物理是一种文化

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) (收稿日期:2012 05 22) 说明:本文基于作者2011年12月13日在澳门举行的两岸四地物理教学研讨会上的发言.删去了可能涉及版 权的图片,内容也略有增减. 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! 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 图:颐和园万寿山铜亭出口处的牌坊(作者摄) 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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 —2— 2012年第12期 物理通报 庆祝出版30周年 作者简介:郝柏林(1934 ),中国科学院院士,主要从事理论物理、计算物理、非线性科学和理论生命科学的研究. 性,在物理学的发展中 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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.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 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 .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. —3— 2012年第12期 物理通报 庆祝出版30周年 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. 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》②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③.1906年出版的一本讲述无线电报技术 的英文书④(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. 图:电子管越做越小(引自1939年出版的一本德文著作) 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 ②JamesClerkMaxwell.ATreatiseonElectricityandMagnetism.MacMillan&Co.,PublishertotheUniversityofOxford,London, 1873. 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. ④ GustavEichhorn.WirelessTelegraphy.CharlesGriffin&Co.,London,1906. 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. —4— 2012年第12期 物理通报 庆祝出版30周年 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⑥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 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 .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 小学生如何制作手抄报课件柳垭小学关于三违自查自纠报告小学英语获奖优质说课课件小学足球课教案全集小学语文新课程标准测试题 (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! ⑥ G.Bruno(1548~1600),因坚持哥白尼日心学说被罗马教廷烧死. —5— 2012年第12期 物理通报 庆祝出版30周年