5.09 科大難忘的課堂

【科大瞬間】特刊
《我們心中的科大》--建校60周年慶

科大難忘的課堂
葛健（844）

我於 1984 年秋入學，於 89 年畢業。現在算來已離開科大 28年了。明年就是科大六十年校慶，作為校友，總有一種衝動想寫點什麽留作紀念。回憶起來，感覺時間就像一個過濾器，離開母校越久，留下的都是些終生難忘的片段。或許因為自己從離開科大後就從沒離開象牙塔，一直在學術世界裏打拚。自然是那些對學術和思想有長遠影響的片刻保留在記憶中最完整而且經常回憶起。這些片段總激發我不停地去思考，努力尋求答案和提升自己。借此把最難忘的片段中幾個跟課堂有關的回憶和個人的體會和感想寫下來跟校友們分享。這其中就包括方老師給我們上的近代物理課和由張秉倫老師教的中國科學史。

近代物理課是由方老師在 1986 年秋主講，是一門為二係和四係學生開的最後一門普通物理課，也是我知道的當年科大最受歡迎的一門課。開學第一天上課時，就有 200 多位學生（包括部分 85級學生）來聽課。這數目遠遠大於我們 84 級二係和四係學生數的總和 130 人。記得當時課堂坐滿了學生，還有部分學生站著。方老師是一位對物理概念理解很透澈和科學史了解很清楚的大師。同時方老師表達清晰，也很會講故事。他把這門課從頭到尾都講的非常生動。可以說，打那之後我還沒有聽到比方老師更能深入淺出和生動地講課的人，是一種智慧和科學美的享受。

我在此描述一下這門課給我留下最深的三個片刻。

一次方老師講到伽馬射線反常吸收問題時，他談到了這一現象首先是由中國物理學家趙忠堯，也就是科大四係第一任係主任，在加州理工跟隨導師密立根做博士論文時於 1930 年首次發現的。可惜他當時因無法解釋，也就把發現的電子在雲霧室裏的反常現象放在了一邊而沒做進一步研究找出合理解釋。後來他的師弟 Carl Anderson 一年後在做類似實驗時，又發現了這種電子軌道反轉現象。Anderson 做了仔細研究，終於發現這正好和 Dirac 預言的正電子軌道一致。於是就第一次證明了正電子（和反物質）的存在，而於四年後獲諾貝爾物理獎。記得方老師在提到這事，很是為趙忠堯錯失良機而痛惜。這件事給我留下了極深的印象和影響，讓我思索從中找到新的啟發。

再就是方老師在這課上非常喜歡用量級估計方法來解釋各種物理現象。方老師把這方法講到出神入化的地步，而且充滿想象力。有一次，他講到如何估計木星上的引力。他先把一個人想象成一個一米直徑大小的球，然後利用牛頓的萬有引力來估算重力加速度是多少，並和在地球表麵的重力加速度做比較，結果大概是地球的六倍。他得出的結論是在木星上邁一步就相當於從地球上二樓摔下來，準骨折！這種比擬既形象又生動，終生難忘。我後來在給本科生教普通天文學時就一直引用這個比擬。方老師在課上問大家為什麽地球上沒有比珠穆朗瑪峰更高的山? 他很快用電子簡並壓公式估計出地球上山的高度不會超過一萬米，否則山就會因重力大於簡並壓而崩塌。這簡直神奇極了，簡單的電子簡並壓估計就能把看似風牛馬不相及的地球的山高極限給搞定。這就是科學的美和“ 魔力”！ 在方老師眼裏，一切物理現象可以用很簡單的物理原理加上量級估計去解釋。這一方法後來在我從事天文研究高效地把握大方向，建立天文物理原初概念方麵起到事半功倍的作用。

方老師的課最難忘的時刻應該是最後一堂課。這天方老師一反以前講課嚴肅的風格，說話突然風趣活潑起來，以致博得我們一次又一次的掌聲和笑聲。當他講到宇宙不對稱問題時，忽然神秘般地打開一張事先用白紙蓋住一部分的透明塑料片，我們驚訝地看到那是一副活生生的由方老師自己畫的古代美人側麵圖。他告訴我們這是他研究宇宙而得出的結論：對稱+破缺=美！就如同你感覺這美人為什麽美一樣，那多半是因為她側著臉。相反，那些正麵照片多半死板，多半用在罪犯照上。方老師以這些生活中的一些細節為證據來證明他的發現正確既形象又生動。至今難忘方老師在解釋時的風趣，幽默和自信。方老師還介紹了由量子論與廣義相對論的結合導致時空概念失去絕對意義的新概念。他還半開玩笑地講到他一次在哥倫比亞大學訪問時，在深夜坐車，在十字路口黃燈時撞車的感覺就有這時空顛倒的感覺。
他還講到 Planck 時空“旅遊”奇遇和道教的“有生於無”的思想在宇宙起源研究中的作用。最後他介紹了他的多連通宇宙時空模型思想，包括他畫的一幅幽默畫，一個大頭娃 娃 托 著 腮 苦 思 冥 想 ：“What is the shape of the universe?”。 同時他調侃道：
“他是不是你們中的一個人？”作為最後一堂課結束語。同學們全體起立，長時間地鼓掌感謝方老師的精彩講課，目送老師離開教室，離開了我們，離開了他熱愛的，並共度了二十八個春秋的科大。雖然這是三十年前的往事，但現在回憶起，當時的情景還曆曆在目。

我在 88 年上了張秉倫老師教的中國科學史選修課。我印象這是張老師在科大第一次開這門課。張老師在課上介紹了很多鮮為人知的中國古代發明，讓我大開眼界。我也因此既為中國古代有很多發明創造而高興和驕傲，但又為現代科學技術沒有在中國誕生而惋惜並因此努力去思索其根源。在張老師介紹的古代稀奇的發明中，我印象最深的是關於“秋石”的發明。張老師介紹這種秋石是用很多噸早晨童子尿熬成的一點點像石頭般的小塊。這種秋石是因為古代皇帝為了提升性的需要而製作的補藥。據張老師介紹，這種秋石其實就是激素。所以才有這種功效，但加工工藝很複雜。這種秋石早在漢代就已發明。但因為製作這種秋石的程序複雜再加上中國傳統保守文化，製作工藝一而再、再而三地失傳，再發明，跟古代指南車的發明有類似曆程。張老師指出西方在 1902 年才發現激素的。在這之後，有近十位生理學家因激素有關的研究而獲諾貝爾獎。記得張老師當時很自豪地說，其實中國人比西方早了超過一千年就發明激素了，隻是可惜中國古代沒有發展成科學理論來支持這“激素”的發明。最後多少淪為江湖郎中的騙術。

這些課堂片段雖隻占我大學求學階段微乎其微的一部分時間，但這些故事一方麵激勵我一直在思索“為什麽中國科學家在近現代有不少次跟諾貝爾獎級的發現擦肩而過？”“為什麽中國古代的一些偉大發明並沒有引起世界級的影響？”並努力從中找到啟發，而另一方麵又激勵我不斷更新我的思維，提高自己的認識水平和改進我的研究風格。隨著我在美國呆的時間越長和有了更多的學術經曆後，我對這些事的確有了一些新的認識，也希望通過這篇文章跟校友和有興趣的讀者分享我的理解和看法。

我個人認為趙老錯失正電子的發現這件事看似偶發事件，但在一定程度上講，它跟我們文化和教育有一點關係。其實錯失重大曆史發現也發生在我和方老師在 1992-1993 年的研究工作中。我於1992 年到亞利桑那大學天文係做博士生。我的第一個研究課題是跟方老師做宇宙大尺度的演化的研究。方老師當時高瞻遠矚，看到了用宇宙早期到處存在的氫氣體雲塊的分布和紅移演化（即時間演化）來檢驗宇宙早期的大尺度的形成和早期演化的模型。當時流行的模型是標準冷暗物質模型（最流行），冷加熱暗物質模型和Λ暗物質模型（Λ是宇宙學常數）。這Λ暗物質模型其實就是現在被普遍接受的暗能量加物質的宇宙構成的原初版（現在大家公認宇宙有大約 68%暗能量，27%暗物質和 5%的可見物質）。當時我們發現所有的氫氣體雲塊的觀測結果無法跟流行的暗物質模型的預言吻合，相反，跟Λ暗物質模型的預言很一致。因此，這工作提供了非常早的關於宇宙加速膨脹的證據。可惜，我們的研究結果隻局限於指出Λ暗物質模型似乎跟觀測結果更一致，同時指出暗物質模型需要特殊宇宙物理條件才能解釋觀測現象。這在一定意義上講隻是天體物理學家的一種智力遊戲的檢驗。而沒有深入開展研究去理解這一工作的各種誤差來源，來確定我們的研究結論的正確性和結果後麵的真正物理含義，並由此來明確指出宇宙膨脹需要愛因斯坦當年在宇宙方程中引入的Λ項，即現在定義為“暗能量”的項。後來在 1998 年，另外兩個研究小組（ Saul Perlmutter, Brian Schmidt, and Adam Riess）通過測量一型超新星的宇宙距離而確定宇宙結構跟Λ暗物質模型一致，同時指出宇宙在加速膨脹的事實。他們的重大發現在 2011 年獲得了諾貝爾物理獎。

現在回頭看我們當年的大尺度的演化和觀測數據比較研究中的發現，在某種意義上講跟當年趙老的正電子現象的發現有點類似。這兩個工作都從觀測現象上看到“反常”，即趙老發現電子軌道反常，而我們發現觀測結果跟當時流行的標準冷暗物質模型不一致。我們當年的工作實際上已指出Λ主宰，即暗能量主宰的宇宙模型和觀測一致。但為什麽這兩個工作都錯過了重大物理天文發現的機會呢？我先從我們當時的主觀和客觀情況來分析我們錯失良機的原因。當時方老師剛到亞利桑那大學任職，而我也是博士生研究的第一年，和我們合作的畢紅光當時在德國剛好完成博士論文。我們用的是畢博士的數值模擬軟件並加以修改來和觀測數據比較。畢博士拿到博士後一時很難找到一個長期博士後位置。方老師於是就幫他找到一個短期的博士後位置做過渡。他在 1993 年來亞利桑那大學，應該說這時是方老師在美國研究的起步階段，客觀環境還不處於最優狀態。盡管如此，當時方老師在發現這一“反常”現象後，已跟我討論用當年景益鵬博士發展的 N 體模擬軟件來進一步模擬氫雲的大尺度分布和演化，來檢驗我們的宇宙“反常發現”的真實性。景博士當時已欣然同意給我們他的模擬軟件（景博士於 1994 年也來亞大訪問了一年，現為上海交通大學教授，中國科學院院士）。但很遺憾的是，畢博士當時情緒低落，對天文研究的前景，尤其天體物理的研究前景，很不看好。這種情緒和言語無疑對我做天體物理研究起到了負麵作用，動搖了我繼續研究這問題的信心。我很快在方老師同意和鼓勵下決定轉入天文觀測研究，接受亞大的一流天文觀測訓練。我們本打算的後續 N 體模擬工作就此置。從另一角度看，我們當時也的確缺乏對觀測數據的理解和信任，而因此產生對這一可能的重大突破的敏感的預見力。這應該是我們在這一重大曆史發現麵前失之交臂的根本。從這點看，我們當年缺乏的是很多美國傑出科學家具有的非常突出的實踐能力和由此產生的對科研最前沿的嗅覺。這在我後來多年從事天文實踐研究工作（即天文觀測和天文技術研究）中，我才發現這些的確是我們不少華人科學家的短板。而這一短板的彌補需要很多年的摸索，積累和提升，才能到如火純青的地步。

認識到這點，我們現在再來看趙老的當年憾事，也多半有了比較合理的解釋了。試想趙老 1927 年留美，1930 年發現這正電子現象，這也就是到美國才第三年。根據我留美觀測和經驗，到美國三年估計勉強適應美國人文環境和基本了解美國科學家做研究的風格，但很難在這麽短時間掌握西方科研的實踐能力和產生對重大發現的敏銳嗅覺。而這實踐能力和敏銳科研嗅覺就是美國科學家的研究風格跟中國科學家研究風格的根本不同，即美國科學家更重視實踐（動手）而中國科學家更重視理論（動腦）。美國科學家更重視演繹思維而中國科學家更重視歸納思維。這演繹思維，在某種意義上講就是科研嗅覺，對發現和解釋新現象非常重要和關鍵。這些根本的不同自然與我們的文化和教育密切相關。在我們中國儒教文化中，我們有嚴重重視動腦而鄙視動手，即所謂勞心者治人勞力者治於人的傾向和習慣。這種文化根深蒂固，估計趙老也許多多少少受這種文化教育的影響。因此，雖然我無法知道趙老的博士研究工作，但可想象他的當年工作或許多半可能在理論上和歸納上更突出些。現在再回到我們當年的研究，也不難看出我們在實踐能力方麵的欠缺和沒有深挖當時研究的新結果後麵更深一層的解釋的敏銳嗅覺。

現在我們已進入 21 世紀，中國在科技發展上有了令世界矚目的飛速進步。科大的科研經過近三十年的默默努力，現在也是遍地開花，尤其在量子通訊方麵也已走在了世界的前列。最令我興奮的是以郭光燦、潘建偉和杜江峰等科大教授為首的中國科學家非常重視實踐和對新實驗現象的背後意義的進一步演繹和發掘，一改當年唯理論最聰明的傳統科研風氣。毫無疑問，中國科學家在繼續發揮我們的長處（理論和歸納）的同時，已在實踐能力和演繹思維和對重大發現的嗅覺方麵有了長足的進步。科大擁有一個相對其他中國高校比較寬鬆的精神自由的環境，再加上科大有教授治校，和崇尚科研第一的傳統。我想科大一定能朝追求科研本質方向繼續前進。科研的本質就是以好奇心引領的不斷提問，經過演繹而產生的各種想法和主意，並通過不斷的實踐，嚐試，失敗，再嚐試的反複追求到最終的重大科學發現和技術發明的經過。

科大在這些方麵既有天時（民族的偉大複興運動），地利（一個遠離政治金融中心的可以安靜從事科研的地方），也有人和（科大精神，科大敢為天下先的牛氣和異常豐富的校友資源），我堅信科大會在下三十年不光繼續引領中國科技進步，也將引領世界科技發展。作為校友，我為母校自豪，為母校的進步感到高興，也會為母校的發展貢獻出自己力所能及的微薄之力。這篇文章也算是一位老校友獻給那些孜孜不倦，追求學術上進步的科大年輕學子的六十周年的一份薄禮。

 

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