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 物理學是對物質世界的構成和運動規律進行研究的科學

物理學是科學之基，是人類認識世界的基礎科學.其實人類最早出現的是技術，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.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那樣的事件的記載.而第一次出現物理這個詞，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，然后發展到技術，然后到工程.工程是各種技術為了達成某種目的的一種集成，然后到產業.比如說電網就是一個龐大的產業.電網里頭有許多物理學.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、到工程產業、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涵的一門學科

物理學是對物質世界的刨根究底.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.比如說量變到質變，有很多地方都可以很好地理解這個辯證法.從經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，它有很多質的變化.再如對立統一論，正物質、反物質，正電級、負電級，要全面認識一個世界，就離不開這個辯證關系、對立統一的關系.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.后來人類發現了化石能源，像煤炭、石油，這才轉向了以化石能源為主.現在又“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;已經不是原始的那個可再生能源利用方式，而是以現代化的工業方式來利用可再生能源，就是使用新材料、科學技術手段來利用太陽能、風能、生物能.這是一種人類軌跡，能源領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，物理學的發展，一定要有開放式的頭腦，一種批判式的態度，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.所以物理學發展，一定要具備這種開放的頭腦，批判的態度和懷疑的精神.

費曼——美國著名的物理學家說過一句話:對自己的結論要留有被質疑的余地.當然你要覺得這個結論有道理，要讓人來理解你的道理.但是，要有一種科學態度，就是要允許別人來質疑我，這也是科學發展所必需的;科學就是這樣不斷的推進.弄清所以然就是要認識規律性，認識事物的邏輯性，認識事物的因果關系.何謂辯證呢?就是把握度的重要性.從量變到質變很多時候都是一個度的問題.養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、培養創新性人才都是很基礎的一點.

1.3 物理學既老又新 是不斷發展的科學

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，不斷有新的內容注入進來，是一個不斷發展的科學.正是因為有人類無盡的追問，使她、使物理學永無止境.至今，在物理學領域，乃至整個科學領域，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構，有原子核，核里面有中子質子，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?現在對于宇宙是不是大爆炸，當然有很多證據，但是也有質疑.像這些對物質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世界里，人類的知識其實很多、很豐富.但是我們對這個物質世界的百分之九十幾的物質還不認識，現在認識的這些氫元素、重元素、中微子一共就占到百分之幾.還有對反物質的問題現在有一定的認識，但是尋找反物質到現在還沒有結果，找不到.最近有一個新的進展，說找到了暗物質的質點，暗物質的粒子，說是比質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.對這個物質世界的認識到現在還沒有窮盡，還有很長的路要走.所以它是一個不斷發展的學科，還有很多很新的前沿問題.

我還想再強調一點，就是物理學跟其他學科發生交叉，創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雙螺旋結構的發現說明交叉學科的重要.幾個發現的人，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現.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，是一個系統，這個系統本身的因素就很復雜.現在關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.而這個系統不是封閉系統，而是個開放的系統.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.現在不是又在說2012到2013年太陽又將有一個很大的爆發，可能會影響地球上的信息系統.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備.像日內瓦的大型強子對撞機(LHC)，這是世界上最大的一個科學設備，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.再比如說信息，信息和物理學聯系非常密切.不僅量子計算，最近從量子糾纏、量子態的研究，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.現在已經在世界上的幾個實驗室，利用自由電子的方式，產生了硬X波段的激光.所有這些，在不斷地拓展新的領域，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.現在，物理學已發展為實驗物理、理論物理、計算物理三者的一個結合.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，它又是檢驗我們每一個物理學進展真偽的一個標準.但是理論是把認識上升到理性，上升到規律所不可或缺的.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.國際物理聯合會也增加了一個委員會，就是計算物理專業委員會.

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風范.

我想在這兒稍微說兩句關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，主要是基礎性的科學，基礎性的物理.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，人們如果遵守科學精神的話就要遵守一些科學的規范.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.我們要培養創新型人才，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，要想創新，底線是不要違背這些科學的基本精神和科學的基本規范.不要去搞那些學術不端，那就談不上任何創新了.

1.5 物理學是支撐國家和人類社會可持續發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，體會到這個基礎科學十分重要.物理學又是支撐國家和人類可持續發展以及科學發展的強有力的科學.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實價值.人類社會共同面臨一個能不能持續發展的問題，地球就這么大，發展有沒有極限?現在是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.那么未來可持續發展，要有能源，這就出現了幾個方面的問題.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最大的國家，但是在中國的電力里面，太陽能發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性.現在世界很多實驗室里面對各種材料做研究.硅的光電轉換效率最高，但也不是只有硅才能轉換成電.這個基礎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這一點?現在用薄膜硅肯定行，還有對一些非硅的太陽能電池現在有很多研究.最近國際上幾個實驗室研制了多層新型太陽能電池，光電轉化效率達到41%.這些問題說明，如果物理學在技術方面，能夠跟材料結合起來，跟光電的轉換效率與產業效益結合起來有些創新的話，我們的太陽能就能有大發展.這些新興產業各國處在差不多相同的起跑線上競爭;誰有了原始創新，就能引領21世紀的能源產業.

核能也是一種被非常看好的一個比較長遠的可持續發展的能源.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.那么核聚變現在全世界在攻關，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發展的.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發展的問題.

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，還有現在有的電磁武器、信息化的信息武器.這些武器不斷的發展，導致了戰爭觀念的一些變化，甚至出現了非常規戰爭.由于武器新概念的發展，模糊了和平與戰爭的界限.譬如說網絡戰，它模糊了戰爭界限，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，從雙螺旋結構發現以后，對基因、轉基因的研究，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系，就是基礎物理學跟應用物理學之間的辯證的聯系.首先就是基礎物理的革命性的突破，能夠引領新的方向，能夠開辟新的領域.比如在20世紀初，原子核領域革命性的進展，從人們對核裂變的發現一直到核聚變的發現.1939年發表了裂變這個概念，1945年就發明了原子彈，這個轉換非常快.然后有氫彈.然后就是核電站、核能.核武器的發展，反過來又推動了基礎物理的發展.因為核爆炸，人們發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，提出了物理學基礎研究新的領域.所以這個應用的科學，它又反哺了基礎科學的發展.

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域發明了受激微波器，然后到1960年才有了激光.這也是從基礎研究的概念，到引領了一種新的技術.現在靠激光能實現更高的場強，又開辟了一些新的基礎研究課題——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性的科學研究提供了強有力的技術手段.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上不斷創新出來的.

工程技術本身創造生產力，同時它又反哺物理學，它能提出新的課題，它能創造新的環境，例如極端環境，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.

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發展，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.”