容转告实验室的所有学生，让他们体会。我从小就特别贪玩，不喜欢学习。但来自学校和父母的教育与压力迫使自己尽量刻苦读书，保送进了清华。尝到了甜头以后，我在大学阶段机械地保持了刻苦的传统，综合成绩全班第一、提前一年毕业。当然，这种应试和灌输教育的结果就是我很少真正独立思考、对专业也提不起兴趣。大学毕业后我去美国留学。博士一年级，因为对科研和专业没有兴趣，我内心浮躁而迷茫，无法继续刻苦，而是花了很多时间在中餐馆打工、选修计算机课程。第二年，我开始逐渐适应科研的“枯燥”，对科学研究有了一点儿兴趣，并开始有了一点儿自己的体会，有时领会了一些精妙之处后会得意地产生“原来不过如此”的想法，逐渐对自己的科研能力有了一点儿自信。这时，博士学位要求的课程已经全部修完，我每周五天从上午9点做实验到晚上7、8点，周末也会去半天。到了第三年，我已经开始领会到科研的逻辑和奥妙，有点儿跃跃欲试的感觉，在组会上常常提问，而这种“入门”的感觉又让我对研究增加了更多兴趣，晚上常常干到11点多。1993年我曾经在自己的实验记录本的日期旁标注“这是我连续第21天在实验室工作。”，以激励自己。到第四年以后，我完全适应了实验室的科研环境，再也不会感到枯燥，时间安排则完全服从实验的需要。其实，这段时期的工作时间远多于刚刚进实验室的时候，但感觉上好多了。研究生阶段后期，我的刻苦在实验室是出了名的。在纽约做博士后时期则是我这辈子最刻苦的两年，每天晚上做实验到半夜三点左右，回到住处躺下来睡觉时常常已是四点以后；但每天早晨八点都会被窗外街道上的汽车喧闹声吵醒，九点左右又回到实验室开始了新的一天。每天三餐都在实验室，分别在上午9点、下午3点和晚上9点。这样的生活节奏持续11天，从周一到第二周的周五，周五晚上乘坐灰狗长途汽车回到巴尔地摩的家里，周末两天每天睡上近十个小时，弥补过去11天严重缺失的睡眠。周一早晨再开始下一个11天的奋斗。虽然很苦，但我心里很骄傲，我知道自己在用行动打造未来、在创业。有时我也会在日记里鼓励自己。我住在纽约市曼哈顿区65街与第一大道路口附近，离纽约著名的中心公园很近，那里也常常有文化娱乐活动，但在纽约工作整整两年，我从未迈进中心公园一步。我常常把自己的这段经历告诉我实验室的学生，新生常常问我：“老师，您觉得自己苦吗？”我回答，“只有自己没有兴趣的时候觉得很苦。有兴趣以后一点也不觉得苦。” 是啊，一个精彩的实验带给我的享受比看一部美国大片强多了。现在回想起当时的刻苦，感觉仍很骄傲、很振奋！我在博士生和博士后阶段那七年半的努力进取，为我独立科研生涯的成功奠定了坚实基础。二、做一个优秀的研究生，必须具备批判性的思维要想在科学研究上取得突破和成功，只有时间的付出和刻苦，是不够的。批判性分析（critical analysis）是必须具备的一种素质。 研究生与本科生最大的区别是：本科生以学习人类长期以来积累的知识为主、兼顾科学研究和技能训练；而博士生的本质是通过科学研究来发掘创造新的知识，而探索新知识必须依靠批判性的思维逻辑。其实，整个大学和研究生阶段教育的很重要一部分就是培养critical analysis的能力，养成能够进行创新科研的方法论。这里的例子非常多，覆盖的范围也非常广，在此举几个让我难忘的例子。1.正确分析负面结果（negative results）是成功的关键作为一名博士生，如果每一个实验都很顺利、能得到预期的结果，除个别研究领域外，可能一般只需要6至24个月就可以获得博士学位所需要的所有结果了。然而，在美国，生命学科的一个博士研究生，平均需要6年左右的时间才能得到PhD学位。这一分析说明：绝大多数实验结果会与预料不符，或者是负面结果。很多低年级的博士生一看到负面结果就很沮丧，甚至不愿意仔细分析原因。 其实，对负面结果的分析是养成批判性思维的最直接途径之一；只要有合适的对照实验、判断无误的负面实验结果往往是通往成功的必经之路。一般来说，任何一个探索型研究课题的每一步进展都有几种、甚至十几种可能的途径，取得进展的过程就是排除不正确、找到正确方向的过程，很多情况下也就是将这几种、甚至十几种可能的途径一一予以尝试、排除，直到找到一条可行之路的过程。在这个过程中，一个可靠的负面结果往往可以让我们信心饱满地放弃目前这一途径；如果运用得当，这种排除法会确保我们最终走上正确的实验途径。 非常遗憾的是，大多数学生的负面实验结果并不可靠，经不起逻辑的推敲！而这一点往往是阻碍科研课题进展的最大阻碍。比如，对照实验没有预期结果，或者缺乏相应的对照实验，或者是在实验结果的分析和判断上产生了失误，从而做出“负面结果”或“不确定”的结论，这种结论对整个课题进展的伤害非常大，常常让学生在今后的实验中不知所措、苦恼不堪。因此，我告诫并鼓励我所有的学生：只要你不断取得可靠的负面结果，你的课题很快就会走上正路；而在不断分析负面结果的过程中所掌握的强大的批判性分析能力也会使你很快成熟，逐渐成长为一名优秀的科学家。 我对一帆风顺、很少取得负面结果的学生总是很担心，因为他们没有真正经历过科研上批判性思维的训练。在我的实验室，偶尔会有这样的学生只用很短的时间（两年以内，有时甚至一年）就完成了博士论文所需要的结果；对这些学生，我一定会让他们继续承担一个富有挑战性的新课题，让他们经受负面结果的磨练。没有这些磨练，他们不仅很难真正具备批判性思维的能力，将来也很难成为可以独立领导一个实验室的优秀科学家。2.耗费大量时间的完美主义阻碍创新进取Nikola Pavletich是我的博士后导师，对我影响非常大，他做出了一系列里程碑式的研究工作，享誉世界结构生物学界，31岁时即升任正教授。1996年4月，我刚到Nikola实验室不久，纯化一个表达量相当高的蛋白Smad4，两天下来，蛋白虽然纯化了，但结果很不理想：得到的产量可能只有预期的20%左右。见到Nikola，我不好意思地说：“产率很低，我计划继续优化蛋白的纯化方法，提高产率。”他反问我：“你为什么想提高产率？已有的蛋白不够你做初步的结晶实验吗？”我回敬道：“我虽然已有足够的蛋白做结晶筛选，但我需要优化产率以得到更多的蛋白。”他毫不客气地打断我：“不对。产率够高了，你的时间比产率重要。请尽快开始结晶。”实践证明了Nikola建议的价值。我用仅有的几毫克蛋白进行结晶实验，很快意识到这个蛋白的溶液生化性质并不理想，不适合结晶。我通过遗传工程除去其N端较柔性的几十个氨基酸之后，蛋白不仅表达量高、而且生化性质稳定，很快得到了有衍射能力的晶体。 在大刀阔斧进行创新实验的初期阶段，对每一步实验的设计当然要尽量仔细，但一旦按计划开始后对其中间步骤的实验结果不必追求完美，而是应该义无反顾地把实验一步步推到终点，看看可否得到大致与假设相符的总体结果。如果大体上相符，你才应该回过头去仔细改进每一步的实验设计。如果大体不符，而总体实验设计和操作都没有错误，那你的假设很可能是有大问题的。这样一个来自批判性思维的方法论在每一天的实验中都会用到。 过去二十年，我一直告诉实验室所有学生：切忌一味追求完美主义。我把这个方法论推到极限：只要一个实验还能往前走，一定要做到终点，尽量看到每一步的结果，之后需要时再回头看，逐一解决中间遇到的问题。3.科研文献（literature）与学术讲座（seminar） 的取与舍在我的博士生阶段，我的导师Jeremy Berg非常重视相关科研文献的阅读，有每周一次的实验室文献讨论，讨论重要的相关科研进展及研究方法，作为学生我受益匪浅。作为学生，我以为所有的科学家在任何时期都需要博学多读。 刚到Nikola实验室，我试图表现一下自己读文献的功底、也想与Nikola讨论以得到他的真传。1996年春季的一天，我精读了一篇《自然》周刊上发表的文章，午饭前遇到Nikola，向他描述这篇文章的精妙，同时期待着他的评述。Nikola面色尴尬地对我说：“对不起，我还没看过这篇文章”。我想：也许这篇文章太新，他还没有来得及读。过了几天，我精读了一篇几个月前发表于《科学》周刊的文章，又去找Nikola讨论，没想到他又说没看过。几次碰壁之后，我不解地问他：“你知识如此渊博，一定是广泛阅读了大量文献。你为什么没有读我提到的这几篇论文呢？”Nikola看着我说：“我阅读不广泛。”我反问：“如果你不广泛阅读，你的科研怎么会这么好？你怎么能在自己的论文里引用这么多文献？”他的回答让我彻底意外，大意是“我只读与我的研究兴趣有直接关系的论文。并且只有在写论文时我才会大量阅读。” 我做博士后的单位Memorial Sloan-Kettering Cancer Center有一个优秀的系列学术讲座，常常会请来各个生命科学领域的著名科学家来演讲。有一次，一个诺贝尔奖得主来讲，并且点名要与Nikola交谈。在绝大多数人看来，这可是一个不可多得的好机会去接近大人物、取得好印象。Nikola告诉他的秘书：请你替我转达我的歉意，讲座那天我已有安排。我们也为Nikola遗憾。让我万万想不到的是，诺贝尔奖得主讲座的那天，Nikola把自己关在办公室里，早晨来了以后直到傍晚一直没有出门，当然也没有去听讲座。以我们对他的了解，十有八九他是在写paper或者解结构。后来，我意识到，Nikola常常如此。 在我离开Nikola实验室前，我带着始终没有完全解开的谜，问他：如果你不怎么读文献，又不怎么去听讲座，你怎么还能做一个如此出色的科学家？他回答说：（大意）我的时间有限，每天只有10小时左右在实验室，权衡利弊之后，我只能把我的有限时间用在我认为最重要的事情上，如解析结构、分析结构、与学生讨论课题、写文章。如果没有足够的时间，我只能少读文章、少听讲座了。 Nikola的回答表述了一个简单的道理：一个人必须对他做的事情做些取舍，不可能面面俱到。无论是科研文献的阅读还是学术讲座的听取，都是为了借鉴相关经验、更好地服务于自己的科研课题。 在博士生阶段，尤其是前两年，我认为必须花足够的时间去听各相关领域的学术讲座、并进行科研文献的广泛阅读，打好批判性思维的基础；但随着科研课题的深入，对于文献阅读和学术讲座就需要有一定的针对性，也要开始权衡时间的分配了。4.挑战传统思维从我懂事开始，就受到教育：但凡失败都有其隐藏的道理，应该找到失败的原因后再重新开始尝试。直到1996年，我在实验上也遵循这一原则。但在Nikola 的实验室，这一基本原则也受到有理有据的挑战。 有一次，一个比较复杂的实验失败了。我很沮丧，准备花几天时间多做一些对照实验找到问题所在。没想到，Nikola阻止了我，他皱着眉头问我，“告诉我你为什么要搞明白实验为何失败？”我觉得这个问题太没道理，理直气壮地回答：“我得分析明白哪里错了才能保证下一次可以成功。”Nikola马上评论道：（大意）“不需要。你真正要做的是把实验重复一遍，但愿下次可以做成。与其花大把时间搞清楚一个实验为何失败，不如先重复一遍。面对一个失败了的复杂的一次性实验，最好的办法就是认认真真重新做一次。”后来，Nikola又把他的观点升华: （大意）“是否需要找到实验失败的原因是一个哲学决定。找到每一个不完美实验结果原因的传统做法未必是最佳做法”仔细想想，这些话很有道理。并不是所有失败的实验都一定要找到其原因，尤其是生命科学的实验，过程繁琐复杂；大部分失败的实验是由简单的操作错误引起的，比如PCR忘记加某种成分了，可以仔细重新做一遍；这样往往可以解决问题。只有那些关键的、不找到失败原因就无法前行的实验才需要刨根究源。 我选择的这些例子多少有点“极端”，但只有这样才能更好地起到震荡大家思维的作用。其实，在我自己的实验室里，这几个例子早已经给所有学生反复讲过多次了，而且每次讲完之后，我都会告诉大家打破迷信、怀疑成规，而关键的关键是：Follow the logic跟着逻辑走！这句话，我每天在实验室里注定会对不同的学生重复讲上几遍。严密的逻辑是批判性思维的根本。三、科学家往往需要独立人格和一点点脾气对社会人而言，科学研究是个苦差事；对真正的科学家而言，科学研究实在是牵肠挂肚、茶饭不思、情有独钟、妙不可言。靠别人的劝说和宣讲来从事科学研究不太可行，真正自己从心里感兴趣直至着迷、一心一意持之以恒地探奇解惑，才有可能成为一流的科学家，正所谓“不疯魔、不成活”。在这个过程中，独立人格和脾气显得格外重要。所谓独立人格，就是对世界上的事物有自己独立的看法。恰恰是一些有脾气的人不会轻易随波逐流，可以保持自己的独立人格。因为时间关系，这里就不举例了。四、不可触碰的学术道德底线做学问的诚实反映在两方面。首先是有一说一，实事求是，尊重原始实验数据的真实性。在诚实做研究的前提下，对具体实验结果的分析、理解有偏差甚至错误是很常见的，这是科学发展的正常过程。可以说，绝大多数学术论文的分析、结论和讨论都存在不同程度的瑕疵或偏差，这种学术问题的争论往往是科学发展的重要动力之一。越是前沿的科学研究，越容易出现错误理解和错误结论。 比较有名的例子是著名物理学家费米1938年获得诺贝尔奖，获奖的重要原因之一是他发现了第93号元素。实际上，尽管费米在1934年曾报道用中子轰击第92号元素铀可以产生第93号元素，德国的化学家哈恩在1939年1月发表论文，证明产生的元素根本不是93号元素，而是56号元素钡！但这个错误并没有改变费米是杰出的物理学家的事实，也没有影响他继续在学术上的进取。费米很快提出后来用于制造原子弹的链式反应理论并于1941年在芝加哥大学主持建成世界上第一座原子反应堆。 再举一个生命科学领域的例子，Edmond Fischer和Edwin Krebs因为发现蛋白质的磷酸化于1992年获得了诺贝尔生理学或医学奖，但如果仔细阅读他们发表于二十世纪五十年代的几篇关键学术论文，你会发现他们当时对不少具体实验现象的理解和分析与我们现在的理解有一定差距，用今天的标准可以说不完全正确；但瑕不掩瑜，这些文章代表了当时最优秀最有创意的突破。 举这两个例子是希望大家区分error与misconct的区别。比如一个实验由于条件有限，做出了一个结论，后来别人用更高级的实验手段、更丰富的实验数据推翻这个结论，那么第一篇只要详实地报道了当时的实验条件，更重要的是基于这些描述其他实验室都可以重复出其报道的实验结果，就情有可原，无须撤稿。但如果明知实验证据不足，为了支持某个结论而编造实验条件或实验证据，这就是造假了，视为学术不端。 但诚实的学问还有另外一层重要含义：只有自己对具体实验课题做出了相应的贡献(intellectual contribution)后，才应该在相关学术论文中署名。这一点，很多人做不到。大老板强势署名的事情屡见不鲜；更有甚者，利用其学术地位和影响力，使一些年轻学者不得不在文章里挂上自己的名字，有时还以许诺未来的科研基金来换取论文署名。这种做法不仅有失学术道德，更是会严重阻碍创新，对整个学术界风气的长远恶劣影响更甚于一般的造假。五、你不习惯的常识1.我们有限的认知不足以支撑一成不变的真理你们在课堂里学到的所有定律、公理等等，都是前人对自然现象的归纳总结，是现状下最好的归纳总结，可以有效解释这些现象、甚至预测一些还未发现的现象。也许这些定律和公理可以非常接近真理；但是，这些定律和公理仅仅是对现实的近似描述，都不是永恒的真理；随着人类对周围环境和宇宙认识的加深，这些定律和公理都会有失效的时候。这里最有代表性的例子应当是强大的牛顿万有引力定律；它可以解释太阳系行星围绕太阳的公转，但它无法完美解释水星近日点进动的问题，而需要引入爱因斯坦的广义相对论。所以，请同学们牢记：科学研究中没有绝对的真理，只有不断改进的人类对自然的认识！ 2.科学和民主是两个概念科学研究是探寻未知，其结果是科学发现和规律定理；而民主通常是指在决策过程中每个人都有发言权的现象和过程。很遗憾，但也许是很幸运，在科学研究的过程中，从来没有“少数服从多数”这一原则。实际上，在前沿和尖端的科学研究领域，常常是极少数人孤独地探索，做出一些有违常规的意外发现，这些发现也常常被大多数人排斥甚至攻击。但最终，极少数的这些科学探索者的发现还是会被学界和社会所接受。从苏格拉底到布鲁诺、哥白尼，这里的例子不胜枚举。虽然科学真理最初往往被极少数人发现的道理人人知晓，但到了日常科学研究中，在各种噪音中，真正能够全力探索、冷静辨别真伪的又有多少人能真正做到呢？ 其实，真正优秀的科学评价也不是简单的一人一票。我从霍普金斯大学读博士到普林斯顿大学做教授的这18年间，常常看到一个有趣的现象，那就是在一场激烈的学术讨论过程中，初始阶段大多数人坚持的观点逐渐被少数几个人的观点说服，成了实实在在的多数服从少数。这些少数人制胜的法宝就是精准的学术判断力和严密的逻辑。这种现象，在基金评审、科学奖项评审、重大科研课题讨论及评审等等过程中也常常出现。3.科学是高尚的，但科学家未必高尚走上科研的道路，每个人的动力都不同。有人可能是基于兴趣，有人可能是因为成就感，也有人就是把科研当成#科学#了追求名利、甚至仅仅是谋生的手段。所以，大家没有必要盲目崇拜所谓学术权威、盲目崇拜教授专家。 然而，在科学评价中，却是“论迹不论心”。也许以名利为手段的会最终心想事成，做出重大科学成果名利双收；也有清高淡泊醉心学术却因为种种原因一事无成的。这都是实实在在会发生的。但不论每一个个体是以什么目的、什么动力在做科研，科学的本质就是求真，科研的目标是不断拓展人类知识的边界、推动技术进步。而哪怕你的初衷只是把科研当成一份普通的工作、当成谋生的手段，如果你坚持走下去了，我也祝福你能够慢慢从日复一日的重复、无路可走的焦灼，到柳暗花明、灵光乍现的起伏中逐渐体会到从事科研的幸福感、满足感和成就感。真正的科研动力来自于内心的认同！真正的学术道德在完善科研管理体制之外，也有赖于每一个个体对于科研之道的认同而实现的自律。

一般来说，没有创新性的学术论文是没有学术价值的，从严格意义上讲，它也不是真正的学术论文。因此，学术论文应当具有创新性，这种创新性表现在与已有研究论著不同的新发现上，包括新论点、新理论、新方法、新技术、新手段或新材料等。尽管创新性是对学术论文的要求，但创新却并非撰写学术论文所能做到的。学术论文只能反映研究情况，创新是研究的结果。没有研究的创新，不可能有学术论文的创新。在医刊汇编辑看来，要做创新性研究，写创新性论文，可以从以下几个方面着手。一、主题创新。选择新问题进行研究，是科学研究创新的主要途径。研究新问题，不但能够拓宽科学研究领域，而且能够在人所未及的问题上发表拓荒性的见解和研究结论。因此，学者们无不投人大量的精力以发现新问题，开垦科学研究的新领域。但事实上，在科学研究日渐繁荣的今天，主题创新的难度也日渐加大。尽管如此，从事科学研究，就要不断探寻新问题，不断拓宽研究主题，努力为学科创新贡献自己的学术智慧。二、视角创新。面对学术研究中的老问题，要做出创新性研究，可以通过视角创新来实现。所谓视角创新，就是在科学研究中，采用现有研究中未曾使用过的相关学科分析范式或有关学说理论，研究本学科中的老主题，以期获得新的研究结论。视角的创新不但可能有助对问题本身做出新的解释，而且还可能获得从其他视角所不能获得的富有启发意义的新的研究结论。所以，在科学研究中，提倡多学科研究，提倡运用其他学科的理论来研究本学科问题，目的就在于通过视角创新以获得研究结果的创新。三、论点创新。论点创新是任何一项研究都不能回避的任务，只有不遗余力地追求论点的创新，科学研究工作才能对学问有所贡献，学术才能不断进步。学术论文应当反映科学研究创新的成果，科学研究创新成果到了学术论文中就体现在论点上。从科学研究创新成果到论点，需要经历一个归纳、提炼、升华和规范化的过程。归纳、提炼与升华是针对论点的科学性而言的，规范化是针对论点表述的准确性而言的。要实现论点创新，应以获取独创性研究结果为研究的根本目的，脚踏实地，潜心研究，推陈出新。而且在论文写作中，要反复推敲、斟酌语言表达的准确性和简练性。四、方法创新。方法是创新的工具，科学研究是以科学的方法为手段的学术研究。研究方法本身的创新对学术创新具有重要意义，采用不同的研究方法所得出的研究结果可能是不同的。所以在科学研究中，对同一个问题一般鼓励采用不同的研究方法，以获取不同的研究结果，丰富人们对该问题的认识，促进学术的繁荣。经常看到一些学术论文在研究方法部分，陈述一堆的方法，什么文献研究法、实证研究法、比较研究法、案例研究法、定性研究法、定量研究法、规范研究法等，但在正文中却未见作者是如何采用这些方法解决问题的。出现这种情况的原因，往往在于写作者对研究方法的意义的认识不到位，对方法的运用还没有掌握，只知道有这些方法，却不知道在研究具体问题时应该采用什么方法。显而易见，这样看待和使用研究方法，是不可能做出创新性研究、写出高质量论文的。五、材料创新。材料是科学研究的素材，如果没有材料，科学研究寸步难行。以不同的材料为基础所开展的科学研究，结果可能大相径庭，当然，也存在殊途同归的可能性，不过，这种可能性极小。科学研究需要利用各种可能的合法途径，获取尽可能丰富的研究材料，以提高研究结果的普适性。但就具体的研究者而言，受主客观条件的限制，所能获得的研究材料总是有限的。这样，对于不同的研究者来讲，努力获得人们未曾使用过的材料，在新材料基础上开展自己的研究，就可能做出创新性研究。很多人做研究、写文章，怕苦、怕累，怕做深入、细致的材料搜集，怕做历史材料的发掘清理，主要利用网络搜索寻找现成的相关材料。尽管这些现成材料的价值毋容置疑，但占有一手材料，用新的材料研究问题，是做出创新性研究的重要条件。所以，在科学研究中，利用一切可能的机会和条件，获得属于自己发现的研究材料，尽可能少用二手、三手材料，是研究结论创新的重要保证。

共青团中央有态度 有温度 全网青年都在关注近几年，“基础科学”被提得越来越多，不仅国务院发布了《关于全面加强基础科学研究的若干意见》，各企业也纷纷加大了对基础科学研究的投入。（图片来源：央视、澎湃等网络截图）随着中国载人飞船、月球探测、量子通信等科技成果的逐渐显现，很多人逐渐认识到加强基础科学研究对国家发展的重大意义。当然，对基础科学缺乏了解、认为其没什么实际用处的也大有人在。中国基础科学研究在世界上到底处于什么水平？我们耗时耗力研究基础科学真的值得吗？我们就此专访了中国科学院院士、中国科学院高能物理所所长王贻芳。中国科学院院士、中科院高能物理所所长王贻芳（图片来源：必应图库）王贻芳院士是首位获得“基础物理学突破奖”的中国科学家，2012年，他领导的大亚湾反应堆中微子实验发现新的中微子振荡模式，被《科学》杂志列为当年全球十大科学突破。（本文根据访谈内容综合整理。）中国曾因不重视基础科学吃了大亏什么是基础科学？我认为基础科学应该具有三方面的特征：1.有一定的规律性，反映了自然界的基本规律；2.不能直接应用到实际中，但是它是解决实际问题的基本原理，比如牛顿力学并不能教你怎么盖房子，这是土木工程需要解决的问题，但是牛顿力学是土木工程的基础；3.基础科学内部还有层次性，比如很多领域里虽然有独有的基础研究，但是都离不开数学，所以数学在基础研究里更为基础。（图片来源：veer图库）很多人经常问“基础科学看起来离我们生活非常远，好像没什么实际用处”，这种想法有些急功近利。我们无法说出某个方程、某个定律有什么具体的用途，但是整个科学体系是自洽的，基础研究就像盖房子所需的一块块砖头，虽然你不知道某一块砖有什么用，但如果把这块砖抽掉，房子就会坍塌。包括物理学在内的基础研究是为了让我们认识自然界，如果我们不了解自然，就没有办法发展和利用它。换句话说，基础研究是社会发展的最根本动力。当然，这些是不能即刻带来经济效益的。它带来的更多是短时间不能见效的东西，包括科研水平的提高，即创新能力的提高、人才的培养、对技术的推动和发展等。中国古代虽有四大发明、也有 “勾股定理”等发现，但我们只停在了“发现”阶段，并没有进一步发展出抽象的、纯粹的科学。鸦片战争失败后，中国打开大门向西方学习，引进了大量西方技术，购买枪炮，但北洋舰队还是在甲午战争中失败了，为什么?如果没有掌握科学规律，人们就不能举一反三，只能单纯就事论事，那么就永远摆脱不了落后的命运。当时我们只认为学习西方的技术才是有用的，而没有把科学体系引进到中国来。相比之下，日本在明治维新时期不仅买枪、买炮，同时还引进了西方的科学，比中国早几十年建立起了完整的科学体系，以至于中国很多科学名词都是从日本传来的。所以从根本上来说，科学应该是主干，技术是主干上发展出来的枝叶，没有科学只去做技术，最终可能什么也得不到。基础科学水平提升 欧美国家的崛起回看世界历史，欧美国家的崛起也无不与其基础科学水平的提高有关。没有热力学、牛顿力学以及麦克斯韦的电磁学等科学作为基础，两次工业革命根本无从谈起。只知道烧煤的人是没法做出蒸汽机的，必须要有热力学理论的支撑。不把电磁学搞清楚，也不可能有电的应用，如果你去问麦克斯韦他的电磁学方程有什么用，他可能没法想到我们今天享受的科技成就与此有关，包括电和电器都是他奠定的基础。拿高能物理领域来说，在研究过程中产生过很多意想不到的新技术。比如上一代美国最大的加速器“Tevatron”，给我们带来了超导磁铁技术的突破与普及，现在，医院临床所用核磁共振设备中就采用了超导磁铁。Tevatron粒子加速器（图片来源：必应图库）还有伴随我们生活的万维网，很少有人知道，它是谁发明的，实际上万维网也是在高能物理研究过程中产生的。1989年，欧洲的物理学家建设了大型强子对撞机来寻找希格斯粒子，而科学家之间需要相互交流大量的数据和程序，这成为了一个重大的问题。过去，交流依靠的是美国军方发明的E-mail（电子邮件），显然它已经不能满足科学家频繁交流的需求了，于是，欧洲核子研究中心的计算机科学家Tim·Berners-Lee开发出了世界上第一个网页浏览器，架设了第一个网页服务器，推动了万维网的产生，促进了互联网应用的迅速发展。欧洲核子研究中心（图片来源：https://news.cnblogs.com/n/180532/）不仅如此，基础科学还带来了科学的方法论。科学的方法论有两个：一是逻辑推理，二是归纳。古希腊以来，人们总结出一整套推理的方法，而弗朗西斯培根之后又有了实证科学，科学体系就是建立在归纳推理以及实证等根本支柱上。目前，在我国经常会出现一些违背科学的言论与事件。比如很多人相信各种“大师”们的言论，却没有用科学的思维问一下是不是真的合理、有没有证据支持。如果能通过发展基础科学，让更多人掌握科学的方法论，整个社会将更进一步。除此之外，还有很重要的一点是，基础科学研究是文明的一部分。国家经济发展起来并有一定的基础后，就会发展艺术、音乐、文学以及科学，人们这时就会仰望天空，探索世界是怎么回事、宇宙的根本构成，我们为什么来、将来到什么地方去？这些探索让我们永远有动力追求未知。中国的基础科学在世界上是什么水平？1.怎么评价一个国家基础科学水平的高低呢？基础科学研究的重要性就体现在它对整个科学领域的影响，一个国家有影响力的基础研究成果越多，这个国家的基础科学水平就越高。如何判断基础研究的成果有没有影响力？看看我们的教科书就会明白。无论学的是数学、物理还是化学，无论是在中学、大学还是研究生阶段，教科书里都会写到一些用科学家名字命名的基础研究成果，这些就是最经典的基础研究，它们会永远流传下去，比如，现代物理学绕不开爱因斯坦的相对论，不可能不用量子力学。当然，还有一些研究成果是被论文引用较多的，虽然也有较强的影响力，但跟写进教科书相比还是差点。到目前为止，我国已有的这些重大科学成果能够写进教科书的几乎没有。2. 中国古往今来的基础科学的水平前面也提到，中国古代没有建立起基础科学的体系，所以中国的基础科学基本就是从“零”开始，经过多年努力，中国的科技水平如今已经在世界高科技领域占有一席之地了。但因为起步较晚，中国基础科学研究跟欧美的发达国家还存在一定差距，教科书中也很少有用中国人名字命名的公式、定理等。近几年有媒体报道说，在国际上，中国的科技论文被引用数排到了第二。这是科技进步的反映，毕竟30多年前中国在国际上有一定影响力的基础科学研究很少，现在能被国际同行认可并引用，算是跨越了一个很大台阶。我们国家善于集中力量办大事，所以我们能够看到某个领域突然冒头，但总体看来依旧是薄弱的。像高能物理领域，其中北京正负电子对撞机，大亚湾中微子实验、江门中微子实验这些成绩，无论是科学还是技术的，使得我们基本上站在国际的平均水平。中国基础科学研究还有很长的路要走，我们只是某个项目在国际上取得了领先的地位，但若要说整个高能物理，从规模和人员上，我们跟国际上还有相当差距。我们国家必须产生更多的重大成果，而不仅仅是一般成果，这才是质的转变！而质的转变不可能一蹴而就，必然要经历这样一个路径：从几乎为“零”开始到出现大批一般成果，然后才是重大成果。3. 怎样实现从“零”到有的转变呢？首先要摆正心态，不能急功近利，更不能揠苗助长。基础科学具有规律性，需要经过几代、十几代甚至几十代人的共同努力，我们要遵循其发展规律。很多搞基础科学研究的科学家，随着年龄增长可能很难再出新成果，这就需要下一代人才的继续接力。值得开心的是，现在中国做基础科学研究的人才队伍更加壮大，国际交流更加密切，与老一辈科学家相比，年轻一代科学家在国际上的影响力有了很大提升。其次就是人才，基础科学的发展离不开人才。人才怎么来呢？先从教育开始。一所好大学一定有非常强的基础科学实力，无论清华、北大等国内名校，还是国外名校，都是如此。很多大学实力不强，说到底还是基础研究能力不足。很多大学老师只会教学生基本的知识，但有了知识并不代表就有创新能力，创新需要有方法并在实践中锻炼，大学老师不但要教给学生知识，更重要的是教授方法并给学生“练”的机会，知识会过时，但方法永远不会！对于基础科学，最需要的就是培养学生“从无到有”的方法论，要让他们学会做前人未做过的事，这跟培养工程师的思路是不一样的。基础科学承担的任务基本处在“无人区”，都是需要思考别人没解决的问题。有了更多掌握“从无到有”方法论的人，我们社会的整体创新性才能提高。除此之外，基础科学发展也离不开国家的经费投入。在我国的研发经费里面，基础研究的经费比例偏低，只占5%左右，其中包括基础性研究和应用基础研究，和美国相比，我们国家过去三十年真正用于基础科学研究的经费实在是少的可怜。现在我国一些重点研究所、重点大学的基础研究经费已经能达到国际水平，而在10多年前，这可能连发达国家的十分之一都不到，40多年前，大概只有发达国家的百分之一。用别人百分之一的钱，还要做得比别人好，这根本不可能。所以，之前的很多年，我国的基础科学研究落后于发达国家，而现在5%的水平，只能够维持跟跑世界先进水平，但如果我国有未来引领基础科学研究的雄心，就必须加大经费投入。只有大幅度增加基础研究的投入，才能在根本上解决这个问题。到了我们成为了能够产生科学知识、而不只是消费西方产生的科学知识的时候，我们的原始性创新、颠覆性创新，就会源源不断地产生出来了。均衡支持基础研究 发展大科学装置谈到经费投入，很多人可能会问：基础研究领域众多，对国家来说，怎么判断在哪些项目上投得多一点，哪些投得少一点？其实最基本的原则就是要均衡支持，不能因为某个领域是冷门就不支持，某个领域是热门就死命支持，从而影响了全面发展。对于一个国家特别是大国来说，在基础科学方面一定要均衡发展，每个领域都要得到持续的支持。经费投入的研究很复杂，一般需要政府管理部门进行非常精准的专门研究，组织各领域的专家进行研讨，参照国际做法及整个国家基础科学发展的历史来敲定。而均衡支持要注意两个问题。一是不要以“是否有用”来判断。基础科学的领域，一个都不能废弃。20多年前，没人会想到统计学这样一门学科会对今天的人工智能发展起到大作用，如果当时觉得没用就不发展统计学，那今天别人都在发展人工智能时，我们就傻眼了。还有很多年前，有些人认为动物学、植物学是“死掉的科学”，但现在的基因科学都跟这些学科有关。热点过段时间后可能就过时了，盲目地集中投入研究资金也会造成过剩。二是不能盲目跟风。现在美国一大半的科研经费都用于生命科学的研究，超过一半的院士都在从事生命科学研究，所以有的人觉得我们也应该大力发展生命科学，而不是发展物质科学。（图片来源：人民网）这种想法存在很大问题。在基础科学研究方面，国外已经走过的路，我们是很难避开或绕过去的。虽然美国现在大部分的精力在做生命科学，但他们是从探索物质科学的路上走过来的，如果我们跳过了物质科学阶段，直接参与到生命科学的竞争中，就会带来一个很严重的结果：只能买国外的仪器设备。无论哪个学科，研究过程中都离不开各种仪器。这些仪器的基础是物质科学。而我国目前各种科学仪器主要依靠进口，反映了物质科学研究水平及人才不足的缺陷，需要大大加强。为什么物质科学的研究会跟仪器设备有关系呢？在美国，很多仪器设备是商业公司研制出来的。在研制仪器的过程当中需要两个条件，一个是需求，一个是人才。这其中人才尤为重要，但仪器创新方面的人才，学校是很难培养，必须要在科学仪器设备的研制过程中培养。而进行物质科学研究，关注自研设备包括大科学装置的建设，就是培养设备研制人才的一种最好途径。从上世纪五十年代开始，美国就开始研制大科学装置，如今五六十年过去了，在这个过程中孵化了很多仪器设备企业，比如说著名的示波器公司LeCroy（力科），其创始人LeCroy之前是一位高能物理的工程师，长期研发高能物理专用的读出电子学。最后他成立了自己的公司，专注于高速和复杂信号测试设备。现在世界上最好的仪器设备都是国外企业做的，所以他们研究生命科学的条件很优越。但我们中国很多实验室的设备基本都是进口的，说明我们物质科学的基础还很薄弱。如果我们只做生命科学的研究，就要大量进口仪器设备，导致资金外流，对国内的工业发展并无助益，同时还会受制于人。所以中国现在应该大力发展物质科学，特别要关注自研设备，包括大科学装置（注：大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施），我们需要在技术和科学目标上都领先的大科学装置，而不是跟随美国的脚步。北京正负电子对撞机（图片来源：https://ke.sogou.com/v224241.htm）大科学装置中的基础科学专用装置，比如我国的正负电子对撞机、聚变堆、专用空间科学卫星、天文望远镜等，具有确定的科学目标，应用范围广泛，投入规模大，技术先进，可以产出重大成果，对学科发展具有重大的引领和带动作用，还有一些溢出效应如重大技术的积累、突破和推广应用，国际合作与技术引进，关键技术人才的培养，企业技术水平与研发能力的提高等，因此在国家创新体系的建设中占有突出的位置。基础科学的竞争也是国力的竞争基础科学的竞争也是国力的竞争，这在高能物理领域表现得尤为明显。单就高能物理领域来说，与发达国家相比，我们总体上处于“并跑”和“跟跑”的水平，与美国、欧洲、日本等相比都有一定的差距。这一点从研究人数对比上也能看出来，我们的研究人员人数与美国相比大概只是其十分之一，跟欧洲比大概是其五分之一，跟日本比可能是其二分之一到三分之一。美国的大科学装置总体来说是从上世纪50年代开始建设，高峰在2000年左右，这50多年的投入、建设、运行等，给他们带来了巨大收益，很多非常重要的技术成果在社会上得到了广泛应用。跟他们相比，我们的北京正负电子对撞机起步较晚，技术上也不是国际领先，基本上是采用国际已有的成熟技术。可以想象，一个科学上、技术上不是最领先的装置，自然在技术的辐射能力方面会有相当的限制。20世纪80年代，建设中的北京正负电子对撞机（图片来源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/11/420228.shtm）所以，如果要想有所谓国际领先的、重大的技术突破，能够辐射到社会、对国民经济有重大作用，科学装置本身必须是先进的、别人没有的，否则早就被别人辐射完了。我们希望未来有一个高能物理的装置走在欧美前面，这也是我们提出建立“超级对撞机”的原因。如果最终建成，其规模将数倍于目前世界上最大、能量最高的粒子对撞机——建于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC，科学目标和技术创新性自然可以实现。（图源片来：中青在线）2012年希格斯粒子的发现，是国际高能物理发展的转折点，使我们有可能规划这样一个加速器。这是科学上的时机，技术上的时机，也是国家经济实力发展的时机。二十年前，这样大规模的装置想都不敢想，更不可能有钱来做。高能物理这个系统比较庞大，要想做到国际领先首先要有高远的科学目标，这样的目标很多国家都有，但是都会面临重重困难。所以接下来比拼的就是实现这些目标的能力，这里面至少会涉及二三十个技术门类，最后哪怕有一个螺丝钉没拧好，整个系统就可能出问题。加速器转起来还要放探测器，就像显微镜的镜头一样，可以看到整个过程，从而进行数据分析，所以又有人工智能、大数据、计算机、网络等领域参与进来，更不用说背后还有财务、计划、管理、采购等一整套的后勤保障系统。要把整个团队凝合起来，奔向同一个目标，这是包含成百上千人的“团队作战”，这种规模的科学研究体现的就是国力。建这样一个大型设备，能培养出机械、电子、真空、微波等各个领域的创新人才，这里面会有大批科学家、工程师解决大量的技术需求，这些需求很多都是从未出现的，如果能解决，这些人才就是“从无到有”的创新人才。所有的技术发明和科学成果，最先发现的人肯定是有一定的优势。如果只是享受别人的成果，那你就是一个“土豪”，既不能得到大家尊重，也不会很好地掌握知识，也很容易就被别人逐出圈外，夺走财富。而掌握了最前沿的基础科学知识，自然就会有最前沿的技术，从而成为引领全球科技发展的大国。

【对科学本身研究的基础】对科学本身的研究也需要基础，也需要有一定的条件，没有这些条件，即使是有专门的研究也得不出结果。这一栏目是对这一问题的叙述。前提研究，由这一研究可以进入科学，以此形成对科学本身的研究。四个基本概念仍属于围绕科学的基本研究，是基于人性、事理等研究以后所作的继续。a、人的需要（科学的目的，经由行为科学研究得出的结果）b、系统（指世界、宇宙，包括社会，精神和物质等，一体概念）c、管理（对思想、行为、行政和科学本身等所有一切的管理）d、科学（指对科学本身的研究，科学学、科学性等，与母体同名）以上研究的过程人的需要、系统、管理、科学，是科学的四个基本概念，由以上可形成对科学本身的研究。这些概念是从哪里来的呢？由更为基础的研究而得来，首先是对人性、事理的研究，以此形成对人性、事理的初步认识，然后是对世界的研究，以此对社会进行观察，发现社会的一切就两点，一是人，二是事，由此确定人性、事理是科学和社会研究的基础。循环，从懵懂到清晰，一个思想和认识逐渐抬高的循环——螺旋。然后再以此寻找与人性、事理对应的研究，确认行为科学、系统科学、管理科学和科学学为科学的基础学科，当确认了以上以后，对每一学科作继续研究，经以上的系列，确认了科学以上的四个基本概念。对科学四个基本概念的确认过程以上是一个经由多学科、多要素、许多问题相互交织，相互作用，反复研究的结果，经过许多循环，由此可以使人的认识得不断的提高。以上较为抽象，这里不做详细的叙述。以上是科学的最基础内容，由此，可形成对科学本身的研究，接着继续，可形成对科学的一步步的认识。关系说明以上有几个维度的思考，在对整个科学研究以前，还需要对以上概念的关系做一个说明。人的需要、系统、管理、科学，是科学本身的概念，在以上的概念中，人的需要是科学的目的，所有科学的活动，目的都是为了人的需要，由此形成了研究的基点；系统、管理、科学，则是为完成目的对科学的要求。以上涵盖几个维度，可以认为，科学就是由以上几个概念，或由以上几个不同维度的思考形成的。经系列的研究确定，科学就是由以上几个概念，或由以上几个不同维度的思考形成的。世界是一个人的世界，人的行为，一切都是为了人的需要，包括科学以及对科学本身的研究和认识都是人的需要，所以，确认人的需要是科学研究的基点。世界是一个人的世界，人的行为及一切都是为了人的需要，所以，确认人的需要是科学研究的基点。关于人的需要人的需要有感性、理性和实际的需要三种情况，对科学本身的研究，是一种实际需要，而且没有什么比它更为重要，因此对它必须有科学和理性的认识。但是由于人往往没有理性思维，缺乏一定的条理性，所以并未能从科学的角度确定以上是人的需要，也因此才有了对这一研究的忽略。只是原因之一。关于系统、管理、科学另外三个概念，系统、管理、科学，a可视为是为完成目的对科学的要求；b科学本身的需要；c科学本来的状况；d或是人对问题的研究必须达到的一种状态。由此可形成对科学的组织，形成对所有研究的指导。系统、管理、科学：a 可视为是为完成目的对科学的要求；b 科学本身的需要；c 科学本来的状况；d 或是人对问题的研究必须达到的一种状态。由此可形成对科学的组织，形成对所有研究的指导。下面对系统、管理、科学三个概念做一个解释。对系统、管理、科学的解释a 系统。这是对科学的第一个要求。在2-4-1有一个“一体论”，该理论阐述了世界一体的状况，一切都属于世界，包括国家、社会，精神、物质，与世界都是一体的；科学是社会的组成部分，因此，科学也是世界的一个存在。以上的所有一切又都是一个个独立的系统，因此，科学也是一个系统。科学的职责是对所有一切的研究，包括物质、生命、社会、思想、文化、国家和行政等所有的一切，由此构成一个体系。对世界的研究，不但要有系统思维，不但要有整体研究，还需要有对世界一切的一个个研究，而且都必须有将它们视为是系统的系统研究。因此，人在以科学对问题的研究以前，首先应是将科学作为一个系统作系统的研究，探知科学本身的系统状况，探知它的产生、发展的规律。有点拗口。系统是科学本身的一个概念，是一种思想，由此可形成对所有研究的指导，因此，在对科学研究之前，还必须有对系统的研究，需建立系统的学科，形成学科体系，必须明确系统的内涵、概念和构造。这里指的是思想，是对思想的研究，不是对子系统、母系统，系统与系统，系统与要素等的描述。对系统的研究就是对科学的研究，这里是一个强调。这里只是一个概述，暂时作这么多叙述。b 管理。也是对科学的要求。重要性不亚于系统的概念。管理，首先指的也是思想，这个思想首先指的是对思想的梳理、整理和管理，问题的研究，从思想开始就必须有管理，包括对科学本身的研究，以及对所有一切的梳理、整理，以此弄清所有一切的来龙去脉。由此延伸到行为，继续向下，会一步步走到所有方面，进入所有的组织，走到行政，由此可形成对所有组织的管理。进入国家，可形成对政治、经济等所有一切的管理。以上是一个从思想开始，从基础一直到行政——对科学的全程要求。 与系统一样，管理也是一种思想，一个理论。以上思想可用于所有的研究，用于所有研究的指导，所以在以管理思维对所有问题的研究之前，也必须有对管理本身的研究，对它的研究就是对科学本身的研究。这里是对管理也是对科学的一个强调。c 科学。科学的又一概念。这一概念与母体重名，讲的是对科学本身的研究和审视，讲的实际是“科学学”和“科学性”的问题，既是对问题研究科学性、有效性的研究，也是对科学本身的研究和审视，首先是对科学本身的研究。由此可形成一个专门的学科，以科学的科学，科学的科学的科学对科学作专门的研究。具体的方法：将科学的最基础内容——人性、人的需要、系统、管理，以及上述内容放在一起，将它们融会贯通，然后对科学的本身、本来，以及科学各方面的概念和问题作反复研究，由此形成对科学本身的系统研究和系统认识。经以上的反复，可形成以管理思维、管理理论和系统论，对科学和科学研究的科学管理，以此使科学形成一种系统的运作，接着进入应用。经过以上，可以使没有进入科学的研究进入科学，使已经进入科学的研究，变得更加科学（主要指方法和思维方式），由此，可以使所有的科学形成加速。 整理以上高度抽象。对以上现在只是简介，在全部的资料中有对以上的不断解释和叙述。对科学四个基本概念的研究，最后可形成行为科学、系统科学、管理科学和科学学四个学科，以上几个学科的研究相互交织，全部属于横断研究，由此可代表科学的四个方面。科学与社会本为一体，以上四个概念，既是对科学本身的研究基础，也是社会研究的基础，因此，以上概念会随着问题的研究一直走到最后，对所有的研究都会发生作用

研究表明，吃维生素有利于健康，也有害于健康，最新发现的一种药草可以增强记忆力，或者损害你的肝脏，头条新闻报道了一种前景光明的癌症治疗方法，接着却再也没有提及，每天，我们被吸睛的新闻所轰炸，它们都有科学研究的支持，但这些研究到底是什么，它们是如何进行的，我们怎么知道它们是否可靠，当涉及饮食和医疗信息时，首先需要记住的是，虽然实施在动物或单个细胞上的研究，可以引导未来的研究，但想知道它们如何影响人类的唯一方法，是通过一个有人体参与的研究，当涉及人体研究的时候。科学的黄金标准就是，随机临床试验，或者叫RCT，RCT的关键是人，被试者被随机分配到各个研究组，他们通常是不知情的，这样可以使研究更加严谨，这个过程是为了保证，是研究者想要研究的东西，举个例子，当测试一种全新的治疗头痛的药物时，一太群有头痛间题的人，一大群有头痛间题的人，会被随机分配到两组，另一组得到安慰剂，在正确的随机分配下，两组间，唯一显著的区别，就是他们有没有得到药物。而不是其他会影响结果的因素，随机临床试验是非常有用的工具，事实上，美国食品及药物管理局（FDA),通常要求在新药上市前，要进行至少两次随机临床试验，但是问题是在很多案例里，随机临床试验是不可能的，这可能是因为它不切实际，或者是因为需要过多的志愿者，或者是因为需要过多的志愿者，科学家们使用一种流行病学研究，科学家们使用一种流行病学研究，它简单地观察人们的日常行为，而不是通过随机分配主动参与者，来控制不变量，假设我们想研究，一种市场上的草药成分，是否会引起恶心，我们不会故意给人们。一些可能造成他们恶心的东西，而是找到那些在日常生活中，已经服用了这种成分的人，这个组叫做队列，他们并没有接触过这种成分，接着我们就要比较数据，流行病学研究非常有用，可用于研究几乎任何东西对健康的影响，而不需要直接干扰人们的生活，也不会让人们接触到有潜在危险的东西，那么，我们为什么不依赖这些研究，来研究物质和它们对健康的影响，之间的因果关系，问题是，即使是实施得最好的流行病学研究，也存在内在的缺陷，准确的说是因为被试者。不是被随机分配到他们的组别的，比如在我们的草药研究中，如果队列是由那些因为健康原因，而服用草药成分的人所组成的，他们可能本身就比在另一个组里的人，更有可能感到恶心，或者说队列组有可能，由那些在健康食品商店购物的人组成，由那些在健康食品商店购物的人组成，或者由不同饮食习惯的人组成，或者由那些享有更好的医疗保健的人组成，这些在被研究因素之外，也可能影响到结果的因素，被称为混肴变量，这两个主要的缺陷，加上更多的常规性问题——,比如利益冲突或是选择性地使用数据，能让任何流行病学的发现变得可疑，而一个好的研究必须不厌其烦地，来证明它的研究者采取了必要的步骤。来消除各种类型的错误，但是，即使这些都做到了，流行病学研究的本质，是研究已经存在的不同组别的差异，而不是在相同群体内特意加入差别，这意味着一个单独的研究，只能证明，一种物质和一个健康结果之间的一种关联，而不是一个真的因果联系，最后我想说，流行病学研究在公共健康中起到了非常大的指导作用，警告我们某些严重的健康威胁，比如吸烟、石棉、铅，还有更多，而所有这些研究都指向同一结果，所以，下次你看到一个头条新闻，关于某种全新神奇的治疗，或是关于某种日常用品产生的可怕威胁，试着去看一下原始的研究，去了解流行病学研究和临床试验中内在的局限性，而不是直接跳过去读结论。

来源：科学大院（ID：kexuedayuan）作者：王贻芳近几年，“基础科学”被提得越来越多，不仅国务院发布了《关于全面加强基础科学研究的若干意见》，华为、阿里、腾讯等知名企业也纷纷加大了对基础科学研究的投入。（图片来源：央视、澎湃等网络截图）随着中国载人飞船、月球探测、量子通信等科技成果的逐渐显现，很多人逐渐认识到加强基础科学研究对国家发展的重大意义。当然，对基础科学缺乏了解、认为其没什么实际用处的也大有人在。中国基础科学研究在世界上到底处于什么水平？我们耗时耗力研究基础科学真的值得吗？大院er就此专访了中国科学院院士、中国科学院高能物理所所长王贻芳。中国科学院院士、中科院高能物理所所长王贻芳（图片来源：必应图库）王贻芳院士是首位获得“基础物理学突破奖”的中国科学家，2012年，他领导的大亚湾反应堆中微子实验发现新的中微子振荡模式，被《科学》杂志列为当年全球十大科学突破。本文根据访谈内容综合整理。中国曾因不重视基础科学吃了大亏什么是基础科学？我认为基础科学应该具有三方面的特征：1.有一定的规律性，反映了自然界的基本规律；2.不能直接应用到实际中，但是它是解决实际问题的基本原理，比如牛顿力学并不能教你怎么盖房子，这是土木工程需要解决的问题，但是牛顿力学是土木工程的基础；3.基础科学内部还有层次性，比如很多领域里虽然有独有的基础研究，但是都离不开数学，所以数学在基础研究里更为基础。（图片来源：veer图库）很多人经常问“基础科学看起来离我们生活非常远，好像没什么实际用处”，这种想法有些急功近利。我们无法说出某个方程、某个定律有什么具体的用途，但是整个科学体系是自洽的，基础研究就像盖房子所需的一块块砖头，虽然你不知道某一块砖有什么用，但如果把这块砖抽掉，房子就会坍塌。包括物理学在内的基础研究是为了让我们认识自然界，如果我们不了解自然，就没有办法发展和利用它。换句话说，基础研究是社会发展的最根本动力。当然，这些是不能即刻带来经济效益的。它带来的更多是短时间不能见效的东西，包括科研水平的提高，即创新能力的提高、人才的培养、对技术的推动和发展等。中国古代虽有四大发明、也有 “勾股定理”等发现，但我们只停在了“发现”阶段，并没有进一步发展出抽象的、纯粹的科学。而早在古希腊时期，西方就出现了几何学、逻辑学等科学，然后通过逻辑推理发展出一整套科学体系。鸦片战争失败后，中国打开大门向西方学习，引进了大量西方技术，购买枪炮，但北洋舰队还是在甲午战争中失败了，为什么?如果没有掌握科学规律，人们就不能举一反三，只能单纯就事论事，那么就永远摆脱不了落后的命运。当时我们只认为学习西方的技术才是有用的，而没有把西方的科学体系引进到中国来。相比之下，日本在明治维新时期不仅买枪、买炮，同时还引进了西方的科学，比中国早几十年建立起了完整的科学体系，以至于中国很多科学名词都是从日本传来的。所以从根本上来说，科学应该是主干，技术是主干上发展出来的枝叶，没有科学只去做技术，最终可能什么也得不到。基础科学水平提升 欧美国家的崛起回看世界历史，欧美国家的崛起也无不与其基础科学水平的提高有关。没有热力学、牛顿力学以及麦克斯韦的电磁学等科学作为基础，两次工业革命根本无从谈起。只知道烧煤的人是没法做出蒸汽机的，必须要有热力学理论的支撑。不把电磁学搞清楚，也不可能有电的应用，如果你去问麦克斯韦他的电磁学方程有什么用，他可能没法想到我们今天享受的科技成就与此有关，包括电和电器都是他奠定的基础。拿高能物理领域来说，在研究过程中产生过很多意想不到的新技术。比如上一代美国最大的加速器“Tevatron”，给我们带来了超导磁铁技术的突破与普及，现在，医院临床所用核磁共振设备中就采用了超导磁铁。Tevatron粒子加速器（图片来源：必应图库）还有伴随我们生活的万维网，很少有人知道，它是谁发明的，实际上万维网也是在高能物理研究过程中产生的。1989年，欧洲的物理学家建设了大型强子对撞机来寻找希格斯粒子，而科学家之间需要相互交流大量的数据和程序，这成为了一个重大的问题。过去，交流依靠的是美国军方发明的E-mail（电子邮件），显然它已经不能满足科学家频繁交流的需求了，于是，欧洲核子研究中心的计算机科学家Tim·Berners-Lee开发出了世界上第一个网页浏览器，架设了第一个网页服务器，推动了万维网的产生，促进了互联网应用的迅速发展。欧洲核子研究中心（图片来源：https://news.cnblogs.com/n/180532/）不仅如此，基础科学还给西方带来了科学的方法论。科学的方法论有两个：一是逻辑推理，二是归纳。古希腊以来，人们总结出一整套推理的方法，而弗朗西斯·培根之后又有了实证科学，西方的科学体系就是建立在归纳推理以及实证等根本支柱上。目前，在我国社会缺乏科学的方法论，所以经常会出现一些违背科学的言论与事件。比如很多人相信各种“大师”们的言论，却没有用科学的思维问一下是不是真的合理、有没有证据支持。如果能通过发展基础科学，让更多人掌握科学的方法论，整个社会将更进一步。除此之外，还有很重要的一点是，基础科学研究是文明的一部分。国家经济发展起来并有一定的基础后，就会发展艺术、音乐、文学以及科学，人们这时就会仰望天空，探索世界是怎么回事、宇宙的根本构成，我们为什么来、将来到什么地方去？这些探索让我们永远有动力追求未知。中国的基础科学在世界上是什么水平？1. 怎么评价一个国家基础科学水平的高低呢？基础科学研究的重要性就体现在它对整个科学领域的影响，一个国家有影响力的基础研究成果越多，这个国家的基础科学水平就越高。如何判断基础研究的成果有没有影响力？看看我们的教科书就会明白。无论学的是数学、物理还是化学，无论是在中学、大学还是研究生阶段，教科书里都会写到一些用科学家名字命名的基础研究成果，这些就是最经典的基础研究，它们会永远流传下去，比如，现代物理学绕不开爱因斯坦的相对论，不可能不用量子力学。当然，还有一些研究成果是被论文引用较多的，虽然也有较强的影响力，但跟写进教科书相比还是差点。到目前为止，我国已有的这些重大科学成果能够写进教科书的几乎没有。2. 中国古往今来的基础科学的水平前面也提到，中国古代没有建立起基础科学的体系，所以中国的基础科学基本就是从“零”开始，经过多年努力，中国的科技水平如今已经在世界高科技领域占有一席之地了。但因为起步较晚，中国基础科学研究跟欧美的发达国家还存在一定差距，教科书中也很少有用中国人名字命名的公式、定理等。近几年有媒体报道说，在国际上，中国的科技论文被引用数排到了第二。这是科技进步的反映，毕竟30多年前中国在国际上有一定影响力的基础科学研究很少，现在能被国际同行认可并引用，算是跨越了一个很大台阶。我们国家善于集中力量办大事，所以我们能够看到某个领域突然冒头，但总体看来依旧是薄弱的。像高能物理领域，其中北京正负电子对撞机，大亚湾中微子实验、江门中微子实验这些成绩，无论是科学还是技术的，使得我们基本上站在国际的平均水平。但我们还要清醒地认识到，中国基础科学研究还有很长的路要走，我们只是某个项目在国际上取得了领先的地位，但若要说整个高能物理，从规模和人员上，我们跟国际上还有相当差距。我们国家必须产生更多的重大成果，而不仅仅是一般成果，这才是质的转变！而质的转变不可能一蹴而就，必然要经历这样一个路径：从几乎为“零”开始到出现大批一般成果，然后才是重大成果。3. 怎样实现从“零”到有的转变呢？首先要摆正心态，不能急功近利，更不能揠苗助长。基础科学具有规律性，需要经过几代、十几代甚至几十代人的共同努力，我们要遵循其发展规律。很多搞基础科学研究的科学家，随着年龄增长可能很难再出新成果，这就需要下一代人才的继续接力。值得开心的是，现在中国做基础科学研究的人才队伍更加壮大，国际交流更加密切，与老一辈科学家相比，年轻一代科学家在国际上的影响力有了很大提升。其次就是人才，基础科学的发展离不开人才。人才怎么来呢？先从教育开始。一所好大学一定有非常强的基础科学实力，无论清华、北大等国内名校，还是国外名校，都是如此。很多大学实力不强，说到底还是基础研究能力不足。很多大学老师只会教学生基本的知识，但有了知识并不代表就有创新能力，创新需要有方法并在实践中锻炼，大学老师不但要教给学生知识，更重要的是教授方法并给学生“练”的机会，知识会过时，但方法永远不会！对于基础科学，最需要的就是培养学生“从无到有”的方法论，要让他们学会做前人未做过的事，这跟培养工程师的思路是不一样的。基础科学承担的任务基本处在“无人区”，都是需要思考别人没解决的问题。有了更多掌握“从无到有”方法论的人，我们社会的整体创新性才能提高。除此之外，基础科学发展也离不开国家的经费投入。在我国的研发经费里面，基础研究的经费比例偏低，只占5%左右，其中包括基础性研究和应用基础研究，和美国相比，我们国家过去三十年真正用于基础科学研究的经费实在是少的可怜。现在我国一些重点研究所、重点大学的基础研究经费已经能达到国际水平，而在10多年前，这可能连发达国家的十分之一都不到，40多年前，大概只有发达国家的百分之一。用别人百分之一的钱，还要做得比别人好，这根本不可能。所以，之前的很多年，我国的基础科学研究落后于发达国家，而现在5%的水平，只能够维持跟跑世界先进水平，但如果我国有未来引领基础科学研究的雄心，就必须加大经费投入。只有大幅度增加基础研究的投入，才能在根本上解决这个问题。到了我们成为了能够产生科学知识、而不只是消费西方产生的科学知识的时候，我们的原始性创新、颠覆性创新，就会源源不断地产生出来了。均衡支持基础研究 发展大科学装置谈到经费投入，很多人可能会问：基础研究领域众多，对国家来说，怎么判断在哪些项目上投得多一点，哪些投得少一点？其实最基本的原则就是要均衡支持，不能因为某个领域是冷门就不支持，某个领域是热门就死命支持，从而影响了全面发展。对于一个国家特别是大国来说，在基础科学方面一定要均衡发展，每个领域都要得到持续的支持。经费投入的研究很复杂，一般需要政府管理部门进行非常精准的专门研究，组织各领域的专家进行研讨，参照国际做法及整个国家基础科学发展的历史来敲定。而均衡支持要注意两个问题。一是不要以“是否有用”来判断。基础科学的领域，一个都不能废弃。20多年前，没人会想到统计学这样一门学科会对今天的人工智能发展起到大作用，如果当时觉得没用就不发展统计学，那今天别人都在发展人工智能时，我们就傻眼了。还有很多年前，有些人认为动物学、植物学是“死掉的科学”，但现在的基因科学都跟这些学科有关。热点过段时间后可能就过时了，盲目地集中投入研究资金也会造成过剩。二是不能盲目跟风。现在美国一大半的科研经费都用于生命科学的研究，超过一半的院士都在从事生命科学研究，所以有的人觉得我们也应该大力发展生命科学，而不是发展物质科学。（图片来源：人民网）这种想法存在很大问题。在基础科学研究方面，国外已经走过的路，我们是很难避开或绕过去的。虽然美国现在大部分的精力在做生命科学，但他们是从探索物质科学的路上走过来的，如果我们跳过了物质科学阶段，直接参与到生命科学的竞争中，就会带来一个很严重的结果：只能买国外的仪器设备。无论哪个学科，研究过程中都离不开各种仪器。这些仪器的基础是物质科学。而我国目前各种科学仪器主要依靠进口，反映了物质科学研究水平及人才不足的缺陷，需要大大加强。为什么物质科学的研究会跟仪器设备有关系呢？在美国，很多仪器设备是商业公司研制出来的。在研制仪器的过程当中需要两个条件，一个是需求，一个是人才。这其中人才尤为重要，但仪器创新方面的人才，学校是很难培养，必须要在科学仪器设备的研制过程中培养。而进行物质科学研究，关注自研设备包括大科学装置的建设，就是培养设备研制人才的一种最好途径。从上世纪五十年代开始，美国就开始研制大科学装置，如今五六十年过去了，在这个过程中孵化了很多仪器设备企业，比如说著名的示波器公司LeCroy（力科），其创始人LeCroy之前是一位高能物理的工程师，长期研发高能物理专用的读出电子学。最后他成立了自己的公司，专注于高速和复杂信号测试设备。现在世界上最好的仪器设备都是国外企业做的，所以他们研究生命科学的条件很优越。但我们中国很多实验室的设备基本都是进口的，说明我们物质科学的基础还很薄弱。如果我们只做生命科学的研究，就要大量进口仪器设备，导致资金外流，对国内的工业发展并无助益，同时还会受制于人。所以中国现在应该大力发展物质科学，特别要关注自研设备，包括大科学装置（注：大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施），我们需要在技术和科学目标上都领先的大科学装置，而不是跟随美国的脚步。北京正负电子对撞机（图片来源：https://ke.sogou.com/v224241.htm）大科学装置中的基础科学专用装置，比如我国的正负电子对撞机、聚变堆、专用空间科学卫星、天文望远镜等，具有确定的科学目标，应用范围广泛，投入规模大，技术先进，可以产出重大成果，对学科发展具有重大的引领和带动作用，还有一些溢出效应如重大技术的积累、突破和推广应用，国际合作与技术引进，关键技术人才的培养，企业技术水平与研发能力的提高等，因此在国家创新体系的建设中占有突出的位置。基础科学的竞争也是国力的竞争基础科学的竞争也是国力的竞争，这在高能物理领域表现得尤为明显。单就高能物理领域来说，与发达国家相比，我们总体上处于“并跑”和“跟跑”的水平，与美国、欧洲、日本等相比都有一定的差距。这一点从研究人数对比上也能看出来，我们的研究人员人数与美国相比大概只是其十分之一，跟欧洲比大概是其五分之一，跟日本比可能是其二分之一到三分之一。美国的大科学装置总体来说是从上世纪50年代开始建设，高峰在2000年左右，这50多年的投入、建设、运行等，给他们带来了巨大收益，很多非常重要的技术成果在社会上得到了广泛应用。跟他们相比，我们的北京正负电子对撞机起步较晚，技术上也不是国际领先，基本上是采用国际已有的成熟技术。可以想象，一个科学上、技术上不是最领先的装置，自然在技术的辐射能力方面会有相当的限制。20世纪80年代，建设中的北京正负电子对撞机（图片来源：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/11/420228.shtm）所以，如果要想有所谓国际领先的、重大的技术突破，能够辐射到社会、对国民经济有重大作用，科学装置本身必须是先进的、别人没有的，否则早就被别人辐射完了。我们希望未来有一个高能物理的装置走在欧美前面，这也是我们提出建立“超级对撞机”的原因。如果最终建成，其规模将数倍于目前世界上最大、能量最高的粒子对撞机——建于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC，科学目标和技术创新性自然可以实现。（图源片来：中青在线）2012年希格斯粒子的发现，是国际高能物理发展的转折点，使我们有可能规划这样一个加速器。这是科学上的时机，技术上的时机，也是国家经济实力发展的时机。二十年前，这样大规模的装置想都不敢想，更不可能有钱来做。高能物理这个系统比较庞大，要想做到国际领先首先要有高远的科学目标，这样的目标很多国家都有，但是都会面临重重困难。所以接下来比拼的就是实现这些目标的能力，这里面至少会涉及二三十个技术门类，最后哪怕有一个螺丝钉没拧好，整个系统就可能出问题。加速器转起来还要放探测器，就像显微镜的镜头一样，可以看到整个过程，从而进行数据分析，所以又有人工智能、大数据、计算机、网络等领域参与进来，更不用说背后还有财务、计划、管理、采购等一整套的后勤保障系统。要把整个团队凝合起来，奔向同一个目标，这是包含成百上千人的“团队作战”，这种规模的科学研究体现的就是国力。建这样一个大型设备，能培养出机械、电子、真空、微波等各个领域的创新人才，这里面会有大批科学家、工程师解决大量的技术需求，这些需求很多都是从未出现的，如果能解决，这些人才就是“从无到有”的创新人才。所有的技术发明和科学成果，最先发现的人肯定是有一定的优势。如果只是享受别人的成果，那你就是一个“土豪”，既不能得到大家尊重，也不会很好地掌握知识，也很容易就被别人逐出圈外，夺走财富。而掌握了最前沿的基础科学知识，自然就会有最前沿的技术，从而成为引领全球科技发展的大国。

我们并无任何已被确认的、能理解全部自然现象的科学理论。撰文 | 卢昌海The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible.- Albert Einstein科学的目的很佩服做哲学研究的人，无论什么话题都能够洋洋洒洒地写出几十万言。有时候觉得他们有点象诗人，小中见大，平中见奇，能够把一个简单的概念写复杂了。一部沉甸甸的著作常常会引起人们本能的敬畏，一句听起来似懂非懂的话常常让人觉得“嗯，有点哲学味”。这种敬畏，这种“哲学味”，在一定程度上使大众疏远了科学。曲高则和寡，自古如此。科学的数学结构是抽象的，但科学的理念却是朴素的[1]。当爱因斯坦为指南针神秘的方向性感到惊讶时，他只有4岁，还没有来得及读亚里士多德，也还看不懂康德。后来人们认为爱因斯坦是个天才，但那时候的他还只是一个晚熟的孩子。他感到了惊讶，因为他不知道事情为什么会这样；他后来成为了物理学家，因为他想知道事情为什么会这样。只有真正朴素的理念才能和一个4岁孩童的朦胧理性产生耦合，而我深信一个真正朴素的理念是不需要用几十万字才能说清楚的。这个宇宙的演化是有逻辑规律的，这个宇宙间丰繁多姿的现象背后是有原因的，这是科学存在的前提，也是任何智慧存在的前提。至于这个宇宙为什么是有逻辑规律的，这并不属于科学的范畴。我们存在于这样一个宇宙之中，这是一个基本的经验事实[2]。这个经验事实也意味着逻辑推理的有效性是一个近乎于先验的基本事实。就象宇宙间所有的其他存在一样，科学的存在也是有因果的，科学存在的具体形式是和它所要达到的目的紧密相联的。环顾我们周围的世界，从草木竹石到飞禽走兽，从戈壁草原到冰川湖泊，小至蝼蚁尘埃，大至日月星辰，世间的现象是如此的千变万化，无穷无尽，就象满地的珍珠，如若没有丝线相串，何以尽拾？科学也是这个道理，万物无穷而人力有限，理解事物的唯一有效的方法就是简化。把许多现象归结为一个道理，窥一隅而知全貌，就是一种最有效的简化。寻求对自然现象的这种简化是人类试图理解、预言和利用自然现象的最重要途径，也是科学朴素而优美的目标。当然，我们也应当看到，“简化”是一个比较含糊的字眼，不问内涵地追求简化会使人误入歧途。最大而又最荒唐的简化莫过于把一切归因于上帝，就象《圣经》所宣称的，那比牛顿定律、麦克斯韦方程式，或相对论的基本原理简单多了。但那不是科学，因为《圣经》只不过是把它所要“解释”的东西罗列了一遍，上帝第一天创造什么，第二天创造什么……如此而已。哪怕略去其中无数的错误不论，这种所谓的“解释”除生添一个上帝外，也并不构成任何实质意义上的简化。更重要的是，这种“简化”缺乏人们对科学的一个很基本的期盼，那就是要能够预言未知或未来的现象。仅限于对已知及已经发生过的现象进行罗列、归纳或整理，哪怕做得很到位，也更接近于历史而不是科学。那么，对自然现象什么样的理解能够构成实质意义上的简化，并且具有科学所必须具有的预言能力呢？是以逻辑推理为依据的理解。把科学的理论框架建立在逻辑推理之上是其力量的重要源泉，也是科学有别于宗教的一个极其本质的特征。在一个科学理论中，从基本原理到对现象的解释，是以逻辑推理的方式来衔接的。由于——如前所述——逻辑推理的有效性是一个近乎于先验的基本事实，我相信人类远在意识到“逻辑”这个概念之前，就已经在本能地运用着初等的逻辑推理了。逻辑推理具有极大的延展性和客观性。从一个科学理论的基本假设出发，运用逻辑推理可以衍生出近乎于无限的推论，而且这些推论是以非常确凿并且独立于个人意志的方式存在着的。一个科学理论一旦提出，就以一种严谨而谦虚的方式存在于学术界。任何人都有权对它的基本假定和逻辑推论进行检验。任何一个那样的检验如果得出明确的否定结果，就意味着理论被推翻，或者其局限性被发现。科学理论的这一特征被科学哲学家波普尔（Karl Popper，1902-1994）提升到了一个很核心的地位。波普尔写过许多大部头的书，其中一个基本的观点，就是认为一个理论成为科学理论的必要条件是这个理论具有可证伪性（falsifiability）。也就是说一个理论要成为科学理论，必须明确地提出在何种情形下自己可以被推翻。这一点初看起来很出人意表，因为通常人们在思考科学理论时，往往是从证明而不是证伪的角度去考虑的。但细想一下其实却不难理解，因为一个科学理论的推论是无穷尽的，再多的实验也只能加强它的可信性而无法证明它的正确性。相反，由于科学理论有着明晰的逻辑结构，要推翻它却只要有一个确凿的反例就可以了。人性有弱点，科学家是人，因而也不例外。疏忽、偏见，甚至蓄意的伪造都有可能带来谬误。科学之所以能够在探索自然的漫长征途中去芜存菁，获得卓越的发展，正是得益于科学理论严密的逻辑性和科学界这种公正、谦虚和理性的态度，这是人类智慧的骄傲[3]。综上所述，科学的目的可以大致地叙述为：科学寻求的是对自然现象逻辑上最简单的描述。注释1. 本文所说的科学是指自然科学。2. 喜欢“人择原理”的话，可以认为假如这个宇宙不是这样的，那就不会有任何“人”来问“宇宙为什么会是这样的”。这不仅是因为在一个没有逻辑规律的宇宙中不可能产生所谓的智慧生命(想一想什么是智慧)，而且也是因为问问题本身就是一种逻辑的思维方式。在一个没有逻辑规律的宇宙中，这样的思维方式是没有意义的。因此我们在这里问这个问题本身就已经假定了宇宙是有逻辑规律的。3. 相形之下，政治舞台和宗教神坛上不容挑战的唯一真理之类的自我标榜是何等的虚伪。小议数学与物理先来议论几句数学与物理的关系，抛砖引玉吧（大家快把玉准备好！）。Einstein曾经表达过这样的意思（这些都是十好几年前看过的东西，现在书留在了杭州老家，只能凭记忆说了）：数学当它不与物理实在相联系的时候，它是严格的，而当它与物理实在相联系的时候，它就不再严格了。以几何为例，最初它来源于经验，但经过长时间的演化，到了Hilbert时代已经演化成了一个非常纯粹的形式体系。Hilbert有句名言，大意是说把几何公理中的点、线、面换成啤酒、酒瓶和酒杯（或是别的三样东西，或是不同的顺序，记不清了）也可以。这就是说几何体系中的那些基本概念，它们究竟是什么并不重要，重要的是它们满足几何公理。事实上那些概念本身正是用公理来定义的，它们并不需要对应于现实或经验世界中的任何具体的东西。也正因为如此，对于这样的形式体系，我们可以谈论它的自洽性、完备性，可以谈论体系中任何具体命题的正确性，但对整个体系本身却不谈它的正确与错误（如果谈的话，正确指的往往就是自洽）。一个数学体系是否被数学界所认可，是否是一个数学意义上的有效体系，关键在于其是否自洽（原本还可以加上完备性，但由于Gdel同志把水大大地搅浑了，就先从略，以后再论）。物理体系则不同，除了自洽之外，还有一个是否正确的问题，即是否构成对自然的一种可接受的描述的问题。一个理论体系，即便没有任何矛盾，但如果它与观测不符，就无法成为一个物理理论，在物理中立足。这是物理与数学的一个很大的差异。但是在一种情况下数学也具有了是否正确的问题，那就是当我们把数学体系中的概念与物理现实中的概念对应起来的时候。比方说如果我们把几何中的线对应于物理上真空中的短程线（当然也可以象Hilbert那样把线对应于酒瓶，但对于普通酒瓶来说几何公理显然是不成立的），那Euclid几何立即就变成了对物理世界的一种描述，几何也就变成了一种物理。在荣升为物理理论的同时，几何失去了数学意义上的真理性，它必须接受观测的检验，并且完全有可能被证伪——即Einstein所说的“不再严格”。关于原则上不可观测的东西原则上不可观测的东西通常不是物理学研究的对象。不过这并不意味着物理学就不可以涉及这类东西。如果一个物理理论与实验符合得很好，可以解释许多物理现象，并且具有预言能力……一句话，具有一个优秀物理理论的各种性质，但同时却涉及了一些原则上不可观测的东西。这样的理论是不会仅仅因为它涉及了原则上不可观测的东西就被摒弃的。举个例子来说，暴胀宇宙模型通常涉及大量与我们观测宇宙在因果上隔绝——从而在原则上不可观测——的其它宇宙，但这并没有成为物理学家研究这一理论的障碍。物理学家们不仅积极地研究这样的理论，而且并不认为有必要修改理论，使之恰好只包含可观测的东西（为其它目的而修改则是另外一回事）。这就好比我们不会介意用一个定义域包含整个实轴的函数(比如线性函数)来描述一组原则上取值只能为正的实验结果。不过物理学家们虽然不会仅仅因为一个理论涉及了原则上不可观测的东西就摒弃它，但另一方面，他们也不会因为一个理论在可观测区域与实验相符，就轻易赋予其对原则上不可观测区域的描述以实在性。科学理论中的预言是针对原则上可观测的现象而言的（需要说明的是，对原则上可观测还是不可观测作区分判定，本身就有赖于我们对物理世界的理解，从而往往不是永恒不变的。因此本文所着眼的并非是指出具体哪些东西是原则上不可观测的，而只是说明一个物理理论不会仅仅因为涉及到(起码在当时被认为是)原则上不可观测的东西就被摒弃）。容易被物理学家抛弃的是那些只涉及原则上不可观测的东西，或者以那些东西为主体，却对可观测现象缺乏良好描述能力的理论。要注意的是，在这里被接受与被抛弃之间的界限是十分模糊的。把这一界限搞清楚通常是科学哲学家喜欢的课题。不过我觉得科学哲学之所以有那么多流派，很重要的一个原因就是科学哲学家们往往试图把一些没有可能、或没有必要精确化的东西加以精确化。对一个本质上模糊的东西精确化显然会有许多不同的做法，在模糊地带各人可以有不同的划界方法，每种划界方法都有其道理，同时却不免都有反例（否则就不模糊了）。出现反例大家就修改界限，结果改来改去，把界限改得跟分形似的，却依然说不清道不明，形成永远争论不完的话题。:-)小议物理学与哲学哲学与物理学的差异之一是哲学侧重于通过思辩的方式来研究问题，而物理学（现代物理）侧重于通过数学的方式。在一些很基础的物理问题上物理学家也许并不比哲学家高明太多，就象在一次马拉松赛跑的开始十米中我们可以与冠军选手跑得一样快，但这并不意味着两者之间差异就真的很小。在science community中，没有了哲学家与没有了物理学家，其后果是完全不同的。现代物理的任何进展几乎都不可能由纯哲学思辩来获得，即使是当一些进展出现后人们可以回溯到某位哲学家的思想时也一样，因为那些思想本身并不足以成为现代科学，而且往往永远也不足以单独成为现代科学。我怀疑如果人们足够仔细，也许会在某位哲学家的文字中找到暗示弦而非粒子是世界本原的见解，没有人会认为这样的哲学家和Edward Witten差不多高明，或对物理世界的理解差不多深刻。一些物理学家的确从纯哲学著作中得到过方法论上的启示，但不是所有物理学家都如此。在很多时候，物理学家从自己的研究中得到的方法论上的心得虽不如哲学家的思维那样精致，但在引导科学研究时却未必不如从哲学家那里学来的有效。这么说不是要抹杀哲学的意义（我自己对哲学也不无兴趣），不过我认为不能因为在某些方面物理学和哲学一样无能为力，就认为两者对现代科学所起的作用可以比拟。其实别说哲学，在某些大家一样无知的领域，物理学甚至不比神学、巫术，乃至街头混混的癔语高明多少（所有的“零”都是差不多的），但最终将是物理学而非其它成为探索自然本原最锐利的武器。「小议数学与物理」、「关于原则上不可观测的东西」、「小议物理学与哲学及科学的内容与科学的方法」是作者在其个人主页上与网友讨论时发表的有关“什么是科学”的短文。科学的内容与科学的方法除科学的目的外，在本文中我们还将用到一个有关科学的基本事实，那就是：有关科学的基本事实：我们并无任何已被确认的、能理解全部自然现象的科学理论。上述事实应该是足够显而易见的，而且显然是被科学界所普遍认可的。当然，我们都知道，世界要比科学界大得多，在科学界之外也有很多人宣称自己在做“研究”，并且口气往往很大。如果他们当中有人认为自己已经有了可被确认的、能理解全部自然现象（从而可以推翻上述基本事实）的理论，那么我愿意从无数个自然现象之中举出一个特定的现象——μ 子反常磁矩——供他们做初步自检。明确了科学的目的及上述有关科学的基本事实，我们就可以以之为出发点，来回答一个对本文来说具有核心意义的问题，即什么样的方法是我们追求科学的目的时应该采用的正确方法？这个问题的答案并不复杂。我们首先注意到：既然我们并无任何已被确认的、能理解全部自然现象的理论，那么为追求科学的目的所提出的任何东西就都存在出错的可能性。而既然存在出错的可能性，那么纠错就是必不可少的。因此，追求科学目的的正确方法所须满足的第一个基本特征就是允许纠错，并且具有纠错能力：追求科学目的的正确方法所须满足的基本特征之一：允许纠错，并且具有纠错能力。既然需要纠错，那么接下来的一个很自然的问题就是：以什么为依据来纠错？这个问题的答案也很简单：既然科学寻求的是对自然现象逻辑上最简单的描述，那么纠错的依据显然就是自然现象及逻辑推理。由于我们了解自然现象的基本途径是观测与实验[1]，因此追求科学目的的正确方法就必须尊重观测与实验，尊重逻辑推理。这是纠错的依据，也是追求科学目的的正确方法所须满足的第二个基本特征：追求科学目的的正确方法所须满足的基本特征之二：尊重观测与实验，尊重逻辑推理。这两个基本特征正是科学方法的基本特征，反过来说，任何方法只要切实满足上述基本特征，就是科学方法，这可以说是科学方法的定义（或定义的一部分）。虽然科学哲学的推理大都是模糊的，有时甚至是似是而非的，但上述推理在我看来是例外，只要认同前面所列的科学的目的及基本事实，上述特征就是必然推论，在这点上并无多少模糊性。从这个意义上讲，科学方法不仅优于其它认知方法，而且还是追求科学目的的唯一正确的方法。当然，这里有必要说明一点，那就是不用科学方法，或者说用不正确的方法，未必一定不能产生出对科学有用的东西，它只是不能系统性地产生那样的东西，而且随着科学的不断发展，不用科学方法而产生出对科学有用的东西的可能性会越来越小。为民科辩护的人常常会说：民科的东西未必一定是错误的。说得很对，其实别说是民科的东西，哪怕是胡乱敲击键盘的猴子敲出的东西，也会有一个不为零的概率能包含一些正确的东西（是否有人愿意为了那样的概率来阅读那样的东西，就另当别论了）[2]。但是，不管用什么方法得到的东西，如果要成为科学理论，就必须接受科学方法的检验[3]。在本文的最后，我们稍稍扯远一点。参与或旁观过有关科学与宗教的讨论的读者也许大都见过这样的场景，那就是每当有人提出科学优于宗教时，往往就会有人反驳说科学也有不能解释的东西[4]。在这里我们要顺便强调一点，那就是：我们支持科学，首先支持的是科学的方法，其次才是科学的内容。科学与人类对未知世界的其它一些认知方式之间最本质的差异，在于他们对待未知及对待自身的态度迥然不同。科学的自我纠错、自我完善的能力是许多其它认知方式所不具有的。许多人以科学也有不能解释的东西来为宗教等辩护，看似思路开阔，不拘泥于已有的知识体系，实际上却忽略了一个最重要的地方：那就是正因为已有的知识体系存在局限性，才更需要一种像科学那样能够客观理性地对待自身局限性，随时愿意接受证伪的认知方式，这是我们认为科学远远优于其它认知方式的最深层的原因。正是因为科学具有这种素质，我们通过科学方法所获得的知识才远比通过其它认知方式所得到的东西更客观，更接近正确，也更有希望达到正确。但这种通过科学方法所获得的知识——即科学的内容——尽管已是人类知识中最值得珍视的部分，它的价值与科学方法相比仍是其次的。只要科学方法存在，哪怕所有具体的知识都失去了，使科学的直接解释能力暂时降到与宗教一样薄弱的地步，假以时日，科学依然能够重新发展起来，并远远超越其它认知方式。注释1. 我通常用“观测”表示对来自于自然现象的信息的直接接收(比如观测行星的运动)，而用“实验”表示对人为安排过的现象所做的观测。不过实际上，哪怕“观测”也并不是完全直接的，而是与理论有关(比如任何通过视觉的观测都依赖于光学理论)。观测和实验与理论之间的关系实际上是一种相当复杂的依赖关系。不过它们之间必不可少的自洽要求还是能让我们区分好的与坏的理论体系。比方说，如果一个理论体系认为真空中的光线是七扭八歪的，那么我们观测到的椭圆轨道经过这种光学理论一反推，就会对应于相当复杂的行星轨道。相应的，引力理论就不可能如牛顿引力那样简单。那样的理论体系——如果能够建立起来的话——就会明显不如我们现有的理论体系来得优越。2. 需要说明的是，在这里提到胡乱敲击键盘的猴子并非是要用一个概率更小的例子来贬低民科。事实上，从文字上碰对一些东西的概率，固然是民科远远高于胡乱敲击键盘的猴子；但另一方面，一涉及到具有一定复杂度的技术性内容，情况就恰好相反：胡乱敲击键盘的猴子会有一个不为零的概率碰对，而民科由于翻来覆去只会在自己那口井里扑腾，碰对的概率反倒是零。因此这两者是互有长短，而非一者贬低另一者的关系。3. 当然，如前所述，方法往往取决于目的，科学的方法是为了追求科学的目的而采用的方法，在所有可能的方法中，它只是一个小小的部分。在这个世界上，不同的人有不同的追求，如果所追求的不是科学的目的，那么相应地，所采用的也就不一定是——甚至一定不能是——科学的方法。比方说，如果所追求的是某种不容挑战的教条——比如《圣经》或某某主义，那么所采用的就会是一些截然不同的方法，比如自欺、欺骗、附会、偷换概念、混淆逻辑、答非所问、选择性目盲、选择性遗忘、请不听话的人“喝茶”、请很不听话的人上“火刑柱”，等等，这些都不是科学的方法。4. 有关这一点的进一步讨论，可参阅拙作科学哲学讨论中的 “大规模杀伤武器”。补注1. 由于科学具有的众所周知的力量，“科学”二字得到了广泛的应用，使很多东西变成了“科学”。这其中一个重要的例子是“社会科学”。什么是社会科学？我心目中的定义是：使用科学方法研究社会现象的学科。这个名称要想名副其实，社会科学就同样需要遵循科学方法的基本特征(特征二所提到的“尊重观测与实验”可改成“尊重社会调研结果”等)。用这个标准来衡量，当年那种不允许对某某主义纠错的学科就不能称为社会科学(因为不符合科学方法的特征一)。2. 在本文发表之后，快刀浪子网友提出了一个问题，那就是奥卡姆剃刀(Ocam'sRazor)算不算是科学方法的基本特征？我的看法是：奥卡姆剃刀在科学经常受到伪科学或宗教渗透的年代是很有用的，因为它可以把上帝之类没有逻辑价值的假设“剃”掉。不过，虽然伪科学与宗教至今仍在社会上盛行，但它们对科学界的渗透已大不如前。当代科学家在从事研究时，纠错、观测、实验、逻辑推理等仍是日常行为，但已极少有机会用到奥卡姆剃刀(因为已极少有科学家在研究中提出没有逻辑价值的多余假设)。因此我没把奥卡姆剃刀列为科学方法的基本特征，虽然它也可以视为是科学目的中“逻辑上最简单”这一用语的推论之一。本文经作者授权发表，略有删节。欲读作者更多文章，可查看卢昌海个人主页www.changhai.org。特 别 提 示1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。《返朴》，科学家领航的好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁共同出任总编辑，与数十位不同领域一流学者组成的编委会一起，与你共同求索。

众所周知，遗传基因是无比强大的。就像照片中，左边的照片是父亲的，右边的照片是儿子的，这完全是“找不同”的节奏。但现实中，也不是全部都是这种“复制粘贴”的范例，于是我们不禁想问，儿女到底能遗传父母的什么呢？“环球G”为您从科学角度扒一扒。科学研究已经有了一些定论，虽然不是100%绝对的，但适用大多数情况。父母双方，谁决定孩子的性别？研究表明，这事还真的如传闻所言，靠爸爸！但具体解释是这样的：如果男方的亲兄弟多，那他的家庭生儿子的可能性大；如果男方的亲姐妹多，那他的后代很可能是女儿。孩子的聪明随谁？研究表明，智力基因都包含在X染色体中，这就意味着儿子会完全继承妈妈的智慧，平均而言，妈妈和儿子的智商相差15分左右。而女儿是从父母双方继承智商。照这个理论，单身汪们，为了下一代的高智商，可以重点考虑博士以上的“学霸剩斗士”。精神疾病的遗传。伴随着年龄的增长，“小蝌蚪”的质量就会下降。研究表明，如果父亲的年龄超过45岁，更容易将精神疾病遗传给子女。比如自闭症、多动症，双相情感障碍等。所以说，优生优育不仅仅在于女性年龄，当父亲的年龄也很重要。谁决定孩子的身高？通常父亲的身高对孩子身高的影响，要大于母亲身高的影响力。子女有60%-80%的可能性遗传父母的身高，余下的部分全靠后天的饮食，锻炼。有趣的是，这个事情不绝对，这就是为什么一个家庭，一胎和二胎子女身高不同的原因。肥胖的体重会遗传吗？是的！无论是父母双方，肥胖超重都会对孩子带来一定的影响。但相对父亲，母亲的胖瘦程度对子女的体重，影响更大一些。酒窝，一定遗传！众所周知，酒窝是显性基因。只要父母双方有一方拥有酒窝，孩子就会继承。卷发，这个问题有点复杂。如果父母双方都是天生自来卷，那孩子一定会继承这个特性。这也意味着，如果父母双方都是直发，那孩子绝对不会是卷发的。牙齿的情况，子女的牙齿情况，受到爸爸基因影响更多，这意味着如果你的娃有个需要经常去看牙医的老爸，那你的娃早晚会加入到老爸的队伍中。以上这些研究结果，也只能说准确率在99.9%，没有绝对的事情，或许你就是那极少数的特例呢！

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