程不时-关于“四科”的演讲-中华网博客

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关于“四科”的演讲
2007-06-04 14:55:44.0
                 72岁在美国坐在27岁时设计的“初教6”上
关于“四科”的演讲
（在上海图书馆作“科普写作系列讲座”中的部分讲稿）
美国有一个作家叫阿瑟.黑利，他是个加拿大人，住在美国，专门写现代科学技术对生活的渗入。他十年写了十本书，这不算多。但是他写的每本书全都畅销，拍成电视剧之后，放映时竟造成旧金山自来水供应紧张。因为放他的电视剧的时候，全城的人都看电视，到电视一结束，全城的人同时上厕所，自来水公司的水都供应不上了。比如他写的《航空港》是写航空的，《汽车城》是讲汽车的，《超载》是写电业的，《烈药》是写制药业的，《最后诊断》是写医疗的。人们会说，像《超载》这种讲发电厂的故事，会有多少读者感兴趣？但是在现代生活中，电业几乎与每个人都有关系。
一般常说，科普，就是普及科学知识。我最近参加一个《XX知识》的杂志编委会，有人在会上说，刊物的名称就叫《知识》，名正言顺地便是要普及知识。实际上仅限于知识的传授是比较狭隘的提法。回顾我自己一生中阅读科普，真正从中获得单纯知识的情况还是比较少的，科普实际上普及着“四科”，即不止科学知识、还有科学思想、科学方法、和科学精神的传授和感染。从科普中接受到科学思想、科学方法和科学精神上的影响，有时会有更深刻和长远的意义。
1、科学技术知识
先说科普要普及知识。这里说的知识，包括科学与技术两个部分。有的文章谈到普及技术知识，完全理解为普及技能，如“如何裁培果树”、“如何配制猪饲料”、“如何结毛线衣”、“如何修理缝纫机”等等。以为讲技术就全是讲这些内容。这种理解是不全面的。
科学与技术，是人类社会发展的两翼，两者互相促进着发展。科学，指研究客观事物本身的规律。也就是“数理化、天地生”。而技术是指应用科学规律来改造客观达到人类的目的，最通常是指工程技术。我们国家就有“科学院”和“工程院”两个院。美国的普林斯宾霍夫担任美国工程院院长的时候访问中国，在上海是由我接待他的。他告诉我说，美国人对“工程院”比对“科学院”更重视，因为工程院会协助美国政府解决例如“火箭出了什么毛病，为什么发不上天”等实际问题。
我国有许多工科大学，如“钢铁学院”、“石油学院”、“航空学院”、“通讯学院”、“造船学院”、“建筑学院”、“哈尔滨工学院”、“西北工业技术大学”、“军事工程学院”、上海、唐山和西安的“交通大学”等等。“清华大学”一个时期也曾是以工程教育为主的。学习工程的队伍，比学习理科的队伍要大很多。
中小学只教数理化。当有的人把“科普”的对象仅仅定位于青少年，把科普的作用仅仅理解为对学校所设课程的辅导的时候，就似乎没有普及工程知识的需要。但是实际上爱好科技的中小学生常常到书店站在柜台边把《无线电》、《航空知识》、《兵工科技》、《舰船知识》等刊物从第一页直看到最后一页。对整个社会而言，包括大学生和从业人员，以及社会各阶层的人员，对于我们的每日生活而言，普及工程技术知识至少是同样重要，甚至还要超过单纯的“数理化，天地生”方面知识的需要。
技术已经深入到今天人们的生活。现代的生活已经不是像《简.爱》或者《呼啸山庄》一类的田园生活，而是充满了很多新的技术因素，在我国的文学作品中还没有得到应有的反映。但是国外的文学作品中新技术的要素成分越来越多，不仅像我在前面讲的美国作家阿瑟.黑利的作品中得到反映，欧美一些“畅销小说”作者甚至把小说的叙事过程中尽量渗进许多技术细节，包括飞机的型号、雷达的探测距离、远洋轮甲板上舱位的排列、手枪的牌号和威力等等都揉进故事的进展中去，一方面制造现代社会生活的氛围，另一方面也使都市读者在耳薰目染之中增加对现代技术发展的感觉。
常有人认为工程师的职能就是执行具体操作。比如电灯不亮了他会修，电视机出故障了他会排除，以为这就是工程师的全部本领。其实，美国工程教育的最高学府MIT（麻省理工学院）把工程师分为四类。第一类是科学家型的工程师，是出思想的，决定方向的。第二类是规划型工程师，一项大的工程交给他，他知道怎么办。第三类是创造发明类的工程师，这一类人特别会出点子，新主意多。比如美国的爱迪生，一辈子有二千多项发明。我国也有“抓斗大王”。港区起吊货物，需要各式各样的抓斗，他都能设计出合用的来。第四类才是操作型工程师。可能操作型的工程师数量最多。部队里士兵的数量最多，但除了士兵还有将帅。
比如第二次世界大战中，日本偷袭珍珠港之后，美国在太平洋各岛屿间急需一种水上飞机来运送作战人员和战争物资。美国的“马丁公司”设计了一种很大的水上飞机，称为“战神号”，正是战事所急需。但是“战神号”试飞后发现存在颤振问题，被禁止飞行。颤震是一种很复杂、需要很深工程理论的问题。马丁只好去找美国的航空权威冯.卡门。冯.卡门说，我给你介绍一个学生吧，他在科学上是一位博士，也有工程师称号。这就是中国人袁绍文。袁绍文来到马丁公司，成为这家公司唯一不是美国国藉的雇员，也是唯一的博士。经过一阵艰苦的攻关，“战神号”按他的计算修改了设计，达到了技术要求，恢复了飞行。后来马丁再次去找冯.卡门说，你能不能再给我推荐几个像袁博士这样的，既懂科学又懂工程的人？
再说像美国的“曼哈顿工程”原子弹工程，在工程上马的时候，任命了一位领军的头儿。当时不但原子弹是什么样子没有人知道，连原子弹工作的介质是固体还是液体也不知道，工作介质需要几公斤还是几吨也不清楚。要钱，政府给拨款；要地方，已经在沙漠里圈出一大块隔离区，要人，你去调。对目标产品的认识还存在这样大的模糊区，但是你要想办法把原子弹搞出来。这不仅是要研制出一个产品，而是要跨越巨大的认识差距，是一个大规模的认识拓展工程。结果他搞出来了。这种任务，给只会执行一般操作性任务的人是完不成的。
所以，科普不应该只看到“数理化、天地生”的纯科学而丢掉技术发展这一块，也不能谈技术只谈具体操作技能，那样不能代表主要的精神。应该更广泛地包罗科技领域内的真正精华，将科学技术本身的魅力展现在读者面前。
2、 科学思想
科学思想有哪些内容？在针对一般居民的科普层面上，往往集中在反对封建迷信方面。
但是，科学思想不止这一个方面。比如，“发展是硬道理”便是一种科学思想。一切不主张发展、而主张停滞、倒退、强调什么顶峰论、宣扬不可喻越等观点，都不是科学的思想。在工程设计界，有一种理论认为设计就是重复实现一种已有的事物，绝对不能有所发展，坚决禁止擅越雷池一步。这种观念不论如何貌似权威，也不能认为是一种科学思想。
科学思想还主张从联系中看问题，反对从孤立的、片面的角度。科学的观点还承认世间的事物有质变和量变两种形式，那种只看到量的积累而忽视事物质的飞跃的是机械论，也是不科学的。
3、科学方法
如果用一条横坐标代表20世纪的一百年，而用纵坐标代表人类在科技方面的积累，那么常规学科的积累大抵表现出一条上升的坡线，到世纪末比世纪初高出很多倍。但是除了常规学科这个基本积层之外，在世纪中叶，即40年代第二次世界大战中，出现一支新的学科，叫做“运筹学”。这样就在常规学科的成就上面，敷出了一块新的楔形增量。而到了60年代，又出现一个新支，叫“系统工程”，在前两层之上，又增加了一个楔形。这三块垒加后形成总的边界线，使20世纪内人类认识世界和改造世界能力，成为一条上扬的抛物线，使科技在20世纪一百年的发展超过了过去几千年。
在常规学科之上新增加的两块，都是科学方法。不但在时间上具有新颖性，还具有特别的重要性，是不应该被忘记的科普内容。
“运筹学”的名称，是一位通古文的中国数学家取的，取自“运筹于帷幄之中”的古语，指古代军队的将帅和军师们在帐蓬中策划着旷野疆场上的战斗。这个名称对一般中国人反而不大好理解真正的含义。它的英文名字“OR”更容易使人直接理解，就是“操作研究”（OperationResearch），专门研究在不增加消耗资源的前提下，如何改善操作方法就可以提高工作的效益。当时欧洲的反法西斯战场，战略物质完全靠美国越过大西洋来运输。美军成立了很多这样的“OR小组”，研究如何使用有限的运输能力达到最大的有效运输，包括如何调度船舶和飞机，使它们尽量减少跑空程等等。慢慢的这种研究扩大到运输之外，涉及到许多类型的工作。
许多问题都有怎么做得更好的问题。设想用一堆长短不齐的木料来做成一只桶，这只桶的容积是由最短的那根木料决定的。要提高桶的容量，只要将最长的那根木料多余的长度截一段，加在最短的那根木料上，还是这些料，桶的容积马上就能提高。
比如当时美国兵在每人的腰带上，都带着一个铝制的饭盒。每次用完餐，都需要洗饭盒。每个战斗单位准备了四盆水，两只用于洗，两只用于涮。但是盆子似乎不够，餐后常常出现排队洗饭盒。于是派一个“OR”小组去研究，看是什么问题，应该如何解决。经过调查，发现每个人洗饭盒的时间长，而涮饭盒的时间短。因此，还是四只盆子，规定将三只用于洗，一只用于涮。这样一调换，排队的现象就消失了。
当时欧洲战场上的战争物资供应，全靠美国越过大西洋运送。德国派了很多潜水艇去攻击美国的船队，打沉了很多船，情况非常惨烈。德国称之为“狼群战术”。美国派飞机去对付潜水艇。潜水艇在水面之下，因为水面反光从舰船上一般看不见，但从飞机上向下很容易看到。但是作战一个时期以后，战果不大。于是派“OR”小组去研究。发现原来攻击潜水艇的深水炸弹，都是按舰上对付藏在深水里的潜水艇设计的。深水炸弹在深水才爆炸，而飞机发现的潜艇都是处在浅海，位置在深水炸弹的威力范围之外。
经过计算，得出攻击浅水的潜艇最佳的爆炸深度应该是多少米。当时的深水炸弹的引爆深度有一个可调的范围。但最浅的引爆深度也比最佳深度要深。当时是战时，深水炸弹的引爆范围来不及更改，便只能把所有深水炸弹的引爆深度统一调到现有范围的最浅处。但就是这样一来，攻击德国潜艇的成效大为提高。不久，德国承受不了巨大的损失而将潜艇撤出战斗，“狼群计划”中止。
这只是两个小故事。战后，在欧洲战场上从事“OR”研究工作的一批人回到美国，用他们的方法对美国的战后经济建设和军事建设带来新的面貌。比如当时从事“OR”的一个青年人，被美国一个走下坡路的汽车公司聘去。他用一套与传统的汽车行业完全不同的管理思路和方法，使这家汽车公司起死回生，他成为当时世界上最年轻的汽车大公司的总裁。后来美国总统肯尼迪上台，被认为是美国历史上最年轻有为的总统，要从全国收罗最优秀的精英来管理国家，别人向他推荐这位汽车公司的年轻总载，肯尼迪就把他掘出来担任了美国国防部长。他就是麦克拉玛拉，在美国的军事工业上推行了“系统工程|”的概念和一整套方法。
在上个世纪60年代，优选法开始盛行。举一个例子：教师手执粉笔在黑板上写字，到后来就剩一个粉笔头。粉笔做得长一些便可以减少耗损率。但是粉笔如果做得太长，便很容易拆断，而折断以后就会出现两个粉笔头。因此粉笔有一个最优的长度，太长和太短都会增加耗损。
实际生活中的粉笔并不是这样设计的，而是一般认可就行了。一般认为的可行，与进行科学优化后的结果比较，对于简单的问题，比如粉笔这种问题，可以发掘出的潜力大约有7%。这一点潜力，不发掘出来便也算了，人们也能接受。但是对复杂的问题，比如对一架飞机的设计，可以发掘出的潜力可能达到30%。这个差距，就可能越过了成功与失败的界线。差30%就可能使整个设计不能达到设计要求，甚至落到不能飞行的范围里去了。一架飞机无非由多少多少吨金属、非金属等材料组合而成。但如何组成大有学问。用同样这些资源，有的国家就组不成一架飞机，或者组成了不能飞。有的公司组成了飞机但性能差得远。可见在如何使用这些资源上大有学问。
后来使用了电子计算机，很多复杂的问题可以在计算机内进行模拟。计算机辅助设计，首先大量应用在航空航天器的设计上。现在世界上一些有名的“计算机辅助设计”的软件，比如CADAM、NASTRAN、CATIA等，最初都是飞机设计软件。计算机的大量快速计算能力，给“系统工程|”带来强有力的硬件软件条件。虚拟仿真成为一种有力的工程设计工具。有些原来需要做出实际的东西在现实生活中来考察的事物，现在可以在虚似的空间里仅凭信息的运算就可以观察到后果。
比如一种大型军用运输机的货舱“长，宽，高”怎么配置。设计运输机的目的在于用最少的飞行架次可以把一个战斗单位运送到某一距离之外的目的地。那么先调查一下，一个机动化师，一共有多少装备，坦克，车辆，火炮，直升机，都是什么尺寸，什么重量，多少数量。然后在计算机内，按任意的顺序随机地往飞机上装。
这种装机过程，不需要真实造出一架飞机，而只要确定一个货舱尺寸及一个装截重量限制，然后完全由计算机在虚拟空间里进行仿真的装机。比如一架飞机装进去几辆坦克，坦克很重，飞机货舱内还有空间，但载重量已经到限度了，这架飞机不能再装别的，只能这样起飞。另一架飞如果装几架直升机，直升机体积很大，但重量很轻。很快容积装满了，重量虽没有到限量也不能再装东西。所以很重的装备和很轻的装备要搭配着装。到底如何搭配才合适，因为装备的数量很多，各种排列组合的数量大很不得了，人工根本排不过来。这个工作可以叫计算机自动进行。叫它任意搭配，最后把一个整师都运走了，便把一共用了多少架次记下来，每一架飞机装的是什么的目录存在电脑里。然后打乱顺序从头再来装第二次。如果这一次总架次比第一次好，就记下更少的总架次，和每一架装载的目录，而把第一次的记录从计算机中冲掉，不保存了。
计算机可以不知疲倦地反复进行这样的装载尝试。技术人员不必陪着，可以回家去睡觉去了。计算机仍然不辞辛劳地整夜连续装机。技术人员第二天早上再来看结果，计算机里保留着最少架次的装机次数，以及最少架次运输方案中每架飞机的装机项目的目录。这样最优的货舱尺寸配置便可以确定下来，并且可以把最优的装机目录打印出来，发到部队去，以后部队转移便可以按这个目录装机，这是几千次几万次装机后得到的最少架次的装机方案。
现代科技界面对理解世界和改造世界的任务，使用了很多新的思路、新的方法。如对复杂事物“取模型”来研究的方法、对内部机制不清的事物进行的“黑箱”研究的方法、对可能取得反馈信息的系统采用“自动控制”、“自适应”、“自学习”的方法、对有多种方案的行为采用优化的方法来求得最佳解、对连续的客体（不论固体或流体）利用计算机的强大计算功能采用“有限元素分析”的方法来代替“囫囵吞枣”的整体研究方法，用计算机的功能来进行复杂系统的虚似摸拟的方法等等。
“系统工程”开发了许多新的方法，但不是成为一种“方法集锦”，不是“论方法”，而是上升到了“方法论”，成为一种“工程哲学”。
我们报刊科普文章或者书藉丛书，对半个多世纪来科学方法的进展反映得不多。这一方面因为我们把科普的重点过份集中在对青少年的科普、对一般居民的科普，和对第一线操作现场的工人和农民的科普，常常忽略了科技工作者、和领导干部都需要的科普。而这些科学方法，正是科技工作者和领导干部最需要普及的。另外，一些科普工作者本身对这些方法不太了解，还以为科普就是反复宣讲老一套的内容，不知道科学技术本身的内涵已经有了很大的扩展。
为此，我曾给一些报纸和刊物写过一些介绍科学方法的文章，也出版过书藉。我觉得从事这些方法研究的，最好积极加入到向全民普及科技最新发展的行列中。
4、科学精神
科普还应该大力宣扬科学精神，使读者的人格得到提升。
科学精神首先表现在对真理的坚持上。在中世纪，人们看到太阳从东边出来，从西边落下去，便说：太阳围地球转。这就是“地心说”。意大利的布鲁诺说，不对，是地球绕着太阳转，他宣传“日心说”。人们说，不准你这么说，要抓起来，用火烧死你！在执行火刑以前，布鲁诺说：“但是，地球还是在转的！”这就是维护真理的精神，威武不能屈的精神。直到已经进入21世纪，当时判处布鲁诺的教廷终予承认说：这个案子判错了。时间过了几百年，真理终予得到了胜利，布鲁诺的冤案得到昭雪。
科学精神还表现在坚持不懈地探索，百折不挠的开拓精神。比如爱迪生为了找到适合于做电灯泡灯丝的材料，试验过六千种不同的材料，包括他的助手的红色的硬胡子，他也试一试。有人说，你试了这么多，毫无进展嘛。他说，怎么毫无进展？我已经知道六千种材料不能用啦。他的方法也许可以提高效率，但最根本的是不懈的探索精神，凭着这种精神，他终于取得了成功。
科学还崇尚一种奉献的精神，一种牺牲的精神。比如居里夫人提炼出了镭，镭可以治病，可以用来治癌。有人对她说，你还不快申请专利，这样，财富就会源源不断地涌到你这里来。但是居里夫人说，科学应该为人类服务。这样，到了老年，她想进一步研究镭却自己买不起镭。这时一位美国女记者到法国采访居里夫人，知道了这件事，在美国的报纸一宣扬，说居里夫人要研究镭但付不出这笔钱，美国妇女们说，我们集体捐钱来买镭送给她。很快这笔钱便捐到了，美国特别邀请居里夫人访问美国，在华盛顿白宫，由美国总统代表美国妇女们赠送给她一克镭。后来，居里夫人的健康还是受到镭的放射性损害。
再比如我国的原子弹元勋邓稼先，他是清华大学毕业的，以后研制原子弹和氢弹。他作出了重要的贡献，也为此付出了健康的代价。这就是一种奉献的精神，一种负责任的科学精神。
2000年12月，上海科技出版社出版了一本叫《世纪智慧》的书，记述了20世纪内21位著名科学家的事绩。我应约写了其中六位，即爱因斯坦、居里夫人、齐奥可夫斯基、莱特兄弟、摩尔根、玻尔。我觉得除了要谈到他们科技上的成就之外，更主要的是应该发掘他们在人文精神方面值得景仰和学习的方面。因为他们在科技上的成就是不可重复的，再重复已经不是创见。但他们在精神上为我们树立起学习的榜样，可以永远激励我们开拓前进。因此我对这六位科学巨人的小传都是按这种精神写的。该书的编辑也注意到了这种写法，比单纯从科学成就方面介绍这些人物对读者更有吸引力。
为了纪念航空诞生一百年，2003年我作为副主编出了一套丛书。其中我个人写了一本书，集中了百年航空中的趣闻轶事，叫《翼海撷英》，专门收集带有人文色彩的、反映在航空发展过程中一些人的奋斗精神的故事。这本书受到读者的欢迎。
科普应当打破仅仅限于知识性普及的理解，而扩大到对科学思想，科学方法和科学精神的宣扬。这些方面的重要性，丝毫不稍逊于知识性内容，相反应该巧妙结合在一起，使科普读物更加丰富，更加生动，更加精彩，更具教益。