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见微方能知著——谈实验的观察与记录 精选

已有 10695 次阅读 2012-2-12 07:04 |个人分类:教学与科研|系统分类:观点评述|关键词:理论,实验,细节| 实验, 理论, 细节

 

每年的春季,轮到我开“生物医学成像”这门课,第一节课总不免先讲讲生物医学成像的历史。

 

公认的标志着医学成像开端的事件,是那张著名的伦琴夫人带着结婚戒指的手的X光片,该片摄于18951222日,伦琴也因此成为1901年诺贝尔物理学奖的得主,这也是史上第一个诺贝尔奖。伦琴生前任教于德国的维尔茨堡大学,那里的物理系至今还陈列着他的发明。有趣的是,当年伦琴为了赴斯德哥尔摩领奖,必须先得到校方的批准,才能去申请签证,如今,这封申请信也成了永久陈列的一部分。有次维尔茨堡大学的同行来讲学,专门把伦琴写的申请信做了一张幻灯片给我们看,伦琴的语气谦恭之至,似乎在极力说服校方:It is a very prestigious award.

 

伦琴和伦琴夫人的手

我每次讲完伦琴的故事,还会把历史再往前推 200 多年,讲讲荷兰科学家列文虎克的故事。列文虎克自幼丧父,没受过什么正规教育,但他有一大爱好,就是磨透镜,而且手艺一流,无人能与之比肩。他用自己磨出来的透镜做了一台显微镜,这台单镜头的显微镜用现在的标准看简直太简陋了,但放大倍数却有200 倍之多。有了这台显微镜后,列文虎克可有事儿干了,他把能搜集到的各种标本,从动植物到矿石污水,挨着个儿放在显微镜底下给看了个遍。在那个没有数码相机、没有电脑的年代里,他一笔一笔地把在显微镜下观察到的现象仔仔细细地画了出来,寄给伦敦的皇家学会。显微镜为列文虎克打开了看自然的新窗口,他也因此当之无愧地成了“微生物学之父”。然而当荣誉降临的时候,这位手艺人却说:

 

. . . my work, which I've done for a long time, was not pursued in order to gain the praise I now enjoy, but chiefly from a craving after knowledge, which I notice resides in me more than in most other men. And therewithal, whenever I found out anything remarkable, I have thought it my duty to put down my discovery on paper, so that all ingenious people might be informed thereof.

 

第一次读到这个故事时,我觉得这位能耐着性子磨出剔透的镜头、然后又拿着它看东看西的列文虎克老师太可爱了!再看他的观察记录,笔触之精美,细节之丰富,简直就像是件艺术品,令人叹为观止。

 

列文虎克——列氏显微镜——列老师手绘白腊树剖面图

 

无独有偶,到了现代,一位英国的科学家—— 2002 年诺贝尔医学奖得主——约翰•萨尔斯顿在显微镜下面详细跟踪了线虫从胚胎到成虫的全部发育过程,不厌其烦地记录下了线虫的每一个细胞的分裂与分化过程,从而确定了细胞凋亡在生物正常发育中的重要地位。萨尔斯顿在他的 The Common Thread: A Story of Science, Politics, Ethics and the Human Genome 一书中详细讲述了他发现细胞凋亡的整个过程,其间充满了对细节的关注和发现的乐趣。

 

萨尔斯顿——萨老师的书——他的观察记录

 

生物学家如此,物理学家也如是。

 

记得大学时学电磁学,主讲老师姓孙,我们背地里管他叫孙悟空,因为他总是像变戏法似地在黑板上推那些无比繁复的电磁学公式。那些公式我基本上已经一个不拉地还给孙老师了,但他给我们讲的法拉第的故事我却一直记着。他说法拉第总是一丝不苟地记录下所有的实验现象,往往还在一天之末写上一句总结性的话,于是法拉第的实验簿上就经常出现这样的话:

 

今天——没有结果!

今天——没有结果!

……

今天——Eureka!!!

 

法拉第和他的实验室

 

实验物理学家如此,那么对物理理论做出了巨大贡献、被称为给人类带来了“上帝之光”的牛顿呢?

 

我有一位学物理的学长,曾经揣着三封介绍信跑到纽约的公立图书馆,带着一幅白手套翻阅了收藏在那里的牛顿手稿。他后来告诉我们说,牛顿的手稿里有许多稀奇古怪的实验,记录也是无比的详细,而且字迹非常工整。

 

牛顿和牛顿手稿

 

我不知道西方这种观察与记录的传统的源头在哪里,但似乎从出身于农庄的达芬奇,修道院里的孟德尔,美国开国的国父们,到至今仍坚守着彻夜灯火通明的实验室的人们,一代复一代,总有那么一批人在认认真真地观察,不厌其详地记录。这些观察和记录如一滴滴的小水珠,汇成了人类探索认识自然的大江大河。许多人的工作在这大江大河中消失得无影无踪,这些人一辈子既无名也无利。然而有那么几个长了天眼的人,从水珠折射的阳光中看到了自然的美与律,于是便有了令人赞叹不已的简洁、对称、典雅的理论,以及由此衍生出来的技术与发明,它们那样深刻地改变甚至颠覆了我们的生活。

 

相比之下,当科学被我们当作济世救国的良方请进来的时候,我们似乎更看重它结出的果实而忽视了这棵根深蒂固的大树本身了。我们从中学的基础课程到大学的精英教育,都有着重理论轻实验的传统,而且,在考试这根指挥棒下,题海无边,连理论的学习也越来越变成对钻牛角尖式的解题技巧的掌握了。

 

我并不反对打下扎实的理论基础,尤其是看到一些美国学生因为数学基础薄弱而无法入门时。然而,如果对理论的重视是以轻视实验为代价的话,则未免有些本末倒置了。遗憾的是,在相当一部分中国学生身上可以看到这种对实验的轻视,表征之一是认为重复性的实验枯燥,技术含量低,应该由技术员来做,他们只需负责分析数据就行了。殊不知,许多实验你如果不亲自去做的话,便失去了在第一线观察原始数据和细节的机会。这种对实验的偏见造成的直接后果,就是实验记录的马虎与潦草。因为对这样的学生来说,做实验就是一个“等”的过程,而不是一个“观察”的过程,加上如今又有了互联网,等的过程也可以不那么枯燥了。如此,每次实验下来,实验记录空空如也便也不足为奇了。

 

希腊神话里有这么个故事:建造了克利特岛迷宫的能工巧匠狄德勒斯,和儿子伊卡洛斯一起被囚禁在孤岛上。狄德勒斯利用岛上的蜡烛,制作了两副精巧的羽翅,藉此逃离囚禁的命运。然而当伊卡洛斯尝到了飞翔的快乐,越飞越高,向太阳飞去时,太阳的温度把翅膀给融化了。

 

我觉得,扎实的数理基础能给人插上一对飞翔的翅膀,助一个人飞得更高更远。只是不要忘了,所有这些令人痴迷的美妙理论,都是由前人从繁复的自然现象中抽丝剥茧般地萃取提炼出来的。忘掉了这一点而轻视实验,理论的翅膀也就如同腊制一般了。

 

去年我曾介绍过“科学”杂志上一篇名为“发现的算法”的文章,文章的作者是这样看待实验的:

 

Time spent refining methods and design is almost always rewarded. Rigorous attention to such details helps to avert the premature rejection or acceptance of hypotheses. Sometimes, in the process of perfecting one's approach, unexpected discoveries can be made. …… Meticulous testing is a key to generating the kind of reliable information that can lead to new breakthroughs.

 

的确,见微方能知著,细节中蕴藏着发现的契机。

 

科学如此,艺术又何尝不是这样。远的不说,单说科学网上的李学宽、吴飞鹏、苏德辰、陈湘明等大腕儿(出处:张玉秀老师,“哇,这儿,这儿太美了吧?”,我再加上一个——孟津老师),他们那些看了让人心动的摄影作品,许多都是因为捕捉到了常人视而不见的细节。再看他们论及专业与科研的文章,也往往因其新颖独到的视角,或引人深思,或让人感觉耳目一新。察别人所未察,思他人所不思,是这几位老师们的共同特点。

 

所以说,关注细节,pay attention to the details!这句话,是无论怎么强调都不为过的。英语中有句谚语:The devil is in the details.   依我看,还应该再加上半句,so is the beauty. 

 

而关注细节的第一步,就是仔仔细细地观察,一丝不苟地记录。

 

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