小聰明怎麼解決大問題？
撰文 | 吳進遠
責編 | 夏志堅
曾經在網上讀到過一些帖子，將田忌賽馬，曹沖稱象等都貶損為小聰明。但是對於科研工作者而言，在工作中充分有效地發揮自己與他人的小聰明，將一項項小的成果積累成為大的成就，其實可是大智慧呢！而且，科研人員的小聰明也不是憑空產生的，它來源於勤於實踐勤于思考，來源於對科學背景的深刻理解。
在這篇文章中，作者準備通過科研工作中的幾個例子，討論一下小聰明對於解決科研中的實際問題起到的作用。
01
微小電流測量與龍頭漏水
作者在科研工作中遇到過一個測量微小電流的問題。為了檢測加速器部件在周圍產生的放射性，需要一種探測器。當帶電粒子通過探測器時，探測器輸出納安量級的電流，其大小反映放射性的強弱。
通常情況下，要想測量這麼小的電流，需要用低雜訊放大器將輸入信號放大，然後用高精度的模數轉換器轉換為數字信息。這樣的技術設計製作不簡單，調試也比較麻煩。此外，在惡劣環境下工作時，電路的可靠性也不是太理想，不夠皮實。（順便說一句，我見到有的朋友將robust翻譯成為「魯棒」，其實這個詞很多情況下可以翻譯成皮實。）
此外，像低雜訊放大器、高精度模數轉換器這類集成電路，如果性能要求太苛刻，很可能沒有一家公司能夠製造出來。在實際工作中，還經常會出現一些公司提前給出性能數據的狀況，性能指標很好，應用手冊俱全，但想買器件要等18個月以後。你有時甚至等了18個月之後再去查，仍然說需要等18個月後才能買到。因此過分依賴高精技術往往不切合實際。
而一個相對比較皮實但功能略微欠佳的方案，是使用循環積分器將電流值轉換為頻率值。循環積分器能將被測小電流中的電荷積存到一個電容器里，等到電荷積存到一定數量後，會啟動一個邏輯電路，產生一個脈衝，將電容器里的電荷放空。之後電路會再次進入這樣一個積分、放電的循環。脈衝的頻率與電流成正比，電流越大，脈衝頻率越高，因此我們只要用一個計數器，將單位時間內的脈衝個數記錄下來，就可以換算成電流。
這有點兒像一個漏水的水龍頭，要想測量水龍頭的漏水速率需要很高級的水表。不過稍微動動腦筋，我們還能找到另外的辦法。水龍頭漏出的水在其下端不斷積累，積攢到一定體積就會滴下一滴。顯然，滴水的頻率與漏水速率成正比。比如我們在一分鐘里數到水龍頭滴了12滴水，每一滴水大約0.05毫升，則水龍頭的漏水速率大約為每分鐘0.6毫升，或者每秒0.01毫升。
為什麼人們認為這個方案功能欠佳呢？首先是測量速度比較慢，比如水龍頭的例子中，要等一分鐘才能有一個測量結果。其次是精度比較差，比如在同樣的漏水速率情況下，一分鐘里有時可能看到12滴水，有時也可能看到13滴水，這就有了一個8%左右的誤差。第三個問題，這樣測到的漏水速率是一個平均值，漏水的速率在一分鐘內是不是出現了變化，用這個方法無從知道。
但是，只要我們稍微再動一下腦子，就可以想到一個很簡單的改進方案：把數單位時間內水滴的個數，改成測量兩次滴水之間的時間，前面談到的問題就迎刃而解了。原來要一分鐘才能得到一個測量數據，現在只要兩滴水就可以了，測量速率大大提高。時間測量很容易達到百分之一秒精度，兩滴水之間的時間間隔大約5秒，因而整個測量的誤差也可以大大降低。此外由於測量速率提高了，測量漏水速率的變化也變得更容易了。比如第一滴水與第二滴水之間時間間隔為5.0秒，第二滴水到第三滴水之間為5.3秒，我們可以看出漏水速率在5秒中顯著地變化了。
回到作者工作中測量微小電流的問題，我們把通常使用的計數器換成了一個時數轉換器（TDC），以此測量脈衝之間的時間差。這就使一個原來功能略微欠佳的循環積分器方案獲得很大的改進，滿足了實際系統的需要。【關於TDC的原理，參見《知識分子》2018年4月5日文章】
這個改進是典型的小聰明，把屈指計數改成了掐表計時，算不上是個重大改進。然而這樣一個小小的改進，卻解決了實際實驗中的大問題。
02
一隻汽車燈泡的故事
我聽老一輩的物理學家講過一段科研往事，他們製做了一個具有自動記錄功能的儀器。儀器中有一個小反射鏡，待記錄的物理量造成反射鏡微微偏轉。儀器中用一隻手電筒里的小燈泡產生一個光束，照到鏡子上，再反射到一個機械旋轉的捲筒上。捲筒上卡上一張照相紙，光束照到照相紙上的一個點使之曝光。使用的時候，物理量變化使得反射鏡角度變化，從而使光束照到的位置變化。同時捲筒轉動，這樣就可以記錄下物理量隨時間的變化。
理想很豐滿，但現實總是很骨感，這個看上去並不複雜的儀器調試卻總不成功。千辛萬苦做了實驗，然後摸黑取下照相紙，拿到暗室小心地顯影定影。開燈一看，照相紙上白白凈凈，一點感光的痕迹都沒有。
多年前做實驗和我們現在做實驗有很多地方是相通的，遇到不成功不順利就要懷疑一切，直至抓狂懷疑人生。當然與我們現在的同學們不同的是，他們那時沒有懷疑人生這個說法。照相紙沒有感光，要懷疑的事情非常多，是不是照相紙過期了？是不是顯影劑潮解了？會不會是配顯影液的水裡溶解的雜質引起的問題？要不要燒一些蒸餾水試試？
經過反覆試驗，證實照相紙沒有問題，顯影液沒有問題。那麼，會不會是曝光時間不夠呢？於是大家又降低捲筒轉速再試，甚至將捲筒停下來，讓光束在照相紙在一個點曝光幾分鐘乃至半小時。結果仍然沒有感光的跡象。
後來這位老科學家提出，到縣城買個汽車燈泡來試試。結果，汽車燈泡替換了儀器中的手電筒小燈泡，洗出的照片上顯出了黑色的曲線。就靠買一個汽車燈泡這樣的小聰明，他們解決了實踐中遇到的一個大問題，儀器調試圓滿成功。
實驗固然是成功了，但有的年輕人還是想不通。汽車燈泡可能比手電筒小燈泡亮100倍，用汽車燈泡可以使照相紙在很短時間，比如0.1秒內感光。但是，讓手電筒小燈泡照射10秒，這樣時間延長了100倍，二者曝光量應該相同，為什麼照相紙仍然不會感光呢？
這就涉及到下面要談的問題，小聰明來源於對科學的深刻理解。
03
小聰明源於對科學的深刻理解
《知識分子》的讀者，應該不止一次讀到過技術不等於科學這樣一個論題。科學與技術固然是兩個概念，但是二者之間的聯繫非常緊密。如果將二者截然對立，對二者的發展都沒有好處。
科學實驗成功與否，與實驗裝置設計得是否合理有極大的關係。實驗裝置的設計固然屬於技術範疇，但要想確保實驗成功，其設計必須基於對科學原理的深刻理解。實驗裝置好不好主要不在於使用了多高的技術，而在於是不是滿足了科學測量的需求。
在技術上的很多改進，看上去好像是靈機一動的產物，但實際上這背後也離不開對科學原理的深刻理解。比如前面談到的汽車燈泡問題，涉及到對自然現象線性化的局限性以及閾值現象的理解。閾值現象是指，當一個外界作用小於一定量時，某種物理現象或者化學反應不會發生。只有在外界作用的強度高於某一閾值時，現象或反應才會發生。
老科學家當年解釋這個現象的話，我到現在仍然記得。他說，就像我們手上拿了一塊小石頭，如果我們用石頭輕輕地敲玻璃，敲1000次玻璃也不會破，但如果把這1000次的能量集中到一次，玻璃一下就會被打破。
很多自然現象在一定的條件下是可以線性化的。比如感光材料的感光度與曝光強度之間，在一定光強範圍內近似成正比關係。在光線較好的情況下拍照，如果把光圈從5.6調成8，進入鏡頭的光通量降低為原來的一半，使用相同的快門時間，照片的亮度相應變低。但如果將快門時間減慢，比如從1/40秒增加到1/20秒，照片的感光度基本上應該恢復到與原來相同。如果光線很暗，這種簡單的比例關係就不再成立了。也就是說，自然現象的線性化是存在局限的。
科學結論大多是附帶有限制條件的。如果只背理論，忽略實踐，往往容易只記得結論，忘記附帶的限制條件，導致對科學結論的理解囿於膚淺。這種情況下，一個人很容易思想僵化，很難有小聰明光顧。而勤於實踐，有利於對科學結論做批判性地深入思考，從而獲得對自然現象的深入理解。這樣才會在實驗中遇到困難時能經常想出好的點子，解決看上去令人一籌莫展的問題。
04
將小聰明小成果積累成為大成就
在一些領域，經常聽到我們與世界先進水平相差10年、20年、30年、40年乃至50年的說法。不得不指出，這種膨脹化的說法與我們經常批評的盲目自大的說法同樣脫離實際。
毫無疑問應該鼓勵科研人員理性正確地認識到自己的工作與世界先進水平的真實差距，而且應該認識到這種差距在性質上與網上有些文章的說法完全不同。我們做科研工作都是要讀文獻的，當我們讀了很多文獻之後，就會清楚地知道世界先進水準在什麼地方。這種認識差距的過程，不是只有中國的科研人員應該做，事實上，世界上任何一個院校或科研機構的科研人員都在不斷地做。
沒有哪個科研團隊可以在本領域永遠保持第一，任何科研團隊做出一個新的成果，都可以在本領域中的一個小領域暫時成為世界第一。而別的團隊，又會受到啟發，在本領域中或另一個小領域作出更好的成果。科學技術就是在這樣你追我趕的動態變化中逐漸進步的。
具體到每一位科研人員，完全可以根據科研任務的需要，找一個富有挑戰性而又能夠做成的課題。這一點，對於國內與國外的科研人員沒有任何不同。實際上，只要課題選得合適，準備做得充分，有時只要踏踏實實地做一兩年甚至幾個月的實驗，就能做出一個本領域在國際上有價值的成果。
如果你能充分深刻地理解所面臨課題的科學背景，勤于思考，勤於實踐，很有可能會產生一些小聰明，想出若干好點子。比如你可能在你的實驗里換了一個好的催化劑，加快了化學反應，看到了以前不容易看到的現象。比如你可能想到一個土辦法，讓測量中的雜訊干擾自動抵消掉了，獲得了更加清楚的測量結果與變化趨勢。這樣的成果，就不僅僅是有價值，而且是一種創新與發明了。
如果有較大比例的科研人員都能在自己的工作中發揮自己的小聰明，取得一些小成果，那麼把千千萬萬個小成果有效地積累疊加在一起，就完全可以成為一個大成就。其中一些成就，就完全可以像大亞灣中微子實驗，嫦娥四號著陸探測月球背面，時速350公里高鐵自動駕駛等項目一樣，為人類科學技術做出獨特的重大貢獻。
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