李学潜 物理是一种文化

物理学是科学,是关于自然界的科学。对这个定义似乎没有任何疑义,是普遍接受的最清晰的概念。自从伽利略、牛顿等物理先贤将物理学推进到他们那个时代人类对自然界认识的最前沿,几乎所有当时人类所关注的自然现象都得到了解释,理论回答了最深奥的问题,并且得到了广泛的应用,为社会作出无与伦比的贡献,也奠定了后来物理学发展的基础。自从牛顿将微积分引入到物理学开始,物理学已经超越了其他学科,成为理解自然界最合理的科学。事实上,物理学不仅要理解自然界,还要让自然界为人类造福。特别是近年来,在基础研究和广泛应用中,我们清晰地看到物理学已超越了人类的直觉思维方式,进而成为在逻辑和创新方面的尖端科学。

多年前,郝栢林院士在一次演讲中(也许有多次,但作者只听过一次)指出:“物理是一种文化”!这将我们对物理学的认识升华到一个新的层次。

这句话对我来说是非常大的震撼!我从事物理教学和科研多年,模模糊糊地感觉到物理除了它的科学性,还存在某种深层次的东西。郝先生的话真如醍醐灌顶,振聋发聩,开启了我对物理认识的新天地!

什么是“文化”,他的确切定义是什么?我在网上读到一篇文章,该文作者给出一个明确,中肯的定义:“文化是什么?是一个国家、一个民族的灵魂。文化自信是一个国家、一个民族发展中最基本、最持久的力量。”

我们是不是能把物理提的这么高呢?我想答案是肯定的。在这篇短文中就让我们来分析一下,为什么物理的确是一种文化!

很多先贤都对这个问题给予了很大的关注。例如,陈佳洱先生在2005年物理通报[1]上发表的文章“物理与文化”中做了相关的论述。我们将在此文中在纵深方面继续阐述这个有趣的话题。

北京大学的穆良柱以“什么是物理及物理文化”为题,相当全面地论述了物理学研究的方方面面,他指出“物理学家信仰世界内部存在普遍联系”,而物理学就是研究这些关系的科学[2]。这种观点虽然有些极端,但表达了物理学家的一种倾向。

最近北京大学物理学院院长高原宁教授给学生做了“什么是物理”[3]的精彩演讲,阐述了一个物理学家如何认知物理和物理学。

本文中,作者从自身多年来从事物理教学和科研的体会出发,谈谈我怎么认知物理和物理学的。基本观点就是物理不仅是一门自然科学,它已经升华到指导探索自然界,乃至处理人生,造福社会全方位的“文化”。

大学物理教学不是旨在仅仅培养将来从事物理研究或物理教学的高端精英,而是培养对国家、对社会作贡献的人才,不论他们的职业是什么。

中国传统文化是孔孟文化,它的核心是“克己复礼”,具体来说是忠于祖国,忠于人民,孝敬父母,爱护一切朋友,帮助弱者,约束自己的行为,自觉地为全人类做贡献,将我们的国家建设成美好的乐园。

我们炎黄子孙都浸润在孔孟文化中,我们民族的一切美德也来源于此,至少部分于此。我开始并没有意识到孔孟文化这么深地埋藏在我们灵魂的最深处。而且,文化并不完全是通过学习,读书培养出来的,它是通过潜移默化,从各种渠道渗透到我们的思维体系中。

有点奇怪,很多出生在国外的年轻孩子(当然是地地道道中国血统)从来没有读过孔夫子的书,却仍然在家庭和华人社会的影响下自然而然地遵从孔孟的教诲,孝敬老人,爱护家庭,尊敬传统。因而我认为作为一种文化,是根深蒂固地至于华夏子孙的脑海中,也实质化地体现在他们的行动中。这就是文化的力量!

为什么说物理是一种文化呢?物理不仅是知识而且是一种思维方式,是一种文化。这是因为如孔孟文化渗入华夏子孙的灵魂一样,物理学的思想深入到每个物理学家的灵魂,指导他(她)在任何工作和思维中采取的立场和方式,这种指导是潜移默化的,你可能都感觉不到它的存在,而自觉或不自觉地遵循物理的法则来思考;甚至那些学过物理(认真学过和思考过,而不是敷衍了事)的学生,哪怕是中学生都会接受物理文化的影响。他们可能在随后的一生中不再接受物理教学,不再记得学过的物理公式,也许连F=ma都不再记得,但这种思维方式是永生保持和受益的。

特别是当他们在老师的指导下,自己独立地完成一些物理的“研究”工作,收获就更大。

作者有一次和一位澳大利亚中学教师交谈,他告诉我他辅导过一些学生做物理“研究”实验,尽管是最初级和简单的,也许对我们大学物理教师来讲不值一晒,但他要求学生自己找参考书,自己设计实验方案(当然不断得到指导教师的帮助和建议),自己选择合适的仪器和耗材,最后自己(几个学生组成的小组)独立完成实验,并且做出误差分析和得到结论。虽然这是很简单的工作,但确是一个完整科学研究的雏形。最后这位教师总结说:你们(指做工作的学生)将来可能忘了我教给你们所有公式和概念的具体细节,甚至忘了我本人,但今天你们通过自己努力完成的实验方面的点点滴滴,包括概念,方法和操作是终生不忘的。

物理就是通过老师讲述,阅读教科书和其他参考书,再通过做作业逐渐渗入到每个学生的脑海中,逐渐成为思维中固化的部分。终身受益。

正如孔孟文化既有“人之初性本善”, 又有通过学习得到的相关知识(语文,政治,哲学和科学)一起深入人心一样,物理文化也是通过两个不同渠道在潜移默化影响我们。其一是人类天生对自然的敬畏和好奇(这是先天的, 动物就没有这种好奇心),其次才是通过后天的学习和思考。后天的教育是一个关键问题。我们在后面要专门讨论这件事。

凡是学过物理学的人对世界万物的看法都会或多或少地改变,表现出的特点就是对于不论是自然界的现象还是社会活动中出现的林林总总,都想要问一个为什么是这样的而不是那样的。想要刨根问底,探索究竟就是自然而然的需要了。当然你也可以说,从没接触过物理学的人不是也会问个究竟吗,那怎么是受到物理的启发呢?好, 这正是朴素的物理学,也正是这个朴素的物理学将开始使用工具的原始人带到了人类今天的高度文明。劳动需要物理,进一步深入研究促进了物理学的发展。

物理规律是不变的,但物理学是向前发展的,物理学的发展带来了我们今天对自然界的认知以及享受到的物质文明,然而,这和大自然的真实面目还差得很远很远。现在所达到的文明也许让百年后的人类不值一笑,物理学确实以高速发展着。至于有没有霍金等期望的万物理论(theory of everything),是个没有答案的问题,即使有,我们距离它还万分遥远。

物理学作为一门科学,并且升华成特定的文化绝不是凭空得来的。科学是直接探索自然界的各种奥秘,而文化就是指导物理学家如何探索大自然的规律,将之总结成“理论”,以及如何继续深入乃至如何应用它为人类造福。

当然,首先要正确认识客观规律。这并非简单,大自然就摆在你的面前,但能否认识到它的现象并正确地归纳,总结成规律绝不是人人能做到的“简单”事。第谷在观测了很多恒星和行星的轨道后,积累了大量的数据,但那只是数据,不是规律。只有当开普勒根据他老师积累的数据总结出开普勒三定律时,那些复杂和让人迷乱的“数”才成为“规律”。而牛顿从这三条规律中提炼出支配它们运动的更深层次的“原则”,这就是我们今天熟悉的万有引力定律。得到这个规律绝不是一件自然而然的事,你要大自然告诉你一些它的奥秘,你得做出巨大的努力而且时间跨度可能很长。为什么牛顿(也许还有虎克)能发现这个规律,而不是其他的研究者呢?这说明牛顿的指导思想对,也就是在物理文化层面上超越了与他同时代的其他人。当然这也和他在数学上的成就有关(下面还要谈到)。

一窍通,百窍通,文化绝不是仅仅束缚在一个局域中,物理是认识自然的客观规律,而物理文化除了处理自然界还可以应用到其他领域。李斌是南开大学物理系毕业生,后来在美国取得博士学位,他自己创业,取得很不错的业绩,我邀请他给南开物理系学生做个学术讲座(colloquium),在此基础上,他根据自己的体会写了一篇文章,发表在现代物理知识上,文章的题目就是“从牛顿炒股谈起”,[4]具体地体现了物理从纯自然科学到文化精神的升华过程。

文化精神还表现在为人类社会服务的自觉性上面。著名的物理学家费曼在生命的最后时刻,克服癌症给他带来的痛苦,作为专家参加了美国宇航局为挑战者航天飞机失败所组成的特别小组。他用他敏锐的观测分析能力和出色的物理知识发现挑战者号失败的原因就是一个密封圈在宇宙空间的低温下失效造成的。这个发现为宇宙航行的安全提供了最宝贵的经验。我们的前辈物理学家在两弹一星研制中对我国的国防事业作出了不朽的贡献。他们用自己的专业知识奠定了中国作为世界强国的基础,不计名利,辛勤工作,充分体现出炎黄子孙用自己卓越的专业知识为国家作贡献的精神,是我们这些后代的物理学工作者永远的榜样。

物理与数学是科学界的两只奇葩,是互相促进的双生兄弟。不同的是物理学是关于自然界的科学而数学是逻辑的科学。它们研究的对象不同,但是一旦它们间出现交集,就可能产生巨大的突破。历史上众多的例子正说明这一点。让我们举几个大家熟知的粒子:牛顿将微积分引入力学,从此力学就不再是对现象的简单描述而成为能精确计算和做出准确预言的科学了;爱因斯坦应用黎曼几何写出了广义相对论方程,它在今天仍然是研究黑洞、宇宙演化和大天体行为的基本理论;海森堡应用线性代数建立了量子力学中和波动力学等价的矩阵力学。陈省身先生说目前数学和物理学只有10%的交叠,诚然,要能做到大师们达到的高度,我们不仅有很好的物理训练,知识积累,还要掌握很复杂的数学知识。几十年前数学物理方法(解偏微分方程和本征值问题)还是很深奥的,但今天已经是大学的基本课程了。我们今天有很多物理问题(理论的)解决不了,很大程度上是我们掌握的数学工具不够。

举另外一个大家熟悉的例子:我们用牛顿力学(量子力学也有同样的问题)可以很好地解决两体问题,只要我们知道它们间的相互作用是什么。但直到今天,我们仍不能找到三体问题的一般解。仅仅增加了一个组分,我们的数学知识就不够用了,对四体,五体等(我们称为少体问题)就更无能为力了。这就是为什么今天我们仍无法真正理解原子间的作用,还有原子核在核子,核子内夸克间的作用,数学知识的欠缺阻碍了我们对物质结构达到深层次的理解。

实际上,我们今天只会用微扰论逐阶计算一些物理量,这显然不是最终的解,我们期望计算误差越来越小,逼近真值,但谁也没法保证一定是这样的。为什么我们不能直接得到精确解呢?也许需要某位数学家帮助我们解决。据说威滕(Witten)等人在这方面做出很大成绩,但离我们的期望还很遥远。

然而有趣的是,如果是对付1023这么多的粒子,我们就可以用统计力学的方法来完美解决,这归功于伟大的物理学家玻尔兹曼。这时我们不需要关于任何个体的确切信息,而只需要对大量粒子整体的性质做完美的解释。统计学现在已经在物理之外得到广泛的应用。当然统计学是数学的重要分支,并非专为物理所设,但到了物理学家手中它成为宏观世界和微观世界间的一座桥梁,从而是我们认识到许多宏观效应的根源,这种理解是数学和物理的完美结合典范之一。

我们相信数学文化和物理文化在不断碰撞、融合,将来一定会超出陈省身先生的10% 的论断,而产生出科学中更伟大的进步。

作者的一点猜想,很可能是荒谬:靠积累是不能达到大突破的,我们期待一个年轻的天才,用一种我们迄今不知道的原则或方法实现一个飞跃。历史上阿贝尔创造了群论,从而解决了5 次方程没有解析解的数学难题。如果我们就因循现有理论,循序渐进可能永远也做不到真正的突破。

物理是一种文化,那就不是局限于对自然基本规律的探索,而要包括将这些已知的规律用来为人类造福,为人类文明作出贡献。应用已经了解的基础物理知识于创造的例子已经是不胜枚举了,但为了突出效果,让我们用几个例子来说明这种“文化”的深刻含义。上个世纪麦克斯韦理论预言了电磁波的存在,后来赫兹在实验室中产生了电磁波,但当时他认为那么弱的效应也许只有理论的意义。当然,我们今天知道,没有电磁波的应用,电视、手机、网络都无从谈起。量子力学是19世纪末诞生的,今天计算机的存储能力完全是依赖量子力学的。量子通讯卫星“墨子”号开创了将量子力学纠缠态概念用于安全通信的新领域;相对论指出能量和质量的根本关系和相互转换的原则,利用这个原理,我们才可以应用核反应来发电(当然,这也是制造和氢弹所依据的原理)。今天人们在研究如何利用物理学的基本原理(核物理和量子场论)来处理核废料。还有,受控核聚变是另一个分支。这些研究一旦成功,和平利用原子能将使我们有取之不尽的清洁能源。然而,正是因为我们对物理规律的理解不够深同时技术水平也不够高,还没能实现受控核聚变,在我们面前的探索之路还很漫长。

再说一个大家都熟悉的事。如果你要问今年50岁左右的“老人”,他们会告诉你30年前,一卷彩色胶卷要30多元(那时的月工资也就是100元),而拍完后,要到专业照相馆去冲、洗(化学方式),这需要30元左右,如果想放大(大约A纸的四分之一),那每张至少要5~10元,哇,36张照片要70元,超过了半个月的工资,还造成严重的重金属污染。现在你可以用一个单反相机无限制地拍摄你想要的景色和人物,像素是过去胶片无法达到的。拍的照片如果满意就储存在U盘中,再转到计算机上,不满意,就只需动动手指删掉即可,这一切都是零成本的,你不需要化一分钱。更进一步,随着手机的普及和质量的提高,用手机拍出来的照片的质量已可以和过去高级相机相怡美了。这一切都应归功于应用物理的进步。

这是互相依赖,互相促进的关系。物理学的发展离不开技术的支持。没有CERN的大型加速器LHC的成功运行就不能找到所谓的上帝粒子“希格斯”。人类要探索大自然奥秘,必定要建造超大的望远镜,制造人造卫星以探测反物质(如AMS),制造宇宙飞船探测月球背面,探测引力波,建造比LHC更高能量的大型加速器去探寻超越标准模型的新物理,等等。正是由于各种新技术的出现才使这些大型装置成为可能。

我们国家拟建的环形正负电子对撞机(CEPC)将运行在能量略大于希格斯质量和Z 粒子质量之和大约为 216GeV,在CEPC上我们可以对希格斯粒子做精确的检验(达到5% 的精度)。CEPC的周长将是100公里,使用大型超导磁铁和各种新技术。在此基础上,可以改进成SPPC (超大型质子质子对撞机),从而将能量提高到100TeV (是LHC能量14TeV的许多倍)。这么高的能量是人类探索新物理,例如寻找超对称粒子等,所必须的,也是人类梦寐以求的!

物理学是实验科学,它的一切归根结底是来源于实验观测。但人们不会满足于积累数据,要使之成为科学,就必须借助数学的帮助上升到能解释所有的实验结果并且做出能在未来实验中验证的预言的普适理论。通过大量的理论与实验的研究,更进一步,物理学已经升华到指导我们思维和工作的一种文化了。凡是学过物理的人都潜移默化地运用物理思想去理解周围的事物,去判断周围错综复杂的形形的真伪以采取最合理(自己认为最合理)的方式去处理,去改变(这和做物理预言类似)。整个过程是漫长的,从伽利略、牛顿,今天物理学的升华过程是曲折的,是一步步稳定地发展起来的,是由物理学这种对自然界认知方式所必然出现和升华的。

物理文化指导着所有学物理和用物理的学者、工程师、学生和广大群众。指导他们如何正确地思维和正确选择解决问题的方法,指导他们如何克服困难向前进,无论是对尖端科学还是日常生活和工作。

学好物理学主观能动性很重要。很多中学生说物理好难,不愿意学物理,实际上这是个误区。只要你想学就可以学好。物理是关于自然的科学,因而是最讲理的科学,只要你想讲理,那怎么会学不好物理呢?

再强调一下宇宙。自然界的物理规律不会变,但物理学在前进,世界由于物理学的发展变得更美好,人类的文明程度也会越来越高。让我们共同创造美好的明天,实现中国的强国梦!

[1]陈佳洱,赵凯华,王殖东.面向21世纪,急待重建我国的工科物理教育[J].物理通报,2000(4):3-5.

[4]李斌.从牛顿到金融危机——从物理、通信技术和投资的关系谈起[J].现代物理知识,2010,22(2):10-19.

作者简介: 李学潜,男,南开大学教授,主要研究方向为高能物理唯象学、粒子物理宇宙学、中微子物理,

引文格式: 李学潜. 物理是一种文化[J]. 物理与工程,2019,29(5):优先出版.

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