我為什麼要寫《自然規律的探索之旅》

現代教育面臨的最大矛盾是，人類已積累知識的豐富與學生個體的精力有限的矛盾。就拿物理學來說，到目前為止，人類已經建立起一座十分宏偉的物理學大廈，以至於要想完全了解這座大廈，個人要花費的時間和精力是十分巨大的。而不光是物理學，其他學科也同樣是一座座十分宏偉的大廈。這就意味著，每個人由於精力有限，只能選擇其中一座大廈深造，並服務於相應的領域。但問題是，如果一個人完全不了解其他大廈，又很難在社會中與人交流。在這種情況下，我們有兩種選擇。第一種選擇是，每個人從小從零開始攀爬每座大廈，等爬到每座大廈的腰部後，再選擇其中一座大廈專心攀爬。但這種選擇有一個很不好的地方是，每個人除了他選中的大廈，對其他大廈的頂層風景都不了解，而頂層風景又正好是現代社會的樣貌。因此，我們有第二種選擇：每個人也是從小從零開始攀爬每座大廈，但不是一點點腳踏實地地攀爬，而是「跳著」攀爬，等領略到每座大廈的頂層風景後，再選擇其中一座大廈重新細緻地攀爬。如此一來，每個人不光是對他選中的大廈，對其他大廈也有一個整體性的大致了解。對比兩種選擇，許多國家的教育體系選擇的都是後者——學生在中學對每門學科進行一些概括性或科普性的學習，而後在大學選擇一門學科進行系統性的學習。這樣的教育雖然可以在短時間內普及很多知識，但也留下了許多問題。為了搞清這些問題是什麼，我們先來說說現代教育是如何簡化內容使得學生得以「跳著」攀爬每座大廈。

人類的科學成果大都不是直接獲得的。比如，我們現在認為行星繞著太陽轉，如果要直接獲得這個結論，我們應該坐著宇宙飛船飛到太陽系外，然後拿起一個望遠鏡從遠處觀看太陽系內的行星運動。但別說人類到目前為止還沒飛出太陽系，就是在還無法發射衛星的年代，人類就已經掌握了行星的運動規律；再比如，我們現在認為世界是由原子構成的，如果要直接獲得這個結論，我們應該拿個顯微鏡直接看到原子。但別說原子已經小到用任何光學顯微鏡都觀察不到，就是在顯微鏡還沒有誕生的年代，就已經有類似的原子學說產生了。那這些成果是怎麼獲得的呢？它們都是人類根據可觀測現象間接猜測出來的，這個過程非常像一個偵探故事，科學家們作為偵探並沒有直接看到兇手作案的過程，但可以根據一系列作案痕迹來進行猜測。

作為第一項簡化，不管是中學還是大學，我們的教育都把這個猜測的過程給大幅簡化了。這點你可能有感受，在中學的時候，你就學過行星繞著太陽轉、世界是由原子構成的，但教材並未清晰、嚴謹地告訴你人類是如何獲得這些成果的。這項簡化一下就把科學最有魅力的地方給剝去，因為一個偵探故事的最美妙之處從來不是作案的過程，而是偵探根據各種作案痕迹進行探案的過程。

另外，因為中學要求學習的內容廣，而學時又很有限，所以中學還進行了第二項大的簡化——大幅簡化成果的內容。就牛頓力學來說，牛頓力學本身是建立在微積分的基礎之上的，而編製中學物理的人可能認為微積分太難了，所以將微積分從牛頓力學上活生生地剝離開，一下子就把牛頓力學的威力也同時剝去，使得整個緊密而優雅的力學體系變成一個鬆散的花架子。這第二項簡化把科學的第二個有魅力的地方，即對科學理論的簡潔美麗卻又威力巨大的欣賞給剝去了。

這兩項簡化把科學最有魅力的兩個地方給剝去，必定會造成學生對科學的興趣大減，這應該算是最大的問題了。但它們帶來的問題不止於此。

首先，主要由第一項簡化帶來的問題是，學生會發現他雖然學了很多「知識」，但是好像和現實世界聯繫不大，彷彿他們是在研究一堆理論，而不是在研究這個世界。這是因為，在第一項簡化下，我們將現實世界的可觀測現象大幅省略並重點教授理論，且同時由於第二項簡化，理論不夠完整，從而很難解釋現實世界，最終使得理論和實際開始漸漸脫離。而由此帶來的附帶效應是，學生會誤以為科學理論本身就是真理，而忽略了它存在的意義是解釋世界，從而思考的方向不是用理論解釋世界，而是對於理論本身的思辨思考。

接下來，當學生的思考方向被轉向對於理論的思辨思考時，就到了主要由第二項簡化帶來的問題了。由於第二項簡化，理論變得不完整，所以在沒有補全這些不完整內容的情況下，不管學生怎麼思考都無法獲得真切理解。而在思考經常得不到真切理解的情況下，學生要麼開始否定自己並放棄思考，要麼開始漸漸習慣不清晰或不完整的知識，直至無法對清晰與不清晰或者完整與不完整的知識作出區分，從而很難發展出嚴謹的思維，也很難在以後的人生中提高自己。

這些簡化，再加上「已知」背景的強迫，使得我們的教育在本質上變成了灌輸式教育。無論人類社會處於什麼階段，剛出生的孩子幾乎沒有區別，但是他們所要應對的世界或許完全不同。當你將原子學說分別教給一個古希臘的中學生（如果那時有中學生的話）和一個21世紀的中學生時，對於古希臘的中學生而言，他們可以大膽質疑這個原子學說，社會也不會反對他的質疑，因為很多東西都是未知的。但對於21世紀的中學生而言，如果他質疑這個原子學說，他很快就會被告知這就是真理，因為幾百年的科學發展過程說明了這一點。而當這個中學生要求了解這個發展過程的時候，老師們又發現那不是一個中學生可以在限定學時內學習完的，所以索性將原子學說這現代社會共同的世界觀簡化後灌輸到中學生的腦中。

以上說的種種問題引來的矛盾是，人類社會的運行和發展需要學生會思考、會質疑、有嚴謹的思維、懂科學方法，但如果我們為了共同的世界觀採取大幅簡化和禁錮思維的教學方式，教育出來的學生就會缺少這些基本的科學素養。那麼現在的問題是：我們捨得僅僅為了讓孩子們從小繼承「知識」，就讓他們失去開拓知識的能力嗎？

其實仔細想想，這也不是什麼「魚和熊掌不可兼得」的問題。我們完全可以單獨劃分出一小塊區域培養孩子們的科學素養，而後當我們需要向他們普及一些其他的基礎知識時，告訴他們已經離開了那塊區域。有了這樣清晰的劃分後，孩子們既能保留科學素養，又能接受一些基礎知識的普及。而我撰寫《自然規律的探索之旅》系列書（以後簡稱「探索之旅」）的初衷，正是為了開闢這塊區域。

那麼，探索之旅這塊區域和現今的教科書劃分出來的區域有何不同呢？首先，為了一次性解決上面說到過的所有問題，探索之旅做的第一件事情就是背景的轉換——相對於現代教育設定的「已知」的背景，即「人類已經理解了這個世界」的背景，探索之旅設定「未知」的背景，即我們假定對這個世界一無所知。在這樣的背景轉換下，前面說過的第一項簡化無法進行，因為我們不可能在未知的情況下直接獲得那些科學成果，這其中必須要有一個探索的過程。而第二項簡化也很難進行，因為我們得到的成果必須要能解釋現實世界的現象，而大幅簡化的成果很難做到這點。另外，在背景轉換下，我們的孩子們也能像古希臘的孩子們一樣自由地思考和質疑了，因為不再有人告訴他們科學家早就了解一切了！

接下來，你可能會問：我們該在這樣的「未知」背景下研究哪些內容呢？這塊鍛煉學生思維的區域又能劃多大呢？或者換個說法，對於那麼多座大廈，我們該攀爬哪幾座，又能爬到多高的位置呢？（雖然我們是從頭開始建立大廈）

對於該建哪些大廈，原則上我是沒必要給出限制範圍，因為探索之旅的模式幾乎可以拓展到任何一門學科。但是很顯然，我不可能完成所有學科的內容，所以我暫且將對象鎖定在自然界，並且把重點放在物理學上。但因為很多學科都有交叉關係（畢竟學科是人為劃分的，而自然界只有一個），所以或許隨著探索之旅的進發，很多學科都會涉及到。

對於大廈該建多高，我希望可以從最底層的基礎運算開始，一直建立到理論物理學的頂層（最起碼應該到達相對論和量子力學的高度），並且在此過程中介紹自然規律的應用，展現出人類技術的進步過程。而當我以此為大目標寫完第一卷後，我驚奇地發現，探索之旅的模式的效率之高、篇幅之小，完全有可能使其能被引入體制內的基礎教學，而不再僅僅是一個鍛煉學生思維的區域。對此，我可以解釋一下為什麼。我們先從效率的角度來談談：

當你真正開始閱讀探索之旅的時候，你會發現，一旦我們設定了「未知」的背景，學習的過程只能是探索的過程，而探索的過程幾乎都是這樣的：我們先設定一個探索的目標，然後在實現目標的過程中會發現一些問題，我們想辦法解決這些問題，在解決問題的過程中又會發現新問題，我們又想辦法解決新問題，在解決新問題的過程中又會發現新問題……探索之旅基本上就是在設立目標、發現問題、解決問題、發現問題、解決問題中不斷循環。而當你再對比那些設定了「已知」背景的教科書，你會發現它們非常傾向於直接告訴你所有問題的答案以及解決問題的工具，而並不告訴你這些問題是什麼，又該如何運用工具來解決問題。對比這兩種學習方式，你很快會發現前者遠遠優於後者，因為只有當你搞清楚一個問題是什麼、問題意義在哪、該如何運用工具解決問題時，你才知道答案的意義以及工具的使用方法；只有當一個又一個問題被一條為了實現目標的故事線串起來的時候，你才知道每個問題、每個工具、每個答案在其中扮演的角色，你也才發現記憶它們是件非常簡單的事情。而從整個社會的人才需求來說，人才的最重要標誌是發現問題和解決問題的能力，而不是他已經知道了多少已知答案的問題的答案，又或者掌握了多少不懂得使用的工具。

還有一點是，就中國來說，體制內的教育隱含著這樣一個要求：經過九年義務教育後，學生就要有一個對於當今世界的總體認知。這就意味著，在初中，我們就不得不把一些較為前沿的知識，比如原子理論（要說明的是，有時候我說的「前沿知識」或者「頂層風景」是相對於基礎教育而不是現代科學而言的）納入教學範疇，只是將其簡化了；因此，到了高中，我們會發現，這些知識又出現了，我們又要重新學，只不過內容增多了些，系統性增強了些；到了大學，有的學生會發現，這些知識又出現了，只是內容再次增多，系統性再次增強。這樣的重複一方面浪費了很多時間，另一方面大大降低了學生學習的熱情，使得整個教育體系變得非常低效率。而不同於這種階段式教育，探索之旅採取連續式教育，我們將從最接近生活實際的現象開始建立模型，並隨著現象的增多而逐漸改變模型，使其越來越接近現代科學的模型，並在此過程中體現出人類技術的進步過程。除此之外，探索之旅的連續式教育還有一個很好的地方在於，它非常有利於學生們在未來人生中的繼續學習，因為後續的學習可以非常順暢地與前面的學習連接起來。

以上說的都是效率上的問題，而且我還沒說到之前的兩個簡化給體制內的教育帶來的種種效率降低，比如學生興趣的降低以及思考方向的偏差導致的無謂思考……所以你將看到，相對於體制內的教育，探索之旅的效率會非常高。而除了效率高外，我還對其進行了兩個簡化以助其減少篇幅：

第一項簡化是，作為作者，我自己想像最直接的探索過程，而不是重複前人那曲折的探索過程。人類在科學的道路上走了非常多彎路，要麼是因為科學思維有問題，要麼是因為運氣不好，要麼是因為技術水平落後。而我將使用現代人最有效的科學思維進行探索，並且假設我們的運氣足夠好、技術足夠先進（只允許使用原理清楚的技術），如此一來，我們會少走非常多彎路，從而大幅減少篇幅。我之所以這麼做，還有一個原因是，我想把探索之旅寫成一個連貫的偵探故事，並通過這個偵探故事將很多重要的基礎知識系統地串聯起來，而如果我拘束於科學史，就很難做到這一點。有人可能會懷疑這樣做的科學性，對此，我可以這樣辯解：在我已經對這個自然界有一定了解的情況下，我可以判斷自己想像的探索過程是否合理。另外，你也可以從科學史上看到，同樣的研究成果有時可以被不同的科學家通過不同的方式獲得。

第二項簡化是，有時候我將重點關注原理而忽略一些技術問題。這麼做不單單是為了減少篇幅，也是為了突出原理。比如，對於觀測工具的獲得，有時候我只會對工具的製作原理作說明，而不會對工具製作技術一一交代；對於實驗的選擇，有時候我會選擇更能直觀展現原理的理想實驗，而不是那些更易操作的實際實驗；對於觀測的過程，有時候我只會對觀測的原理作說明，而不再具體解釋觀測過程中可能出現的技術問題；對於觀測結果的分析，有時候我只會對分析的原理作說明，同樣不再具體解釋分析過程中可能出現的技術問題。總之，只要是原理上能實現的，我們很經常都當作是可操作的。之後你會看到，只要掌握了原理，這些技術問題總可以通過很多種方法解決——要麼多花點時間精力用複雜技術解決，要麼尋找一個簡單而巧妙的技術解決。

不過還是要承認的是，在以上兩個簡化下，探索之旅無法做到完全真實，它出於自身的系統性、連貫性、趣味性、原理突出性和精簡性等，只可能是一個理想化的探索過程。有時候我甚至認為，探索之旅不算真正的探索過程，而是代表著一種新的學習方式——將思維調到「未知」的背景下，看能否從零探索出所學的知識。你很快會發現，拋開所有思維上的鍛煉，就學習知識或者認識世界來說，這是最佳的方式。

以上已經說了非常多探索之旅的優點，但如果我們想將這種模式引入學校，我們仍然面臨一個關鍵的問題：我們能否在有限的基礎教育時間內，讓探索的進程足夠接近現代社會？

就中國而言，對於上一代人來說，這是幾乎不可能的，因為當時教育的普及度不夠高，有很大一部分人上了初中後就輟學了，所以基礎教育的時長對於很多人來說只有九年（這也是我們採取階段式教育的原因）。但是隨著時代的進步，教育的普及度變得越來越高，大多數孩子都能上高中、大學了，在這種情況下，我們能夠掌握的基礎教育時長就大大增加了，也就意味著探索之旅的連續式教育有可能進行到較為接近現代社會的階段。再退一步講，如果我們做不到這點，我們也可以在一些課程的結尾處添加一部分科普性質的內容，來幫助學生們了解更加前沿些的知識。而對於這種科普，有時候我們可以在制定了「遊戲規則」的情況下，仍然使用探索的方式進行，正如我在第一卷最後一章中所做的。

接下來，當你開始閱讀探索之旅的時候，你可能還會意識到這樣一個問題：探索之旅從一開始就必須追求嚴謹和完整，所以一開始就涉及比較複雜的猜測和推理過程，這就要求讀者有閱讀的耐心、思考的專註以及一定的領悟力。但是問題是：如果將其引入學校，對剛剛接觸科學的學生而言，他們真的可以承受這些嗎？

往壞的方向想，如果我們對於大多數學生的領悟力和耐心的估計過高，或許探索之旅只適合一小部分人群。但是往好的方向想，其實相比大人來說，孩子們有很多先天的優勢：好奇心強、熱愛思考，並且不受太多先入為主的知識和觀念影響，從而思維更加自由，經歷的探索過程也將更加充滿未知和樂趣……這些先天的優勢正好是探索之旅最需要的，因此，相對於大人們來說，孩子們或許會更加適應探索之旅的模式。

還有一個不為絕大多數人察覺的道理是——深奧往往就是簡單。我想你可能有過這樣的感受：當一個人為了照顧你的理解力而將一件事情簡化後告訴你，你往往會發現這件事情並不好理解；而一旦他非常詳細地告訴你這件事情的方方面面，你會發現這件事情也就那樣。探索之旅正是如此，它並不避諱猜測和推理過程中可能出現的複雜性，但結果往往是讓問題變得更易理解也更加簡單。

最後一點很重要的是，探索之旅是留於紙面的，無法帶領孩子們親身體驗探索的過程，而體制內的教育有更多的資源，可以通過老師們聲情並茂的授課、給孩子們配備實驗儀器、帶領孩子們走進大自然，甚至是用高科技的模擬設備模擬任何場景等，讓孩子們更加真實、生動地經歷這個探索過程。所以一旦我們將探索之旅的模式引入學校，或許之前提出的問題便不復存在了。而且話說回來，探索之旅存在的一大意義就是培養孩子們的那些科學素養！

我之所以撰寫探索之旅，除了為我們的教育提供多一種選擇，還出於這樣一個原因：人類在這幾千年的探索中，已經把表面上能探索的幾乎都探索完了，剩下的要麼是需要專業知識背景的人員才能進行的小型技術創新，要麼是動輒幾百個科學家花費幾億美元合作的大型科研項目。對任何個體而言，別說走向探索的前沿了，就是消化完一小個科學領域的知識都得花上半輩子。但問題是，人類天生喜歡探索未知，而在門檻如此高的情況下，我們該如何享受到這種快樂呢？

現在，我們面臨的一個機會是，或許這個問題可以通過教育問題的解決而一同解決。一個非常簡單、有效的方法是，我們聚集一群非常有想像力的科學家甚至是小說家，為我們的孩子們和任何一個普通人精心設計一整個連貫又十分吸引人的偵探故事，以一整套完全足以自學的教材體現出來。只要教材寫得足夠好、足夠吸引人，就能在很大程度上讓所有地區的孩子享受到同樣好的教育，也能讓任何一個普通人感受到探索的快樂；而相比聚集一群人進行創作的方法，或許更好的方法是建立起有效的競爭機制，促進各行各業的優秀人才進行教材的創作，讓學生或讀者篩選最為吸引人、最優秀的作品，並最終通過系統整合的方式形成一個新的教育體系。探索之旅是在物理學方面對這種探索式教材進行的嘗試，對於更多學科的嘗試，以及更加系統的新教育體系的構建，還需要更多人的努力。

目前第一卷已經出版，並剛剛在京東和噹噹上架。以下是第一卷的介紹：

《第一卷》簡介