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为什么中国人对自然科学缺少好奇心 昨天电视中播放到我国二位刚飞上天的宇航员，如何在飞船舱内观察蚕宝宝生活状况，这样的“试验”，播放的目的是为了什么？又连日来介绍宇航员在舱内生活状况，他们成长背景等等琐碎之事（过去已介绍过许多次了），对于增进中国观众了解科普知识到底起什么作用，这些是不是都代表着人们的好奇心？还是仅仅说明国家花重金培养这些航天员不是白忙的，是不是证明他们的任务艰巨又繁重得很呢！ 直到目前为止，央视播放出来的这类新闻，一点科普价值也没有，特别是对于增强青少年对科学的好奇心、想象力不起任何教育作用。国民从这类宣传中也收获不了任何知识，人们普通对科普失去兴趣，不了解这里面的意义到底为了什么。除了花钱如水来显示国威、炫耀国力，其他都不重要。 我前不久谈到中国宇航员上天就如同送几个动物上天一样，传达不了任何有兴趣的信息回来，他们不到舱外活动，不能拍摄舱外太空中的任何影象和图片回来。例如在外太空中行走状况，观察地球、太阳、月亮和其他星球的景象，他们一切处于密室状态、封闭状态之中，十分被动。 拿现代中国人对天文学的兴趣爱好去对比古代人，就明白了中国几千年没有建树的其中原因之一，那就是，中国人自古以来普遍缺乏对科学的好奇心，对未知事物的探索兴趣，人们不会提出千奇百怪的自然现象以及天文学问题，无人追问这些到底为什么？人们普遍僵化的头脑中，只有眼前生活的点点滴滴需要关心，这才是真正的兴趣、真正有意义的事情要做！至于其他的都是科学家的事，或者更确切的来说，都是人家国家科学家的事。 比如说，怎样计算地球与太阳和其他行星之间的距离？这个看似很简单的问题，自古以来，中国从来没有人提出来问为什么，都要等待别人提供。即使现代人许多中国人未必会知道其中的原理和道理。 地球与太阳距离是怎样计算出来的？没有那么长的尺子，太阳又是一个那么炽热的球体，谁能想出主意计算出来？ 古希腊的思想家最早开始构想宇宙的模型，其中一个就是日地距离，当时科学家通过肉眼观测来判断太阳与我们的距离。比如日食时月亮几乎将太阳完全覆盖，通过视觉观测与简单计算来推测日地距离，但是太阳过于明亮，导致这样的观测计算存在较大的误差。公元前2世纪中叶希腊天文学家开始用三角视差法观测天体距离，即从两个不同的角度观测，首先应用的是地球与月球的距离，由于视差会形成三角形，通过三角函数能够解出地球和月球之间的距离，但这个方法几乎无法获得真实值，因为如果角度估计有误，在如此大的距离上误差会成倍放大。 埃拉托色尼是古希腊著名的学者，他兴趣广泛在天文和地理学方面有着卓著的成就，被西方学术界尊称为地理学之父，在颇有声誉的亚历山大图书馆担任馆长直到他去世为止。他对后世地理学的贡献很多。埃拉托色尼不但第一次创立了地理学这个名词，并使用它作为《地理学概论》这本书的书名。要推算出太阳到地球的距离，必须首先测量出地球的周长，那么在两千多年前没有任何现代化工具的辅助下埃拉托色尼究竟是怎样测量地球周长的呢？ 埃拉托色尼怎样测量地球周长的原理在他的著作《地球大小的修正》这本书中有详细的论述，其实在埃拉托色尼以前，也曾有人试图测量地球的周长。但他们缺乏理论基础，因此得出的结果也不准确。埃拉托色尼想出办法创新的运用天文学和地理学的知识，设想在夏至日分别在亚历山大城和西恩纳城同时观察阳光直射的位置，然后测量出直立的建筑物投射的影子的长短并且加以分析，从而得出测量地球周长的科学方法。这种方法比以前靠天文学观察的方法准确很多。假设从地心深处引出两条线分别指向西恩纳城和亚历山大城，按照数学上相似三角形的规律推算比例关系，他计算得到按照相似三角形的比例对比下来，埃拉托色尼测量出了阳光和直立物的夹角大约是七度，也就相当于三百六十度的五十分之一，西恩纳到亚历山大里亚的距离也就是地球周长的五十分之一，最终他得到的数据是39360公里，和现代测量的数据很是接近，这一发现不得不令人惊叹！埃拉托色尼的这一成果在两千多年前不但刷新了人们的认识，也为后世地理研究提供了方向。 到了17世纪之后，人类对天文学的认识开始起步，开普勒和牛顿的发现让人们寻找到测量日地距离的一个新方法。真正采用近代方法计算日地距离是英国天文学家埃德蒙·哈雷（1656-1742年）提出来的。测量原理是把太阳与地球的距离a的测定，同太阳与一个小行星的距离a1的测定联系起来。具体步骤是： 1、测量a与a1的差，即a1-a。测量方法：当太阳与小行星在地球相反的两侧时，小行星与地球(严格说是地心)的距离就是a与a1的差，这时可以用观测这个小行星的地平视差的方法测定这个距离 (月球与地球的距离最早就是用观测地平视差的方法测量的) ； 2、测量a与a1的比，即a/a1。测量方法：根据开普勒定律，任意两个天体与太阳距离之比的立方等于公转周期之比的平方，只要测量出地球与这个小行星各自的公转周期，就能算出a与a1之比； 3、知道了这个差值和比值，用解二元一次方程组的方法就能求出日地距离a。 1677年，21岁的哈雷对将要发生在1761年的金星凌日(即太阳、金星一地球刚好在一条直线上)作了预报，他明白，自己是无法活到84年后亲自看到那年的金星凌日了。但哈雷相信，只要通过观测金星凌日得到了金星的视直径，并且知道金星的公转周期，则太阳视差可以很容易地由开普勒第三定律推算出来，从而计算日地距离。 1761年，果然如哈雷所料，出现了金星凌日，但由于金星路径太过接近太阳边缘，无法精确测量，天文学家们只好相约8年后，1769 年的另一次金星凌日时再完成哈雷这桩壮志。1769 年5月23日，在欧洲天文学家与航行至塔希提岛的库克船长合作观测下，终于得到精确的观测资料。值得一提的是，当时英法两国正在交战，但为了完成这项历史性的科学探测任务，法国政府特别下令海军不但不得攻击库克船长的奋进号，还必须保护其航行安全。正是在这种国际合作之下，数百年来未解的“天文单位”才得以在这难得的天象机会下见诸于世人。 在金星凌日时，我们从南半球和北半球分别观测，记录金星在日面的投影，再进行计算，便可得到金星到地球的距离与两个观测点的直线距离之比，再计算，便得出地日距离。1771年，法国天文学家拉朗德就是根据这次珍贵的观测资料，首次算出了地球与太阳间的距离大约为1.52亿公里，与今日的测量值1.49597870691亿公里甚为接近，约等于1.5亿公里，天文学中把这个距离叫做一个“天文单位”(1AU)。 大家都知道地球围绕太阳运动的轨道是椭圆轨道，这又是谁计算出来的呢？是法国著名的数学家埃尔米特，在1858年运用椭圆函数的原理首次得出五次方程的解，才以完成。先计算出地球赤道线自转的线速度是1670千米/小时，地球赤道线自转的线速度是0.463888889千米/秒，地球围绕太阳运动的椭圆轨道的周长是1463.94751389万（千米）。椭圆周长公式来自《关于椭圆长短半径公式椭圆周率椭圆周长及面积公式的研讨报告》中。最终计算出了地球距太阳心的椭圆半径长距离是240.186268万（千米），椭圆半径短距离是220.323803万（千米）。即地球表面距太阳表面的长距离就是，冬至和夏至地球距日心的距离。地球表面距太阳表面的短距离就是，春分和秋分地球距日心的距离。 而地月距离测量方法大致相同，不过背景就换成恒星背景，所以测量相对容易。基本上地球半径一得出，地月距离就立即得出了。从三角视差法到了分光视差法，天体测量方法越来越先进。现代的日地距离是用雷达测地球和金星距离得出。即从地球上发出一束雷达波，打到金星上面，再从金星上反射回来。激光技术问世后，人们利用激光的方向性好，光束集中，单色性强等特点来测量月球的距离，测量精度可以达到厘米量级。20世纪初，光谱研究发现几乎所有星系的都有红移现象，所谓红移是指观测到的谱线的波长，用谱线红移法可以测定远达百亿光年计的距离。 我还可以再举出一个例子来，以说明中国人对自然科学的好奇心真的很匮乏——为什么天空是蓝色的？ 当阳光从天空照射下来，它就会连续不断地碰到无数障碍物——由空气中很多很多微小的微粒组成，其中的大多数是氮气、是氧气，还有废气、烟雾、岩灰、水蒸气，它们阻挡阳光的去路。光线从这些众多的小“绊脚石”上弹回，并改变自己的方向：光线被散射出去，波长短的蓝色光和紫色光比波长长的橙色、绿色、、黄色和红色的光散射得多。所以我们觉得这些散射的光是蓝色的——天蓝色的。发现这一切的是英国物理学家和诺贝尔奖获得者瑞利勋爵（1842年-1919年），他在1900年发现：当光线透过空气偏离了它原来的直线方向时，光的波长不同，偏离的距离不同。这叫做“瑞利散射。为了要符合瑞利散射的要求，微粒的直径必须远小于入射波的波长，通常上界大约是波长的1/10（1-300 nm），此时散射光线的强度与入射光线波长的四次方成反比，也就是说，波长愈短，散射愈强。 再举一个例子，为什么海水是蓝色的？我估计很少有人未必能正确回答出来，还以为天空是蓝的，所以海水的蓝色并不是什么稀罕的事。但是，有一个印度人首先提出质疑，并解答出来。大气本身是无色的。天空的蓝色是大气分子、冰晶、水滴等和阳光共同创作的图景。水本身不吸收任何颜色的光，海水蓝色从何而来？ 1921年夏天，航行在地中海的客轮“纳昆达”号上，有一位印度学者正在甲板上用简易的光学仪器俯身对海面进行观测。他对海水的深蓝色着了迷，一心要研究海水颜色的来源。这位印度学者就是拉曼（1888——1970年）。他正在去英国的途中，是代表了印度的最高学府——加尔各答大学，到牛津参加英联邦的大学会议，还准备去英国皇家学会发表演讲。这时他才33岁。 事实上，他早在16岁（1904年）时，就已熟悉著名物理学家瑞利用分子散射中散射光强与波长四次方成反比的定律（也叫瑞利定律）对蔚蓝色天空所作的解释。不知道是由于从小就养成的对自然奥秘刨根问底的个性，还是由于研究光散射问题时查阅文献中的深入思考，他注意到瑞利的一段话值得商榷，瑞利说：“深海的蓝色并不是海水的颜色，只不过是天空蓝色被海水反射所致。”瑞利对海水蓝色的论述一直是拉曼关心的问题。他决心进行实地考察。 于是，拉曼在启程去英国时，行装里准备了一套实验装置：几个尼科尔棱镜、小望远镜、狭缝，甚至还有一片光栅。望远镜两头装上尼科尔棱镜当起偏器和检偏器，随时都可以进行实验。他用尼科尔棱镜观察沿布儒斯特角从海面反射的光线，即可消去来自天空的蓝光。这样看到的光应该就是海水自身的颜色。结果证实，由此看到的是比天空还更深的蓝色。他又用光栅分析海水的颜色，发现海水光谱的最大值比天空光谱的最大值更偏蓝。可见，海水的颜色并非由天空颜色引起的，而是海水本身的一种性质。拉曼认为这一定是起因于水分子对光的散射。他在回程的轮船上写了两篇论文，讨论这一现象，论文在中途停靠时先后寄往英国，发表在伦敦的两家杂志上。 当光照射到物质上时会发生散射，散射光中除了与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光的波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。1930年诺贝尔物理学奖授予当时正在印度加尔各答大学工作的拉曼，以表彰他研究了光的散射和发现了以他的名字命名的定律。 拉曼抓住分子散射这一课题是很有眼力的。在他持续多年的努力中，显然贯穿着一个思想，这就是：针对理论的薄弱环节，坚持不懈地进行基础研究。从印度科学教育协会到拉曼研究所，在他的周围总是不断涌现着一批批赋有才华的学生和合作者。就以光散射这一课题统计，在三十年中间，前后就有66名学者从他的实验室发表了377篇论文。科学界对他的发现给予很高的评价。拉曼是印度人民的骄傲，也为第三世界的科学家作出了榜样，尤其是处于独立前的印度，竟取得了如此突出的成就，实在令人钦佩。 为什么中国人对自然科学的好奇心与别国不一样？有人一定会说境遇不一样。我认为是好奇心的目标不一样，方向不一样。中国人普遍只关心与已有关的事物，缺乏想象力，脱离抽象的事物越远越好，越无须烦神费力，也无力烦神。 2016.1.27 |
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