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在很多人眼中，物理學是一門難懂又神秘的學科，但在物理學家曹則賢的眼里，物理學有更深層次的含義。他用淺顯又深刻的語言，為我們詮釋了什么是物理學。他認為，物理學家是思想者、實踐者、語言學家和美的創(chuàng)造者，物理學塑造了物理學家的人格，譜寫了人類社會的歷史改革，更改變了我們的生活。 曹則賢 中國科學院物理研究所研究員 著名物理學家 以下是曹則賢的演講實錄： 大家好，非常榮幸有機會跟大家聊聊一個也許不是那么輕松的話題——什么是物理學。 我是1978年讀初二的時候，第一次接觸到物理這個概念。四年以后進了大學，因為我的高考物理成績最低，所以我就去了中國科技大學的物理系。大家可以想象一下，接下來的物理學習對我來說，不是一件輕松的事情。 直到我讀了博士，做了物理學教授，我一直都沒有想過這樣的一個問題：什么叫物理學？直到有一天，我遇到一本書，叫《What is mathematics？》,作者是一位叫庫朗的數(shù)學家。他當年是德國哥廷根大學的講師，后來去了美國，應(yīng)該說他是美國現(xiàn)代數(shù)學的奠基人之一。 這位先生在這本書里，從來沒有試圖回答什么是數(shù)學。但是他用最淺顯也最深刻的語言——請大家注意，要最淺顯又要最深刻——把他當時掌握的現(xiàn)代數(shù)學幾乎全講了一遍。他說，如果一個人能夠堅持讀完這本書的話，應(yīng)該對什么是數(shù)學有他自己的答案。我想，我們學習任何一門學問，如果有一天能夠構(gòu)造出自己的答案，這多少都是一件不容易的事情，也是一件讓人從心底里感到喜悅的事情。 受到這本書的啟發(fā)，我突然想到，我是物理系畢業(yè)的，又在物理研究所工作，怎么也應(yīng)該想一想什么是物理學吧。結(jié)果在網(wǎng)上找，沒發(fā)現(xiàn)有《什么是物理》這樣的書。但是我注意到有別的“什么是什么”的書，比方說有一本法語書就叫《什么是電影》。我想各位可能都看過電影，大概沒想過還有一本專著叫《什么是電影》。 直到有一天，我在網(wǎng)上看到了一個定義,叫“什么是醫(yī)學”，我覺得它的定義很好，它說“醫(yī)學是一門什么都不確定的科學和什么都可能的藝術(shù)”，我覺得這個定義非常到位。醫(yī)學確實是一門什么都不確定的科學,如果你生病了去醫(yī)院，很少會有醫(yī)生會說你到底得的什么病，這個病的病理到底是什么——什么都不確定。 仿照這個非常俏皮，也非常中肯的定義，我思考了一下我學的那些物理，于是我給物理學下了一個定義：物理學是一種什么都想理解的渴望，或者是一種野心——物理學家在理解的基礎(chǔ)上，還要創(chuàng)造。 今天我們生活在一個用技術(shù)支撐起來的高度發(fā)達的社會，而支撐我們這個社會的高度發(fā)達的技術(shù)，如果仔細檢查一下，你會發(fā)現(xiàn)，它們的基礎(chǔ)差不多都是物理學。 為了認識什么是物理學，我們稍微看一下它的歷史。這是美劇《生活大爆炸》中的一段，Shelton博士跟大家講，物理學開始于公元前600前的某一個仲夏夜。在公元前600年到底發(fā)生了什么事情呢？我猜大概指這樣一件事情。 在古希臘的彌勒斯島上有一位智者叫泰爾斯，這位老先生有一天突然明白了，我們生活在其中的這個世界，竟然是可以理解的。從那時候起，人類開始對我們所處的世界有了理解，經(jīng)過2600年無數(shù)聰明才智的積累，千辛萬苦努力走到今天，物理學才成為一門多少有那么一點科學味道的學科。我說的這句話請大家記住，就是經(jīng)過了2600年的努力，物理學才多多少少有一點點科學的味道。 物理是一門怎樣的事業(yè)？物理這個詞到底指的是什么？在西方的語言里，Physical或者來自于希臘語的Physic，都是自然的意思，也就是說，物理學是關(guān)于自然的學科。我們中國的小學里也有自然課，這個自然課就可以理解為物理課。我們的老祖宗唐朝的杜甫老師也有一個清楚的定義，“物理即自然”。 物理學起源于我們對周圍世界理解的努力，從物理學的野心角度看，它和別的學科都不一樣。比方說，物理的研究對象是什么？可以說，物理學研究的對象是everything，你能想起來的事情大概都是物理學的研究對象。 如果是從空間尺度上來說，你也能注意到它的野心。它研究大到整個宇宙，小到世界上最小的存在——中子和質(zhì)子里面的夸克結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在的空間分辨本領(lǐng)可以說是10^-15（十的負十五次方）米左右。前些年有人說我們探測到了引力波,他們能夠達到的空間分辨率竟然號稱高達10^-21（十的負二十一次方）米——這個概念我不是太懂，但是至少物理學界有這樣的宣稱——就是說我們對空間的感知能力，可以小到10^-21（十的負二十一次方）米。 在時間尺度上，物理學既研究宇宙的整個歷史，也研究發(fā)生在很短時間內(nèi)的事件。比如說生成一個氯化氫分子，是氯原子把氫原子一個電子奪走了。這個事件發(fā)生的典型時間,應(yīng)該在10^-15（十的負十五次方）秒，或者叫飛秒，你能不能拍個視頻給大家看？這個工作，物理學家現(xiàn)在是能夠做到的。從激光的角度來說，我們可以很輕松地實現(xiàn)飛秒脈沖的激光，也會在實驗上力圖去做10^-18（十的負十八次方）秒的一個脈沖。 當然，理論物理學家會走得更遠，他們把時間最小的尺度又延伸10^-21（十的負二十一次方）秒。甚至我們還認為，我們研究的宇宙最宏大尺度上的物理，與我們研究的最小尺度的上物理，竟然成為一體的了。這就是為什么關(guān)于物理學的一個描述，有這樣的一個所謂貪吃蛇的模型。貪吃蛇的蛇頭，就是宇宙層面上的物理問題；蛇尾，是基本粒子層面上的物理。 物理學它到底厲害在哪兒？它提供我們對宇宙的認知。但是，對已經(jīng)存在的、看得見、摸得著的東西進行認知，這不算本事,物理學還有一個非常重要的能耐，就是能夠預(yù)測。比方說，英國有一位狄拉克先生，寫出了相對論量子力學方程。他引入了反粒子的概念，就是正電子的概念。有了正電子的概念，人們才在對宇宙射線的觀測中發(fā)現(xiàn)這個世界上真的有反粒子。 另外一位奧地利的物理學家泡利，他研究中子裂變成一個質(zhì)子加上一個電子的過程，憑借著對動量守恒和能量守恒兩個定律的信念，他大膽預(yù)測這個世界上存在著中微子。 當然，僅僅是憑借這樣一些理論去做預(yù)測，還不能反映物理學的能耐，有些物理學甚至僅憑借一個大的原則就能構(gòu)造出一門嚴謹?shù)膶W問，并且給我們帶來一場工業(yè)革命。我們知道，以熱機為代表的第一次工業(yè)革命，相關(guān)聯(lián)的學問就是熱力學，而熱力學的出發(fā)點竟然就是法國人薩迪卡諾總結(jié)出的一個簡單原理，叫“任何不以做功為目的的傳熱都是浪費”，就是這么一個簡單原理，就構(gòu)造了一門嚴謹?shù)膶W問。 物理學到底是一門怎樣的事業(yè)？我們考察一個人，可以先考察他周圍的人。物理學的兄弟有哪些？當年人們把亞里士多德關(guān)于自然的思考攢成了一本書，名字叫《Physics》，也就是關(guān)于自然的學問。然后把亞里士多德關(guān)于自然的一些不著調(diào)的思考，比如世界的真實性，所使用公理的存在合理性等，放到這本書的后面。因為是放在物理書的后面,所以它就有一個名字叫《Meta Physics》，或者叫后物理學。 這個詞在西方慢慢成了一門學問，在中國被翻譯成形而上學。形而上學到了康德手里，被康德教授抽去了形而上學理念中那些神學的東西，把它轉(zhuǎn)化成了一個接近自然科學的一門學問，就是今天所謂的Philosophy，哲學。 我們可以看到，物理學和哲學本身有多么親近，應(yīng)該說物理學本身就是一門哲學，好的物理學家本身就應(yīng)該是哲學家。當我們談?wù)撜軐W和談?wù)撜軐W家的時候，請大家千萬不要忘記，康德首先是一位數(shù)學物理教授。 物理有另外一個表兄弟，就是數(shù)學Mathematics。Mathematics并不是我們漢語翻譯的數(shù)學，因為Mathematics不僅研究數(shù)，也研究形，也研究邏輯，它的本意是聰明人干的事情。 數(shù)學對于物理學家意味著什么？數(shù)學是物理學家的語言，也是物理學家賴以思考的工具。物理與數(shù)學之間應(yīng)該有交互作用或者interplay。物理的表述、物理的思考都離不開數(shù)學。但是相當多的時候，是物理學的研究給數(shù)學提出問題；并且相當多的時候，物理學家會親自操刀解決他遇到的數(shù)學問題。 當然，一個物理學家不管在數(shù)學方面怎么努力，他都不可能像專業(yè)數(shù)學家那樣，掌握那么多高深的數(shù)學。著名的數(shù)學家哥廷根大學教授David Hilbert，他覺得物理學家好可憐，他說了一句很有名的話，“物理對于物理學家來說，實在是太難了?！币驗槲锢韺W家確實理解不了物理學遇到的那么多數(shù)學問題。 但是反過來我也要說，對于數(shù)學公式中蘊含的美，如果你不去研究數(shù)學所表征的實在世界的話，那些美也不是你能夠理解的。所以，我們也可以對數(shù)學家說一句：“數(shù)學之美還真不是數(shù)學家能夠理解的。” 物理學家是能夠用公式唱歌的人。這就是我們在日常生活中、我們的課本里、我們的工作中遇到的那些對象，他們長成這個模樣。懂得這些數(shù)學公式——從普通物理到廣義相對論，大約你可以跟人說我學過物理了。 物理學家本身要學好數(shù)學。有一個重要的例子，大物理學家詹姆斯·麥克斯韋，這位先生天生就有非常強的數(shù)學思考能力。他很小的時候，父母送他去上畫畫課，課程竟然是畫蛋。畫蛋很難，畫不好，于是他就想，如果我能先寫出雞蛋的方程，是不是就能畫好了？先從和雞蛋長得差不多的東西著手，從橢圓開始。 橢圓的方程是兩點的距離之和等于常數(shù)。他就想,橢圓和雞蛋的差別，不過就是橢圓兩頭一般大,雞蛋是一頭大一頭小,只要我把到兩點的距離給它加上不同的因子，也就是變成了距離L1加上距離L2，乘上某個因子等于常數(shù)，于是就能畫出雞蛋了——這是他13歲時做出的成就。 這樣一個人，當他成年進入物理學研究的時候，你就知道他杰出的數(shù)學能力對他研究物理有多么重要了。人們都知道的電磁感應(yīng)定律，四個定律都是左邊一下右邊一下，但是當麥克斯韋把這四個方程寫在一起的時候，他就知道這個方程從數(shù)學本質(zhì)上來說是有些缺陷的。 于是他在第四個方程的右邊，加上了一項，就是所謂的位移電流。我們的高中老師和大學老師講位移電流的時候，都講不清楚道理在哪兒，即使是了不起的楊振寧先生，在前年也專門寫出了一篇文章，探討麥克斯韋到底怎么想到要方程的右側(cè)加上這么一項的。 麥克斯韋改造的這個方程，是一個波動方程，讓他認識到電磁還可以產(chǎn)生電磁波的現(xiàn)象。這個方程能計算出波的傳播速度，這個傳播速度竟然和光的速度差不多，于是麥克斯韋想，“老天?。‰y道光就是電磁波？” 剛才我們說物理學家的任務(wù)是理解這個世界，可是理解了這個世界，你還要把你的理解要傳達給別人，所以物理學家天然的還應(yīng)該是語言學家。 我們知道有一個物理學家,他解釋了水波或者光波通過兩個狹縫，在后面的屏上得到差不多等間距的明暗相間條紋的現(xiàn)象，就是所謂的波的雙縫干涉現(xiàn)象。這位物理學家就是英國的托馬斯·楊，他同時還是大英百科全書這個條目的撰寫人，他撰寫語言這個條目的時候，差不多使用了四百種語言。 當法國人在埃及挖出一塊黑色石碑，發(fā)現(xiàn)上面有三段誰也不認識的文字的時候，他們自然而然地知道，要想認出這些文字，一定要去找物理學家。在英國的物理學家里面，還有一個數(shù)學和物理知識我甚至覺得比牛頓還要強的一個人，就是William Rowan Hamilton。為什么大家對這個人知道得少呢？就是因為他的學問太大，我們不好介紹——他是整個經(jīng)典力學、經(jīng)典光學的奠基人之一。 他差不多在13歲的時候就學完了歐洲的所有語言，并且把它所學的語言延伸到了小亞細亞，再一直往南學阿拉伯語、波斯語，最后去學印度語。學完了這么多以后，他突然明白了一點，原來歐洲語言的源頭在印度！于是乎他提出了語言學上的一個關(guān)鍵概念，叫印歐語系。想一想，得學完多少（語言）以后，在多高的層面上，你才能看到印歐語系這個概念！ 物理學家是思想者。我們都知道，寫出量子力學電極性方程、薛定諤方程的，當然是一個叫薛定諤的人。薛定諤在1943年或1944年間的一個講座，講到我們和外面的時空有什么差別的時候，提出生命里存在著專門用來存儲信息和表達信息的結(jié)構(gòu)，并且這是一個準周期的結(jié)構(gòu)。這個信息載體的概念讓別人獲得了1957年的諾貝爾生理獎；這個準周期的結(jié)構(gòu)1984年被發(fā)現(xiàn)，讓別人獲得了2011年的諾貝爾化學獎。 物理學是思想者，他不僅要回答問題而且還要去制造問題。比如這一位美國的諾貝爾物理學獎得主提出一個問題，“如果我們看到的這個宇宙是答案的話，誰告訴我關(guān)于這個宇宙的問題是什么？”大家想一下，能提出這樣的問題，對這個世界得有多深的理解？ 當然，物理學家如果僅僅是思想家的話，他就淪落成了哲學家，物理學家還應(yīng)該是實踐者。比方說，我們都知道電磁學存在著屏蔽現(xiàn)象，可是你敢不敢穿著金屬做的衣服，讓人把你放到50萬高壓下面渾身冒出火花？ 物理學給我們創(chuàng)造了很多意想不到的東西，人類需要光明，所以我們學會點燈，直到有一天發(fā)明了電燈?？墒前谉霟糁幻χl(fā)熱，很少發(fā)光，于是我們不得不研究它發(fā)熱發(fā)光的機理，從而有了黑體輻射。 有了黑體輻射,我們要研究黑體輻射的發(fā)光規(guī)律。直到有一天，有人提出了這樣的一個公式，而這個公式的基礎(chǔ)是說，光的能量具有量子——這開啟了量子力學的研究。 1950年代量子力學用到了固體，讓我們理解了什么是導體，什么是絕緣體。理解了導體、絕緣體就帶入了半導體的概念，這讓我們有一天終于做出了一個幾乎只發(fā)光不發(fā)熱的冷光源——發(fā)光二極管。當我們的物理學家能夠做出藍光發(fā)光二極管的時候，我們就有能力用藍光二極管調(diào)配出各種波長的光，可以為特別的植物提供特別的光照，將來也許就有了城市農(nóng)業(yè)的概念。 物理學改變我們的生活。從倫琴一開始觀察到的這個不知名的射線，X射線就迅速轉(zhuǎn)換成了醫(yī)療器械。今天我們在醫(yī)院里見到的核磁共振、CT掃描，都是從物理實驗室搬出去的。 物理改變生活的另一個側(cè)面是通訊。早先人們只能通過嗓子喊或者信鴿來維持通訊，當我們有了直線電路，就有了電話；而當我們會用電感、電容和線圈去玩振蕩電路的時候，就有了無線電；有了無線電，我們發(fā)現(xiàn)無線電傳輸信息也不是太好，通量不夠，會有干涉；我們又發(fā)現(xiàn)光是好的信息載體，于是就研制出了好的光纖，把光導到很遠的地方，我們就有了光纖通訊。 為了把粒子物理實驗每天產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)送給理論物理學家處理，物理實驗室的工程師們開發(fā)出了用電信號傳遞數(shù)據(jù)并能自動解碼的信息，這給我們帶來了Email，帶來了網(wǎng)絡(luò)。而網(wǎng)絡(luò)的大量應(yīng)用，徹底改變了我們的世界。今天你看到滿街各種顏色的自行車，它的首要技術(shù)不是自行車技術(shù)，而是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 物理學讓我們知道遠方。我們都知道，感官里面讓我們接觸遠方的唯一器官是眼睛，而眼睛響應(yīng)的是光。通過對光的研究、對光的探測，人類才能夠知道遠方物質(zhì)的存在、遠方物質(zhì)的構(gòu)成——光學才讓我們真正意義上知道什么是遠方。 當然，物理學也有另外一個側(cè)面，它可能使得魔鬼和天使沒有區(qū)別。大家知道，通過對狹義相對論的理解，我們獲得了智能方程E=mc^2。從這個方程得到了一個對能量應(yīng)用的巨大潛能。如果在核裂變、核聚變的過程中有大質(zhì)量損失，我們就會獲得大的能量。這個能量既可以做成毀滅人類的核武器，也能夠做成造福人類的核電廠。 許多人提起物理學覺得很頭疼，我想那是因為沒遇著好老師，沒人告訴我們物理學到底是什么樣的框架。物理學是有其組織原則的，物理學里面的參數(shù)或者物理量，是按照共軛的原則組織的。 什么叫共軛？就是這種東西，套在牛脖子上的叫軛。當兩頭牛被同樣一個軛套在一起的時候，它們的用力就能夠往一個方向去，它們倆之間也就有了內(nèi)在的、比較強硬的關(guān)系，這就是共軛。 物理學除了關(guān)注一些具體物質(zhì)的、具體存在的細節(jié)以外，它還給我們提供定律Law、原則，以及更多普世性的內(nèi)容來提升我們對世界認識的水平。 比如對稱性原則，我們看這張人臉很漂亮，因為比較對稱，理解這樣的一張臉我們需要的參數(shù)很少。如果一張臉長的像我的臉似的，上面不僅有坑有點，還有一些不同顏色的分布，要想記住這樣一張臉，就需要大量的信息，這會讓你煩，于是乎匆匆忙忙地下了一個結(jié)論，這叫丑。 對于這張臉來說，對稱性也許僅僅是美的問題，但對于蜻蜓來說，兩側(cè)翅膀?qū)Σ粚ΨQ就攸關(guān)性命，所以對稱性是非常重要的原則。 有些人會到處談?wù)?，說物理學里有這樣或那樣的革命，奧地利大學一位著名的哲學家馬赫教授說過：“如果你在物理學里面看到了革命，那只是因為你知道的少?！?/strong> 物理學是一條綿密細致的思想河流，它的每一個想法在前面一定有它產(chǎn)生的基礎(chǔ)，有它思想的前軀體。所以大家學物理的時候，不妨去追逐一下它產(chǎn)生的時代背景和歷史淵源。 物理學是美的發(fā)現(xiàn)者，我們還會用掌握的物理的知識去贊美它，最重要的是我們還會再現(xiàn)它。 比如關(guān)于晶體的研究。我們從大自然里找到一些非常漂亮的石頭，有一天我們知道它是寶石。從對它的外形觀察，我們注意到它有保持夾角不變的特性，然后我們構(gòu)造出晶體理論，并試圖生長晶體。其實今天在實驗室里面生長的晶體，比天然的晶體質(zhì)量其實高得多，所以物理學家不僅是美的發(fā)現(xiàn)者，也是美的再現(xiàn)者。 物理學研究作為一種文化事業(yè)，最后塑造的一定是物理學家的人格。物理學如同哲學一樣，它是一門能夠把你的境界提高到別人不能理解的層面上的學科。我們經(jīng)常說仰望星空，丹麥的科學家第谷是一個把自己奉獻給宇宙、自然的真正的物理學家。他懷著造福人類的夢想，努力探索自然奧秘，他的內(nèi)心必然抱著仰望蒼穹的心態(tài)。 愛因斯坦對于學物理的人來說是神一樣的存在，可當他五六十歲的時候，真的就像一個小孩一樣，始終保持著童心。 再看這張照片，右邊的這位是量子力學第三種表述（提出者）、曾經(jīng)被認為最聰明人之一的費曼教授，對面是一個比他還大牌的英國人狄拉克教授。我們看看這樣兩位物理學諾貝爾獎得主談話的畫面，詮釋了什么叫“不以物喜不以己悲”，他們臉上那種平靜，真的不是我們一般人通過所謂的修行能夠得到的。 物理學是造物主的詩篇。這位Shelton教授在給這位女鄰居解釋什么是物理學的時候，他說：“當你掌握了物理學的時候，Anything is possible?！?strong> 當你理解了物理學的真諦以后，Anything is possible。 物理學是用數(shù)學方程寫成的一門學問，很不幸它也是一門其80%以上的從業(yè)者都弄不懂的學問。所以大家學物理的時候，如果遇到了困難，千萬不要氣餒。因為作為我這個層面上的物理學家，我們也不懂物理。 但是人類今天已經(jīng)進入21世紀，哪怕是量子力學、相對論這樣在上世紀被大家看作是革命性頭腦風暴的學問，在21世紀的今天，也應(yīng)該成為我們的常識。所以說在21世紀，物理學知識應(yīng)該是一個自稱受過教育的人的標配，所以你怎么可以不懂物理。 據(jù)說唐朝的李白和杜甫是一對好基友，李白曾經(jīng)跟杜甫開玩笑說過一句詩，“總為從前作詩苦”。這句話我覺得很有深意，我想在寫這句話的時候，李白和杜甫兩位老兄應(yīng)該在寫詩方面有著別人無法企及的高度了，他們已經(jīng)感受到了作詩的快樂，所以才有總為從前作詩苦的感覺。我想物理學包括數(shù)學、哲學也是，當你學到一定程度的時候，這門學問是能夠給你帶來內(nèi)心歡樂的。 所以我上大學的時候，雖然我的高考成績物理最差，我也是選了物理系，當然了這造成的局面是我一直不能夠理解物理是什么，但是如果有來生，我還會毫不猶豫地選擇物理系，因為我覺得物理確實帶給我?guī)砹丝鞓贰?/p> 就像《生活大爆炸》的Shelton有一句很有名的臺詞，“Quantum mechanics makes me happy，量子力學讓我很高興”。所以這些年我在努力學習物理，我也希望把我學習物理的這些體會帶給大家。希望大家在未來學習物理的過程中，千萬不要把學物理當作一件苦差事。 這是我在過去寫的一些書，有《物理學咬文嚼字》三卷，從每一個字詞的角度，去給大家講清楚物理學的概念。 我們中國人用一些別人或我們的前輩相當不負責任地隨手翻譯也不能正確傳達的概念去學物理，對于我們絕大部分人來說，學物理實在是太苦了。 我希望大家在未來學習物理的過程中，千萬不要把學物理當作一件苦差事。另外也希望大家盡可能地去讀物理學創(chuàng)造者們的作品，也許學物理會更輕松一點。謝謝大家。   |
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