【科大瞬间】第139期|曹则贤822

如果有来生，我还会选择物理

曹则贤822

“物理学是一种什么都想理解的渴望，或者是一种野心——物理学家在理解的基础上，还要创造。”

什么是物理学

我本人是1978年读初二的时候，第一次接触到物理这个概念。四年以后进了大学，我的高考物理成绩最低，但去了中国科技大学的物理系。大家可以想象一下，接下来的物理学习对我来说，不是一件轻松的事情。到我读了博士，做了物理学教授，都没有想过这样一个问题：什么叫物理学？

直到有一天，我读到一本书，叫 What is Mathematics ，作者是库朗。他当年是德国哥廷根大学的讲师，后来去了美国，是美国现代数学的奠基人之一。这位先生在这本书里，没有试图回答什么是数学。但是他用最浅显也最深刻的语言——把他当时掌握的现代数学几乎全讲了一遍。他说，如果一个人能够坚持读完这本书的话，应该对什么是数学有他自己的答案。

我想，我们学习任何一门学问，如果有一天能够构造出自己的答案，这多少都是一件不容易的事情，也是一件让人从心底里感到喜悦的事情。

受到这本书的启发，我突然想到，我是物理系毕业的，又在物理研究所工作，怎么也应该想一想什么是物理学。结果在网上找，没发现有《什么是物理》这样的书。

但是我注意到有别的“什么是什么”的书，比方说有一本法语书就叫《什么是电影》。我想各位可能都看过电影，大概没想过还有一本专著叫《什么是电影》。

直到有一天，我在网上看到了一个定义，叫“什么是医学”，它说“医学是一门什么都不确定的科学和什么都可能的艺术”，我觉得这个定义非常到位。医学确实是一门什么都不确定的科学，如果你生病了去医院，很少会有医生会说你到底得的什么病，这个病的病理到底是什么——什么都不确定。

仿照这个非常俏皮、也非常中肯的定义，我思考了一下我学的那些物理，于是我给物理学下了一个定义：物理学是一种什么都想理解的渴望，或者是一种野心——物理学家在理解的基础上，还要创造。

今天我们生活在一个用科学技术支撑起来的高度发达的社会，而这些高度发达的技术，如果仔细检查一下，你会发现，它们的基础差不多都是物理学。

为了认识什么是物理学，我们稍微看一下它的历史。这是美剧《生活大爆炸》中的一段，Sheldon博士跟大家讲，物理学始于公元前600年的某一个仲夏夜。

公元前600年到底发生了什么事情呢？我猜大概是指这样一件事情。

在古希腊的弥勒斯岛上有一位智者叫泰勒斯，这位老先生有一天突然明白了，我们生活在其中的这个世界，竟然是可以理解的。

泰勒斯

从那时候起，人类开始对我们所处的世界有了理解，经过2600年无数聪明才智的积累，千辛万苦努力走到今天，物理学才成为一门多少有那么一点科学味道的学科。

物理学是怎样一门学科？物理这个词到底指的是什么？在西方的语言里，physical或者来自于希腊语的φυσις，都是自然的意思，也就是说，物理学是关于自然的学科。

我们中国的小学里也有自然课，这个自然课就可以理解为物理课。我们的老祖宗唐朝的杜甫老师也有一个清楚的定义，“物理即自然”。

物理学起源于我们对周围世界理解的努力。

从物理学的野心角度看，它和别的学科都不一样。比方说，物理的研究对象是什么？可以说，物理学的研究对象是全部事物，你能想得到的事情大概都是物理学的研究对象。

从空间尺度上来说，它研究大到整个宇宙，小到世界上最小的存在——中子和质子里面的夸克结构。

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。比如说我们可以很轻松地实现飞秒脉冲的激光，也会在实验上力图去做10^-18（十的负十八次方）秒的一个脉冲。

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10^-21（十的负二十一次方）秒。甚至还认为，我们研究的宇宙最宏大尺度上的物理，与最小尺度上的物理，竟然是一体的。

这就是为什么会有关于物理学的所谓贪吃蛇的模型。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。

物理学的应用

物理学它到底厉害在哪儿？它提供我们对宇宙的认知。但是，对已经存在的、看得见、摸得着的东西提供认知，这不算本事，物理学还有一个非常重要的能耐，就是能够预测。

比方说，英国的Dirac（狄拉克）写出了相对论量子力学方程。他引入了反粒子的概念，就是正电子的概念。有了正电子的概念，人们才在对宇宙射线的观测中发现这个世界上真的有反粒子。另外一位奥地利的物理学家泡利，他研究中子裂变成一个质子加上一个电子的过程，凭借着对动量守恒和能量守恒两个定律的信念，他大胆预测这个世界上存在着中微子。

（左起）Paul Dirac、Wolfgang Pauli 与 Rudolf Peierls 摄于 1953 年的英国Birmingham

当然，仅仅是凭借这样一些理论去做预测，还不能反映物理学家的全部能耐，有些物理学家甚至仅凭借一个大的原则，就能构造出一门严谨的学问，并且给我们带来一场技术革命。

我们知道，以热机为代表的第一次工业革命，相关联的学问就是热力学，而热力学的出发点竟然就是法国人Sadi Carnot(萨迪·卡诺)总结出的一个简单原理，叫“任何不以做功为目的的传热都是浪费”。就是这么一个简单原理，就构造了一门严谨的学问。

法国在1899年修造的位于Dijon的Sadi Carnot（萨迪·卡诺）纪念碑

物理学、哲学、数学

物理学到底是一门怎样的学问？我们考察一个人，可以先考察他周围的人。物理学的兄弟有哪些？当年人们把亚里士多德关于自然的思考攒成了一本书，名字叫 Physics，也就是关于自然的学问。

然后把亚里士多德关于自然的一些不着调的思考，比如世界的真实性，所使用公理的存在合理性等，放到这本书的后面。因为是放在物理书的后面，所以它就有一个名字叫Metaphysics，或者叫"后物理学"。

这个词在西方慢慢演变成了一门学问，在中国被翻译成"形而上学"。形而上学到了康德手里，被康德教授抽去了形而上学理念中那些神学的东西，把它转化成了一门接近自然科学的学问，就是今天所谓的Philosophy，哲学。

我们可以看到，物理学和哲学有多么亲近，应该说物理学本身就是一门哲学，好的物理学家本身就应该是哲学家。当我们谈论哲学和哲学家的时候，请大家千万不要忘记，康德首先是一位数学物理教授。

物理有另外一个表兄弟，就是数学Mathematics。Mathematics并不是我们汉语翻译的数学，因为Mathematics不仅研究数，也研究形，也研究逻辑，它的本意是聪明人干的事情。

数学对于物理学家意味着什么？数学是物理学家的语言，也是物理学家赖以思考的工具。物理与数学之间应该有交互作用。物理的表述、物理的思考都离不开数学。但是相当多的时候，是物理学的研究给数学提出问题；并且相当多的时候，物理学家会亲自操刀解决他遇到的数学问题。

当然，一个物理学家不管在数学方面多么努力，他都不可能像专业数学家那样，掌握那么多高深的数学。著名的数学家、哥廷根大学教授David Hilbert觉得物理学家好可怜，他说了一句很有名的话：“物理对于物理学家来说，实在是太难了。” 因为物理学家确实理解不了物理学遇到的那么多数学问题。

但是反过来我也要说，对于数学公式中蕴含的美，如果你不去研究数学所表征的实在世界的话，那些美也不是你能够理解的。所以，我们也可以对数学家说一句：“数学之美还真不是数学家能够理解的。”

物理学家本身要学好数学。例如大物理学家詹姆斯·麦克斯韦，这位先生天生就有非常强的数学思考能力。他很小的时候，父亲送他去上画画课，课程竟然是画蛋。

画蛋很难，画不好，于是他就想，如果我能写出鸡蛋外形的方程，是不是就能画好了？先从和鸡蛋长得差不多的东西着手，从椭圆开始。

椭圆的方程是两点的距离之和等于常数。他就想，椭圆和鸡蛋的差别，不过就是椭圆两头一般大，鸡蛋是一头大一头小,只要我把到两点的距离给它加上不同的因子，也就是变成了距离L1加上距离L2乘上某个因子等于常数，于是就能画出鸡蛋了——这是他13岁时做出的成就。

这样一个人，当他成年进入物理学研究的时候，你就知道他杰出的数学能力对他研究物理有多么重要了。

人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是有些缺陷的。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。我们的高中老师和大学老师讲位移电流的时候，都讲不清楚道理在哪儿，即使是了不起的杨振宁先生，在前年也专门写了一篇文章，探讨麦克斯韦到底怎么想到要在方程的右侧加上这么一项的。

麦克斯韦改造的这个方程是一个波动方程，让他认识到电磁还可以产生电磁波的现象。这个方程能计算出波的传播速度，这个传播速度竟然和光的速度差不多，于是麦克斯韦想，“天啊！难道光就是电磁波？”

物理学与语言

前面我们说物理学家的任务是理解这个世界，可是理解了这个世界，你还要把你的理解传达给别人，所以物理学家还应该是天然的语言学家。

有一个物理学家，他解释了光波通过两条狭缝、在后面的屏上得到差不多等间距的明暗相间条纹的现象，这就是所谓的波的双缝干涉现象。这位物理学家就是英国的托马斯·杨，他同时还是大英百科全书这个条目的撰写人，他撰写这个条目的时候，差不多使用了四百种语言。

当法国人在埃及挖出一块黑色石碑、发现上面有三段谁也不认识的文字的时候，他们自然而然地想到，要想搞懂这些文字，一定要去找物理学家。

在英国的物理学家里面，有一个数学和物理知识我甚至觉得比牛顿还要强的人，他就是William Rowan Hamilton。为什么大家对这个人知道甚少呢？就是因为他的学问太大，我们不好介绍——他是整个经典力学、经典光学的奠基人之一。

他差不多在13岁的时候就学完了欧洲的所有语言，并且把他所学的语言延伸到了小亚细亚，再一直往南学阿拉伯语、波斯语，最后去学印度语。学完了这么多语言以后，他突然明白了一点，原来欧洲语言的源头在印度。于是，他提出了语言学上的一个关键概念，叫印欧语系。

物理学家与思想者

物理学家是思想者。我们都知道，写出量子力学电极性方程——薛定谔方程的，是一个叫薛定谔的人。薛定谔在1943年或1944年间的一个讲座里，讲到我们和外时空有什么差别的时候，提出生命里存在着专门用来存储信息和表达信息的结构，并且这是一个准周期的结构。

这个信息载体的概念让别人获得了1957年的诺贝尔生理奖；这个准周期的结构1984年被发现，又让别人获得了2011年的诺贝尔化学奖。

物理学家是思想者，他不仅要回答问题，而且还要去提出问题。有一位美国的诺贝尔物理学奖得主提出一个问题，“如果我们看到的这个宇宙是答案的话，谁能告诉我关于这个宇宙的问题是什么？”大家想一下，能提出这样的问题，对这个世界得有多深的理解？

当然，物理学家如果仅仅是思想家的话，他就沦落成了哲学家，物理学家还应该是实践者。比方说，我们都知道电磁学存在着屏蔽现象，可是你敢不敢穿着金属做的衣服，让人把你放到50万伏高压下面浑身冒出火花？

物理学给我们创造了很多意想不到的东西。人类需要光明，所以我们学会点灯，直到有一天人类发明了电灯。可是白炽灯只忙着发热，很少发光，于是我们不得不研究它发热发光的机理，从而有了黑体辐射。

有了黑体辐射，我们要研究黑体辐射的发光规律。直到有一天，有人提出了一个公式，这个公式的基础是说，光的能量具有量子性——这开启了量子力学的研究。

物理学与生活

1950年代量子力学用到了固体，让我们理解了什么是导体，什么是绝缘体。理解了导体、绝缘体就引入了半导体的概念，这让我们有一天终于做出了一个几乎只发光不发热的冷光源——发光二极管。

当我们能够做出蓝光发光二极管的时候，我们就有能力用蓝光二极管调配出各种波长的光，可以为特别的植物提供特别的光照，就有了城市农业的概念。

物理学改变我们的生活。从伦琴一开始观察到的这个不知名的射线，X射线就迅速转变成了医疗器械。今天我们在医院里见到的核磁共振、CT扫描，都是从物理实验室搬出去的。

物理改变生活的另一个侧面是通讯。

早先人们只能通过嗓子喊或者信鸽来维持通讯，当我们有了直线电路，就有了电话；而当我们会用电感、电容和线圈去玩振荡电路的时候，就有了无线电。

后来我们发现无线电传输信息也不是太好，通量不够，会有干涉；我们又发现光是好的信息载体，于是就研制出了光纤，把光导到很远的地方，就有了光纤通讯。

为了把粒子物理实验每天产生的大量数据送给理论物理学家处理，物理实验室的工程师们开发出了用电信号传送数据、并能自动解码的信息，这给我们带来了电子邮件，带来了互联网。而互联网的大量应用，彻底改变了我们的世界。

物理学还让我们知道远方。

我们都知道，感官里面让我们接触远方的主要器官是眼睛，而眼睛响应的是光。通过对光的研究、对光的探测，人类才能够知道远方物质的存在、远方物质的构成——光学才让我们从真正意义上知道什么是远方。

当然，物理学也有另外一个侧面，它可能使得魔鬼和天使变得没有区别。

大家知道，通过对狭义相对论的理解，我们获得了质能方程E=mc^2。从这个方程得到了一个对能量应用的巨大潜能。

如果在核裂变、核聚变的过程中有大的质量损失，我们就会获得大的能量。这个能量既可以做成毁灭人类的核武器，也能够做成造福人类的核电厂。

物理学的美与乐趣

物理学除了关注一些具体物质、具体存在的细节以外，它还给我们提供定律、原则，以及更多普适性的内容，提升我们对世界的认识水平。

比如对称性原则，我们看这张人脸很漂亮，因为比较对称，理解这样的一张脸我们需要的参数很少。如果一张脸长的像我的脸似的，上面不仅有坑有点，还有一些不同颜色的分布，要想记住这样一张脸，就需要大量的信息，这会让你烦，于是乎匆匆忙忙地下了一个结论：这叫丑。

对于脸来说，对称性也许仅仅是美丑的问题，但对于蜻蜓来说，两侧翅膀对不对称就攸关性命，所以对称性是非常重要的原则。

物理学是一条绵密细致的思想河流。

它的每一个想法在前面一定有它产生的基础，有它思想的根源。所以大家学物理的时候，不妨去追寻一下它产生的时代背景和历史渊源。

物理学是美的发现者，我们还会用掌握的物理知识去赞美它，最重要的是我们还会再现它。

比如关于晶体的研究。我们从大自然里找到一些非常漂亮的石头，有一天我们知道它是宝石。从对它的外形观察，我们注意到它有保持夹角不变的特性，然后我们构造出晶体理论，并试图生长晶体。

其实今天在实验室里面生长的晶体，比天然的晶体质量其实高得多，所以物理学家不仅是美的发现者，也是美的再现者。物理学研究作为一种文化事业，最后塑造的一定是物理学家的人格。物理学如同哲学一样，它是一门能够把你的境界提高到别人不能理解的层面上的学科。

我们经常说仰望星空，丹麦的科学家Tycho Brahe（第谷）是一个把自己奉献给宇宙、自然的真正的物理学家。他怀着造福人类的梦想，努力探索自然奥秘，他的内心必然抱着仰望苍穹的心态。

据说唐朝的李白和杜甫是一对好基友，李白曾经跟杜甫开玩笑说过一句诗，“总为从前作诗苦”。这句话我觉得很有深意，我想在写这句话的时候，李白和杜甫两位老兄应该在写诗方面有着别人无法企及的高度了，他们已经感受到了作诗的快乐，所以才有总为从前作诗苦的感觉。

我想物理学包括数学、哲学也是，当你学到一定程度的时候，这门学问是能够给你带来内心欢乐的。

我上大学的时候，虽然我的高考成绩物理最差，我也选了物理系，当然了这造成的局面是我一直不能够理解物理是什么，但是如果有来生，我还会毫不犹豫地选择物理系，因为我觉得物理确实给我带来了快乐。

就像《生活大爆炸》的Sheldon有一句很有名的台词，“Quantum mechanics makesme happy（量子力学让我很快乐）”。这些年我在努力学习物理，我也希望把我学习物理的这些体会带给大家。希望大家在未来学习物理的过程中，千万不要把学物理当作一件苦差事。

这是我在过去写的一些书，有《物理学咬文嚼字》四卷，从每一个字词的角度，去给大家讲清楚物理学的概念。

另外也希望大家尽可能地去读物理学创造者们的原著，也许学物理会更轻松一点。谢谢大家。

【作者简介】曹则贤，822校友，1997年获德国Kaiserslautern大学物理学博士学位， 现任中国科学院物理所研究员。担任过科技部“973”项目首席科学家。曾入选中科院“百人计划”，中国科学院大学、清华大学教授。曾在Science，APL， PNAS，PRL，Advmat，Nature子刊等国际杂志上发表论文百余篇，另发表中文物理学、材料学教育论文近两百篇，编、译、著有《物理学咬文嚼字》 (四卷)，《至美无相》，Thin Film Growth，《一念非凡》,《量子力学-少年版》等专著多部。现为《物理》杂志专栏撰稿人，Phys. Status Solidi等杂志编委。

本文整理自格致论道讲坛，2020-07-08。内容有增删。
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文图编辑：许赞华，沈涛
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