对物理学和物理教学的几点认识①(上)

杜祥琬

(中国工程院 北京 100088)

作为一名物理学工作者，结合自己的体会，我跟大家谈谈对物理学和物理教学的几点认识.

1 对物理学的五点认识

1.1 物理学是对物质世界的构成和运动规律进行研究的科学

物理学是科学之基，是人类认识世界的基础科学.其实人类最早出现的是技术，还不是科学.比如从石器时代人们做一些简单的工具，那就是简单的技术.后来才有了比较简单的科学.但是从最早的记载，在有甲骨文的时候，我国就有了所谓像超新星爆发那样的事件的记载.而第一次出现物理这个词，我知道的就是杜甫的诗，“细推物理须行乐，何为浮名绊此身”.这句话讲得非常好.当然这位唐代的诗人所指的物理是一般事物的道理，就是广义的科学.但他是第一次用了物理这个词.细推物理须行乐，做物理是愉快的一件事，那么，何必要为一点浮躁的名声绊了自己的脚步.这句话，至今都非常有现实意义.后来有大物理学，化学也好、力学也好、天文也好，都是包含在物理学里面的.现在的物理学可以说是比较狭义的一个物理学了.像化学、力学、光学这些都独立出去成为专门学科了.

但是不论这个物理概念的广义也好、狭义也好，它始终没有离开一个基本特征，它的地位就是科学之基，实际上是基础科学这样的一个地位.物理学不是一切，但是一切都离不开物理学，这是我的一个体会.从物理学作为各个科学的根基，然后发展到技术，然后到工程.工程是各种技术为了达成某种目的的一种集成，然后到产业.比如说电网就是一个庞大的产业.电网里头有许多物理学.人们的日常生活可以说是到处可见物理学.再到人们的精神世界，脑科学.认知科学以及人们的精神各个方面，涉及到生物物理学.所以，从科学到技术、到工程产业、到生活、到精神都离不开物理学，少不了物理的元素.因此，对于任何一个生活在这个物质世界的人，物理学都是良师益友.学好物理学，不管是做不做物理学都非常有益，这里不仅包括物理学的一些具体知识，也包括重要的一些概念.它是对于物质世界的一些基本的理解和认识.这对我们做好任何工作都是非常有益的.

1.2 物理学是充满了认识论和方法论哲学内涵的一门学科

物理学是对物质世界的刨根究底.不仅要知其然，而且要知其所以然.这也是一种物理学思维的习惯.它一方面包含了唯物的认识论，就是要对事物的因果关系问得很清楚.另外也包含着一些辩证的方法论.比如说量变到质变，有很多地方都可以很好地理解这个辩证法.从经典的牛顿力学到量子力学;材料，从宏观的材料到微观的材料，到纳米尺度，就不光是一个量的变化，它有很多质的变化.再如对立统一论，正物质、反物质，正电级、负电级，要全面认识一个世界，就离不开这个辩证关系、对立统一的关系.再就是否定之否定，人类社会有很多否定之否定的事例.比如说能源，最早就是可再生能源的原始利用.后来人类发现了化石能源，像煤炭、石油，这才转向了以化石能源为主.现在又“否定”了，又要从化石能源回到可再生能源.但是它不是一个简单的回归，这个否定之否定成了一个螺旋式上升，以更高的形式使用可再生能源;已经不是原始的那个可再生能源利用方式，而是以现代化的工业方式来利用可再生能源，就是使用新材料、科学技术手段来利用太阳能、风能、生物能.这是一种人类轨迹，能源领域轨迹的一个否定之否定，也是一个螺旋式的上升.像这样辩证式的东西，在物理里面可以说是随处可见.

另外，物理学的发展，一定要有开放式的头脑，一种批判式的态度，一种怀疑精神.在研究辐射的时候，爱因斯坦作为一个小职员，对当时实验与理论的矛盾不太理解，他就钻研这个问题，后来就写了几篇著名文章.对已有的文章持一种疑问、怀疑，还要大胆提出一些想法.所以物理学发展，一定要具备这种开放的头脑，批判的态度和怀疑的精神.

费曼——美国著名的物理学家说过一句话:对自己的结论要留有被质疑的余地.当然你要觉得这个结论有道理，要让人来理解你的道理.但是，要有一种科学态度，就是要允许别人来质疑我，这也是科学发展所必需的;科学就是这样不断的推进.弄清所以然就是要认识规律性，认识事物的逻辑性，认识事物的因果关系.何谓辩证呢?就是把握度的重要性.从量变到质变很多时候都是一个度的问题.养成这样一个思维习惯就建立了科学的思维习惯，和一种思考问题的能力.由于物理学这样的性质和它充满哲学的这样一个精神，就导致我的另外一点体会，就是学好物理学，容易适应各种工作.因为不管是搞文、搞工、搞理或者搞别的东西都需要有一个正确的哲学思想方法.学过物理学容易适应各种工作，就是因为它既是基础性的科学知识，又有理解各种问题的一个比较科学的方法，一个思维方式、一个思维的习惯.这对我们的成长、培养创新性人才都是很基础的一点.

1.3 物理学既老又新 是不断发展的科学

有的地方要取消物理课，说物理学是夕阳科学.我很不认可这句话.物理学确实很老，因为从科学一开始，大家就开始研究物理学，然后才是其他的科学.但是它又非常的新，不断有新的内容注入进来，是一个不断发展的科学.正是因为有人类无尽的追问，使她、使物理学永无止境.至今，在物理学领域，乃至整个科学领域，未知多于已知.你知道的越多，就越感觉不知道的越多，就是这样一种感觉.我说物理学老，因为它是最早出现的科学之一.在甲骨文时代就记录了超新星的事件，那是在公元前13世纪时期.而至今还有很多新的问题摆在我们面前，有待后人去研究.比如说，世界上到底什么最小，我们到现在也不是说得非常清楚，但是对此的认识有很大进展.原子这个词本来就是最小的意思.后来人们知道了原子还有结构，有原子核，核里面有中子质子，但是这个还不是最小，里面还有夸克，又有正夸克反夸克几种夸克，然后把它们搞到一起.夸克是不是最小的，我不敢说，大家可以研究这个问题.再说了，世界上最大的是什么?我也说不清楚.就说这个宇宙，仰望星空这个宇宙确实是最大的，因为没有边界，中学生就会问这个问题.我从小就听到时间和空间是无限的，那是一个概念.到了现在由于自己知识的有限性，我还是觉得时间和空间是无限的.时间往前走，为什么时间不会倒流，x轴有正有负，但是这个t轴就是往前走，为什么回不去，为什么时间不对称?现在对于宇宙是不是大爆炸，当然有很多证据，但是也有质疑.像这些对物质世界的认识中很基本的问题都还不清楚.我们知道在这个物质世界里，人类的知识其实很多、很丰富.但是我们对这个物质世界的百分之九十几的物质还不认识，现在认识的这些氢元素、重元素、中微子一共就占到百分之几.还有对反物质的问题现在有一定的认识，但是寻找反物质到现在还没有结果，找不到.最近有一个新的进展，说找到了暗物质的质点，暗物质的粒子，说是比质子还要重很多很多倍.这是一个新的认识，是不是证实了，我也不敢说.对这个物质世界的认识到现在还没有穷尽，还有很长的路要走.所以它是一个不断发展的学科，还有很多很新的前沿问题.

我还想再强调一点，就是物理学跟其他学科发生交叉，创造了许多新的科学前沿.其中非常重要的一方面就是生物物理学，DNA双螺旋结构的发现说明交叉学科的重要.几个发现的人，包括物理学家、化学家、生物学家，他们一起来做这个事.生物学这个前沿在此之后有了很多全新的发现.还有地球物理学，我们生活在地球上.地球包含它的大气在内，是一个系统，这个系统本身的因素就很复杂.现在关于气候变化的争议很多，不光是中国的科学家，世界的科学家离把这个问题说清楚的时间还早.因为关于地球大气本身的因素就很多，温室气体、人的活动、化石能源的燃烧，还有海洋的变化等等地球本身的变化.而这个系统不是封闭系统，而是个开放的系统.你要是想解一个气候模式，它的边界条件怎么给?太阳是给我们热的最主要的一个来源，那么太阳的活动，又有长周期和短周期的变化.现在的认识是这样，太阳大概还能健康地工作40亿年.但是太阳有一些短周期的变化，比如太阳黑子大约平均11年是一个周期.现在不是又在说2012到2013年太阳又将有一个很大的爆发，可能会影响地球上的信息系统.这是科学家说的话，不是美国的电影《2012》世界末日.但是这说明太阳的一举一动，都会影响到我们地球的气候模式.现在各国研究气候变化，认为二氧化碳浓度的升高带来升温.有的研究说，到2100年如果这个趋势这么下去的话，世界上、地球上平均气温会升高6℃，会有很大影响.但是有的研究组说，根据他们的气候模式算起来，顶多是0.6℃.大家都承认造成升温，但是这个敏感度会差10倍;所以对这个问题的认识是非常不清楚的.再比如说宏观和微观的这个交叉.我们说最微观的是粒子，但是为了研究这个粒子，它离不开宏观的科学仪器和科学设备.像日内瓦的大型强子对撞机(LHC)，这是世界上最大的一个科学设备，多少多少km.那么要研究最小的东西，要造这么大一个大家伙，这也是微观和宏观的一个交叉.

还有对于外星的探索，对于生命的探索.霍金说将来人类在地球上装不下，要到外星上去生活.到外星生活谈何容易，究竟外面有没有可以生存的地方.首先外面有没有生命，现在在探索.我想有生命是非常有可能的，外星人也不是不可能的.但是，UFO是不是外星人是另外一回事.这个外星探索，人类有没有未来的家园，不是说去宇宙旅行这么简单的.再说极端条件下物质特性，这也是非常有趣味的一件事.极端物理学，就是在极高的温度、或者极低的温度下，都会出现完全不同的物理学的问题;还有在极高的压力下，极高的场强下，极快的过程，如微秒、飞秒这些更短的极端条件的场合.当然，核武器爆炸本身就是这样场合的一种表现.再比如说信息，信息和物理学联系非常密切.不仅量子计算，最近从量子纠缠、量子态的研究，导出了一个应用，就是量子密钥和量子密码，完全是现在不可破译的量子密钥.这个对通信带来非常大的影响.当然也有人说，没有任何东西是不可破解的;道高一尺、魔高一丈.但是现在搞量子信息的人，也说这个东西很难破解.像这些问题就是物理学和信息的交叉.当然还有电磁波，人类研究电磁波，从长的波段一直到最短的.原来夹在光和波之间的太赫兹这个波段，现在受到高度的重视.太赫兹就是介于红外和微波之间的波段.再一个波段就是往最短的波长去，如果不涉及原子核引起的γ射线，则硬X射线是最短的.现在已经在世界上的几个实验室，利用自由电子的方式，产生了硬X波段的激光.所有这些，在不断地拓展新的领域，推动物理学新的进展.所以，如果说物理学是夕阳，我觉得那是对未知的无知.很多东西都是未知，有待物理学前沿的探索，怎么能叫它夕阳?恩格斯在一百多年前说过一句话，到现在看来还是非常辩证.他说我们差不多还处在人类历史的开端，将来会纠正我们错误的后代大概比我们纠正其错误的前代要多得多.我想现在还是这样，我们也希望后代人，来纠正我们的错误，这是一种进步.诺贝尔物理学奖的获得者美国物理学家费曼也曾经说过这样一句话:作为一名科学家我感到一种责任，我认识到，承认我们无知的思想所具有的巨大价值.承认我们无知是一种思想，而这种思想是一种巨大价值.正是因为有这样一种观念，使得科学和人类社会的进步成为可能.我想科学家有这样的认识是非常科学的.

1.4 物理学是实验科学 但它又是理论与实验紧密结合的科学

例如做核试验，理论是离不开的，但最终是要靠实验.现在，物理学已发展为实验物理、理论物理、计算物理三者的一个结合.但是归根到底还是要遵守实验的验证，它是要接受实验检验的科学.所以我们是不是应该说，对物理学来说，实验是基础，它又是检验我们每一个物理学进展真伪的一个标准.但是理论是把认识上升到理性，上升到规律所不可或缺的.而计算既是一种有力的理论模拟的手段，又是一种计算机的实验手段.国际物理联合会也增加了一个委员会，就是计算物理专业委员会.

正因为这样，我觉得物理学是一个求实、求是的科学，是一个老老实实的科学;最终就是要遵守实验、实践的检验.我记得刚参加工作，那个时候我们的所长邓稼先，提倡“三老四严”，到现在我都记得很清楚.三老，就是做老实人、说老实话，办老实事.四严，就是严谨、严密、严格、还有严肃.物理学是个严谨、严密、严格的科学.要接受实践检验，这是科学的实证性，要经过实践的证实.这个实证性，就给我们搞科学、搞物理带来一个唯物的学风或者说学术风范.

我想在这儿稍微说两句关于科学精神和科学价值.以物理学精神为代表的科学精神，以物理学的价值为代表的科学价值是什么?可以概括成八个字，就是追求真理、造福人类.追求真理是认识这个世界，主要是基础性的科学，基础性的物理.而造福人类，则是应用性的.如果说这八个字叫物理学的精神，从这八个字就派生出两个精神，一个叫实证精神，凡事要经过实践的检验.如果没有这个就谈不上科学的检验.由这个实证精神就导出了，人们如果遵守科学精神的话就要遵守一些科学的规范.比如说造假就违反实证精神.从科学精神还导出另外一个，那就是理性精神.就是有利于社会而不能有害社会.由此又导致了一些科学的规范.比如说剽窃别人成果，就是害别人.还有不能去做一些伦理所不允许的科学研究，这是危害社会的.科学也好，物理学也好，都是双刃剑.我们要培养创新型人才，这是一个必要的要求.必须得先守住一个底线.我们要教会学生，要想创新，底线是不要违背这些科学的基本精神和科学的基本规范.不要去搞那些学术不端，那就谈不上任何创新了.

1.5 物理学是支撑国家和人类社会可持续发展的强有力的应用科学

我基本是搞应用的，但是在应用当中，体会到这个基础科学十分重要.物理学又是支撑国家和人类可持续发展以及科学发展的强有力的科学.除了认识世界的很多未知以外，要让同学们理解物理学的现实价值.人类社会共同面临一个能不能持续发展的问题，地球就这么大，发展有没有极限?现在是65亿人口，到2050年90亿人口，到底往哪儿装，是不是能够装得下?然后是能源.像煤、石油现在还能用很多年没问题，但是它早晚是要枯竭的.那么未来可持续发展，要有能源，这就出现了几个方面的问题.我比较看好的长远的方向，一个就是广义的太阳能，太阳每天给我们这么多能源，很多并没有用上.中国的太阳能热利用还比较好，首先是热水器.中国是太阳能电池生产最大的国家，但是在中国的电力里面，太阳能发电的贡献只占百分之零点几.这个问题出在哪里呢?就是中国缺乏太阳能电池的原创性.现在世界很多实验室里面对各种材料做研究.硅的光电转换效率最高，但也不是只有硅才能转换成电.这个基础是爱因斯坦的光电效应，原理上没有问题.但是用什么材料能实现这一点?现在用薄膜硅肯定行，还有对一些非硅的太阳能电池现在有很多研究.最近国际上几个实验室研制了多层新型太阳能电池，光电转化效率达到41%.这些问题说明，如果物理学在技术方面，能够跟材料结合起来，跟光电的转换效率与产业效益结合起来有些创新的话，我们的太阳能就能有大发展.这些新兴产业各国处在差不多相同的起跑线上竞争;谁有了原始创新，就能引领21世纪的能源产业.

核能也是一种被非常看好的一个比较长远的可持续发展的能源.在我们国家，用铀来搞裂变，这样就可以支撑很多年，甚至上千年都没有问题;但是最终要靠聚变.核能的发展三部曲，第一步是热堆，第二是快堆，利用铀－238，第三步利用核聚变.那么核聚变现在全世界在攻关，因为这个花费比较大.美国、欧洲、俄罗斯、日本、中国、印度、韩国七家共同来打造这个实验，要突破这件事.现在科学家在做的是实验堆，下一步叫演示堆，然后再下一步才是商用堆，这三步下来，大家估计总得50年;即使保守一点，100年能突破.聚变能跟前面的两步曲接上，它的原料可供我们使用上亿年也是可能的.因此人类未来的能源是可持续发展的.但是要走到未来这一步，我们需要突破很新的一些问题.刚才说的这个受控核聚变的问题，就是物理学如何来支撑人类可持续发展的问题.

再比如说国防，我们的武器装备，从最早时期的铁器时代的冷兵器，到后来炸药热兵器，到后来有了核武器，还有现在有的电磁武器、信息化的信息武器.这些武器不断的发展，导致了战争观念的一些变化，甚至出现了非常规战争.由于武器新概念的发展，模糊了和平与战争的界限.譬如说网络战，它模糊了战争界限，更不要说前方、后方的界限了.

再比如说刚才提到的物理学和生命科学，从双螺旋结构发现以后，对基因、转基因的研究，给人们的生活带来了非常深刻的影响，这些都是物理学的交叉.还有呢，有一个非常有意思的关系，就是基础物理学跟应用物理学之间的辩证的联系.首先就是基础物理的革命性的突破，能够引领新的方向，能够开辟新的领域.比如在20世纪初，原子核领域革命性的进展，从人们对核裂变的发现一直到核聚变的发现.1939年发表了裂变这个概念，1945年就发明了原子弹，这个转换非常快.然后有氢弹.然后就是核电站、核能.核武器的发展，反过来又推动了基础物理的发展.因为核爆炸，人们发展了高能量密度物理.高能量密度物理提出一些新的物理学的课题，提出了物理学基础研究新的领域.所以这个应用的科学，它又反哺了基础科学的发展.

再比如说激光也是这样，从爱因斯坦提出来受激辐射的概念，到后来人们先在微波领域发明了受激微波器，然后到1960年才有了激光.这也是从基础研究的概念，到引领了一种新的技术.现在靠激光能实现更高的场强，又开辟了一些新的基础研究课题——强场物理.航空、航天也是这样.从三个宇宙速度的认识开始，才有了航天，航空航天又给人们提出新的课题要研究.而且应用科学和工程又为我们基础性的科学研究提供了强有力的技术手段.大型强子对撞机，紫外探测、各种频段的探测，这些东西都是在物理学的基础上不断创新出来的.

工程技术本身创造生产力，同时它又反哺物理学，它能提出新的课题，它能创造新的环境，例如极端环境，它又能提供新的手段.所以，它们是共同推动了人类的进步和发展.2000年的时候，中国工程院组织了几百位专家评选了20世纪中国25项工程科技成就，这里面多半都跟物理学有关.

最后一点体会，就是物理是饶有趣味的科学，它是认识世界的先锋;从基础来说是认识，不管是最大、最小、最极端都得靠物理学;又是改造世界，造福人类的致富宝库.要靠它来支撑人类社会的可持续发展，使人类生活得更幸福多彩.所以李政道先生把刚才我念过的杜甫的诗改造了一下，说“细推科学日复日，疑难得解乐上乐.”