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如果有來生,我還會選擇物理

(2022-01-21 14:31:21) 下一個

【科大瞬間】第139期|曹則賢822

如果有來生,我還會選擇物理

曹則賢822

“物理學是一種什麽都想理解的渴望,或者是一種野心——物理學家在理解的基礎上,還要創造。”

什麽是物理學

我本人是1978年讀初二的時候,第一次接觸到物理這個概念。四年以後進了大學,我的高考物理成績最低,但去了中國科技大學的物理係。大家可以想象一下,接下來的物理學習對我來說,不是一件輕鬆的事情。到我讀了博士,做了物理學教授,都沒有想過這樣一個問題:什麽叫物理學?

直到有一天,我讀到一本書,叫 What is Mathematics ,作者是庫朗。他當年是德國哥廷根大學的講師,後來去了美國,是美國現代數學的奠基人之一。這位先生在這本書裏,沒有試圖回答什麽是數學。但是他用最淺顯也最深刻的語言——把他當時掌握的現代數學幾乎全講了一遍。他說,如果一個人能夠堅持讀完這本書的話,應該對什麽是數學有他自己的答案。

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裏感到喜悅的事情。

受到這本書的啟發,我突然想到,我是物理係畢業的,又在物理研究所工作,怎麽也應該想一想什麽是物理學。結果在網上找,沒發現有《什麽是物理》這樣的書。

但是我注意到有別的“什麽是什麽”的書,比方說有一本法語書就叫《什麽是電影》。我想各位可能都看過電影,大概沒想過還有一本專著叫《什麽是電影》。

直到有一天,我在網上看到了一個定義,叫“什麽是醫學”,它說“醫學是一門什麽都不確定的科學和什麽都可能的藝術”,我覺得這個定義非常到位。醫學確實是一門什麽都不確定的科學,如果你生病了去醫院,很少會有醫生會說你到底得的什麽病,這個病的病理到底是什麽——什麽都不確定。

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,於是我給物理學下了一個定義:物理學是一種什麽都想理解的渴望,或者是一種野心——物理學家在理解的基礎上,還要創造。

今天我們生活在一個用科學技術支撐起來的高度發達的社會,而這些高度發達的技術,如果仔細檢查一下,你會發現,它們的基礎差不多都是物理學。

為了認識什麽是物理學,我們稍微看一下它的曆史。這是美劇《生活大爆炸》中的一段,Sheldon博士跟大家講,物理學始於公元前600年的某一個仲夏夜。

公元前600年到底發生了什麽事情呢?我猜大概是指這樣一件事情。

在古希臘的彌勒斯島上有一位智者叫泰勒斯,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。

泰勒斯

從那時候起,人類開始對我們所處的世界有了理解,經過2600年無數聰明才智的積累,千辛萬苦努力走到今天,物理學才成為一門多少有那麽一點科學味道的學科。

物理學是怎樣一門學科?物理這個詞到底指的是什麽?在西方的語言裏,physical或者來自於希臘語的φυσις,都是自然的意思,也就是說,物理學是關於自然的學科。

我們中國的小學裏也有自然課,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”。

物理學起源於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麽?可以說,物理學的研究對象是全部事物,你能想得到的事情大概都是物理學的研究對象。

從空間尺度上來說,它研究大到整個宇宙,小到世界上最小的存在——中子和質子裏麵的誇克結構。

在時間尺度上,物理學既研究宇宙的整個曆史,也研究發生在很短時間內的事件。比如說我們可以很輕鬆地實現飛秒脈衝的激光,也會在實驗上力圖去做10^-18(十的負十八次方)秒的一個脈衝。

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。甚至還認為,我們研究的宇宙最宏大尺度上的物理,與最小尺度上的物理,竟然是一體的。

這就是為什麽會有關於物理學的所謂貪吃蛇的模型。貪吃蛇的蛇頭,就是宇宙層麵上的物理問題;蛇尾,是基本粒子層麵上的物理。

物理學的應用

物理學它到底厲害在哪兒?它提供我們對宇宙的認知。但是,對已經存在的、看得見、摸得著的東西提供認知,這不算本事,物理學還有一個非常重要的能耐,就是能夠預測。

比方說,英國的Dirac(狄拉克)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現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,他大膽預測這個世界上存在著中微子。

(左起)Paul Dirac、Wolfgang Pauli 與 Rudolf Peierls 攝於 1953 年的英國Birmingham

當然,僅僅是憑借這樣一些理論去做預測,還不能反映物理學家的全部能耐,有些物理學家甚至僅憑借一個大的原則,就能構造出一門嚴謹的學問,並且給我們帶來一場技術革命。

我們知道,以熱機為代表的第一次工業革命,相關聯的學問就是熱力學,而熱力學的出發點竟然就是法國人Sadi Carnot(薩迪·卡諾)總結出的一個簡單原理,叫“任何不以做功為目的的傳熱都是浪費”。就是這麽一個簡單原理,就構造了一門嚴謹的學問。

法國在1899年修造的位於Dijon的Sadi Carnot(薩迪·卡諾)紀念碑

物理學、哲學、數學

物理學到底是一門怎樣的學問?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?當年人們把亞裏士多德關於自然的思考攢成了一本書,名字叫 Physics,也就是關於自然的學問。

然後把亞裏士多德關於自然的一些不著調的思考,比如世界的真實性,所使用公理的存在合理性等,放到這本書的後麵。因為是放在物理書的後麵,所以它就有一個名字叫Metaphysics,或者叫"後物理學"。

這個詞在西方慢慢演變成了一門學問,在中國被翻譯成"形而上學"。形而上學到了康德手裏,被康德教授抽去了形而上學理念中那些神學的東西,把它轉化成了一門接近自然科學的學問,就是今天所謂的Philosophy,哲學。

我們可以看到,物理學和哲學有多麽親近,應該說物理學本身就是一門哲學,好的物理學家本身就應該是哲學家。當我們談論哲學和哲學家的時候,請大家千萬不要忘記,康德首先是一位數學物理教授。

物理有另外一個表兄弟,就是數學Mathematics。Mathematics並不是我們漢語翻譯的數學,因為Mathematics不僅研究數,也研究形,也研究邏輯,它的本意是聰明人幹的事情。

數學對於物理學家意味著什麽?數學是物理學家的語言,也是物理學家賴以思考的工具。物理與數學之間應該有交互作用。物理的表述、物理的思考都離不開數學。但是相當多的時候,是物理學的研究給數學提出問題;並且相當多的時候,物理學家會親自操刀解決他遇到的數學問題。

當然,一個物理學家不管在數學方麵多麽努力,他都不可能像專業數學家那樣,掌握那麽多高深的數學。著名的數學家、哥廷根大學教授David Hilbert覺得物理學家好可憐,他說了一句很有名的話:“物理對於物理學家來說,實在是太難了。” 因為物理學家確實理解不了物理學遇到的那麽多數學問題。

但是反過來我也要說,對於數學公式中蘊含的美,如果你不去研究數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,我們也可以對數學家說一句:“數學之美還真不是數學家能夠理解的。”

物理學家本身要學好數學。例如大物理學家詹姆斯·麥克斯韋,這位先生天生就有非常強的數學思考能力。他很小的時候,父親送他去上畫畫課,課程竟然是畫蛋。

畫蛋很難,畫不好,於是他就想,如果我能寫出雞蛋外形的方程,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於常數。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,隻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乘上某個因子等於常數,於是就能畫出雞蛋了——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,你就知道他傑出的數學能力對他研究物理有多麽重要了。

人們都知道的電磁感應定律,四個定律都是左邊一項右邊一項,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學本質上來說是有些缺陷的。於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,在前年也專門寫了一篇文章,探討麥克斯韋到底怎麽想到要在方程的右側加上這麽一項的。

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生電磁波的現象。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,於是麥克斯韋想,“天啊!難道光就是電磁波?”

物理學與語言

前麵我們說物理學家的任務是理解這個世界,可是理解了這個世界,你還要把你的理解傳達給別人,所以物理學家還應該是天然的語言學家。

有一個物理學家,他解釋了光波通過兩條狹縫、在後麵的屏上得到差不多等間距的明暗相間條紋的現象,這就是所謂的波的雙縫幹涉現象。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、發現上麵有三段誰也不認識的文字的時候,他們自然而然地想到,要想搞懂這些文字,一定要去找物理學家。

在英國的物理學家裏麵,有一個數學和物理知識我甚至覺得比牛頓還要強的人,他就是William Rowan Hamilton。為什麽大家對這個人知道甚少呢?就是因為他的學問太大,我們不好介紹——他是整個經典力學、經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,並且把他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,最後去學印度語。學完了這麽多語言以後,他突然明白了一點,原來歐洲語言的源頭在印度。於是,他提出了語言學上的一個關鍵概念,叫印歐語係。

物理學家與思想者

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,是一個叫薛定諤的人。薛定諤在1943年或1944年間的一個講座裏,講到我們和外時空有什麽差別的時候,提出生命裏存在著專門用來存儲信息和表達信息的結構,並且這是一個準周期的結構。

這個信息載體的概念讓別人獲得了1957年的諾貝爾生理獎;這個準周期的結構1984年被發現,又讓別人獲得了2011年的諾貝爾化學獎。

物理學家是思想者,他不僅要回答問題,而且還要去提出問題。有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,誰能告訴我關於這個宇宙的問題是什麽?”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,物理學家還應該是實踐者。比方說,我們都知道電磁學存在著屏蔽現象,可是你敢不敢穿著金屬做的衣服,讓人把你放到50萬伏高壓下麵渾身冒出火花?

物理學給我們創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,直到有一天人類發明了電燈。可是白熾燈隻忙著發熱,很少發光,於是我們不得不研究它發熱發光的機理,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光規律。直到有一天,有人提出了一個公式,這個公式的基礎是說,光的能量具有量子性——這開啟了量子力學的研究。

物理學與生活

1950年代量子力學用到了固體,讓我們理解了什麽是導體,什麽是絕緣體。理解了導體、絕緣體就引入了半導體的概念,這讓我們有一天終於做出了一個幾乎隻發光不發熱的冷光源——發光二極管。

當我們能夠做出藍光發光二極管的時候,我們就有能力用藍光二極管調配出各種波長的光,可以為特別的植物提供特別的光照,就有了城市農業的概念。

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射線就迅速轉變成了醫療器械。今天我們在醫院裏見到的核磁共振、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麵是通訊。

早先人們隻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。

後來我們發現無線電傳輸信息也不是太好,通量不夠,會有幹涉;我們又發現光是好的信息載體,於是就研製出了光纖,把光導到很遠的地方,就有了光纖通訊。

為了把粒子物理實驗每天產生的大量數據送給理論物理學家處理,物理實驗室的工程師們開發出了用電信號傳送數據、並能自動解碼的信息,這給我們帶來了電子郵件,帶來了互聯網。而互聯網的大量應用,徹底改變了我們的世界。

物理學還讓我們知道遠方。

我們都知道,感官裏麵讓我們接觸遠方的主要器官是眼睛,而眼睛響應的是光。通過對光的研究、對光的探測,人類才能夠知道遠方物質的存在、遠方物質的構成——光學才讓我們從真正意義上知道什麽是遠方。

當然,物理學也有另外一個側麵,它可能使得魔鬼和天使變得沒有區別。

大家知道,通過對狹義相對論的理解,我們獲得了質能方程E=mc^2。從這個方程得到了一個對能量應用的巨大潛能。

如果在核裂變、核聚變的過程中有大的質量損失,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。

物理學的美與樂趣

物理學除了關注一些具體物質、具體存在的細節以外,它還給我們提供定律、原則,以及更多普適性的內容,提升我們對世界的認識水平。

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很少。如果一張臉長的像我的臉似的,上麵不僅有坑有點,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,於是乎匆匆忙忙地下了一個結論:這叫醜。

對於臉來說,對稱性也許僅僅是美醜的問題,但對於蜻蜓來說,兩側翅膀對不對稱就攸關性命,所以對稱性是非常重要的原則。

物理學是一條綿密細致的思想河流。

它的每一個想法在前麵一定有它產生的基礎,有它思想的根源。所以大家學物理的時候,不妨去追尋一下它產生的時代背景和曆史淵源。

物理學是美的發現者,我們還會用掌握的物理知識去讚美它,最重要的是我們還會再現它。

比如關於晶體的研究。我們從大自然裏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,然後我們構造出晶體理論,並試圖生長晶體。

其實今天在實驗室裏麵生長的晶體,比天然的晶體質量其實高得多,所以物理學家不僅是美的發現者,也是美的再現者。物理學研究作為一種文化事業,最後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麵上的學科。

我們經常說仰望星空,丹麥的科學家Tycho Brahe(第穀)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,他的內心必然抱著仰望蒼穹的心態。

據說唐朝的李白和杜甫是一對好基友,李白曾經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該在寫詩方麵有著別人無法企及的高度了,他們已經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心歡樂的。

我上大學的時候,雖然我的高考成績物理最差,我也選了物理係,當然了這造成的局麵是我一直不能夠理解物理是什麽,但是如果有來生,我還會毫不猶豫地選擇物理係,因為我覺得物理確實給我帶來了快樂。

就像《生活大爆炸》的Sheldon有一句很有名的台詞,“Quantum mechanics makesme happy(量子力學讓我很快樂)”。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》四卷,從每一個字詞的角度,去給大家講清楚物理學的概念。

另外也希望大家盡可能地去讀物理學創造者們的原著,也許學物理會更輕鬆一點。謝謝大家。

【作者簡介】曹則賢,822校友,1997年獲德國Kaiserslautern大學物理學博士學位, 現任中國科學院物理所研究員。擔任過科技部“973”項目首席科學家。曾入選中科院“百人計劃”,中國科學院大學、清華大學教授。曾在Science,APL, PNAS,PRL,Advmat,Nature子刊等國際雜誌上發表論文百餘篇,另發表中文物理學、材料學教育論文近兩百篇,編、譯、著有《物理學咬文嚼字》 (四卷),《至美無相》,Thin Film Growth,《一念非凡》,《量子力學-少年版》等專著多部。現為《物理》雜誌專欄撰稿人,Phys. Status Solidi等雜誌編委。

本文整理自格致論道講壇,2020-07-08。內容有增刪。
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文圖編輯:許讚華,沈濤
排版編輯:俞霄

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評論
ali88 回複 悄悄話 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生電磁波的現象。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,於是麥克斯韋想,“天啊!難道光就是電磁波?”
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這是物理學史上最偉大的方程式之一。不但預言了光就是電磁波,而且預言了電磁波可以在空間傳輸。
德國大物理學家赫茲設計了史上最偉大的實驗之一,驗證了上述理論,同時發現了光電效應。馬可尼在赫茲實驗基礎上申請了專利並且商業化,開啟了人類無線通信時代。愛因斯坦對光電效應的解釋使其榮獲諾貝爾獎(相對論並沒有給愛因斯坦帶來諾貝爾獎,雖然大家公認其意義遠非諾貝爾獎所能表達)。這個解釋同普朗克方程一起,引發了量子力學建立,堪稱物理學史上的一場革命。
群星璀璨,天才輩出,是物理學史上最耀眼奪目的一個時期。
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