批判四大发明就被停课,来我来举报我自己

今天看到有电子科技大学的老师,由于在学生群里面批判四大发明(没有真的形成生产力,也不见得领先),被学校停课,按照师德问题(唯一算得上师德问题的也就是把学生踢出群限制其提出反对意见这一条了。批判四大发明,而且有自己批判的理由,怎么成了师德问题?)处理。

现在,我来举报我自己。不仅对于四大发明我有疑问,对于中国为什么没有科学,我有更加深刻的批判。来吧,来停我的课吧。希望全中国有良知、独立思考能力、懂科学客观讲道理的老师,都来举报一下自己,都被停课吧。

首先,回到具体的四大发明的问题。造纸还比较可靠。直接用植物或者动物的一部分来当做书写的材料,例如羊皮、竹子、木头、石头、金属容器、树叶、压实的草杆,早就有。蔡伦纸不同的地方在于其把原材料中的纤维提取出来,然后重新帮助其凝聚成纸。这是一个很大的进步。不过,如果没有思想和知识来写在纸上,从而提高这个社会的生产力(科学)、思想性(思想解放、自由)、组织方式(社会制度),则纸基本上也就是用来擦屁股的。而非常神奇的是,后面这些在中国基本上都没有配合跟上。于是,我们的造纸术也没有使得我们的科学发展得比别人早。不过,无论如何,我们可以宣称,中国首先发明了纤维先打碎后凝聚这样的方式的造纸术(不一定是蔡伦第一个发明的,不过,算成中国人大概没错)。

火药看起来也还算相对可靠,是我们先从炼丹中偶然得之的。不过,后来我们就用它做了烟花。我不知道后来是不是也是中国人最早改进一下火药然后用来炸山洞(采石头、修桥铺路),但是,真正运用火药的枪炮肯定不是中国人先发明的。中国人也没有从火药发展出来化学纯的配方,以至于元素为基础的化学,更加没有从元素化学走向回答为什么这样的元素和化合物具有这样的性质的物理学。因此,无论从科学、技术、社会生活的角度,中国人对于火药,基本上只能宣称一个最先偶然发现,或者最多偶然发明。

至于活字印刷和指南针,就确实比较有问题了,尤其是指南针。活字印刷这个想法应该不难。有人就认为是受刻印章的启发。难度在于维持所有的活字在一个平面才能印刷,在于保证每一个活字比较牢固耐用。因此,如果想把活字印刷推广开来,其实是一个技术标准的问题(真正让活字印刷打败雕版的是很多年以后的Gutenberg)。也正是由于这个原因,实际上,从这个活字印刷的想法被提出来和初步实现之后很多年,我们中国流行的印刷方式仍然是雕版印刷。因此,我们仅仅能够宣称中国发明了活字印刷的这个想法,做了初步的实验实现。但是,鉴于这个想法相当普通,我们也就能够真的宣称,只不过首先实现了“活字印刷”的实验室原型。当然,这个已经是不错的成就了。指南针一方面没有在中国流行起来,发挥作用,另一方面,甚至实物证据也没有。其可靠性可能都比不上沈括说的那个细线悬挂一个小磁针。我们现在看到的司南的图片从哪里来的呢?有一个叫做王振铎的近代学者按照历史上只言片语的记载复原出来的。后来,现代科学重新再一次来企图复现的时候,发现 ,对于大多数自然磁性材料,地球磁场的作用都不足克服以勺子底部的摩擦力,所以不准。改用人工磁化材料是可以的。因此,对于司南,大概,我们只能宣称,中国人发现了磁性材料。

小结一下,我们发现,造纸确实可以看做中国人发明的,不过没怎么推动中国的文明的发展;火药也可以认为是我们偶然发现的,不过无论技术和社会的的角度,对中国的发展的贡献都非常有限;活字印刷我们基本上就是一个实验室原型机,没有推广开来的条件和技术;司南基本上是意淫,不过可以大概宣称我们先发现了磁性材料。这就是我们一直在自嗨的四大发明的大概的情况。

这四样东西当然对于人类文明的发展非常重要,各个国家也肯定在其发展的过程中做出了不同程度的贡献,但是,你要宣称都是中国人首先发明的,呵呵。其实,第一次提出来这个说法的不过就是一个搞科学史研究的李约瑟。当时,抗战时期确实需要民族自豪感,要不然,都快亡国了。钱穆的中国通史基本上收集和中国历史上的伟人和伟业,而特意忽略很多开倒车的人,也是这个目的和历史背景。可是,在今天,仍然要把我们的民族自豪感建立在这样的东西之上,就是悲哀,就是自欺自人。

当然,我不反对一定程度上,这四大发明进入教材:当做讨论和争论的对象,而不是当做圣经。

另外,你以为只有四大发明是这样吗?勾股定理、地动仪以及很多其他的被认为是中国人第一次提出来的也是如此。中国的数学的典型论著方式是:“勾三股四弦五”,也就是告诉你,如果一条边是3,一条边是4,则直角三角形的斜边是5。不要问我怎么来的,也不要问我万一不是3和4的时候,斜边是多少。当然,以案例为基本论述方式也有其自身的好处(可以看看吴文俊在这方面的论述)。但是,数学是有体系的科学:从一些最基本的假设和定义开始,构建整个数学的概念大厦,构建的主要方式是逻辑论证和计算(其本身也可以看做是逻辑论证)。至于地动仪这东西,现在,我们在地球表面设立了大量的震动记录站都做不到,更何况当时的科技水平(有人说,可能地球上之前有文明,那有相关证据的时候再说,目前,我们假设一代代的研究者是在正面推动科学的发展,而不是藏起来和阻碍)。你想想,国家和民族的自豪感,能够以这样的东西为基础?

当然,我也一定程度上同意把勾股定理的故事放入教材,但是,是供讨论的材料。一方面,确实我们发现了例子,另一方面,证明和系统化确实是另一个问题。

接着,回到我要举报我自己的地方:不仅仅在这些技术发明上,我用批判性思维和我的科学知识来做批判性的思考和认知,甚至对于更加基本的中国人在科学认知上的国民性的问题,我持有更加批判性的意见。来呀,来北京师范大学停我(吴金闪)的课啊。

真正的值得思考的问题或者说悲哀,在于,为什么,在中国历史上,一直没有发展出来数学、科学(支离破碎的一个个的技术不算,有系统的技术、追问为什么并且有模型世界的才算)和哲学(哲理不算、政治伦理经验总结不算,有系统的哲理和有系统的政治伦理才算)。

这个问题很深刻,但是我认为其答案一点也不复杂:由于中国人一直太穷苦了,导致我们的大众和绝大多数精英从来不关心吃饱饭之外的问题,也就是没有抽象思维;同样由于中国人一直太穷苦,中国文化把农业(保证有饭吃)和官僚(原则上,是为了帮助其他人更有饭吃,或者说自己吃更好的饭)当做了最高地位的东西,从而鄙视奇技淫巧,也就抑制了技术和科学的发展;同时,中国文化没有实证性思维,一个模模糊糊说得过去甚至逻辑上同时包含了命题和否命题的阴阳五行学说就统治了中国的世界观和科学

回到现在科学的发展。

首先,古希腊的传统使得对没有实际意义和作用的问题的追问保留了下来。例如,物质到底不断地分下去会是什么,宇宙到底从哪里来,我能够在辩论上战胜你到底是因为我聪明嘴皮子厉害还是逻辑和事实,你如果要学习一个东西到底我是应该灌输给你还是帮你自己认识到,等等等等。这些问题(关于世界本源、批判性思维、逻辑)没有一个是帮助解决吃饭问题的。可是你看,泰勒斯、德谟克利特、苏格拉底、帕拉图、亚里士多德,等等,都是在追问这样的问题。其中,亚里士多德值得单独提一下:其第一次把物理学(自然科学)从哲学(那时候不分家,任何思考都算哲学)分出来,成为关注世界怎么回事的一个学科。顺便,这个批判性思维的传统到了后来的笛卡尔的手上,就被明确地提出来,并且在实际数学研究中运用了。

其次,欧几里得在人类文明史上有特殊的地位,其建立起来的从很少的定义和公理出发,通过逻辑论证,来构建整个几何学(甚至整个科学和数学)的方式,我这里称之为系统性思维,是迄今为止,人类构建科学理论思维典范。

接着,伽利略使得这些科学从这些思辨的层面,走向了实验、实验和思辨对比的层面。说,你想看看是不是不推就不走了,那么,咱们就把你放到冰面以及其他光滑程度不同的面上试试,并且做好时间和距离的测量。在这里,实验主要起到检验的作用。

最后,终于差不多到了第谷、开普勒、牛顿出来转一圈的时候了。在第谷的大量的准确的天体观测数据的基础上,开普勒用数学发现了运动规律,而牛顿呢把天体运动和地面上的运动联系起来从而建立了运动定律(把物体的运动用位置和时间来描述,并且联系着一个叫做力的东西,是一个心智模型)和万有引力定律(把天体看做是靠引力相互联系在一起的,是一个心智模型),并且为了这个目的发展了数学(微积分)。之后,很快基于这些模型得到的进一步结论得到了验证。这才形成了现代科学的体系。在这里,实验数据除了检验模型还起到了启发模型的作用。同时,数学和模型(往往表现为数学结构和物理概念)、数学计算和论证开始成为科学的基本语言。

因此,对于现代科学的发展来说,关注抽象的不解决吃饭问题的问题、依靠数学的证明和计算来思考、运用数学来建立世界如何运转的的模型并且依靠实验数据来启发和检验模型、批判性思维、系统化思维,这是非常重要的。

现在,再一次回到中国的科学、技术、思想,除了当官和为人处世的经验总结,优美的诗词歌赋,少量没有系统性的支离破碎的数学结论、不太少的技术,我们有什么?有对基本问题的追问吗?有批判性思维吗?有系统性的数学吗?有从技术变成模型,变成系统性的模型吗?有用实验来检验一下这些模型的想法吗?

如果不能直面我们的问题,把头埋在沙堆里,我们如何取得真正的进步?

这个帖子在微信公众号“为了理解而教和学”被举报了,说,这是在挖祖坟、灭自己威风(民族自豪感),只要是祖坟和国家民族的自豪感,就不应该挖。这是什么逻辑?只有直面自己的问题,才能取得更大的进步。如果我的祖坟里面藏着汪精卫和汪精卫的精神、吸血鬼或者某种将来可能阻碍社会发展的病毒,请大家帮我一起挖掉它!另外,前半部分关于四大发明的是在目前能够找到的材料上的总结,没有任何东西是我自己的。没有补充参考文献,就多多迁就了。没写成任何论文的打算。我本身是搞科学的,不是科技史,也不是哲学。但是,从对比中,看到为什么中国没有科学,挖一挖自己的祖坟,还是能够完成的。

关于为了维持民族和国家自豪感就不应该挖自己祖坟的评论,我在回复里面举了一个例子,也分享在这里。有一个家出了一个特别能够赚钱的女儿。并且由此全家人在村里的地位和声誉都特别高,甚至这个村也由于这个家在所在的地区地位和声誉特别高。现在,这个家的自己人和其他人都(有证据地)发现,其实是因为这个女儿出卖色相得来的。现在,这个家的其他人和这个村的其他人,都说为了维持家和村的自豪感,不能把这个真想公布出来。你看看,这是什么逻辑?这样能够培养出来真正值得这个家和这个村自豪的人出来吗?中国的国家自豪感如果建立在这样的东西之上,还真的可悲。顺便,我不鄙视靠色相赚钱啊,这里只用来举例。可以改成贩毒、黑社会等等其他没有这个隐藏性这么好的例子。

回到这个帖子的主要结论:在四大发明上,中国人起到了启发性的作用,应该是还算客观的,尤其是火药和造纸。但是,说这启发性作用就表示这四大发明属于中国,或者说,在中国取到了很大的作用,就非常勉强了。既然在已经很早就启发了的地方(发源地)都没有在技术上发扬光大,在科学上促进现代科学的发展,我们如何好意思说,四大发明在世界的发扬光大,也是我们促进的呢?不过,再一次强调,这个结论本身是否认同不是最重要的,最重要的事情是,是否允许质疑和讨论这个结论,质疑可讨论这个结论为什么就成了师德问题!

顺便,这个帖子的关于四大发明的前半部分,基本上是我整理的前人的话,基本没有我自己发明的说法或者提供的证据。至于参考文献,我也不是这个专业的,也没想过写成论文,就暂时允许我不列出来了。要回头去找起来还挺麻烦的。我自己要说的话在关于现代科学的第二部分,没有批判性思维、没有系统性思维、没有实验和测量的启发和检验、没有用数学来计算和建立抽象模型,就没有科学;而且这些东西在中国古代固然没有,现代中国也不见得很多人就有。

你看,我对中国人的批判可不仅仅在古代中国,也不仅仅在四大发明,甚至涉及了现代中国,以及中国对整个人类的科学、数学、哲学的贡献这个层面。我举报我自己,要不要来停我的课啊!

光是粒子又如何,光是波又如何?

之前我们讨论了能够在很大程度上说明光是粒子的实验:光电效应为什么能够证明光的粒子性。那当然,也有大量的实验佐证光是波——把光看作是介质上的振动,然后依赖介质上的Newton力学来理解光的行为。那么,为什么光不能就是这样的东西:在解释不同的实验的时候用不同的模型呢?这样有什么不可以呢?

首先,有其他实验可以很大程度上证明光的传播不需要介质。例如Michelson-Morley实验(请自行Wikipedia之)证明如果有介质并且这个介质的运动速度通过伽利略变换进入光的传播速度的话,那么,实验结果和理论结果不符合。再例如,有实验证明光是可以在真空中传播的:你想确认一下这个事实的话,只要看一下天空,看到太阳月亮星星就是这个证明——你想中间有多少什么都没有的路光要走啊。当然,你仍然可以怀疑说,这个看起来测量起来什么粒子都没有的“真空”其实不是真空,还是有某种介质的。于是,你就可以设计一个情景来让这个“介质”有自身的速度,这时候,再来测量光的行为,就回到了Michelson-Morley实验。因此,Michelson-Morley实验很大程度上说明:光的传播不需要介质,如果有介质则这个介质很神奇——其自身运动的速度不怎么影响光的传播。

既然没有介质,那么,把光看作介质上的振动,并且这个振动的传播符合Newton定律就不太行了,那怎么来建立光的心智模型?

接着,我们回顾一下那些启发了光的经典介质波的模型的实验。例如,光的折射和反射。声波、水波都会出现折射和反射,也就是一个振动传过来遇到了界面,界面上的介质会被这个传过来的振动激发,由于是不同的介质,这个受激发的振动可能会被传播到其他方向上去。如果是同一种介质,其实也会发生这个受激发振动的事情,只不过,那个时候,跑向各个方向的受激发振动刚好相互抵消。而当存在不同介质的界面的时候,某些方向上的振动会被加强而不是相互抵消。这个把介质上的多个粒子受激发振动看作新的波源然后做叠加的做法叫做惠更斯-菲涅耳原理(其本质还是波的Newton力学),或者去看看Feynman的《QED:光和物质的奇妙理论》。当然,其实,光的折射和反射也可以用直线传播的小球和半透膜的模型来解释:把光看作小球,每次遇到半透膜(开了很多小孔的筛子?)就有可能被弹回,也有可能透过。这个称作光的随机性粒子模型(有的时候也被称作几率波粒子模型)。

那我们再来看光的干涉和衍射。衍射现象是指,在光的传播路径上,有障碍物,可是,你仍然在障碍物的后续路径上观察到了光。如果光是直线传播的小球,就不太可能有这个现象了。而波的惠更斯-菲涅耳原理就可以解释这个现象,在此略过这个解释。光的干涉现象是指来自于两个振动源的光在同时能够达到的区域会出现暗条纹和明条纹。暗条纹的意思是,对于打开任何一个光源就能够照亮的区域,当同时打开两个光源的时候,反而不变暗。当然,这个时候,对光源有一定的要求。但是,这件事情用光的粒子模型是很不可理解的:你在玩植物大战僵尸的豌豆射手或者用机枪打仗,发现,有一个地方用一个豌豆射手或者一个机枪手都可以打到,但是,当你放上两个豌豆射手或者两个机枪手的时候,就打不到了。这是不可能的事情。如果是这样,就没有火力覆盖了。

那么,把光看作是介质上的振动是怎么来理解光的干涉的呢?说一个光源传过来的振动和另一个光源传过来的振动可能在振幅上不匹配,例如一个是振动最低点也就是波谷的时候,另一个正好传过来一个振动最高点也就是波峰,正好这两个振动的矢量叠加相互抵消,于是,没有照亮。这个解释非常漂亮。

那问题来了,到底我们应该把光看作是粒子还是满足Newton定律的介质上的振动波呢?我们能不能在讨论某些实验例如折射反射光电效应的时候,把光看做粒子(当然,这时候,我们也要问这个粒子是不是满足粒子的Newton定律。问题留在这里,以后再说),而在讨论折射反射衍射干涉的时候,把光看作是满足Newton定律的介质上的振动波呢?万一遇到新的现象怎么办,用什么方式来描述?或者每次都先试试用两个理论之一的结果和实验比较一下,对上了,对这个现象就用这个理论?

第一、科学的目标是希望对于给定的现象,我们的理论模型能够给出来一个结果的预期,然后和实验相比较。因此,每次来凑一凑试一试显然是不行的。如果能够对现象做一个完善的分类,遇到现象就知道用哪一个模型,倒是也可以接受。不过,这个分类,在光这个现象上,我没有见过。

第二,科学的原则有一条,希望用更少的并且相互不冲突的更具有一致性的理论来解释更多的现象。因此,用两条看起来相互冲突的理论来解释同一种东西的不同的现象是不够的,就算上面提到的完善的分类存在的话。而且,将来,我们会看到,有一个光的新的理论,它能够同时解释上面所有的现象。

顺便,我们怎么知道是同一种东西呢?只要我们做实验的时候产生光的机制是一样的,然后用来做以上两类实验就可以。另外,在这里,我特意扔掉了光的波的模型,而用更加复杂的“满足Newton定律的介质上的振动波”的模型。将来我们会知道新的模型还是一个光的波的模型,只不过不符合Newton定律,而且是振幅波,而不是几率波。后面为了语言的简单,我把这个“满足Newton定律的介质上的振动波”的模型简称为经典波模型。

那么,到底怎么办?什么样的模型可以即具有粒子性,也就是确实是一颗一颗打过来的,不会再一次把能量分离成为某个最小单位以下的,强度增加就意味着增加粒子数量的,这样的粒子,还具有波性,也就是可以发生干涉和衍射的这样的波?

再一次提醒注意这个干涉的不可思议性:如果我们用一颗一颗粒子来解释的话,就意味着有一个地方打开两个粒子源中的任意一个粒子源的时候粒子能够到达,但是同时打开粒子却不能达到。

更进一步,这个实验还可以这样做:保证在整个实验中每次仅有一个粒子,也就是一份能量,在整个实验环境中。具体的做法大概来说是这样,制备一个单光子光源,在这个光子的光路上放上分光的仪器使得这个光子可能走两条路中的一条——例如放置一个双缝或者一个偏振分束器。

这样来做,这个实验结果就更加不可思议了:空间中每次只有一个粒子,如果说不能到达某个一条路就能到达的点,也就是说,好像这两条路上的光子影响了彼此,可是,真的仅仅有一个光子啊,自己和自己是怎么影响怎么抵消的呢?回到波的模型,可以把波看作是振动分成几个部分传播到不同的路径上,将来再一次合起来,自然就可以相互抵消。可是,光子不能再一次分成更小的能量单位啊!

注意,把光看作几率波的模型也不能解释这个单光子干涉现象:要么走路径1,能够到达;要么走路径2,还是能够到达,则合起来就是能够到达,绝对不会出现不能到达的情况,除非路径1和路径2的“几率”是一个矢量,能够想振动幅度一样被加起来。

这里最大的矛盾,或者说将来的出路,就在于:一方面,光子不能分成更小的单位,不能同时走很多条路径,因此不能把不同路径上的“振动幅度”像经典波一样叠加起来;另一方面,在数学上,经典波的把来自于不同路径上的同时传播过来的波相互叠加起来,确实能够描述实验现象。

怎么办?难道我们需要一个在数学上满足“波的叠加”的但是在物理上是一个个不可再分的小球的模型来理解光子的行为?一个个的小球怎么会具有波呢?除了看作概率,就像前面的半透膜,可是概率解释不了干涉,还可以看作波,怎么可能呢?

实际上,光的心智模型正是这样的满足“波的叠加”的小球。有更多的实验会提出来挑战很大程度上说明,只有这样的模型,才能够解释这些实验现象。例如,这几个实验:
能看到光是多么神奇的事情啊
光过玻璃是一件多么神奇的事情啊
光过三个偏振片和男人女人过三道门的对比

Feynman说过,只要你能够明白双缝干涉,那么,你就明白了量子力学,并且如果你没有被量子力学苦恼过,那么,你就是不明白量子力学,更有你只要宣称明白了量子力学,那么,你就没有明白。

学习量子力学主要就是为了搞清楚为什么这个理论是这个样子的,理解上的主要困难在哪里,而不是仅仅学会怎么算。就像Feynman在《QED:光和物质的奇妙理论》,《Feynman物理学第三卷》以及吴金闪的《二态系统的量子力学》里面所强调的一样。怎么算,不好意思,你需要至少学习一个理论物理专业的硕士,甚至博士。

具体现象的知识固然有意义,但是,本文最大的目的是跟你一起从具体的科学现象的思考中体会什么是科学,体会量子力学的神奇和困难之处。