科学并非高不可攀，人人皆可做科学。科学又无处不在，需要你用心去观察、去发现。科学的本质或者科学的目的就是发现并认识自然世界的客观规律。马教授《什么是科学》的演讲视频，朋友圈反馈不错。因此，决定写一篇文章《科学的本质》。马教授的这个演讲视频，只能转发，无法获取视频链接，放不出来
在写这篇文章之前，我把现在的初中物理教程学习了一遍。不得不说，现在的义务教育教科书编排的不错。每一章内容，有一半是演示实验、动手动脑学物理、想想议议、科学世界、STS（科学、技术和社会）等栏目。课程内容中物理定义、理论准确，描述言简意赅，案例、扩展内容丰富，且贴近社会现实。第十四章“内能的利用”中，以四冲程汽油机举例说明，把车辆工程专业大三专业课《汽车构造》中的一节“四冲程发动机的工作原理”用白话文讲了一遍，除了公式、数据、P-V图不涉及外。1.在四个冲程中，压缩冲程和做功冲程各发生了怎样的能量转化？3.画出四个冲程中活塞和曲轴的位置和进气门、排气门的开闭情况。4.柴油机和汽油机的工作过程有什么相同点和不同点？
除了汽油发动机，火箭、永动机、心电图、半导体、温室和超导现象等等案例还有很多。三十年前，物理教科书哪有这么多生动且贴近生活的例子？遗憾的是，物理教科书开篇就是物理的定义，时间的描述，对什么是科学，什么是时间，什么是宇宙没有定义。这套书可以打98分，被扣1分是缺失科学、时间和宇宙的定义，被扣另1分是某些案例描述不全对。我们生活在一个时空、物质和能量的宇宙空间中，时空是宇宙的基本维度，不可不谈。接触越早，对世界的观察和认识才会越接近真相。作为一名工科生，虽然初中就阅读过霍金的《时间简史》等科普书籍，但不可否认，直到四十岁时才重新开始审视时间这个物理量。根据爱因斯坦的狭义相对论和光速不变原理，时间会膨胀，空间会收缩。那么问题是，时间可否具有负方向？或者说时光是否可以回溯？时间长度，1秒=铯133原子振动9192631770次所需时间
写这篇文章时，我的心情是忐忑的。担心自己的框架搭的不够高，知识储备不够丰富，理解不够准确。长大以后，之前想当科学家的小朋友都不见了，反而不知道想干嘛的我，却成为了一名大学教授，世人眼中的“青年科学家”。但是，我们对什么是科学却一问三不知，更别说科学是怎么产生的？为什么会这样？因为，从小就没有人教过你这方面的知识。从小教的是“学好数理化，走遍天下都不怕”。等到我们走遍天下，却发现我们回答不了“我们为什么要走？”这个问题。甚至，连现代研究中国科技史的著名教授李约瑟博士都在反问，中国古代有四大发明，思想传播、技术传播比国外更便捷，为什么中国没有产生现代科学的种子呢？第一，缺乏逻辑思维。古人推崇的是自圆其说，五行相生相克，白马非马；西方之所以能够产生现代科学，还要好好感谢中国的古代发明：造纸术和指南针。造纸术和指南针，这两大中国古代发明，阿拉伯人经由古丝绸之路，由长安（今西安）西出嘉峪关、阳关，经中亚、西亚等国，不远万里、爬山涉水把它们带到雅典。14-16世纪的文艺复兴运动让大家解放了思想，不管是亚里士多德的地心说，还是哥白尼的日心说，只要说的有道理，统统接受。从15世纪开始，大航海时代来临。出海航行，没有保命的工具不行，从而促进了各种测量仪器的发展，这个时候，望远镜被发明出来。1609年的某一天，伽利略制造了人类第一台天文望远镜，并神奇的将它对准了宇宙星空，沉寂了一千七百年的科学种子终于发芽！现代科学的种子已经发芽，到现在长成了参天大树。幼儿时的小朋友，也长成了油腻的中年大叔。很简单，科学就是自然世界的运行规律。研究科学的学科，就是物理学。“把电子折腾来折腾去的化学反应，不属于物质的范畴啊”“你爸爸籍贯是物理，你的籍贯就不是物理了啊，想造反是不是”
总之，这个世界皆是由物质和能量构成，没有什么物种可以逃脱，包括伟大的我们人类。在文章《生命的意义》中回答过“人是谁？”这个问题，人就是宇宙中一种能量存在形式。目前，站在物理学界最高峰的两个人就是一手拿着《相对论》、一手捧着《量子力学》的爱因斯坦和一个拥有很大争议的中国人：杨振宁。不论你是否喜欢，杨教授凭借“杨-米尔斯场论”已经登上了科学的巅峰，成为活着的最伟大的物理学家，世界第一人。马教授在演讲视频中，将科学归纳为三要素，我一并采纳。科学三要素包括科学的目的、科学的精神和科学的方法。科学的目的只有一个，且仅此一个，那就是发现物理世界的规律。通过严密的逻辑思辨，严谨的数学推理建模，然后通过精密的实验装置进行验证，这就是科学的方法。
比如，大名鼎鼎的暗物质，我国在寻找暗物质方面一直是处于世界前列，逻辑思辨和数学计算都证明暗物质的存在，但我们就是还没有看见，于是在地下2400多米的地方建立暗物质实验室，通过PandaX（熊猫计划）液氙暗物质探测器或高纯锗暗物质实验，来捕捉暗物质粒子，实验人员超级年轻，20-30岁。这是一个守株待兔的实验，可能几十年、上百年才有结果。没有人怀疑实验结果，只是不知道什么时候来临而已。只要不满足上述条件的理论、方法、定理，我们可以统统不把它称为科学，而是伪科学，伪理论，伪经书。比如，古代中国的五行相生相克理论、西方流行的星盘占卜理论、日韩流行的星座理论等等。相信这些理论的人之多，超乎大家的想象。而且，他们愿意为之付费。据我所知，长沙有一位研究塔牌、星盘占卜的女性大V，3分钟的塔牌算命300元，星盘占卜4000元一个人，咨询费一天1万。想不通，黄道十二宫，太阳在假想“天球”上的位置怎么就影响到了站在地球上的你的个人命运了呢？
中国的五行相生相克理论，自从春秋战国的邹夫子发明以来，信徒从古代的帝王到如今的芸芸众生，秦制千年而不绝响。从伽利略发明天文望远镜，作为近代科学的起点，到集大成者牛顿发表《自然科学哲学中的数学原理》，提出牛顿三大定律，以及万有引力定律，经典物理学体系的主要框架构建完成。科学的萌芽离不开造纸术和指南针（司南）的技术支撑，同样也离不开文艺复兴时期思想的解放。追根溯源，科学的起源还是要追溯到古希腊三贤之一的亚里士多德，他的地心说代表了当时观察世界万物的最高成就。毋庸置疑，亚里士多德本人也是当时世界最聪明的人之一。亚里士多德的老师的老师苏格拉底，号称神在希腊的使者，主张从“关注世界”到“关注自我”，他的学生柏拉图将“关注自我”发扬到极致，创立唯心主义学说。亚里士多德没有继续传承柏拉图的思想，而是提出了宇宙万物皆以地球为中心的世界运行规律，日升日落。同时，地心说也为我们观察宇宙、了解世界走出了第一步，为科学发展打下第一块砖。什么是物理学？物理学就是一门研究科学的学科，一门通过以观察、实验为基础的学科。地心说，简单来说就是一种理论，一种假设，一种当时无法验证的学说。后来哥白尼的日心说，也与此差不多。
只不过，日心说是对地心说的一种质疑，一种科学精神的进步。伽利略之所以伟大，不但发明了世界第一台天文望远镜，而且还观察出了地球等天体的运行轨道是椭圆形状，而不是假设的圆形轨道，并通过数学推导得出伽利略三大定律，为牛顿三大定律打下坚实基础。至此，伽利略开创了以实验为基础并具有严密逻辑体系和数学表述的科学方法，近代科学开始建立。世人也因此将伽利略捧上了“近代科学之父”的位置，爱因斯坦甚至把他的贡献定位于高于牛顿。不可否认，世界物理学家排名前十中有伽利略的一个位置。近代科学的大厦在伽利略、牛顿等人手上，开始建立起来。并且不断演化出各种技术，诸如机械、力学、声学、光学、电学、磁学等等。经过库仑、奥斯特、安培、法拉第等人的努力，麦克斯韦创造性的用方程组统一了电学和磁学。麦克斯韦甚至预言了电磁波的存在，并从方程组中推测出光是一种电磁波，电磁波的速度等于光速。后来，赫兹用实验验证了电磁波就是光，光就是电磁波。牛顿的三大定律，催生出蒸汽机，瓦特对蒸汽机进行了改良。机器首次代替人力，人类进入蒸汽时代。法拉第电磁感应效应和麦克斯韦方程组启发了特斯拉、爱迪生等人，电气取代蒸汽，人类进入电气时代。光明开始无处不在，黑暗从此消失。赫兹实验产生的一小束电火花，让无线电通信穿越大西洋，实现全球实时通信，人类跨入一个文明几何增长的信息时代。现在，电磁波的应用已经成为现代生活的一部分，广播、电视、无线电话、卫星通信、光纤通信等等无处不在。可以说，我们现在享受的是100年前的科学和技术成果。不过，经典物理学大厦上空，始终飘着“两朵乌云”。爱因斯坦一众人凭借着这“两朵乌云”把经典物理学大厦推倒了。在大厦重新建设的过程中，出现了两条岔路：相对论和量子力学，这就是现代物理学的起点。第一朵乌云：迈克尔逊－莫雷实验。1887年迈克尔逊和莫雷用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值时发现：光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的（即光速不变原理）。实验结论否定了“以太”的存在，动摇了经典物理学基础（绝对静止参考系），成为近代物理学的一个开端。第二朵乌云：黑体辐射问题。当采用麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分定理来计算黑体辐射强度与能量关系时发现：辐射能量在紫外区域趋于无穷大，与实验数据严重不符。普朗克通过研究黑体辐射问题，发现普朗克辐射定律，提出能量量子化和普朗克常数，从此打开了超微观世界，宣告了量子论的诞生和现代物理学的开端。1905年，爱因斯坦对能量量子化进一步推广，提出光子和光电效应方程。https://zhidao.baidu.com/question/399940371226221085.html
现代物理学的两大基础或者两大分支就是相对论和量子力学。相对论包括狭义相对论和广义相对论。简单的，狭义相对论就是研究时间、空间和运动关系的理论，洛伦兹变换方程就是它的数学表达式。时间会膨胀，空间会收缩。在狭义相对论基础上，广义相对论引入了引力场。在引力井范围内，时间和空间会发生弯曲，包括光在内。现代物理学发现：宇宙万物由三族四种基本粒子：电子、中微子、上夸克和下夸克组成，万千事物间的相互作用由四种基本力：引力、电磁力、强核力和弱核力决定。爱因斯坦年代，强核力和弱核力还没有发现，不过他始终坚信能够找到一个统一理论来说明引力和电磁力。统一理论之梦从而成为现代物理学的至尊圣杯。不久，杨-米尔斯规范场理论统一了电磁力和弱核力，并为研究强核力提供了工具。然而引力就像一个调皮的孩子，始终围绕在你身边但就是抓不住它，直到弦理论的出现。弦理论认为，万物在微观层次上是由振动的闭合弦构成，宇宙最基本的物质构成和力的本源都被囊括在这个解释框架之内。至少，弦理论/M理论不但从形式上统一了广义相对论、量子力学、强核力、弱核力和电磁力，并在电子自旋、粒子族结构、超对称性等领域得到了实验验证，而且也让我们看到，现在的可观测宇宙只不过是十一维多重宇宙中的一个而已，如沧海一粟。甚至，在普朗克尺度下，还存在没有空间，也没有时间的世界。我常想，鸿蒙之初，宇宙天成，直至人为创造第二宇宙、第三宇宙，如同仙侠小说《生辰变》，只是不知道的是现在的宇宙是天成还是人创？如今，我们常常把科学和技术连起来。甚至，我们经常会不合理的使用“科学”。我们会常说，你的方法很“科学（合理）”，将科学与合理置换。写各种科研项目基金的同学和老师都知道，申请书中往往需要阐述该项目拟解决的科学问题是什么？项目的创新点是什么？科学问题在这里，可以等同于机理、机制、规律，创新点就是技术，就是在该项目研究过程中拟采用什么不一样的手段、工具、方法等等。从这里可以看出，中国的古代四大发明是技术，而不是科学。飞机、航天飞船、火箭、汽车、高铁等都是技术，说成航天科学、汽车科学、高铁科学等是不对的。对人类的生存和发展来说，科学是手段。让地球文明永远在宇宙中存活下去，才是科学的使命。40亿年后，银河星系将和仙女座星系合并。2亿5千万年后，现在的五大洲将连接在一起，重新形成“盘古大陆”。2.5亿年后的地球
甚至有一天，随着太阳的日渐衰老，太阳也终将死亡，在死亡时可能会吞噬近太阳轨道的水星、金星甚至地球。真到了那一刻，不论哪种情况出现，地球文明都将面临着灾难性和死亡性考验。科学就是在这些最坏情况出现时，为人类多提供一种选择，为人类提供另一个“地球”家园。到底是木卫二，还是土卫六，还是其他星球，我们终究是看不到的。因此，科学的未来就是星辰大海。与星辰大海相比，元宇宙就等同于人类的鸵鸟政策，畏惧将来；向“蚁人”进化，无异于向宇宙的微生物学习，如陨石般在太空中放逐，消极被动，等待苏醒的某一天。目前的可观测宇宙是137亿光年，在可观测宇宙之外是什么，我们人类是不知道的，可能是“永恒之墙”，可能是“绝境长城”，也可能是杨振宁口中的概念“造物主”。
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