中學物理競賽評析和其他*

黃 晶

(杭州市學軍中學 浙江 杭州 310032)

邱為鋼

(湖州師范學院求真學院 浙江 湖州 313000)

1 源起

中學生物理競賽，本意是通過競賽這種形式，發現具有物理學家潛質的青少年，讓他們以更好更快的通道成長起來，包括但不局限于保送到雙一流大學、大學招生優惠待遇等.大眾最熟悉的是中學生物理奧林匹克(簡稱奧賽)，其次是國際青年物理學競標賽(簡稱學術賽)，以及丘成桐中學科學獎(簡稱丘賽).

國際青年物理學競標賽(IYPT)，最初是1987年莫斯科州立大學組織莫斯科地區的高年級中學生的物理競賽.共有17道開放性物理問題，以團隊的形式研究題目，以辯論的形式比賽.目的是為大學招收物理人才提供一個有效的渠道.1988-1993年，推廣到前蘇聯全國范圍.1994年開始，在荷蘭舉行.IYPT組織屬于歐洲物理學會.南開大學首先于2008年引入國內，分為大學生(CUPT)和中學生(CYPT)兩種層次的競賽[1].

丘成桐中學科學獎借鑒了國際“英特爾科學獎”的組織與選拔模式[2]，力求打造一場殿堂級的頂尖中學生科學學術比賽，挖掘并培養那些不斷追求真理，具有科學素養和熱情、高知識儲備的優秀中學生.以“創新、體驗、成長”為核心要素，激發和提升中學生對科學研究的興趣和創新能力，通過打造參與式體驗國際競賽模式，發現和培養有前途的年輕科學人才，幫助他們更好地適應未來的挑戰，實現自我成長.該獎項的設置旨在建立起中學生、中學教師同國際知名科學家之間的聯系，激發中學生對于數學、物理等基礎學科的研究興趣與創造力.

2 不同之處

我們從幾個特定的側面對這3種物理競賽做比較分析.從題目來源、解答時間和評判標準來看，奧賽題目是事先給定的，無論是理論題目還是實驗題目，都必須在限定時間內完成.學術賽題目量是固定的，共17道，也是給定的，但是提前一年放出，選手們有充裕的時間來準備.丘賽的題目是自選的，理論上準備時間是一年，有些獲獎的題目前期時間更長.第一屆金獎題目“紙飛機的飛行動力學”，萌發于小時候玩紙飛機的經歷.不管丘賽是否存在，題目就在那里，正好在合適的時間與丘賽相遇了.奧賽題目是有參考標準答案的，有嚴格的評分細則.學術賽沒有嚴格意義上的標準答案，它的評判標準也不是與理想答案是否接近，而是看選手所用的理論模型、實驗方案等是否遵循物理研究的一般方法，是否可以經得起各方的挑戰.丘賽的題目是自選的，所以根本沒有統一標準答案.通訊評委會直接斃掉超出高中生能力的文章.半決賽的評委是國內雙一流大學的物理教授，總決賽的評委是國際頂級高校的物理教授，有幾屆甚至是物理學諾貝爾獎獲得者.

參與3類物理競賽學生的感受是不一樣的.36屆奧賽決賽總分第一學生的感悟是：參加物理競賽是不斷學習和探索的過程，可以讓大家學到海量的物理知識，掌握解決問題的方法和技巧，感受到物理學的無盡魅力.第一屆丘賽物理金獎學生的感悟是這樣的：初中階段通過網絡自學麻省理工學院教授的課程.在北京參賽時，看到煙囪上的炊煙，孩子們就興奮了，他們想研究風使煙發生的變化.比賽前一天的晚上，還去聽了格林的講座，向諾貝爾物理學獎獲得者提了一個據說嚇倒一片人的問題:除了暗物質和10～100 TeV能級的探索外，我們還能借助什么線索去尋找標準模型和弦論的統一？

3類物理競賽所要求的能力是不一樣的.第30屆國際青年物理學家錦標賽中國國家隊隊長介紹說，IYPT比賽需要經歷閱讀賽題、建模、實驗裝置搭建、數據處理、PPT制作、現場展示等多個環節.丘賽學生所需的能力是興趣驅動的自主研究能力.以首屆丘賽物理競賽為例，研究的是紙飛機如何飛得更遠.選手設計實驗、收集數據、利用計算機軟件分析數據與作圖，開展了一系列研究.僅僅為了研究紙飛機拐彎的原因，就花了好長時間.這項研究很樸素，用的設備都是中學實驗室中有的，包括紙張、皮筋、鐵架子、傳感器、滑輪，甚至用風扇來進行風動實驗，看紙飛機要以何種角度起飛，才能達到升力最大、阻力最小.

3 為何計算

中學物理奧賽所考察的能力，以后科研可能會用到的，可能就是解析計算能力.那么，真正物理研究所需要的這種計算能力是怎么體現的呢，為何要計算？我們聽聽一些物理學家對于所需的物理知識和計算能力是怎么評價的.

首先，黃昆說：學習知識不是越多越好，越深越好，而是應當與自己駕馭知識的能力相匹配(圖1).

圖1 黃昆對所需物理知識和計算能力的評價

其次,趙凱華說[4]：當一位成熟的物理學家進行探究性的科學研究時，常常從定性的或半定量的方法著手.這包括對稱性的考慮和守恒量的利用，量綱分析，數量級估計，極限情形和特例的討論，簡化模型的選取，以至概念和方法的類比，等等.他們通過定性的思考和半定量的試驗，力求先對問題的性質，解的概貌取得一個總體的估計和理解.否則一下子陷入細枝末節的探討，往往會一葉障目，只見樹木，不見森林.這種定性或半定量的分析問題的能力，對初學者來說卻是最難不過的.因為這要靠一定的物理直覺和洞察力，沒有相當的經驗和功力是做不到的.

于敏具有深刻的物理洞察力[5]，快速的數學計算能力和非凡的記憶能力.往往能把復雜的物理問題，勾畫出一幅清晰的物理圖像，提出不同階段應該研究的科學問題，并分別處理，逐步解決，在旁人看來，真有點像“庖丁解牛”那樣得心應手.在技術路線上，于敏把“物理分解”看作核武器物理基礎研究的“基本環節”.還要分解每個過程的物理現象，研究其規律，進而研究其機制和起主導作用的物理因素，并通過數值模擬準確地再現這些過程.在一個個因素弄清、一個個環節解決的基礎上，再分進合擊，綜合集成.一篇篇小文章，成就一篇大文章.

楊振寧先生在二維Ising模型的后記中寫過這樣的段落[6]：“于是我著手做了一個長的計算，這是我的物理學生涯中最長的一個計算.它曲曲折折，處處都要用到一些技巧，碰到數不清的障礙.然而，過不了幾天，總會發現一些新訣竅，指明新的路子.問題是，我很快就感到自己處在一個迷魂陣里，搞不清楚經過這許多峰回路轉以后，究竟是否比出發時更接近原定的目標.這種感覺是非常令人沮喪的.好幾次我差不多要洗手不干了.但每一次總有些什么東西把我拉回來，通常是一個新的訣竅使事情豁然開朗，哪怕是僅照亮了其中的一個局部.經過大約6個月的斷斷續續，終于，所有的片段突然融合在一起，產生了奇跡般的各項相消的情形.我眼睜睜的盯著出奇的簡單的最后結果.”

北京大學物理學院理論物理研究所的鄭漢青教授[7]，是在Higgs理論中作出貢獻的唯一一個中國人.他計算的了higgs粒子到雙光子反應的兩圈費曼圖，計算結果被用在LHC檢測higgs的一個實驗上.他回憶說“我那時候每天下午四點起床，讀報，趕飯點去學一食堂，打一大盆豬食吃了，再回去睡覺.太陽下山以后起來去辦公室，泡上一杯咖啡，開始算，中間除了抽煙，就不停了.算到早上六點，就回去睡覺.前后連續算了四十天，就把這個算出來了.”

戴森回憶說[8]，貝特(Hans Bethe,1967年諾貝爾物理學獎獲得者)有一個非常棒的本領，他能做一些簡單計算，盡管粗略，但卻得到大致正確的結論.然后把這個問題拿來給戴森，由戴森來做更精確的求解.1953年春天，26歲即是康奈爾大學教授的戴森和自己的學生利用贗標介子理論計算了介子與質子的散射截面，得到了與費米的實驗觀測值十分相符的結果.喜不自禁地長途跋涉去告之費米，費米掃了一眼說，“有兩種方式做理論物理學的計算.一種是我喜歡的，就是要對你正在計算的過程擁有一個清晰的物理圖像.另一種是得到精確而且自洽的數學形式體系.這兩者都是你的計算不具備的.”

超引力的主要發現者Peter van Nieuwen-huizen[9]說：“我們完成了非常非常復雜的計算.真的很復雜，我們算了好幾個月，覺得肯定搞不定.但我的導師，諾獎得主Veltman，他教我學會了用計算機，所以我決定用Brookhaven附近的CDC電子計算機來解決問題.第一批數據出來了，然后是第二批、第三批，依次往后.我們已經知道第一批數據中的系數都是零，因為在之前的運算中，它們都可以歸零.關鍵在于是不是所有其他系數也都能歸零.一批批的數據不斷從Brookhaven出來—1 600,1 700，還是零-1 800,1 900，終于到第2 000個，所有的系數都為零.就在那個時刻，我知道理論成立了.”

我們再看一下科幻電影《星際穿越》中花了教授和他的學生墨菲近30年時間才解出的方程[10],如圖2所示.

圖2 《星際穿越》中求解的方程

他們是如何解這個方程的呢？在電影中，教授和墨菲一直在嘗試，不斷迭代：他們給出一個猜想，計算結果，放棄這個猜想，然后嘗試下一個.一個猜想接著另一個，接著另一個，接著另一個……直到他們精疲力盡.第二天，他們又重新開始.墨菲的計算是為了愛，她渴望計算的結果會找到高維空間的秘密，可以讓她找到消失在超空間中的父親.超引力的計算是為了美，突破獎的設立者之一Yuri Milnerc曾這樣評價超引力：“當我們想到人類想象力的偉大作品時，我們通常指的是藝術、音樂和文學.但一些最為深刻而美麗的作品是科學家創造的.過去幾十年來，超引力一直激勵著物理學家，這個理論中可能蘊含著關于現實本質的深刻真理.”

4 什么是最重要的

3種中學物理競賽的初心是發現潛在的物理學家，但到底有多少成效呢？清華大學物理系系主任在“物理人才的選拔與培養——以清華物理系近20年的理念與實踐為例”報告中提到[11]，最終成為國際一流物理學家的學生有一個共同特點，對科學具有強烈而持久的熱情.熱情(Enthusiasm)，激情(Passion)，無盡的奉獻(Devotation)，是一個科學工作者最基本的職業素質和職業素養，這三種品質優先級高于天賦和勤奮.

在2016年未來論壇對MIT物理系文小剛教授的訪談中[12]，沒提到智商，但是多次提到了熱情，提到了對真與美的追求.文教授之前在中國見過一個學生，說自己什么都能做好，考試全校第一，北大清華這類頂尖學校也上了，一個典型的學霸.但是在文教授看來，這個學生好像丟失了靈魂.他追求的都是別人設立的標準，但是沒有自己的追求，自己的興趣.文小剛也提到了他最大的動力來自興趣：“就是好奇心吧.就是感興趣，想了解未知的世界，被好奇心驅使就這樣一路走來.因為有了好奇心就會發現一些未知的東西，未知的東西又引起了更多的好奇，好奇心越來越強烈，能看到越來越多未知的東西”.諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中老師在復旦大學2019級本科生開學典禮上的寄語中提到[13]，他的父親是數學系的教授，他的母親是心理系的教授，在他開始學物理的時候，都非常反對，還跟他說學物理不是每個人都能學的，要有特別的天分才可以.他就跟他們說：“一個人在世上只走一次，要靠自己的興趣.為了這個興趣向前走，這才是有意義的.”他們兩位聽了這句話以后，就沒有再反對了.他就想講這幾句話，希望大家能記住，一個人向前走，最主要的是興趣.

5 對物理教育的啟示

我們以文獻[14]中提及的4位物理大師的話作為結束語.愛因斯坦：“興趣是最好的老師”，楊振寧：“現象是物理學的根源”，海森堡：“科學扎根于討論”，李政道：“物理學的精髓在于創新”.