目前國家提倡萬眾創新。我們要避免“萬眾低層次創新”的陷阱。如果普通民眾的基礎科學知識嚴重匱乏,他們就不可能利用那些知識,他們絕大多數人的創新就可能被局限在一些狹小的、低層次的範圍內。這就浪費了許多民眾的寶貴時光,並且損害了中國在不久將來的全球科技競爭力。
本文隻從物理學這個角度來談目前我國存在的嚴重問題。數學、經典計算機、量子計算、人工智能等其他重要內容沒有談。
我國大多數民眾的物理知識嚴重匱乏。這是因為我們的中小學物理教育沒有及時更新。十九世紀時發現的一些重要概念,例如“熵”,都是我們的高中畢業生們不知道的。
目前學生們的學習:技術性和細節性有餘,廣度和深度不足。
波爾茲曼的著名公式
S = k ln W,
難道不比中學生們費力練習過的某些牛頓力學習題重要嗎?
二十世紀物理學的兩大基本發現,相對論和量子論,正在推動人類科技迅猛發展。我們的學生們卻到高中畢業都不知道這些基本概念。
建議改革中小學物理教育,擴大學生們的視野。代價是稍微減少一些牛頓力學習題的練習。
擴大視野時,要注意用最簡單易懂(盡量避免高等數學)、但又依然非常準確的敘述,使學生們學懂一些新的重要概念,避免學生們對那些新的概念產生誤解。
擴大視野時,還要注意減少物理學史中的冗餘信息對學生們的幹擾。在地球上,量子論的發現過程是很曲折的,其間有不少人物和事件(例如普朗克、愛因斯坦、波爾、德布羅意、薛定鄂、海森堡、波恩、狄拉克、泡利),相當雜亂。我們要有一種宇宙視野,要意識到:量子力學的基本理論是放之宇宙而皆準的,但是它的具體發現過程在不同的星球文明裏是不同的。我們最好選擇一條最直截了當的路徑讓學生們學懂各種基本概念,而沒有必要重複地球上的先人們所走過的那條曲折的路線,也沒有必要讓學生們費力記住地球上量子論的發現史上的具體人物名稱、年份、事件。這主要是因為孩子們的時間精力有限,我們必須節約他們的腦力,把它用於最重要的事情上。(他們上了大學後,如果要學理科的話,可以更具體地了解地球上的量子物理學發展的過程。)
由於愛因斯坦的天才,地球上相對論的發展史涉及的人物事件相對簡單些。
可以想象,在另一個星球上,沒有出現愛因斯坦這樣的人物,那麽狹義相對論的理論敘述變得非常繁瑣、費解(參見地球上之前洛倫茲提出的長度收縮概念),而廣義相對論的發展史上則出現了更多的人物、更多的各種概念誤解、更多的繁瑣費解,直到很久很久之後,才提煉出一套相對簡明的理論,才可以和地球上愛因斯坦的理論相等價。
作為量子論與相對論的交集,量子場論的發展之所以那麽曲折漫長(參見正規化、重整化等事情,曆經了半個世紀的曲折過程),一定程度上是因為地球上沒有出現一個類似於愛因斯坦那樣的天才人物,以最簡單直接的方式來發展量子場論。可以想象,在另一個星球上,出現了一個天才人物,使得該理論的發展過程縮短很多,各種概念上的費解現象也減少很多。
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量子場論概念基礎的發展,迄今也沒有結束。
人類早已經把量子理論和狹義相對論結合起來,形成了相對論量子場論,這樣一個既服從量子論基本原理、又服從狹義相對論原理的理論。該理論構成了我們目前對微觀世界理解的概念基礎。
但是,人類迄今也沒有能夠找到一個把量子理論和廣義相對論(涉及到引力、時空彎曲等概念)統一起來的理論。這個理論還是不是量子場論?或者它是別的某種根本性的新理論?
我們還不知道!
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在教學生們這些物理知識(例如熵、量子論、相對論)時,不僅要教他們基本知識,還要告訴他們這些基本知識的實際應用價值,還要告訴他們:那些物理知識還會有各種預想不到的新用處,就等你來開拓、來探索、來發明創造。
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把重要的物理知識更多地向孩子們普及,還有一個巨大的好處:大幅增加中國未來出現愛因斯坦式的科學天才的可能性。
你可以想象:不同的孩子的思維方式、知識閱曆、個性特點是不同的。在那無數個接觸物理學重要知識的孩子裏,會有若幹個孩子,長大後發現原有的課堂知識的局限性,大幅拓展或深化我們的科學知識,就象愛因斯坦所曾經做過的那樣。
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所以,我建議國家把口號從“萬眾創新”,
具體化為“萬眾學習,萬眾創新”。
學什麽呢?學人類目前為止所獲得的各種重要的科學知識、地理地學曆史天文宇宙知識、哲學思辨等等。但不要浪費太多人力物力去搞宗教迷信等活動。