科学的科普（6）突破极限 1

张武昌2024年6月21日星期五

前面几个章节讲了科学研究不同于哲学思辨的标志是两大工具的加持：科研仪器（不同于日常人人可得的生活用具、定量测量）和高等数学。科研仪器开始于哥伦布的远洋航行使用的远洋船只（对空间的探索），时间是1492年，高等数学的诞生是1687年。自由探索科学的科学家群体的形成以1660年学会的成立为标志，学术的传播以1665年《学者杂志》（Journal des Scavans）和哲学汇刊Philosophical Transactions的出版为标志，从此，科学正式诞生，开始了成长的历程。

科学研究的两大工具为观测仪器和数学，科学研究的发展依赖观测仪器和数学的发展。科学研究的目的是获得新发现（产生新知识），科学发现都是自然界固有的规律，一般是以发表论文的方式公之于众，供全体人类进行验证并享用由此带来的利益。为了进行观测和制造特定的实验条件，科学家需要利用已知的科学知识研制仪器设备，这一活动是发明创造，可能被用来申请专利而形成对专利方的单方面的利益。设计、制造仪器设备（和生产工具）的能力和方法是技术。由于数学和仪器设备是科研活动的基础，科研活动对仪器设备的依赖越来越强，所以科学和技术常被人们统称为科技。（赠：延伸一句，利用已有的科学技术制造安全的、持久耐用的、经济的装备如房屋、桥梁、飞机、等活动称为工程，这就是科学、技术、工程的关系。）

脉冲式发展

观测仪器是继人类感官之外确定物质是否存在和数量的手段，是人类感官的扩展。科学研究活动可以概括为利用探测工具确定物质在某一时刻在空间是否存在、存在位置、尺寸、排布格局、存在能量状态（固体、液体、气体），上述指标在时间的变化（位置移动称为运动，位置不动而能量状态移动称为衰变），利用数学工具描述变化的过程、如果数学模拟成功，预测将来的行为。

观测仪器和数学的每一次进步都导致一次脉冲式的发展，新的理论刺激人们研发新的仪器，新的仪器催生了新的领域。在新的理论提出之后，许多科学家会进行大量的证实或证伪实验，一旦一个理论被证实（阶段性证实）之后，由此带来爆炸性的技术进步，直至将这一领域的技术红利被开发殆尽，技术的发展导致可以进入新的理论。科学进步和工具进步就像一个武林高手左脚踩右脚、然后右脚踩左脚逐步发展起来。

赠：有些学者将生物大爆炸列为不可理解的事情，认为是对进化论的挑战（否定）。笔者看来，生物进化也是脉冲式的，在新的功能或结构进化出来以后，生物就会爆炸式的分化成不同的物种，生物大爆炸就是进化的一次突破导致生命大爆发。

朝阳学科、夕阳学科、

科技的脉冲式发展也导致了所谓的朝阳学科和夕阳学科，此处的学科不是大学科，而是小的方向。

下面给出个例子，请大家自己品味，此处不展开讲。对撞机是粒子物理的必备工具，刚刚建立之初，有大把的成果，后来发现需要建造能量越来越高的对撞机，就有了下面图中的讨论。

突破极限

科学探索是利用仪器和数学突破我们日常生活所处的空间尺度、时间尺度、能量尺度和物质尺度获得新知识的过程。科学的每一次脉冲式发展的实质就是突破空间、时间、物质、能量的观测和理论极限的探索。观测极限就是仪器边界，理论极限就是数学边界。

观测的极限包括空间尺度的最大和最小，时间尺度的最古、最小、最未来，物质形态尺度的最小和最大，能量尺度的高温、低温。

数学的边界就是无穷大和无穷小。

下面内容有些长，我们分成几篇。

 空间极限

在空间探索方面，人类一直在梦想到达远方，最早的空间探索仪器是1492年哥伦布的远洋船舶，1909年4月6日，美国探险家罗伯特·皮尔里第一个抵达北极点，1911年12月14日，罗阿尔德·阿蒙森到达了南极点。1953年5月29日，英国登山队的新西兰人希拉里和夏尔巴人丹增·诺盖从珠峰南坡登顶，成为目前被认可的最早成功登上珠穆朗玛峰的人。在向深海的探索方面，1960年1月23日，雅克·皮卡德和唐纳德·沃尔什使用的里雅斯特号进入海洋最深处-----位于太平洋的10911米深的马里亚纳海沟。1961年4月12日，加加林首次太空飞行，在108分钟内围绕地球轨道运行4万千米。1965年3月18日，列昂诺夫跟随“上升2号”宇宙飞船进入太空，随后他勇敢地踏出舱门，进入了浩瀚的太空，完成了离舱12分钟的太空行走。阿姆斯特朗于1969年7月21日时成为了第一个踏上月球的宇航员。现在的人类雄心勃勃，正在准备登陆火星。

在人类不能到达的地方，就使用装备和仪器到达。地球科学钻探被称为地球深度望远镜，分为大洋钻探和大陆钻探两部分。大陆超深钻于1970年5月开始实施科拉钻井，共钻进12262米，是迄今最深的科学钻孔。世界上最深的钻井就是位于俄罗斯库页岛上的Odoptu OP-11油井，其深度是达到了12345米，是在2011年的时候所建造。也成功超越了在2008年的时候美国在卡塔尔所创下的阿肖辛油井12289米的纪录，成为世界上钻地最深的油井，也是世界最深钻井，凭借此纪录坐上了“世界第一油井”的宝座。2022年，美国一家名为“Quaise Energy”的公司，宣布要使用“波钻”技术，钻地20公里。

大洋钻探开始于1968年8月，最大深度为海床下2111米，位于东太平洋哥斯达黎加裂谷Costa Rica Rift 的504B钻孔。

1977年9月5日，人类向太空发送了旅行者1号（Voyager 1）探测器，截至2023年1月1日止，它到达离太阳243.7亿千米的距离，2024年4月，旅行者1号还在向地球发送数据。1966年3月1日苏联的“金星”3号探测器在金星上硬着陆。1970年12月15日“金星”7号探测器首次实现了在金星上软着陆。美国的“先驱者-金星”2号探测器于1978年12月9日在金星上软着陆成功。1971年12月2日苏联的“火星”3号探测器首次在火星上实现了软着陆。美国的“海盗”1号和2号探测器分别于1976年7月20日和 9月3日在火星上软着陆成功。2014年北京时间11月13日00:03，欧洲空间局（ESA）的“罗塞塔”号彗星探测器携带的“菲莱”着陆器在目标彗星“67P/丘留莫夫—格拉西缅科”上成功着陆。2020年北京时间2020年10月21日凌晨6点12分，美国宇航局（NASA）发射的OSIRIS-REx（冥王号）探测器，在离开地球四年之后，首次在距离地球超过3.2亿公里的小行星Bennu（贝努）上短暂着陆，并采用了“即取即走”（Touch and Go）的方式采集了一些样品。

下周再谈。