物理學家的無為之樂

廖 瑋 華東理工大學理學院教授

常有人問我：物理學這么枯燥，你怎么會走上這一行。

誠然，成為一個好的物理學家并且在物理領域有所建樹是有一定的困難的。但是這并不意味著物理學枯燥，相反它自有其獨特的魅力，物理學家自得其樂于其中。

為理解物理學之樂，需要了解物理學之難以及物理學家是如何思考并克服困難的。

物理學之難不僅在于解決一個未知領域的問題十分困難，還在于我們思考的問題并不一定是值得研究和思考的好問題。在學生時代我曾經(jīng)聽到何祚庥教授的一個說法：有四類問題需要仔細分辨，一類是真問題，一類是假問題，一類是成熟的問題，一類是未成熟的問題。我因而了解到我們研究的問題有可能是假問題或者是未成熟的問題，人們很難因研究此類問題而有所成就。

回顧科學發(fā)展的歷史，我們可以發(fā)現(xiàn)真正能夠留下來的、有價值的東西很少，而各種思想潮流和研究方向很多，大量的研究工作沒有經(jīng)受住時間和實驗的考驗，消失在人們的記憶之中。這些研究工作一部分是因為問題沒有被解決而被人遺忘，還有很多則因研究的問題為假問題或者不成熟問題所致。此外，對理論預言的檢驗常常要求超過當時水平的實驗條件，因而大量的研究工作不能得到快速地檢驗，人們容易因此陷入對假問題或不成熟問題的研究和討論之中，而不能及時得到實驗糾正。所以，找到正確的問題、有效地思考問題并解決問題是對物理學家的巨大考驗。

即便如此，仍然有少數(shù)科學巨人能夠在短短的一生中不止一次地獲得巨大的成功。他們又是如何做到的呢？探究這個問題，就要了解物理學家是如何思考問題的。

物理學家如何思考問題

蘭志成教授曾經(jīng)和我談到一個故事。費曼和施溫格是令美國人為之驕傲的兩位美國物理學家，曾因對量子電動力學的貢獻獲得諾貝爾物理學獎。許多人都認為他們兩人是天才，以為費曼只憑物理猜想而不需數(shù)學推導就能夠得到正確的結果，施溫格只要用些數(shù)學推論而無需物理圖像就可以得到一些神奇的結論。女物理學家Nina Byers 曾經(jīng)與他們兩人都合作過。她后來說：我們都以為費曼和施溫格是天才，但他們兩人與我們這些人其實一樣；他們也同樣需要多種不同的方法去試圖接近對問題的解決，只有能夠使用多種不同的方法得到同樣的結論后，他們也才會確信自己的結論有很大可能是正確的。他們兩人的不同之處是：在發(fā)表的論文中，費曼只寫出物理的部分，而施溫格只寫出數(shù)學的部分。所以在看了他們的論文之后，我們以為他們是只要很少的辦法就可以到正確結論的不可思議的天才。

后來我與蘭教授談到，這個故事十分類似于《莊子·天運》中的一個故事：孔子去見老子，老子對孔子說你所學習的不過是前人的“陳跡”而已，“陳跡”（腳?。┦恰白哌^”之后留下來的，難道腳印是“走過”嗎？

這些故事有兩方面的教益。一方面，所有的研究論文都可以認為是“陳跡”，后來人（特別是初學者）學習的時候對這一點要有充分認識。有過一些科學研究經(jīng)驗的人常常發(fā)現(xiàn)寫作論文時的思路與當初開展研究時的思路不同，對這一點比較容易理解。這個教益提醒我們，不僅應該學習前人留下的知識，而且應該通過對知識的學習來研習前人是如何思考、如何達到他們的結論的。另一方面，這個故事說明了物理學家是如何思考問題、探索未知世界的。

探索未知世界和研究未知現(xiàn)象的最大的困難在于：人類之前發(fā)展的思想觀念和理論方法是否適用于待探索的問題也同樣是未知的，但是如果離開人類之前已有的知識我們其實一無所有，也就是說我們不得不依賴這些不知是否適用于未知世界的知識來探索未知世界。也許有少數(shù)天才能夠脫離這個束縛，憑借單純的直覺或觀念飛躍至彼岸，但這不是人類能夠倚靠以便持續(xù)且系統(tǒng)地探索未知世界的有效途徑。為克服這一困難，在研究某一未知問題的時候我們常常需要許多不同的方法（例如10種）。也許有一部分方法是不適合用于研究這個問題的，但也有可能一部分辦法是適合或部分適合于研究這一問題的。假如有4～5種辦法能夠達到同一個結論，我們就可以確信這個結論有很大可能是對的。因為這4～5辦法中可能有部分方法（例如1～2種）是適用于或部分適用于研究這個問題的。

當然，理論研究的結論最終需要實驗檢驗。在此基礎之上，我們才可以確認哪些已有的思想觀念和理論方法適用于或部分適用于未知的領域。得益于這樣較系統(tǒng)的研究，人類可以持續(xù)地猜想和發(fā)明出適用于新現(xiàn)象的新的觀念和理論。

物理學之樂

可以看到成為一個高明的物理學家不可避免地需要對物理學的各個分支以及各種知識有良好了解。如果沒有廣博的知識，物理學家就不可能在面對真正的未知的時候找到足夠的方法接近對問題的解答，即便得到某些結果也很難確定自己的研究結果是否可靠。有人說有兩類學者：一類人深刻，一類人廣博。但是實際情況是：沒有廣博的知識，就很難有深刻的思想；真正思想深刻的探索者很少不具有淵博的知識。費曼和施溫格，正如前述中國古代大思想家那樣，不但具有深刻的思想，而且具有淵博的學識。

此外，成為高明的物理學家不可避免地需要能夠嫻熟地掌握各種知識和理論方法。這不僅意味著需要對知識的內容有深入了解，以至于能夠熟練運用，而且要對理論知識的已知適用范圍有充分的認識。沒有這樣一種認識和心理上的警惕，開展科學研究的時候就很可能得到錯誤的結論而不自知，知識就可能變成通向成功的障礙。簡言之，物理學家應該能夠嫻熟自由地運用各種知識、觀念和理論，同時不被這些知識、觀念和理論的局限性所束縛。

當然，嫻熟掌握各分支的各種知識和理論是一個巨大的挑戰(zhàn)。初學者應該先努力掌握某一分支的知識、現(xiàn)狀和發(fā)展，在這一分支的科學研究中積累經(jīng)驗，鍛煉自己的能力，立足于個人既有的研究領域再逐步拓展自己的視野和思維，最終成為掌握知識和理論而不是被知識和理論掌握和限制的物理學家。物理學家就是在這對自然世界的知識的探索中豐富自己的知識，鍛煉自己的能力，不斷拓展自己的思維和視野，格知以致道，自得其樂于其中。

精通各種游泳和潛水技能的運動健將能夠暢游于大海之中、嬉戲于波濤海浪之間，在其中獲得極大的快樂。物理學給研究者帶來的樂趣與此類似。當物理學家能夠嫻熟自由地運用各種知識和觀念而不被它們的局限性所局限之時，物理學家就能夠自由輕松地暢游于思想觀念之海而自得其樂于其中。他立足于已知探索未知，暢游于精神世界而不迷失于其中，獨得其樂。古人云：乘天地之正，御六氣之辨，以游無窮，得無為之樂。這就是物理學家的理想之樂。

物理學的教益提示我們應該奮起自己的雄心，如那鯤鵬展翅，怒而飛，不斷豐富自己的知識，鍛煉自己的能力，拓展自己的思維和視野，使我們自己掌握知識而不被知識和思想觀念所掌握和限制。只有這樣，我們才能夠成為思想自由的人，才能夠暢游于思想觀念之海而不迷失于其中，得逍遙無為之樂。這些就是物理學帶來的關于人類精神和自由的啟示。