一本后悔没有早读到的书:数理化通俗演义|【每周一本书(21)】

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如果能够穿越回古代,而你只能带一本书回去,那你最想带哪本书?

对于我来说,一定是这本《数理化通俗演义》。

初识本书,不过是打算抱着消遣的态度随便翻翻的,没想到读了几章,却逐渐沦陷到书中曲折精彩的科学史故事中。

在这本书中,可以跟着作者,见证伽利略巧妙用《对话》这本书突破宗教的重围传播最新科学思想、见证祖冲之用原始的算筹一步步推导出圆周率、见证居里夫人在艰苦的条件下提纯铀、见证观察敏锐的第谷与眼神不好但数学思维强大的开普勒接力发现天体运行规律、见证……。

总体来说,这本书受众可以极广,是难得的一本老少兼宜雅俗共赏的书。对于理工科类的中学生来说,可以提早打开理工科视野,培养数理化兴趣(这本书读完让人有种继续回去深造的欲望);对于硕博生来说,里面提到了很多科学研究方法,可以指导自己的科学研究;对于普通高中生来说,书中的科学家案例可以提供海量的作文素材;甚至对于我这种已经毕业几年的社畜,也不妨以看故事的心态津津有味地看完这本书。

读史使人明智,读科学史也一样。书中看似是在讲科学史,实则很多提供了很多解决问题的思考方式,因为科学的发现,正是从一个个未知中总结规律,然后解决未知问题的。

一、书中的一些问题解决思维

一)理论和实践是相辅相成的

很多科学研究,都是实践产生理论,理论指导实践,并又进一步在实践中检验真理。

当人们对世界还一无所知时,便有如屈原、泰勒斯、毕达哥拉斯、德谟克里特这些先知从宏观的哲学的角度提出世界是什么。然后就是一批实验科学家一点一点儿去探寻,例如第谷观星、伽利略研究运动、戴维找元素、法拉第找电和磁。

这个时候,科学见们就如探险家深山探宝一样,没有任何目标,全靠辛苦去找。但是在实践一段后,各学科相继都产生了理论,并且在实验物理学家、化学家之后出现了理论物理学家、化学家,这就分别是开普勒的三定律、牛顿的万有引力、麦克斯韦的电磁理论和门捷列夫的元素周期律等等。

有了这些理论的指导,科学家手里就有了一张“藏宝图”,以后的探宝活动就不那么盲目了。勒维烈坐在家里就推算出海王星,门捷列夫坐在家里就推算出十几个未知元素,然后再由天文台,由实验室一一证实,这时候,理论显示出强大的指导作用。

读一本书也是一样,理论和实践是要互相协作的,除了汲取书中的知识,还要多在实践中应用。

二)避免被固有思维框架限制

科学一靠观察积累,二靠思考比较。在前期观察积累过程中,可以在旧理论指导下的收集、整理,但在新事实的基础上归纳突破,要的是大胆与勇敢。

氧气本是杜勒和普里斯特利最先发现的,但是因为旧燃素说的束缚,使他们不敢有任何非分之想。当年无数科学家在地心说上做了许多改良,却终不能突破,最终哥白尼的日心说,甚至之后的宇宙学说,才让一切问题便迎刃而解。

过去人们总说行星在作完美的圆周运行,可多年测量总有误差,开普勒抛弃圆周说而立椭圆说,众星便各行其路再不出轨。但可悲的是,我们平常看待问题时,宁肯削足而不弃旧履;在身高而檐低时,宁可弯腰而不换个新地方,这类悲剧不仅在科学史上有不少,在我们日常生活中也常常发生。

三)机遇留给时刻准备着的人

在科学发现中,也常常离不开机遇。这机遇有两种,一是本来要寻找的东西没有得到,却找到一件同样重要或更重要的,谓之“种瓜得豆”,如氦气等惰性气体的发现;二是一次不小心的失误却倒撞着了某个机关,导致一项发明、发现,谓之“因祸得福”,如珍妮夫妇吵架一脚踢出一个纺纱机。但是无论哪种机遇,总之是要努力去找,正如生物学家巴斯德说:“在观察的领域中,机遇只偏爱那种有准备的头脑。”物理学家亨利说:“伟大发现的种子经常飘浮在我们身边,但它只会在有心人心中扎根。”

四)在解决问题时注重类比思维

数千年的科学史告诉我们,自然界的很多规律都是相似的。

比如,天体和原子核内部的构造就很相似。地球上的自由落体定律和月球围绕地球转本质上都是万有引力在作用(牛顿的第一次理论大综合)。电、机械、化学等运动的做功发热都遵循能量守恒定律(焦耳的第二次理论大综合),光、电、磁都具备波的相似性,都在电磁理论框架下运行(麦克斯韦第三次理论大综合),创立的相对论揭示的“尺缩钟慢”、“质能互变”等时间、物质在空间和运动中的相似变化,揭示了时空的统一性(爱因斯坦的第四次理论大综合)。

而且不同学科之间的研究思维也是可以相互借鉴的。

比如物理学的研究方法中,会从最简单的物体入手,要研究自由落体规律,就用一枚石子;要研究原子结构就先从只有一个质子、一个电子的氢原子入手。而德尔布吕克在研究基因时,就是借鉴了的常用方法。选择最简单而又典型的噬菌体身上寻找突破。

这就启示我们,可以通过物体之间的相似现象来概括出高层次的规律,在探索新问题时,也可以借鉴老的解决方案。

五)数据分析的作用重要

大数据时代,数据被提上了很高的高度,其实很多科学理论就是从数据分析中得来的。开普勒就是将多年测得的行星运行数据这样列表推算,从数据的加减乘除中发现了其中的规律,从而确立了开普勒定律。孟德尔研究豌豆,也是从大量的豌豆统计中,得到了遗传假说的。许多规律和发现不是直接用眼看见、手摸着的,而是用笔、用计算机算出来的。

这也给我们日常用数据赋能业务提供了一定的思路。

此外,在读研那几年,有幸参加过几场高校的科研论坛,但我一直认为这就是组研究者们聚在一块,做做报告,吹吹水,聚聚餐的活动。

甚至作为毕业前提条件的期刊,大家也是尽量能到水一篇就行,并没有感觉真正能推动了科研的进步,也没什么用处。但书中很多例子都说明,很多科学发现就是在这些论坛和期刊的思维碰撞中产生的。

最后值得一提的是,本书的作者梁衡并非理工科背景,而是一名职业作家,他的多篇文章入选中小学语文课本。但书中很多故事仿佛他自己就在现场,一个职业作家竟然能把数理化发展的历史,用故事化的形式娓娓道来,使理工科这个让很多人头疼的“苦药”,在文字糖衣的包裹下焕发出别样的魅力。里边的很多写作手法也值得借鉴,这也是本书吸引我的地方。

一)人物场景描写特别传神

比如在写开普勒发现宇宙第一、二定律的时候,作者用非常有科学美感的句子描述出来:

开普勒看了看桌上墙上那乱七八糟的样子,无可奈何地哀叹了一声,便提笔写起来:“我预备征服马尔斯(指火星),把它俘虏到我的星表中来,我已为它准备了枷锁。但是我忽然感到毫无把握。这个星空中狡黠的家伙出乎意料地扯断了我给它戴上的用方程式连成的枷锁,从星表的囚笼中冲出来,逃往自由的宇宙空间去了。”开普勒这段话讲得多么幽默,他道出了自己的艰辛与无奈。这时他没有觉察到,他用的枷锁其实是托勒密、哥白尼用过的旧枷锁——圆周轨道,当然套不住这匹烈马。

再比如,在写牛顿发现万有引力定律时,作者给每个人面前刻画出一副画面:

这天夜幕初降,晚餐过后,牛顿在自己的房间里刚捧起伽利略的《对话》,忽听窗外有风由远及近,簌簌飒飒,摇着那些树叶,奏起一阵秋声。不一会儿,“扑通”一声,轻轻地像有什么东西落在院里,接着又是一声。牛顿合上《对话》,披衣出门。院里月光如水,落叶满地,他在树下踱着步子,想着刚才那声音。忽然又是“扑通”一声,一个东西擦着他的肩膀,跌落在自己的脚边。他吃了一惊,忙蹲下一看,是一个熟透的苹果,再向地上摸了摸,早落下有五六个了。牛顿心里一喜,将苹果拾到衣襟里,想:“我现在就给斯托里送去,让她高兴高兴。自我回家以来,她常常给我送些果酱、草莓,我却没有回谢过人家。”

在介绍核反应堆成功点亮一只小电灯后,作者用激情澎湃的笔触写出来:

1942年12月2日试验成功的核反应堆产生的动力还是很小的,它刚能点亮一只小电灯,几天之后也才可以点亮四盏家用电灯。但是这不要紧,只要迈出第一步就不愁走不完万里路,只要摸清原理就会畅行无阻。瓦特最初发明的蒸汽机只能为煤矿排水,但是以后它几乎用于所有的工业、交通,关键是它开辟了一条新路——将热能转变为机械能;法拉第最初用磁铁和线圈做实验时只能使电流计的指针微微偏动,但他也开辟了一条新路——使磁变电,于是带来了一个电气时代;现在费米的原子反应堆虽然功率还很小,但是他也开出了一条新路——使原子核能转变成热能或其他能,带来了一个原子时代。这验证了爱因斯坦的伟大理论,E=mc2,质能是可以互变的。

排比句也写的也特别优美:

各位读者,科学是要发现世界的真实面目。由于自然现象的纷繁复杂,由于我们的知识和观察手段受一定阶段的限制,我们对世界本来面目的认识总有一定的误差。科学的任务就是不断克服这种误差,弄清真相,逼近真理。为此达尔文才甘冒风浪之险,环球五年,去觅物种起源的根据;为此居里夫人才不避烟火,炼镭八年,去寻放射性的踪迹;为此赫歇尔才不惮其苦地观察记录了十万多颗恒星,终于弄清了银河系的结构;为此卢瑟福才不厌其烦地分析了两万五千张基本粒子的照片,终于从六张片子中找到了人工转变元素的根据。人们为对付自然假象的蒙蔽,克服主观与客观间的误差,最有效的武器莫过于“认真”二字,因此在知识学习和科学研究中,最不能原谅的就是“马虎”一词。试想,科学的任务本就是克服主观与客观间的误差,而我们自己在工作中却又制造误差,容忍误差,这岂不是自己欺骗自己?所以一切老实的、希望有作为的科学家,无不把“认真”二字刻在额头上,有了这件法宝,那就无论什么难题也要退避三舍了。

还有一些宏大的描述:

你看偌大个宇宙都在牛顿的手中掌握,伸手一指,那隐匿极深的海王星就赶快前来报到;再掐指一算,外出七十六年的哈雷彗星也要按时回来复命。

此外,整本书的所有章节题目都对仗得极其工整。

二)情节叙述跌宕起伏

在描述原子弹发明过程的时候,作者就用了典型的插叙手法,先说到了玻尔拜访爱因斯坦,一见面就高呼带来一个天大的消息,先让大家好奇这到底是个什么事。接着画面一转,开始介绍起核裂变的发现,以及玻尔在拜访爱因斯坦出发前的半个小时,听了两位科学家关于核裂变的介绍。最后再揭秘告诉爱因斯坦的这件事。

总之,对于我这样一个接受了十多年理工科思维训练的人来说,在这本书的引导下,又一次系统疏理了从阿基米德时代到近代的所有科学发展进程,串联了几十年的理工科知识。更补充了一些知识盲区,比如而且很多看似没什么用的高深理论,其实这些研究已经给人类带来了受益无穷的好处。如,对放射性同位素研究。就可以应用它们的放射性表现出来的穿透作用、能量、荧光效应、特殊生理效应等等,应用在工业、农业、医学、生物学、考古学、宇宙探索等许多领域。比如害虫常会钻到种子、土壤、树皮里面,一般化学杀虫剂无能为力,这时用穿透力很强的γ射线一照射,便使它断子绝孙。还有金属内部在铸造、焊接时会出现极小的砂眼、裂缝,肉眼是绝对不能发现的,这时只要用γ射线拍一张片子就会清清楚楚地显示出来。

回到开头,为什么他们作为我穿越古代必带的一本书,因为有了这本书,完全可以跟着这本书的步伐,逐步完成整个科技树的搭建。

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