新科普学物理真是一件苦差事吗?这位科学家告诉你物理学家是能够

2017-09-20 02:43

  2017年浙江高考全省29.13万考生选择物理的只有8万人。物理,相对于其他学科而言,在很多人看来比较难。然而,中国科学院物理研究所研究员曹则贤认为:许多人觉得物理难,是因为没人告诉他们物理到底是什么。

  大家好,非常荣幸有机会跟大家聊聊一个也许不是那么轻松的话题——什么是物理学。

  我本人是1978年读初二的时候,第一次接触到物理这个概念。四年以后进了大学,因为我的高考物理成绩最低,所以我就去了中国科技大学的物理系。大家可以想象一下,接下来的物理学习对我来说,不是一件轻松的事情。直到我读了博士,做了物理学教授,我一直都没有想过这样的一个问题:什么叫物理学?直到有一天,我遇到一本书,叫What is Mathematics(什么是数学),作者是一位叫库朗的数学家,他当年是哥廷根大学的,后来去了美国,应该说他是美国现代数学的奠基人之一。

  这位先生在这本书里,从来没有试图回答什么是数学。但是他用最浅显也最深刻的语言——请大家注意,要最浅显又要最深刻——把他当时掌握的现代数学几乎全讲了一遍。他说,如果一个人能够读完这本书的话,应该对什么是数学有他自己的答案。我想,我们学习任何一门学问,如果有一天能够构造出自己的答案,这多少都是一件不容易的事情,也是一件让人从心底里感到喜悦的事情。

  受到这本书的,我突然想到,我是物理系毕业的,又在物理研究所工作,怎么也应该想一想什么是物理学吧。我思考了一下我学的那些物理,于是我给物理学下了一个定义:物理学是一种什么都想理解的渴望,或者是一种野心——物理学家在理解的基础上,还要创造。

  今天我们生活在一个用技术支撑起来的高度发达的社会,而支撑我们这个社会的高度发达的技术,如果仔细检查一下,你会发现,它们的基础差不多都是物理学。

  为了认识什么是物理学,我们稍微看一下它的历史。这是美剧《生活大爆炸》中的一段,Sheldon博士跟大家讲,物理学开始于公元前600前的某一个仲夏夜。在公元前600年到底发生了什么事情呢?我猜大概指这样一件事情。在古希腊的斯岛上有一位智者叫泰尔斯,这位老先生有一天突然明白了,我们生活在其中的这个世界,竟然是可以理解的。从那时候起,人类开始对我们所处的世界有了理解,经过2600年无数聪明才智的积累,千辛万苦努力走到今天,物理学才成为一门多少有那么一点科学味道的学科。我说的这句话请大家记住,就是经过了2600年的努力,物理学才多多少少有一点点科学的味道。

  物理学是一门怎样的事业?物理这个词到底指的是什么?在的语言里,physical或者来自于希腊语的φυσις,都是自然的意思,也就是说,物理学是关于自然的学科。我们中国的小学里也有自然课,这个自然课就可以理解为物理课。我们的老祖唐朝的杜甫老师也有一个清楚的定义,“物理即自然”。

  物理学起源于我们对周围世界理解的努力,从物理学的野心角度看,它和别的学科都不一样。比方说,物理的研究对象是什么?可以说,物理学研究的对象是everything(一切),你能想起来的事情大概都是物理学的研究对象。

  如果是从空间尺度上来说,你也能注意到它的野心。它研究大到整个,小到世界上最小的存在——中子和质子里面的夸克结构。我们当前能实现的空间分辨率是10^-11(十的负十一次方)米左右。前些年有人说我们探测到了引力波,他们能够达到的空间分辨率竟然号称高达10^-21(十的负二十一次方)米——这个概念我不是太懂,但是至少物理学界有这样的——就是说我们对空间的能力,可以小到10^-21(十的负二十一次方)米。

  在时间尺度上,物理学既研究的整个历史,也研究发生在很短时间内的事件。比如说生成一个氯化氢,是氯原子把氢原子一个电子夺走了。这个事件发生的典型时间,应该在10^-15(十的负十五次方)秒,或者叫飞秒,你能不能拍个视频给大家看?这个工作,物理学家现在是能够做到的。从激光的角度来说,我们可以很轻松地实现飞秒脉冲的激光,也会在实验上力图去做10^-18(十的负十八次方)秒的一个脉冲。

  当然,理论物理学家会走得更远,他们把时间最小的尺度又延伸10^-21(十的负二十一次方)秒。甚至我们还认为,我们研究的最宏大尺度上的物理,与我们研究的最小尺度的上物理,竟然成为一体的了。这就是为什么关于物理学的一个描述,有这样的一个所谓贪吃蛇的模型。贪吃蛇的蛇头,就是层面上的物理问题;蛇尾,是基本粒子层面上的物理。

  物理学它到底厉害在哪儿?它提供我们对的认知。但是,对已经存在的、看得见、摸得着的东西进行认知,这不算本事,物理学还有一个非常重要的能耐,就是能够预测。比方说,英国有一位狄拉克先生,写出了量子力学方程。他引入了反粒子的概念,就是正电子的概念。有了正电子的概念,人们才在对射线的观测中发现这个世界上真的有反粒子。

  另外一位奥地利的物理学家泡利,他研究中子裂变成一个质子加上一个电子的过程,凭借着对动量守恒和能量守恒两个定律的,他大胆预测这个世界上存在着中微子。

  当然,仅仅是凭借这样一些理论去做预测,还不能反映物理学的能耐,有些物理学甚至仅凭借一个大的原则就能构造出一门严谨的学问,并且给我们带来一场工业。我们知道,以热机为代表的第一次工业,相关联的学问就是热力学,而热力学的出发点竟然就是法国人萨迪卡诺总结出的一个简单原理,叫“任何不以为目的的传热都是浪费”,就是这么一个简单原理,就构造了一门严谨的学问。

  物理学到底是一门怎样的事业?我们考察一个人,可以先考察他周围的人。物理学的兄弟有哪些?当年人们把亚里士多德关于自然的思考攒成了一本书,名字叫Physics,也就是关于自然的学问。然后把亚里士多德关于自然的一些不着调的思考,比如世界的真实性,所使用的存在合等,放到这本书的后面。因为是放在物理书的后面,所以它就有一个名字叫 Metaphysics,或者叫后物理学。

  这个词在慢慢成了一门学问,在中国被翻译成形而上学。形而上学到了康德手里,被康德教授抽去了形而上学中那些的东西,把它成了一个接近自然科学的一门学问,就是今天所谓的Philosophy,哲学。

  我们可以看到,物理学和哲学本身有多么亲近,应该说物理学本身就是一门哲学,好的物理学家本身就应该是哲学家。当我们谈论哲学和谈论哲学家的时候,请大家千万不要忘记,康德首先是一位数学物理教授。

  物理有另外一个表兄弟,就是数学Mathematics。Mathematics并不是我们汉语翻译的数学,因为Mathematics不仅研究数,也研究形,也研究逻辑,它的本意是聪明人干的事情。

  数学对于物理学家意味着什么?数学是物理学家的语言,也是物理学家赖以思考的工具。物理与数学之间应该有交互作用或者interplay。物理的表述、物理的思考都离不开数学。但是相当多的时候,是物理学的研究给数学提出问题;并且相当多的时候,物理学家会亲自操刀解决他遇到的数学问题。

  当然,一个物理学家不管在数学方面怎么努力,他都不可能像专业数学家那样,掌握那么多高深的数学。著名的数学家哥廷根大学教授David Hilbert,他觉得物理学家好可怜,他说了一句很有名的话,“物理对于物理学家来说,实在是太难了。”因为物理学家确实理解不了物理学遇到的那么多数学问题。

  但是反过来我也要说,对于数学公式中蕴含的美,如果你不去研究数学所表征的实界的话,那些美也不是你能够理解的。所以,我们也可以对数学家说一句:“数学之美还真不是数学家能够理解的。”

  物理学家是能够用公式唱歌的人。这就是我们在日常生活中、我们的课本里、我们的工作中遇到的那些对象,他们长成这个模样。懂得这些数学公式——从普通物理到广义,大约你可以跟人说我学过物理了。

  物理学家本身要学好数学。有一个重要的例子,大物理学家詹姆斯·麦克斯韦,这位先生天生就有非常强的数学思考能力。他很小的时候,父母送他去上画画课,课程竟然是画蛋。画蛋很难,画不好,于是他就想,如果我能先写出鸡蛋的方程,是不是就能画好了?先从和鸡蛋长得差不多的东西着手,从椭圆开始。

  椭圆的方程是两点的距离之和等于。他就想,椭圆和鸡蛋的差别,不过就是椭圆两头一般大,鸡蛋是一头大一头小,只要我把到两点的距离给它加上不同的因子,也就是变成了距离L1加上距离L2,乘上某个因子等于,于是就能画出鸡蛋了——这是他13岁时做出的成就。

  这样一个人,当他成年进入物理学研究的时候,你就知道他杰出的数学能力对他研究物理有多么重要了。人们都知道的电磁定律,四个定律都是左边一项右边一项,但是当麦克斯韦把这四个方程写在一起的时候,他就知道这个方程从数学本质上来说是有些缺陷的。

  于是他在第四个方程的右边,加上了一项,就是所谓的位移电流。我们的高中老师和大学老师讲位移电流的时候,都讲不清楚道理在哪儿,即使是了不起的杨振宁先生,在前年也专门写出了一篇文章,探讨麦克斯韦到底怎么想到要方程的右侧加上这么一项的。

  麦克斯韦的这个方程,是一个波动方程,让他认识到电磁还可以产生电磁波的现象。这个方程能计算出波的速度,这个速度竟然和光的速度差不多,于是麦克斯韦想,“啊!难道光就是电磁波?”

  刚才我们说物理学家的任务是理解这个世界,可是理解了这个世界,你还要把你的理解要传达给别人,所以物理学家天然的还应该是语言学家。

  我们知道有一个物理学家,他解释了水波或者光波通过两个狭缝,在后面的屏上得到差不多等间距的明暗相间条纹的现象,就是所谓的波的双缝现象。这位物理学家就是英国的托马斯·杨,他同时还是大英百科全书这个条目的撰写人,他撰写语言这个条目的时候,差不多使用了四百种语言。

  当法国人在埃及挖出一块黑色石碑,发现有三段谁也不认识的文字的时候,他们自然而然地知道,要想认出这些文字,一定要去找物理学家。在英国的物理学家里面,还有一个数学和物理知识我甚至觉得比牛顿还要强的一个人,就是William Rowan Hamilton。为什么大家对这个人知道得少呢?就是因为他的学问太大,我们不好介绍——他是整个经典力学、经典光学的奠基人之一。

  他差不多在13岁的时候就学完了欧洲的所有语言,并且把它所学的语言延伸到了小亚细亚,再一直往南学阿拉伯语、波斯语,最后去学印度语。学完了这么多以后,他突然明白了一点,原来欧洲语言的源头在印度!于是乎他提出了语言学上的一个关键概念,叫印欧语系。想一想,得学完多少(语言)以后,在多高的层面上,你才能看到印欧语系这个概念!

  物理学家是思想者。我们都知道,写出量子力学电极性方程、薛定谔方程的,当然是一个叫薛定谔的人。薛定谔在1943年或1944年间的一个,讲到我们和外面的时空有什么差别的时候,提出生命里存在着专门用来存储信息和表达信息的结构,并且这是一个准周期的结构。这个信息载体的概念让别人获得了1957年的诺贝尔生理;这个准周期的结构1984年被发现,让别人获得了2011年的诺贝尔化学。

  物理学是思想者,他不仅要回答问题而且还要去制造问题。比如这一位美国的诺贝尔物理学得主提出一个问题,“如果我们看到的这个是答案的话,谁告诉我关于这个的问题是什么?”大家想一下,能提出这样的问题,对这个世界得有多深的理解?

  当然,物理学家如果仅仅是思想家的话,他就成了哲学家,物理学家还应该是实践者。比方说,我们都知道电磁学存在着屏蔽现象,可是你敢不敢穿着金属做的衣服,让人把你放到50万高压下面浑身冒出火花?

  物理学给我们创造了很多意想不到的东西,人类需要,所以我们学会点灯,直到有一天发明了电灯。可是白炽灯只忙着发热,很少发光,于是我们不得不研究它发热发光的机理,从而有了黑体辐射。

  有了黑体辐射,我们要研究黑体辐射的发光规律。直到有一天,有人提出了这样的一个公式,而这个公式的基础是说,光的能量具有量子——这了量子力学的研究。

  1950年代量子力学用到了固体,让我们理解了什么是导体,什么是绝缘体。理解了导体、绝缘体就带入了半导体的概念,这让我们有一天终于做出了一个几乎只发光不发热的冷光源——发光二极管。当我们的物理学家能够做出蓝光发光二极管的时候,我们就有能力用蓝光二极管调配出各种波长的光,可以为特别的植物提供特别的光照,将来也许就有了城市农业的概念。

  物理学改变我们的生活。从伦琴一开始观察到的这个不知名的射线,X射线就迅速转换成了医疗器械。今天我们在医院里见到的核磁共振、CT扫描,都是从物理实验室搬出去的。

  物理改变生活的另一个侧面是通讯。早先人们只能通过嗓子喊或者信鸽来维持通讯,当我们有了直线电,就有了电话;而当我们会用电感、电容和线圈去玩振荡电的时候,就有了无线电;有了无线电,我们发现无线电传输信息也不是太好,通量不够,会有;我们又发现光是好的信息载体,于是就研制出了好的光纤,把光导到很远的地方,我们就有了光纤通讯。

  为了把粒子物理实验每天产生的大量数据送给理论物理学家处理,物理实验室的工程师们开发出了用电信号传递数据并能自动解码的信息,这给我们带来了Email,带来了网络。而网络的大量应用,彻底改变了我们的世界。今天你看到满街各种颜色的自行车,它的首要技术不是自行车技术,而是网络技术。

  物理学让我们知道远方。我们都知道,感官里面让我们接触远方的唯一器官是眼睛,而眼睛响应的是光。通过对光的研究、对光的探测,人类才能够知道远方物质的存在、远方物质的构成——光学才让我们真正意义上知道什么是远方。

  当然,物理学也有另外一个侧面,它可能使得和没有区别。大家知道,通过对狭义的理解,我们获得了质能方程E=mc^2。从这个方程得到了一个对能量应用的巨大潜能。如果在核裂变、核聚变的过程中有大质量损失,我们就会获得大的能量。这个能量既可以做成人类的核武器,也能够做成人类的核电厂。

  许多人提起物理学觉得很头疼,我想那是因为没遇着好老师,没人告诉我们物理学到底是什么样的框架。物理学是有其组织原则的,物理学里面的参数或者物理量,是按照共轭的原则组织的。

  什么叫共轭?就是这种东西,套在牛脖子上的叫轭。当两头牛被同样一个轭套在一起的时候,它们的用力就能够往一个方向去,它们俩之间也就有了内在的、比较强硬的关系,这就是共轭。

  物理学除了关注一些具体物质的、具体存在的细节以外,它还给我们提供定律、原则,以及更多普世性的内容来提升我们对世界认识的水平。

  比如对称性原则,记住一张对称的脸我们需要的参数很少,如果一张脸长的像我的脸似的,不仅有坑有点,还有一些不同颜色的分布,要想记住这样一张脸,就需要大量的信息,这会让你烦,于是乎匆匆忙忙地下了一个结论:这叫丑。

  对于我们的脸来说,对称性也许仅仅是美的问题,但对于蜻蜓来说,两侧翅膀对不对称就攸关性命,所以对称性常重要的原则。

  有些人会到处谈论,说物理学里有这样或那样的,奥地利维也纳大学一位著名的哲学家马赫教授说过:“如果你在物理学里面看到了,那只是因为你知道的少。”

  物理学是一条绵密细致的思想河流,它的每一个想法在前面一定有它产生的基础,有它思想的前。所以大家学物理的时候,不妨去追逐一下它产生的时代背景和历史渊源。

  物理学是美的发现者,我们还会用掌握的物理的知识去赞美它,最重要的是我们还会再现它。比如关于晶体的研究。我们从大自然里找到一些非常漂亮的石头,有一天我们知道它是宝石。从对它的外形观察,我们注意到它有保持夹角不变的特性,然后我们构造出晶体理论,并试图生长晶体。其实今天在实验室里面生长的晶体,比天然的晶体质量其实高得多,所以物理学家不仅是美的发现者,也是美的再现者。

  物理学研究作为一种文化事业,最后塑造的一定是物理学家的人格。物理学如同哲学一样,它是一门能够把你的境界提高到别人不能理解的层面上的学科。我们经常说仰望星空,丹麦的科学家第谷是一个把自己奉献给、自然的真正的物理学家。他怀着人类的梦想,努力探索自然奥秘,他的内心必然抱着仰望的心态。

  爱因斯坦对于学物理的人来说是神一样的存在,可当他五六十岁的时候,真的就像一个小孩一样,始终保持着童心。

  再看这张照片,右边的这位是量子力学第三种表述(提出者)、曾经被认为最聪明人之一的费曼教授,对面是一个比他还大牌的英国人狄拉克教授。我们看看这样两位物理学诺贝尔得主谈话的画面,诠释了什么叫“不以物喜不以己悲”,他们脸上那种平静,真的不是我们一般人通过所谓的能够得到的。

  物理学是造物主的诗篇。这位Sheldon教授在给这位女邻居解释什么是物理学的时候,他说:“当你掌握了物理学的时候,anything is possible(万事皆有可能)。”当你理解了物理学的真谛以后,anything is possible。

  物理学是用数学方程写成的一门学问,很不幸它也是一门其80%以上的从业者都弄不懂的学问。所以大家学物理的时候,如果遇到了困难,千万不要气馁。因为作为我这个层面上的物理学家,我们也不懂物理。

  但是人类今天已经进入21世纪,哪怕是量子力学、这样在上世纪被大家看作是性头脑风暴的学问,在21世纪的今天,也应该成为我们的常识。所以说在21世纪,物理学知识应该是一个自称受过教育的人的标配。

  据说李白曾经跟杜甫开玩笑说过一句诗,“总为从前作诗苦”。这句话我觉得很有深意,我想在写这句话的时候,李白和杜甫两位老兄应该在写诗方面有着别人无法企及的高度了,他们已经感受到了作诗的快乐,所以才有总为从前作诗苦的感觉。我想物理学包括数学、哲学也是,当你学到一定程度的时候,这门学问是能够给你带来内心欢乐的。

  所以我上大学的时候,虽然我的高考成绩物理最差,我也是选了物理系,当然了这造成的局面是我一直不能够理解物理是什么,但是如果有来生,我还会毫不犹豫地选择物理系,因为我觉得物理确实带给我带来了快乐。

  就像《生活大爆炸》的Sheldon有一句很有名的台词,“Quantum mechanics makes me happy,量子力学让我很高兴”。所以这些年我在努力学习物理,我也希望把我学习物理的这些体会带给大家。希望大家在未来学习物理的过程中,千万不要把学物理当作一件苦差事。

  我希望大家在未来学习物理的过程中,千万不要把学物理当作一件苦差事。另外也希望大家尽可能地去读物理学创造者们的作品,也许学物理会更轻松一点。谢谢大家。

  (作者是中国科学院物理研究所研究员。“SELF格致论道”是中国科学院全力推出、中国科普博览承办的科学讲坛,致力于精英思想的跨界,由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学局联合主办。)

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