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如何正确地开启自己的科学研究之路长短何如

如何正确地开启自己的科学研究之路

对于科研工作者来说,在刚刚踏上自己的科学研究之路时,一定是对未来充满了美好的憧憬,也同时有一点点恐慌和不安,因为你们无法预测未来的科学研究是否会一帆风顺。以下是施一公教授基于自己的切身经历所提出的对学术品味、学术道德、学术道路的一些看法。一、做一个优秀的研究生,时间的付出是必须的所有成功的科学家有一个共同的特点,那就是他们必须付出大量的时间和心血。实际上,一个人无论从事哪一种职业,要想成为本行业中的佼佼者,都必须付出比常人多的时间和心力。有时,个别优秀科学家在回答学生或媒体的问题时,轻描淡写地说自己的成功凭借的是运气,不是苦干。这种客气的回答避重就轻,只是强调成功过程中的一个偶然因素,常常对年轻学生造成很大的误导;一些幼稚的学生甚至会因此开始投机取巧、不全力进取而是等待所谓的运气。说极端一点:如果真有这样主要凭运气而非时间付出取得成功的科学家,那么他的成功很可能是攫取别人的成果,而自己十有八九不具备真正在领域内领先的学术水平。神经生物学家蒲慕明先生在多个神经科学领域做出了重要贡献。十几年前,身处加州大学伯克利分校的蒲先生曾经有一封电子邮件在网上广为流传,这封邮件是蒲先生写给自己实验室所有博士生和博士后的,其中的一段翻译过来是这样说的:“我认为最重要的事情就是在实验室里的工作时间,当今一个成功的年轻科学家平均每周要有60小时左右的时间投入到实验室的研究工作......我建议每个人每天至少有6小时的紧张实验操作和两小时以上的与科研直接有关的阅读等。文献和书籍的阅读应该在这些工作时间之外进行。”这封邮件写得语重心长,用心良苦。其中的观点我完全赞同,无论是在普林斯顿还是在清华大学我都把这封邮件的内容转告实验室的所有学生,让他们体会。我从小就特别贪玩,不喜欢学习。但来自学校和父母的教育与压力迫使自己尽量刻苦读书,保送进了清华。尝到了甜头以后,我在大学阶段机械地保持了刻苦的传统,综合成绩全班第一、提前一年毕业。当然,这种应试和灌输教育的结果就是我很少真正独立思考、对专业也提不起兴趣。大学毕业后我去美国留学。博士一年级,因为对科研和专业没有兴趣,我内心浮躁而迷茫,无法继续刻苦,而是花了很多时间在中餐馆打工、选修计算机课程。第二年,我开始逐渐适应科研的“枯燥”,对科学研究有了一点儿兴趣,并开始有了一点儿自己的体会,有时领会了一些精妙之处后会得意地产生“原来不过如此”的想法,逐渐对自己的科研能力有了一点儿自信。这时,博士学位要求的课程已经全部修完,我每周五天从上午9点做实验到晚上7、8点,周末也会去半天。到了第三年,我已经开始领会到科研的逻辑和奥妙,有点儿跃跃欲试的感觉,在组会上常常提问,而这种“入门”的感觉又让我对研究增加了更多兴趣,晚上常常干到11点多。1993年我曾经在自己的实验记录本的日期旁标注“这是我连续第21天在实验室工作。”,以激励自己。到第四年以后,我完全适应了实验室的科研环境,再也不会感到枯燥,时间安排则完全服从实验的需要。其实,这段时期的工作时间远多于刚刚进实验室的时候,但感觉上好多了。研究生阶段后期,我的刻苦在实验室是出了名的。在纽约做博士后时期则是我这辈子最刻苦的两年,每天晚上做实验到半夜三点左右,回到住处躺下来睡觉时常常已是四点以后;但每天早晨八点都会被窗外街道上的汽车喧闹声吵醒,九点左右又回到实验室开始了新的一天。每天三餐都在实验室,分别在上午9点、下午3点和晚上9点。这样的生活节奏持续11天,从周一到第二周的周五,周五晚上乘坐灰狗长途汽车回到巴尔地摩的家里,周末两天每天睡上近十个小时,弥补过去11天严重缺失的睡眠。周一早晨再开始下一个11天的奋斗。虽然很苦,但我心里很骄傲,我知道自己在用行动打造未来、在创业。有时我也会在日记里鼓励自己。我住在纽约市曼哈顿区65街与第一大道路口附近,离纽约著名的中心公园很近,那里也常常有文化娱乐活动,但在纽约工作整整两年,我从未迈进中心公园一步。我常常把自己的这段经历告诉我实验室的学生,新生常常问我:“老师,您觉得自己苦吗?”我回答,“只有自己没有兴趣的时候觉得很苦。有兴趣以后一点也不觉得苦。” 是啊,一个精彩的实验带给我的享受比看一部美国大片强多了。现在回想起当时的刻苦,感觉仍很骄傲、很振奋!我在博士生和博士后阶段那七年半的努力进取,为我独立科研生涯的成功奠定了坚实基础。二、做一个优秀的研究生,必须具备批判性的思维要想在科学研究上取得突破和成功,只有时间的付出和刻苦,是不够的。批判性分析(critical analysis)是必须具备的一种素质。 研究生与本科生最大的区别是:本科生以学习人类长期以来积累的知识为主、兼顾科学研究和技能训练;而博士生的本质是通过科学研究来发掘创造新的知识,而探索新知识必须依靠批判性的思维逻辑。其实,整个大学和研究生阶段教育的很重要一部分就是培养critical analysis的能力,养成能够进行创新科研的方法论。这里的例子非常多,覆盖的范围也非常广,在此举几个让我难忘的例子。1.正确分析负面结果(negative results)是成功的关键作为一名博士生,如果每一个实验都很顺利、能得到预期的结果,除个别研究领域外,可能一般只需要6至24个月就可以获得博士学位所需要的所有结果了。然而,在美国,生命学科的一个博士研究生,平均需要6年左右的时间才能得到PhD学位。这一分析说明:绝大多数实验结果会与预料不符,或者是负面结果。很多低年级的博士生一看到负面结果就很沮丧,甚至不愿意仔细分析原因。 其实,对负面结果的分析是养成批判性思维的最直接途径之一;只要有合适的对照实验、判断无误的负面实验结果往往是通往成功的必经之路。一般来说,任何一个探索型研究课题的每一步进展都有几种、甚至十几种可能的途径,取得进展的过程就是排除不正确、找到正确方向的过程,很多情况下也就是将这几种、甚至十几种可能的途径一一予以尝试、排除,直到找到一条可行之路的过程。在这个过程中,一个可靠的负面结果往往可以让我们信心饱满地放弃目前这一途径;如果运用得当,这种排除法会确保我们最终走上正确的实验途径。 非常遗憾的是,大多数学生的负面实验结果并不可靠,经不起逻辑的推敲!而这一点往往是阻碍科研课题进展的最大阻碍。比如,对照实验没有预期结果,或者缺乏相应的对照实验,或者是在实验结果的分析和判断上产生了失误,从而做出“负面结果”或“不确定”的结论,这种结论对整个课题进展的伤害非常大,常常让学生在今后的实验中不知所措、苦恼不堪。因此,我告诫并鼓励我所有的学生:只要你不断取得可靠的负面结果,你的课题很快就会走上正路;而在不断分析负面结果的过程中所掌握的强大的批判性分析能力也会使你很快成熟,逐渐成长为一名优秀的科学家。 我对一帆风顺、很少取得负面结果的学生总是很担心,因为他们没有真正经历过科研上批判性思维的训练。在我的实验室,偶尔会有这样的学生只用很短的时间(两年以内,有时甚至一年)就完成了博士论文所需要的结果;对这些学生,我一定会让他们继续承担一个富有挑战性的新课题,让他们经受负面结果的磨练。没有这些磨练,他们不仅很难真正具备批判性思维的能力,将来也很难成为可以独立领导一个实验室的优秀科学家。2.耗费大量时间的完美主义阻碍创新进取Nikola Pavletich是我的博士后导师,对我影响非常大,他做出了一系列里程碑式的研究工作,享誉世界结构生物学界,31岁时即升任正教授。1996年4月,我刚到Nikola实验室不久,纯化一个表达量相当高的蛋白Smad4,两天下来,蛋白虽然纯化了,但结果很不理想:得到的产量可能只有预期的20%左右。见到Nikola,我不好意思地说:“产率很低,我计划继续优化蛋白的纯化方法,提高产率。”他反问我:“你为什么想提高产率?已有的蛋白不够你做初步的结晶实验吗?”我回敬道:“我虽然已有足够的蛋白做结晶筛选,但我需要优化产率以得到更多的蛋白。”他毫不客气地打断我:“不对。产率够高了,你的时间比产率重要。请尽快开始结晶。”实践证明了Nikola建议的价值。我用仅有的几毫克蛋白进行结晶实验,很快意识到这个蛋白的溶液生化性质并不理想,不适合结晶。我通过遗传工程除去其N端较柔性的几十个氨基酸之后,蛋白不仅表达量高、而且生化性质稳定,很快得到了有衍射能力的晶体。 在大刀阔斧进行创新实验的初期阶段,对每一步实验的设计当然要尽量仔细,但一旦按计划开始后对其中间步骤的实验结果不必追求完美,而是应该义无反顾地把实验一步步推到终点,看看可否得到大致与假设相符的总体结果。如果大体上相符,你才应该回过头去仔细改进每一步的实验设计。如果大体不符,而总体实验设计和操作都没有错误,那你的假设很可能是有大问题的。这样一个来自批判性思维的方法论在每一天的实验中都会用到。 过去二十年,我一直告诉实验室所有学生:切忌一味追求完美主义。我把这个方法论推到极限:只要一个实验还能往前走,一定要做到终点,尽量看到每一步的结果,之后需要时再回头看,逐一解决中间遇到的问题。3.科研文献(literature)与学术讲座(seminar) 的取与舍在我的博士生阶段,我的导师Jeremy Berg非常重视相关科研文献的阅读,有每周一次的实验室文献讨论,讨论重要的相关科研进展及研究方法,作为学生我受益匪浅。作为学生,我以为所有的科学家在任何时期都需要博学多读。 刚到Nikola实验室,我试图表现一下自己读文献的功底、也想与Nikola讨论以得到他的真传。1996年春季的一天,我精读了一篇《自然》周刊上发表的文章,午饭前遇到Nikola,向他描述这篇文章的精妙,同时期待着他的评述。Nikola面色尴尬地对我说:“对不起,我还没看过这篇文章”。我想:也许这篇文章太新,他还没有来得及读。过了几天,我精读了一篇几个月前发表于《科学》周刊的文章,又去找Nikola讨论,没想到他又说没看过。几次碰壁之后,我不解地问他:“你知识如此渊博,一定是广泛阅读了大量文献。你为什么没有读我提到的这几篇论文呢?”Nikola看着我说:“我阅读不广泛。”我反问:“如果你不广泛阅读,你的科研怎么会这么好?你怎么能在自己的论文里引用这么多文献?”他的回答让我彻底意外,大意是“我只读与我的研究兴趣有直接关系的论文。并且只有在写论文时我才会大量阅读。” 我做博士后的单位Memorial Sloan-Kettering Cancer Center有一个优秀的系列学术讲座,常常会请来各个生命科学领域的著名科学家来演讲。有一次,一个诺贝尔奖得主来讲,并且点名要与Nikola交谈。在绝大多数人看来,这可是一个不可多得的好机会去接近大人物、取得好印象。Nikola告诉他的秘书:请你替我转达我的歉意,讲座那天我已有安排。我们也为Nikola遗憾。让我万万想不到的是,诺贝尔奖得主讲座的那天,Nikola把自己关在办公室里,早晨来了以后直到傍晚一直没有出门,当然也没有去听讲座。以我们对他的了解,十有八九他是在写paper或者解结构。后来,我意识到,Nikola常常如此。 在我离开Nikola实验室前,我带着始终没有完全解开的谜,问他:如果你不怎么读文献,又不怎么去听讲座,你怎么还能做一个如此出色的科学家?他回答说:(大意)我的时间有限,每天只有10小时左右在实验室,权衡利弊之后,我只能把我的有限时间用在我认为最重要的事情上,如解析结构、分析结构、与学生讨论课题、写文章。如果没有足够的时间,我只能少读文章、少听讲座了。 Nikola的回答表述了一个简单的道理:一个人必须对他做的事情做些取舍,不可能面面俱到。无论是科研文献的阅读还是学术讲座的听取,都是为了借鉴相关经验、更好地服务于自己的科研课题。 在博士生阶段,尤其是前两年,我认为必须花足够的时间去听各相关领域的学术讲座、并进行科研文献的广泛阅读,打好批判性思维的基础;但随着科研课题的深入,对于文献阅读和学术讲座就需要有一定的针对性,也要开始权衡时间的分配了。4.挑战传统思维从我懂事开始,就受到教育:但凡失败都有其隐藏的道理,应该找到失败的原因后再重新开始尝试。直到1996年,我在实验上也遵循这一原则。但在Nikola 的实验室,这一基本原则也受到有理有据的挑战。 有一次,一个比较复杂的实验失败了。我很沮丧,准备花几天时间多做一些对照实验找到问题所在。没想到,Nikola阻止了我,他皱着眉头问我,“告诉我你为什么要搞明白实验为何失败?”我觉得这个问题太没道理,理直气壮地回答:“我得分析明白哪里错了才能保证下一次可以成功。”Nikola马上评论道:(大意)“不需要。你真正要做的是把实验重复一遍,但愿下次可以做成。与其花大把时间搞清楚一个实验为何失败,不如先重复一遍。面对一个失败了的复杂的一次性实验,最好的办法就是认认真真重新做一次。”后来,Nikola又把他的观点升华: (大意)“是否需要找到实验失败的原因是一个哲学决定。找到每一个不完美实验结果原因的传统做法未必是最佳做法”仔细想想,这些话很有道理。并不是所有失败的实验都一定要找到其原因,尤其是生命科学的实验,过程繁琐复杂;大部分失败的实验是由简单的操作错误引起的,比如PCR忘记加某种成分了,可以仔细重新做一遍;这样往往可以解决问题。只有那些关键的、不找到失败原因就无法前行的实验才需要刨根究源。 我选择的这些例子多少有点“极端”,但只有这样才能更好地起到震荡大家思维的作用。其实,在我自己的实验室里,这几个例子早已经给所有学生反复讲过多次了,而且每次讲完之后,我都会告诉大家打破迷信、怀疑成规,而关键的关键是:Follow the logic跟着逻辑走!这句话,我每天在实验室里注定会对不同的学生重复讲上几遍。严密的逻辑是批判性思维的根本。三、科学家往往需要独立人格和一点点脾气对社会人而言,科学研究是个苦差事;对真正的科学家而言,科学研究实在是牵肠挂肚、茶饭不思、情有独钟、妙不可言。靠别人的劝说和宣讲来从事科学研究不太可行,真正自己从心里感兴趣直至着迷、一心一意持之以恒地探奇解惑,才有可能成为一流的科学家,正所谓“不疯魔、不成活”。在这个过程中,独立人格和脾气显得格外重要。所谓独立人格,就是对世界上的事物有自己独立的看法。恰恰是一些有脾气的人不会轻易随波逐流,可以保持自己的独立人格。因为时间关系,这里就不举例了。四、不可触碰的学术道德底线做学问的诚实反映在两方面。首先是有一说一,实事求是,尊重原始实验数据的真实性。在诚实做研究的前提下,对具体实验结果的分析、理解有偏差甚至错误是很常见的,这是科学发展的正常过程。可以说,绝大多数学术论文的分析、结论和讨论都存在不同程度的瑕疵或偏差,这种学术问题的争论往往是科学发展的重要动力之一。越是前沿的科学研究,越容易出现错误理解和错误结论。 比较有名的例子是著名物理学家费米1938年获得诺贝尔奖,获奖的重要原因之一是他发现了第93号元素。实际上,尽管费米在1934年曾报道用中子轰击第92号元素铀可以产生第93号元素,德国的化学家哈恩在1939年1月发表论文,证明产生的元素根本不是93号元素,而是56号元素钡!但这个错误并没有改变费米是杰出的物理学家的事实,也没有影响他继续在学术上的进取。费米很快提出后来用于制造原子弹的链式反应理论并于1941年在芝加哥大学主持建成世界上第一座原子反应堆。 再举一个生命科学领域的例子,Edmond Fischer和Edwin Krebs因为发现蛋白质的磷酸化于1992年获得了诺贝尔生理学或医学奖,但如果仔细阅读他们发表于二十世纪五十年代的几篇关键学术论文,你会发现他们当时对不少具体实验现象的理解和分析与我们现在的理解有一定差距,用今天的标准可以说不完全正确;但瑕不掩瑜,这些文章代表了当时最优秀最有创意的突破。 举这两个例子是希望大家区分error与misconct的区别。比如一个实验由于条件有限,做出了一个结论,后来别人用更高级的实验手段、更丰富的实验数据推翻这个结论,那么第一篇只要详实地报道了当时的实验条件,更重要的是基于这些描述其他实验室都可以重复出其报道的实验结果,就情有可原,无须撤稿。但如果明知实验证据不足,为了支持某个结论而编造实验条件或实验证据,这就是造假了,视为学术不端。 但诚实的学问还有另外一层重要含义:只有自己对具体实验课题做出了相应的贡献(intellectual contribution)后,才应该在相关学术论文中署名。这一点,很多人做不到。大老板强势署名的事情屡见不鲜;更有甚者,利用其学术地位和影响力,使一些年轻学者不得不在文章里挂上自己的名字,有时还以许诺未来的科研基金来换取论文署名。这种做法不仅有失学术道德,更是会严重阻碍创新,对整个学术界风气的长远恶劣影响更甚于一般的造假。五、你不习惯的常识1.我们有限的认知不足以支撑一成不变的真理你们在课堂里学到的所有定律、公理等等,都是前人对自然现象的归纳总结,是现状下最好的归纳总结,可以有效解释这些现象、甚至预测一些还未发现的现象。也许这些定律和公理可以非常接近真理;但是,这些定律和公理仅仅是对现实的近似描述,都不是永恒的真理;随着人类对周围环境和宇宙认识的加深,这些定律和公理都会有失效的时候。这里最有代表性的例子应当是强大的牛顿万有引力定律;它可以解释太阳系行星围绕太阳的公转,但它无法完美解释水星近日点进动的问题,而需要引入爱因斯坦的广义相对论。所以,请同学们牢记:科学研究中没有绝对的真理,只有不断改进的人类对自然的认识! 2.科学和民主是两个概念科学研究是探寻未知,其结果是科学发现和规律定理;而民主通常是指在决策过程中每个人都有发言权的现象和过程。很遗憾,但也许是很幸运,在科学研究的过程中,从来没有“少数服从多数”这一原则。实际上,在前沿和尖端的科学研究领域,常常是极少数人孤独地探索,做出一些有违常规的意外发现,这些发现也常常被大多数人排斥甚至攻击。但最终,极少数的这些科学探索者的发现还是会被学界和社会所接受。从苏格拉底到布鲁诺、哥白尼,这里的例子不胜枚举。虽然科学真理最初往往被极少数人发现的道理人人知晓,但到了日常科学研究中,在各种噪音中,真正能够全力探索、冷静辨别真伪的又有多少人能真正做到呢? 其实,真正优秀的科学评价也不是简单的一人一票。我从霍普金斯大学读博士到普林斯顿大学做教授的这18年间,常常看到一个有趣的现象,那就是在一场激烈的学术讨论过程中,初始阶段大多数人坚持的观点逐渐被少数几个人的观点说服,成了实实在在的多数服从少数。这些少数人制胜的法宝就是精准的学术判断力和严密的逻辑。这种现象,在基金评审、科学奖项评审、重大科研课题讨论及评审等等过程中也常常出现。3.科学是高尚的,但科学家未必高尚走上科研的道路,每个人的动力都不同。有人可能是基于兴趣,有人可能是因为成就感,也有人就是把科研当成#科学#了追求名利、甚至仅仅是谋生的手段。所以,大家没有必要盲目崇拜所谓学术权威、盲目崇拜教授专家。 然而,在科学评价中,却是“论迹不论心”。也许以名利为手段的会最终心想事成,做出重大科学成果名利双收;也有清高淡泊醉心学术却因为种种原因一事无成的。这都是实实在在会发生的。但不论每一个个体是以什么目的、什么动力在做科研,科学的本质就是求真,科研的目标是不断拓展人类知识的边界、推动技术进步。而哪怕你的初衷只是把科研当成一份普通的工作、当成谋生的手段,如果你坚持走下去了,我也祝福你能够慢慢从日复一日的重复、无路可走的焦灼,到柳暗花明、灵光乍现的起伏中逐渐体会到从事科研的幸福感、满足感和成就感。真正的科研动力来自于内心的认同!真正的学术道德在完善科研管理体制之外,也有赖于每一个个体对于科研之道的认同而实现的自律。

根由

「教育随笔」难忘的科学研究(402班陈玉源)

编者按:为学生搭建展示的平台,我义不容辞!科技创新大赛,几年来我坚持学生打主力、教师打辅助的原则。一般选择社团学习了一两年的优秀学生参与。这事发生在我来到西溪学校仅一个月的时候,他们能完成这个任务吗?这个过程,对于学生来说是难忘的!世上无难事,只要肯登攀。在一次比赛中,我深切地明白了这句话的道理。有一天,在社团课上,我们的张老师说:“东莞市有个科技创新比赛,有兴趣的星期三来找我,进行选拔。”于是,我和一位同班同学说:“我们一起去参加选拔吧!”那位同学点点头,说:“好呀,我们一起去。”星期三到了,我和小邢来到4C探究室,我屏住呼吸,心想着到底要不要进去,在一阵自我鼓励下,我终于进去了,我坐在凳子上,听张老师讲比赛内容。张老师提高了音量说:“如果参加了,就要写篇2千字以上的论文!”许多人一听到这句话,心里就打退堂鼓了。张老师说:“现在谁还想参加?”于是,我坚定地举起了我的右手。经过层层选拔,我一路过五关,斩六将。最后我一个人孤军奋战,张老师交给我一个任务:把12册科学书的文字合并成一个文档,别人在看书的时候我在拍照,国庆假日时,别人在游山玩水时,我在提取文字。刚做好这项任务,张老师却抛给我一枚“炸弹”——写论文。经过和妈妈的商量,她说:“我来打字,你来说。”经过漫长的等待,我们终于搞完了这项任务。陈玉源撰写论文《大数据让你重新认识科学教材——基于关键词的探究》获东莞市青少年科技创新大赛二等奖科学课除了要教科学,还要注意这些如何关注学生科学素养,我从这三方面入手科学教育,我的探索之路一组数据告诉你,科学老师该如何定位爱求作业的韩俊成我的科学老师(502班邢嘉博)一个青年教师交流平台,致力于分享基于儿童的项目式学习、低成本的趣味实验、科学课堂教学、校园科普活动、名师视频等优质资源。在优酷、土豆、腾讯同名视频空间(国华4C探究室)播放量已超百万人次。(本微信公众号菜单如上)·END·玩转科学趣味·专业·可操作

数称溪公

怎么做科学研究?说说我的看法

科学研究高大上 很深奥,我实属门外汉,但我对这方面还是有点兴趣 有所思考的,想到了一些科研方法自我感觉应该是有些道理的,特分享出来 供学习与吐槽!怎么做科学研究?一.发现科研课题苹果为什么是从上往下落 而不是向上?这是牛顿发现的经典科研课题,许多人说:“此课题的发现是牛顿的幸运灵感闪现而已,极少数人能有此幸运发现类似经典课题的。”真的是如此吗?并非如此,到今天已经出现了超多的自然理论,若真的是几十年一遇的灵感造就,那么今天的自然理论恐怕不会有多少个,能有很多是因为发现科研课题与得到理论都是有其方法的,可以有目标性的快速发现科研课题。有目标性的快速发现科研课题的方法:发问法。所谓发问法指的是对现象或事物进行发问,发问的关键词有“为什么” “怎么”“什么”等疑问词。比如对苹果落地这个现象进行发问,为什么+苹果会往地上落?如此这个经典的苹果落地课题轻松发现,若不发问就很难想到课题,这就是老师常说的“多问个为什么”的好处。为什么苹果成熟了是红的?为什么苹果长在树上 而不是地下?有些问题看上去很sb 实则很复杂,人们的认知是那个事物原本就是应该那个样子的 常识而已,所以真正解释起来却只能用“就是如此无需解释”来解释,做科研就是要深入研究这些常识现象背后的本质(原理机制),现象如同几何证明题中的结论,而原理是科研要寻找的公理论据,一个原理可以解释很多同类问题 很多应用,原理的归纳作用 让人类理解自然变得简单。二.研究目标对象的哪些方面主要有这些方面:如何产生 有什么用途性质(物理化学生物) 构成 如何变化(随着因素的变化规律)拿火来说明,研究如何产生火?火的用途?火的物理化学性质?火的构成?变化(氧气增多火势更旺)。其实按照编程中类的组成,可说成研究目标对象的属性与方法,至于属性和方法通常会有许多,抓住重要的来研究就行。三.如何了解目标对象了解目标对象就是要研究出二中所说的哪些方面,这需要观察对象 收集数据 统计分析 做实验等科研常有方法。四.如何解答关于对象的为什么比如扫帚为什么是一根根细细的弹性杆扎成的?解释为什么通常是从这样情况下的用途出发,说出这样设计的用途(证明有好处)就解释了为什么,这里扫帚的为什么:我想是因为细杆能够接触到极小的缝隙将缝隙中的垃圾清理出来,密集的细杆组成的整体可以将坑坑洼洼的地上的垃圾打扫得很全面,若是粗杆或放大到面板小坑中的垃圾清理不到。五.学习能力人类造物多来自于对自然造物的学习,学习能力是人类的天赋能力,通过学习可以掌握想要的许多能力(本领),比如语言 文字 唱歌 做饭 工作等,可是如果不去学习就根本不可能天生就会这些,学习带来能力的提高与增加,人与人的差距也因学习程度的不同 而突显出来,做科研更是如此 有学习意识 善于勤于学习才能不断提高自我。六.借力意识科研目标是研究对象的能力,可以弄清对象能力实现的原理 人造机器应用原理实现相同能力,也可以直接利用对象的能力帮助自我,这就叫做借力,比如牛力气大 用其拉货;用毛驴 磨豆浆;用树藤做绳子;用石头做武器。借力也可说成是利用外部工具吧。百度知道里的一些关于爱问为什么的回答:小时候喜欢提出问题的科学家  答:1、瓦特:他在厨房里看祖母做饭。灶上坐着一壶开水。开水在沸腾。壶盖啪啪啪地作响,不停地往上跳动。瓦特观察好半天,感到很奇怪,猜不透这是什么缘故,就问祖母说?什么玩艺使壶盖跳动呢"  2、 牛顿:直到有一天,当牛顿在花园的苹果树下思索,一个苹果落到他的脚边时,牛顿终于获得了顿悟,他的问题也逐渐被解决了.   3、爱因斯坦:爱因斯坦5岁的时候,有一天,爸爸从兜里掏出个指南针给他玩。他拿着摇来摇去,发现里面的小针总是指着一个方向。他想看看是什么东西吸着小针,打开一看,什么也没有发现。难道是小针在作怪吗?他开始对科学产生了(兴趣 爱好)。我女儿今年6岁很聪明,老爱问为什么,听人说小孩爱问为什么就说明他有可能成为科学家,请教哪位大虾指点。答:这是这个年龄段的孩子普遍存在的现象,因为他想了解这个世界,当然聪明的孩子如果好好引导,努力培养,成为科学家也是有可能的,这说明你的女儿先天潜质不错,还需外在力量培养造就。为什么说小孩爱问问题会比较聪明?答:不是说爱问问题的小孩就一定聪明,而是爱问问题的小孩好奇心和探究欲很足,好好维护、培养他的这种天性,将来大有用处。聪明有很多种,也许这是一种。

芙蓉诀

我科学研究取得重要突破 解码大脑的昼夜节律

雄鸡报晓,蜘蛛半夜结网,向日葵在清晨开放……在生物体中广泛存在的昼夜节律,对调节人们一天之中的运动、睡眠、代谢等诸多生理过程起着重要作用。比如,在人类社会中,一旦昼夜节律紊乱,会导致包括睡眠、情绪障碍在内的各种疾病。 因此,理解昼夜节律现象在神经系统中是如何产生、维持以及发挥作用的,是神经科学的重要研究方向,也与人类健康息息相关。2017年诺贝尔生理或医学奖就颁发给了3位科学家,以表彰他们发现昼夜节律在分子水平是由一系列核心节律基因构成的转录翻译反馈环路所产生。 不过,昼夜节律在大脑中是如何产生的?科学家们尚不清楚。日前,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室严军研究组,在解码大脑的昼夜节律方面有了新突破。 原来,大脑中有一个生物节律核心起搏器——视交叉上核,它驱动着我们的昼夜节律。但这究竟是如何做到的呢?研究团队发现:就像棱镜能把光线分解成不同颜色的光谱一样,视交叉上核能够接收视网膜传递而来的外界光暗信号,将其转换为节律信号,不同的神经元通过相互作用产生不同相位的振荡。这些不同的相位如同日晷上的不同时辰,能告诉我们现在是一天中的几点钟。 “这为研究哺乳动物昼夜节律的神经机制奠定了重要基础。”中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员严军表示。 他告诉经济日报记者,以往研究对视交叉上核全面的细胞分型、不同细胞类型在视交叉上核中的空间分布,以及这些细胞类型在昼夜节律中是如何发挥作用的,均不清楚。此次,研究团队采用先进的单细胞技术,首次对小鼠昼夜节律中枢——视交叉上核开展了全面的细胞分型、重构和分析,获得了视交叉上核不同细胞类型以及神经元亚型的时空基因表达,以及细胞构筑等信息。 通过对不同昼夜时间点取样的小鼠视交叉上核进一步分析,研究团队发现,视交叉上核中各种非神经元细胞与神经元一样,都存在广泛的节律基因表达,这暗示了视交叉上核中各类细胞均有细胞特异性的节律功能。 有趣的是,研究团队还发现,所有非神经元细胞中的核心节律基因振荡相位均明显晚于神经元中的振荡相位;在神经元中,视交叉上核的神经元相对于非视交叉上核神经元,具有明显更高的核心基因表达。 “以往研究表明,核心节律基因的表达在视交叉上核的神经元中呈现出同步振荡,并且处于不同空间位置细胞具有不同的振荡相位。”严军说,如今,我们终于找到了这些细胞是什么类型的细胞,这为下一步研究它们的功能,以及对它们实行操控打下了基础。

迹越

TED:科学研究“我是谁”,颠覆了"人"的解释!

原题:TED震撼演讲:科学研究“我是谁”,颠覆了"人"的解释!作者:Jeff Lieberman来源:能量疗愈导师灵性能量教我是谁?这是一个困惑了无数人无数年的一个再简单不过又再复杂不过的一个问题......美国科学家Jeff Lieberman对于“人”的研究理论,会让很多人产生共鸣,你此刻有缘看到这个视频也绝对不是偶然 .......3年前是我人生的一个转折点因为我终于拥有了我所渴望的一切但脑海里仍有个声音对我说“我需要更多才能快乐”越多地去审视自身的痛苦我越看到同样的痛苦也困扰着我身边的每个人我们不愿意排队我们对自己的孩子没耐心就好像我们以为未来的某一天自己终会坐享其成我是研究科学的所以我想用科学去读懂人类受苦的根源但这彻底颠覆了我对现代科学所了解的一切更重要的是改变了我对于“人”的理解和生存的意义我希望和你们分享这个理论这可以会非常难以置信所以我请求你们在接下来的十四分钟当中你可以批判但请你保持一颗开明的心因为很有可能你根本不是你所了解的那个“人”那么我是谁我是一个人,今年33岁但如果用显微镜观察我身体的某一部位你会看到细胞我的身体是由50万亿个舞动的细胞组成如果再用高倍的显微镜去观察这些细胞你会看到20万亿个原子就是说,我的身体是由100000000000000000000000000000个原子构成你若再近距离的观察这些原子他们会逐渐消失剩下的只有飘忽不定的能量137亿年前大爆炸发生时宇宙中曾经所存在的一切仅为这些极小的未分化的,纯粹的能量我们就是能量人的身体就是一个复杂的能量格局一个33岁的我一动不动地站在这里但当你观察我身体的任何一部分我正在以光的速度移动并且我与宇宙同始同在那问题是我明白这个概念但我们为什么感觉不到为什么一直以来我们如此确定自己只是个“人”而从未感觉自己是能量?能量听起来多牛叉!我认为感觉不到真实的自己的原因在于我们把所有的精力都放在了人类层次的一些琐事上以致于忽略了以致潜藏于内心深处的力量先看一下我们是怎么分心的花5秒钟去想想你明天要做什么你刚刚所做的据人类所知全宇宙还没有其他生物可以做到你刚才在脑袋里创造了一个虚拟现实并对现实中还没有发生的未来做了预测这种假设的能力当你用几种有可能发生的现实做比较时你也在规划着未来大到农业发展小到你的退休这改变了地球上的一切这估计也是人类进化史上继直立行走之后的最重要的里程碑另一个小实验试着花十秒钟什么都不想有人坚持了10秒吗?我坚持了大概2秒然后剩下的时间我一直在想怎么才能什么都不想这意味着人类的进化给予了我们这份特别的却无法掌控的能力但你要知道没有任何其他生物有假设的能力并且这进化来的超能力也是有副作用的就仿佛全宇宙都在你的脑子里却由不得你来支配当你无法控制你脑子里在想什么你被迫创造了这些均有可能发生的现实你不停地拿这些可能性与现状做对比试图计算出下一步怎么走但这也成就了新人类痛苦的根源比如嫉妒后悔于过去或担忧于未来这都是只有人类才会感受的我想知道有没有根除这痛苦的可能为了搞懂是否有根除痛苦的可能我们需要用科学实验来了解自己我们必须摘下有色眼镜毫无批判的去审视我们所有层面的经历但这也出奇地难因为我们在生活中投入了太多太复杂的情感有些人能理会当你在电影院全身心地沉浸其中几分钟过后你完全忘记了自己在看电影直到影片结束耀眼的灯光把你打回现实你仍有些神魂分离但要我们站在另一个角度去观看自己主演的电影“生活”就越发的难上加难下面的两个小实验只能让你初尝到一个需要经年累月才能理解的意义第一个实验是关于视觉的我们在物理学中发现所有的光源都来自于电磁场的震动光的本质没有任何颜色只有频率上的变化但当光源反射到你的眼中再传输到你的大脑你的大脑创造了主观的颜色这意味着你所看到的身穿红衣的我但这个红色仅存于你的大脑之中你所看见的整个画面仅发生在你的脑海里就像你意识在播放电影而如果你把注意力从我身上移开你会开始注意到你自己那个正在你大脑里看着我的你自己那下面的第二个实验比第一个更加奇妙试着在心里默读这个句子两遍“我能听到我脑海里正在读句子的声音”是不是很诡异之所以诡异是因为你从这个微妙的角度能够客观地观察你的思维你实际听到的是自己在脑袋里给自己的想法配的音试想一下,接下来的数千个小时如果我继续这个实验我会尽可能地客观的观察我的思想、情绪和观念甚至我的大脑对时间和空间的认知越是把注意力从我的思想观念上转移开我越更多地意识到另一个自己正在暗中观察着自己最终我或许可以把注意力从一层又一层的想法、认知、身体和感官中抽出来剩下的只有毫无感知的意识直到什么都不剩我看到了那些摆在眼前曾经属于我的标签并不是我但唯一剩下的只有这种存在的感觉I Am只是一种存在感我发现在这时“我”的定义早已超越了意识可理解的范畴“我”到底是什么虽然令人难以理解但它无时不刻地与我们同在“我”即是宇宙的根源“我”潜藏于我们生命的每一瞬间就像鱼儿可能永远不知道自己游在水中我们可能永远都察觉不到已被层层包裹住的“真实的自己”“我”即是空它完全没有任何的实质性但当我亲身经历过它之后才会有可能意识到或许我不是个“有意识”的“人”或许我是一个“化成人形”的“意识”当我看到这空空如也的“我”既没有故事,也没有形态甚至连时间空间的概念也没有我们其实对此再熟悉不过了137亿年前宇宙中只有未分化的纯粹的能量或许我们会意识到你我就是那个能量从始至终,我们一直都是并且永远都会是能量爱因斯坦曾说:“思想总是被意识的幻觉折磨”这种幻觉让你觉得你是个独立的人但实际上你是无处不在、无时不刻都在运作的能量就像海洋是由流动的水组成我们可以命名海洋其中一片为海浪但这也使我们产生错觉认为这一片海浪是脱离海洋的个体但一片海浪并不在大海之中这一片海浪就是大海同样我们或许也不是海浪而是整片的海洋这样我们能直观地理解我们都是不可分割的能量这种领悟是无法用语言解释的因为是它创造的语言你只能去体会它几千年来,人们试图为其命名有人叫它——灵性开悟据我所知,大约在2500年前已有人类开始意识到我们的本质是能量从此以后所有开悟的人都在说“灵性的开悟会终结人类的痛苦”毋庸置疑这将结束人类的苦难!所有的痛苦都源于个体与整体分离的幻觉幻觉让你觉得你是一个为生存而挣扎的人幻觉让你相信你身体里兆亿的原子只是肉体然而如果我意识到我是能量我的身心只是能量所塑造的短暂的幻影我将欣然地接受死亡我的心智即是幻想因为真实的我将永远是能量而已如果我这样思考那个在我脑海里操控我的声音变得苍白无力从今以后我再也不用被那个声音所控制人生继而变成了一场精彩的游戏我们小时候都有过类似的经历但你可能记不清了多年前,或许在某个海滩当我们建造沙滩城堡时整个世界都不复存在了因为当初的我们心无杂念我们甚至还没学会如何计划所以唯一重要的一刻就是现在我认为这种领悟是如此地至关重要以致于所有的宗教都在试图说服我们它的重要性如果这真的能够终结人类心理上所遭的罪这将是科学史上最伟大的成就从冥想了数千个小时的出家人的脑电图中我们可以看到异常明显的变化上万亿连在一起的神经元结构发生了天翻地覆的改变随着大脑中枢神经量化的、客观的变化他们形容自己有一种无二无别、无穷无尽、混为一体的感觉在我听来,这像是他们直观地体验了作为能量的本质灵性科学必须从古老的冥想和祈祷中研究出如何改变人类大脑的结构才能使人明白他们实际上是能量我们仍不知道还要多先进的科学技术才能使人类彻底醒悟或许在有生之年我们可以结束人类的一切苦难这会是怎样的一个世界:如果世上每一个人都能感到人与人心连心的完整当你不再为了自身而挣扎你人生的着重点即会改变因为你会觉得全世界就是你自身你会把别人的痛苦当作自身的痛苦继而想去帮助他们一个真正想去造福世界的人的力量当他们把众人的利益放在首位即便那意味着要牺牲自己有多少人现在能够做到?如果全世界70亿人都这样做呢?也许阻碍我们解决所有问题的根源在于自己是脱离于世界的个体也许是做出改变的时候了

现在的科学研究中各种实验真的可信吗?

研究表明,吃维生素有利于健康,也有害于健康,最新发现的一种药草可以增强记忆力,或者损害你的肝脏,头条新闻报道了一种前景光明的癌症治疗方法,接着却再也没有提及,每天,我们被吸睛的新闻所轰炸,它们都有科学研究的支持,但这些研究到底是什么,它们是如何进行的,我们怎么知道它们是否可靠,当涉及饮食和医疗信息时,首先需要记住的是,虽然实施在动物或单个细胞上的研究,可以引导未来的研究,但想知道它们如何影响人类的唯一方法,是通过一个有人体参与的研究,当涉及人体研究的时候。科学的黄金标准就是,随机临床试验,或者叫RCT,RCT的关键是人,被试者被随机分配到各个研究组,他们通常是不知情的,这样可以使研究更加严谨,这个过程是为了保证,是研究者想要研究的东西,举个例子,当测试一种全新的治疗头痛的药物时,一太群有头痛间题的人,一大群有头痛间题的人,会被随机分配到两组,另一组得到安慰剂,在正确的随机分配下,两组间,唯一显著的区别,就是他们有没有得到药物。而不是其他会影响结果的因素,随机临床试验是非常有用的工具,事实上,美国食品及药物管理局(FDA),通常要求在新药上市前,要进行至少两次随机临床试验,但是问题是在很多案例里,随机临床试验是不可能的,这可能是因为它不切实际,或者是因为需要过多的志愿者,或者是因为需要过多的志愿者,科学家们使用一种流行病学研究,科学家们使用一种流行病学研究,它简单地观察人们的日常行为,而不是通过随机分配主动参与者,来控制不变量,假设我们想研究,一种市场上的草药成分,是否会引起恶心,我们不会故意给人们。一些可能造成他们恶心的东西,而是找到那些在日常生活中,已经服用了这种成分的人,这个组叫做队列,他们并没有接触过这种成分,接着我们就要比较数据,流行病学研究非常有用,可用于研究几乎任何东西对健康的影响,而不需要直接干扰人们的生活,也不会让人们接触到有潜在危险的东西,那么,我们为什么不依赖这些研究,来研究物质和它们对健康的影响,之间的因果关系,问题是,即使是实施得最好的流行病学研究,也存在内在的缺陷,准确的说是因为被试者。不是被随机分配到他们的组别的,比如在我们的草药研究中,如果队列是由那些因为健康原因,而服用草药成分的人所组成的,他们可能本身就比在另一个组里的人,更有可能感到恶心,或者说队列组有可能,由那些在健康食品商店购物的人组成,由那些在健康食品商店购物的人组成,或者由不同饮食习惯的人组成,或者由那些享有更好的医疗保健的人组成,这些在被研究因素之外,也可能影响到结果的因素,被称为混肴变量,这两个主要的缺陷,加上更多的常规性问题——,比如利益冲突或是选择性地使用数据,能让任何流行病学的发现变得可疑,而一个好的研究必须不厌其烦地,来证明它的研究者采取了必要的步骤。来消除各种类型的错误,但是,即使这些都做到了,流行病学研究的本质,是研究已经存在的不同组别的差异,而不是在相同群体内特意加入差别,这意味着一个单独的研究,只能证明,一种物质和一个健康结果之间的一种关联,而不是一个真的因果联系,最后我想说,流行病学研究在公共健康中起到了非常大的指导作用,警告我们某些严重的健康威胁,比如吸烟、石棉、铅,还有更多,而所有这些研究都指向同一结果,所以,下次你看到一个头条新闻,关于某种全新神奇的治疗,或是关于某种日常用品产生的可怕威胁,试着去看一下原始的研究,去了解流行病学研究和临床试验中内在的局限性,而不是直接跳过去读结论。

天作

中国基础科学研究在世界上到底处于什么水平?

来源:科学大院(ID:kexuedayuan)作者:王贻芳近几年,“基础科学”被提得越来越多,不仅国务院发布了《关于全面加强基础科学研究的若干意见》,华为、阿里、腾讯等知名企业也纷纷加大了对基础科学研究的投入。(图片来源:央视、澎湃等网络截图)随着中国载人飞船、月球探测、量子通信等科技成果的逐渐显现,很多人逐渐认识到加强基础科学研究对国家发展的重大意义。当然,对基础科学缺乏了解、认为其没什么实际用处的也大有人在。中国基础科学研究在世界上到底处于什么水平?我们耗时耗力研究基础科学真的值得吗?大院er就此专访了中国科学院院士、中国科学院高能物理所所长王贻芳。中国科学院院士、中科院高能物理所所长王贻芳(图片来源:必应图库)王贻芳院士是首位获得“基础物理学突破奖”的中国科学家,2012年,他领导的大亚湾反应堆中微子实验发现新的中微子振荡模式,被《科学》杂志列为当年全球十大科学突破。本文根据访谈内容综合整理。中国曾因不重视基础科学吃了大亏什么是基础科学?我认为基础科学应该具有三方面的特征:1.有一定的规律性,反映了自然界的基本规律;2.不能直接应用到实际中,但是它是解决实际问题的基本原理,比如牛顿力学并不能教你怎么盖房子,这是土木工程需要解决的问题,但是牛顿力学是土木工程的基础;3.基础科学内部还有层次性,比如很多领域里虽然有独有的基础研究,但是都离不开数学,所以数学在基础研究里更为基础。(图片来源:veer图库)很多人经常问“基础科学看起来离我们生活非常远,好像没什么实际用处”,这种想法有些急功近利。我们无法说出某个方程、某个定律有什么具体的用途,但是整个科学体系是自洽的,基础研究就像盖房子所需的一块块砖头,虽然你不知道某一块砖有什么用,但如果把这块砖抽掉,房子就会坍塌。包括物理学在内的基础研究是为了让我们认识自然界,如果我们不了解自然,就没有办法发展和利用它。换句话说,基础研究是社会发展的最根本动力。当然,这些是不能即刻带来经济效益的。它带来的更多是短时间不能见效的东西,包括科研水平的提高,即创新能力的提高、人才的培养、对技术的推动和发展等。中国古代虽有四大发明、也有 “勾股定理”等发现,但我们只停在了“发现”阶段,并没有进一步发展出抽象的、纯粹的科学。而早在古希腊时期,西方就出现了几何学、逻辑学等科学,然后通过逻辑推理发展出一整套科学体系。鸦片战争失败后,中国打开大门向西方学习,引进了大量西方技术,购买枪炮,但北洋舰队还是在甲午战争中失败了,为什么?如果没有掌握科学规律,人们就不能举一反三,只能单纯就事论事,那么就永远摆脱不了落后的命运。当时我们只认为学习西方的技术才是有用的,而没有把西方的科学体系引进到中国来。相比之下,日本在明治维新时期不仅买枪、买炮,同时还引进了西方的科学,比中国早几十年建立起了完整的科学体系,以至于中国很多科学名词都是从日本传来的。所以从根本上来说,科学应该是主干,技术是主干上发展出来的枝叶,没有科学只去做技术,最终可能什么也得不到。基础科学水平提升 欧美国家的崛起回看世界历史,欧美国家的崛起也无不与其基础科学水平的提高有关。没有热力学、牛顿力学以及麦克斯韦的电磁学等科学作为基础,两次工业革命根本无从谈起。只知道烧煤的人是没法做出蒸汽机的,必须要有热力学理论的支撑。不把电磁学搞清楚,也不可能有电的应用,如果你去问麦克斯韦他的电磁学方程有什么用,他可能没法想到我们今天享受的科技成就与此有关,包括电和电器都是他奠定的基础。拿高能物理领域来说,在研究过程中产生过很多意想不到的新技术。比如上一代美国最大的加速器“Tevatron”,给我们带来了超导磁铁技术的突破与普及,现在,医院临床所用核磁共振设备中就采用了超导磁铁。Tevatron粒子加速器(图片来源:必应图库)还有伴随我们生活的万维网,很少有人知道,它是谁发明的,实际上万维网也是在高能物理研究过程中产生的。1989年,欧洲的物理学家建设了大型强子对撞机来寻找希格斯粒子,而科学家之间需要相互交流大量的数据和程序,这成为了一个重大的问题。过去,交流依靠的是美国军方发明的E-mail(电子邮件),显然它已经不能满足科学家频繁交流的需求了,于是,欧洲核子研究中心的计算机科学家Tim·Berners-Lee开发出了世界上第一个网页浏览器,架设了第一个网页服务器,推动了万维网的产生,促进了互联网应用的迅速发展。欧洲核子研究中心(图片来源:https://news.cnblogs.com/n/180532/)不仅如此,基础科学还给西方带来了科学的方法论。科学的方法论有两个:一是逻辑推理,二是归纳。古希腊以来,人们总结出一整套推理的方法,而弗朗西斯·培根之后又有了实证科学,西方的科学体系就是建立在归纳推理以及实证等根本支柱上。目前,在我国社会缺乏科学的方法论,所以经常会出现一些违背科学的言论与事件。比如很多人相信各种“大师”们的言论,却没有用科学的思维问一下是不是真的合理、有没有证据支持。如果能通过发展基础科学,让更多人掌握科学的方法论,整个社会将更进一步。除此之外,还有很重要的一点是,基础科学研究是文明的一部分。国家经济发展起来并有一定的基础后,就会发展艺术、音乐、文学以及科学,人们这时就会仰望天空,探索世界是怎么回事、宇宙的根本构成,我们为什么来、将来到什么地方去?这些探索让我们永远有动力追求未知。中国的基础科学在世界上是什么水平?1. 怎么评价一个国家基础科学水平的高低呢?基础科学研究的重要性就体现在它对整个科学领域的影响,一个国家有影响力的基础研究成果越多,这个国家的基础科学水平就越高。如何判断基础研究的成果有没有影响力?看看我们的教科书就会明白。无论学的是数学、物理还是化学,无论是在中学、大学还是研究生阶段,教科书里都会写到一些用科学家名字命名的基础研究成果,这些就是最经典的基础研究,它们会永远流传下去,比如,现代物理学绕不开爱因斯坦的相对论,不可能不用量子力学。当然,还有一些研究成果是被论文引用较多的,虽然也有较强的影响力,但跟写进教科书相比还是差点。到目前为止,我国已有的这些重大科学成果能够写进教科书的几乎没有。2. 中国古往今来的基础科学的水平前面也提到,中国古代没有建立起基础科学的体系,所以中国的基础科学基本就是从“零”开始,经过多年努力,中国的科技水平如今已经在世界高科技领域占有一席之地了。但因为起步较晚,中国基础科学研究跟欧美的发达国家还存在一定差距,教科书中也很少有用中国人名字命名的公式、定理等。近几年有媒体报道说,在国际上,中国的科技论文被引用数排到了第二。这是科技进步的反映,毕竟30多年前中国在国际上有一定影响力的基础科学研究很少,现在能被国际同行认可并引用,算是跨越了一个很大台阶。我们国家善于集中力量办大事,所以我们能够看到某个领域突然冒头,但总体看来依旧是薄弱的。像高能物理领域,其中北京正负电子对撞机,大亚湾中微子实验、江门中微子实验这些成绩,无论是科学还是技术的,使得我们基本上站在国际的平均水平。但我们还要清醒地认识到,中国基础科学研究还有很长的路要走,我们只是某个项目在国际上取得了领先的地位,但若要说整个高能物理,从规模和人员上,我们跟国际上还有相当差距。我们国家必须产生更多的重大成果,而不仅仅是一般成果,这才是质的转变!而质的转变不可能一蹴而就,必然要经历这样一个路径:从几乎为“零”开始到出现大批一般成果,然后才是重大成果。3. 怎样实现从“零”到有的转变呢?首先要摆正心态,不能急功近利,更不能揠苗助长。基础科学具有规律性,需要经过几代、十几代甚至几十代人的共同努力,我们要遵循其发展规律。很多搞基础科学研究的科学家,随着年龄增长可能很难再出新成果,这就需要下一代人才的继续接力。值得开心的是,现在中国做基础科学研究的人才队伍更加壮大,国际交流更加密切,与老一辈科学家相比,年轻一代科学家在国际上的影响力有了很大提升。其次就是人才,基础科学的发展离不开人才。人才怎么来呢?先从教育开始。一所好大学一定有非常强的基础科学实力,无论清华、北大等国内名校,还是国外名校,都是如此。很多大学实力不强,说到底还是基础研究能力不足。很多大学老师只会教学生基本的知识,但有了知识并不代表就有创新能力,创新需要有方法并在实践中锻炼,大学老师不但要教给学生知识,更重要的是教授方法并给学生“练”的机会,知识会过时,但方法永远不会!对于基础科学,最需要的就是培养学生“从无到有”的方法论,要让他们学会做前人未做过的事,这跟培养工程师的思路是不一样的。基础科学承担的任务基本处在“无人区”,都是需要思考别人没解决的问题。有了更多掌握“从无到有”方法论的人,我们社会的整体创新性才能提高。除此之外,基础科学发展也离不开国家的经费投入。在我国的研发经费里面,基础研究的经费比例偏低,只占5%左右,其中包括基础性研究和应用基础研究,和美国相比,我们国家过去三十年真正用于基础科学研究的经费实在是少的可怜。现在我国一些重点研究所、重点大学的基础研究经费已经能达到国际水平,而在10多年前,这可能连发达国家的十分之一都不到,40多年前,大概只有发达国家的百分之一。用别人百分之一的钱,还要做得比别人好,这根本不可能。所以,之前的很多年,我国的基础科学研究落后于发达国家,而现在5%的水平,只能够维持跟跑世界先进水平,但如果我国有未来引领基础科学研究的雄心,就必须加大经费投入。只有大幅度增加基础研究的投入,才能在根本上解决这个问题。到了我们成为了能够产生科学知识、而不只是消费西方产生的科学知识的时候,我们的原始性创新、颠覆性创新,就会源源不断地产生出来了。均衡支持基础研究 发展大科学装置谈到经费投入,很多人可能会问:基础研究领域众多,对国家来说,怎么判断在哪些项目上投得多一点,哪些投得少一点?其实最基本的原则就是要均衡支持,不能因为某个领域是冷门就不支持,某个领域是热门就死命支持,从而影响了全面发展。对于一个国家特别是大国来说,在基础科学方面一定要均衡发展,每个领域都要得到持续的支持。经费投入的研究很复杂,一般需要政府管理部门进行非常精准的专门研究,组织各领域的专家进行研讨,参照国际做法及整个国家基础科学发展的历史来敲定。而均衡支持要注意两个问题。一是不要以“是否有用”来判断。基础科学的领域,一个都不能废弃。20多年前,没人会想到统计学这样一门学科会对今天的人工智能发展起到大作用,如果当时觉得没用就不发展统计学,那今天别人都在发展人工智能时,我们就傻眼了。还有很多年前,有些人认为动物学、植物学是“死掉的科学”,但现在的基因科学都跟这些学科有关。热点过段时间后可能就过时了,盲目地集中投入研究资金也会造成过剩。二是不能盲目跟风。现在美国一大半的科研经费都用于生命科学的研究,超过一半的院士都在从事生命科学研究,所以有的人觉得我们也应该大力发展生命科学,而不是发展物质科学。(图片来源:人民网)这种想法存在很大问题。在基础科学研究方面,国外已经走过的路,我们是很难避开或绕过去的。虽然美国现在大部分的精力在做生命科学,但他们是从探索物质科学的路上走过来的,如果我们跳过了物质科学阶段,直接参与到生命科学的竞争中,就会带来一个很严重的结果:只能买国外的仪器设备。无论哪个学科,研究过程中都离不开各种仪器。这些仪器的基础是物质科学。而我国目前各种科学仪器主要依靠进口,反映了物质科学研究水平及人才不足的缺陷,需要大大加强。为什么物质科学的研究会跟仪器设备有关系呢?在美国,很多仪器设备是商业公司研制出来的。在研制仪器的过程当中需要两个条件,一个是需求,一个是人才。这其中人才尤为重要,但仪器创新方面的人才,学校是很难培养,必须要在科学仪器设备的研制过程中培养。而进行物质科学研究,关注自研设备包括大科学装置的建设,就是培养设备研制人才的一种最好途径。从上世纪五十年代开始,美国就开始研制大科学装置,如今五六十年过去了,在这个过程中孵化了很多仪器设备企业,比如说著名的示波器公司LeCroy(力科),其创始人LeCroy之前是一位高能物理的工程师,长期研发高能物理专用的读出电子学。最后他成立了自己的公司,专注于高速和复杂信号测试设备。现在世界上最好的仪器设备都是国外企业做的,所以他们研究生命科学的条件很优越。但我们中国很多实验室的设备基本都是进口的,说明我们物质科学的基础还很薄弱。如果我们只做生命科学的研究,就要大量进口仪器设备,导致资金外流,对国内的工业发展并无助益,同时还会受制于人。所以中国现在应该大力发展物质科学,特别要关注自研设备,包括大科学装置(注:大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成,建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动,实现重要科学技术目标的大型设施),我们需要在技术和科学目标上都领先的大科学装置,而不是跟随美国的脚步。北京正负电子对撞机(图片来源:https://ke.sogou.com/v224241.htm)大科学装置中的基础科学专用装置,比如我国的正负电子对撞机、聚变堆、专用空间科学卫星、天文望远镜等,具有确定的科学目标,应用范围广泛,投入规模大,技术先进,可以产出重大成果,对学科发展具有重大的引领和带动作用,还有一些溢出效应如重大技术的积累、突破和推广应用,国际合作与技术引进,关键技术人才的培养,企业技术水平与研发能力的提高等,因此在国家创新体系的建设中占有突出的位置。基础科学的竞争也是国力的竞争基础科学的竞争也是国力的竞争,这在高能物理领域表现得尤为明显。单就高能物理领域来说,与发达国家相比,我们总体上处于“并跑”和“跟跑”的水平,与美国、欧洲、日本等相比都有一定的差距。这一点从研究人数对比上也能看出来,我们的研究人员人数与美国相比大概只是其十分之一,跟欧洲比大概是其五分之一,跟日本比可能是其二分之一到三分之一。美国的大科学装置总体来说是从上世纪50年代开始建设,高峰在2000年左右,这50多年的投入、建设、运行等,给他们带来了巨大收益,很多非常重要的技术成果在社会上得到了广泛应用。跟他们相比,我们的北京正负电子对撞机起步较晚,技术上也不是国际领先,基本上是采用国际已有的成熟技术。可以想象,一个科学上、技术上不是最领先的装置,自然在技术的辐射能力方面会有相当的限制。20世纪80年代,建设中的北京正负电子对撞机(图片来源:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/11/420228.shtm)所以,如果要想有所谓国际领先的、重大的技术突破,能够辐射到社会、对国民经济有重大作用,科学装置本身必须是先进的、别人没有的,否则早就被别人辐射完了。我们希望未来有一个高能物理的装置走在欧美前面,这也是我们提出建立“超级对撞机”的原因。如果最终建成,其规模将数倍于目前世界上最大、能量最高的粒子对撞机——建于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC,科学目标和技术创新性自然可以实现。(图源片来:中青在线)2012年希格斯粒子的发现,是国际高能物理发展的转折点,使我们有可能规划这样一个加速器。这是科学上的时机,技术上的时机,也是国家经济实力发展的时机。二十年前,这样大规模的装置想都不敢想,更不可能有钱来做。高能物理这个系统比较庞大,要想做到国际领先首先要有高远的科学目标,这样的目标很多国家都有,但是都会面临重重困难。所以接下来比拼的就是实现这些目标的能力,这里面至少会涉及二三十个技术门类,最后哪怕有一个螺丝钉没拧好,整个系统就可能出问题。加速器转起来还要放探测器,就像显微镜的镜头一样,可以看到整个过程,从而进行数据分析,所以又有人工智能、大数据、计算机、网络等领域参与进来,更不用说背后还有财务、计划、管理、采购等一整套的后勤保障系统。要把整个团队凝合起来,奔向同一个目标,这是包含成百上千人的“团队作战”,这种规模的科学研究体现的就是国力。建这样一个大型设备,能培养出机械、电子、真空、微波等各个领域的创新人才,这里面会有大批科学家、工程师解决大量的技术需求,这些需求很多都是从未出现的,如果能解决,这些人才就是“从无到有”的创新人才。所有的技术发明和科学成果,最先发现的人肯定是有一定的优势。如果只是享受别人的成果,那你就是一个“土豪”,既不能得到大家尊重,也不会很好地掌握知识,也很容易就被别人逐出圈外,夺走财富。而掌握了最前沿的基础科学知识,自然就会有最前沿的技术,从而成为引领全球科技发展的大国。

青春期

这些科学研究有望成为2021年的头条新闻

来源:新浪科技新浪科技讯 北京时间1月7日消息,据国外媒体报道,随着2021年的到来,生物医学科学家仍将继续与致命的疫情作斗争,好让我们的世界恢复如初。尽管新冠病毒带来了各种各样的挑战,各个领域的研究人员却不曾停下脚步,仍朝着重大突破努力前进或积极启动新的项目。欧洲的科学家还必须应对英国退欧之后的局面。与之相反,很多美国的科学家,倒是可能会迎来一个更加有希望的政治环境。在拜登当选总统后,有些研究人员可能会在应对另一个全球危机——气候变化中,发挥重要作用。《科学》杂志的新闻工作人员将为我们呈上他们对2021年在研究与政策领域可能出现的大事件的预期,涉及内容包括保护公海生物多样性到探索古人类的互动方式等等。全球变暖:气候变化评估报告图1:气候变化可能会导致更多干旱,使得山火更加严重。自联合国政府间气候变化专门委员会发布第五份评估报告以来,已经过去了近八年时间。这个由气候科学家志愿者组成的著名机构从1990年开始,一直在记录人类对全球变暖的影响。第六份报告由700多名科学家精心编制,因为疫情而推迟发布。这份报告预期将在今年和明年分期发布,并有望进一步阐明人类对气候变化的影响。新的报告以新一代气候模型和场景为基础,以未放缓的全球变化指标为依据:数据显示海平面上升正在加速;两极冰川迅速融化;还有极端高温、干旱和火灾陆续发生。今年11月份,世界各国将在苏格兰的格拉斯哥大学举行下一个联合国气候峰会,届时各国成员将进一步提高他们对温室气体减排的承诺,并商定巴黎协定的完整规定。在新任总统拜登表示将重新加入巴黎协定之后,美国亦会出席今年的气候峰会。传染性疾病:针对新冠病毒的药物除了针对新冠病毒的大规模疫苗接种之外,制药公司也会在今年着手开发可阻止新冠病毒流行和治疗该传染病症状的药物。即便监管机构最近几周已经批准了一些新的高效疫苗,许多人也接种了其中一种疫苗,但新冠病毒仍未根除。2020年,只有抗病毒药物瑞德西韦和其他少数几种药物对新冠病毒病的治疗表现出有限的疗效。这几种药物最初的开发其实也都是为了治疗其他的疾病。根据领先的制药行业研究机构的数据,为了确定新的候选药物,研究人员已经部署了人工智能和超级计算机,以及已经有超过590种实验药物正在开发中。例如,研究人员十分看好一些化合物,它们可以通过抑制病毒的两种蛋白酶中的一个,来破坏流行病毒的繁殖。鸡尾酒疗法或许可以控制病毒,这种疗法已经成功地用于治疗艾滋病。蛋白酶抑制剂和其他化合物在细胞和动物研究中看起来也十分有前景。但基于人类志愿者的研究才刚刚起步,可能需要数年时间才能通过安全性和有效性评估。行星科学:奔向火星的新型探测器图2:“空中吊车”,一种着陆装置,用于放下重达1吨的NASA探测器,使其在火星表面软着陆。火星的大气层十分稀薄,因此探测器难以有效减速以在火星表面软着陆。过去50年中,人们一共向火星表面发射了18个机器人探测器,其中有八个坠毁。今年,另外两个探测器将再次尝试登陆火星。2月18日,NASA的毅力号火星探测器(大小几乎相当于一辆SUV)将开始它的冒险。着陆时,毅力号将借助降落伞和“空中吊车”平台上的减速火箭,来进行减速。毅力号的目标着陆点位于古老三角洲附近的耶泽罗撞击坑。着陆后,毅力号将采集附近的岩石样本,最后再返回地球。与此同时,中国的“天问一号”也将带着一个轨道飞行器、一个着陆器平台和一个探测器抵达火星。显微镜观察:更清楚地观察蛋白质今年,研究人员的一个目标是提高冷冻电子显微镜(cryo-EM)的分辨率。这项技术旨在用于研究蛋白质的结构,有望帮助我们进一步了解蛋白质在保持人类健康和引发疾病中起到的作用。另一项技术——X射线晶体学,长期以来一直是在3D蛋白质结构内,标测单个原子的黄金标准。但这项技术仅适用于可以晶体化的蛋白质。冷冻电子显微镜则不要求晶体。另外,冷冻电子显微镜的分辨率也在过去十年中得到了稳步提升。2020年,在研究人员使用配备了改进型电子探测器的冷冻电子显微镜和软件,绘制去铁蛋白铁的结构图时,该显微镜已经突破了原子分辨率极限。去铁蛋白铁异常“刚硬”,因此在使用冷冻电子显微镜绘制结构时也更容易保持稳定。接下来,研究人员希望可以绘制稳定性稍差的蛋白质。如果成功,这对结构生物学家而言将是一大福音。他们将可以生成大型蛋白质的详细结构图,以及无法晶体化的多种蛋白质化合物的详细结构图。天文学:韦伯空间望远镜即将发射漫长的等待将很快结束:NASA的旗舰望远镜——詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)曾因各种原因,发射时间数次推迟。终于,这台期待已久的望远镜将于10月31日升空。韦伯空间望远镜是哈勃太空望远镜的后继者,配备6.5米宽的反射镜,聚光能力是哈勃望远镜的六倍。镀金的蜂窝状反射镜可以被冷却,以便收集遥远天体的红外光,调查大爆炸理论的残余红外线证据。韦伯空间望远镜也足够敏感,可以检查附近系外行星的大气层,以寻找生命迹象和收集宇宙中最古老恒星与星系的光线。该望远镜项目耗资88亿美元,预期到项目完成还将花费十几亿美元。项目的发射时间也比原计划推迟了好几年。最近,韦伯空间望远镜完成了最后一系列测试。本月,工程师将最后一次展开设备上的反射镜,打开设备上的多层遮阳板,以确定设备一切正常。等到年中,韦伯空间望远镜将被运往法属圭亚那,然后登上欧洲的亚利安五号火箭,前往下一站目的地:外太空。能源:反应堆将再次用于能源制造世界上最大磁局限融合物理实验反应堆——欧洲联合环状反应堆(JET)将在今年发起一项试验,来产生大量的聚变能。欧洲联合环状反应堆位于英国,是一台托卡马克,即环磁机。它使用强大的磁体来约束热等离子体,从而使原子核碰撞并融合,进而释放能力。升级后,该反应堆将具备新的金属内衬和额外的加热能;在今年的试验中,研究人员会向其注入氢同位素氘和氚(D-T)的有效混合物。这种燃料很少使用,因为氚具有放射性,需要小心处理和清理。这种燃料上一次被使用还是在1997年。当时,欧洲联合环状反应堆在几秒钟内只产生了16兆瓦的能量,远低于反应生成所需的能量。新的试验在一开始不会试图产生更多能量,但会尝试保持更长的反应时间。这个试验将有助于规划大型的国际热核聚变实验反应堆(ITER)。国际热核聚变实验反应堆位于法国,目前正在建设中,拥有和欧洲联合环状反应堆相似的形状和内衬。该反应堆计划于2025年投入使用,但将在2030年代中期之后才会开始使用氘-氚混合燃料。营养学:营养不良儿童的肠道健康图3:一种新的治疗方法可以帮助营养不良的儿童,比如图中这个在孟加拉国罗兴亚难民治疗中心的男孩。数百万营养不良的儿童有望在今年获得帮助。这些儿童虽然获得了适当的营养,也为营养不良接受了治疗,但仍未能完全康复。疫情带来的混乱和失业,更会导致营养不良的儿童数量激增。营养不良的儿童面临的一个问题是肠道微生物组的损坏,这会导致消化系统发育不良。为了修复肠道微生物组,健康专家正在等待孟加拉国的一项研究结果。该研究评估了一种低成本的营养补充品;该营养补充品混合了容易找到的食材,比如鹰嘴豆,香蕉,大豆和花生粉。2019年,该研究团队报告说,在小鼠和猪的实验中,血液标志物的变化表明,该营养补充品可修复肠道。随后,研究团队对60名儿童进行了为期一个月的初步研究。但该研究的持续时间并不足以验证该营养补充品对发育的影响。自此之后,这些研究人员在一项为期三个月的针对更多营养不良儿童的试验中,将新的营养补充品的干预效果与现有的补充品进行了比较。保护:联合国希望保护公海在我们地球上,有三分之二的海洋位于国家主权水域之外。这些公海的生物多样性,几乎没有法律法规的保护。今年,联合国计划确定第一份专门旨在改变该状况的公约。这份公约有望提供一个途径,以在公海上划定海洋保护区域(MPA)。公约草案的措辞还设定了环境影响评估的最低标准,将要求各国在开展可能危害海洋生物的商业活动之前,先对即将开展的活动进行评估。一个新的国际科学技术机构——类似于管理南极洲海洋生物的机构——将审查海洋保护区域的提案。公约草案还提供了一个系统,以管理来自公海海洋生物的基因序列。考古学:古代社会的新线索今年,我们或许可以看到古人类研究领域的新突破,因为研究人员正将古代DNA分析与其他的分子和微生物线索相结合,以研究社会关系和迁徙。科学家将DNA证据与来自蛋白质和同位素的数据、以及来自骨头、牙菌斑和化石粪便中的微化石和病原体的数据相结合。今年,这样的研究可以确定哪些早期凯尔特家族成员继承了财富。这些研究也可以用来确定《圣经》中非利士人的故乡,以及弄清楚欧洲早期盎格鲁-撒克逊人和希腊人的身份,还有中国和埃及的木乃伊身份。公共健康:缩水的疫苗伤害赔偿美国政府原先打算拿出40亿美元资金来补偿因疫苗受到伤害的人。但是,这笔资金在本月可能会继续缩水。特朗普政府提出的更改很有可能会在一月中旬生效。如果人们在不恰当地注射了流感、破伤风和其他疫苗之后肩部受伤,他们想要获得疫苗伤害赔偿时,这个程序可能会更加复杂且耗时。但是,新的规定不会影响因接种新冠病毒疫苗而受伤的那些人,他们需要申请另一个政府赔偿项目。生物医学:癌症药物即将获得批准三十多年来,科学家一直希望使用让KRAS蛋白质失去活性的方法来缩小肿瘤。KRAS蛋白质的生长信号会推动许多癌症类型。人们曾认为,药物对KRAS蛋白质不起作用,部分原因在于KRAS蛋白质上没有明显的口袋可以让抑制剂靶向该蛋白质。但如今,多家公司已经开发出一些化合物,可以靶向某些促癌突变体KRAS蛋白质,并抑制他们的信号。这些药物先是在啮齿动物试验中,接着在癌症患者试验中,已经表现出积极的结果。2020年12月,制药公司安进已经向美国食品和药物管理局(FDA)提出申请,审核该公司的KRAS药物——sotorasib。Sotorasib或许会成为今年该类新型药物中第一个获批准的药物。该药物可能会首先被批准用于治疗部分肺癌患者。另一家公司也计划在今年提交KRAS药物的批准申请。(匀琳)

木偶戏

中国基础科学研究到底处于什么水平?院士道破了真相!

共青团中央有态度 有温度 全网青年都在关注近几年,“基础科学”被提得越来越多,不仅国务院发布了《关于全面加强基础科学研究的若干意见》,各企业也纷纷加大了对基础科学研究的投入。(图片来源:央视、澎湃等网络截图)随着中国载人飞船、月球探测、量子通信等科技成果的逐渐显现,很多人逐渐认识到加强基础科学研究对国家发展的重大意义。当然,对基础科学缺乏了解、认为其没什么实际用处的也大有人在。中国基础科学研究在世界上到底处于什么水平?我们耗时耗力研究基础科学真的值得吗?我们就此专访了中国科学院院士、中国科学院高能物理所所长王贻芳。中国科学院院士、中科院高能物理所所长王贻芳(图片来源:必应图库)王贻芳院士是首位获得“基础物理学突破奖”的中国科学家,2012年,他领导的大亚湾反应堆中微子实验发现新的中微子振荡模式,被《科学》杂志列为当年全球十大科学突破。(本文根据访谈内容综合整理。)中国曾因不重视基础科学吃了大亏什么是基础科学?我认为基础科学应该具有三方面的特征:1.有一定的规律性,反映了自然界的基本规律;2.不能直接应用到实际中,但是它是解决实际问题的基本原理,比如牛顿力学并不能教你怎么盖房子,这是土木工程需要解决的问题,但是牛顿力学是土木工程的基础;3.基础科学内部还有层次性,比如很多领域里虽然有独有的基础研究,但是都离不开数学,所以数学在基础研究里更为基础。(图片来源:veer图库)很多人经常问“基础科学看起来离我们生活非常远,好像没什么实际用处”,这种想法有些急功近利。我们无法说出某个方程、某个定律有什么具体的用途,但是整个科学体系是自洽的,基础研究就像盖房子所需的一块块砖头,虽然你不知道某一块砖有什么用,但如果把这块砖抽掉,房子就会坍塌。包括物理学在内的基础研究是为了让我们认识自然界,如果我们不了解自然,就没有办法发展和利用它。换句话说,基础研究是社会发展的最根本动力。当然,这些是不能即刻带来经济效益的。它带来的更多是短时间不能见效的东西,包括科研水平的提高,即创新能力的提高、人才的培养、对技术的推动和发展等。中国古代虽有四大发明、也有 “勾股定理”等发现,但我们只停在了“发现”阶段,并没有进一步发展出抽象的、纯粹的科学。鸦片战争失败后,中国打开大门向西方学习,引进了大量西方技术,购买枪炮,但北洋舰队还是在甲午战争中失败了,为什么?如果没有掌握科学规律,人们就不能举一反三,只能单纯就事论事,那么就永远摆脱不了落后的命运。当时我们只认为学习西方的技术才是有用的,而没有把科学体系引进到中国来。相比之下,日本在明治维新时期不仅买枪、买炮,同时还引进了西方的科学,比中国早几十年建立起了完整的科学体系,以至于中国很多科学名词都是从日本传来的。所以从根本上来说,科学应该是主干,技术是主干上发展出来的枝叶,没有科学只去做技术,最终可能什么也得不到。基础科学水平提升 欧美国家的崛起回看世界历史,欧美国家的崛起也无不与其基础科学水平的提高有关。没有热力学、牛顿力学以及麦克斯韦的电磁学等科学作为基础,两次工业革命根本无从谈起。只知道烧煤的人是没法做出蒸汽机的,必须要有热力学理论的支撑。不把电磁学搞清楚,也不可能有电的应用,如果你去问麦克斯韦他的电磁学方程有什么用,他可能没法想到我们今天享受的科技成就与此有关,包括电和电器都是他奠定的基础。拿高能物理领域来说,在研究过程中产生过很多意想不到的新技术。比如上一代美国最大的加速器“Tevatron”,给我们带来了超导磁铁技术的突破与普及,现在,医院临床所用核磁共振设备中就采用了超导磁铁。Tevatron粒子加速器(图片来源:必应图库)还有伴随我们生活的万维网,很少有人知道,它是谁发明的,实际上万维网也是在高能物理研究过程中产生的。1989年,欧洲的物理学家建设了大型强子对撞机来寻找希格斯粒子,而科学家之间需要相互交流大量的数据和程序,这成为了一个重大的问题。过去,交流依靠的是美国军方发明的E-mail(电子邮件),显然它已经不能满足科学家频繁交流的需求了,于是,欧洲核子研究中心的计算机科学家Tim·Berners-Lee开发出了世界上第一个网页浏览器,架设了第一个网页服务器,推动了万维网的产生,促进了互联网应用的迅速发展。欧洲核子研究中心(图片来源:https://news.cnblogs.com/n/180532/)不仅如此,基础科学还带来了科学的方法论。科学的方法论有两个:一是逻辑推理,二是归纳。古希腊以来,人们总结出一整套推理的方法,而弗朗西斯培根之后又有了实证科学,科学体系就是建立在归纳推理以及实证等根本支柱上。目前,在我国经常会出现一些违背科学的言论与事件。比如很多人相信各种“大师”们的言论,却没有用科学的思维问一下是不是真的合理、有没有证据支持。如果能通过发展基础科学,让更多人掌握科学的方法论,整个社会将更进一步。除此之外,还有很重要的一点是,基础科学研究是文明的一部分。国家经济发展起来并有一定的基础后,就会发展艺术、音乐、文学以及科学,人们这时就会仰望天空,探索世界是怎么回事、宇宙的根本构成,我们为什么来、将来到什么地方去?这些探索让我们永远有动力追求未知。中国的基础科学在世界上是什么水平?1.怎么评价一个国家基础科学水平的高低呢?基础科学研究的重要性就体现在它对整个科学领域的影响,一个国家有影响力的基础研究成果越多,这个国家的基础科学水平就越高。如何判断基础研究的成果有没有影响力?看看我们的教科书就会明白。无论学的是数学、物理还是化学,无论是在中学、大学还是研究生阶段,教科书里都会写到一些用科学家名字命名的基础研究成果,这些就是最经典的基础研究,它们会永远流传下去,比如,现代物理学绕不开爱因斯坦的相对论,不可能不用量子力学。当然,还有一些研究成果是被论文引用较多的,虽然也有较强的影响力,但跟写进教科书相比还是差点。到目前为止,我国已有的这些重大科学成果能够写进教科书的几乎没有。2. 中国古往今来的基础科学的水平前面也提到,中国古代没有建立起基础科学的体系,所以中国的基础科学基本就是从“零”开始,经过多年努力,中国的科技水平如今已经在世界高科技领域占有一席之地了。但因为起步较晚,中国基础科学研究跟欧美的发达国家还存在一定差距,教科书中也很少有用中国人名字命名的公式、定理等。近几年有媒体报道说,在国际上,中国的科技论文被引用数排到了第二。这是科技进步的反映,毕竟30多年前中国在国际上有一定影响力的基础科学研究很少,现在能被国际同行认可并引用,算是跨越了一个很大台阶。我们国家善于集中力量办大事,所以我们能够看到某个领域突然冒头,但总体看来依旧是薄弱的。像高能物理领域,其中北京正负电子对撞机,大亚湾中微子实验、江门中微子实验这些成绩,无论是科学还是技术的,使得我们基本上站在国际的平均水平。中国基础科学研究还有很长的路要走,我们只是某个项目在国际上取得了领先的地位,但若要说整个高能物理,从规模和人员上,我们跟国际上还有相当差距。我们国家必须产生更多的重大成果,而不仅仅是一般成果,这才是质的转变!而质的转变不可能一蹴而就,必然要经历这样一个路径:从几乎为“零”开始到出现大批一般成果,然后才是重大成果。3. 怎样实现从“零”到有的转变呢?首先要摆正心态,不能急功近利,更不能揠苗助长。基础科学具有规律性,需要经过几代、十几代甚至几十代人的共同努力,我们要遵循其发展规律。很多搞基础科学研究的科学家,随着年龄增长可能很难再出新成果,这就需要下一代人才的继续接力。值得开心的是,现在中国做基础科学研究的人才队伍更加壮大,国际交流更加密切,与老一辈科学家相比,年轻一代科学家在国际上的影响力有了很大提升。其次就是人才,基础科学的发展离不开人才。人才怎么来呢?先从教育开始。一所好大学一定有非常强的基础科学实力,无论清华、北大等国内名校,还是国外名校,都是如此。很多大学实力不强,说到底还是基础研究能力不足。很多大学老师只会教学生基本的知识,但有了知识并不代表就有创新能力,创新需要有方法并在实践中锻炼,大学老师不但要教给学生知识,更重要的是教授方法并给学生“练”的机会,知识会过时,但方法永远不会!对于基础科学,最需要的就是培养学生“从无到有”的方法论,要让他们学会做前人未做过的事,这跟培养工程师的思路是不一样的。基础科学承担的任务基本处在“无人区”,都是需要思考别人没解决的问题。有了更多掌握“从无到有”方法论的人,我们社会的整体创新性才能提高。除此之外,基础科学发展也离不开国家的经费投入。在我国的研发经费里面,基础研究的经费比例偏低,只占5%左右,其中包括基础性研究和应用基础研究,和美国相比,我们国家过去三十年真正用于基础科学研究的经费实在是少的可怜。现在我国一些重点研究所、重点大学的基础研究经费已经能达到国际水平,而在10多年前,这可能连发达国家的十分之一都不到,40多年前,大概只有发达国家的百分之一。用别人百分之一的钱,还要做得比别人好,这根本不可能。所以,之前的很多年,我国的基础科学研究落后于发达国家,而现在5%的水平,只能够维持跟跑世界先进水平,但如果我国有未来引领基础科学研究的雄心,就必须加大经费投入。只有大幅度增加基础研究的投入,才能在根本上解决这个问题。到了我们成为了能够产生科学知识、而不只是消费西方产生的科学知识的时候,我们的原始性创新、颠覆性创新,就会源源不断地产生出来了。均衡支持基础研究 发展大科学装置谈到经费投入,很多人可能会问:基础研究领域众多,对国家来说,怎么判断在哪些项目上投得多一点,哪些投得少一点?其实最基本的原则就是要均衡支持,不能因为某个领域是冷门就不支持,某个领域是热门就死命支持,从而影响了全面发展。对于一个国家特别是大国来说,在基础科学方面一定要均衡发展,每个领域都要得到持续的支持。经费投入的研究很复杂,一般需要政府管理部门进行非常精准的专门研究,组织各领域的专家进行研讨,参照国际做法及整个国家基础科学发展的历史来敲定。而均衡支持要注意两个问题。一是不要以“是否有用”来判断。基础科学的领域,一个都不能废弃。20多年前,没人会想到统计学这样一门学科会对今天的人工智能发展起到大作用,如果当时觉得没用就不发展统计学,那今天别人都在发展人工智能时,我们就傻眼了。还有很多年前,有些人认为动物学、植物学是“死掉的科学”,但现在的基因科学都跟这些学科有关。热点过段时间后可能就过时了,盲目地集中投入研究资金也会造成过剩。二是不能盲目跟风。现在美国一大半的科研经费都用于生命科学的研究,超过一半的院士都在从事生命科学研究,所以有的人觉得我们也应该大力发展生命科学,而不是发展物质科学。(图片来源:人民网)这种想法存在很大问题。在基础科学研究方面,国外已经走过的路,我们是很难避开或绕过去的。虽然美国现在大部分的精力在做生命科学,但他们是从探索物质科学的路上走过来的,如果我们跳过了物质科学阶段,直接参与到生命科学的竞争中,就会带来一个很严重的结果:只能买国外的仪器设备。无论哪个学科,研究过程中都离不开各种仪器。这些仪器的基础是物质科学。而我国目前各种科学仪器主要依靠进口,反映了物质科学研究水平及人才不足的缺陷,需要大大加强。为什么物质科学的研究会跟仪器设备有关系呢?在美国,很多仪器设备是商业公司研制出来的。在研制仪器的过程当中需要两个条件,一个是需求,一个是人才。这其中人才尤为重要,但仪器创新方面的人才,学校是很难培养,必须要在科学仪器设备的研制过程中培养。而进行物质科学研究,关注自研设备包括大科学装置的建设,就是培养设备研制人才的一种最好途径。从上世纪五十年代开始,美国就开始研制大科学装置,如今五六十年过去了,在这个过程中孵化了很多仪器设备企业,比如说著名的示波器公司LeCroy(力科),其创始人LeCroy之前是一位高能物理的工程师,长期研发高能物理专用的读出电子学。最后他成立了自己的公司,专注于高速和复杂信号测试设备。现在世界上最好的仪器设备都是国外企业做的,所以他们研究生命科学的条件很优越。但我们中国很多实验室的设备基本都是进口的,说明我们物质科学的基础还很薄弱。如果我们只做生命科学的研究,就要大量进口仪器设备,导致资金外流,对国内的工业发展并无助益,同时还会受制于人。所以中国现在应该大力发展物质科学,特别要关注自研设备,包括大科学装置(注:大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成,建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动,实现重要科学技术目标的大型设施),我们需要在技术和科学目标上都领先的大科学装置,而不是跟随美国的脚步。北京正负电子对撞机(图片来源:https://ke.sogou.com/v224241.htm)大科学装置中的基础科学专用装置,比如我国的正负电子对撞机、聚变堆、专用空间科学卫星、天文望远镜等,具有确定的科学目标,应用范围广泛,投入规模大,技术先进,可以产出重大成果,对学科发展具有重大的引领和带动作用,还有一些溢出效应如重大技术的积累、突破和推广应用,国际合作与技术引进,关键技术人才的培养,企业技术水平与研发能力的提高等,因此在国家创新体系的建设中占有突出的位置。基础科学的竞争也是国力的竞争基础科学的竞争也是国力的竞争,这在高能物理领域表现得尤为明显。单就高能物理领域来说,与发达国家相比,我们总体上处于“并跑”和“跟跑”的水平,与美国、欧洲、日本等相比都有一定的差距。这一点从研究人数对比上也能看出来,我们的研究人员人数与美国相比大概只是其十分之一,跟欧洲比大概是其五分之一,跟日本比可能是其二分之一到三分之一。美国的大科学装置总体来说是从上世纪50年代开始建设,高峰在2000年左右,这50多年的投入、建设、运行等,给他们带来了巨大收益,很多非常重要的技术成果在社会上得到了广泛应用。跟他们相比,我们的北京正负电子对撞机起步较晚,技术上也不是国际领先,基本上是采用国际已有的成熟技术。可以想象,一个科学上、技术上不是最领先的装置,自然在技术的辐射能力方面会有相当的限制。20世纪80年代,建设中的北京正负电子对撞机(图片来源:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/11/420228.shtm)所以,如果要想有所谓国际领先的、重大的技术突破,能够辐射到社会、对国民经济有重大作用,科学装置本身必须是先进的、别人没有的,否则早就被别人辐射完了。我们希望未来有一个高能物理的装置走在欧美前面,这也是我们提出建立“超级对撞机”的原因。如果最终建成,其规模将数倍于目前世界上最大、能量最高的粒子对撞机——建于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC,科学目标和技术创新性自然可以实现。(图源片来:中青在线)2012年希格斯粒子的发现,是国际高能物理发展的转折点,使我们有可能规划这样一个加速器。这是科学上的时机,技术上的时机,也是国家经济实力发展的时机。二十年前,这样大规模的装置想都不敢想,更不可能有钱来做。高能物理这个系统比较庞大,要想做到国际领先首先要有高远的科学目标,这样的目标很多国家都有,但是都会面临重重困难。所以接下来比拼的就是实现这些目标的能力,这里面至少会涉及二三十个技术门类,最后哪怕有一个螺丝钉没拧好,整个系统就可能出问题。加速器转起来还要放探测器,就像显微镜的镜头一样,可以看到整个过程,从而进行数据分析,所以又有人工智能、大数据、计算机、网络等领域参与进来,更不用说背后还有财务、计划、管理、采购等一整套的后勤保障系统。要把整个团队凝合起来,奔向同一个目标,这是包含成百上千人的“团队作战”,这种规模的科学研究体现的就是国力。建这样一个大型设备,能培养出机械、电子、真空、微波等各个领域的创新人才,这里面会有大批科学家、工程师解决大量的技术需求,这些需求很多都是从未出现的,如果能解决,这些人才就是“从无到有”的创新人才。所有的技术发明和科学成果,最先发现的人肯定是有一定的优势。如果只是享受别人的成果,那你就是一个“土豪”,既不能得到大家尊重,也不会很好地掌握知识,也很容易就被别人逐出圈外,夺走财富。而掌握了最前沿的基础科学知识,自然就会有最前沿的技术,从而成为引领全球科技发展的大国。

水之乡

科学研究怎么就成了盲人摸象?因为科学家们不会提出问题!

很多科学家都喜欢把科学研究比作是盲人摸象,于是很多人就以为盲人摸象就是科学研究的正常方式,这个其实一点也不正常,“盲”首先是一种病,科学研究成了盲人摸象那只能说明是我们的科学家得了病!爱因斯坦曾经说过一句话“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”,而恰恰就在这个环节上我们的科学家们出了大问题,他们不会提出问题,他们提出的问题往往与最终的结论是相反的,这就直接导致了许多科学问题变得异常复杂和难以理解,导致了科学研究变成了盲人摸象。背对结论明眼人也是瞎子!本来向东,走几步就到终点了,而科学家们的问题却把他们引向了西方,最后多绕着地球走了一圈。不是这个世界太复杂而是科学家们把世界搞得太复杂了!图片来源于网络这样的例子在科学上屡见不鲜,比如说基本粒子,科学家们曾经以为物质是由不可分割的基本粒子组成的,他们用了一百多年的时间去寻找那个基本粒子,但结果却发现根本不可能找到那样的粒子,最终他们只能是改变了“基本粒子”这一语词的用法。现在科学上的“基本粒子”这一概念很多时候已经没有了当初那个“不可分割”的意思。心理学和人工智能还在盲人摸象心理学和人工智能都在研究事物的识别问题,诸如人是如何从环境中识别出猫、狗、石头、树木和人的,这个问题非常复杂,至今全世界也都没有真正搞明白。人们没有想到可能是由于我们提反了问题才导致事情这么复杂的,心理学和人工智能可能并没有这么难!误解语言导致科学家们提出的问题总是反的不能准确地理解和使用语言,导致了科学家们提出的问题总是反的。图片来源于网络很多人都不知道,世界观决定了一个人会提出什么样的问题,有什么样的世界观就有什么样的问题。如果你不相信世界上有鬼,你就不会提出鬼是怎样产生的、怎样才能捉住鬼等此类的问题。科学家们提出的问题也是由他们的世界观决定的。不得不承认,我们现有的科学体系很大程度上是建立在唯物主义世界观基础上的,即科学承认存在着一个客观的世界,承认世界上存在着客观的事物。比如说,科学承认我们之所以能够识别出猫、狗、石头、树木和人,是因为这个世界上原本就存在着猫、狗、石头、树木和人,正因如此科学家们才会提出人是如何识别出猫、狗、石头、树木和人等等此类的问题。科学家们没有想到,由于不能准确地理解和使用语言,我们的世界观出了问题,我们的世界观对这个世界的看法是反的!科学家们没有想到没有语词就没有一切没有语词我们就不能言说,就没有一切。没有语词,我们就不能说存在着一个客观世界,不能说这个世界上存在着客观事物,不能说这个世界上原本就存在着猫、狗、石头、树木和人……当然了,没有一切,并不是说被我们叫做客观世界的那个东西就不存在了,不是说万事万物就都消失了,而是说根本就没有这些问题,根本就没有客观世界存在还是不存在,万事万物消失还是不消失这样的问题。没有语词我们所认识的一切啥都不是。没有语词,我们所看到的、听到的……我们所知道的一切就都没有名字,它们啥都不是,不是世界,不是事物,也不是猫、狗、树木和石头……没有语词也就没有问题。如果没有“事物”这一语词,也就不存在人是如何识别事物的这样的问题,如果没有猫、狗、石头等等这些语词,也就不存在人是如何识别出猫、狗和石头的等等的这些问题。事物的识别问题实际上只是个命名的问题人是如何识别事物的?这个问题说简单那也非常简单,说复杂那就是要多复杂就有多复杂。简单或者是复杂并不取决于什么客观世界是简单的还是复杂的,而是取决于人们是如何理解语言和如何理解这个问题的。下面的这张图片,你看见的是两个人脸?还是一个花瓶?图片来源于网络一会儿看是两个人脸,一会儿看又是一个花瓶,对吧?人是怎样识别出人脸或者是花瓶的?这个问题被科学家们搞得非常复杂,一百多年了他们也没有完全搞明白。有兴趣的朋友可以自己去看看相关的科学研究,这里就不再赘述了。实际上,如果你认为事物是客观存在的,认为在这张图片中原本就存在着两个人脸和一个花瓶,并沿着这个思路去进行研究,那麻烦就大了,就像现在的科学一样,你可能再搞一百年也搞不明白。要想搞明白这个问题,我们还得回到根本上来,回到语言上来。前面我们已经说过,没有语词就没有一切。这也就是说,如果没有语词,那么上面的图片中就既没有人脸也没有花瓶,更没有它们是客观存在的还是不存在的说法,如果没有语词,它们就都没有名字,就啥也不是!所以从根本上来讲,事物的识别问题说到底就是一个命名的问题,就是一个如何用语词表达的问题。你看见了什么?这个问题说到底其实最后就是在问 “你如何表达你所看见的东西?”、“你把它们叫什么?” 或者是 “你怎样给你看到的东西命名?” 人是怎样识别出人脸或者是花瓶的?这个问题说到底其实是在问“人是把哪一部分叫人脸哪一部分叫花瓶的?”科学研究将不再是盲人摸象如果我们能够准确地理解语言,能够从语词与世界的关系这个根本点出发理解问题,那么人是如何识别事物的这个心理学和人工智能的难题就没有那么复杂了,对这个问题的研究也将不再是盲人摸象了——我们不认为这个世界上原本有什么大象,还摸什么大象呢?如果我们不认为世界上原本就存在着客观事物,那我们就不再会问“人是如何识别事物的”或者是“人是如何识别出人脸和花瓶的”等等此类的问题,我们将会改变所有问题的问法。把“人是怎样识别出人脸或者是花瓶的”这个问题理解成“人是把哪一部分叫人脸哪一部分叫花瓶的”是不是就简单很多?我们是把图中白色的部分叫花瓶,把两边突出的黑色部分叫做人脸的!从语言的根本点出发,“人对事物的识别有没有受到原来经验的影响”这个心理学问题就变得不仅非常简单而且非常明确:如果你能说出“人脸”和“花瓶”这两个语词,那就说明你原来早就有这两个概念了!换句话说就是:如果你能从图中看出“人脸”和“花瓶”,那就说明你以前必然看见过人脸和花瓶,必然是受到了原来经验的影响。如果没有原来的经验,你是根本不知道自己看见的是什么玩意儿!事物的识别过程前面我们说了,事物的识别问题说到底就是一个命名的问题。下面我们来看看人是如何给事物命名的。人对事物的命名过程可以划分为两个过程:一是规定命名的对象,即明确自己是给哪个对象命名的;二是用语词来表达它。规定对象实际上就是一个划分和组织对象的过程,就是从一个或者一些对象中划分出自己所要命名的对象,这个过程实际上就对应着心理学上所说的知觉的划分和组织。图片来源于网络由此我们可以看出,事物的识别问题其实就是一个划分和组织对象并用相应的语词来表达对象的过程。回到前面的那张图片,一个人到底能够从图片中看见什么并不取决于图片上本来有什么或者本来是什么,而取决于人们是如何划分它们并用什么样的语词来表达它们的这样的两个过程。如果我们用无数的方法去划分它,并且我们还知道划分出来的对象用什么样的语词来表达,那我们就能从那张图片中看见无数的事物。比如说,我们还能看见两条直线和两条曲线,或者说能够看见一条封闭的曲线,等等。如果我们只是划分出了对象,但是却不知道用什么样的语词来表达它,那就说明我们不知道自己看到的是什么东西。这个时候,如果还有表达的需要,那我们就会寻找一些语词来表达它,这种情况下,我们说它是啥它就是啥,我们说看见了啥就是看见了啥。如果没有表达的需要,那我们看到的就啥也不是,或者说我们啥也没有看出来。如何提出问题和确定研究方向既然事物的识别问题说到底就是一个命名的问题,就是一个划分对象和表达对象的过程,那我们就应当把“人是如何认识事物的”这个问题理解为“人是如何划分和表达事物的”,我们就应该这样提出问题:人是如何划分和如何表达事物的?或者是人为什么要这样划分和这样表达?如果我们已经用一个语词表达了对象,那就说明我们已经划分出了这个对象,就说明划分这个对象的方法我们已经使用过了。由此可知,“人是如何划分出人脸和花瓶的?”或者“人是如何识别出猫、狗、树木和石头的?”等等,这种问题的答案一定是在我们已知的范围之内而不在我们未知的领域,我们应当在已知的范围之内寻找这个问题的答案,而不是去研究人的大脑,不是试图从人的大脑里找出那个客观存在的认识过程。