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美国德克萨斯大学（奥斯汀）物理系 (2005年10月26日) 摘要：针对民间科学爱好者探索科学真知的热情，简要介绍了亚里斯多德，牛顿和爱因斯坦等人的研究方法。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。文中还给出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。 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，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。 一、亚里斯多德、牛顿和爱因斯坦简介 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？ 亚里斯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，亚里斯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。亚里斯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斯多德。现在不少动物以亚里斯多德为种名，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，亚里斯多德才有如此巨大的成就。 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！ 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，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个领域内作出了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？ 二、要自主创新，首先要了解已有的相关知识 从亚里斯多德、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的批判，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辩，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。 三、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： 题一：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。 题二：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] 这是高中物理的内容。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，标示的氧气也应用于检测肿瘤的坏死。 题三：一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]： 题四：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。 题五：一颗绕地球以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5×1014Hz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5×1014Hz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。 题六：如果一个电子以0.99 C （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。 四、结论 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 感谢浙江大学李如意的建议和对本文的校正。 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 |