12年前他寫給民間科學(xué)愛好者6道題，如今他們答上來了嗎
編者按：
12年前，剛剛從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)、在美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校就讀研究生二年級(jí)的李統(tǒng)藏，在“寫給民間科學(xué)愛好者”的一篇網(wǎng)文中編輯了6道普通大學(xué)物理題，文末他留下了郵箱。如今已經(jīng)任職美國(guó)普渡大學(xué)的李統(tǒng)藏說，這么多年收到過很多“民間科學(xué)愛好者”的來信，但自己都不用回，“因?yàn)樗麄兌疾粫?huì)做那幾道題?！?/span>
李統(tǒng)藏寫作上述文章的初衷是有感于“民間科學(xué)愛好者”有探索科學(xué)真知的熱情、但是缺乏有效的科學(xué)探索方法，遂簡(jiǎn)要介紹了亞里士多德、牛頓和愛因斯坦等人的研究方法，并指出：調(diào)查學(xué)習(xí)已有相關(guān)知識(shí)是自主創(chuàng)新的第一步；寫作時(shí)不應(yīng)重新命名已有名稱的事物；新的宇宙理論或?qū)ο鄬?duì)論的批判應(yīng)有數(shù)學(xué)公式，計(jì)算結(jié)果須符合已有實(shí)驗(yàn)。文中還編輯了六道有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和相對(duì)論的習(xí)題，以便科學(xué)愛好者自我評(píng)估。
近日輿論再次因“電荷不存在”的爭(zhēng)議論文關(guān)注“民科”話題，李統(tǒng)藏重新修訂上述文章，并授權(quán)《知識(shí)分子》正式發(fā)表，以期有益于有關(guān)“民科”的討論回歸正常的科學(xué)層面。
撰文 | 李統(tǒng)藏（美國(guó)普渡大學(xué)物理和天文系、電子工程和計(jì)算機(jī)系助理教授、博士生導(dǎo)師）
責(zé)編｜李曉明
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3年前，在中國(guó)科技大學(xué)校園里有人宣傳他對(duì)熱力學(xué)第二定律的研究，那是我第一次接觸民間科學(xué)愛好者。這位科學(xué)愛好者探索科學(xué)真知的熱情深深感動(dòng)了大家，但他對(duì)已有相關(guān)知識(shí)的漠視讓人震驚。最近又讀了不少民間科學(xué)愛好者的論文，發(fā)現(xiàn)有些人智慧超群，敢于質(zhì)疑和創(chuàng)新，卻由于基礎(chǔ)知識(shí)不夠，致使其研究仍停留在中世紀(jì)的水平，讓人惋惜。雖為民間科學(xué)愛好者，但在創(chuàng)造新理論、發(fā)明新事物時(shí)，也需要盡量避開科研誤區(qū)，以免浪費(fèi)時(shí)間和精力。因此筆者作此文，與廣大科學(xué)愛好者探討更有效的科學(xué)探索方法。
亞里士多德、牛頓和愛因斯坦
很多民間科學(xué)愛好者熱切希望能有自己原創(chuàng)的理論，或推翻已有理論，成為著名科學(xué)家。那么，歷史上的著名科學(xué)家如何研究呢？人們?yōu)楹谓邮芩麄兊睦碚摚?/p>
亞里士多德
亞里士多德是人類幾千年來最偉大的科學(xué)家之一，是哲學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)等多個(gè)學(xué)科的鼻祖，可以說整個(gè)人類的理性思維、科學(xué)發(fā)展，無(wú)不受他影響。公元前384年，亞里士多德出生于一個(gè)富裕家庭，父親是馬其頓國(guó)王的御醫(yī)。他從小受到良好的教育，17歲時(shí)進(jìn)入著名的柏拉圖學(xué)園學(xué)習(xí)，后來成為亞歷山大大帝的老師。亞里士多德搜集了很多生物學(xué)資料，并對(duì)許多動(dòng)植物作了令人驚嘆的觀察記錄。同時(shí)，亞歷山大大帝在四處征戰(zhàn)途中，送了很多動(dòng)植物樣品給亞里士多德?，F(xiàn)在不少動(dòng)物以亞里士多德為種名，就是因?yàn)樗诙Ф嗄昵熬鸵呀?jīng)作了深入的觀察和詳細(xì)的紀(jì)錄。正是由于得天獨(dú)厚的條件、對(duì)當(dāng)時(shí)已有知識(shí)的了解、對(duì)事物的仔細(xì)觀察和勤于思考，亞里士多德才有如此巨大的成就。
牛頓
牛頓1642年出生于英國(guó)，是舉世聞名的物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家。他小時(shí)候就喜歡做機(jī)械玩具，讀中學(xué)時(shí)受到了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的熏陶。1661年牛頓進(jìn)入劍橋大學(xué)，廣泛學(xué)習(xí)了很多自古流傳的名著。在此期間，牛頓掌握了算術(shù)、三角，學(xué)習(xí)了歐幾里得的《幾何原理》，讀了開普勒的《光學(xué)》，笛卡兒的《幾何學(xué)》和《哲學(xué)原理》，伽利略的《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》等等。這為牛頓的研究打下了扎實(shí)基礎(chǔ)?？梢哉f牛頓的科學(xué)成就，除了和他的智慧，更是和廣泛深入學(xué)習(xí)，掌握了當(dāng)時(shí)最新的科學(xué)成果知識(shí)分不開的。任何研究都要基于前人的工作。著名的牛頓三定律就是基于伽利略等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；萬(wàn)有引力公式需要用到開普勒的實(shí)驗(yàn)定律來推導(dǎo)。從牛頓開始，物理學(xué)成為可以定量計(jì)算的精確科學(xué)楷模。利用牛頓力學(xué)，人們可以精確計(jì)算行星軌道，計(jì)算建筑材料的受力。由于他的計(jì)算結(jié)果與當(dāng)時(shí)的地面實(shí)驗(yàn)和天文觀測(cè)精確吻合，牛頓獲得了巨大威望！
愛因斯坦
1879年，愛因斯坦出生于德國(guó)[1] 。愛因斯坦小時(shí)候喜歡雕刻。12歲時(shí)，便讀完了歐幾里得的《幾何原理》，自己動(dòng)手推導(dǎo)了很多公式。經(jīng)他人指導(dǎo)，他還讀完了長(zhǎng)達(dá)12卷的《自然科學(xué)通俗讀本》，對(duì)動(dòng)物學(xué)、植物學(xué)、天文學(xué)、地理學(xué)有了基本了解。書中有對(duì)像光速這樣的自然現(xiàn)象的分析。通過閱讀，了解這種自然現(xiàn)象對(duì)他創(chuàng)立相對(duì)論有奠基意義。大學(xué)期間，愛因斯坦閱讀了德國(guó)著名物理學(xué)家基爾霍夫、赫茲等人的著作，鉆研了麥克斯韋的電磁理論和馬赫的力學(xué)，并經(jīng)常去理論物理學(xué)教授的家中請(qǐng)教。另外，大部分時(shí)間他都在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，迷戀于直接觀察和測(cè)量。愛因斯坦還曾自己做實(shí)驗(yàn)尋找以太的存在。1902年進(jìn)入伯爾尼專利局工作后，愛因斯坦廣泛關(guān)注物理學(xué)界的前沿動(dòng)態(tài)，在許多問題上深入思考，并形成了自己的見解。1905年，愛因斯坦發(fā)表了6篇論文，同時(shí)在3個(gè)領(lǐng)域內(nèi)做出了4個(gè)具有劃時(shí)代意義的貢獻(xiàn)。他寫了3篇關(guān)于液體中懸浮粒子運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)）的論文，3年后由佩蘭的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。佩蘭因此得了諾貝爾獎(jiǎng)。愛因斯坦提出了光量子假說，解釋了光電效應(yīng)，因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。他還寫了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，完整的提出了狹義相對(duì)論。根據(jù)狹義相對(duì)論，他推導(dǎo)出質(zhì)量和能量的相當(dāng)性：E=mc2。這個(gè)公式被原子核物理和粒子物理的實(shí)驗(yàn)廣泛證實(shí)，是核能利用最重要的理論基礎(chǔ)。幾年后愛因斯坦還提出了廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論的很多計(jì)算結(jié)果已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，開創(chuàng)了宇宙學(xué)研究的新紀(jì)元。
一個(gè)好的科學(xué)理論，最重要在于能指導(dǎo)人們的生活實(shí)踐。評(píng)判一個(gè)科學(xué)理論，我們不僅要知道這個(gè)理論的內(nèi)容，更要知道在這個(gè)理論指導(dǎo)下，我們得到了什么。1945年美國(guó)原子彈的爆炸把許多科學(xué)家對(duì)相對(duì)論的疑團(tuán)和猶豫一掃而光！大家這么尊敬愛因斯坦，就是因?yàn)楦鶕?jù)他的理論，人們做到了很多以前無(wú)法做到的事！如果相對(duì)論完全錯(cuò)誤，請(qǐng)問你如何解釋原子彈的存在以及航天事業(yè)的發(fā)展呢？
自主創(chuàng)新首先要了解已有的相關(guān)知識(shí)
從亞里士多德、牛頓和愛因斯坦的成長(zhǎng)過程和研究經(jīng)歷中，我們不難發(fā)現(xiàn)，這些著名科學(xué)家對(duì)當(dāng)時(shí)已有的科學(xué)成果都有全面而深入的了解。廣大民間科學(xué)愛好者要想自主創(chuàng)新，也要了解現(xiàn)有的相關(guān)知識(shí)。不知道已有的科學(xué)知識(shí)，研究就會(huì)像瞎子摸象，只知自己的理論和某個(gè)現(xiàn)象吻合，卻不知違背了其他實(shí)驗(yàn)；偶爾得到一個(gè)正確結(jié)論，就以為有了天大發(fā)現(xiàn)，卻不知在幾百年前就有相同結(jié)論。因此調(diào)查學(xué)習(xí)已有的相關(guān)知識(shí)是自主創(chuàng)新的第一步。
了解已有的相關(guān)知識(shí)，才能避免給已有名稱的事物重新命名。不重新命名已有名稱的事物，首先是為了尊重別人的研究成果。只有首次發(fā)現(xiàn)某個(gè)物體的人才有資格給這個(gè)物體命名。如果你不尊重別人的研究成果，就很難指望別人會(huì)尊重你的研究。不重新命名已有名稱的事物，更是為了便于交流。如果一個(gè)物體，每個(gè)人都給它取不同的名字。那么交流時(shí)，誰(shuí)都不知道對(duì)方在說什么。所以為了方便交流，也為了別人能理解你的研究成果，論文中不能重新命名已有名稱的事物。要避免重新命名已有名稱的事物，就得了解相關(guān)知識(shí)。當(dāng)你有一個(gè)“新發(fā)現(xiàn)”時(shí)，首先要廣泛調(diào)查已有的相關(guān)知識(shí)，確認(rèn)別人是否已經(jīng)研究過！
從牛頓開始，物理學(xué)成為可以定量計(jì)算的精確科學(xué)，它的定律基本用數(shù)學(xué)公式表示，可以給出與實(shí)驗(yàn)吻合的計(jì)算結(jié)果。精確計(jì)算更是現(xiàn)代物理學(xué)理論的精髓。比如根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)，理論計(jì)算出電子磁矩為1.00115965246個(gè)單位（這個(gè)數(shù)稱為狄拉克數(shù)），而精密實(shí)驗(yàn)測(cè)得電子磁矩為1.00115965221個(gè)單位。理論值和實(shí)驗(yàn)值只相差四十億分之一！
如果你要?jiǎng)?chuàng)立新宇宙理論或批判相對(duì)論，那么應(yīng)有數(shù)學(xué)公式，計(jì)算結(jié)果須符合已有實(shí)驗(yàn)。新的宇宙理論至少要能計(jì)算行星軌道，能計(jì)算如何發(fā)射飛船到月球等等，否則你的新理論還不如300多年前創(chuàng)立的牛頓力學(xué)有效。
單純從邏輯上研究宇宙只能算是哲學(xué)思辨，而不是現(xiàn)代科學(xué)。單純從邏輯上批判現(xiàn)代科學(xué)理論也是軟弱無(wú)力的，因?yàn)楝F(xiàn)代科學(xué)理論不僅有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，而且在應(yīng)用過程中取得了良好效果。比如熱力學(xué)第二定律和相對(duì)論中的光速不變?cè)?，都是?shí)驗(yàn)定律。在有新的實(shí)驗(yàn)證明它們?cè)谀撤N條件下不成立之前，單純?cè)谡軐W(xué)上對(duì)它們的批判是無(wú)效的。
因此民間科學(xué)愛好者要想研究宇宙和相對(duì)論，就要了解現(xiàn)有的相關(guān)知識(shí)；提出的新理論要有數(shù)學(xué)公式，得到的計(jì)算結(jié)果不能違背已有實(shí)驗(yàn)，并要能預(yù)測(cè)新實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
六道關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和相對(duì)論的習(xí)題
專業(yè)科學(xué)工作者在學(xué)習(xí)過程中做過很多計(jì)算題，通過考試來檢查對(duì)知識(shí)的掌握程度。民間科學(xué)愛好者由于條件限制，很少做過習(xí)題，也沒經(jīng)過考試，因此不知道自己的水平。為便于大家評(píng)估自己對(duì)已有知識(shí)的了解，特編輯以下六題。這些題目涉及的內(nèi)容都是能在實(shí)驗(yàn)中直接得到證實(shí)的。如果不會(huì)做這六道題，不用氣餒，但要通過找資料來學(xué)習(xí)、掌握它們。會(huì)做這些題目前，請(qǐng)不要提新的宇宙構(gòu)成理論，因?yàn)槟闾岬睦碚摵芸赡軇e人早就提過了，只是你不知道；也不要批判相對(duì)論，因?yàn)槟銓?duì)相對(duì)論還不了解，批判是無(wú)力的。
有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)三題
1
把10克氫氣和10克氧氣混合后充分燃燒，請(qǐng)問得到多少克水？
這是中學(xué)化學(xué)的內(nèi)容，很多中學(xué)生知道如何做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。所以創(chuàng)造你的理論前，要會(huì)算這個(gè)，以免你的理論與此矛盾而被人笑話。
2
氧-15是一種半衰期為2分鐘的放射線同位素，請(qǐng)問需要多少時(shí)間使99.9％的氧-15原子核發(fā)生衰變[2]？
是高中物理的內(nèi)容。該題的計(jì)算結(jié)果是氧-15的醫(yī)學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)。氧-15在醫(yī)學(xué)中有廣泛應(yīng)用，它標(biāo)示的水、二氧化碳可用于腦部血流測(cè)量、心肌耗氧的定量分析等，標(biāo)示的氧氣也可應(yīng)用于檢測(cè)腫瘤的壞死。
3
一個(gè)電子處在方向向上，強(qiáng)度為1特斯拉的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，請(qǐng)問電子自旋向上和自旋向下兩種狀態(tài)的能量差值是多少[3]？
自旋是粒子的基本屬性，也是現(xiàn)代物理學(xué)的基本概念。目前計(jì)算機(jī)硬盤的磁頭就是利用探測(cè)電子自旋來讀取數(shù)據(jù)。如果你不會(huì)做這道題，就不要試圖建立新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論了。
有關(guān)相對(duì)論三題[4]
1
根據(jù)相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系式，請(qǐng)問如果核反應(yīng)中質(zhì)量虧損1千克，則釋放出多少能量？
相對(duì)論的質(zhì)能關(guān)系式在原子核和粒子物理中被大量實(shí)驗(yàn)很好地證實(shí)，它是原子能利用的理論基礎(chǔ)。如果你認(rèn)為相對(duì)論錯(cuò)誤，就需要解釋為什么現(xiàn)在會(huì)有原子彈和核電站。
?1945年美國(guó)在長(zhǎng)崎投下核武器，爆炸后引起高達(dá)18公里的蘑菇云。來源：pexels
2
一顆繞地球以3千米/秒的速度在圓軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，從正上方往地面接收站發(fā)射一個(gè)頻率為5x1014 Hz的激光信號(hào)，請(qǐng)問由于相對(duì)論效應(yīng)，地面接收站收到的信號(hào)頻率和衛(wèi)星發(fā)射的頻率5x1014 Hz相差多少？
在垂直于光的運(yùn)動(dòng)方向上，觀察到的輻射頻率小于靜止光源的輻射頻率。這稱為橫向多普勒效應(yīng)，它是相對(duì)論時(shí)間延緩效應(yīng)的證據(jù)之一。橫向多普勒效應(yīng)為Ives-Stilwell實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，對(duì)宇航技術(shù)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)有舉足輕重的作用。如果你認(rèn)為相對(duì)論是錯(cuò)的，就需要解釋為什么根據(jù)現(xiàn)有理論，人類成功進(jìn)行了載人飛行，成功使全球定位系統(tǒng)精確到米。
?中國(guó)神舟六號(hào)飛船航天員費(fèi)俊龍出艙。來源：新華網(wǎng)
3
如果一個(gè)電子以0.99c（c為真空中光速）的速度作半徑為20米的圓周運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)問電子的輻射功率是多少？
這個(gè)問題的結(jié)果對(duì)電子加速器有重要意義。如果你認(rèn)為相對(duì)論是錯(cuò)的，就必須解釋為什么我國(guó)科學(xué)家以相對(duì)論為理論基礎(chǔ)，成功創(chuàng)建了合肥國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室，可提供從真空紫外線到硬X波段的同步輻射光。
?合肥國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室。來源：國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)
結(jié)語(yǔ)：
民間科學(xué)愛好者要想自主創(chuàng)新，首先要了解已有的科學(xué)知識(shí)，知道什么東西別人已經(jīng)研究過，提出的物理理論或?qū)ο鄬?duì)論的批判應(yīng)有數(shù)學(xué)公式，并能給出符合實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果。會(huì)做本文中的六道題前，請(qǐng)先不要?jiǎng)?chuàng)造新的宇宙構(gòu)成理論或批判相對(duì)論。如果你做出上面六道題后，仍然覺得你創(chuàng)造的新宇宙理論或?qū)ο鄬?duì)論的批判很有意義，歡迎發(fā)電子郵件來交流（litongcang@yahoo.com）。郵件開頭請(qǐng)給出這六道題的答案。
感謝浙江大學(xué)李如意的建議和對(duì)本文的校正。
?來源：普渡大學(xué)官網(wǎng)
李統(tǒng)藏, 2004年本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011年博士畢業(yè)于美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。2011－2014年在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校做博士后。2014年至今在美國(guó)普渡大學(xué)“物理和天文系”以及“電子工程和計(jì)算機(jī)系”任助理教授，博士生導(dǎo)師。李統(tǒng)藏在2016年獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)杰出青年教授獎(jiǎng)（NSF CAREER Award）。他還曾獲得Springer博士論文獎(jiǎng)，中國(guó)“國(guó)家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金”，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)基金會(huì)“杰·貝內(nèi)特紀(jì)念獎(jiǎng)”等獎(jiǎng)項(xiàng)。在Science， Nature Physics， Nature Communications， Physical Review Letters 等著名雜志發(fā)表論文二十余篇，在Springer出版專著一部。李統(tǒng)藏在2010年和合作者用激光光鑷首次實(shí)驗(yàn)測(cè)量了懸浮粒子布朗運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，完成了這個(gè)愛因斯坦在一百多年前認(rèn)為是不可能完成的任務(wù)。該工作被Science雜志推薦為高中及大學(xué)教學(xué)內(nèi)容。2012年和清華大學(xué)尹璋琦等合作者首次提出利用超冷束縛離子實(shí)現(xiàn)時(shí)空晶體的實(shí)驗(yàn)方案，被Nature雜志選為研究亮點(diǎn)，并被Discovery傳播公司拍攝成紀(jì)錄片。2015年和尹璋琦合作提出活體微生物的量子態(tài)疊加，糾纏和隱形傳態(tài)方案，引起學(xué)術(shù)界和媒體的廣泛關(guān)注。
參考文獻(xiàn)：
[1] 鄭永令，賈起民?！读W(xué)》，上海，復(fù)旦大學(xué)出版社，1990
[2] 徐克尊，陳宏芳，周子舫。《近代物理學(xué)》，北京，高等教育出版社，1993
[3] 曾謹(jǐn)言，《量子力學(xué)》，北京，科學(xué)出版社，2000
[4] 郭碩鴻，《電動(dòng)力學(xué)》，北京，高等教育出版社，1997
