科学对人类最伟大的教训是“如何做错了”


“即使没有人做,权利是对的; 即使每个人都在做错事,也是错的。” –河马的奥古斯丁

对于某些人来说,科学是其中最令人沮丧的学科之一。 一方面,它具有学习世界乃至宇宙如何运转的希望,并且已证明自己比其他任何查询方法都更成功。 但是,另一方面,要正确解决它却非常困难。 科学对它的实践者的要求很高,包括解决问题,实验设置和护理以及数学分析的形式。 历史上没有生死存亡的科学家,每时每刻都把事情做好。 我们在某个方面或另一个方面都犯了错误,但是科学教给您的最大教训不是我们容易犯错,而是当您发现自己错了时如何表现。

自然的四种力(或相互作用),它们的力承载粒子以及受其影响的现象或粒子。 控制微观世界的三个相互作用都比重力要强得多,并且已通过标准模型进行了统一。 这是一项巨大的成就,但这不是终点。 图片来源:Typoform / Nobel Media。

提出科学的世界观并非易事。 您仅从法律开始:可衡量的量之间的简单关系,这些关系似乎与表面没有关系。 力与加速度(牛顿定律),压力与体积(鲍尔定律)或星系的速度与距离(哈勃定律)之间的关系不是科学的顶峰,而仅仅是开始。 注意这些关系并应用它们是重要的一步,因为如果您拥有正确的信息,它可以教会您如何查找未知数量。

1929年对哈勃宇宙膨胀的最初观察,随后进行了更详细但不确定的观察。 图片提供:Robert P. Kirshner(R),Edwin Hubble(L)。

但是,是什么原因导致这些法律像它们那样存在呢? 这些关系是什么的原因是什么? 这就需要更深刻的理解:一个科学的框架,它们是这些量如何相互影响的基础。 牛顿定律的存在是因为在我们的宇宙中动量得以守恒。 博伊耳定律之所以存在,是因为气体是由遵守能量守恒的分子组成的。 哈勃定律的出现是因为宇宙在膨胀。 这些是您可以学习的框架,尽管提出这些框架的人在正确之前都有很多错误的开始。 然而,真正的困难在于下一步。

从遥远的宇宙开始,光从遥远的星系MACSJ2129–1传播了约107亿年,并被此处成像的前景簇镜头,扭曲和放大。 最遥远的星系显得更红,因为它们的光因宇宙的膨胀而红移,这有助于解释我们所测量的哈勃定律。 图片来源:NASA,ESA和S. Toft(哥本哈根大学)致谢:NASA,ESA,M。Postman(STScI)和CLASH团队。

您如何以总体方式将法律和框架组合在一起,以描述大量相关现象? 例如:

  • 在非惯性参考系或引力场中动量如何守恒?
  • 遵循简单守恒规则的大量粒子在宏观水平上如何表现?
  • 宇宙在不断扩展的事实意味着过去……未来?

这要求您从单纯的法律和框架过渡到科学理论。 这就是事情变得非常混乱的地方。

在广义相对论中,引力引起的时空扭曲。 量子宇宙如何与这一理论相一致仍然是一个悬而未决的问题。 图片来源:LIGO / T。 派尔

当然,爱因斯坦的广义相对论回答了第一个问题。 统计力学领域回答第二个问题,然后是大爆炸理论,然后是宇宙的热死问题,回答第三个问题。 我们现在知道:2017年。但是我们并不总是知道这些解决方案,而且,我们知道这些并不是解决所有问题的最终解决方案。 有效的科学理论是您对自然宇宙了解的最高级理解,但与绝对真理并不相同。 这仅仅是当今我们对宇宙的最佳定量描述,并且总是需要修订,改进甚至是革命。

电子一次通过双缝的波形。 如果测量电子通过的“狭缝”,则会破坏此处所示的量子干涉图。 注意,要显示干涉图,需要多个电子。 图片来源:Wikimedia Commons的Tonomura博士和Belsazar。

爱因斯坦的相对论无法解释电子通过双缝隙时引力场发生的变化。 统计力学并没有告诉您如何避免在可以操纵的系统(例如量子计算机)中发生量子退相干。 而且,“大爆炸”并没有解释最终的时空诞生是从哪里来的。 这些物理学的子领域-量子引力,量子信息论和量子宇宙论-都处于萌芽状态,而从事这些研究的最杰出和最聪明的科学家正在左右犯错误。 在任何科学领域中,花很短的时间,您就可以开始提出超越人类知识极限的问题。

IBM的四量子位方电路是计算领域的先驱,它可以使计算机具有足以模拟整个宇宙的强大功能。 但是量子计算领域仍处于起步阶段。 图片来源:IBM研究。

但这正是秘密! 您提出一个相关问题,将其测试出来(通过执行实验,进行观察或测量等),收集全套相关数据,然后查看是否已了解答案。 有时候你会做; 大多数时候你不这样做。 然后,您回去以不同的方式提出该问题,进行测试,看看是否学到新知识。 最终, 希望您获得了足够的知识,可以为您的问题提供确定的答案。 然后,您尝试将各个部分放到一个框架中,或者甚至是一个充满预测能力的成熟理论,从而为您提供可以测量和测试的新现象。

在光层,我们可以观察到太阳最外层的特性,元素和光谱特征。 但是真正发挥核心作用的却是核心过程,这一问题困扰着19世纪和20世纪最伟大的思想家,直到人们了解核聚变为止。 图片提供:NASA的太阳动力学天文台/ GSFC。

科学是认真研究的永无止境的故事,它要求您不断挑战自己的假设,随着新的更好的数据而修改您的理解,并随着时间的推移改进您的方法和想法。 它要求您抛弃那些无法描述现实的框架,理论和想法,无论您发现它们多么优雅或令人信服。 它不仅需要说“我错了”,而且还需要寻找和描述对物理宇宙的描述,该描述比您先前的错误观念更正确。 简而言之,科学教会您在宇宙之前要谦虚,而这样做的方式是不断寻找可以想象得到的一切事物的卓越解释。

宇宙大爆炸之前的最早阶段,为我们今天所看到的一切演变提供了初始条件。 但是要了解我们宇宙的最基本起源,就需要我们走得更远。 图片来源:E。Siegel,图片来自ESA / Planck和DoE / NASA / NSF跨部门CMB研究工作组。

您能想象一个世界,无论证据表明什么,人类都重视学习和修改您的观点,以及坚定不移的坚定信念。 我们在哪里拒绝意识形态推理而支持基于证据的决策? 在何处根据行动的影响和结果而不是其意图来判断行动? 人们为承认自己的错误并在将来做得更好而受到称赞,而不是要求他们成为某些不可逾越的无懈可击的典范?

事实是,有时候我们都是错的。 这就是拥有原创思想的代价; 有意见。 那么,对于我们每个人来说,最大的问题就是我们该怎么做。 尽管有相反的证据,您是否会加倍保留您的原始意见,以寻求证明其理由的方法? 如果您学习了科学必须提供的最重要的课程,您将不会。 相反,您将继续询问有关事情发生的方式和原因以及如何测试自己的想法的问题。 随着时间的推移,您将看到对它们进行修改和改进,并根据全套证据显示的内容来做出决定。 如此之多的虚假借口,我们就知道了。 现在是时候吸取科学所提供的最重要的教训了。 现在该学习了。


现在,《福布斯》(Forbes) 刊登了《爆炸从头 开始 ,并在 Patreon支持者的支持下 ,在《 Medium 》上 重新发布 伊桑(Ethan)撰写了两本书,《 超越银河 》和《 Treknology:从Tricorders到Warp Drive的《星际迷航》