對物理學和物理教學的幾點認識①(上)

杜祥琬

(中國工程院 北京 100088)

作為一名物理學工作者，結(jié)合自己的體會，我跟大家談談對物理學和物理教學的幾點認識.

1 對物理學的五點認識

1.1 物理學是對物質(zhì)世界的構(gòu)成和運動規(guī)律進行研究的科學

物理學是科學之基，是人類認識世界的基礎(chǔ)科學.其實人類最早出現(xiàn)的是技術(shù)，還不是科學.比如從石器時代人們做一些簡單的工具，那就是簡單的技術(shù).后來才有了比較簡單的科學.但是從最早的記載，在有甲骨文的時候，我國就有了所謂像超新星爆發(fā)那樣的事件的記載.而第一次出現(xiàn)物理這個詞，我知道的就是杜甫的詩，“細推物理須行樂，何為浮名絆此身”.這句話講得非常好.當然這位唐代的詩人所指的物理是一般事物的道理，就是廣義的科學.但他是第一次用了物理這個詞.細推物理須行樂，做物理是愉快的一件事，那么，何必要為一點浮躁的名聲絆了自己的腳步.這句話，至今都非常有現(xiàn)實意義.后來有大物理學，化學也好、力學也好、天文也好，都是包含在物理學里面的.現(xiàn)在的物理學可以說是比較狹義的一個物理學了.像化學、力學、光學這些都獨立出去成為專門學科了.

但是不論這個物理概念的廣義也好、狹義也好，它始終沒有離開一個基本特征，它的地位就是科學之基，實際上是基礎(chǔ)科學這樣的一個地位.物理學不是一切，但是一切都離不開物理學，這是我的一個體會.從物理學作為各個科學的根基，然后發(fā)展到技術(shù)，然后到工程.工程是各種技術(shù)為了達成某種目的的一種集成，然后到產(chǎn)業(yè).比如說電網(wǎng)就是一個龐大的產(chǎn)業(yè).電網(wǎng)里頭有許多物理學.人們的日常生活可以說是到處可見物理學.再到人們的精神世界，腦科學.認知科學以及人們的精神各個方面，涉及到生物物理學.所以，從科學到技術(shù)、到工程產(chǎn)業(yè)、到生活、到精神都離不開物理學，少不了物理的元素.因此，對于任何一個生活在這個物質(zhì)世界的人，物理學都是良師益友.學好物理學，不管是做不做物理學都非常有益，這里不僅包括物理學的一些具體知識，也包括重要的一些概念.它是對于物質(zhì)世界的一些基本的理解和認識.這對我們做好任何工作都是非常有益的.

1.2 物理學是充滿了認識論和方法論哲學內(nèi)涵的一門學科

物理學是對物質(zhì)世界的刨根究底.不僅要知其然，而且要知其所以然.這也是一種物理學思維的習慣.它一方面包含了唯物的認識論，就是要對事物的因果關(guān)系問得很清楚.另外也包含著一些辯證的方法論.比如說量變到質(zhì)變，有很多地方都可以很好地理解這個辯證法.從經(jīng)典的牛頓力學到量子力學;材料，從宏觀的材料到微觀的材料，到納米尺度，就不光是一個量的變化，它有很多質(zhì)的變化.再如對立統(tǒng)一論，正物質(zhì)、反物質(zhì)，正電級、負電級，要全面認識一個世界，就離不開這個辯證關(guān)系、對立統(tǒng)一的關(guān)系.再就是否定之否定，人類社會有很多否定之否定的事例.比如說能源，最早就是可再生能源的原始利用.后來人類發(fā)現(xiàn)了化石能源，像煤炭、石油，這才轉(zhuǎn)向了以化石能源為主.現(xiàn)在又“否定”了，又要從化石能源回到可再生能源.但是它不是一個簡單的回歸，這個否定之否定成了一個螺旋式上升，以更高的形式使用可再生能源;已經(jīng)不是原始的那個可再生能源利用方式，而是以現(xiàn)代化的工業(yè)方式來利用可再生能源，就是使用新材料、科學技術(shù)手段來利用太陽能、風能、生物能.這是一種人類軌跡，能源領(lǐng)域軌跡的一個否定之否定，也是一個螺旋式的上升.像這樣辯證式的東西，在物理里面可以說是隨處可見.

另外，物理學的發(fā)展，一定要有開放式的頭腦，一種批判式的態(tài)度，一種懷疑精神.在研究輻射的時候，愛因斯坦作為一個小職員，對當時實驗與理論的矛盾不太理解，他就鉆研這個問題，后來就寫了幾篇著名文章.對已有的文章持一種疑問、懷疑，還要大膽提出一些想法.所以物理學發(fā)展，一定要具備這種開放的頭腦，批判的態(tài)度和懷疑的精神.

費曼——美國著名的物理學家說過一句話:對自己的結(jié)論要留有被質(zhì)疑的余地.當然你要覺得這個結(jié)論有道理，要讓人來理解你的道理.但是，要有一種科學態(tài)度，就是要允許別人來質(zhì)疑我，這也是科學發(fā)展所必需的;科學就是這樣不斷的推進.弄清所以然就是要認識規(guī)律性，認識事物的邏輯性，認識事物的因果關(guān)系.何謂辯證呢?就是把握度的重要性.從量變到質(zhì)變很多時候都是一個度的問題.養(yǎng)成這樣一個思維習慣就建立了科學的思維習慣，和一種思考問題的能力.由于物理學這樣的性質(zhì)和它充滿哲學的這樣一個精神，就導致我的另外一點體會，就是學好物理學，容易適應各種工作.因為不管是搞文、搞工、搞理或者搞別的東西都需要有一個正確的哲學思想方法.學過物理學容易適應各種工作，就是因為它既是基礎(chǔ)性的科學知識，又有理解各種問題的一個比較科學的方法，一個思維方式、一個思維的習慣.這對我們的成長、培養(yǎng)創(chuàng)新性人才都是很基礎(chǔ)的一點.

1.3 物理學既老又新 是不斷發(fā)展的科學

有的地方要取消物理課，說物理學是夕陽科學.我很不認可這句話.物理學確實很老，因為從科學一開始，大家就開始研究物理學，然后才是其他的科學.但是它又非常的新，不斷有新的內(nèi)容注入進來，是一個不斷發(fā)展的科學.正是因為有人類無盡的追問，使她、使物理學永無止境.至今，在物理學領(lǐng)域，乃至整個科學領(lǐng)域，未知多于已知.你知道的越多，就越感覺不知道的越多，就是這樣一種感覺.我說物理學老，因為它是最早出現(xiàn)的科學之一.在甲骨文時代就記錄了超新星的事件，那是在公元前13世紀時期.而至今還有很多新的問題擺在我們面前，有待后人去研究.比如說，世界上到底什么最小，我們到現(xiàn)在也不是說得非常清楚，但是對此的認識有很大進展.原子這個詞本來就是最小的意思.后來人們知道了原子還有結(jié)構(gòu)，有原子核，核里面有中子質(zhì)子，但是這個還不是最小，里面還有夸克，又有正夸克反夸克幾種夸克，然后把它們搞到一起.夸克是不是最小的，我不敢說，大家可以研究這個問題.再說了，世界上最大的是什么?我也說不清楚.就說這個宇宙，仰望星空這個宇宙確實是最大的，因為沒有邊界，中學生就會問這個問題.我從小就聽到時間和空間是無限的，那是一個概念.到了現(xiàn)在由于自己知識的有限性，我還是覺得時間和空間是無限的.時間往前走，為什么時間不會倒流，x軸有正有負，但是這個t軸就是往前走，為什么回不去，為什么時間不對稱?現(xiàn)在對于宇宙是不是大爆炸，當然有很多證據(jù)，但是也有質(zhì)疑.像這些對物質(zhì)世界的認識中很基本的問題都還不清楚.我們知道在這個物質(zhì)世界里，人類的知識其實很多、很豐富.但是我們對這個物質(zhì)世界的百分之九十幾的物質(zhì)還不認識，現(xiàn)在認識的這些氫元素、重元素、中微子一共就占到百分之幾.還有對反物質(zhì)的問題現(xiàn)在有一定的認識，但是尋找反物質(zhì)到現(xiàn)在還沒有結(jié)果，找不到.最近有一個新的進展，說找到了暗物質(zhì)的質(zhì)點，暗物質(zhì)的粒子，說是比質(zhì)子還要重很多很多倍.這是一個新的認識，是不是證實了，我也不敢說.對這個物質(zhì)世界的認識到現(xiàn)在還沒有窮盡，還有很長的路要走.所以它是一個不斷發(fā)展的學科，還有很多很新的前沿問題.

我還想再強調(diào)一點，就是物理學跟其他學科發(fā)生交叉，創(chuàng)造了許多新的科學前沿.其中非常重要的一方面就是生物物理學，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)說明交叉學科的重要.幾個發(fā)現(xiàn)的人，包括物理學家、化學家、生物學家，他們一起來做這個事.生物學這個前沿在此之后有了很多全新的發(fā)現(xiàn).還有地球物理學，我們生活在地球上.地球包含它的大氣在內(nèi)，是一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)本身的因素就很復雜.現(xiàn)在關(guān)于氣候變化的爭議很多，不光是中國的科學家，世界的科學家離把這個問題說清楚的時間還早.因為關(guān)于地球大氣本身的因素就很多，溫室氣體、人的活動、化石能源的燃燒，還有海洋的變化等等地球本身的變化.而這個系統(tǒng)不是封閉系統(tǒng)，而是個開放的系統(tǒng).你要是想解一個氣候模式，它的邊界條件怎么給?太陽是給我們熱的最主要的一個來源，那么太陽的活動，又有長周期和短周期的變化.現(xiàn)在的認識是這樣，太陽大概還能健康地工作40億年.但是太陽有一些短周期的變化，比如太陽黑子大約平均11年是一個周期.現(xiàn)在不是又在說2012到2013年太陽又將有一個很大的爆發(fā)，可能會影響地球上的信息系統(tǒng).這是科學家說的話，不是美國的電影《2012》世界末日.但是這說明太陽的一舉一動，都會影響到我們地球的氣候模式.現(xiàn)在各國研究氣候變化，認為二氧化碳濃度的升高帶來升溫.有的研究說，到2100年如果這個趨勢這么下去的話，世界上、地球上平均氣溫會升高6℃，會有很大影響.但是有的研究組說，根據(jù)他們的氣候模式算起來，頂多是0.6℃.大家都承認造成升溫，但是這個敏感度會差10倍;所以對這個問題的認識是非常不清楚的.再比如說宏觀和微觀的這個交叉.我們說最微觀的是粒子，但是為了研究這個粒子，它離不開宏觀的科學儀器和科學設(shè)備.像日內(nèi)瓦的大型強子對撞機(LHC)，這是世界上最大的一個科學設(shè)備，多少多少km.那么要研究最小的東西，要造這么大一個大家伙，這也是微觀和宏觀的一個交叉.

還有對于外星的探索，對于生命的探索.霍金說將來人類在地球上裝不下，要到外星上去生活.到外星生活談何容易，究竟外面有沒有可以生存的地方.首先外面有沒有生命，現(xiàn)在在探索.我想有生命是非常有可能的，外星人也不是不可能的.但是，UFO是不是外星人是另外一回事.這個外星探索，人類有沒有未來的家園，不是說去宇宙旅行這么簡單的.再說極端條件下物質(zhì)特性，這也是非常有趣味的一件事.極端物理學，就是在極高的溫度、或者極低的溫度下，都會出現(xiàn)完全不同的物理學的問題;還有在極高的壓力下，極高的場強下，極快的過程，如微秒、飛秒這些更短的極端條件的場合.當然，核武器爆炸本身就是這樣場合的一種表現(xiàn).再比如說信息，信息和物理學聯(lián)系非常密切.不僅量子計算，最近從量子糾纏、量子態(tài)的研究，導出了一個應用，就是量子密鑰和量子密碼，完全是現(xiàn)在不可破譯的量子密鑰.這個對通信帶來非常大的影響.當然也有人說，沒有任何東西是不可破解的;道高一尺、魔高一丈.但是現(xiàn)在搞量子信息的人，也說這個東西很難破解.像這些問題就是物理學和信息的交叉.當然還有電磁波，人類研究電磁波，從長的波段一直到最短的.原來夾在光和波之間的太赫茲這個波段，現(xiàn)在受到高度的重視.太赫茲就是介于紅外和微波之間的波段.再一個波段就是往最短的波長去，如果不涉及原子核引起的γ射線，則硬X射線是最短的.現(xiàn)在已經(jīng)在世界上的幾個實驗室，利用自由電子的方式，產(chǎn)生了硬X波段的激光.所有這些，在不斷地拓展新的領(lǐng)域，推動物理學新的進展.所以，如果說物理學是夕陽，我覺得那是對未知的無知.很多東西都是未知，有待物理學前沿的探索，怎么能叫它夕陽?恩格斯在一百多年前說過一句話，到現(xiàn)在看來還是非常辯證.他說我們差不多還處在人類歷史的開端，將來會糾正我們錯誤的后代大概比我們糾正其錯誤的前代要多得多.我想現(xiàn)在還是這樣，我們也希望后代人，來糾正我們的錯誤，這是一種進步.諾貝爾物理學獎的獲得者美國物理學家費曼也曾經(jīng)說過這樣一句話:作為一名科學家我感到一種責任，我認識到，承認我們無知的思想所具有的巨大價值.承認我們無知是一種思想，而這種思想是一種巨大價值.正是因為有這樣一種觀念，使得科學和人類社會的進步成為可能.我想科學家有這樣的認識是非常科學的.

1.4 物理學是實驗科學 但它又是理論與實驗緊密結(jié)合的科學

例如做核試驗，理論是離不開的，但最終是要靠實驗.現(xiàn)在，物理學已發(fā)展為實驗物理、理論物理、計算物理三者的一個結(jié)合.但是歸根到底還是要遵守實驗的驗證，它是要接受實驗檢驗的科學.所以我們是不是應該說，對物理學來說，實驗是基礎(chǔ)，它又是檢驗我們每一個物理學進展真?zhèn)蔚囊粋€標準.但是理論是把認識上升到理性，上升到規(guī)律所不可或缺的.而計算既是一種有力的理論模擬的手段，又是一種計算機的實驗手段.國際物理聯(lián)合會也增加了一個委員會，就是計算物理專業(yè)委員會.

正因為這樣，我覺得物理學是一個求實、求是的科學，是一個老老實實的科學;最終就是要遵守實驗、實踐的檢驗.我記得剛參加工作，那個時候我們的所長鄧稼先，提倡“三老四嚴”，到現(xiàn)在我都記得很清楚.三老，就是做老實人、說老實話，辦老實事.四嚴，就是嚴謹、嚴密、嚴格、還有嚴肅.物理學是個嚴謹、嚴密、嚴格的科學.要接受實踐檢驗，這是科學的實證性，要經(jīng)過實踐的證實.這個實證性，就給我們搞科學、搞物理帶來一個唯物的學風或者說學術(shù)風范.

我想在這兒稍微說兩句關(guān)于科學精神和科學價值.以物理學精神為代表的科學精神，以物理學的價值為代表的科學價值是什么?可以概括成八個字，就是追求真理、造福人類.追求真理是認識這個世界，主要是基礎(chǔ)性的科學，基礎(chǔ)性的物理.而造福人類，則是應用性的.如果說這八個字叫物理學的精神，從這八個字就派生出兩個精神，一個叫實證精神，凡事要經(jīng)過實踐的檢驗.如果沒有這個就談不上科學的檢驗.由這個實證精神就導出了，人們?nèi)绻袷乜茖W精神的話就要遵守一些科學的規(guī)范.比如說造假就違反實證精神.從科學精神還導出另外一個，那就是理性精神.就是有利于社會而不能有害社會.由此又導致了一些科學的規(guī)范.比如說剽竊別人成果，就是害別人.還有不能去做一些倫理所不允許的科學研究，這是危害社會的.科學也好，物理學也好，都是雙刃劍.我們要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，這是一個必要的要求.必須得先守住一個底線.我們要教會學生，要想創(chuàng)新，底線是不要違背這些科學的基本精神和科學的基本規(guī)范.不要去搞那些學術(shù)不端，那就談不上任何創(chuàng)新了.

1.5 物理學是支撐國家和人類社會可持續(xù)發(fā)展的強有力的應用科學

我基本是搞應用的，但是在應用當中，體會到這個基礎(chǔ)科學十分重要.物理學又是支撐國家和人類可持續(xù)發(fā)展以及科學發(fā)展的強有力的科學.除了認識世界的很多未知以外，要讓同學們理解物理學的現(xiàn)實價值.人類社會共同面臨一個能不能持續(xù)發(fā)展的問題，地球就這么大，發(fā)展有沒有極限?現(xiàn)在是65億人口，到2050年90億人口，到底往哪兒裝，是不是能夠裝得下?然后是能源.像煤、石油現(xiàn)在還能用很多年沒問題，但是它早晚是要枯竭的.那么未來可持續(xù)發(fā)展，要有能源，這就出現(xiàn)了幾個方面的問題.我比較看好的長遠的方向，一個就是廣義的太陽能，太陽每天給我們這么多能源，很多并沒有用上.中國的太陽能熱利用還比較好，首先是熱水器.中國是太陽能電池生產(chǎn)最大的國家，但是在中國的電力里面，太陽能發(fā)電的貢獻只占百分之零點幾.這個問題出在哪里呢?就是中國缺乏太陽能電池的原創(chuàng)性.現(xiàn)在世界很多實驗室里面對各種材料做研究.硅的光電轉(zhuǎn)換效率最高，但也不是只有硅才能轉(zhuǎn)換成電.這個基礎(chǔ)是愛因斯坦的光電效應，原理上沒有問題.但是用什么材料能實現(xiàn)這一點?現(xiàn)在用薄膜硅肯定行，還有對一些非硅的太陽能電池現(xiàn)在有很多研究.最近國際上幾個實驗室研制了多層新型太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達到41%.這些問題說明，如果物理學在技術(shù)方面，能夠跟材料結(jié)合起來，跟光電的轉(zhuǎn)換效率與產(chǎn)業(yè)效益結(jié)合起來有些創(chuàng)新的話，我們的太陽能就能有大發(fā)展.這些新興產(chǎn)業(yè)各國處在差不多相同的起跑線上競爭;誰有了原始創(chuàng)新，就能引領(lǐng)21世紀的能源產(chǎn)業(yè).

核能也是一種被非?？春玫囊粋€比較長遠的可持續(xù)發(fā)展的能源.在我們國家，用鈾來搞裂變，這樣就可以支撐很多年，甚至上千年都沒有問題;但是最終要靠聚變.核能的發(fā)展三部曲，第一步是熱堆，第二是快堆，利用鈾－238，第三步利用核聚變.那么核聚變現(xiàn)在全世界在攻關(guān)，因為這個花費比較大.美國、歐洲、俄羅斯、日本、中國、印度、韓國七家共同來打造這個實驗，要突破這件事.現(xiàn)在科學家在做的是實驗堆，下一步叫演示堆，然后再下一步才是商用堆，這三步下來，大家估計總得50年;即使保守一點，100年能突破.聚變能跟前面的兩步曲接上，它的原料可供我們使用上億年也是可能的.因此人類未來的能源是可持續(xù)發(fā)展的.但是要走到未來這一步，我們需要突破很新的一些問題.剛才說的這個受控核聚變的問題，就是物理學如何來支撐人類可持續(xù)發(fā)展的問題.

再比如說國防，我們的武器裝備，從最早時期的鐵器時代的冷兵器，到后來炸藥熱兵器，到后來有了核武器，還有現(xiàn)在有的電磁武器、信息化的信息武器.這些武器不斷的發(fā)展，導致了戰(zhàn)爭觀念的一些變化，甚至出現(xiàn)了非常規(guī)戰(zhàn)爭.由于武器新概念的發(fā)展，模糊了和平與戰(zhàn)爭的界限.譬如說網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)，它模糊了戰(zhàn)爭界限，更不要說前方、后方的界限了.

再比如說剛才提到的物理學和生命科學，從雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)以后，對基因、轉(zhuǎn)基因的研究，給人們的生活帶來了非常深刻的影響，這些都是物理學的交叉.還有呢，有一個非常有意思的關(guān)系，就是基礎(chǔ)物理學跟應用物理學之間的辯證的聯(lián)系.首先就是基礎(chǔ)物理的革命性的突破，能夠引領(lǐng)新的方向，能夠開辟新的領(lǐng)域.比如在20世紀初，原子核領(lǐng)域革命性的進展，從人們對核裂變的發(fā)現(xiàn)一直到核聚變的發(fā)現(xiàn).1939年發(fā)表了裂變這個概念，1945年就發(fā)明了原子彈，這個轉(zhuǎn)換非常快.然后有氫彈.然后就是核電站、核能.核武器的發(fā)展，反過來又推動了基礎(chǔ)物理的發(fā)展.因為核爆炸，人們發(fā)展了高能量密度物理.高能量密度物理提出一些新的物理學的課題，提出了物理學基礎(chǔ)研究新的領(lǐng)域.所以這個應用的科學，它又反哺了基礎(chǔ)科學的發(fā)展.

再比如說激光也是這樣，從愛因斯坦提出來受激輻射的概念，到后來人們先在微波領(lǐng)域發(fā)明了受激微波器，然后到1960年才有了激光.這也是從基礎(chǔ)研究的概念，到引領(lǐng)了一種新的技術(shù).現(xiàn)在靠激光能實現(xiàn)更高的場強，又開辟了一些新的基礎(chǔ)研究課題——強場物理.航空、航天也是這樣.從三個宇宙速度的認識開始，才有了航天，航空航天又給人們提出新的課題要研究.而且應用科學和工程又為我們基礎(chǔ)性的科學研究提供了強有力的技術(shù)手段.大型強子對撞機，紫外探測、各種頻段的探測，這些東西都是在物理學的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新出來的.

工程技術(shù)本身創(chuàng)造生產(chǎn)力，同時它又反哺物理學，它能提出新的課題，它能創(chuàng)造新的環(huán)境，例如極端環(huán)境，它又能提供新的手段.所以，它們是共同推動了人類的進步和發(fā)展.2000年的時候，中國工程院組織了幾百位專家評選了20世紀中國25項工程科技成就，這里面多半都跟物理學有關(guān).

最后一點體會，就是物理是饒有趣味的科學，它是認識世界的先鋒;從基礎(chǔ)來說是認識，不管是最大、最小、最極端都得靠物理學;又是改造世界，造福人類的致富寶庫.要靠它來支撐人類社會的可持續(xù)發(fā)展，使人類生活得更幸福多彩.所以李政道先生把剛才我念過的杜甫的詩改造了一下，說“細推科學日復日，疑難得解樂上樂.”