编者注：

12年前，刚刚从中国科学技术大学毕业、正在德克萨斯大学奥斯汀分校读研究生二年级的李同藏，在网络文章《For Folk》中编辑了六道普通大学物理题。科学爱好者”。在文章的最后，他留下了一个电子邮件地址。现就职于美国普渡大学的李同藏表示，这些年他收到了很多“民间科普爱好者”的来信，但他不需要回复，“因为他们不知道如何做那些事”问题。”

李同藏写上述文章的初衷是“民间科学爱好者”有探索科学知识的热情，但缺乏有效的科学探索方法。因此，他简要介绍了亚里士多德、牛顿、爱因斯坦的研究方法，并指出调查和学习现有知识是自主创新的第一步；写作时，不要用现有的名称重命名事物。新的宇宙理论或对相对论的批评应该有一个数学公式，并且计算结果应该与现有的实验一致。我们还编写了6个关于物质结构和相对论的习题，供科学爱好者自我评价。

近日，因一篇备受争议的“不收费”论文，舆论再次关注“民间科学”话题。李同藏对上述文章进行了修改并授权知识分子发表，希望能帮助有关“民间科学”的讨论回归到正常的科学层面。

作者|李同藏（美国普渡大学电气工程与计算机科学系物理与天文系助理教授、博士生导师）

编辑|李晓明

三年前，有人在中国科学技术大学校园公开了他关于热力学第二定律的研究。那是我第一次接触民间科普爱好者。这位科学爱好者探索科学真谛的热情深深感动了所有人，但他对现有相关知识的冷漠却令人震惊。最近读了很多民间科普爱好者写的论文，发现有些人很有才华，敢于质疑、敢于创新。但由于基础知识不足，他们的研究还停留在中世纪的水平，这是遗憾的。虽然我是一名民间科学爱好者，但在创造新理论、发明新事物时，需要尽可能避免科研误区，以免浪费时间和精力。因此，笔者写此文，旨在与广大科学爱好者共同探讨更有效的科学探索方法。

1.亚里士多德、牛顿和爱因斯坦

很多民间科学爱好者都渴望拥有自己原创的理论或已有的理论，成为著名的科学家。那么，历史上的著名科学家是如何研究的呢？为什么人们会接受他们的理论？

亚里士多德

亚里士多德是人类几千年来最伟大的科学家之一，也是哲学、物理学、生物学、心理学等学科的鼻祖。可以说，人类的整个理性思维和科学发展都受到他的影响。亚里士多德于公元前384年出生于一个富裕的家庭。他的父亲是马其顿国王的医生。他从小就受到了良好的教育。 17岁进入著名的柏拉图学院，后来成为亚历山大大帝的老师。亚里士多德收集了大量的生物信息，对许多动植物做出了惊人的观察和记录。与此同时，亚历山大大帝在环游世界时，给亚里士多德送去了许多动植物标本。今天的许多动物之所以以亚里士多德的名字命名，是因为他在两千多年前的深入观察和详细记录。正是由于他独特的条件，他对当时已有知识的了解，他对事物的仔细观察和勤奋思考，亚里士多德取得了如此伟大的成就。

牛顿

牛顿1642年出生于英国，是世界著名的物理学家、天文学家和数学家。他小时候喜欢制作机械玩具，中学时受到化学实验的影响。牛顿1661年进入剑桥大学，广泛研究了许多代代相传的名著。这一时期，牛顿掌握了算术和三角学，研究了欧几里得的《几何原理》，阅读了开普勒的《光学》、笛卡尔的《几何与哲学原理》、伽利略的《几何原理》和伽利略的《几何原理》。哥白尼对话录等，这为牛顿的研究奠定了坚实的基础。可以说，牛顿的科学成就不仅与他的智慧有关，而且与他对当时最新科学成果的广泛深入的研究和掌握有关。任何研究都应该基于以前的工作。著名的牛顿三定律是基于伽利略等人的实验结果；万有引力的公式需要利用开普勒的实验定律推导出来。自牛顿以来，物理学已成为可以定量计算的精确科学模型。利用牛顿力学，人们可以精确地计算行星轨道并计算建筑材料的应力。牛顿之所以享有盛誉，是因为他的计算与当时的陆地实验和天文观测相一致！

【姓名】阿尔伯特爱因斯坦（犹太理论物理学家）

爱因斯坦1879年出生于德国。爱因斯坦从小就喜欢雕刻。 12岁时，他读完了欧几里得的《几何原理》，并自己导出了许多公式。在别人的指导下，他还阅读了12册自然科学通俗读物，对动物学、植物学、天文、地理学有了基本的了解。这本书包含对光速等自然现象的分析。通过阅读，了解这种自然现象对他建立相对论具有根本意义。在大学期间，爱因斯坦阅读了德国著名物理学家基尔霍夫和赫兹的著作，研究了麦克斯韦的电磁理论和马赫力学，并经常去理论物理教授的家中寻求建议。此外，他大部分时间都在实验室里进行实验，痴迷于直接观察和测量。爱因斯坦也进行了自己的实验来寻找以太的存在。 1902年进入伯尔尼专利局后，爱因斯坦广泛关注物理学的前沿发展，对许多问题进行了深入思考，并形成了自己的见解。 1905年，爱因斯坦发表了6篇论文，在3个领域做出了4项划时代的贡献。他写了三篇关于液体中悬浮粒子的运动（布朗运动）的论文，三年后佩林的实验证实了这一点。佩兰获得诺贝尔奖。爱因斯坦提出了光量子假说并解释了光电效应，并因此获得了诺贝尔奖。他还撰写了《论运动物体的电动力学》，全面提出了狭义相对论。根据狭义相对论，他推导出质量与能量的等价：e=MC。该公式已被核物理和粒子物理实验广泛证实，是核能利用最重要的理论基础。几年后，爱因斯坦也提出了广义相对论。广义相对论的许多计算结果被实验证实，开启了宇宙学研究的新纪元。

一个好的科学理论最重要的是能够指导人们的生活实践。评价一个科学理论，我们不仅要知道这个理论的内容，还要知道我们在这个理论的指导下得到了什么。 1945年美国原子弹的爆炸，一扫很多科学家对相对论的怀疑和犹豫！大家都很尊敬爱因斯坦，因为根据他的理论，人们做了很多以前做不到的事情！如果相对论完全错误，那如何解释原子弹的存在和航天工业的发展呢？

2、自主创新首先要了解已有的相关知识。

从亚里士多德、牛顿、爱因斯坦的成长和研究经历中不难发现，这些著名科学家对当时已有的科学成就有着全面而深入的认识。广大民间科普爱好者要想自主创新，还需要了解现有的相关知识。如果不了解现有的科学知识，做研究就像盲人摸象。你知道你的理论与某种现象是一致的，但你不知道它违反了其他实验。偶尔得出正确的结论，感觉自己获得了巨大的成功。发现了，却不知道几百年前也得出了同样的结论。因此，调查和学习相关知识是自主创新的第一步。

了解您已经知道的内容可以帮助您避免使用现有名称重命名事物。不要用已有的名字重命名东西，首先要尊重别人的研究成果。只有第一次发现某个物体的人，才有资格为其命名。如果你不尊重别人的研究成果，就很难指望别人尊重你的研究。不要用现有的名称重命名事物，也是为了方便沟通。如果有一个物体，每个人都会给它一个不同的名字。所以在沟通的时候，没有人知道对方在说什么。因此，为了便于交流，也为了让别人了解你的研究成果，你不能对论文中已有的名称进行重命名。为了避免用已有的名字重命名事物，你需要了解相关的知识。当你做出“新发现”时，首先要对已有的相关知识进行广泛的研究，并确认别人是否研究过！

从牛顿开始，物理学已经成为一门可以定量计算的精确科学。其规律基本上用数学公式来表达，可以给出与实验一致的计算结果。精确计算是现代物理理论的精髓。例如，根据量子电动力学，理论计算出的电子磁矩为1.00115965246个单位（这个数字称为狄拉克数），而精确的实验测量的电子磁矩为1.0015965221个单位。理论值和实验值的差距仅仅只有二十五亿！

如果你想创造一个新的宇宙理论或者批判相对论，你必须有数学公式，并且计算结果必须与现有的实验一致。新的宇宙理论至少应该能够计算出行星的轨道以及如何向月球发射航天器。不然你的新理论还不如300多年前创立的牛顿力学有效。

对宇宙的纯逻辑研究只能算是哲学思辨，而不是现代科学。仅从逻辑角度批判现代科学理论也是无力的，因为现代科学理论不仅有实验基础，而且在应用过程中也取得了良好的效果。比如热力学第二定律、相对论中的光速恒定原理，都是实验定律。在新的实验证明它们在某些条件下并不成立之前，纯粹从哲学角度批评它们是无效的。

因此，民间科普爱好者想要研究宇宙和相对论，就必须了解现有的相关知识；提出的新理论必须有数学公式，计算结果不能与现有实验相矛盾，并且必须能够预测新实验的结果。

3.关于物质结构和相对论的六个问题

专业科学家在学习过程中会做大量的计算题，并通过考试来检验他们对知识的掌握程度。由于条件有限，民间科普爱好者很少做题和考试不及格，因此不知道自己的水平。为了方便大家评价自己的知识，特编辑了以下六个问题。这些问题所涉及的内容都可以直接通过实验来证实。如果这六题你做不到，也不要灰心，而是通过查阅资料来学习和掌握。如果你现在能做这些题，请不要提及有关宇宙构成的新理论，因为你的理论可能以前被别人提过，但你只是不知道；并且不要批评相对论，因为你还不了解它，批评是无能为力的。

关于物质结构的三个问题

一

将10克氢气和10克氧气混合并充分燃烧。你得到多少克水？

这是中学化学的内容，很多中学生都知道怎么做实验验证。所以在你创建你的理论之前，你需要知道如何计算这个，以免你的理论与此相矛盾并被嘲笑。

2

Oxygen-15是一种放射性同位素，半衰期为2分钟。 99.9% 的氧15 原子核衰变需要多长时间[2]？

这是高中物理的内容。该问题的计算结果是氧15的医学应用的基础。 Oxygen-15广泛应用于医学。标记水和二氧化碳可用于脑血流测量和心肌耗氧量定量分析，标记氧还可用于检测肿瘤坏死。

三

电子处于向上的均匀磁场中，磁场强度为1 特斯拉。电子自旋向上和自旋向下状态之间的能量差是多少[3]？

自旋是粒子的基本属性，也是现代物理学的基本概念。目前，计算机硬盘的磁头通过检测电子的自旋来读取数据。如果你做不到这道题，就不要尝试建立新的物质结构理论。

关于相对论的三个问题[4]

一

根据相对论的质能关系，在核反应中，如果损失1公斤质量，会释放出多少能量？

相对论的质能关系已被核物理和粒子物理的大量实验所充分证实，是原子能利用的理论基础。如果你认为相对论是错误的，你需要解释为什么现在有原子弹和核电站。

1945年，美国在长崎投下一枚核武器，爆炸后产生了高达18公里的蘑菇云。来源：pexels

2

一颗以3公里/秒的速度绕地球运行的卫星从地面接收站正上方发射频率为51014赫兹的激光信号。由于相对论效应，地面接收站接收到的信号频率与卫星发射的51014 Hz频率有什么区别？

在垂直于光运动方向的方向上，观察到的辐射频率小于静止光源的频率。这称为横向多普勒效应，是相对论时滞效应的证据之一。横向多普勒效应已被艾夫斯-史迪威实验所证实，在航空航天技术和全球定位系统中发挥着重要作用。如果你认为相对论是错误的，你需要解释一下，为什么根据现有理论，人类已经成功地进行了载人飞行，并且成功地使全球定位系统精确到米级。

中国神舟六号航天员免费离开飞船。来源：新华网

三

如果一个电子以0.99c的速度绕半径20米的圆运动（c是太空中真实的光速），那么电子的辐射功率是多少？

这个问题的结果对电子加速器具有重要意义。如果你认为相对论是错误的，你必须解释为什么中国科学家基于相对论成功建立了合肥国家同步辐射实验室，可以提供从真空紫外到硬X波段的同步辐射。

合肥国家同步辐射实验室。来源：国家同步辐射实验室官网。

结论：

民间科学爱好者要想自主创新，首先要了解现有的科学知识，知道别人研究过什么。所提出的物理理论或对相对论的批评必须有数学公式，并且能够给出与实验一致的计算结果。在回答本文的六个问题之前，请不要创造新的宇宙构成理论，也不要批评相对论。如果回答完以上六个问题后，你仍然觉得你的新宇宙理论或者对相对论的批判有意义，请发邮件交流（litongcang@yahoo.com）。请在电子邮件开头提供这六个问题的答案。

感谢浙江大学李如意对本文的建议和修改。

来源：普渡大学官网。

李同藏2004年毕业于中国科学技术大学获学士学位，2011年获美国德克萨斯大学奥斯汀分校博士学位。2011年至2014年在加州大学伯克利分校从事博士后研究。 2014年起在普渡大学物理与天文学系、电气工程与计算机科学系担任助理教授、博士生导师。李同藏于2016年获得美国国家科学基金会颁发的NSF职业奖，还获得过Springer博士论文奖、中国自费留学生国家杰出奖学金、美国光学学会基金会的Jay Bennett纪念奖。在Science、Nature Chemistry、Nature Communications、Physical Review Letters等著名杂志上发表论文20余篇，在Springer发表专着1部。 2010年，李同藏和他的合作者利用激光光镊首次通过实验测量了悬浮粒子布朗运动的瞬时速度，完成了100多年前爱因斯坦认为不可能完成的任务。该作品被Science杂志推荐为高中和大学的教学内容。 2012年，尹和清华大学的其他合作者首次提出了利用超冷束缚离子实现时空晶体的实验计划。该研究被《自然》杂志选为研究亮点，并由探索传播公司拍摄为纪录片。 2015年，他与尹合作提出了活体微生物的量子态叠加、纠缠和隐形传态方案，引起了学术界和媒体的广泛关注。

第：章

[1] 郑永龄，贾力学，上海，复旦大学出版社，1990。

[2]徐克尊，陈，周子芳。现代物理学，北京，高等教育出版社，1993。

[3]曾，量子力学，北京，科学出版社，2000

[4]郭，电动力学，北京，高等教育出版社，1997。

编辑： 陈敬贤

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