物理是一种文化

郝柏林

(复旦大学物理系和理论生命科学研究中心 200433;中国科学院理论物理研究所 100190)

当19世纪后半叶物理学从西方传入中国时，metaphysics已经被翻译成形而上学，于是有人把physics称为“形而下学”.不过后来还是从日本译文借回来源于中国的“物理”一词.日文翻译是受到庄子《知北游》中一段话的启示：“天地有大美而不言，万物有成理而不说.夫圣人者原天地之美，而达万物之理.”原来我们物理工作者就是探求世间万物的道理，追溯自然之美的圣人！

图：颐和园万寿山铜亭出口处的牌坊(作者摄)

其实物理二字在中国文化中源远流长.李政道先生多次引用杜甫的诗句“细推物理须行乐，何用浮名絆此身”，那涵义是比较宽广的.《淮南子·览冥训》说“耳目之察，不足以分物理”；耳听是虚，眼见也不一定是实，必须要有仪器观测和理论思维，才能深入事物的本质.近代爱国华侨领袖陈嘉庚先生，为了不占耕地而把自己的坟墓修建在填海而成的小岛上.厦门集美鳌园陈嘉庚墓园的石刻浮雕反映了先生的教育观念，特别是墓碑背面有一幅对联说“海潜空飞齐物理以归一，天造地设合人力而成三”，更是融合了老子“一生二、二生三、三生万物，地法天、天法道、道法自然”的思想.在北京颐和园万寿山铜亭出口处，一幅对联的下联说“物含妙理总堪寻”，也是鼓励人们去探究事物的道理(见图).

物理学是讲道理的学问

物理学其实很简单，它只有很少几条大道理.这些大道理不能够证明或推导，只能从实验中总结概括出来，它们的各种推论要受到实践检验.学习物理学，就是要学会用少数大道理，讲明白许多小道理.物理学教导我们寻根溯源，追求真理.物理学帮助我们不盲从、不迷信.

物理学又是方法论.它训练我们从事实和数据出发，去发现问题，解决问题.物理学教我们分清主次，善于抓住主要矛盾，不被细节引入歧途.物理学还教我们做到“心中有数”.但是，要特别注意，不要把中学物理变成算术习题集.要启发学生们自己去提出问题、想清道理.举一个小例子.有一个常见的问题是：一个人要在平面镜里看见自己的全身，那镜子至少要多高？标准答案是人身高的一半.如果有一个学生说，镜子可以更短，只要把它倾斜一些.这答案是对还是错？我看应当给这个学生加分.

在日常生活中可以提出许多问题.例如，为什么在地球上谁也没有见过像足球那么大的雨滴？参天乔木到底可以长多高？电子计算机最快可以算多快？电子元件最小可以做多小？为什么从前修铁路要在钢轨间留下缝隙？为什么现在又把许多条钢轨焊接到一起？只要抓住一个现象，连续问几个为什么，许多物理学家也会回答不出来.善于观察现象、提出问题，思考和寻求解决途径，这比死记硬背标准答案重要多了.

物理学是一门历史科学.一部《普通物理学》的目录，就是一份物理学史提纲.历史和逻辑的一致性，在物理学的发展中表现得极为清楚.物理学的发展不断克服着人们的保守和偏见.从“热素”学说到原子和分子的运动，从能量守恒到宇称破缺，新的物理观念影响着人类对自然和社会现象的认识.一直到20世纪初，当时最著名的某些科学家无论如何不能接受原子和分子的存在，而对于现代的孩子们，原子和分子好像是与生俱来的自然观念.正如老物理学家普朗克说过那样，新的科学真理向来不靠说服反对者取胜，而要等反对者去世和接受真理的新一代成长起来.物理教学的任务之一就是把真理传授给成长中的新一代人.

物理学是多门自然科学的基础

许多自然科学的学科要经过物理学去“搅和”一番，才最终成熟起来.化学是很好的例证.化学价、化学键、亲和力、周期表、……到1900年这些词儿差不多都已经出现，但是说不清背后的原因.一直到量子力学阐明了氢原子、氢分子和原子构造，明白了填满和不满的电子壳层、成键和反键轨道这种种概念，化学才有了坚实的基础，走上独立发展的道路.

生物学正在经历着类似的过程.生物是物，生物有理.我们只举一个例子.不要以为轮子是人类特有的发明，只有哪吒才会脚踏风火轮行进.生物细胞里就有许多精巧的分子马达.生物化学反应所需能量，储存在一种叫做三磷酸腺苷(ATP)的有机分子的磷酸根里.提供一次能量之后，它变成二磷酸腺苷(ADP).把ADP重新变成ATP的“充电器”，就是由一批蛋白质组成的分子马达.一台直流电机可以双向运作，供电可以转动，转动可以发电.一个分子马达也可以双向运作，供给ATP时发生转动，转动起来可以把ADP变成ATP.大肠杆菌的鞭毛借助蛋白质组成的一个滚柱轴承插在细胞膜里，那是尺寸更大的一个马达.许多生物分子机器，会在热涨落上“冲浪”，不利时暂停片刻，有利时往前跳一步，完成适应某种“目的”的定向运动.

1953年DNA分子双螺旋结构的发现，依据了X射线结构分析的成果.1977年发明的DNA化学测序方法，开启了基因组时代的大门①[注]① 可以参看：郝柏林.基因组测序永无止境的根本原因.《科学》杂志，2011年第63卷第5期，5～10..投资30亿美元、历时13年(1990～2003)才基本完成的国际人类基因组计划，在不久的将来依靠新兴的物理测序技术，或许可以在不到两周之内，以低于1千美元的成本完成.多种物理测序方法的原理，例如目前呼声甚高的“纳米孔”技术，来自与测序无关的其他试验领域.人类社会长远未来的生产，将是包含自组装、自复制、自学习、自调控、自诊断、自修复、自动再利用的“生物式”的生产过程.物理学和生物学的互相作用，一定会带来意想不到的科学和技术进步.有志于物理学的年轻人，应当把眼光从“死物”扩展到“活物”.

物理学是技术进步的源泉

每一个时代都有自己的“高新”技术.19世纪的高新技术如制冷、真空、照明和电机，20世纪的高新技术如原子能、半导体、激光、计算机和基因工程，它们都诞生在安静的科学实验室里.它们是科学革命的产物，而不是技术革新的后果.“于无声处听惊雷”乃是科学革命的正道，人类的好奇心和并不追求“经济效益”的科学实验起着巨大的推动作用.

电动机没有出现在内燃机制造厂里.18世纪的蒸汽机、汽船，19世纪初出现的蒸汽机车，全是“外燃机”.蒸汽动力的传输靠天轴、地轴和皮带轮，距离极为有限.1792年出现了没有压缩阶段的内燃机.19世纪初明白了压缩阶段的重要性和卡诺循环分析，热力学开始发展.如何提高内燃机效率，曾是当时的核心技术问题.与这些当时生产中的迫切问题似乎没有任何关联，新的科学和技术革命已经在安静的实验室里萌芽.

1819年奥斯特(H. C. Orsted)偶然发现电流引起磁针偏转.安培深入研究，发现平行和反平行电流的相吸和相斥.1820年9月，安培在法国科学院做了报告.那时有人反对说，“已知电流和磁铁相吸，已知磁铁和磁铁相吸，所以电流相吸不是新发现”.安培的一位支持者从裤袋中掏出两把铁钥匙说，“已知钥匙和磁铁相吸，已知磁铁和磁铁相吸，但是钥匙和钥匙不相吸”，因此电流和电流相吸相斥是新发现.整个1830年代法拉第从事的电磁现象研究，在二三十年后导致了电动机和发电机的发明.1882在慕尼黑电气展览会上，展出了一条长57公里的2千伏输电线，在1891年法兰克福博览会上就有了长175公里的25千伏三相交流输电线.天轴、地轴和皮带轮后来只能在一些落后的工厂和老电影里看到了.

热机研究的一个副产品是真空技术的进步.真空技术加上日渐成熟的发电技术，自然导致白炽灯的发明.1881年首次由发电厂向伦敦供电，伦敦的照明街灯改用白炽灯泡，但是还保持了原来汽灯的外形.蜡烛和油灯曾是人类的主要照明工具，一定有不少人研究过改进它们的效率.但是，电灯泡没有诞生在蜡烛作坊里.谁能想到对充有微量水银、钠蒸气或其他元素的玻璃管里五光十色的真空放电研究，不仅导致了X光和放射性的发现，还最终催生了量子力学.

19世纪中叶，当电磁现象的研究开始“转化”为生产力时，麦克斯韦却在自己的书房和实验室里，比照着流体运动，试图把从安培到法拉第的试验结果加以数学概括.在1873年出版的集大成的两卷专著《论电和磁》②James Clerk Maxwell. A Treatise on Electricity and Magnetism. MacMillan & Co., Publisher to the University of Oxford, London, 1873.中，他甚至没有使用现在人们习以为常的矢量表示(事实上，他当时热衷于后来并不成功的四元数)，而是为20个变量写下了20个方程.他清楚意识到这些方程的重要性，专门用大写英文字母(A)，(B)，……为它们编号，而书中其他公式都用数字排序.要从这样繁琐的公式中看出来，存在着以光速传播的电磁波，确实需要有一个天才的头脑，而更重要的是赫兹在1888年用试验证实了电磁波的存在.赫兹用来检验电磁波折射规律的那个1吨多重的沥青三棱镜，至今还陈放在德国卡尔斯鲁大学物理系.

图：发明无线电报后不到10年的军用移动电台(引自1906年出版的一本英文书)

电磁波很快被用于无线电通讯.同在1895年，意大利的马可尼和俄国的波波夫分别独立地发明了无线电报③可以参看：郝柏林.究竟是谁发明了无线电？《物理通报》，1992年第2期，39～40页..1906年出版的一本讲述无线电报技术的英文书④Gustav Eichhorn. Wireless Telegraphy. Charles Griffin & Co., London, 1906.(见图)曾经没有偏见地提到这两个人的贡献.然而，随后的发展却清楚反映了环境和社会的差别.马可尼到英国去寻求资本支持，成立了马可尼公司，他同布劳恩一起获得1909年的诺贝尔物理学奖.波波夫后来做了彼得堡电工学院的院长.1905年彼得堡城防司令召见波波夫，要他制止学生的革命活动，被波波夫拒绝.几天后，他因脑出血去世.

无线电技术最初并没有自己的元器件，都是临时利用各种物理效应(莱顿瓶放电、金属细粉检波、平板电容器).后来才有了专门为无线电服务的真空管工业.第二次世界大战期间的美国军队，装备了清一色的6J5金属壳电子管，整流、检波、低放、中放、高放都用它，坏了可以随便抓一个插上.为了适应超高频的要求，管子做得越来越小(见图)，连管脚之间的寄生电容都会导致信号漏失.然而，真正解决问题的新器件来自半导体，可半导体器件并没有出现在电子管厂里.

有一种流传颇广的说法：科学“转化”为生产力的速度越来越快.在一本印量巨大的书里⑤马锡冠等.现代科学技术基础知识(干部选读).中共中央党校出版社，1999.举半导体为例，说“1948年发现半导体，1954年生产出半导体收音机”，这是无视历史事实的杜造.从1811年发现硅、1850年把硫化银电阻随温度上升而降低作为半导体的判据、1886年发现锗，到1930年代量子理论对固体电子性质的解释、1947年发明点接触晶体管、1950年发明结型晶体管，还没有到半导体收音机，已经跨越了近140年.

我们花了不少笔墨概述物理学史上的一些事件，特别是前文给“转化”二字加上引号，是因为中国传统文化的弱点，至今还在限制着现代科学的发展.科学与技术不是一回事.科学,特别是物理学，不断扩展着人类的世界观、方法论和自然观；科学的内容与作用远远多于“生产力”.中国有着把科学与技术混为一谈、以技术涵盖科学的古老传统.简单、机械的理论和实践观，一直在妨碍着学者们安心致志、长期坚持地做出事情.正是急功近利的科学技术政策，阻碍着我国的工业生产立足于自己的基础研究成果.我们必须从文化层面上考察物理教育，从教育入手来改变状况.

物理教育是文化教育

文化需要沉淀和积累，而中国的传统文化里缺少从事科学试验、演绎推理、证实排伪的精神.公元前三世纪，东西方文化发展分道扬镳.马其顿大帝国的后继者之一，埃及的托勒密一世国王在公元前290年下令在亚历山大城建立规模巨大的图书馆.这里曾是世界上唯一的科学研究中心.秦始皇统一中国之前4年，欧几里得诞生在希腊，他在亚历山大图书馆里度过最富创造力的年华，因而在西方科学史中被称为“亚历山大的欧几里德”.公元前213年，秦始皇下令焚书和废私学(那时没有公立学校)、敢议《诗》、《书》者诛.焚书的第二年，秦始皇又在骊山背后，把460多位知识分子挖个坑埋掉，用强权统一思维，禁止学术自由.我们至今还在感受着这次文化发展“分岔”的影响.

两千多年来，多少代优秀的中国知识分子把毕生精力用于遣词造句和诠释前贤.中国历史上没有过像布鲁诺⑥G. Bruno(1548～1600), 因坚持哥白尼日心学说被罗马教廷烧死.那样的科学殉道者.我们崇敬的科学家如张衡、郭守敬、徐光启，都首先是政府官员，才能掌握做出一些科学建树的资源和条件.“以农立国”的泱泱中华，难道就没有过聪明的农村少年，仔细观察过鸡蛋孵化小鸡的全过程？这类被师长们视为离经叛道的活动，自然不会在文献中留下记录.相形之下，胚胎学和解剖学研究在西方科学思想的发展上起过多么巨大的作用!我们引以为荣的四大发明，全是技术.这本来没有什么奇怪，各个民族的早期发明都以技术居多.然而，与四大发明有关的科学概念，磁极、磁力线和磁场、燃烧和爆炸的化学与物理，引爆和爆轰的理论，没有一个诞生在中国.

魏晋时代的清谈之风，当时还有过抵制政治迫害的积极意义.后人忘其所以，乐此不疲.有人以中国文化的“整体”和“综合”傲视西方科学的分析传统，有人热衷于从《周易》里寻求现代科学问题的答案.其实，对自然界的分析研究没有做过多少贡献的人，并无资格侈谈整体和综合.《周易》充其量只是“人类幼年时期的天才创造”(马克思评希腊神话语)，少数爱好者继续研读，本来无可厚非；用以误导学子，则理应坚决反对.清谈误国、清谈误事、清谈误人.中华文化背景下的教育工作者，更要注意通过物理学来培育年轻人的现代实证方法和科学精神.

向中学物理老师们致敬！

物理是一门艺术.同音乐、绘画一样，物理学,或广而言之自然科学有着不同背景、不同深度的大量欣赏者和爱好者，这是现代人文化素养的一个重要方面.同乐师、画匠一样，社会需要相当多专业的物理工作者和物理教育家.同音乐家和画家一样，社会还需要有所发现、有所发明的物理学家，在推动整个人类的科学技术进步方面，做出中华民族应有的贡献.培养所有这些素养和人才都是物理学教育和物理学教师的使命.

最后，我利用这个机会，简单地说一下自己怎样喜欢上了物理学.

作为一所建立了师范班的河北省立中学的学生干部，我在17～18岁时就做好了献身中等教育事业的思想准备.后来因为偶然机遇上了大学，有幸从事从小就喜欢的理论物理研究.然而，我的许多少年伙伴在教育战线奋斗终生.我自己在感情上也一直是中学物理教师队伍的一员.我喜欢起物理，有三个原因.第一是读书.在抗日战争时期的“陪都”重庆上小学时，父亲买了一套32册草纸印刷的《少年自然科学丛书》；后来在北京男四中又有个好图书馆，初一上半年就读了几本天文科普书.天文和物理都引起我的兴趣.第二，我初中时就是个无线电爱好者，经常到北平什剎海晓市去寻觅零件，做矿石收音机，还玩过前面提到过的美国军用的6J5真空管.然而，最重要的原因是，中学时期遇到了几位非常好的物理老师.我的高中物理老师李直钧，早年毕业于清华大学航空系，却一生执教中学物理，还在草场胡同创办了直钧小学(后改称草场小学).他洪钟般的声音至今在耳边回响,“我的学生，物理就得比别人好”！“我要有十分力气，我只能用七分教你们，剩下那三分我还要自己读书呢”.到了80岁，他还在孜孜不倦地钻研德文，说“我的德文还没有过关”.在这样的精神感召下，选学了物理的可不只我一个人！

对中华文化的复兴和中华民族的崛起，两岸四地的物理教育工作者一定会做出自己的贡献.我感谢大家，祝福各位！