物理学家为什么要学习历史？

2016-09-27江泽珍编译

世界科学 2016年9期

关键词：科学史物理学家物理学

江泽珍/编译

物理学家为什么要学习历史？

江泽珍/编译

本文作者马特·斯坦利（Matt Stanley），纽约大学科学史教授

正如物理不是关于世界的事实罗列，历史也不是人物和时间的罗列，它更是一种强有力的启发性思维方式。

在现代物理学教育中，老师们通常不太重视传授某些方面的问题，例如：与人相处、团队协作、误解、对手和同盟等。物理学家通常并不看重这些方面，认为它对科学研究没什么帮助。但是，社会互动确实会对他们的研究有很大的影响。而物理学家通常通过很困难的方式才意识到这一点。在如今这个科学合作的时代，独自行走可是不行的。

历史就能帮助物理学家这一点，历史这门学科会研究很多这方面的问题。我们这些科学史学家的工作就是挖掘那些鲜为人知的故事，并与大家分享。而我们讲述这些历史的方式可以改变人们对历史的看法。从历史的角度来看科学可以让物理学家们明白得更透彻，也能为他们提供很多有用的工具。

物理是社会性事业

研究是由人做的，人有喜欢和不喜欢，有自负和偏见。物理学家也不例外，他们也会有特别喜欢的观念，也会坚守一些早该放弃的概念。一个典型的案例是电磁以太，这个概念几乎吸引了整个19世纪的物理学家。到最后发现以太的概念给他们造成的困难比解决的问题要多得多，可物理学家依然将其视为核心的解释工具。1905年，爱因斯坦的狭义相对论宣布以太是多余的，但物理学家对电磁以太的狂热也没有立马消退。

人们来自不同地方，物理学家和其他人一样都想捍卫自己的国家。100年前，一战爆发后，英国科学家拒绝与德国的科学家合作。一战结束后，德国及其法西斯同盟国依然被禁止加入国际科学组织。二战期间，希特勒手上具有原子弹的能力震慑了反法西斯同盟国的科学家，使他们打开了核武器的潘多拉盒子。虽然许多参与的科学家事后很懊悔，但战争和民族主义成为发展核武器的动力。

上述情况并非例外，物理学家并不是没有政治观点、哲学偏好和个人情感的特殊群体。而科学史的作用就是剥掉“不食人间烟火”的隐士天才的神秘面纱，使物理更有人情味。

物理更有人情味是一件好事。对于初学者，尤其是学生，他们会觉得物理学更容易进入。许多有潜力的学生之所以中途放弃科学，是因为他们所学的东西似乎和他们的生活没有关系。科学教育专家发现，那些放弃的学生求知欲非常强，他们想了解几乎所有的事情，包括他们现在所学习的各种研究方法是怎么来的？为什么物理学家和化学家理解自然的方式是这样的？他们学习的东西和世界有什么联系？等等。如果在教学中不涉及这方面的知识，学生很容易失去好奇心。从历史的角度自然提出概念、政治、哲学、伦理或社会等问题，这些问题揭示了物理对学生自己生活的重要性。把人看作人的学科比把人看作计算机器的学科更具有吸引力。

了解物理人文的一面还能帮助学生了解物理学家究竟要做些什么。物理是团队合作的，物理学家需要沟通，物理是社会性事业，思想和实验设备需要经常交流。爱因斯坦提出广义相对论后的一段时间，其他的科学家很难靠自己的能力解读这个理论。要想彻底读懂这个理论，必须与爱因斯坦和他的小组取得直接联系。可那时正值一战的爆发，很少有科学家能够联系到他。直到荷兰的物理学家威廉·德·西特（Willem de Sitter）联系到爱因斯坦本人，并将这个理论传给英国的物理学家及非战主义者亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）后，广义相对论才被大众所知。物理研究需要人与人之间的沟通，而有时沟通并不简单。

物理学不是显而易见

罗伯特·密立根的实验笔记本里每一页都像这页一样，到处都是数据、计算、修正，有时会偶尔加一些评论。要完善这个著名的油滴实验和获得电子电荷需要大量的时间和精力。这个笔记本的记录时间为1912年2月27日

从回顾的角度来看，任何事情似乎都显而易见。教科书上的实验结果是非常清晰的，一些理论只需要几页纸的计算就能论证。但在这些清晰说明的背后是科学家们付出巨大的心血和不断纠正的错误。物理学的历史提醒我们，物理理论的验证是多么的困难，即使今天看似显而易见的理论，例如地心说、原子论等。

复杂性而非简单性是科学实践的法则。每一项发现的背后包含了许多人、想法、事故和争论。一般来讲，理解一个理论的含义需要巨大的努力。比如密立根油滴实验，在教科书上被视为清晰实验设计的典型和有说服力的理论解释。可要是你看一眼罗伯特·密立根的实验笔记，你就知道这个实验有多难。（图为笔记中的一页）

自然界很少直接给出答案。因此研究人员有时需要盲目探索，需要尝试、失败和猜测。一旦他们取得了明确的结果，那些艰辛付出就会被他们抛在脑后。他们认为简单比复杂更有说服力，而实际上，复杂更让人放心。人们告诉学生和年轻的研究人员：物理研究是困难的，他们实际的付出要比教科书上展示的困难得多。混乱就是标准，错误是正常的。由大家不断努力、挣扎取得的科学成就要比灵光乍现的科学成就更有意义。物理的成果从来就不是不证自明的。

每当物理学家对一组数据的解读出现不同时，都会为物理不是显而易见提供新的证据。一些数据只有在特定的角度上才有意义。阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在天线中首先发现的是低频率噪音，并不是宇宙微波背景，当他们从宇宙大爆炸的角度去看待这些低频率噪音时，才发现它们的价值。

物理学的历史告诉我们：解决一个问题通常有好几种方法。量子电动力学的出现并不是由于它明显的优越性，而是弗里曼·戴森（Freeman Dyson）证明了理查德·费曼、朱利安·施温格和朝永振一郎的重整化方法都是一致的。他们所有人的方法都是对的，只不过需要重新组织一下。如今必不可少的费曼图在刚出现的时候并没有受到大家的重视。费曼图是混乱的，如何使用并不清晰。戴森乐于接受新观点：他必须告诉人们费曼图的好处，传播费曼图的重要性。所以我们现在看到的那些简单清晰的理论在形成时都是很困难的。

罗伯特·威尔逊（左）和阿诺·彭齐亚斯在检查他们的天线。他们因发现了宇宙微波背景辐射而共同获得了1978年诺贝尔物理学奖。而他们起初发现的只是来自天线的一些低频率的声音

物理需要各种各样的人

好的物理需要创造性。一个奇怪的想法或许能帮助阐明一个混乱的观察结果，或许还能成为理解一个方程的关键。历史告诉人们：物理学的发展需要概念的奇特碰撞。拿热力学第二定律为例，这个定律的形成和解读很大程度上要归功于开尔文。可开尔文一开始的研究动机并不是什么第二定律。他是一个宗教信徒，他看到《圣经》诗篇102中写道天堂和地球总有一天会被耗尽，他就想研究宇宙的热寂问题。由于开尔文的个人背景，他获得了很多有关第二定律的数据。你可以看到开尔文独特的观点与其他研究热力学的物理学家相比是多么重要。各种不同方法的互相作用才会产生新的观点，如果没有开尔文的奇特观点，我们也不会有热力学第二定律。

奇特但有用的观点通常来自与当前需解决问题截然不同的领域。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是从历史学家那儿学到统计方差的；粒子物理学家路易斯·阿尔瓦雷兹（Luis Alvarez）将同位素的专业知识带给了他儿子沃尔特的地理研究，最终帮助解决了恐龙灭绝的谜团。科学史向我们展示了跨领域科学家的沟通是有多么的重要，不同小组之间的沟通是有益的。表面孤立的问题通常联系非常紧密，你永远不知道：何时何地你会发现能够解决问题的奇怪想法。

开尔文

鼓励不同想法的最好策略就是培育多样性的群体。经常提供不同思维方式的小团体往往是灵感和新方法的源泉。很多例子表明：边缘团体最后成为主流。例如：玛丽埃塔·布劳（Marietta Blau），她发展了核乳胶技术（粒子物理中最重要的发明之一），而布劳本人在当时就属于物理学的外围。作为一名奥地利的犹太女人，布劳在大战期间受到双重排斥。女人通常被拒绝进入实验室，有时的理由是她们的头发很容易引起着火。而犹太人就很少允许拥有高层的位置，即使在纳粹崛起之前。这些限制意味着：如果布劳要研究粒子的话，她必须用非常普通的材料制作便宜、可携带的实验器材。正因为如此，她研发了基本的观测工具，最终震惊了当时大部分同质化的物理学共同体的物理学家。

玛丽埃塔·布劳（Marietta Blau，1894-1970），作为战争期间奥地利的犹太女性，一度受到物理学家的排斥。在边缘的研究让她研发了核乳胶技术

代表性不够的小团体经常被边缘化的原因是长期形成的文化惰性或蓄意决定。正因为这个原因，很多想增加物理多样性的物理学家都认为自己在帮助纠正社会错误。费曼在学生时代就被哥伦比亚大学拒绝，因为有些人认为：不应该招收那么多犹太学生。现在看来这似乎是一个荒谬的决定，而这一决定使麻省理工学院得益，接受了来自边缘的费曼。

2015年，美国最高法院的首席大法官约翰·罗伯茨（John G.Roberts Jr）对于多样性有利于物理学的观点感动困惑，罗伯茨的评论令人失望，即使其评论背后的观点并非不正常。作为纯粹理性的独立王国，科学的完美有效掩盖了不同观点和见解的重要性。然而，不同观点的重要性在科学史上有清晰记载。这些记录能澄清：为什么物理学绝大多数由白人完成，为什么依靠白人会成为物理学未来发展的限制性因素。而物理学史是智能和制度多样化的重要性的极好范例。许多不同的思维方式可以用来解决问题，因此应该鼓励多样化。

物理学没有结束

观点和诠释的多样化提醒我们：物理是一门正在发展的学科，所有的知识都是暂时的，总会有新的方法解决问题，总会有新的东西值得学习。物理史应该做到让人们质疑现在的理论是否能保持永久正确。

一些人担心，承认这种不确定性会使科学失去魅力。实际上，这反而会增加科学的魅力。如果物理研究几近结束，谁还会去研究？在一面快完工的墙上加砖块并不令人兴奋，但扩大一个没有限制的建筑会是令人兴奋的挑战。因此，知道并非所有事情已经发现是很鼓舞人心的。

承认不确定性意味着我们要改变物理和（更广意义）科学的教育方式。物理学通常就是一张清单，上面罗列了物理学家认为是对的事情。我们把这种清单叫做“教科书”。它们并没有把物理学家或其他科学家真正做的事情反映出来。教科书除了教授学生物理学家已经知道的东西，还应当强调关于物理的未知现象。它们可以告诉学生还有很多东西需要研究：有哪些未解之谜，有哪些很难解决的问题。好奇心应该获得赞赏，应该鼓励每个人提问“还有什么问题？”

这样的教育转变的效果之一就是降低对证据的关注。极少事情可以严格证明为真。在实践中，科学家为特定论断积累证据。这些证据提供了某种程度的可信度。坚持每个科学概念符合或应当符合证据的标准是危险的，这会使知识很容易受到攻击，因为每个论断都有值得怀疑的地方。如果科学家不对自己的疑虑坦诚相见的话，一旦不确定性出现，信任危机也会随之而来。谈论证据和疑虑会使科学在大众中更强大。

物理是会变化的

基础物理小组，1975年成立于加州伯克利，励志探索神秘主义和基础量子物理。照片上为该小组的四个成员，站着的从左至右分别是杰克·萨尔法蒂、索尔·西拉格和尼克·赫尔伯特，坐着的是弗雷德·沃尔夫

接受物理将来会变得不同就是接受物理过去与现在也是不同的。每个人都倾向于认为：事物现在的方式是准则。但历史已经表明：事情并不是一直都是这样。过去的人们会有不同的想法，理解这一点对理解现代的人有很大的帮助。历史就是通过对过去的关注来告诉我们如何开始关注现在。

没有人比爱因斯坦更喜欢历史方法。早年的他读过恩斯特·马赫有关科学史的论著，他认为就是马赫让他能够对科学原理有了批判性的思考。爱因斯坦曾写道过：有历史和哲学背景的知识可以免受偏见的烦恼。他抱怨物理学家把现在接受的观点看成是永久不变的规律。他建议：物理学家应该研究这些观点的历史，理解这些观点获得证实的情况。这样的话，处在边缘的青年物理学家（如1905年作为专利秘书的爱因斯坦）就会有胆量进入新领域，提出创造性的新建议。

历史能训练你对已接受的观点持有批判性思维。对于神秘的量子物理来说，可以有很多方法进行思考。普遍认同的哥本哈根诠释并不是最好的诠释，也并不是唯一有效的一个。爱因斯坦就是想让物理学家能够对量子力学的基础采取批判性的态度。

历史学家兼哲学家哈索克·张（Hasok Chang）曾认为：科学诠释的多样性可以使科学史作为现代科学研究的资源。他把他的方法称为补充科学，即将过去遗忘和未解决的谜题重新揭示出来。把这种补充科学带到实际应用中需要自我检查，对假设和理论进行深度思考和批判在专业科学的背景下也是很困难的，但科学历史鼓励这种做法。

戴维·凯泽的《嬉皮士如何拯救物理学》揭示了如何养成批判性思维。20世纪60~70年代，一些物理学家并不满足圈内的“关上门来自己研究”的风气。他们对方程背后的更深层次的哲学意义感兴趣。因此，他们同时研究了那个时代的反主流文化以及量子物理的历史。通过这些方面的努力，他们对贝尔定理和量子纠缠有了更深刻的了解。因此意识到：人们过去的想法是不同的这一点很重要。

物理没有严格的规律

首次读科学史的人都会惊讶地发现：科学的实际操作根本没有按照课本上写的顺序来。科学家并没有遵守严格、线性的解决问题的系统。科学家的研究可以来源于一个假设，可以来源于一个奇怪的观察结果，也可来自实验中的某个异常现象。爱因斯坦在晚年的时候总结道：科学家必须是一个狡猾的投机分子，在新挑战来临时，不断变化自己的应对方式。

实际上，科学家并没有一套严格的研究方法，他们需要根据掌握的证据开展工作，提出最好的解释。19世纪前期，天王星的轨道似乎与牛顿引力出现了偏差。当时人们可以声称：牛顿的引力理论被证伪，当然，只有极少数人那么做。牛顿的引力理论已经证明如此强大，一次异常现象不足以放弃这个伟大的理论。因此，科学家们找到了一个更简单的解决方法，即天王星的偏移是因为存在新的行星（躲在暗中的海王星）。后来当水星的轨道也出现了偏移时，人们采用了相同的解释。为了拯救牛顿的引力理论，天文学家寻找躲在太阳光后的火神星。但是，爱因斯坦最终提出：水星的轨道异常是放弃牛顿理论和偏向自己理论的充分原因。

有时候，偏差是放弃某个理论的理由，但有时候，需要提出全新的实体来拯救理论。不同的情况需要不同的方法。物理学家在做出选择时通常都有很好的理由，但他们要承认：他们的选择具有难度和复杂性。

历史故事会告诉我们科学发现的过程。但人们可以发现狭义相对论来源的完全不同版本：是从迈克尔逊-莫雷的实验结果中直接推导来的？或者是从爱因斯坦关于时空性质的哲学性思考得来的？或许来源于麦克斯韦方程的抽象推理呢？人们定义物理的方式取决于其听到的故事。因此，讲故事的人必须确保他们的故事是有历史依据的。

人们不必过于担心自己的研究可能损害科学方法。研究物理的方法有很多，攻击弦理论违背了方法论的指导是不公平的。如今的物理学家通常没有受过科学哲学的训练（爱因斯坦和尼尔斯·波尔接受过），他们引用的哲学原则已经过时。卡尔·波普尔的科学可证伪的理论已经没有太大作用。例如：占星术就是可证伪的，可它并不是科学。科学史揭示了科学的定义和标准是如何随着时间而改变的，希望科学史有动力参与科学哲学家的重要工作。