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大科学要有大视野——汪品先院士在东方讲坛·上海大学的演讲

时间:2012-09-29浏览:3

??????? 视野大小决定认知宽度

??????? 人要了解世界,应当知道自己时空尺度的局限性,不能只从自己的视野和视角出发。我们要不断扩展自己的眼光,大的科学要有大的视野和大的实验。

?????? ?我们看世界,一个是视野的大小,还有一个是视角的位置。苏东坡写庐山: “横看成岭侧成峰,远近高低各不同”,原因在于视角的不同;杜甫登泰山: “会当凌绝顶,一览众山小”,原因在于视野的扩大。比如地图,不知道从什么时候开始,大家看地图的习惯都是上北下南。可是澳大利亚一个艺术家偏偏把地图倒过来画,南极朝上,北极朝下。这幅画还得了专利,实际上就是视角的差别。

??????? 中国人到英国,发现邮筒是红的,觉得奇怪,因为我们的邮筒和邮差的衣服都是绿的。其实,这是我们自己的视野太狭所致。人们认识世界都是从自己的眼耳口鼻手等开始的。比如我们现在为什么都用十进位?因为人有十个手指头,如果是八个或十二个手指头,说不定现在用的就是八进位或十二进位了。这就是我今天要跟大家重点讲的——科学与视野。

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??????? 实际上,一部科学史就是人类不断扩展自己视野、改变自己视野的历史。日本有一位著名动物生理学家叫本川达雄,他写了一本书 《老鼠的时间,大象的时间》,里面说:大象的寿命是70年左右,老鼠只有2年,但是老鼠的心跳快,大象的心跳慢,所以它们一生中的心跳总数是差不多的。也就是说,不同大小的生物他的时间尺度是两样的。他还发现,老鼠虽小,但4天就能吃下和自己体重相等的食物;牛个头大,但要吃完相当于自己体重的食物得花一个月。究其原因,动物的体型不同,它们的时间和空间的尺度也就不同。所以人要了解世界,也应当知道自己时空尺度的局限性,就不能只从自己的视野和视角出发。

??????? 深海生物有很多“大家伙”。比如法国作家凡尔纳《海底两万里》描写的巨型章鱼,可以把船掀翻。深海里确实有许多体型大到你难以想象的生物,有的就是传说中的“海怪”。比如一条鱿鱼可以长达14米,一只螃蟹能长得跟卫生间那么大,还有生活在1000米深海里十来米长的皇带鱼,也就是传说中的“海蛇”。另外一个极端是小,深海里也有许多微生物小到你用一般显微镜都看不见。但是你别小看它,这些被称作“原核生物”的海洋细菌才是地球生态系统的基础。小小一滴海水里,就有上千个细菌,至于更小的海洋病毒数目就更多了。有人比喻,全大洋里的病毒如果排起队来的话,长度将超过60个银河系,不知道要排到哪里去。

??????? 每种生物都有它自己的生态世界体系,如果单从自己的视角出发,很多事物就难以理解。前面我说,人类认识世界是从自己的手、脚、眼睛、鼻子、耳朵、嘴巴开始。所以总以为自己是中心,总以为自己最伟大。实际上,人类在世界上非常渺小,时间上非常小,空间上也非常小。一部科学史也是人类不断纠正认识错误、克服人类中心观的历史。

??????? 最早的人类,中国的也罢,希腊的也罢,都认为世界像一个圆盘子,外面是海洋,中间有一些陆地,自己就是世界的中心。比如苏东坡当年到了海南三亚,就认为那里是世界的天涯海角了。欧洲也是这样,像英国西南方的地角 (Land’s End)、西班牙的耶罗岛(ElHierro)等,都曾被认为是“世界的尽头”。哥伦布到了巴哈马群岛,以为是到了印度,把土著民叫“印第安人”,因为那时候的地图上没有太平洋、没有美洲。人类用眼睛来看世界,看到的东西是很有限的。光谱里面,人类看到的可见光就那么一点点,这一点还不如很多别的生物。论运动能力,刘翔算跑得快了,一秒也只能跑几米。论声音,20个赫兹和2000个赫兹之间我们能听得见,但是别的声波你都听不见。论寿命,人活到100岁就很神奇了,但和整个宇宙的历史相比,100年实在是太微不足道了。

?????? 18世纪人类发明了蒸汽机,20世纪发明了火箭,现在可以克服地心引力到太空去了。应该说到今天为止,人类上天的能力很好,空间穿越的能力强。但是从整个人类的认知水平来讲,还是非常有限的。大家知道,在哥白尼用望远镜观测星球之前,人们都以为地球是中心,太阳是围绕着地球转动的,哥白尼改变了那个时代人们对于宇宙的理解,这被称为“哥白尼革命”。到了上世纪60年代,因为现代遥测、遥感技术的应用,可以从空间看到整个地球,有人说发生了“第二次哥白尼革命”。相对于第一次哥白尼革命人们用望远镜看到地球外面的宇宙,“第二次哥白尼革命”是指人类离开地球,从太空的视角回过来审视地球,这才获得了全球的视野,才谈得上 “全球变化”的研究。

??????? 回过头来看,地球上的很多事情都是有周期性的。人的心跳是一种周期,白天、晚上、潮汐是一种周期,春夏秋冬是一种周期,地球轨道变化有万年等级的周期。再往大里去,地球上大陆的联合和分解,也是一种几亿年的周期;一百几十亿年前的宇宙大爆发,现在有人怀疑这也是一种周期性现象。这样看的话,整个宇宙就是一个无穷无尽的不断的旋回,今天的地球其实就是一系列不同尺度、不同空间里的东西,掺杂、叠加在一起的奇妙组合体,这是很复杂、但也很有意思的事情。所以我们说科学好玩就是在这里。当你从一大堆现象里找出一点头绪来了,你会兴奋得不得了,这是一种洞察、省悟的乐趣。

??????? 所以我们要不断扩展自己的眼光,大的科学要有大的视野和大的实验。比如我们现在研究中微子,要追踪中微子在宇宙中的来源,实验室放在哪里好呢?欧盟就选择地中海的深海做实验室,在两三千米水深的地方安放检测器,叫作“中微子望远镜”,用地中海做望远镜。这就是用“大尺度”研究“小问题”。

??????? 各个生物体除了空间尺度不同,时间尺度也各异。不同的生物有不同的生命,也有不同的乐趣,人类不能只从自己的时间尺度去看待。庄子说,“朝菌不知晦朔,蟪蛄不知春秋”,可怜的小生命,有的不到一天、有的不到一年就死了。但是“今人不见古时月,今月曾经照古人”,李白的话提醒我们:人类的寿命和月亮比,岂不是羞愧得无地自容吗?

??????? 关于地球形成的时间也有一个认识的过程,也存在过争论。古代西方认为只有几千年,当年有大主教考证,上帝创造世界是在纪元前4004年10月23日,星期天早上9点钟。后来地质证明完全不是这样,太阳系是差不多同时形成的,距今大约46亿年左右。人类自古以来用天文记时,年、月、日都是天文周期。其实年以上还有更长的天文周期,但是几万年的周期太长,老百姓用不上,可地质学家有用。比如现在地球的倾角23度半,这就是回归线的纬度。但是地倾角、回归线是在变的,1908年台湾嘉义县造的回归线纪念碑,到1996年就不在回归线上了,差了1.2公里。这是因为地倾角有四万年的周期,这种周期可以用来做地质纪年。比如说 “生命大爆发”发生在5.3亿年前,用“年”作单位实在太小,就像你说每过3000多万秒过一次生日一样的别扭。

??????? 认识世界不能光看表

??????? 人类历来相信海洋是世界的尽头,什么东西掉到海里了,就是“泥牛入海无消息”,就没了,其实这是错的。海底热闹得很,海底有很多东西在往上拱,只是你不知道而已。你不知道的不等于不存在。

??????? 上面我讲的是看问题的视野要大,空间视野、时间视野都要大。下面我要讲的不光是大小的问题,还有角度的问题。

????????我们认识地球,认识世界一般都是从表面来看,其实背后还有很多看不见的东西。比如,物理里面我们说有暗能量、暗物质,地质上也是这样,我们能看到的比如能量流、物质流,都是表面的流,下面的很多东西是看不见的。

??????? 美国有一位科学家10年前写了一篇文章,说海洋里的浮游植物(也就是藻类),其实就是一个看不见的森林。为什么?这么多的浮游植物,虽然它小到你肉眼都看不见,但它吸收二氧化碳的能量跟地球上的森林是一样多的。这是因为陆地植物生活的周期是30年,而海洋生物只要几天就可以传种接代。它虽然生物量少,但周转快。

???????地球上的水,大家再熟悉不过了。但你知道吗,你看到的“滔滔江河水”其实只是地球上水的一小点。地球上的水,97%都是海里的,只有3%是在陆地上。而陆地上的水,80%又都冻结在南极的冰盖里,剩下的20%主要是地下水,地面的水只有很小的一部分,也就是说,我们平时看到的河流里的水和湖泊里的水,只占了地表水资源的百万分之一。还有些河流湖泊你是看不见的。南极冰盖几千米厚,冰盖底下还有河网和湖泊,最大的叫东方湖,论容积在全世界淡水湖里排行第七。

??????? 我想说的是,我们眼睛看不见的东西太多了。比如世界上最大的山脉在海底,六万公里长,海底的起伏比陆地上的起伏也要大得多。另外,海底到底有多少山,人们到今天都搞不清楚。大家可能不相信,人们对于海底地形的了解还比不上对月球表面、比不上对火星的。这是因为我们现在调查地形都是靠卫星、靠遥感,全球海水平均深度将近3700米,隔了3700米水什么遥感都派不上用场。所以,到现在我们都不明白海底到底有多少火山。有人估计大概100米高的火山有100万个,约1000米高的火山有10万个。

??????? 我在这里跟大家强调一个概念:海洋实际上是双向的。有从上往下的运动,也有从下往上的运动。人类历来相信海洋是世界的尽头,什么东西掉到海里了,就是“泥牛入海无消息”,就没了,其实这是错的。海底热闹得很,海底有很多东西在往上拱,只是你不知道而已。你不知道的不等于不存在。我要告诉大家,海底是“漏”的。所谓“漏”,是说水可以掉下去,也有东西可以冒上来。无论是下去的,还是上来的,都有价值。上来的很多东西是矿产,是可以开发的。比如著名的“黑烟囱”,其实就是海水从大洋中脊边上渗下去碰到岩浆,再涌出来所造成的。这种像黑烟的东西其实并不是烟,而是海里面的一股黑水。为什么会有这样的水?为什么会往上冒?因为海水碰到了岩浆升温,从海底出口的温度就有三四百度,热的水轻,轻的水就会往上冒。为什么黑呢?因为海水碰到岩浆带上了很多细小的硫化物颗粒,冒出海底冷却以后就变成了“烟囱”。这种“烟囱”站不了很久,倒下去就形成了我们的矿藏。

??????? 我们大家都知道一句话:万物生长靠太阳。其实深海里的很多生物是不靠太阳的,靠的是地球内部的热能在生长。我们吃的食物靠光合作用,靠有光食物链,而深海里的 “黑暗食物链”见不得太阳,也不靠氧气和叶绿素,靠的是地热和硫细菌。再进一步说,海底的下面还有生物在生活。海底的玄武岩,在电子显微镜下你可以看到岩石上面有许多小球状的细菌。玄武岩也好,沉积物里面也好,都有细菌在生活,而且数量极大。有人说大概占地球上生物量的十分之一,有人说要占30%,到底是多少呢,我不知道。反正这个数量是很可观的。这就告诉我们:海底里面有另外一个生物圈,它的能量不是来自外面,不是来自太阳,而是来自海底,来自地球内部,这是一个极重要的信息。

??????? 近几十年来的深海探测,发现了海底下的许多故事。我们今天研究碳循环、研究全球变化,主要都集中于地球表面的部分,地球内部的循环不考虑,实际上这是非常错误的。我刚才讲海底是漏的,这里头其实就有碳循环。有人把地球比作鸡蛋,其实按比例讲,地壳还远不如鸡蛋壳,蛋黄算是地核,最大的部分是蛋白,蛋白就是我们的地幔。地幔实际上是地球的主体,而地幔里是有水的,这个水你看不见,因为是结合在矿物里面,达到一定条件是可以出来的,但到底有多少不知道。有人说相当于一个半的大洋,有人说是五个大洋,有人说是几十个大洋。地球上的水会跑到地底下的俯冲带里去,然后需要大约16亿年,在地幔里面转一圈。当然也有从地幔或者洋底生出来的水,但总体来说今天地球上面的水是在减少。有人说,前面6亿年估计已经有6%-10%的水资源流失了,漏到地球内部去了。碳也是这样的,地球上有很多碳,有的你没法用,有的你想用拿不着。有人估计地球总重量的 1.5%或者0.07%是碳,这类估计本身就差了20倍。地核里的碳是和铁结合在一起,是碳化铁。地幔里的碳就有意思了,压力小的出石墨,压力大的出金刚石。金刚石实际上在上、下地幔之间有一个富集层,可惜只有随着岩浆才会冒上来,这就是火山口含金刚石的金伯利岩。

??????? 总之,关于地球内部的事情人们还知道得太少,所以我们需要进一步扩大研究视野。

??????? 科学好玩源于好奇心

??????? 科学很好玩,但它要求你有好奇心、有兴趣。如果你没有好奇心,那么最好不要去做科学家,因为这不是挣钱的捷径。科学的本质首先是一种精神,一种对于奇妙宇宙探索的渴望。

??????? 最后我想说的是,科学是很好玩的。我研究的科学问题对别人有用,我非常高兴,但是即便我研究的科学问题你觉得没用,我还是要研究,因为这是我的爱好。我认为科学研究是人生中最有趣的事情。

???????我们国家最近这些年来对科学的投入非常大,对科学非常重视。我们常说“科学技术是第一生产力”,这句话是非常好的,但是科学不仅仅是生产力,科学更是文化,因为科学是从兴趣开始的,是从觉得好玩开始的。有用固然很重要,但是好奇心更重要。很多重大的发现,特别是原创性的发明,都不是冲着目的性、冲着需要去的。比如达尔文研究进化论就是出于兴趣,他一辈子没有上过班,就是参加环球航行,在自己的庄园里做各种实验。他的进化论等了20多年才发表。可是我们现在有很多研究成果,有的连实验都没有做成就发表了。

??????? 那么自然界有趣在哪里呢?前面我说过,我们的地球实际上是一个奇妙的混合体,今天地球上既有一百几十亿年前宇宙大爆发的残留微波,也有十分钟就要繁殖一次的细菌。这是一个复杂的系统。一旦你从这错综复杂的系统里找到某种头绪、发现某种机制,那就是一种精神升华的乐趣。阿基米德会从浴缸里跳出来,就是这个道理。

??????? 宇宙万物是神奇的。比如,夜晚的星空非常美丽,但是你知道吗,星空是不同时期的星球所发的光,传到地球上来的。有的星球距离地球很多光年,有的星球你看到它在那里,说不定它已经消失了。又如,岩石是有年龄的,地质学家的一个工作就是把不同时期岩石的年龄标示出来,所谓地质图就是不同年龄的岩石在地面上的分布图。不仅岩石有年龄,海水也有年龄。我们现在运用碳十四的方法可以将海水的年龄测算出来。

???????这实际上是一种时空的转化:空间上的差异,是时间上差异的投影。如果你去追索时间里的演变过程,就会发现很多非常有意思的事情。比如,五六亿年前地球上是没有这么多细胞生物的,海底还没有钻泥打洞的底栖生物,所以当时海底也是硬的,里面也没有那么多的水。更有趣的是大气的演变,起初地球上是还原环境,随着生物演化,二氧化碳逐渐减少,氧气逐渐增多,到了距今3亿多年的时候,大气中的氧气含量太多,占35%左右(现在占21%),结果蜻蜓可以有75公分长,比鸟还大,树木也长得特别高大,有的高达45米,世界上许多煤炭就是那时候形成的。

??????? 说到这里,你就可以感到科学和艺术是相通的,只有科学家才能洞察自然界的美。比如说,微生物在游泳的时候居然是相互配合的,如果把它们的运动轨迹画出来,那就像是在“跳舞”。最先发现细菌的列文虎克,在1676年就描写过在显微镜下看微生物游泳的舞姿,他说“我的眼睛从未见过这样有趣的景象”。

???????很多艺术家同时也是科学家。大家知道达·芬奇不光是个画家,他还是个发明家。达·芬奇的画跟我们国画最大的区别就是,他有科学的功底,他画的波浪有水力学的功底,他画的动物有解剖学的功底。这就是艺术与科学的结合。我们眼前的例子是电影 《阿凡达》的导演卡梅隆,他的职业是艺术家,但他的爱好是海洋,他潜入海里拍摄了许多珍贵的片子。今年3月,卡梅隆坐深潜器在马里亚纳海沟下潜到10898米,创造了单人深潜的纪录。当然,科学和艺术相结合在我国是受到鼓励的,不过有时候有点误会,以为科学家会唱戏、艺术家为院士画肖像就是结合。其实,科学和艺术的交点是创造,是一种创造的意境。

??????我绕了很大的圈子,其实就是想告诉大家,科学是很好玩的,但是它要求你有好奇心,要求你有兴趣。如果你没有好奇心,那么最好不要去做科学家,因为这不是挣钱的捷径。科学的本质首先是一种精神,一种对于奇妙宇宙探索的渴望。如果有一批有志之士,能够怀着好奇心去钻研科学、去追求创新,那么我们的国家一定大有希望。


??? 思想者小传

??????? 汪品先 海洋地质学家。1936年11月生于上海,1960年毕业于莫斯科大学地质系,1991年当选为中国科学院学部委员(院士)。亚搏在线登录入口-娱乐中心app下载教授。曾任国际海洋研究科学委员会副主席、中国海洋研究委员会主席。1999年作为首席科学家,主持我国海域的首次国际深海科学钻探,南海的ODP184航次,取得西太平洋区最佳的晚新生代环境演变纪录,随后又担任深海“973”首席科学家。目前正主持国家基金委“南海深部过程”大型研究计划。

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最后更新 (2012-10-01 17:21)

 
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