物理是一種文化

李學(xué)潛

(南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,天津 300071)

物理學(xué)是科學(xué)，是關(guān)于自然界的科學(xué)。對這個定義似乎沒有任何疑義，是普遍接受的最清晰的概念。自從伽利略、牛頓等物理先賢們將物理學(xué)推進(jìn)到他們那個時代人類對自然界認(rèn)識的最前沿，幾乎所有當(dāng)時人類所關(guān)注的自然現(xiàn)象都得到了解釋，理論回答了最深奧的問題，并且得到了廣泛的應(yīng)用，為社會作出無與倫比的貢獻(xiàn)，也奠定了后來物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。自從牛頓將微積分引入到物理學(xué)開始，物理學(xué)已經(jīng)超越了其他學(xué)科，成為理解自然界最合理的科學(xué)。事實上，物理學(xué)不僅要理解自然界，還要讓自然界為人類造福。特別是近年來，在基礎(chǔ)研究和廣泛應(yīng)用中，我們清晰地看到物理學(xué)已超越了人類的直覺思維方式，進(jìn)而成為在邏輯和創(chuàng)新方面的尖端科學(xué)。

然而，僅僅把物理學(xué)局限于一項專門的學(xué)術(shù)領(lǐng)域是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

多年前，郝栢林院士在一次演講中(也許有多次，但作者只聽過一次)指出：“物理是一種文化！”這將我們對物理學(xué)的認(rèn)識升華到一個新的層次。

這句話對我來說是非常大的震撼！我從事物理教學(xué)和科研多年，模模糊糊地感覺到物理除了它的科學(xué)性，還存在某種深層次的東西。郝先生的話真如醍醐灌頂、振聾發(fā)聵，開啟了我對物理認(rèn)識的新天地！

什么是“文化”，他的確切定義是什么？我在網(wǎng)上讀到一篇文章，該文作者給出一個明確、中肯的定義：“文化是什么？是一個國家、一個民族的靈魂。文化自信是一個國家、一個民族發(fā)展中最基本、最持久的力量?！?/p>

我們是不是能把物理提得這么高呢？我想答案是肯定的。在這篇短文中就來分析一下，為什么物理的確是一種文化！

1 物理是一種文化

很多先賢都對這個問題給予了很大的關(guān)注。例如，陳佳洱先生在2005年物理通報[1]上發(fā)表的文章“物理與文化”中做了相關(guān)的論述。我們將在此文中在縱深方面繼續(xù)闡述這個有趣的話題。

北京大學(xué)的穆良柱以“什么是物理及物理文化”為題，相當(dāng)全面地論述了物理學(xué)研究的方方面面，他指出“物理學(xué)家信仰世界內(nèi)部存在普遍聯(lián)系”，而物理學(xué)就是研究這些關(guān)系的科學(xué)[2]。這種觀點雖然有些極端，但表達(dá)了物理學(xué)家的一種傾向。

最近北京大學(xué)物理學(xué)院院長高原寧教授給學(xué)生做了“什么是物理”[3]的精彩演講，闡述了一個物理學(xué)家如何認(rèn)知物理和物理學(xué)。

本文中，作者從自身多年來從事物理教學(xué)和科研的體會出發(fā)，談?wù)勎以趺凑J(rèn)知物理和物理學(xué)的。基本觀點就是物理不僅是一門自然科學(xué)，它已經(jīng)升華到指導(dǎo)探索自然界，乃至處理人生，造福社會全方位的“文化”。

大學(xué)物理教學(xué)不是旨在僅僅培養(yǎng)將來從事物理研究或物理教學(xué)的高端精英，而是培養(yǎng)對國家、對社會作貢獻(xiàn)的人才，不論他們的職業(yè)是什么。

中國傳統(tǒng)文化是孔孟文化，它的核心是“克己復(fù)禮”，具體來說是忠于祖國，忠于人民，孝敬父母，愛護(hù)一切朋友，幫助弱者，約束自己的行為，自覺地為全人類作貢獻(xiàn)，將我們的國家建設(shè)成美好的樂園。我們炎黃子孫都浸潤在孔孟文化中，我們民族的一切美德也來源于此，至少部分于此。筆者開始并沒有意識到孔孟文化這么深地埋藏在我們靈魂的最深處。而且，文化并不完全是通過學(xué)習(xí)、讀書培養(yǎng)出來的，它是通過潛移默化，從各種渠道滲透到我們的思維體系中。

有點奇怪，很多出生在國外的年輕孩子(當(dāng)然是地地道道中國血統(tǒng))從來沒有讀過孔夫子的書，卻仍然在家庭和華人社會的影響下自然而然地遵從孔孟的教誨，孝敬老人，愛護(hù)家庭，尊敬傳統(tǒng)。因而我認(rèn)為作為一種文化，是根深蒂固地置于華夏子孫的腦海中，也實質(zhì)化地體現(xiàn)在他們的行動中。這就是文化的力量！

為什么說物理是一種文化呢？物理不僅是知識而且是一種思維方式，是一種文化。這是因為如孔孟文化滲入華夏子孫的靈魂一樣，物理學(xué)的思想深入到每個物理學(xué)家的靈魂，指導(dǎo)他(她)在任何工作和思維中采取的立場和方式，這種指導(dǎo)是潛移默化的，你可能都感覺不到它的存在，而自覺或不自覺地遵循物理的法則來思考；甚至那些學(xué)過物理(認(rèn)真學(xué)過和思考過，而不是敷衍了事)的學(xué)生，哪怕是中學(xué)生都會接受物理文化的影響。他們可能在隨后的一生中不再接受物理教學(xué)，不再記得學(xué)過的物理公式，也許連F=ma都不再記得，但這種思維方式是永生保持和受益的。特別是當(dāng)他們在老師的指導(dǎo)下，自己獨立地完成一些物理的“研究”工作，收獲就更大。

筆者有一次和一位澳大利亞中學(xué)教師交談，他告訴我他輔導(dǎo)過一些學(xué)生做物理“研究”實驗，盡管是最初級和簡單的，也許對我們大學(xué)物理教師來講不值一曬，但他要求學(xué)生自己找參考書，自己設(shè)計實驗方案(當(dāng)然不斷得到指導(dǎo)教師的幫助和建議)，自己選擇合適的儀器和耗材，最后自己(幾個學(xué)生組成的小組)獨立完成實驗，并且做出誤差分析和得到結(jié)論。雖然這是很簡單的工作，但確是一個完整科學(xué)研究的雛形。最后這位教師總結(jié)說：你們(指做工作的學(xué)生)將來可能忘了我教給你們所有公式和概念的具體細(xì)節(jié)，甚至忘了我本人，但今天你們通過自己努力完成的實驗方面的點點滴滴，包括概念、方法和操作是終生不忘的。

物理就是通過老師講述，閱讀教科書和其他參考書，再通過做作業(yè)逐漸滲入到每個學(xué)生的腦海中，逐漸成為思維中固化的部分，終身受益。

正如孔孟文化既有“人之初性本善”， 又有通過學(xué)習(xí)得到的相關(guān)知識(語文、政治、哲學(xué)和科學(xué))一起深入人心一樣，物理文化也是通過兩個不同渠道在潛移默化影響我們。其一是人類天生對自然的敬畏和好奇(這是先天的， 動物就沒有這種好奇心)，其次才是通過后天的學(xué)習(xí)和思考。后天的教育是一個關(guān)鍵問題。本文在后面要專門討論這件事。

凡是學(xué)過物理學(xué)的人對世界萬物的看法都會或多或少地改變，表現(xiàn)出的特點就是對于不論是自然界的現(xiàn)象還是社會活動中出現(xiàn)的林林總總，都想要問一個為什么是這樣的而不是那樣的。想要刨根問底，探索究竟就是自然而然的需要了。當(dāng)然你也可以說，從沒接觸過物理學(xué)的人不是也會問個究竟嗎，那怎么是受到物理的啟發(fā)呢？好， 這正是樸素的物理學(xué)，也正是這個樸素的物理學(xué)將開始使用工具的原始人帶到了人類今天的高度文明。勞動需要物理，進(jìn)一步深入研究促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展。

物理規(guī)律是不變的，但物理學(xué)是向前發(fā)展的，物理學(xué)的發(fā)展帶來了我們今天對自然界的認(rèn)知以及享受到的物質(zhì)文明，然而，這和大自然的真實面目還差得很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。現(xiàn)在所達(dá)到的文明也許讓百年后的人類不值一提，物理學(xué)確實以高速發(fā)展著。至于有沒有霍金等期望的萬物理論(theory of everything)，是個沒有答案的問題，即使有，我們距離它還萬分遙遠(yuǎn)。

2 物理學(xué)與自然界客觀規(guī)律的關(guān)系

物理學(xué)作為一門科學(xué)，并且升華成特定的文化絕不是憑空得來的?？茖W(xué)是直接探索自然界的各種奧秘，而文化就是指導(dǎo)物理學(xué)家如何探索大自然的規(guī)律，將之總結(jié)成“理論”，以及如何繼續(xù)深入乃至如何應(yīng)用它為人類造福。

當(dāng)然，首先要正確認(rèn)識客觀規(guī)律。這并非簡單，大自然就擺在你的面前，但能否認(rèn)識到它的現(xiàn)象并正確地歸納，總結(jié)成規(guī)律絕不是人人能做到的“簡單”事。第谷在觀測了很多恒星和行星的軌道后，積累了大量的數(shù)據(jù)，但那只是數(shù)據(jù)，不是規(guī)律。只有當(dāng)開普勒根據(jù)他老師積累的數(shù)據(jù)總結(jié)出開普勒三定律時，那些復(fù)雜和讓人迷亂的“數(shù)”才成為“規(guī)律”。而牛頓從這三條規(guī)律中提煉出支配它們運動的更深層次的“原則”，這就是我們今天熟悉的萬有引力定律。得到這個規(guī)律絕不是一件自然而然的事，你要大自然告訴你一些它的奧秘，你得做出巨大的努力而且時間跨度可能很長。為什么牛頓(也許還有虎克)能發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律，而不是其他的研究者呢？這說明牛頓的指導(dǎo)思想對，也就是在物理文化層面上超越了與他同時代的其他人。當(dāng)然這也與他在數(shù)學(xué)上的成就有關(guān)(下面還要談到)。

一竅通，百竅通。文化絕不是僅僅束縛在一個局域中，物理是認(rèn)識自然的客觀規(guī)律，而物理文化除了處理自然界還可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域。李斌是南開大學(xué)物理系畢業(yè)生，后來在美國取得博士學(xué)位，他自己創(chuàng)業(yè)，取得很不錯的業(yè)績，我邀請他給南開物理系學(xué)生做個學(xué)術(shù)講座(colloquium)，在此基礎(chǔ)上，他根據(jù)自己的體會寫了一篇文章，發(fā)表在現(xiàn)代物理知識上，文章的題目就是“從牛頓炒股談起”，[4]具體地體現(xiàn)了物理從純自然科學(xué)到文化精神的升華過程。

文化精神還表現(xiàn)在為人類社會服務(wù)的自覺性上面。著名的物理學(xué)家費曼在生命的最后時刻，克服癌癥給他帶來的痛苦，作為專家參加了美國宇航局為挑戰(zhàn)者航天飛機(jī)失敗所組成的特別小組。他用他敏銳的觀測分析能力和出色的物理知識發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)者號失敗的原因就是一個密封圈在宇宙空間的低溫下失效造成的。這個發(fā)現(xiàn)為宇宙航行的安全提供了最寶貴的經(jīng)驗。我們的前輩物理學(xué)家在兩彈一星研制中對我國的國防事業(yè)作出了不朽的貢獻(xiàn)。他們用自己的專業(yè)知識奠定了中國作為世界強(qiáng)國的基礎(chǔ)，不計名利，辛勤工作，充分體現(xiàn)出炎黃子孫用自己卓越的專業(yè)知識為國家作貢獻(xiàn)的精神，是我們這些后代的物理學(xué)工作者永遠(yuǎn)的榜樣。

3 物理文化與數(shù)學(xué)文化[5]

物理與數(shù)學(xué)是科學(xué)界的兩只奇葩，是互相促進(jìn)的雙生兄弟。不同的是物理學(xué)是關(guān)于自然界的科學(xué)而數(shù)學(xué)是邏輯的科學(xué)。它們研究的對象不同，但是一旦它們間出現(xiàn)交集，就可能產(chǎn)生巨大的突破。歷史上眾多的例子正說明這一點。讓我們舉幾個大家熟知的例子：牛頓將微積分引入力學(xué)，從此力學(xué)就不再是對現(xiàn)象的簡單描述而成為能精確計算和做出準(zhǔn)確預(yù)言的科學(xué)了；愛因斯坦應(yīng)用黎曼幾何寫出了廣義相對論方程，它在今天仍然是研究黑洞、宇宙演化和大天體行為的基本理論；海森堡應(yīng)用線性代數(shù)建立了量子力學(xué)中和波動力學(xué)等價的矩陣力學(xué)。陳省身先生說目前數(shù)學(xué)和物理學(xué)只有10%的交疊，誠然，要能做到大師們達(dá)到的高度，我們不僅有很好的物理訓(xùn)練、知識積累，還要掌握很復(fù)雜的數(shù)學(xué)知識。幾十年前數(shù)學(xué)物理方法(解偏微分方程和本征值問題)還是很深奧的，但今天已經(jīng)是大學(xué)的基本課程了。我們今天有很多物理問題(理論的)解決不了，很大程度上是我們掌握的數(shù)學(xué)工具不夠。

舉另外一個大家熟悉的例子：我們用牛頓力學(xué)(量子力學(xué)也有同樣的問題)可以很好地解決兩體問題，只要我們知道它們間的相互作用是什么。但直到今天，我們?nèi)圆荒苷业饺w問題的一般解。僅僅增加了一個組分，我們的數(shù)學(xué)知識就不夠用了，對四體、五體等(我們稱為少體問題)就更無能為力了。這就是為什么今天我們?nèi)詿o法真正理解原子間的作用，還有原子核在核子、核子內(nèi)夸克間的作用，數(shù)學(xué)知識的欠缺阻礙了我們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)達(dá)到深層次的理解。

實際上，我們今天只會用微擾論逐階計算一些物理量，這顯然不是最終的解，我們期望計算誤差越來越小，逼近真值，但誰也沒法保證一定是這樣的。為什么我們不能直接得到精確解呢？也許需要某位數(shù)學(xué)家?guī)椭覀兘鉀Q。據(jù)說威滕(Witten)等人在這方面做出很大成績，但離我們的期望還很遙遠(yuǎn)。

然而有趣的是，如果是對付1023這么多的粒子，我們就可以用統(tǒng)計力學(xué)的方法來完美解決，這歸功于偉大的物理學(xué)家玻爾茲曼。這時我們不需要關(guān)于任何個體的確切信息，而只需要對大量粒子整體的性質(zhì)做完美的解釋。統(tǒng)計學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)在物理之外得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然統(tǒng)計學(xué)是數(shù)學(xué)的重要分支，并非專為物理所設(shè)，但到了物理學(xué)家手中它成為宏觀世界和微觀世界間的一座橋梁，從而使我們認(rèn)識到許多宏觀效應(yīng)的根源，這種理解是數(shù)學(xué)和物理的完美結(jié)合典范之一。

我們相信數(shù)學(xué)文化和物理文化在不斷碰撞、融合，將來一定會超出陳省身先生的10% 的論斷，而產(chǎn)生出科學(xué)中更偉大的進(jìn)步。

筆者的一點猜想，很可能是荒謬：靠積累是不能達(dá)到大突破的，我們期待一個年輕的天才，用一種我們迄今不知道的原則或方法實現(xiàn)一個飛躍。歷史上阿貝爾創(chuàng)造了群論，從而解決了5 次方程沒有解析解的數(shù)學(xué)難題。如果我們就因循現(xiàn)有理論，循序漸進(jìn)可能永遠(yuǎn)也做不到真正的突破。

筆者寄希望于年輕并且有志的天才！

4 基礎(chǔ)物理與應(yīng)用物理

物理是一種文化，那就不是局限于對自然基本規(guī)律的探索，而要包括將這些已知的規(guī)律用來為人類造福，為人類文明作出貢獻(xiàn)。應(yīng)用已經(jīng)了解的基礎(chǔ)物理知識于創(chuàng)造的例子是不勝枚舉的。但為了突出效果，讓我們用幾個例子來說明這種“文化”的深刻含義。 上個世紀(jì)麥克斯韋理論預(yù)言了電磁波的存在，后來赫茲在實驗室中產(chǎn)生了電磁波，但當(dāng)時他認(rèn)為那么弱的效應(yīng)也許只有理論的意義。當(dāng)然，我們今天知道，沒有電磁波的應(yīng)用，電視、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)都無從談起。量子力學(xué)是19世紀(jì)末誕生的，今天計算機(jī)的存儲能力完全是依賴量子力學(xué)的。量子通訊衛(wèi)星“墨子”號開創(chuàng)了將量子力學(xué)糾纏態(tài)概念用于安全通信的新領(lǐng)域；相對論指出能量和質(zhì)量的根本關(guān)系和相互轉(zhuǎn)換的原則，利用這個原理，我們才可以應(yīng)用核反應(yīng)來發(fā)電(當(dāng)然，這也是制造原子彈和氫彈所依據(jù)的原理)。 今天人們在研究如何利用物理學(xué)的基本原理(核物理和量子場論)來處理核廢料。還有，受控核聚變是另一個分支。這些研究一旦成功，和平利用原子能將使我們有取之不盡的清潔能源。然而，正是因為我們對物理規(guī)律的理解不夠深同時技術(shù)水平也不夠高，還沒能實現(xiàn)受控核聚變，在我們面前的探索之路還很漫長。

再說一個大家都熟悉的事。如果你要問今年50歲左右的“老人”，他們會告訴你30年前，一卷彩色膠卷要30多元(那時的月工資也就是100元)，而拍完后，要到專業(yè)照相館去沖、洗(化學(xué)方式)，這需要30元左右，如果想放大(大約A4紙的1/4)，那每張至少要5～10元，哇，36張照片要70元，超過了半個月的工資，還造成嚴(yán)重的重金屬污染?，F(xiàn)在你可以用一個單反相機(jī)無限制地拍攝你想要的景色和人物，像素是過去膠片無法達(dá)到的。拍的照片如果滿意就儲存在U盤中，再轉(zhuǎn)到計算機(jī)上，不滿意，就只需動動手指刪掉即可，這一切都是零成本的，你不需要化一分錢。更進(jìn)一步，隨著手機(jī)的普及和質(zhì)量的提高，用手機(jī)拍出來的照片的質(zhì)量已可以和過去高級相機(jī)相媲美了。這一切都應(yīng)歸功于應(yīng)用物理的進(jìn)步。

物理學(xué)的進(jìn)步促進(jìn)了文明。

5 物理學(xué)的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步

這是互相依賴、互相促進(jìn)的關(guān)系。物理學(xué)的發(fā)展離不開技術(shù)的支持。沒有CERN的大型加速器LHC的成功運行就不能找到所謂的上帝粒子“希格斯”。人類要探索大自然奧秘，必定要建造超大的望遠(yuǎn)鏡，制造人造衛(wèi)星以探測反物質(zhì)(如AMS)，制造宇宙飛船探測月球背面，探測引力波，建造比LHC更高能量的大型加速器去探尋超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，等等。正是由于各種新技術(shù)的出現(xiàn)才使這些大型裝置成為可能。

我們國家擬建的環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)(CEPC)將運行在能量略大于希格斯質(zhì)量和Z 粒子質(zhì)量之和大約為 216GeV，在CEPC上我們可以對希格斯粒子做精確的檢驗(達(dá)到5% 的精度)。 CEPC的周長將是100km，使用大型超導(dǎo)磁鐵和各種新技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，可以改進(jìn)成SPPC (超大型質(zhì)子-質(zhì)子對撞機(jī))，從而將能量提高到100TeV (是LHC能量14TeV的許多倍)。這么高的能量是人類探索新物理，例如尋找超對稱粒子等，所必須的，也是人類夢寐以求的！

6 結(jié)語

物理學(xué)是實驗科學(xué)，它的一切歸根結(jié)底是來源于實驗觀測。但人們不會滿足于積累數(shù)據(jù)，要使之成為科學(xué)，就必須借助數(shù)學(xué)的幫助上升到能解釋所有的實驗結(jié)果并且做出能在未來實驗中驗證預(yù)言的普適理論。通過大量的理論與實驗的研究，更進(jìn)一步，物理學(xué)已經(jīng)升華到指導(dǎo)人類思維和工作的一種文化了。凡是學(xué)過物理的人都潛移默化地運用物理思想去理解周圍的事物，去判斷周圍錯綜復(fù)雜的形形色色的真?zhèn)我圆扇∽詈侠?自己認(rèn)為最合理)的方式去處理，去改變(這和做物理預(yù)言類似)。整個過程是漫長的，從伽利略、牛頓，今天物理學(xué)的升華過程是曲折的，是一步步穩(wěn)定地發(fā)展起來的，是由物理學(xué)這種對自然界認(rèn)知方式所必然出現(xiàn)和升華的。

物理文化指導(dǎo)著所有學(xué)物理和用物理的學(xué)者、工程師、學(xué)生和廣大群眾，指導(dǎo)他們?nèi)绾握_地思維和正確選擇解決問題的方法，指導(dǎo)他們?nèi)绾慰朔щy向前進(jìn)，無論是對尖端科學(xué)還是日常生活和工作。

物理文化的真諦在于：(1)求真；(2)溯本求源，什么事都要搞清來龍去脈。

學(xué)好物理學(xué)主觀能動性很重要。很多中學(xué)生說物理好難，不愿意學(xué)物理。實際上這是個誤區(qū)，只要你想學(xué)就可以學(xué)好。物理是關(guān)于自然的科學(xué)，因而是最講理的科學(xué)，只要你想講理，那怎么會學(xué)不好物理呢？

再強(qiáng)調(diào)一下宇宙。自然界的物理規(guī)律不會變，但物理學(xué)在前進(jìn)，世界由于物理學(xué)的發(fā)展變得更美好，人類的文明程度也會越來越高。讓我們共同創(chuàng)造美好的明天，實現(xiàn)中國的強(qiáng)國夢！