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研究生培养专题报告??曹则贤研究员在2017年开学典礼上的讲话
更新: 2018-02-05
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各位年轻的朋友,大家好,欢迎大家从今天起正式加入物理所。

往年在这里给同学们做入学教育的都是物理所的著名科学家,甚至是院士,今年安排我这种普通研究员来做这样重要的报告,也许是想给大家一个“反面教材”,从反面鼓励大家。希望大家珍惜这个机会。

我们物理所出反面教材和正面教材是有传统的。各位在国科大读书的时候可能听说过“中关村村长”吴宝俊博士,那是我们所著名的“反面教材”先生,他的博客非常有名。为了不让反面教材给人一种“物理所人怎么谈的不全是深刻物理”的错误印象,他的同门师兄弟、物理研究做得非常漂亮的张江敏博士针锋相对地开了个博客,叫“正面教材”,给你细细地讲那物理之最微妙处。咱们物理所的正面教材对大家有借鉴作用,反面教材嘛,也不是哪儿都有的。

各位作为佼佼者,经过了四年的大学本科和一年的研究生教育,信心满满地到这里来做研究。但是非常抱歉的是,我觉得到目前为止,在国内受过大学教育和研究生教育后就掌握了像样的数学和物理知识的学生几乎没有。甚至客观地说,当前中国的数学和物理教育连欧洲100年前的难度都达不到,而且是远远达不到。于你,于我,皆如此。

我举一个简单的例子。本科的时候我们学牛顿力学,知道在力的作用下粒子会加速运动,加速度由牛顿第二定律给出,那么请问关于粒子三维运动轨迹的数学描述,在大一的时候你学会了多少?

对粒子运动轨迹的数学描述是由哪些人引入的呢?一个法国人叫克莱罗(Alexis Clairaut),他13岁时第一次向法国科学院 ( Académie fran?aise,  Institut de France 下面五个Académies 之一)递交关于几何曲线研究的论文,16岁时提出曲线的描述需要“曲率”的概念,18岁当选法国科学院院士。克莱罗提出,在三维空间的运动轨迹,一条曲线,除了需要法线、切线的概念,还需要引入 binormal 的概念,曲率是双重曲率 (double courbure)。克莱罗是凭借关于曲线的研究18岁当选的法兰西科学院院士的。这个法国科学院的院士有多大的含金量呢,我告诉大家,居里夫人获得两次诺贝尔奖也没有资格当选,因为她学问不够 (法国科学院1962年有了第一位女院士)。路易.德布罗意1924年在博士论文里提出物质波的概念,1929年拿到诺贝尔物理奖,但是直到1944年在他亲哥的运作下,德布罗意才当上了法国科学院的院士。我们可以想象一下克莱罗和居里夫人或者德布罗意这个级别的著名科学家之间的距离。

所以大家一定要对我们的将来要投入的这项事业——数学和物理——里面学问的深浅要有一点感觉,这种感觉在很早的时候就应该被培养起来。打个比方,大家在上大学的时候可能读过量子力学,知道里面有一个重要的概念叫泡利矩阵。这位泡利先生不光是量子力学干得漂亮,而是他“高考”完了等录取通知书的那个假期,写了两篇论文奠定了他作为相对论专家的基础。因此,当他大一开学到慕尼黑大学去报到的时候,慕尼黑大学的著名教授索未菲(Arnold Sommerfeld)跟他说你已经够博士学位的水平了,但是按照德国的规定,一个人入大学以后最起码要经过六个学期才可以申请博士学位,你总不能在我这就晃悠(德语用词是aufsitzen)六个学期呀,我给你找点活吧。正好我接受委托要为德国数理百科全书写相对论这一个专题,而你这位同志今年也该有18岁了,你应该是相对论这方面的专家,所以这个事你来做吧。于是刚上大一的这位泡利先生就开始撰写相对论的review article,大三的时候正式发表,到今天为止这个237页的相对论的文本还是这个领域的经典。 请大家记住,这是出自人家大学一位大一的学生之手。哪位会广义相对论的请举手? 顺便说一句,千万别以为学凝聚态实验物理不需要懂一点儿相对论。

各位如果觉得自己很了不起的话可以跟上面这两位——一个数学还行,一个物理还行的——比较一下,今天活动结束后有空找出泡利矩阵,试试你能否看出泡利矩阵的代数结构是什么。泡利矩阵加上单位2×2矩阵恰恰就是相对论里面的距离公式,看你能看出来吗?我们想一想,那些都是欧洲高中和大一学生应该学会的东西,而今天在我们国家多少人象我这样,可能教授当了十几年以后才突然看明白一丁丁点儿的。 所以我想大家既然来到了物理所,投身于物理这样的一个基础学科,希望大家抽空把自己的面拓宽一点,有时候多往深里去理解一点、去试一试水到底有多深,这样可能会让你能静下心来安心地去做一点事情。

回到刚才的话题,为什么说我是一个“反面教材”呢,因为我的经历可能跟你们这些学霸都不一样。学霸是四年本科,四年得博士的那种,有的用时更短。我从本科开始到拿到博士学位,中间一天未断,一共花了15年,中间经历的专业包括激光专业、凝聚态物理、理论物理、表面物理,从推公式、编软件到自己画图纸、加工机械都干过。为什么我遭遇了这么多的折腾呢,我想可能是与个人本身的读书动机不纯有关系。

我是80年代初的大学生,那个时候生活跟现在不一样,我们大学里除了少数家境特别好的外,很多同学有挨饿的经历。你不能指望一个挨饿的学生有多崇高的理想。所以我们本科的时候就想出国,因为出国能吃饱饭。

为了出国也就不在乎专业的挑选了,所以读硕士时我从激光专业改到凝聚态物理。当时整个中国科技大学我就知道有那么一台X光机,还是人家地球与空间科学系的仪器,可以说做凝聚态物理的条件是很差的。各位今天在这里读研,大家要珍惜现,在这么好条件的地方,别光看着自己实验室的那几台仪器,有空可以到物理所各个实验室去转一转,感受一下世界领先水平的仪器设备。话说我当年做凝聚态物理条件那样差肯定是不行的,所以我就转读理论物理博士。理论物理博士没拿到手的时候,又有了到德国去读实验物理博士学位的机会,我就又去考实验物理,结果不得不转到实验物理,这个时候我的背景就很凌乱了。这样,我在德国选择论文方向的时候就遭遇了一个非常尴尬的情况。

那是1992年,当时我导师的实验室就有四台STM(扫描隧道显微镜),那个时候非常粗糙,基本上一星期也扫不出两张图,其实已经很了不起很幸运了,但当时我不知道啊。我导师当时给了我四个方向,让我考虑一下挑一个。可是那四个实验方向我都不懂,以前在国内的实验条件很差我哪个都没做过,我只能找我的德国师兄问。德国师兄说其中有一台非常古老的表面分析仪器,是光电子能谱加上一些等离子体加上质谱,前面一位师兄已经在上面捣腾了六、七年还没毕业,你只要不选它,别的都挺好。于是第二天我就特别傻地跑去跟我导师说其他三个都行,只要不选那个旧的表面分析仪器就行。然后我导师说好吧,那就选这个旧的吧。

唉,你可以想象一下我当时有多郁闷,后来这套仪器对我的冲击有多大。那时候我们几乎没玩过仪器,所以我还是用学理论物理的那套方式,先去找相关教科书,搬了套九卷本的德语《电工电子学》回宿舍看,结果那本书的序言里面的有一句话对我影响非常大,我读完以后就把这套书还给图书馆了。 今天我也教给在座的,“所有的电工电子学仪器,(就是各位将来在实验室会遇到的各种仪器,)不过就是以某种方式输出电流和电压” 你别管它叫什么名字,不论叫STM、AFM、光电子能谱什么的,你别信它这些乱七八糟的名字,它不过就是以某种方式输出电流和电压而已。也就是说,各位在实验室里拿到的图谱不过就是某个仪器输出的电流和电压。你拿到的是用计算机软件画成的图,它和具体的物理之间的关系是需要你好好去琢磨的。我们可千万别把仪器输出来的东西当成物理,各位要是这么做实验物理的话将来就麻烦了。

我想各位可能还没习惯于真正物理地思考。比方说我们聊聊大学物理的知识。各位可能不知道,大概这个世界上什么都有,就是没有温度计。所有温度计的测量原理都是通过测量一个别的物理量,然后依据一个可能是扎实的、也可能是不扎实的理论公式或者假设换算成一个数值,那个数值你管它叫温度。相当多的人在做实验的时候,只看自己的仪器给出的“温度”那一栏的数值,而不去理解温度是什么,最后吃了相当大的亏。与温度有关的许多烂物理成果就是这样产生的。

我听说过一件有趣的事。我们知道在物理所,晶体生长是一个非常重要的方向,因为我们研究凝聚态物理首先要获得具有某种特定物理性质的物质,这种物质可能不再是天然存在的物质,而是需要通过我们的努力才能获得的。晶体生长是一个非常艰难又非常综合的学科,其中有个关键的因素就是温度控制。我们从哪里获取温度、那台仪器测量的数据凭什么叫温度、以及这台仪器可能会造成哪些假的信号都会给我们的研究造成影响。那时我刚到物理所没多久,这一片还是小小的平房,里面有生长晶体的仪器。据说有一段时间某种晶体怎么都生长不好,但是各种条件都控制得很好呀,大家很努力折腾了半年去找原因,最后发现是因为院子里的野猫把那个测量温度的热偶给扒拉得移动了位置。我想当事人可能很崩溃,做梦也没想到会是这个原因。所以在这里我提醒大家一点,在实验室干活的时候,千万不要认为那些仪器都是一个黑匣子,它输出说这是原子图像你就觉得那是原子图像,它说这是温度你就认为是温度,那不是一个物理学家应该具有的认识。做实验的正确态度是,你一定要努力做到你用的那个仪器对你来说是透明的。 一套仪器在你面前,从它的物理原理到它的电子学结构到它工作的整个物理过程,到它的理论解释对你来说应该是透明的,那个才叫做实验

我想起来还有一件最重要的事情,是我自己特别尴尬的事情。我从1982年入大学读物理,到2001年在物理所拿到研究员的位置,也就是所谓的物理教授,但我大概是2007年才突然有一天想起来问自己一个问题,什么是物理?我很惶恐。当时为什么会想到问这个问题呢?因为我碰巧遇读了一本书叫《什么是数学》,读完这本书才启发我去问什么是物理。

这本《什么是数学》的作者柯朗(Richard Courant)大家可能听说过,年轻时在德国的哥廷恩大学工作。大家知道哥廷恩大学里面牛人有多少吗?比方说那个最著名的爱米·诺德(A.E.Noether)女士,她1918年5月18号发表了一篇文章《论变换的不变性》,从此世界上才算正式有了理论物理这个学科,这位优秀的女士是哥廷恩大学的第一位女讲师。其他的有大数学家希尔伯特(David Hilbert),克莱因(Felix Klein)等。柯朗在哥廷恩大学也就是个讲师,德国纳粹上台以后他逃到了美国,就是这样一个德国普通大学里的讲师奠立起了美国的当代数学,建立了柯朗数学研究所。他为了在美国推广数学,努力咬牙写了一本书,叫《什么是数学》,希望能给所有人关于数学的一个全景介绍。这本书的一个非常重要的特点,就是它用最浅显的语言讲最深刻的东西,但是它并不试图去回答什么是数学,作者就是努力勾引你去把这本书看完。因为如果你能把这本书看完,你就对什么是数学有一个自己的回答。所以我觉得这本书光从组织方式来说,都是特了不起的一本书。

这本书就勾起了我细想什么是物理。法国人写过《什么是电影》,托尔斯泰写过《什么是艺术》,我们中国的百度网站上也有人说什么是医学,那位作者说“医学是一门什么都不确定的科学和什么都可能的艺术”。这话有理,如果你生病了去医院,很少会有医生能说清楚你到底得的什么病,这个病的病理到底是什么——什么都不确定。

参考这句话,我觉得可以给物理学一个定义:物理学是一种什么都想理解的渴望,或者是一种野心——在理解的基础上,人类还凭借物理学创造。

今天我们生活在一个用技术支撑起来的高度发达的社会,而支撑我们这个社会的高度发达的技术,如果仔细检查一下,会发现它们的基础差不多都是物理学。比方说,今天地球表面有70多亿人口,还能吃饱饭,那是因为有化肥。发明合成化肥的方法当然是化学家的事情。可是你知道产生化肥最关键的是催化反应,那里是物理发挥作用的地方。还有我们使用的手机,里面处处都用到物理学的基本知识。

那么物理到底来自于哪儿?《生活大爆炸》里Sheldon博士说大约开始于公元前600年前的某个仲夏夜。我想他可能指的是这位古希腊的米洛斯岛上的先知泰勒斯。

泰勒斯有一天突然明白了,这个世界并不仅仅是由神控制的,而且是人可以理解的。我想这应该不仅是看做物理学,也可以说是人类主动性认知的起源。从那时起,物理学就一直在往前艰难的前行着。物理学经历了差不多2600年,到今天才大约有一点点科学的味道。 如果你用物理学的标准去看某些别的学科,鲜少有能达到“科学”的高度。

那么物理到底是个什么样的事业?唐朝的杜甫老师给了一个非常简单的定义“物理固自然”——物理就是关于大自然的事情。 在西方语言里“physics”这个词源于希腊语φ?σις,也是“自然” 的意思。这些都注定了物理学所关切的现象就是这个大宇宙里面发生的任何事情。所以大家千万别把自己的眼界就是限制在所谓的“凝聚态物理”,不要以为你学凝聚态物理,气体理论、等离子体物理就可以不懂。物理所的等离子体方向死了是一件非常可惜的事情,物理所有很多人在从事各种气相法生长薄膜,炉子里面在点燃着等离子体,可相当多的人一辈子也不懂啥是等离子体,就在那儿瞎忙活,这其实很可惜的。物理学的性质是用思想去理解世界,认识世界、创造生活,它的研究对象是everything,所以说不管对自己将来的研究、还是对自己的认知,都不要首先去加一个莫名其妙的限制,你一定要记住一个物理学家,它的研究对象是这个宇宙里所有的存在

如果从空间尺度上来说,也能注意到物理学的野心。它研究的内容大到整个宇宙,小到世界上最小的存在——中子和质子里面的夸克结构,甚至更小。到目前为止,物理学家触手去碰到的尺度,小到这一次的所谓的“引力波探测”——把手伸到了 米的分辨率;大到目前我们号称能够观测的范围大约是65亿光年,大家可以想象这有多大的范围,这是物理学家伸手触碰的空间尺度。

在时间尺度上,物理学既研究宇宙的整个历史,也研究发生在很短时间内的事件。从整个宇宙诞生到现在一共约137亿年,一直到目前为止物理学家能够拍电影做视频的时间尺度是 秒。现在我们的脉冲光学在光学实验室能够实现的脉冲是 秒的量级。当然,理论物理学家会走得更远,他们把时间最小的尺度又延伸到 秒。

我们研究最微观的世界,可能需要的是最宏观的关于整个宇宙的知识。所以西方物理学界给物理学一个形象——贪吃蛇。贪吃蛇的蛇头,就是宇宙层面上的物理问题;蛇尾,是基本粒子层面上的物理。最宏观的头,衔着它最微观的尾巴。

在这样一个彼此关联又相互独立的领域中,我们对自己所做的事要有认知。比如说导师给你个样品,你扫了一个莫名其妙的谱然后不管结果对不对,交给导师就完事了,这是最低层面的基本认知过程—啥都没获得。 高层面的认知有一个很重要的能耐,就是能够预测。狄拉克曾思考怎么把 分解成 的形式,这在我们的数学老师看来是不可能的事情,但狄拉克就是楞把它分解成了完全平方项,从而构造出了相对论量子力学,知道相对论波函数应该是四分量的,然后就预测到这个世界上存在反粒子。再举一个例子,研究中子分裂成质子加电子的过程中,人们发现动量和能量有点不守恒,许多人要因此放弃动量守恒和能量守恒,又是刚才那位年轻的天才泡利说 (大意)“我坚信物理学遵守能量和动量守恒。如果能量、动量不守恒的话,那一定有一个调皮捣蛋的家伙给带走了一部分,而你不知道,你看不着它而已。” 于是,泡利预言了中微子的存在。像这样通过理论进行预测的物理学家,才是了不起的大家。

但还有人比这水平更高,用简单的一个原理就构造了一整门科学。现在网上有一些很流行的话,比如 “任何不以结婚为目的谈恋爱都是耍流氓”,但是这种表达方式恰恰就是我们热力学奠立的最根本的基础。如果大家有能力去读1824年卡诺建立热力学的第一篇法文文章,你会发现卡诺原理就是最基本的一句话“任何不以做功为目的的热传导都是浪费”,这句话是热力学最根本的原理。这个原理出世十年以后,才有克拉珀珑在1834年读懂了,画出了卡诺的理想热机的循环。他在这篇文章的最后还随手甩了一句话,说“如果对于任何一部热机,不以做功为目的的热传导都是在浪费的话,那么灶上面那个正烧开水的壶,它最大的浪费的地方不在壶里面,而在炉子和水壶的交界处。” 而这样一句话等了约50年以后才终于被一位工程师狄赛尔(Rudolf Diesel)读懂,如果最大的浪费是在炉子和灶的界面上,那么好的热机就不应该把炉子架在灶上,而应该是把灶建到炉子里面,从此我们的世界上有了内燃机。这些人才是真正的有大学问的人,这些学问才是物理学里面最该学到的东西。

现在社会上有人提到了学物理也要学人文,好像物理不是人文似的,好像他们知道学物理的该怎样也学人文似的。其实物理学家天生就应该是哲学家,看起来不像哲学家的人也不好意思说自己是物理学家。为什么呢?因为从一开始,按照安得洛尼柯把亚里士多德关于这个世界的一些思考分成了两部分编成了书,前面一部分都是关于自然的就叫Physics,后边一部分,大概有一点胡说八道的就放到Physics后面,叫Metaphysics (字面上就是物理后),被中国人翻译成了形而上学。Metaphysics到了19世纪,经过康德把里面的神学内容抽取了以后才有了哲学。现在欧洲相当多的大学里面,当你获得一个物理博士的时候,拿到的还是自然哲学博士学位 (By the way, 鄙人很荣幸地拿到一个自然哲学博士学位)。所以如果大家觉得自己的热力学许多内容不知从哪里来,尤其什么绝对零度不能达到的等等,你去读读康德的《纯粹理性批判》,我负责任地说康德比你们的物理老师清楚。这里我还想提醒大家一句,我在复旦的哲学大讲堂上跟学员们解释,不要把哲学家康德理解成某些地方哲学系里的教授,哲学家康德首先是个数-学-物-理-教-授,  professor of mathematical physics。

物理学的一个很重要的功能是描述,描述就需要用语言,而物理学最基本的语言是数学。其实数学和物理之间的interplay过去在相当多的人身上是分不清楚的。比方说这位了不起的法国人庞加莱(Henri Poincaré),他是法兰西学院下面五个académie的院士,是数学院士、矿物学院士、语言学院士、法学院士和académie fran?aise的院士 (休息十分钟, 膜拜下!)。爱米·诺德女士只是一个讲师,她爸爸是著名的数学教授,她在哥廷恩大学跟着希尔伯特。我前面说过她1918年5月18日发表的那篇论文《论变换的不变性》奠立了整个近代理论物理的基础。各位如果想把物理学明白,尤其是理论室的同学,有空的话好好去琢磨那些群论啊、规范场到底都在说什么,其实就只有一件事情:物理学研究的是变化里面的不变性。人家这篇数学论文简单的一个题目,就把物理学的关键思想给说清楚了。

但是要求物理学家跟数学家一样去学会那么多数学,确实不是一件容易的事情。据说希尔伯特说过一句有名的话“物理对于物理学家来说实在是太难了!” 他为啥这么说呢,因为他知道物理需要用到很多数学,而那是物理学家难以掌握的。但是大家也不要因此就觉得自惭形秽。反过来我们也可以说,关于方程—或者关于数学—的美还真不是数学家能看出来的。真正美的数学一定是反映了我们这个真实的物理世界,那还真得要用物理学的眼光才能看出来它美在哪儿。

我们本科时候基本上学过的方程就是这些,从简单的牛顿力学经过理论力学的哈密顿雅可比方程,就可以凑出一个量子力学的薛定谔方程。此外还有简单的微分1-形式的热力学主方程,电动力学的麦克斯韦方程组,由其而来的狭义相对论; 量子力学除了薛定谔方程,处理电子的问题有泡利的两分量形式和狄拉克的四分量形式,另外还有一个独立的广义相对论。但是我相信我们的大学本科好像没能够提供这么多的课,至少我上大学时没学到这些。同学们如果觉得自己还欠缺一点的话,平常工作的时候手边随手带本书慢慢补一补。

除了数学基础不够外,我们的教育欠缺的,还有一些思维方式的不同。比方说了不起的天才麦克斯韦(James Clerk Maxwell),据说十二三岁的时候也被父亲撵去从画鸡蛋开始学画画,但蛋实在是太难画了。达芬奇因为擅长画所以坚持画了下去,许多人不会画呢就干脆不画了。可是,恰恰麦克斯韦想的是,如果先把这个鸡蛋的方程写出来会不会就好画一点了?这是一种思维方式的不同,换个角度去思考。那么怎么画鸡蛋的方程呢?先从一个近似的形状椭圆出发,椭圆方程是 ,可是如果只把椭圆的方程看成这个数学方程 的时候, 你就把它物理的内涵给丢掉了。这个方程正确的写法应该是 , 这个“1”是不可省掉的,因为这两个“1”告诉了我们椭圆关于两个焦点的对称性,决定了椭圆的两侧一样大,所以只要把其中一个“1”给赋予不是1的数值,画出的图像就一头大一头小了,那就是鸡蛋的方程。麦克斯韦在13岁的时候很轻松地写出这个方程  , a只要不等于1鸡蛋就一头大一头小。所以他爸特兴奋,求一个数学教授把这个结论写成论文提交给了苏格兰皇家科学院。皇家科学院乐疯了,有数学家能写出卵形线方程来了,我们一定要请他来作报告。第二年春天科学院门口,一辆小马车送来了一个穿花格子呢裙子的小男孩。今天各位是我们拿大轿车给请到物理所来的,期待各位什么时候也可以给我们作个关于某个重大发现的科学报告。我等大家,耐心地。我拿自己的工资请你,请你不要嫌少。

麦克斯韦这样一个了不起的人,当他成年进入物理学研究的时候做出了更多的贡献。我们都知道的电磁感应定律,四个定律都是左边一项右边一项,但是当麦克斯韦把这四个方程写在一起的时候,他就知道这个方程从数学本质上来说哪里不自洽了。于是他在第四个方程的右边,加上了一项,就是所谓的位移电流。位移电流的加入让杨振宁先生都觉得特别痴迷,所以前年杨振宁先生在93岁的高龄还专门写了篇文章探讨麦克斯韦加上位移电流这一项的时候到底是怎么想的,大家可以去好好读读。当然麦克斯韦不仅仅会推推公式,他还做实验,不光给出了三原色理论,并且在物理上验证。人类的第一张彩色照片就是他拍出来的。

物理学家是天生的语言学家。了不起的英国人托马斯·杨(Thomas Young)给出了双缝干涉的解释,但他的职业是医生,业余当个物理学家。以后你们学固体物理、弹性力学的时候会遇到更多关于托马斯·杨的发现。当欧洲的强盗们在埃及挖出一块黑乎乎的石头(罗塞塔石碑)上面有三段古文字的时候,那是古希腊古埃及文字,谁也不认识,他们没有去找语言学家,而是来请教这位物理学家。我们熟悉的哈密顿量对应的那位Rowan Hamilton先生,大约在13岁到14岁的时候就学会了从英伦三岛各种方言、经欧洲大陆的语言、小亚细亚的语言、阿拉伯语、波斯语、一直到印度语。后来,他突然明白了欧洲的语言是从印度北面来的,于是提出一个重要的语言学概念,叫印欧语系。这些奇迹,都是人家的物理学家在十几岁时做下的事情。

物理学家一定要养成思考的习惯。说起薛定谔,我们学物理人想到的是薛定谔方程,很多社会上的人科普看多了,提起薛定谔就想起了薛定谔的猫。但是薛定谔的猫是他1935年那篇论文里讲述如何建立起微观状态的宏观对应物或者标签的,根本不是那些科普作家写的东西,各位同学如果想谈论薛定谔的猫,一定要花时间去读人家1935年那篇论文的原文。我们始终错误地以为薛定谔是一位物理学家,其实薛定谔首先是一个文化学者,他为了把古希腊文化带到德语文化里面花了大量功夫,并且因为保护法国南部普罗旺斯(Provence)的诗歌,还获得过联合国教科文组织的大奖,做物理对他来说有点业余的意思。当他1944年在苏格兰住着的时候给了六个讲座,攒到一起写了本小书叫《what’s life》,他想到的是生命和无生命物体到底区别在哪儿。作为物理学家他做了两个简单的预言:一、生命一定存在能够存储信息、传递信息的一个东西,后来证实了生命的确实有DNA,别人因此获得了1957年的诺贝尔生理或医学奖。二、如果存在传递生命信息的东西,首先它不能是晶体,因为晶体能编码的容量很小,同理它也不能是气体和液体,所以说它一定是个准周期的(aperiodic)结构。1984年Schechtman在铝锰合金里面发现了准晶结构,因此获得了2011年的诺贝尔化学奖。这才是一个物理学家对世界的影响, 对其它学科的影响。

物理学家作为一个思想者,若以“华山论剑”来评价物理学家,如果到最高层次上我还在跟你拼力气的话,那就丢人现眼了。 高手只要比划两下、放下几句话就足够了。最高层面的物理学家不应该是解决问题的,而是发现问题甚至是去制造问题的。诺贝尔奖得主莱德曼(Leon Max Lederman)有一句很有名的话,“如果宇宙是答案,那么关于这个宇宙的问题是什么”,如果不是把物理学做到相当深刻的层面,是想不出来问“关于宇宙的问题是什么”的。我们化学所有一位年轻的院士,做亲疏水、亲疏油的工作,在发了一堆nature、nature materials后,有一天他才提出了一个问题“鱼为什么在多么脏的水里都是干净的?”,这个问题你会错误地觉得很浅显,但是如果不是把学问做到那个份上,你永远想不起来这个问题。大科学家的最高境界是发现问题甚至是制造问题,因为如果要提出一个有真正科学价值的问题的话,需要你一定要把科学做到一定的境界。大家可以慢慢培养这种能力。

但是光说不练是假把式,真正的物理学家还应该是实践者。我们知道电磁学存在屏蔽现象,可是你敢不敢穿着金属丝编的T恤,外面加一个大金属壳,中间加50万伏高压坐在这儿思考?

物理学可能是来自生活的一个简单的问题,但这其中要灌入我们的思考才可能产生真正的物理学。 物理是一门积累的学科,所以各位一定要耐心,我们不能像人家做生物的,进实验室两个月学会基本技能过两年发几篇nature,或者说学编程的,学的东西三年不用基本上就废了。物理学是一门积累的学科,此前发展的物理学包括那些错误的东西都有用,所以说我们学物理的人不能急切指望成才,而且物理学本身的进展也要求不能急功近利。

我讲一个简单的问题。爱迪生发明了电灯,灯泡灯丝只能用碳丝和钨丝,因为碳丝和钨丝最黑,那么为什么我为了寻求光亮反而去找最黑的物质,这里面就不仅有哲学问题,还有物理问题。物理学家就去研究黑体辐射 (黑体辐射曲线当然该是炼钢炉的产物),根据实验曲线,有个叫普朗克的热力学老师就瞎凑了熵和内能关系得出这样一个公式,从这个公式出发得出一个函数解就能和实验曲线匹配好。匹配完之后他又试图去给这个东西找道理,他要用统计物理去得出同样的公式。大家知道统计物理玩的就是把N个球放到P个盒子里,这些值永远都应该是整数,所以说他就要求  是个整数。结果,用统计物理他竟然神奇地也得到了这样的一个曲线,就是说从两个完全不同的假设出发竟然能得到了同样的一个很复杂的、但是完美地拟合了实验结果的函数,所以就必须去严肃对待 。如果一个量除以另一个量等于整数的话,那除的那个量,除数,就应该是前者的单位,这最后竟然导出了能量有基本单元这个结论。这就是能量的量子化问题。

接下来导出了量子力学, 但量子力学也没解决灯泡的发光发热问题。1950年前后科学家把量子力学用到晶体上,让我们知道了什么叫导体、绝缘体。知道了什么叫导体、绝缘体,就提出了半导体的概念。于是在60年代至90年代一直到现在我们都玩命去发展半导体科学和半导体技术。最简单的半导体技术就是我们小时候抱着的那个收音机,收音机干脆名字就叫半导体。在2000年前后,我们终于做出了一个半导体结构,把大量的能量都用来发光,发光了以后还挺凉的这样一个冷光源,解决了1850年前后遭遇的这个“发热还是发光”的问题。这是一个技术层面上提出的问题,灌入了物理学的思考后产生了量子力学这样一门彻底改变了世界的学问,用了150年左右的时间才终于解决了这个问题。

所以说大家一定要记住,物理学不是急功近利的学问。不管是物理学的进展,还是对自己的培养,都得沉住气。就算我们没有多大的野心,也要对社会有所贡献。那么学会一点物理,哪怕是一个简单的实验,对于社会都有很大影响。比方说,第一届诺贝尔物理学奖给的就是关于X线的发现,当年居里夫人也开着救护车,在战场上用X线给伤兵检查,居里夫人伟大的人格我们应当铭记。还有后来的核磁共振、CT扫描都是从物理实验室搬出去的,学会一门实验将来哪怕到一个大医院工作其实也很好。

物理学改变了我们的生活方式。 在信息领域, 我们从简单地把声音信号转换成电信号再转化成声音信号(电话),到我们有电感、电容原件去玩无线电信号,再到光纤通讯,一直到今天有互联网。大家可能都听说过互联网的技术是起源于要给理论物理学家提供便利,因为粒子碰撞实验产生大量的数据,每天用9针或者24针的打印机那要打印成卡车的数据运到理论物理家门口,让他们计算。这逼得实验室的工程师们不得不想办法把实验数据用电信号的形式传递到理论物理学家的办公桌上,这才有了EMAIL。其实EMAIL好像在70年代初就有了,但是这个利用价值太大所以立马被封锁了,直到80年代末90年代初才重新回到民间。中国的第一个EMAIL是1986年从高能物理所发出去的. 这些都是物理改变世界的地方。

物理学也会改变我们的认知。如果大家的物理理论水平不是特别高的时候,请大家一定要踏踏实实地替导师做一些简单的事情。 比方说这位夫琅和费,他是个孤儿,在一个玻璃厂工作。他也没有什么多少学问。可是人家这地方有最好的玻璃,听说牛顿爵士说拿一个棱镜对着窗户就能发现光谱,夫琅和费拿最好的玻璃棱镜对着太阳光一照,发现根本就不是什么红橙黄绿蓝靛紫的连续波带,而是上面有密密麻麻的各种暗线。 作为一个对物理不是很懂的一个人他能干什么?踏踏实实做事情! 他把这576条暗线的位置仔仔细细地都标清楚了,从此以后才有了光谱分析的技术,人类发现新元素和分离新元素的速度才迅速提高起来,然后有了新元素,我们才认识到远方的星星到底是什么。比方说,我们太阳主要是由氢和氦组成,这才有了人类能够所谓认知远方的能力,而这些都来自于一个对物理几乎不太懂的一个小学徒的努力。大家不要妄自菲薄,就踏踏实实在这个地方、在接下来的四年里面努力做好一件事情,可能就能够奠定你这一辈子的成就。

当然了,物理学让人觉得很非常powerful,可是作为物理学家首先应该是个人文学家,要懂得物理学既是造福人类的东西,也是一个作恶的工具。作为一个物理学家,可能也在魔鬼与天使之间辗转。大家可能听说过,物理所和德国的弗里茨-哈伯研究所(Fritz Haber Institute)关系很好. 哈伯是一个了不起的帅哥,他率先合成氨,使得人类有了化肥才有了今天的繁荣。但是也是这位老兄首先开启了化学战。917年第一次世界大战快结束的时候,他在法军的上风头泄露了17瓶氯气,造成了几万人被氯气烧灼的残忍场面。他的做法让他的妻子伊美娃(Clara Immerwahr)非常难以忍受,最后选择了自杀。 这就是一位在魔鬼与天使之间的科学家。大家学物理的过程中一旦掌握了某些理论或技术的时候,永远记住物理学家首先做的是人,如果你没有能力成为天使,也千万不要堕落成魔鬼。

接下来我想说,学物理的过程中一定要想办法把自己的知识整合得系统一点。其实物理学的组织原则就是共轭。想象两头牛的力量要往一个方向使,那么它们俩之间就因为这个共轭就有了一套关系,这种关系就是我们物理学里面最需要理解的关系。你会发现热力学是用这种共轭关系组成的。 每一对变量比如熵和温度、体积和压强、表面能和面积等等都是关于能量共轭的,而经典力学、量子力学等其他地方的一对对变量都是关于作用量共轭的,因此我们也就明白了为什么热力学和其他力学完全不一样的道理在于它的组织方式完全不一样。

当然物理学本身有一些最基本的原理,比方对称性原理。这些原理不仅贯穿于物理,它首先贯穿于存在。不管是对于蜻蜓,还是这张脸,对称性才是它美的地方。对于这张脸来说,对称与否不过是漂亮不漂亮的问题。可是对于蜻蜓来说,两侧翅膀对称不对称性是性命攸关的问题。这些也都体现在物理学的构造上。

我个人认为,“物理学是一条思想的河流”。 说这句话我是受了马赫的影响。有些不靠谱的科学史家总宣称量子力学是一种革命,还有什么相对论的革命,但马赫说的非常清楚, “物理学里面不存在革命。如果你看到了革命,那是因为你知道的少。”每一种思想都会在之前有人提及或者有它的前驱物。西方物理学家从欧洲的最简单的神学思想,认为世界是上帝创造的,上帝创造用最少的动作,这就是least action principle,不是我们汉语学的什么最小作用量原理,它就是最少动作原理。懂得这个道理时,然后就写出作用量,有这样一个欧拉-拉格朗日方程,方程再往前推一步和量子力学结合时候才有所谓的量子力学第三种表述,即路径积分的表述,等等。知道这些思想最起码能帮助我们咬着牙也要把那些特别难啃的物理书读完。

郭德纲有个相声说得好。 他说他很悠闲地说泡上一杯咖啡,撒上点香菜,拿起一本英文报纸看。搭档于谦说英文报纸你看得懂吗?郭德纲的回答是,我当然看不懂,我要看懂我还看它干嘛!这听起来是个玩笑,其实对于我们在座各位学习的人来说有非常重要的启发。 我建议大家一定要好好去多看那些看不懂的书。一本书你看得懂,你看它干吗?你们现在在读研究生,时间那么紧,你们应该整天忙着去看看不懂的书。

我想可能会有相当多的同学最后会走入非常压抑的状态,我本人就曾经一直感到非常压抑,就是发现物理实在太难了,真学不懂啊。不过,直到1993年的某一天我读了一句话就放宽心了。1990年左右两个化学家发现了室温核聚变。室温核聚变啊,如果是真的我们士兵扔的手榴弹就都是氢弹,大家想想这个局面有多吓人! 室温核聚变这篇文章发出来以后,全世界的物理学家就跟苍蝇似的乌泱泱地扑上来做室温核聚变,做了两三年也没有进展 (最后就是个大乌龙)。大家知道室温下化学反应,每一个事件对应的典型能量是电子伏特,核聚变每一个事件的典型能量是 电子伏特量级,那是十倍百倍的兆电子伏特,这中间光能量上都差六七个数量级。从温度的角度上来看, 1电子伏对应11600度,你想想这和室温差多少量级怎么可能有室温核聚变。可是多数物理学家不懂啊。最后有一位德国马普所的物理学家就做了一个非常重要的总结性评论,说 “大家也不要觉得很奇怪嘛,其实这个世界上80%的物理学家根本不懂物理”。其实在座的将来如果能有20%能成为懂物理的物理学家,那都是奇迹了。所以说对于物理学这个行当,大家一定要放宽心,千万不要因为过两天学不会物理,然后你就郁闷地跟自己的导师着急、跟研究生处的老师着急、甚至想练练跳楼—不值得!请大家一定要记住,物理学是一门80%的物理学家都根本不懂的学科,不是说你们这些刚踏进门槛的物理博士生,人家说的是那些有头有脸的外国名校大教授可能也许大概根本就不懂,所以请大家千万不要为此太伤心。不懂就不懂吧,好好地踏踏实实做点事情,毕业了就行。

相当多的人认为学物理很难,比方说有人老跟我抱怨说量子力学难。可是大家如果真的懂了量子力学以后,好好看看量子力学内容的导入,不管是薛定谔方程、自旋的描述、对光谱的理解,等等,所有的东西每一项都来自于经典力学。大家想想一个最基本的事实,创造量子力学的人手里只有经典物理,所以量子力学骨子里头全是经典物理学,没有别的。如果你觉得量子力学难,那就难在你没学会经典力学,你经典力学根本就不会量子力学当然看着难了。为什么欧洲那些创造经典力学的人不觉得量子力学难,像泡利似的高考完了就是世界顶级物理学家了。泡利看相对论也不难,因为他中学就学了协变形式的经典电磁学,你别告诉我你没听说过协变形式。对于21世纪的人,尤其是我们在座的将来要拿物理学博士的人来说,物理学知识真的应该是我们的标配,所以希望大家在物理所有这么好的条件,在接下来这几年的时间里好好做论文,该恋爱恋爱该结婚结婚,但是别忘了一件最重要的事情,多少花点时间学一点点儿物理!

谢谢大家!

 

 
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