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【理论】绅士的报答 ——科学普及的“叙述性诡计”

《科普创作》 李兴春 2018-06-15 16:26

有一个流传很广的笑话:某绅士酷爱看侦探剧,这天他又来到剧院观看一出精彩的侦探剧。剧院的侍者殷勤地为他领座,帮他把衣帽挂到衣帽间,又问他要不要望远镜和点心、香槟等。绅士一心只想好好享受看戏的乐趣,侍者一番大献殷勤没有得到他一分钱的小费。当扑朔迷离的剧情紧张地进行到一半,侍者来到绅士旁边,指着舞台上的一个角色,对着绅士耳朵悄悄地说:“凶手就是那个园丁。”

很多科学普及的方式,就像这个剧院侍者的报复。

爱因斯坦和波兰物理学家英费尔德合著的科普名作《物理学的进化》中就指出,科学家研究自然的工作有点像阅读一本充满奥妙的侦探故事,科学家读自然之书必须由他自己来寻找答案。他不能像某些性急的读者在读侦探小说时所常做的那样,翻到书末先去看故事的结局。科学家倒很乐意这样省事,但实际上科学发现总是充满曲折,因为大自然的案情极端复杂,事实真相总是深藏不露。有很多重要的线索,不一定都能引导科学家到破案的正确方向,比如书中就认为亚里士多德提出了一个有关运动的著名的错误线索:

“推一个物体的力不再推它时,原来运动的物体便归于静止。”

这条线索符合直观现象,适应了亚里士多德时代的科学发展水平,在当时也不能说就是错误的。但它不符合直观现象背后经逻辑推理得出的理想实验,也就不适应近代的科学发展水平,对人们产生了误导。当科学家终于排除错误线索的干扰,找到正确的破案方向使案件真相大白时,自然之书才会更加精彩,所得到的知识也才更加可靠和可贵。比如当伽利略、牛顿等人纠正这条有关运动的错误线索,得到的正确结论就是堪称经典力学基础的惯性定律:

“任何物体,只要没有外力改变它的运动状态,便会永远保持静止或匀速直线运动的状态。”

而爱因斯坦突出了广义相对论用空间定义引力的特点,自己又重新把惯性定律表述为:

“一物体在离开其他物体都足够远时,一直保持静止状态或匀速直线运态。”

这样对于亚里士多德力学来说的正确结论,对于经典力学来说就是错误线索了;对于经典力学来说的正确结论,对于相对论力学来说也是错误线索了。世上没有能一网打尽所有正确结论的绝对真理;正确总是有前提条件的正确,真理也总是有适用范围的真理。相应地,也没有一无是处不可挽回的错误,错误也是有前提条件和适用范围的;曾经的错误也可能在包括更大范围的科学中转化为真理。科学是在不断纠正错误的过程中趋于完善的。

既然科学发现多半要经历这样的曲折过程,那么,科学普及重述这个过程,本应该也这样迷雾重重、一波三折,但很多科学普及工作者却像那些翻到书末先看故事结局的性急的读者一样,急于把最后正确的结果告诉大家,省略掉了破案的过程,从而造成像教科书一样的灌输,这就像剧院侍者对不给小费的绅士的报复,使人们失去了和科学侦探一起参与科学案件侦破的机会,无法体会到在重重迷雾中最后看清真相、抓获真凶的惊奇和刺激,不但大煞风景,也给人留不下什么深刻印象,得不到科学普及的最佳效果,因此这绝非是科学普及的最佳方式。

科学论文一般不承担普及的任务,所以要假定读者已有相当的预备知识,可以跳过很多论证环节;教科书力求简洁直白,不能枝蔓横生罗列很多错误线索,让学生花时间绕弯路才找到正确答案,这对应试教育体制下的学生更不利。但科学普及的作品不是论文、不是教科书,因此完全有可能做到山重水复,曲径通幽,提供给读者所有线索,引导读者亲身参与科学案件的侦破。只有亲身参与的事件才记得牢,只有自己得出的结论才吃得透,这正是所谓“研究性学习”更能引起学生兴趣、使学习效果更好的原因所在。科学普及也要达到这样的目的。

一部科学发现和技术发明史,本来就是各种“大案要案”频发,案发时间可以长到地质变化、生物进化、宇宙演化的漫漫岁月,也可以短到甚至不存在时间——量子纠缠就是即时作用不需要时间的,还可以在倒流的时间里作案;案发地点可以跨越宏观、微观、宇观三级,上天入地无所不至。作案人可以是原子、分子,可以是病毒、细菌,可以是植物、矿物,可以是概率、灾害,也可以是纯能量、非物质。案件性质也是无所不包,有凶杀案(如病毒、细菌致人死亡),有伤害案(如电离辐射对人体组织的伤害),有抢劫案(如自由基氧化“抢劫”其他物质的电子),有绑架案(如夸克禁闭),有盗窃案(如量子隧穿效应就可以是一个密室盗窃案),有诈骗案(如热质、燃素),有失踪案(如著名的“太阳中微子失踪案”),有强奸案(如生物转基因技术),有内部作案(如手性药物的对映异构体),有连环作案(如原子弹的链式反应),有百年难解的悬案(如数学上的黎曼假设、哥德巴赫猜想),有疑云密布的疑案(如“物理学晴空的两朵乌云”),有铁证如山的铁案(如被证明的费马大定理、庞加莱猜想),也有比窦娥还冤的冤案(如日心说)。

如实描写这些科学案件的侦破过程就已经是波澜壮阔了,而好的科学普及作品,即使科学发现过程波澜不惊一帆风顺,也要故布疑阵,有意设置很多障碍,设计很多岔路、弯路、断头路,存心误导,让读者在迷宫中兜几个大圈子才能找到出口。这在侦探和推理小说中就是常用的“叙述性诡计”。科学普及作品的读者其实也和侦探推理小说的读者一样,喜欢被骗,越把他骗得目瞪口呆,他越服气。如果照本宣科把最后的答案直接塞给他,他不但不会领情,反而会打心眼里瞧不起作者。

我们试举一个原子模型的典型例子,就能看出叙述性诡计在科学普及中应该起到什么样的重要作用。

现在很多科普书一上来就告诉人们原子内部结构的真实面目:原子中心有一个坚硬、致密的带正电的核,占了原子的绝大部分质量,却只占原子的很小一点空间。核外有带负电的电子,沿分立的量子化定态轨道绕核旋转,在轨道间跃迁时辐射能量形成原子光谱。电子的负电和原子核的正电相抵消,所以原子整体呈电中性,等等。其实这个真实面目,是一桩科学悬疑大案深深隐藏的案情,是靠很多科学家费尽周折、历尽艰辛才把它查清的。

案发时科学侦探们通过实验掌握的主要事实是:原子并非不可分的整体,还有内部深层结构。原子是中性的,既不带正电也不带负电。原子是稳定的,但又有辐射光谱和放射性。原子内部有带负电的电子,所以还应该有带正电的部分,正负电抵消使原子呈电中性。

科学侦探们需要查清的主要案情是:原子中电子如何分布?数量是多少?原子带正电的部分如何分布?所带正电又如何与电子的负电相互作用?原子为什么能保持稳定?但又有辐射光谱和放射性?

公认的正确答案并不是一开始就被科学侦探们猜到,下面是科学侦探提出的种种错误的破案线索。

线索一:道尔顿实心球原子模型,原子就是一个小小的不可再分的实心球体;

线索二:韦伯带电粒子模型,原子内部有正负带电粒子相对做椭圆运动,这是为了解释安培分子电流假说,事实上也是一种早期的粗略的原子模型;

线索三:开尔文带电实心球原子模型,原子是均匀带正电的实心球体,里面埋藏着带负电的电子;

线索四:汤姆逊“葡萄干布丁”原子模型,原子带正电的部分像一块布丁(果冻或糕点),带负电的电子像葡萄干一样点缀分布在布丁上;

线索五:佩兰有核原子模型,原子中心是带正电的粒子,外面围绕带负电的电子,电子旋转的周期对应于原子辐射的光谱频率;

线索六:长冈半太郎“土星”原子模型,原子中心是带正电的粒子,外面等间隔分布着像土星环一样的电子环;

线索七:勒纳德中性微粒原子模型,原子内的电子和相应正电荷组成“中性微粒”,浮游散布在原子内部空间;

线索八:里兹磁原子模型,原子是一个“磁棒”,电子在其磁场中做螺旋运动,根据经典电磁理论可推算电子运动的频率,得到原子辐射的光谱公式;

线索九:哈斯量子化原子模型,引入量子假设应用于原子结构的汤姆逊“葡萄干布丁”原子模型;

线索十:尼科尔松量子化原子模型,原子是以一定频率振动的普朗克振子,振动频率就是原子辐射的频率;

……

这些模型,虽然都能说明原子某一方面的性质,但不能解释全部事实,比如佩兰有核原子模型和长冈半太郎“土星”原子模型都提出存在原子核,并说明了原子核和电子的正负电荷分布,但不能解释原子的稳定性;又如哈斯量子化原子模型尝试引入量子论说明原子结构,但又立足于错误的汤姆逊“葡萄干布丁”原子模型基础上;尼科尔松量子化原子模型虽然可以立足于有核原子模型引入量子论,却又认为光谱系的各条谱线不是同一个原子发出的,而是很多种化学性质相同、重量相等、内部运动不同的原子发出的,这更不符合实验事实。

只有通过著名的α粒子散射实验确立的卢瑟福有核原子模型,还有玻尔成功地将量子理论应用于卢瑟福有核原子模型,得到定态跃迁原子模型,以及经薛定谔修正完善的电子云原子模型,才最终使案情大白于天下。当然,即使玻尔模型和电子云模型,也不是最完善的原子模型,但至少这是正确的线索,指示了正确的破案方向。

现在对原子模型的科学普及,如果把这些错误的线索都当作多余的东西忽略掉,并不会使介绍的知识简明易懂,反而会使人搞不清来龙去脉,抓不到重点,也全面掌握不了,还丧失了“自居”“代入”为科学家进行科学侦探和研究性学习得到的智力乐趣,更不能举一反三,从成功中积累经验,从错误中吸取教训。如果能很好地利用这些错误线索施展叙述性诡计,让读者也跟着众多科学家做种种猜测,甚至独立做出自己的猜测,最后“抖包袱”一样地揭示唯一的圆满答案,解释了全部事实,读者在恍然大悟的同时,也会对学到的知识深刻领会。

另外,这些错误的线索并非就没有合理的、有价值的成分。比如里兹磁原子模型,假设原子光谱线由磁场作用力决定,磁场又由“分子磁棒”产生,而分子磁棒是圆柱形的电子沿轴旋转,这恰好是多年后才出现的极其重要的电子自旋概念。如果不分好歹一律忽略这些错误线索,就可能“倒洗澡水连澡盆里的孩子一起倒掉”。就算真是全部错得不可救药,失败是成功之母,错误的理论往往也能在反面促使正确的学说产生。

在将来某一天,新的实验事实出现,需要人们用新的理论解释,这些被判了死刑的错误模型说不定哪一个又会死而复生。即使量子力学的整个体系进一步完善了玻尔模型和电子云模型,我们也不敢说这些模型就是原子的真实面目,原子的真实面目很可能是注定无法看清的,因为受制于量子力学的海森堡不确定性原理,我们看到的原子,其实是用我们现有实验方法经过主观选择看到的原子,真实的客观情况如何?我们仍然一无所知。

佩兰有核原子模型和长冈半太郎“土星”原子模型主要就是因为没有引入量子论,解释不了原子的稳定性,假如真有一天,量子力学有一种叫“隐变量”的理论又重新把分立的量子轨道和连续的能量背景有机结合起来,解决了量子力学的完备性问题,用超越量子复归经典的电子运动方式同样解释了原子的稳定性,佩兰有核原子模型和长冈半太郎“土星”原子模型难说不会重新代替玻尔模型和电子云模型。其他领域不乏类似先例,好多被审判定罪的理论假说并不服判,比如因迈克尔逊-莫雷实验提供的证据而被判终生流放的“以太”,被爱因斯坦视为自己一生中最大错误的宇宙学常数,一直都还在向科学的最高法院提起上诉。而另外一些例子,如数学的非欧几何、化学的普劳特假说,都已通过上诉改判,得到平反昭雪。

当然,在没有改判之前,怀疑归怀疑、猜测归猜测,还得执行原判,接受现有多数人认为正确的理论学说。这首先是一种对于科学的“无罪推定”:没有足够证据证明科学是错的,我们就不能说科学是错的,只能像著名科学哲学家波普尔的证伪主义一样认为科学是可证伪的。继而是一种对于科学的“有功推定”:虽然没有足够证据证明科学是对的,甚至像证伪主义一样认为科学是可证伪不可证实的,但因为科学曾经发挥过作用、建立过功劳,我们在现阶段就只能说科学是对的,还得用它。

由此可见,科学普及的叙述性诡计保留多条线索,不但是为了要叙述清楚一门科学的历史,达到正本清源、不掩前人之功的目的,也是为了叙述得引人入胜(干巴巴的编年史式的平铺直叙,自然谈不上诡计),并且通过历史展望未来。有心的读者掌握了多条线索,说不定有一天真能沿着某条线索重新翻案。这个美好的前景,更应该会激励读者将科学案件一查到底。

最后不妨作个有趣的设想,把一开始的剧院侍者报复的故事加以扩充,让其继续发展下去:

不给小费的绅士受到剧院侍者透露剧情的报复后,并不生气,反而微微一笑,把侍者拉坐下来,说:“我知道你也是侦探剧迷,请你陪我一起看完这场戏吧。”侍者用力挣扎也挣不脱,只好坐下来陪绅士一起看戏,他知道绅士又在反过来报复他。他在剧院工作,每天都反复看同一部剧目,再爱看侦探剧,也早看烦了,现在坐下来重看一遍比绅士更受罪。但看着看着,他发现剧情有所变化,最后查出案件真相,凶手竟然不是那个园丁了。

侍者大吃一惊,作为侦探剧迷他得到了新的享受。这时绅士才告诉他:自己其实就是这个侦探剧的剧作者,刚把这个剧重新改写了结局,为了制造意外的轰动效应,演员秘密排练,然后才在剧院里第一次上演。因为自己忘了给殷勤服务的侍者小费,于是想到了用这个特殊的方式报答侍者。否则侍者不知道剧情有变,不会专心看戏,等到这场首演结束,看过的观众免不了会在他面前大加评论。而一对他透露剧情,他自己再看戏也就失去了这份新的享受了。

科学普及的叙述性诡计,就是剧作家绅士的报答。

作者简介

李兴春,阅读和写作爱好者,发表有小说、故事、散文、论文等各种体裁作品近百万字,多次获各种体裁征文比赛奖项。代表作《大航地时代》《天算》《深山练剑记》。

本文转载自《科普创作》2018年第1期。

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