諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)原因的分類統(tǒng)計(jì)及其啟發(fā)

曾 哲

(武鋼三中學(xué)科奧賽中心 湖北 武漢 430080)

諾貝爾獎(jiǎng)是1900年6月根據(jù)瑞典著名化學(xué)家、硝化甘油炸藥發(fā)明人阿爾弗雷德·貝恩哈德·諾貝爾的部分遺產(chǎn)作為基金創(chuàng)立.在遺囑中他提出將部分遺產(chǎn)作為基金并以其利息分設(shè)物理、化學(xué)、生理或醫(yī)學(xué)、文學(xué)及和平(后添加了經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng))5種獎(jiǎng)金，授予世界各國(guó)在這些領(lǐng)域?qū)θ祟愖龀鲋卮筘暙I(xiàn)的學(xué)者.由瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)獎(jiǎng)金，每年的獎(jiǎng)項(xiàng)候選人由瑞典皇家自然科學(xué)院的瑞典或外國(guó)院士、諾貝爾物理和化學(xué)委員會(huì)的委員、曾被授予諾貝爾物理或化學(xué)獎(jiǎng)金的科學(xué)家、在烏普薩拉、隆德、奧斯陸、哥本哈根、赫爾辛基大學(xué)、卡羅琳醫(yī)學(xué)院和皇家技術(shù)學(xué)院永久或臨時(shí)任職的物理和化學(xué)教授等科學(xué)家推薦.

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是物理學(xué)界的最高獎(jiǎng)項(xiàng)，受主流物理學(xué)界廣泛認(rèn)同，其獲獎(jiǎng)記錄是近現(xiàn)代物理學(xué)史的縮影.很多情況下，其獲獎(jiǎng)記錄是按不同的研究領(lǐng)域(粒子物理、核物理、原子分子光學(xué)物理、凝聚態(tài)物理、天文物理)進(jìn)行分類[1].筆者嘗試從科學(xué)技術(shù)發(fā)展的全新角度對(duì)其進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì).

筆者發(fā)現(xiàn)，從科學(xué)技術(shù)發(fā)展的角度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)原因可以分為以下4類成就：

第1類,重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)；

第2類,重要理論概念提出;

第3類,重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明;

第4類,重大實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn).

以上4類成就基本可以覆蓋所有諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)原因.

1 4類成就的具體內(nèi)容

第1類:重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)

其主要內(nèi)容是發(fā)現(xiàn)了人類之前未知的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)人類的原有理論認(rèn)識(shí)存在重大沖擊.

例如：阿爾伯特·邁克耳孫發(fā)現(xiàn)光速在不同參考系中保持不變(1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)).

第2類:重要理論提出

其主要內(nèi)容是基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，提出了替代原有理論的更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的新理論解釋.其理論預(yù)測(cè)成功被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn).

例如：維爾納·海森堡創(chuàng)立量子力學(xué)(1932年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)).

第3類：重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明

其主要內(nèi)容是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行應(yīng)用，其應(yīng)用成果極大地改善了人類的生產(chǎn)生活.

例如：高錕在光纖通信上取得的成就(2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)).

第4類:重大實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)

其主要內(nèi)容是發(fā)明了新的實(shí)驗(yàn)器材,或提出了新的實(shí)驗(yàn)方法，其勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致新的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn).

第4類與第1類成就的區(qū)別是：第1類成就是指重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，主要獲獎(jiǎng)理由是發(fā)現(xiàn)某個(gè)現(xiàn)象這件事本身.而重大實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)類的獲獎(jiǎng)理由是進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)(發(fā)明了新的實(shí)驗(yàn)器材、或提出了新的實(shí)驗(yàn)方法)，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ).

例如：唐納德·格拉澤氣泡室的發(fā)明，對(duì)粒子物理的研究帶來(lái)巨大發(fā)展(1960年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)).

2 1901-2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)自獎(jiǎng)項(xiàng)于1901年設(shè)立至2019年，一共被授予了113次，期間只有1916,1931,1934,1940,1941和1942這6個(gè)年份沒有頒發(fā).表1是筆者對(duì)1931-1940年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)原因的分析與分類.

表1 1931-1940年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)原因及分類

1901-2019年每10年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見因第1類重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)頒發(fā)共計(jì)70次，因第2類重要理論概念提出頒發(fā)共計(jì)32次，因第3類重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明頒發(fā)共計(jì)8次，因第4類重大實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)頒發(fā)共計(jì)31次，其他共計(jì)0次.

表2 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)每10年獲獎(jiǎng)原因總結(jié)分類

續(xù)表2

3 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果的解讀

圖1對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程進(jìn)行了總結(jié)概括[2].科學(xué)是對(duì)自然界人類未知現(xiàn)象的探索，基于實(shí)驗(yàn)對(duì)未知現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和對(duì)發(fā)現(xiàn)的未知現(xiàn)象的應(yīng)用，由此而產(chǎn)生的發(fā)明不斷地推進(jìn)人類文明的進(jìn)步.在實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(通過實(shí)驗(yàn)獲得自然界是怎樣的)的同時(shí)，人類嘗試?yán)斫鈱?shí)驗(yàn)現(xiàn)象(回答自然界為什么會(huì)有這樣的現(xiàn)象)而產(chǎn)生認(rèn)知、生成理論.對(duì)較微觀的自然現(xiàn)象的獲得在有限程度上有助于理解相對(duì)宏觀的自然現(xiàn)象.而理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋和預(yù)測(cè)作用進(jìn)一步指導(dǎo)和輔助實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的發(fā)展.包括物理學(xué)在內(nèi)的科學(xué)在不斷向著實(shí)驗(yàn)測(cè)量更精確、理論計(jì)算更準(zhǔn)確、應(yīng)用范圍更廣泛的方向發(fā)展.

圖1 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程

筆者發(fā)現(xiàn)其總結(jié)概括基本能對(duì)應(yīng)前3類成就，第1類重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)圖1中實(shí)驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的箭頭，第2類重要理論概念提出對(duì)應(yīng)圖1中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論之間的2個(gè)箭頭，第3類重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明對(duì)應(yīng)圖1中從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到生產(chǎn)應(yīng)用的箭頭.

但筆者發(fā)現(xiàn)第4類重大實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)并不能反應(yīng)在圖1中，必須進(jìn)行補(bǔ)充.第4類和第3類成就一樣，都屬于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的應(yīng)用，但區(qū)別是：第4類是新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，而不是應(yīng)用于人類的生產(chǎn)生活.新現(xiàn)象的應(yīng)用有助于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提升.實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)科學(xué)向著測(cè)量更精確的方向發(fā)展，為新的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ).

4 對(duì)物理教學(xué)、科研、科普與考試評(píng)價(jià)體系的啟發(fā)

基于對(duì)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)原因的分類，筆者認(rèn)為應(yīng)在使學(xué)生掌握好現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)之上，鼓勵(lì)學(xué)生自主思考自我生成，不拘泥于書本.在實(shí)驗(yàn)上自主探索努力發(fā)現(xiàn)(對(duì)應(yīng)第1類重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn))，理論上不要視現(xiàn)有理論為“不變的真理”敢于質(zhì)疑(對(duì)應(yīng)第2類重要理論概念提出)，并且努力應(yīng)用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(對(duì)應(yīng)第3類重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明)，還要努力思考如何改善提高現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)精度(對(duì)應(yīng)第4類重大實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)).

從課程占比的角度，國(guó)內(nèi)本科教育理論課程占比偏多，應(yīng)進(jìn)一步增大實(shí)驗(yàn)課程的比例，4方面的創(chuàng)新能力均應(yīng)有所訓(xùn)練.在教學(xué)與科普上宣傳理論無(wú)所不能(如終極理論之夢(mèng))不可取.人類在有新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后會(huì)有更符合實(shí)驗(yàn)的理論的提出.人類的認(rèn)知都在不斷趨于客觀，理論并不是終極的，只能在有限精度范圍內(nèi)符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.相對(duì)終極理論之夢(mèng)的虛無(wú)縹緲，需要建立起圖1所示的正確科學(xué)觀，鼓勵(lì)年輕學(xué)者務(wù)實(shí)地推進(jìn)人類科技進(jìn)步.

具體在實(shí)際教學(xué)過程中，首先使學(xué)生掌握現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)手段(實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論計(jì)算能力).在此基礎(chǔ)上應(yīng)留給學(xué)生自由實(shí)驗(yàn)的空間，學(xué)生多自主進(jìn)行開放式的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程(對(duì)應(yīng)第1類重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)).與此同時(shí)，需要啟發(fā)學(xué)生思考下列3個(gè)問題，從而進(jìn)一步提升學(xué)生科技創(chuàng)新能力.

(1)對(duì)發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行理論解釋，思考理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否相符，理論是否需要修正，思考如何進(jìn)一步提高理論計(jì)算準(zhǔn)確度(對(duì)應(yīng)第2類重要理論概念提出).

(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)生產(chǎn)生活有什么應(yīng)用，如何進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率(對(duì)第3類重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明).

(3)如何提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)(對(duì)應(yīng)第4類重大實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)).

從而提升學(xué)生的科技創(chuàng)新意識(shí).

在科學(xué)核心素養(yǎng)的評(píng)價(jià)體系上不應(yīng)只簡(jiǎn)單地分為理論和實(shí)驗(yàn)兩類考查方向，應(yīng)該注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、現(xiàn)象理解、理論預(yù)測(cè)、應(yīng)用發(fā)明4方面能力的培養(yǎng)[10]，除此之外還需考查第5方面實(shí)驗(yàn)改進(jìn)能力的培養(yǎng).