发现的乐趣：跟着物理学家费曼，学一学如何用科学家的眼睛看世界

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这本书把费曼的故事和费曼的科学观穿插着呈现，但是整个内容是有着核心的脉络的，总结起来就是三个要点：

首先，你会了解到科学发现是怎样一个过程。

其次，你会认识到什么是科学的精神，要对权威的结论敢于怀疑，对自己观察的结果不自欺。

最后，书里费曼的小故事，会让你感受到，科学起源于好奇心，在生活中也能发现有趣的科学现象。

我们首先来看第一个要点，科学发现是怎样一个过程呢？这个过程并不神秘，而且隐藏着很多乐趣。费曼在书中举了一个国际象棋的例子，生动地解释了物理学家是如何逐步发现自然规律的。

我们设想上帝正在玩某种伟大的游戏，比如下国际象棋。如果你不懂这个游戏的规则，你就只能在旁边看。通过在旁边的观察，你尝试弄明白这个游戏的规则是什么。这个发现下棋规则的过程，就是物理学家发现自然规律的过程。

我们首先能看到，国际象棋的棋盘是由黑白相间的格子组成的。观察一段时间之后，你就会发现一个规律：「象」这个棋子，永远走在同一个颜色的格子上。再后来，你就可以总结出一个规则：象总是沿着对角线走，这个规则解释了前面你发现的那个规律。这个过程就好比物理学家首先发现了一个定理，之后又发现了对这个定理的一个更深层次的理解。

随着你观看下棋的时间增加，你观看的棋局也跟着增多，通过观察总结，你认为自己逐渐理解了全部规则。你开始觉得，自己已经掌握了国际象棋这个游戏的所有规则，但随着你的继续观察，在某个不经意的瞬间，你突然发现了一个陌生的现象——王车换位，也就是在每一局棋中，双方各有一次机会，可以同时移动自己的王和一个车，作为王执行的一步棋。这是你从来没见过的，而且和你总结出的规则是不相符的，于是你不得不去深入研究这个现象。

这在物理学领域是很常见的情况，你经常会发现一些用现有理论不能理解的现象，通过对这些现象的彻底分析和研究，你发现并总结出了在特殊条件下会出现的新的规则。在物理学中，这些出乎意料的部分，才是最有意思的研究方向。

近代的物理学研究方向都在向两个极端发展，一个是往大的方向研究，就是研究宏观的宇宙，宇宙的过去、未来，以及宇宙的边界。另一个是往小的方向研究，弄清楚世界的最小组成成分是什么。

费曼和我的研究领域，都是往小的方向去研究，去探索宇宙最小的组成成分。在这个领域学习以及研究的这些年，我深刻地体会到，发现物理定律就像是在努力去发现上帝下棋的规则。

大多数人都知道，所有东西都是由原子构成的。原子里面还有原子核，原子核外面环绕着电子。电子的行为我们已经完全弄清楚了，也有一套清晰的理论去描述它。接下来的问题是：原子核是什么构成的？组成成分之间又是如何结合在一起的？这个研究有个副产品，就是人们用裂变反应制造了原子弹。

研究原子核内的结合力是一个困难的课题，物理学家猜测，核内粒子之间靠某种交换粒子产生吸引力。这个理论预言了一种新的粒子的存在，然后人们在实验中用粒子轰击了原子核，最后确实产生了这种新的粒子。这个理论于是得到了证实。

后来物理学家又发现，这种轰击实验，不仅能产生这一种粒子，随着轰击能量的增加，可以撞出越来越多不同的新粒子，发现的新粒子的数量不断增长，甚至达到了数百种。这样的结果让这个领域的物理研究变得无比复杂，甚至还因此诞生了一门新的学科，叫做粒子物理学，就是专门研究这些粒子的。

接下来，物理学家就要问了，为什么有这么多粒子？它们背后存在什么机制？在不断的探索和研究后，终于产生了一个理论能够解释所有这些粒子的特性。这个理论说，所有的粒子都是由其他更基本的粒子构成的，这些更基本的粒子叫作夸克。只需要三种夸克，就可以解释所有的几百种粒子。夸克以不同的方式结合，构成了其他种类的粒子。这个理论，一下子让这个领域变得简单而美妙。这些粒子就如同散落的棋局，而背后的下棋规则却非常简单。搞懂这个的过程，就像把一团乱麻梳理得井井有条，你完全可以感受到物理学家发现这一理论之后的喜悦之情。

当你尝试用夸克理论去解释这些粒子时，你就觉得你已经了解了上帝下棋的所有规则。但是当你再深入地观察之后，你会发现事实并没有你想象得那么简单。在你忽略的一些地方，仍然存在着一些你意想不到的现象。

类比于电子之间相互作用，可以发展出一套夸克之间的相互作用，但是当你用现有的理论来描述夸克的时候，你会发现很多困难。在描述电子的量子理论——量子电动力学中，任何两个电子可以被分开得任意远，当它们分开得越远，它们之间的力就越弱。如果夸克也是遵循这个规律，我们就可以想办法把夸克从这里粒子里面轰击出来，然后通过观察单个夸克的性质，彻底验证我们的夸克理论。但是事实并非如此，不论你用多大的能量让粒子相互轰击，实验中从来没有产生过单个夸克，这种高能量轰击的结果，像是一个大型喷气机，各个方向喷射出各种各样的粒子，唯独没有我们想要得到的粒子——夸克。

这个时候，科学家就开始困惑了。因为他们得到了一个完美的理论，解释了成千上百个粒子，但是这个理论的基石夸克，却怎么都看不到。

越是反常的物理现象，越是存在着更美妙的物理理论。物理学永远是实验的科学，这些实验事实推动着理论的发展。粒子物理最终发展出了名为量子色动力学的理论，这个理论让人们理解了一种新的在夸克之间的相互作用力。它这样解释了为什么得不到单个夸克的原因：高能量的粒子碰撞中，夸克随之产生，然而夸克之间会立即形成新的夸克对，从而组成了新的粒子。所以你无法从实验中得到单个夸克，因为夸克特有的相互作用性质，使得夸克之间离得越远，相互吸引的力量越强，当你尝试把它们分开时，由于强大的相互作用力，它们立即会和其他夸克形成新的粒子。这一理论解释了这些反常的现象，同时也不断被后续粒子物理实验而证实。

这个结果和你发现上帝下棋的过程多么相似，你以为你了解了所有规则，但是规则之下却隐藏着更深刻的东西，这些东西又带领你发现一个新的理论。

上面为你讲了这本书的第一个要点，科学家是如何一步步探索物理原理的科学工作的。而从事科学研究的精神，就是去怀疑，同时做到不自欺。即使是已有的科学成果、权威的科学理论，也是需要有怀疑态度的。这也是接下来要讲的第二个要点。

费曼在书中举了科学史上一个著名的例子，你可以从中感受到，怀疑的态度和不自欺的态度是多么的重要。这个例子讲的是密立根油滴实验。在这个实验中，密立根通过一个「落滴法」这个巧妙的方式，测量出了单个电子的电量。密立根还因此获得了诺贝尔奖。

但是我们回过来仔细检查密立根的实验过程和实验数据，就可以看到整个结果是不正确的。密立根错误地估计了空气的粘滞性，所以结果存在很大的偏差。

既然是科学实验，密立根可以做，其他人用同样的方法也可以做。事实也是这样的，在密立根之后，这个实验又被重复了很多遍，我们观察这些后来实验的结论，可以发现他们的结果非常有意思。在密立根之后的一个实验结果，会比密立根的结果大一点，而下一个实验结果又比这个大一点，再下一个又大一点，直到最终在一个比较大的数值上稳定了下来。

那么，为什么后来的科学家没有立即发现新的数值比较高呢？显然是这样一个过程：如果实验人员得到的数值远高于密立根的数值，他们就会觉得肯定是哪儿出错了，于是就会去寻找自己的错误，并且找出一个为什么某个地方可能错了的理由。而如果得到一个与密立根的估计比较接近的数值，他们就觉得相对安心。于是，实验人员就删掉了那些差距比较大的数值，最终得到和上一个实验接近的数值。

这是科学史上一段不光彩的历史，不光是历史上，即使是现在的科学研究，科研人员仍然难以避免这种自欺的危险。在美国国家加速器实验室，科研人员用氢的同位素氘原子做实验，为了把自己得出的结果和氢原子的实验进行比较，他不得不借用之前其他人员的氢原子的实验数据。

这个过程在费曼看来也是极其不合理的，因为氢原子实验是在其他设备上做的，如果要和新的原子实验做对比，首先必须在你的实验室重复其他人已做的实验，在原有条件下做实验，看看是否能得到同样的结果，然后再更换实验条件，看看结果发生了哪些变化。这样的对比才能避免其他偶然因素的干扰。而这个研究人员却没有这么做，他只做了后面那一部分。

当费曼问他为什么要这样做，他说因为这个项目的经费和时间都非常有限，设备又非常昂贵，他没有足够的时间用设备重复氢原子实验，而且重复这个实验不可能有任何新的成果。这个项目非常需要获得新的成果，从而可以帮助实验室争取到更多的资金。

这个实验甚至是在毁掉实验本身的价值，为了生存和后续的经费，这些科研人员很难按照科学要求的诚实精神去完成他们的工作。

连科学家们都难免忌惮于权威，难免迫于经费和生存的压力自欺欺人。那生活中又有多少人能做到不自欺呢？

我们看到一篇报道或者他人的一番陈述，我们是独立地思考并检查背后的结论，还是一味地接受、接着无脑地传播呢？当我们通过自己的经历或观察，得到了与他人不一样的结论，我们是敢于表达和发声，还是附和于权威或上级的想法？这些都是值得我们去思考的。

费曼在书中告诫大家的第二个要点，就是永远保持怀疑的态度，在向别人表达自己的观点的时候，一定要做到不自欺。

听了这些理论的内容，你可能有些疲倦，但是书中还讲了许多费曼的小故事，以及他做过的有趣的实验，这也是本书的第三个要点，科学起源于好奇心，在生活中也能发现有趣的科学现象。

费曼总是对生活充满了好奇心，他会做一些奇奇怪怪的实验，比如，某个寒冷的冬天，你可能看到他在房间里穿着厚厚的羊皮外套，开着窗户，半个身子探出窗外，一手拿着个罐子，一手搅拌。因为他很好奇，一直在搅动的果冻会不会凝结。

书中详细描述了费曼做的一个心理学实验，他还因此得到了一些非常有趣的结论。这个实验研究了人的时间感觉受什么因素影响。这个实验起源于他读过的一篇心理学论文，在论文中，作者认为，大脑中控制「时间感」的东西，是一个与铁有关的化学反应。

这个结论是怎么来的呢？原来，作者的夫人有一次持续发高烧，然后他就让夫人在心里数秒，结果发现，当夫人体温升上去的时候，她数得比较快，当体温降下来时，就数得比较慢。

这个心理学家刚好知道，化学反应的速度是随温度的变化而变化的。然后他发现，铁化学反应的反应速度随温度变化的规律，和他夫人数秒的情况最接近，于是他就推断，自己夫人的时间感是由体内一种涉及铁的化学反应控制的。

费曼觉得这个推理完全是胡扯，但是这个心理学家提了一个新奇的问题，于是他决定自己去研究。

首先，费曼在内心数数，他发现每次数到 60 的时候，都是可以稳定在 48 或 49 秒。如果不数数，靠感觉到了一分钟，得到的结果就很不规则。在费曼看来，他能够通过一个标准的速度数数，每次得到的时间是稳定的。接下来的问题是，是什么影响了数数的速度？

第一个猜测是和心率相关。费曼通过爬楼梯，让自己心率变快，然后数数。最后他发现，心跳快慢对结果没有影响。同时，运动之后身体也发热了，这说明体温也跟「时间感」没有关系。费曼还做了一系列实验，比如在洗衣房数袜子、看报纸、打字等，除了说话的情况，数数速度都不变。于是他得出结论：除了说话，其他事情都不会影响他的数数速度。

费曼高兴地得到这个结论，然后在一天早餐之后，分享给了普林斯顿的伙伴们。结果，一个叫托凯的人质疑费曼的结论，他不相信费曼数数的时候可以阅读，以及他可以一遍说话一边在心里数数。费曼听了很惊讶，于是让托凯一边说话一遍数数，结果真的能做的，他数到 60 的时间，和他习惯的数数时间完全一致。原来，托凯是用另外一种方式数数的，他数数的时候，心里可以看到一个带数字的磁带在移动，所以他不能阅读。而费曼数数的时候是在和自己「交谈」，所以费曼不能说话。

既然这样，那么大声朗读，这件既要看又要说的事情，就是费曼和托凯都做不到的了。费曼想，有什么其他办法呢？他想到了可以用上大脑的一个特定部分，对看、说都没有干扰，就是用手指数数，这只涉及了触觉。结果确实如此，费曼可以用手指数数，同时大声朗读。

然后费曼又去展开探索，如何只从精神上，而不依赖任何身体的行为，完成数数。费曼一直没有找到合适的方法，要么是他自己的训练不够，要么是这根本不可能。最终，费曼得出一个结论：数数总是会用到人的一个身体行为，不同的人会用大脑中不同的行为来数数。想知道一个人的大脑中是如何数数的，不用去问他，观察他能做什么，不能做什么就可以了。

听到这里，你也可以试试，你的大脑到底是通过什么方式去数数的。像费曼这样，保持好奇心，总能在生活中发现一些有趣的现象和原理。

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