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第十四章 亞里士多德為何不數數妻子有幾顆牙

(《東方早報·上海書評》,2013年2月3日)

大多數人學習科學是為了通過某個考試乃至於最終找個什麼好工作。有的人學科學是因為科學很有用。還有為數很少的一幫人,他們學科學純粹是出於好奇。他們驚異於這個表面看來複雜多變的世界背後很可能是由一系列簡單而神秘的規則所支配運行的。他們未必想要利用這些規則幹什麼了不起的大事,但他們很想知道這些規則是什麼,並以此來看懂世界。就好像一群面對一台構思精巧的服務器的黑客一樣,科學是對這幫人的一個挑釁。他們想要破解這個世界。而破解世界有兩個辦法:一個辦法是看書,一個辦法是直接上手干。

看書學科學並不容易。很可能每個學物理的大學生,乃至任何一個想增長點智識的人,都看過《別鬧了,費曼先生》這本書。如果你看這本書的時候還沒學物理,你可能會因為看了這本書而想去學點物理。如果你看這本書的時候已經學了幾年物理,你可能會因為看了這本書而反思自己學過的全部物理。你不是反思自己學的那些「物理」對不對,而是反思自己是不是真學會了。根據書中費曼在巴西的經驗,很多物理專業的高分學生其實沒學會物理。

原來巴西的物理教育,是一種八股文式的應試教育。他們把物理學變成一條條可以死記硬背的標準化知識點,學生們用完全被動的辦法把這些知識點輸入大腦以便考試的時候可以隨時檢索出來,其實並不知道它們的真正意思。費曼驚訝地發現巴西學生在能夠精確背誦「偏振光」知識條目中「布儒斯特角」的定義和性質,甚至知道這個角度的計算公式的情況下,居然不知道海水表面反射出來的光就是偏振光。顯然課本上沒寫這條 — 課本上寫的是「一種具備某個折射率的介質」,而學生想不到海水其實就是這麼一種介質。更令費曼匪夷所思的是,物理學首先是一門實驗科學,而巴西的物理教科書裡居然連一個真正意義上的實驗都沒有,全是知識點。結果費曼指著鼻子告訴巴西的物理教授和政府官員們:你們巴西根本沒有在教科學!

也許中國的科學教育比當初巴西好一點,但考慮到中國師生同樣熱衷於考試,也許好不了多少。關鍵在於,科學既不是課本上那一條條知識點,也不是學科競賽中那一道道難題,而是可以隨時取用於生活的實在經驗。真正懂科學的人不但得對所學知識倒背如流,還得能舉一反三,乃至於用這些知識解釋身邊的現象。能求解老師們構造的各種抽像難題,再厲害也不過是紙上談兵而已;而能把知識活學活用,才是真本事。

把杯子裡的水倒掉,再怎麼倒也會最後留下一些水珠,這是什麼道理?秋天的落葉,為什麼會打卷?桌子上有一攤水,為什麼用干抹布去擦,其吸水效果反而不如用濕抹布?解釋這些現象並不需要用到什麼高深的學問 — 真列出來的話,其背後的「知識點」可能甚至不會超過中學範圍。然而絕大多數人可能不但不會解釋,甚至連想都不會想到這些問題。他們可以一邊複習表面張力的知識點一邊喝水,而完全不在意杯子上覆著的小水珠。

但是有人很在意。「科學松鼠會和它的朋友們」寫的這本《再冷門的問題也有最熱鬧的答案》,就專門研究這類問題。此書既不談宇宙加速膨脹這種未解之謎,也不談全球變暖這種宏大主題,只談我們身邊隨處可見,卻又往往視而不見的科學現象。此書的緣起,是《新發現》雜誌和松鼠會搞了一個「Dr. You」欄目,由讀者提出各種「不按常理出牌的疑難問題」,松鼠會的一干松鼠再進行解答。松鼠們都是研究生或者青年科學工作者,他們分佈在世界各地通過網絡互相聯繫。他們運用各自的專業知識提供答案,這些答案相當科學 — 實際上,如果一個松鼠給的答案有問題,馬上就會有另一個松鼠把它指出來,爭論是常有的事。不過此書的有意思之處還不僅在於這些答案是正確的,而在於這些答案是「熱鬧的」,寫得相當輕鬆活潑。

科學知識是一種高度結構化的知識,其有一個很酷的性質:只要學會了一般原理,就能解決無窮多表面看來千奇百怪的問題。掌握科學知識的人可以一聽你的問題,不必親臨現場,完全憑借邏輯推理就能告訴你答案。有時候他們推理出來的答案可能出乎意料甚至違反常識,然而你卻不得不服其完全正確。

比如我們考慮這個問題:如果要用一根繩子緊貼地面繞地球一周,可以想像這是必然一根很長的繩子。現在如果我們想把繩子抬高到距離地面一米,請問繩子要加長多少?不會算的人可能會被地球這種大尺度給蒙住,而會算的人會立即指出繩子只需要加長6.28米就夠了。再比如說防洪的時候想要用鐵板把河岸臨時增高一米,請問這個鐵板需要多大的抗水壓能力?不懂的人可能會設想一個非常厚的鐵板,而只要你知道水壓只跟深度有關,你就會明白鐵板其實用不著比水桶厚多少。

哪怕這個問題是全新的,在大多數情況下我們也能用舊的知識解決它。所以掌握科學知識的人有憑借理論推導就能破解世界的力量。所謂運籌帷幄之中,決勝千里之外,這就是知識的力量。這樣說來任何一個問題背後的知識都能把人分為兩類:學過的和沒學過的。在大多數情況下,你要是沒學過,就只能服學過的。然而「學過」,也僅僅是懂科學知識而已,還算不上科學家。

科學家的工作不是使用科學知識,而是使用科學方法。《再冷門的問題也有最熱鬧的答案》這本書的最可貴之處,在於其中有幾個問題是不能用任何課本上的知識回答的。松鼠們除了算理論之外還要親手做實驗,甚至還要查學術論文,甚至最新的學術論文裡也沒有令人信服的答案。

比如煮熟的雞蛋,為什麼有的很容易剝殼,而有的卻不好剝,總有蛋白粘在蛋殼上?這個問題看似簡單,其答案卻絕不是任何一個人拿現有理論就能推算出來的。事實上,據松鼠「游識猷」介紹,第一篇關於剝蛋殼的論文出現在1959年,有人實驗發現只有蛋清的pH值高於8.7,這個雞蛋才好剝。1960年代又有至少三篇論文研究為什麼pH值會影響雞蛋的「可剝性」,而直到1990年,還有人搞研究證明白色殼和褐色殼的雞蛋「在可剝性上沒有顯著的統計學差異」。而所有這些研究都是基於實驗和觀測的。

費曼也會喜歡這種實驗精神。但此書的實驗精神還不僅限於報道,而是直接動手。在回答完「為什麼杯子裡的水總也倒不乾淨」之後,「擦擦嘴」受到這個問題的啟發,發明了一個「偉大的滴水衣服加速乾燥法」。他的辦法是把一些三角形的紙片倒立貼在衣服上,以此促進衣服裡的水向下流動,結果能讓衣服「干的快多了」。他甚至還對比實驗了使用脫脂棉放水,結論是不如紙片。在研究「擠出來的沐浴露為何會打圈圈」這個問題的時候,各地松鼠紛紛付諸實踐。據說正在南半球某圖書館學習的「Robot」因為在衛生間實驗洗手液的旋轉堆積是否有方向性,還受到了保安的責難。

松鼠們並非總能給出最終答案。有人提問說為什麼泡好的茶葉有時候會浮在水面上,而咬一口再吐回去就沉底了?到底是什麼原理決定茶葉的沉浮呢?結果幾位松鼠,「hbchendl」,「八爪魚」,「Lewind」和「雲無心」展開了爭論。有人認為是水進入茶葉細胞改變整體密度導致浮沉;有人則認為是茶葉表面的纖毛間氣泡的作用,並貼出茶葉的電鏡圖像;有人更認為杯子的溫度分佈也有影響。討論並未達成共識。茶葉的浮沉,竟是一個尚無定論的科學問題。

對熱愛科學的人來說,這難道不是一個非常值得慶幸的局勢麼?原來連我們身邊的一些常見現象,都是現代科學還沒有給出確定答案的。一個類似的問題是為什麼像小雞,小鴨和鴿子這樣的鳥類在地面走路的時候會一邊走一邊點頭。也許提問的人沒有意識到,這其實是一個研究了七十多年而至今仍在爭論的問題。據「Fujia」+「八爪魚」+「Seren」的文章,各國科學家為此提出了多個假說,做了多個實驗,考察了300多種鳥類,而共識不可得。

這個世界比絕大多數人想像的要複雜得多,我們對它所知甚少。我們不但不知道宇宙為什麼加速膨脹,甚至不知道小鳥為什麼一邊走路一邊點頭。與宇宙問題不同的是小鳥的問題就算將來得到確定的答案,這個答案恐怕也不會向我們揭示有關世界的什麼重大秘密。但是「尚無答案」這個情狀本身,已經足夠讓人感到安慰了。試想要是不管誰提個什麼問題,你都明確知道儘管你不能解答,維基百科上卻總有現成的答案,這樣沒有懸念的世界豈不是毫無樂趣可言。我們仍然幸運地生活在剝個雞蛋都能寫篇論文的時代。這個世界仍然在等著被破解。

破解世界大概有兩個辦法。一個辦法是從已知推未知,只要掌握基本原理,似乎在理論上你就應該能推導出所有現象,只動腦而不動手。但《再冷門的問題也有最熱鬧的答案》這本書中的幾個例子恰恰告訴我們這幾乎是不可能的。現有的科學原理遠未完備只是一個原因,更重要的原因是複雜現象涉及的數學計算和各種相關因素多到根本不可能用理論推導的程度。在這種情況下「動手」才是更直接了當的辦法。當動腦的人高高在上俯視眾生的時候,動手的人很可能正蹲在地上滿頭大汗地擺弄。而且他們完全不怕把手弄髒。

人類自古以來敬重動腦的人,用動手的方法理解世界則是近代科學興起才有的習慣。古代中外各路哲人全都熱愛說理勝過熱愛事實。他們或者引用神話典故,或者引用先賢明言,而完全不屑於對照一下實驗結果。據說亞里士多德也不知道出於什麼理論計算,認為女人的牙齒比男人少。他結過兩次婚為什麼就不數數自己妻子的牙齒呢?