中學(xué)物理競(jìng)賽評(píng)析和其他*

黃 晶

(杭州市學(xué)軍中學(xué) 浙江 杭州 310032)

邱為鋼

(湖州師范學(xué)院求真學(xué)院 浙江 湖州 313000)

1 源起

中學(xué)生物理競(jìng)賽，本意是通過(guò)競(jìng)賽這種形式，發(fā)現(xiàn)具有物理學(xué)家潛質(zhì)的青少年，讓他們以更好更快的通道成長(zhǎng)起來(lái)，包括但不局限于保送到雙一流大學(xué)、大學(xué)招生優(yōu)惠待遇等.大眾最熟悉的是中學(xué)生物理奧林匹克(簡(jiǎn)稱奧賽)，其次是國(guó)際青年物理學(xué)競(jìng)標(biāo)賽(簡(jiǎn)稱學(xué)術(shù)賽)，以及丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)(簡(jiǎn)稱丘賽).

國(guó)際青年物理學(xué)競(jìng)標(biāo)賽(IYPT)，最初是1987年莫斯科州立大學(xué)組織莫斯科地區(qū)的高年級(jí)中學(xué)生的物理競(jìng)賽.共有17道開(kāi)放性物理問(wèn)題，以團(tuán)隊(duì)的形式研究題目，以辯論的形式比賽.目的是為大學(xué)招收物理人才提供一個(gè)有效的渠道.1988-1993年，推廣到前蘇聯(lián)全國(guó)范圍.1994年開(kāi)始，在荷蘭舉行.IYPT組織屬于歐洲物理學(xué)會(huì).南開(kāi)大學(xué)首先于2008年引入國(guó)內(nèi)，分為大學(xué)生(CUPT)和中學(xué)生(CYPT)兩種層次的競(jìng)賽[1].

丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)借鑒了國(guó)際“英特爾科學(xué)獎(jiǎng)”的組織與選拔模式[2]，力求打造一場(chǎng)殿堂級(jí)的頂尖中學(xué)生科學(xué)學(xué)術(shù)比賽，挖掘并培養(yǎng)那些不斷追求真理，具有科學(xué)素養(yǎng)和熱情、高知識(shí)儲(chǔ)備的優(yōu)秀中學(xué)生.以“創(chuàng)新、體驗(yàn)、成長(zhǎng)”為核心要素，激發(fā)和提升中學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣和創(chuàng)新能力，通過(guò)打造參與式體驗(yàn)國(guó)際競(jìng)賽模式，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)有前途的年輕科學(xué)人才，幫助他們更好地適應(yīng)未來(lái)的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)自我成長(zhǎng).該獎(jiǎng)項(xiàng)的設(shè)置旨在建立起中學(xué)生、中學(xué)教師同國(guó)際知名科學(xué)家之間的聯(lián)系，激發(fā)中學(xué)生對(duì)于數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科的研究興趣與創(chuàng)造力.

2 不同之處

我們從幾個(gè)特定的側(cè)面對(duì)這3種物理競(jìng)賽做比較分析.從題目來(lái)源、解答時(shí)間和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，奧賽題目是事先給定的，無(wú)論是理論題目還是實(shí)驗(yàn)題目，都必須在限定時(shí)間內(nèi)完成.學(xué)術(shù)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(shí)間來(lái)準(zhǔn)備.丘賽的題目是自選的，理論上準(zhǔn)備時(shí)間是一年，有些獲獎(jiǎng)的題目前期時(shí)間更長(zhǎng).第一屆金獎(jiǎng)?lì)}目“紙飛機(jī)的飛行動(dòng)力學(xué)”，萌發(fā)于小時(shí)候玩紙飛機(jī)的經(jīng)歷.不管丘賽是否存在，題目就在那里，正好在合適的時(shí)間與丘賽相遇了.奧賽題目是有參考標(biāo)準(zhǔn)答案的，有嚴(yán)格的評(píng)分細(xì)則.學(xué)術(shù)賽沒(méi)有嚴(yán)格意義上的標(biāo)準(zhǔn)答案，它的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)方案等是否遵循物理研究的一般方法，是否可以經(jīng)得起各方的挑戰(zhàn).丘賽的題目是自選的，所以根本沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)答案.通訊評(píng)委會(huì)直接斃掉超出高中生能力的文章.半決賽的評(píng)委是國(guó)內(nèi)雙一流大學(xué)的物理教授，總決賽的評(píng)委是國(guó)際頂級(jí)高校的物理教授，有幾屆甚至是物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者.

參與3類物理競(jìng)賽學(xué)生的感受是不一樣的.36屆奧賽決賽總分第一學(xué)生的感悟是：參加物理競(jìng)賽是不斷學(xué)習(xí)和探索的過(guò)程，可以讓大家學(xué)到海量的物理知識(shí)，掌握解決問(wèn)題的方法和技巧，感受到物理學(xué)的無(wú)盡魅力.第一屆丘賽物理金獎(jiǎng)學(xué)生的感悟是這樣的：初中階段通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)麻省理工學(xué)院教授的課程.在北京參賽時(shí)，看到煙囪上的炊煙，孩子們就興奮了，他們想研究風(fēng)使煙發(fā)生的變化.比賽前一天的晚上，還去聽(tīng)了格林的講座，向諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者提了一個(gè)據(jù)說(shuō)嚇倒一片人的問(wèn)題:除了暗物質(zhì)和10～100 TeV能級(jí)的探索外，我們還能借助什么線索去尋找標(biāo)準(zhǔn)模型和弦論的統(tǒng)一？

3類物理競(jìng)賽所要求的能力是不一樣的.第30屆國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽中國(guó)國(guó)家隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)介紹說(shuō)，IYPT比賽需要經(jīng)歷閱讀賽題、建模、實(shí)驗(yàn)裝置搭建、數(shù)據(jù)處理、PPT制作、現(xiàn)場(chǎng)展示等多個(gè)環(huán)節(jié).丘賽學(xué)生所需的能力是興趣驅(qū)動(dòng)的自主研究能力.以首屆丘賽物理競(jìng)賽為例，研究的是紙飛機(jī)如何飛得更遠(yuǎn).選手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、利用計(jì)算機(jī)軟件分析數(shù)據(jù)與作圖，開(kāi)展了一系列研究.僅僅為了研究紙飛機(jī)拐彎的原因，就花了好長(zhǎng)時(shí)間.這項(xiàng)研究很樸素，用的設(shè)備都是中學(xué)實(shí)驗(yàn)室中有的，包括紙張、皮筋、鐵架子、傳感器、滑輪，甚至用風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，看紙飛機(jī)要以何種角度起飛，才能達(dá)到升力最大、阻力最小.

3 為何計(jì)算

中學(xué)物理奧賽所考察的能力，以后科研可能會(huì)用到的，可能就是解析計(jì)算能力.那么，真正物理研究所需要的這種計(jì)算能力是怎么體現(xiàn)的呢，為何要計(jì)算？我們聽(tīng)聽(tīng)一些物理學(xué)家對(duì)于所需的物理知識(shí)和計(jì)算能力是怎么評(píng)價(jià)的.

首先，黃昆說(shuō)：學(xué)習(xí)知識(shí)不是越多越好，越深越好，而是應(yīng)當(dāng)與自己駕馭知識(shí)的能力相匹配(圖1).

圖1 黃昆對(duì)所需物理知識(shí)和計(jì)算能力的評(píng)價(jià)

其次,趙凱華說(shuō)[4]：當(dāng)一位成熟的物理學(xué)家進(jìn)行探究性的科學(xué)研究時(shí)，常常從定性的或半定量的方法著手.這包括對(duì)稱性的考慮和守恒量的利用，量綱分析，數(shù)量級(jí)估計(jì)，極限情形和特例的討論，簡(jiǎn)化模型的選取，以至概念和方法的類比，等等.他們通過(guò)定性的思考和半定量的試驗(yàn)，力求先對(duì)問(wèn)題的性質(zhì)，解的概貌取得一個(gè)總體的估計(jì)和理解.否則一下子陷入細(xì)枝末節(jié)的探討，往往會(huì)一葉障目，只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林.這種定性或半定量的分析問(wèn)題的能力，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)卻是最難不過(guò)的.因?yàn)檫@要靠一定的物理直覺(jué)和洞察力，沒(méi)有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)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(shù)學(xué)計(jì)算能力和非凡的記憶能力.往往能把復(fù)雜的物理問(wèn)題，勾畫(huà)出一幅清晰的物理圖像，提出不同階段應(yīng)該研究的科學(xué)問(wèn)題，并分別處理，逐步解決，在旁人看來(lái)，真有點(diǎn)像“庖丁解牛”那樣得心應(yīng)手.在技術(shù)路線上，于敏把“物理分解”看作核武器物理基礎(chǔ)研究的“基本環(huán)節(jié)”.還要分解每個(gè)過(guò)程的物理現(xiàn)象，研究其規(guī)律，進(jìn)而研究其機(jī)制和起主導(dǎo)作用的物理因素，并通過(guò)數(shù)值模擬準(zhǔn)確地再現(xiàn)這些過(guò)程.在一個(gè)個(gè)因素弄清、一個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)解決的基礎(chǔ)上，再分進(jìn)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(xiě)過(guò)這樣的段落[6]：“于是我著手做了一個(gè)長(zhǎng)的計(jì)算，這是我的物理學(xué)生涯中最長(zhǎng)的一個(gè)計(jì)算.它曲曲折折，處處都要用到一些技巧，碰到數(shù)不清的障礙.然而，過(guò)不了幾天，總會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新訣竅，指明新的路子.問(wèn)題是，我很快就感到自己處在一個(gè)迷魂陣?yán)?，搞不清楚?jīng)過(guò)這許多峰回路轉(zhuǎn)以后，究竟是否比出發(fā)時(shí)更接近原定的目標(biāo).這種感覺(jué)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(lái)，通常是一個(gè)新的訣竅使事情豁然開(kāi)朗，哪怕是僅照亮了其中的一個(gè)局部.經(jīng)過(guò)大約6個(gè)月的斷斷續(xù)續(xù)，終于，所有的片段突然融合在一起，產(chǎn)生了奇跡般的各項(xiàng)相消的情形.我眼睜睜的盯著出奇的簡(jiǎn)單的最后結(jié)果.”

北京大學(xué)物理學(xué)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(xiàn)的唯一一個(gè)中國(guó)人.他計(jì)算的了higgs粒子到雙光子反應(yīng)的兩圈費(fèi)曼圖，計(jì)算結(jié)果被用在LHC檢測(cè)higgs的一個(gè)實(shí)驗(yàn)上.他回憶說(shuō)“我那時(shí)候每天下午四點(diǎn)起床，讀報(bào)，趕飯點(diǎn)去學(xué)一食堂，打一大盆豬食吃了，再回去睡覺(jué).太陽(yáng)下山以后起來(lái)去辦公室，泡上一杯咖啡，開(kāi)始算，中間除了抽煙，就不停了.算到早上六點(diǎn)，就回去睡覺(jué).前后連續(xù)算了四十天，就把這個(gè)算出來(lái)了.”

戴森回憶說(shuō)[8]，貝特(Hans Bethe,1967年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者)有一個(gè)非常棒的本領(lǐng)，他能做一些簡(jiǎn)單計(jì)算，盡管粗略，但卻得到大致正確的結(jié)論.然后把這個(gè)問(wèn)題拿來(lái)給戴森，由戴森來(lái)做更精確的求解.1953年春天，26歲即是康奈爾大學(xué)教授的戴森和自己的學(xué)生利用贗標(biāo)介子理論計(jì)算了介子與質(zhì)子的散射截面，得到了與費(fèi)米的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值十分相符的結(jié)果.喜不自禁地長(zhǎng)途跋涉去告之費(fèi)米，費(fèi)米掃了一眼說(shuō)，“有兩種方式做理論物理學(xué)的計(jì)算.一種是我喜歡的，就是要對(duì)你正在計(jì)算的過(guò)程擁有一個(gè)清晰的物理圖像.另一種是得到精確而且自洽的數(shù)學(xué)形式體系.這兩者都是你的計(jì)算不具備的.”

超引力的主要發(fā)現(xiàn)者Peter van Nieuwen-huizen[9]說(shuō)：“我們完成了非常非常復(fù)雜的計(jì)算.真的很復(fù)雜，我們算了好幾個(gè)月，覺(jué)得肯定搞不定.但我的導(dǎo)師，諾獎(jiǎng)得主Veltman，他教我學(xué)會(huì)了用計(jì)算機(jī)，所以我決定用Brookhaven附近的CDC電子計(jì)算機(jī)來(lái)解決問(wèn)題.第一批數(shù)據(jù)出來(lái)了，然后是第二批、第三批，依次往后.我們已經(jīng)知道第一批數(shù)據(jù)中的系數(shù)都是零，因?yàn)樵谥暗倪\(yùn)算中，它們都可以歸零.關(guān)鍵在于是不是所有其他系數(shù)也都能歸零.一批批的數(shù)據(jù)不斷從Brookhaven出來(lái)—1 600,1 700，還是零-1 800,1 900，終于到第2 000個(gè)，所有的系數(shù)都為零.就在那個(gè)時(shí)刻，我知道理論成立了.”

我們?cè)倏匆幌驴苹秒娪啊缎请H穿越》中花了教授和他的學(xué)生墨菲近30年時(shí)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(gè)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(gè)猜想，計(jì)算結(jié)果，放棄這個(gè)猜想，然后嘗試下一個(gè).一個(gè)猜想接著另一個(gè)，接著另一個(gè)，接著另一個(gè)……直到他們精疲力盡.第二天，他們又重新開(kāi)始.墨菲的計(jì)算是為了愛(ài)，她渴望計(jì)算的結(jié)果會(huì)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(jì)算是為了美，突破獎(jiǎng)的設(shè)立者之一Yuri Milnerc曾這樣評(píng)價(jià)超引力：“當(dāng)我們想到人類想象力的偉大作品時(shí)，我們通常指的是藝術(shù)、音樂(lè)和文學(xué).但一些最為深刻而美麗的作品是科學(xué)家創(chuàng)造的.過(guò)去幾十年來(lái)，超引力一直激勵(lì)著物理學(xué)家，這個(gè)理論中可能蘊(yùn)含著關(guān)于現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的深刻真理.”

4 什么是最重要的

3種中學(xué)物理競(jìng)賽的初心是發(fā)現(xiàn)潛在的物理學(xué)家，但到底有多少成效呢？清華大學(xué)物理系系主任在“物理人才的選拔與培養(yǎng)——以清華物理系近20年的理念與實(shí)踐為例”報(bào)告中提到[11]，最終成為國(guó)際一流物理學(xué)家的學(xué)生有一個(gè)共同特點(diǎn)，對(duì)科學(xué)具有強(qiáng)烈而持久的熱情.熱情(Enthusiasm)，激情(Passion)，無(wú)盡的奉獻(xiàn)(Devotation)，是一個(gè)科學(xué)工作者最基本的職業(yè)素質(zhì)和職業(yè)素養(yǎng)，這三種品質(zhì)優(yōu)先級(jí)高于天賦和勤奮.

在2016年未來(lái)論壇對(duì)MIT物理系文小剛教授的訪談中[12]，沒(méi)提到智商，但是多次提到了熱情，提到了對(duì)真與美的追求.文教授之前在中國(guó)見(jiàn)過(guò)一個(gè)學(xué)生，說(shuō)自己什么都能做好，考試全校第一，北大清華這類頂尖學(xué)校也上了，一個(gè)典型的學(xué)霸.但是在文教授看來(lái)，這個(gè)學(xué)生好像丟失了靈魂.他追求的都是別人設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn)，但是沒(méi)有自己的追求，自己的興趣.文小剛也提到了他最大的動(dòng)力來(lái)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(qū)使就這樣一路走來(lái).因?yàn)橛辛撕闷嫘木蜁?huì)發(fā)現(xiàn)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(lái)越強(qiáng)烈，能看到越來(lái)越多未知的東西”.諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中老師在復(fù)旦大學(xué)2019級(jí)本科生開(kāi)學(xué)典禮上的寄語(yǔ)中提到[13]，他的父親是數(shù)學(xué)系的教授，他的母親是心理系的教授，在他開(kāi)始學(xué)物理的時(shí)候，都非常反對(duì)，還跟他說(shuō)學(xué)物理不是每個(gè)人都能學(xué)的，要有特別的天分才可以.他就跟他們說(shuō)：“一個(gè)人在世上只走一次，要靠自己的興趣.為了這個(gè)興趣向前走，這才是有意義的.”他們兩位聽(tīng)了這句話以后，就沒(méi)有再反對(duì)了.他就想講這幾句話，希望大家能記住，一個(gè)人向前走，最主要的是興趣.

5 對(duì)物理教育的啟示

我們以文獻(xiàn)[14]中提及的4位物理大師的話作為結(jié)束語(yǔ).愛(ài)因斯坦：“興趣是最好的老師”，楊振寧：“現(xiàn)象是物理學(xué)的根源”，海森堡：“科學(xué)扎根于討論”，李政道：“物理學(xué)的精髓在于創(chuàng)新”.