Monthly Archives: May 2011

现代物理实验的测量问题

在KIT交流所了解技巧是零零星星的，但这些新信息暗示了一个需要系统地了解的知识体系。所以回国以来的这一周我花的时间主要是在完善这一知识体系，做到知其然知然所以然。这些知识事实上都是信号处理的课本知识，对设计任何物理实验都很重要。

普通物理实验课的教学目标

我反思了一下，我本科明明是上过普通物理实验的，为什么我没有被要求了解这些基本原则。这是跟现行本科普通物理实验课的所谓“教学目标”有关。因为所谓“教学目标”应该都是人云亦云的套话，随便上网查到的就有足够代表性了：

本课程是四年制物理学类各专业开设的基础实验课，它与普通物理理论课既有紧密联系，又相互独立，是一门独立设置的专业基础课。

本课程的教学目的是：使学生在物理实验的基本知识、基本方法、基本技能等方面受到系统的训练，加深对物理学基本概念和基本规律的理解和掌握，培养良好的科学素质、创新精神和实践能力。

我对现行本科物理实验课的批判要基于所谓“与普通物理理论课既有紧密联系又相互独立”中的“相互独立”。再往下看，所谓“紧密联系”的意思就是“加深对物理学基本概念和基本规律的理解和掌握”，而“相互独立”的意思就是“在物理实验的基本知识、基本方法、基本技能等方面受到系统的训练”。问题在于“物理实验的基本知识、基本方法、基本技能”是什么？它必然不等同于“物理学的基本概念和基本规律”。

从科学范式上讲，实验就是为了印证理论。也就是验证等式的左边等于等式的右边。所以你首先要获得等式的左边和右边才行，这就要通过测量。有时候原式的左边和右边不方便通过测量得到，那就要进行转化，例如移项、微分、求极限等，测量重点也会转化为曲线拟合、测斜率、截距等。其实就是实际测量仪器的设计，也就是数据采集的工作，完了是数据的处理、作图。最终根据某种标准对理论进行证明或证伪。一句话概括，实验的基本知识、方法、技能就是导致一个人可以独立设计完成实验物理学研究的所有东西。

但是按我个人的经历，本科物理实验似乎没有要求学生设计物理实验，此其一。其二，对于测量的误差来源分析，会有一些讲解，也有专门一章在课堂教学是讲误差分析的。但是这些内容跟今天的实验物理学现状相比感觉很过时。诸如从刻度上读数时眼睛要怎么使，估读到第几位；有效数字的加减乘除等等，在计算机时代都用不上了。但是计算机时代带来的新问题，课常上却不讲。因为现代实验室中的测量设备不再是用尺子量位移，用秒表量时间、用弹簧秤量力了，而是全部采用传感器。所以问题不再来自于你眼神儿好不好或者估读没估读了，反倒来自于传感器的工作范围，例如漂移、噪音、线性工作区等。再者，由于计算机的广泛运用，加减乘除、微积分、Fourier变换、线性和非线性拟合等等全都是数值计算。所以首先就有模数转换问题，例如取样带来的误差。最终测量的精确度和敏感度所取决的因素，跟前计算机时代是完全不同的一套。学生在上实验课的时候已经知道过时，因此不认真学；进入实验室，现代仪器给他们的感觉就是“傻瓜操作”，深究不了其中的误差来源，也无从深究。结果真的全成了“傻瓜”。

数据采集的原则

传感器

如果你的实验要从仪器开始设计，你不应该连世界上有传感器这件事都不知道，还去考虑用尺子量位移了。任何测量都从传感器开始，包括力、压强、温度、光学等等都有相应的传感器，时间问题也取决于系统时钟（如晶振）。所以你要了解传感器的选型原则。

信号类型和传输

就算转换成电信号也有很多种，如电压电流电阻等。例如如果你用光敏电阻作为光学传感器那就是电阻信号。完了就是这些信号如何传送到模数转换接口处，例如是有线还是无线，抗干扰问题，能量辐射问题，带宽问题。除了线缆之外还有接口。接口不好也会带来新的误差。

信号的前期处理

实际电信号往往不直接适合数模转换器的使用范围，例如电压过大或过小之类。这就需要先设计模拟电路对信号进行调整。误差又会来自这一步。

数模转换

数模转换首先是对模拟信号进行取样，因此要选择合适的分辨率和采样率。完了又要考虑信号传输的问题了，这次是要把数字信号传输给电脑，因此就是决定用RS232、USB、PCI还是以太网。例如ARES是用RS232，AR-G2是用以太网的。可能这方面的选择在大多数情况下不重要，但是至少要做到知其然知其所以然。

软件

软件问题首先就是驱动程序问题。有时小厂家的自带的驱动程序会做你所想不到的傻逼动作，造成误差，或者跟操作系统兼容性差，蓝屏什么的。完了就是信号分析软件，例如在做FFT的时候有没有解决谱泄漏，zero-padding完之后有没有加window。还有各种提高信噪比的做法例如滤波器之类。

与理论紧密联系实验课要实现什么教学目标？

以上考虑所需要的知识不是普通物理理论课所能提供的。因此，如果要直接教以上东西，就不可能跟普通物理课“紧密结合”。我觉得应该有两种实验课。一种是与理论相互独立的实验课，它的教学内容和目标大致就是上述的那些。

另一种就是它只为增加学生对基本物理定律的感性认识和情感信任度的物理实验。这很重要。因为我发现很多人到了读研的时候根本没有提出新问题的能力，除了老师叫做啥做啥之外自己啥都想不出来了。没学过物理么？不是。是因为他们学的时候从来没有发自内心地相信过那些东西。课本知识只为应付考试，只知道这个等于那个乘那个再除那个，考试就从题目找到相应的数字代进去算就行了。实验课也乱做。要做到相信，你一定先要理解，完了在生命中的每一分钟拿你放眼望到的任何物体去验证。看到任何风吹草动都可以在脑中做个back-of-the-envelope估算，甚至直接进行实验来验证你所知道的物理定律。一开始你会因为你本人对理论的错误认识而实际形成错误的物理图象，导致你验证的结果跟定律不符合。你就会去查书、问老师，搞清楚到底是你对定律的认识不符还是定律本身错了，还是你的估算漏考虑了什么重要因素导致偏差。在此过程中，你对理论的理解才会越来越准确。但是生活中有条件进行的实验是非常有限的，尤其是要用来验证大学物理而不是牛顿三定律的那种实验。因此说大学物理实验课是不可或缺的。它提供了得以验证什么干衍啊，驻波啊之类这些定律的硬件条件。因为这些实验课其实承担了让学生相信定律的宗教式职责，所以不应该又去扯操作误差之类的事情。不然的话，物理老师就不得不变成一个无赖：总之书上是对的，你测不出来是你有误差，重做，做到对为止！难怪学生对实验课根本提不起兴趣。

建立正确的物理图象是很重要的。我发现很多研究生朋友没办法进行类似“请在分子到超分子尺度分情况描述一种水溶性聚合物溶解于纯水中的过程”这种思考。这是在立论阶段的一个很重要的思维方式。你如果没办法基于已有物理定律去想象新的条件下的可能发生的物理事件，你又怎么想到新的研究课题？你连“会怎样”都没个估计，你怎么决定“测啥”、“验证啥”？怎么设计实验？因此可以说这些研究生朋友根本上缺乏立论能力，用现在的话说就是“自主创新”能力。

这个话题其实我以前已经说过了。那时我总结导致以上问题的原因在于：

  • 中国学生从中小学开始就被告知：书上的东西是假的，但要用来考试拿成绩。因此，找一个model来fit现实，对于中国学生来说，没有任何乐趣。因此，真正对物理化学有兴趣的人并不多。多的都是混个学历去考公务员的人，以及想出国拿绿卡的人。
  • 中国大学，教学和考卷都没经过同行评议，任课老师的自由度很大，胡来的占大多数。
  • 各种入学考试都其实是在专门选拨不适合做科研的年轻人。
  • 成年人世界没有做好榜样。

而现在我又添加的的原因就是物理实验课的失败。

再谈关于求助问题

随着科学网的影响越来越大，一个误解就越来越深就是博客就是尽量讲正确的道理——尤其是从事科技行业的人的博客。不好意思，我要么干脆说我不配做一个从事科技行业的人算了因为我写博客就从来不考虑道理。我讲我脑子里想的东西，有一些甚至是特别肮脏的。很明显假如我无论挑我脑中什么东西出来讲都特别明亮阳光我就成圣人了已经。问题在于很多人觉得写博客就是要挑脑中特别明亮阳光的那些东西来写——尤其是像科学网上面那些博客。到底为什么非要这么做呢？我揣摸这是来自他们开博客的动机是为了弥补他们在生活中受认同的不足。无论是“土鳖”还是“海龟”来了中国都感到了不公平，开博就是为了抬高自己贬低别人的，能不拣脑中最明亮阳光的东西写么？而我恰恰相反。不能说我在生活中受到了多大的认同，只能说我心平不会因此不平衡。

这不等于说我脑中连是非价值观都没有，而是觉得写博客并不承担弘善扬德的义务。Blogspot.com就有很多黄色博客质量很高——当然由于违反我国法律在国内是被封的。你会发现blogspot.com自己只要求博主如果自知内容不适合18岁以下的人浏览就要注明，然报号blogspot.com会让用户在正式进入这些博客之前看到一个相关的warning。这其实是典型的美国法律。所以说Google等机构之所以中国要封，是因为他们表面上是所谓“普世价值”，但实际上是美国价值普世化。就连很多赶时髦的中国人也受到“第一次世界大战”真的是一个世界大战这种昂格鲁-萨克森中心主义误导。这扯远了。总之就是说，我的博客不是弘善扬德的。

关于陌生人的求助

大部分找我交流流变学问题的人，交流过后发现需要我介绍、解释的居多，向我介绍、解释的很少。这些经历使我积累了初学者对流变学的各种误解，慢慢在脑中形成了写流变学教材的各种想法，孰不知我根本没有资格写教材。这很令人郁闷。既然我反正没资格写教材，增加这么多除了对写教材有用之外就没用的经验有什么用？（这真是一句废话。）也正因为我没资格写教材，这些经历甚至不能保证是在造福他人，很可能是祸害他人。在学术界，我或任何其他人的学术权威性所覆盖的范围应该只能根据我的学术著作来定义，例如我发表的paper和出版的书。因为这些材料在发表前至少经过了同行评议。我到现在为止只发表了一篇文章，形式上我只能保证如实回答关于这篇文章内容的问题。再加上，这篇文章虽然发表了但仍有很多致命的问题，只是因为我没有投到流变学期刊，审稿人不是流变学专家所以才被同意发表。这又说明平时看paper的时候还要考虑该paper的内容是不是该期刊的强项。发在Polymer上的流变学文章就没有发在J. Rheol.上的可靠。

关于“请确保我认识你再留言”

我博客已经在醒目的位置上注明“请确保我认识你再留言”。但很多人似乎不看，或者看了也没理解是什么意思。意思很简单，要想在评论区讲你想讲的任何东西之前，就要先确保我认识你。如果我确实不认识你，而你又想留言，那就先让我认识你。一句这么简单的话，解释到到这么直白已经很低估读者IQ了。至于如何让我认识你，我就不详述了，不然就太低估读者的IQ了。

曾经有人向我提议过如何更好地实现这一目的。例如建立某种“好友”机制。这样就可以把留言权限设置成仅好友。但是这就需要那些好友一个个地来注册验证，增加他们的麻烦，导致他们本来想留言都懒得留。如果不用劳烦他们注册，而是我自己手动添加，显然连我自己只能回答“谁我认识”这问题，回答不了“我认识谁”的问题，我又怎么告诉电脑呢？所以我想不到一个办法能够同时最大限度地方便认识的人留言又最大限度的制止陌生人留言。

陌生人的留言将有可能受到批判，这具体要看留言内容也看我心情如何，但最终必然会被标记为spam。

今天看到来自北京市联通（114.247.10.146）的（应要求已删）@（应要求已删）.com留言，已经被我标记为spam。Google搜之发现是屎丝带气质人士，顺便加入到我twitter的list里。他的留言就是那种完全为了洋洋自得而对我一点参考价值都没有的那种。也可以归类为网易新闻那些网友回复。

在这里我又花点时间不完全地总结一下“网友评论”的类型。互联网上的评论区是个奇怪的地方，它公共场所到不行，因为所有人说的话都能被所有人听到；它又私人场所到不行，因为谁也不认识谁，因此谁都可以胡说八道，跟在自己的浴室差不多。有一大部分评论就是直抒胸臆，理论上可能一个人看完了流变学的文章之后，由于联想到女朋友，就会添加一条“XX我爱你”的回复。实际上那些“顶”、“学习了”、“沙发”、“楼主是傻逼，鉴定完毕”之类的回复都属此类。可以用一个更加概括性的说法就是，这些人把任意评论区都当成自己的个人博客。我的做法是另一个极端，除正式开一个博客外，我极少在别的地方添加评论，而是非要回到我自己博客，写篇文章来评论，附带给个链接。我揣摸，那些网友之所以不跟我一样做法，是因为他们不仅要直抒胸臆，还希望自己的内容被作者看到，而我则丝毫不介意我的评论不被评论对象的作者看到。因为我自问不总是能了解作者的出发点，我的评论无非是在公说完之后的婆又说。当然，那些网友也并不见得认为他们了解了作者的出发点，他们也不介意作者看了之后的想法，仅仅只是为了让作者看到。因此像“沙发”、“路过”、“我是来打酱油的”这种评论就大行其道。甚至不要说评论，连很多门户网站搞的投票，选项设置也要多此一举地加一项“我是来打酱油的”，结果调查结果往往大多数是选这项。

我不想再扯“西方文明重天理轻人伦”之类的蛋了，已经扯太多了。在这里只想提示以上现象跟这个蛋有关，我想扯是可以扯的。进一步提示，以上现象跟“中国人没有公德心”、跟随地吐痰是相联系的。随地吐痰者当然首先是直抒胸臆，但他们之所以不随身带个痰罐来实现，而是直接吐到他们所经过的任意地点，就是为了让那个地点的主人和经过那个地点的人都踩到。我把这些评论加为spam就相当于打扫卫生，我骂评论者就相当于骂随地吐痰者。我是entitled的，这是justified的。

一看到关于中国科学的讨论就厌烦

那种感觉，就跟谈中国足球一样。

研究两弹一星成功的原因是没有用的，正如研究法拉第等人成功的原因也是没有用的。时代不一样了。

而且站在此文的高度，就连谈论科学的必要性都没有了。或者用一句话：反正都快2012了，所以基本上谈论啥的必要性都没有了。

我说过的，我没什么“信仰”，深陷入相对主义和虚无主义。但又要讥笑一切，于是进一步陷入犬儒主义。

以上回车太多了，现在开始长篇大论。最近科学网征关于科学院的文，难免有人响应的，关于这点我不去苛求了。科学网是个媒体，搞征文其实就是生存之道，没话题就找话题，没有话题性就创造话题性。也可以说好听点，那就是争取做到“领一时之风气”。一个道义一点的做法就是给应邀者一些钱，否则就等于让人家免费给自己打工了。要知道一些受邀者是免为其难的写的，因为如果是主动积极乐意地写，至少可以说“你乐意我受益”，两清、双赢了，没钱给也说得过去。

一种非常迂腐的想法是去问到底谁有资格对中科院指手划脚，或者具体地说谁有资格对中科院的哪一点指手划脚。是学生你就没资格讨论关于老师的问题，是下属你就没资格讨论关于领导的问题，是平民你就没资格讨论国家机密等等，都是基于同一个原因——你知道个屁你说说说！事实上大部分人也很有自知之明，所以基本上学生们就谈研究生培养，导师们就谈人才制度。至于把所有的讨论归拢起来自不自相矛盾那就没人管了——就连征文的科学网也不会去管，因为只要有人写 就已经达到它的目的了。关于这个问题只有一个人说的话是可能“有效”的那就是现任中科院党委书记。我不知道科学网有没有邀他来开博写征文什么的，要是说邀还是邀过一下的话，那科学网做征文这件事至少还是靠谱过一下的。假如中科院党委书记亲自谈“我心中的科学院”，那这件事起码可以向前推进一步，使得我们从“七嘴八舌”的状态进化到“听其言观其行”的状态，媒体和群众能够做得好的那件事还是“监督”而不是“规划”。

我留意的科学网博客中有讨论此问题的有李维先生、郑融老师、徐磊“徐老师”，吴宝俊“吴同学”，王鸿飞老师等等。这其中唯一没有“结合自己的经验”来说话的就是李维先生，他一向这样，这也是我特别推崇他的原因。也许也是相同的原因，王晓明要质疑李维先生“有没有读过博士，读的是哪科的博士”。我要对以上每篇文章谈点看法，所以说本文是要长篇大论的。

李维先生的存在价值是“接过他人的话柄”，他的文章总是从“既然你要这么说，那道理就该这么讲”的角度出发的，但他自己是不是“也要这么说”就不一定了。例如，不过是有人想讨论“科学网的制度是否科学”，他才接过这一话柄去讨论科学网的结构与解构。但他是否也认为“制度是否科学”是关于科学网的总体讨论的重点？那他可没这么说。他一向这样，这也是我特别推崇他的原因，也是王晓明没理由质疑他“有没有读过博士，读的是哪科博士”的原因。

王鸿飞老师在科学研制度和文化问题上常常推崇美国。不过中国科研的很多不良风气倒是可以埋怨美国带坏头。历史跟中国开过很多玩笑了，中国没在科学研究的中心从德国转到美国之前开始“崛起”就是其中一个玩笑，因为假如同样是学表面的话，学德国可能会好很多。王老师说完之后不忘补充“绝不是因为我自己的美国训练和工作背景”，现在也补充一下：是的，才去了德国一周就自以为了不起了so what？

徐磊“徐老师”一如既往地政治正确。但他也好王老师也好都“攻”不下李维先生。他们的文章的局限在于以为或希望中国办科学院是为了科学。而李维先生的文章暗藏的前提则是中国办科学院是为了“增强社会主义国家的综合国力”。当然主要是为了与美国抗衡而不是与瑞典或德国抗衡了。因此有什么理由要让中国科学院的“办法”不向美国学习而向其他国家学习呢？

基于同样的理由，吴宝俊“吴同学”的讨论也显得必要性欠缺，但他有一点比较好的就是一向抱着“我等草民只为安居乐业”的心态写文章因此本来就不需要先具备什么“讨论的必要性”的，说不得他。

最后是郑融老师。唯有他的文章让我能够不厌烦，因为我看到除了“关于中国科学的讨论”之外的其他内容。我对往日的、我所未经历的那个时代的广州化学所有着一种向往。这来源于我读研之后去那里做过一两次电镜所获得的感受。郑融老师是我至今看到的第一个谈这一话题的人。我硕士时期是在华工化纤组，导师是赵耀明教授。我感觉广州关于化纤研究的传统基本上是由化纤组和广化所共同形成的。从赵老师的介绍我已经知道当时的一些研究项目，除了郑融老师提到的“聚丙中空纤维”的研究之外，还有从甘蔗纤维的研究。当时考虑到广东这个地方种棉花是没有的，种甘蔗倒是很普遍。甘蔗榨了糖之后的渣就基本只能当肥料了，所以想到是否能开发出从甘蔗渣加工出纤维素的技术。广化所攻坚，但据赵老师说似乎并不成功。另外，关于聚丙纤维的研究，除了为做分离材料而加工中空纤维之外，还有为替代当时（乃至现在？）原料需要进口的香烟过滤嘴——醋酸纤维。如果能用聚丙代替，成本就能大大降低了。赵老师课题组当时参与了此项研究，成果基本上是合格的，但据说效果远不如醋酸纤维理想。其中一点就是聚丙太亲油，焦油过滤太厉害了。这虽然可以说是“更健康”，但要健康的话就干脆别吸烟了。作为产品来讲香烟没味儿当然不好。所以后来就研究对纯丙烯的产品进行表面改性，但这就增加成本了。现在聚丙作为过滤嘴材料虽然已经有国标了，但应用得还是非常少。

我之所以喜欢化学所，是因为我看到那里的实验室的“家具”虽然还是几十年前的木制品，但是干净整齐；那里的仪器设备虽然还是几十年前的那种国产的、按钮硕大的、操作面板上注明各地方“仪器二厂”“仪表三厂”的大块头，却仍然维护良好运转良好；那里的工作人员虽然是（貌似）与互联网、全球化、英语等东西脱钩的阿姨级妈妈级，但是其认真严谨的态度让人肃然起敬。我小时候，妈妈是在华侨补校的“生化室”做实验员，我放学去单位找她的时候也看到过木头试剂架子、挂在墙上伸出一条棉线的干湿计。生化室的老师还教我为什么用盖子一盖酒精灯的火就马上熄灭，不用担心盖子被烧熔掉。我知道八十年代中国的科研工作者普遍是谦虚地、踏踏实实地做研究的，课题不（懂）赶国际时髦，不（懂）追求SCI，但是精神比现在的人好得多。我当时要做透射电镜，有新式电镜的单位很多，但最终我找广化所做出了最好的结果，我也目睹了谭老师如何认真操作，认真观察，最后帮我看到应该看到的东西。他们的那台透镜型号是曾经卖得不错的1ooCX。还比较谭老师还管理广化所的广角X射线衍射仪，所以当我要做XRD的时候尽管我们学校自己就有好几台，我还是去广化所做。

对于郑融老师后面关于“他山之石”的内容，我的看法是：认识规律，按规律办事，口头上谁都赞同。但真正能做成的事情都需要具备“皆大欢喜”的性质，可惜“按规律办事”往往并不皆大欢喜，因此很少成为事实，尤其在中国。

郑融老师的文章并不煽情，内容也海阔天空，但我看了总是感动得想哭。曾经听说过外国人评价中国人说，与中国人讨论问题，中国人总是在意“讲赢”，争取“讲赢为止”，但却并不享受讨论的过程，往往不欢而散。我觉得很贴切，我的解释就是中国人情愿做皇帝一统天下，几千年以来农民起义就是为了翻身做主人（即皇帝），与西人因“求异”而民主的思维方式不同，中国人话虽“求和”方式却往往是专制。相反，郑融老师的文章哪怕是命题议论文，也会使人忘记孰是孰非的纠结，却感动于人性之善。这也许是来源于一种人本主义情怀。本来的确“人是最可宝贵的东西”，但是中国人传统就缺乏这种人本主义，导致在中国人命特别贱。这就扯远了。