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物理學(xué)史:一部可歌可泣雄偉壯麗的科學(xué)史詩

2010-08-15 00:48:36程民治朱愛國
滁州學(xué)院學(xué)報(bào) 2010年4期
關(guān)鍵詞:物理學(xué)科學(xué)

程民治,朱愛國

(巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系,安徽巢湖 238000)

物理學(xué)史:一部可歌可泣雄偉壯麗的科學(xué)史詩

程民治,朱愛國

(巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系,安徽巢湖 238000)

本文以一些典型的案例,簡要地從“為了科學(xué)而獻(xiàn)身、科學(xué)創(chuàng)新方法論、思想觀與文化觀、以科學(xué)造福人類、長期執(zhí)著于教壇”5個(gè)篇章,論述了物理學(xué)史是一部可歌可泣的雄偉壯麗的科學(xué)史詩。旨在揭示它具有素質(zhì)教育的奇效。

物理學(xué)史;物理學(xué)家;科學(xué)史詩;素質(zhì)教育

馬克思曾精辟地指出:“我們僅僅知道一門唯一的科學(xué),即歷史科學(xué)。歷史可以從兩方面來考察,可以把它劃分為自然史和人類史。但這兩方面是密切相聯(lián)的;只要有人存在,自然史和人類史就彼此相互制約?!盵1]21按照馬克思的這一觀點(diǎn),我們不難發(fā)現(xiàn),物理學(xué)史作為歷史科學(xué)的一個(gè)至關(guān)重要的奠基性組成部分,它就是自然史和人類史的統(tǒng)一。一方面,它反映和描述了自然界中物理學(xué)知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展的歷史;另一方面,它又反映和記載了各個(gè)不同時(shí)代物理學(xué)人才的輩出和不斷創(chuàng)新的歷史,自始至終都充滿著人性。前者反映和體現(xiàn)的是物理學(xué)史的科學(xué)屬性,后者反映和凸現(xiàn)的是物理學(xué)史的人文屬性。由于人的存在,使得物理學(xué)史的科學(xué)與人文雙重屬性密切相關(guān)和彼此互相牽制,從而賦予了物理學(xué)史是一部可歌可泣的雄偉壯麗的科學(xué)史詩,閃爍著素質(zhì)教育的奇光異彩?,F(xiàn)擬就這個(gè)問題特作如下論證。這里需要特別指出的是,下文中各個(gè)括號(hào)內(nèi)的年份,表示的是某幾位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的具體獲獎(jiǎng)時(shí)間。

一、為了科學(xué)而獻(xiàn)身篇

哥白尼曾信誓旦旦地表白:“人的天職在探求真理”[2],康德在接受博士學(xué)位時(shí),也同樣發(fā)誓:“永遠(yuǎn)忠誠于真理”[2]。哥白尼與康德的鋼鐵誓言,表達(dá)了物理學(xué)史上千百萬科學(xué)大師立志獻(xiàn)身于人類的科學(xué)事業(yè)共同的心聲。這種對科學(xué)的情有獨(dú)鐘所表現(xiàn)出的敬業(yè)精神,使他們耐得寂寞,甘守清貧,以苦為樂,持之以恒,誠實(shí)工作,無私奉獻(xiàn),乃至以犧牲個(gè)人的婚姻大事和寶貴的生命為代價(jià)。如:以為了破解“皇冠疑案”而最早發(fā)明比重定律,并率先用明確而普遍的方式敘述了杠桿平衡學(xué)說而著稱的阿基米德,面對著一個(gè)喝得醉醺醺的入侵者羅馬士兵持刀向他奔來時(shí),他先是吃了一驚,然后從容不迫地說:“我的朋友”,“在你殺我之前,讓我先畫完這個(gè)圈圈吧?!盵3]10而當(dāng)這個(gè)士兵一刀砍了下去時(shí),這位溫和的老科學(xué)家,瀕死之前還躺在地上用微弱的聲音說:“他們奪去了我的身體,可是我將帶走我的心?!盵3]10布魯諾為支持和宣揚(yáng)哥白尼的日心說,于1600年2月17日被活活燒死在羅馬鮮花廣場,臨刑前在聽到判詞時(shí),布魯諾用嘲諷的嚴(yán)辭說:“你們對我宣讀判詞,比我聽到判詞還要恐懼!我愿為殉道而死。”[4]264伽利略因通過天文觀測為哥白尼的“日心說”提供了強(qiáng)有力的證據(jù),而宣稱他是哥白尼學(xué)說的追隨者,因此而最終成為一個(gè)學(xué)者兼殉道者。雖然當(dāng)時(shí)宗教裁判所的紅衣主教們嚴(yán)令禁止他進(jìn)行科學(xué)研究,但伽利略在阿切特里監(jiān)獄中,不僅無視于反動(dòng)勢力的禁令,而且不顧病魔纏身,依然以堅(jiān)強(qiáng)的毅力,完成了一部偉大的著作《運(yùn)動(dòng)的法則》。直到1642年1月8日臨終時(shí),當(dāng)伽利略終于拿到這部被他偷運(yùn)到荷蘭去出版的書時(shí),感到莫大的安慰,并以模糊不清的語調(diào)說:“我認(rèn)為這是我一切著作中最有價(jià)值的,因?yàn)樗俏覙O端痛苦的果實(shí)?!盵3]50開普勒自幼多病,一只手落下了殘疾。雖然他因創(chuàng)立了天文學(xué)的三大定律而被任命為“皇家數(shù)學(xué)家”,但長期領(lǐng)不到薪俸,不得不靠為皇室貴族占星算命來維持生活。1630年11月15日,他在前往索取薪俸的途中因貧病交困而死去。笛卡爾、牛頓、惠更斯、卡文迪許等為了科學(xué)研究而終生未婚。富蘭克林為了研究雷電而冒險(xiǎn)進(jìn)行“費(fèi)城實(shí)驗(yàn)”,達(dá)利巴德和里赫曼為同一目的而慘遭雷擊身亡。對于開啟人類電氣時(shí)代歷史先河的大師特斯拉而言,偉大的抱負(fù)壓倒了一切,就連金錢與愛情他都在所不惜。1897年,他為了得到一筆充足的資金以便從事更偉大的發(fā)明,居然以26.66萬美元的低價(jià),一次性將他關(guān)于電機(jī)的40余項(xiàng)專利權(quán)賣給了當(dāng)時(shí)美國的一位電器公司的大老板喬治·威斯汀豪斯,要不然他將會(huì)把自己的專利變成成千上萬倍的財(cái)富。不僅如此,為了從事科學(xué)研究,特斯拉無心顧及自己的終生大事,他從未結(jié)過婚,甚至沒有處過女朋友,而這絕不意味著他缺乏吸引異性的魅力。事實(shí)上,確有幾個(gè)大家閨秀對他頗有意思,但他有自己的志向。他說:“我打算將我的全部生命貢獻(xiàn)給我的工作,由于這個(gè)原因,我拒絕了一位極好女子的愛情和友誼?!盵5]享有“為美國科學(xué)大廈奠基的人”之美譽(yù)的約瑟夫亨利,曾在電磁學(xué)等物理學(xué)基礎(chǔ)研究方面取得了巨大成就。但他的出身卻十分貧寒,父親是個(gè)窮苦的車夫,終日辛勞,全家也難得溫飽。特別是他14歲那年,隨著父親的不幸去逝,他只得和寡母相依為命。為了維持生計(jì)和掙些錢來交納學(xué)費(fèi),亨利曾在小商店做過零活,投師學(xué)習(xí)過修理鐘表和琢磨寶石,當(dāng)過演員,上過奧爾巴尼市的夜校,在鄉(xiāng)下小學(xué)教過書,等等。后來他通過自學(xué),于1819年作為一名超齡生被奧爾巴尼學(xué)院破格錄取,終于系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和解剖學(xué),同時(shí)還自修了許多其他課程。直至1826年春天,亨利憑借自己的拼搏進(jìn)取和真才實(shí)學(xué),被奧爾巴尼學(xué)院正式聘為數(shù)學(xué)和物理學(xué)教授后,才最終擺脫了將近30年的貧困與顛簸的生活,并開始了歷時(shí)半個(gè)世紀(jì)的科學(xué)生涯。

在20世紀(jì),諸如上述的典型案例比比皆是:居里夫婦(1903年度)為提煉鐳而無視于放射性元素對他們身體的侵害……在60年代初,為了鑄造共和國的“核盾牌”,我國有一批物理學(xué)精英,如“兩彈一星”功勛程開甲、“兩彈元?jiǎng)住编嚰谙鹊?曾隱名埋姓,秘密失蹤,以視死如歸的崇高責(zé)任感,在前蘇聯(lián)當(dāng)局背信棄義、撤走全部專家和資料的情況下,盡心竭力,刻苦攻關(guān),為成功地研制出核武器,而將自己的汗水和智慧揮撒在祖國西部那片號(hào)稱“死亡之海”的羅布泊戈壁灘上。其中鄧稼先還因長期過度勞累加上體內(nèi)放射性物質(zhì)的入侵,而身患直腸癌最終獻(xiàn)出了寶貴的生命?;艚鹫碉L(fēng)華正茂之年,因患了一種名為“廬伽雷病”的不治之癥,從此被禁錮在輪椅上,但他卻以超乎常人的毅力投身于宇宙學(xué)的研究之中。不僅神話般活了下來,而且奇跡般地取得了舉世矚目的科學(xué)成就,被科學(xué)界公認(rèn)為繼愛因斯坦之后,人世間最杰出的理論物理學(xué)家和最著名的科學(xué)思想家。如此等等,不一而足。所有這些令人可敬可佩的生動(dòng)史例,無一不充分展示了歷代物理學(xué)家,毫不利己、為真理而奉獻(xiàn)的科學(xué)精神。

二、科學(xué)創(chuàng)新方法論篇

一部物理學(xué)史,實(shí)際上就是一部歷代物理學(xué)家進(jìn)行機(jī)智運(yùn)籌、不斷推陳出新的歷史長卷。通過透析各個(gè)時(shí)代的物理學(xué)家的傾心、巧妙、敏銳、堅(jiān)忍、廣博和深邃的研究風(fēng)格,我們能夠充分領(lǐng)略到物理學(xué)研究方法的無窮魅力與風(fēng)采。

我們知道,觀察方法、實(shí)驗(yàn)方法、假說方法、數(shù)學(xué)方法、大綜合法、理想化方法、邏輯思維方法(比較、分類、歸納、演繹、分析、證明、反駁等)、創(chuàng)造性思維方法(直覺、靈感、類比、想象力、幻想、猜測等)、物理佯謬(或挬論)、美學(xué)方法等,是物理學(xué)中常用的科學(xué)方法。一些偉大而天才的物理學(xué)家,正是把這些基本方法創(chuàng)新性地應(yīng)用于科學(xué)實(shí)踐中,而樹立了一個(gè)又一個(gè)歷史的豐碑。例如,1895年11月8日,倫琴在利用希托夫-克魯克斯放電管進(jìn)行陰極射線的實(shí)驗(yàn)時(shí),他偶然觀察到離放電管大約1米遠(yuǎn)的一塊涂有鉑氰酸鋇的紙屏上出現(xiàn)了一個(gè)閃爍的微光。精細(xì)入微的倫琴,非但沒有對這一紙屏意外曝光的現(xiàn)象不屑一顧,反而引起了高度的關(guān)注。后經(jīng)他反復(fù)的觀察和進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一種貫穿性極強(qiáng)的特殊射線,他將其命名為射線,并因此而獲得了1901度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),開辟了物理學(xué)家榮登諾貝爾獎(jiǎng)壇和影像診斷學(xué)的歷史先河。在倫琴之前,同一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象曾被克魯克斯、古德比斯德和勒納觀察到過,可惜的是這3個(gè)人均未對此予以重視,只能與首次諾貝爾獎(jiǎng)擦肩而過。將科學(xué)實(shí)驗(yàn)視為發(fā)現(xiàn)大自然奧秘的鑰匙的戴維斯和小柴昌俊,他們各自通過自制的儀器設(shè)備、獨(dú)創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)方法或者對已有的儀器設(shè)備進(jìn)行了精心的改良后,一舉彼此獨(dú)立地探測到宇宙中的中微子,而共同分享了2002年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)方法在科學(xué)發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的威力是如此,在技術(shù)發(fā)明領(lǐng)域和理論創(chuàng)新領(lǐng)域同樣帶來了無比的輝煌。如2000年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一、集成電路的發(fā)明者——J基爾比,他按照達(dá)默于1952年提出的創(chuàng)造性設(shè)想,即應(yīng)該能夠研制出不需要連接線的、單塊整體形式的電子器件。經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究,他終于得出一個(gè)技術(shù)性結(jié)論:利用臺(tái)面管和硅的體電阻可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體晶體內(nèi)各電子元件的相互絕緣,而電路則將其布在半導(dǎo)體的表面。從而成功地研制成第一塊集成電路。而泡利則是依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了研究對象的唯象理論——“泡利不相容原理”,而摘取了1945度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠。

恩格斯指出:“只要自然科學(xué)在思維著,它的發(fā)展形式就是假說?!盵6]而彭加勒則提出:“沒有假設(shè)(假說),科學(xué)家將永遠(yuǎn)寸步難行?!盵6]長期以來,一代又一代的物理學(xué)家面對著變幻莫測的大自然,出于神圣的好奇心的驅(qū)動(dòng),他們敏于發(fā)現(xiàn)問題,善于解決矛盾,敢于突破舊理論,勇于接受新觀點(diǎn),提出了許多帶有革命性品質(zhì)的假說,如:以克勞修斯等的貢獻(xiàn)作奠基的“熱動(dòng)說”,麥克斯韋的“電磁場理論”,普朗克的“能量子假說”,愛因斯坦的“光量子假說”,以及狄拉克的“反物質(zhì)假說”,等等。后經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)和觀察事實(shí)的反復(fù)論證,均已轉(zhuǎn)化上升為科學(xué)理論。其中普朗克、愛因斯坦和狄拉克還因此而分別于1918年、1921年、1933年先后榮膺了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。即使是那些錯(cuò)誤的假說,也能夠?yàn)槿蘸笮录僬f的形成和新理論的創(chuàng)立,提供科學(xué)材料和某些局部的正確原理、方法、公式和定律等。如“以太”的假說是不對的,然而,它不僅使人們懂得:空間不可能是虛無的,物體之間不存在任何超距作用;而且它還為狹義相對論的創(chuàng)立提供了思維的素材。

物理學(xué)的發(fā)展離不開數(shù)學(xué)這一重要的工具。在物理學(xué)這個(gè)博大精深的知識(shí)體系中,一個(gè)個(gè)簡潔與對稱的數(shù)學(xué)公式,就像一行行優(yōu)美、雋永的詩句,準(zhǔn)確、深刻地描繪出事物運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。例如,萊布尼茲和牛頓在前人的基礎(chǔ)上,經(jīng)過仔細(xì)比較研究,巧奪天工,創(chuàng)造了dy/dx和這兩個(gè)數(shù)字符號(hào)。它們既能說明運(yùn)動(dòng)的過程,又能說明運(yùn)動(dòng)的起始動(dòng)因和終極結(jié)果,既是運(yùn)算符號(hào),又是運(yùn)算結(jié)果,是靜與動(dòng)的統(tǒng)一,求導(dǎo)與積分的鏈狀規(guī)則各自渾然一體,使人感到美不勝收。難怪“微積分被視為人類精神創(chuàng)造的花朵”、“不可思議的事物的藝術(shù)”、“無限的交響樂”。[7]但更為重要的是,物理學(xué)中的許多重大發(fā)現(xiàn),都與巧妙、合理地應(yīng)用數(shù)學(xué)方法有著直接或間接的關(guān)系。尤其是到了現(xiàn)代時(shí)期,面對物理學(xué)理論研究的高度數(shù)學(xué)化和抽象化的傾向,“理論物理學(xué)家越來越不得不服從于純數(shù)學(xué)的形式考慮的支配”,[7]并越來越認(rèn)定理論物理的“創(chuàng)造性原則寓于數(shù)學(xué)之中”。[7]因此,崇尚和執(zhí)著地追求數(shù)學(xué)美,幾乎支配著現(xiàn)代物理學(xué)家的全部工作。同時(shí)他們還將對數(shù)學(xué)美的不懈追求,看成是一種創(chuàng)造的動(dòng)機(jī)、一種信念,以至于上升為一種信仰。如狄拉克曾于1928年提出了一個(gè)電子方程,他在通過求解這個(gè)自由電子相對論性波動(dòng)方程時(shí),得出了在數(shù)學(xué)上極具對稱性的兩個(gè)根,而直覺地預(yù)言出正電子,即建立了如上所述的“反物質(zhì)假說”。這在當(dāng)時(shí)曾被物理學(xué)界的一些著名學(xué)者權(quán)威看成是一種毫無事實(shí)根據(jù)的玄想。但對將數(shù)學(xué)美看成“象是一種宗教”的狄拉克而言,他始終堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)。4年后,安德遜在宇宙線中果然發(fā)現(xiàn)了正電子,證實(shí)了狄拉克的偉大預(yù)言。據(jù)此,狄拉克由衷地宣稱:“一個(gè)方程的美比之它能擬合實(shí)驗(yàn)更重要……因?yàn)?(對實(shí)驗(yàn)的)偏離可能是由于一些未被注意到的次要因素造成的,似乎可以這樣說,誰只要依照方程的美的觀點(diǎn)去工作,誰只要具有良好的直覺,誰就確定地走在了前進(jìn)的路上?!盵8]他甚至要求“必須把簡單性原理改為數(shù)學(xué)美原理。研究工作者……主要應(yīng)該追求數(shù)學(xué)美。”[8]

理想化方法是一種突出事物本質(zhì)的抽象,它既能排除各種次要的或干擾性的因素的影響,又能幫助人們用思辨的方法,去設(shè)計(jì)一些現(xiàn)實(shí)中不存在的模型,以及進(jìn)行一些無法實(shí)現(xiàn)或暫且不能開展的實(shí)驗(yàn),借以求得理論上的突破。所謂的理想模型,諸如質(zhì)點(diǎn)、單擺、理想氣體、點(diǎn)電荷、理想反射面、絕對黑體、各類唯象核模型等等,就是從多維的具體形象中,抓住最有本質(zhì)特征的主要形象,舍棄一些次要表象,建立起一個(gè)輪廓清晰、主題突出的新形象。這如同繪畫上的速寫,寥寥數(shù)筆,勾形達(dá)意,人物的風(fēng)貌神彩躍然紙上。這些模型在令人心悅誠服、深感美在其中的同時(shí),更為關(guān)鍵的是它們能在探索物理現(xiàn)象、揭示物理規(guī)律、解決物理問題等方面大顯神手。如剛體模型的建立,就為我們研究其中任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的距離,不因力的作用而發(fā)生改變的特殊質(zhì)點(diǎn)組,在作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的基本規(guī)律,提供了可能。所謂的理想實(shí)驗(yàn),雖然不是一種真實(shí)的實(shí)驗(yàn)而僅僅是一種特殊的思維方式。但鑒于它具有實(shí)際實(shí)驗(yàn)的最一般特征和讓全部的實(shí)驗(yàn)過程在完全理想化的狀態(tài)下進(jìn)行,使得它在揭示舊理論的局限性和謬誤、促進(jìn)新理論的建立等方面,發(fā)揮了真實(shí)實(shí)驗(yàn)所不能起到的作用。如愛因斯坦用被后人稱道為“愛因斯坦列車”的理想實(shí)驗(yàn),形象而生動(dòng)地揭示了同時(shí)性的相對性,從根本上否定了牛頓的絕對時(shí)空觀,為狹義相對論的創(chuàng)立,找到了一個(gè)基本的前提條件。后來又通過電梯的理想實(shí)驗(yàn),愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了引力的最重要的特性:可以在任何一個(gè)局部范圍內(nèi)找到一個(gè)參照系,使其中的引力作用被全部清除。由此,他抽象出廣義相對論的一個(gè)重要原理——等效原理。

人類在認(rèn)識(shí)自然的長期探索中,以不同事物之間潛在的相似性為前提,創(chuàng)造了一種類比的推理方法。許多著名的物理學(xué)家都將這一方法作為自己通向創(chuàng)新的橋梁。除了德布羅意(1929年度)在進(jìn)行電子波動(dòng)性的理論研究中,曾成功地采用了類比推理法外,湯川秀樹在提出原子核結(jié)合力的介子理論中,也得益于這種方法,并因此而成為1949年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。誠如他后來在回首往事時(shí)所說:“我自己提出介子理論的最初階段,也是因?yàn)榘旬?dāng)時(shí)熟知的電磁力作了類推,而抓住了當(dāng)時(shí)還不十分清楚的核力的本質(zhì)……像這樣類推的思考過程若能把過去熟知的東西作為線索,對于發(fā)現(xiàn)和理解與其類似而性質(zhì)不同的新事物是很起作用的。”[9]P250

在物理學(xué)發(fā)展的歷史長河中,人們曾遇到過形形色色、五花八門的物理悖論(或佯謬),諸如:“阿拉果之謎”、“引力佯謬”、“紫外災(zāi)難”、“孿生子佯謬”,等等。何謂悖論?它是怎樣產(chǎn)生的?其本質(zhì)是什么?如果按照A.A.弗蘭克爾所作的比較準(zhǔn)確的陳述,即為“‘如果某一理論的公理和推理規(guī)則看上去是合理的,但在這個(gè)理論中卻推出了兩個(gè)互相矛盾的命題,或者證明了這樣一個(gè)復(fù)合命題,它表現(xiàn)為兩個(gè)矛盾命題的等價(jià)式,那么,我們說這個(gè)理論包含了一個(gè)悖論’??茖W(xué)中之所以出現(xiàn)各種悖論,其根本原因在于人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的邏輯矛盾,也是一種‘二律背反’?!痹诖嘶A(chǔ)上,他道出了“悖論在實(shí)質(zhì)上是客觀事物的辯證性同主觀思維的形而上學(xué)性以及方法的形式化特征之間矛盾的一種集中反映?!盵10]物理悖論雖然令人絞盡腦汁,但又最能吸引人。因?yàn)槲锢磴U撌且鹂茖W(xué)風(fēng)暴的“烏云”,它能夠驅(qū)動(dòng)著物理學(xué)的不斷發(fā)展:它們之中有的成了錯(cuò)誤學(xué)說的送葬曲和新學(xué)說的催生婆;有的則使舊的理論框架受到了嚴(yán)重的沖擊而幾乎瀕臨坍塌。它在給人帶來了迷茫、失望和惶惶不可終日的同時(shí),隨著所出現(xiàn)的悖論的被消除,迎來的則是一代壯觀的物理學(xué)。如:被牛頓稱之為開辟道路的拓荒者伽利略,通過對從亞里士多德的運(yùn)動(dòng)學(xué)說之結(jié)論中所導(dǎo)出的“落體佯謬”的有力駁斥,他得到了著名的自由落體定律,并進(jìn)而觸及到了力和運(yùn)動(dòng)的真實(shí)關(guān)系,最終把力學(xué)研究引上了正確的方向。為牛頓完成物理學(xué)史上的第一次大綜合,構(gòu)筑經(jīng)典力學(xué)的理論體系,奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。面對著“ -Q疑難”,楊振寧和李政道沖破了傳統(tǒng)的宇稱守恒的信條的束縛,于1956年提出了“弱相互作用下的宇稱不守恒理論”,后經(jīng)吳健雄通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)論證后,楊、李雙雙走向了1957年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)。而“在宇宙學(xué)發(fā)展進(jìn)程中,一種佯謬被克服并產(chǎn)生著另外的佯謬;其中每一種佯謬的克服都意味著在宇宙構(gòu)造的普遍規(guī)律性上的認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步?!盵9]P342

此外,物理學(xué)史上經(jīng)典時(shí)期的三大科學(xué)綜合,以及發(fā)生在20世紀(jì)初的第4次、第5次科學(xué)大綜合,先后分別迎來了經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、經(jīng)典電磁學(xué)理論、相對論力學(xué)體系和量子力學(xué)體系的創(chuàng)立。其中,前三大體系共同組成了經(jīng)典物理學(xué)的理論基礎(chǔ),后兩大體系則構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論根基。它們共同囊括了物理學(xué)幾乎所有的觀察、實(shí)驗(yàn)事實(shí)和理論研究成果,是物理學(xué)自17世紀(jì)初成為獨(dú)立的自然科學(xué)學(xué)科以來,近400年歷史中最輝煌的偉大成就。足見,科學(xué)大綜合能夠起著歸并、融匯和升華的作用。這對于構(gòu)建完整的物理學(xué)理論體系、確立重要的物理學(xué)概念、變革物理學(xué)思想、確保物理知識(shí)的傳承性,有著不可思議的有效性。

無庸置疑,物理學(xué)家在科學(xué)研究的艱辛歷程中,無論運(yùn)用上文中所述的哪一種方法,都離不開邏輯與非邏輯的思維方式,尤其是離不開愛因斯坦所說的“那種以對經(jīng)驗(yàn)共鳴的理解為依據(jù)的直覺”。[11]102與此同時(shí),無一案例不體現(xiàn)出物理學(xué)家們的自由探索的精神、用于批判的精神、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神和大膽創(chuàng)新的精神。

三、思想觀和文化觀篇

如上所述的第4次、第5次科學(xué)大綜合,徹底革新了傳統(tǒng)的物理學(xué)思想。探尋這一物理學(xué)思想進(jìn)化的脈絡(luò),對于思考21世紀(jì)科學(xué)的走向,具有極其深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義,它必將為未來物理學(xué)的發(fā)展,增添新的詩篇。鑒于筆者先前已撰文專門論及過這個(gè)問題,故現(xiàn)僅將20世紀(jì)物理學(xué)思想的進(jìn)化所包括的11個(gè)方面的內(nèi)容作一下介紹。它們是:“由絕對時(shí)空觀到相對論時(shí)空觀;由確定性到不確定性;由連續(xù)性到分立性;由‘構(gòu)成論’到‘生成論’;由‘歸一’到‘統(tǒng)一’;由‘細(xì)部’到‘整體’;由簡單到復(fù)雜;由存在到演化;由靜觀到參與;由實(shí)驗(yàn)物理到理論與計(jì)算物理;由臻美到達(dá)真?!盵12]

物理學(xué)家們不僅以自己所創(chuàng)立的具有革命性品質(zhì)的豐碩成果,使20世紀(jì)初期的物理學(xué)思想令人耳目一新;而且他們還以大力推進(jìn)“兩種文化的聯(lián)姻”的浪漫之舉,為物理學(xué)史詩增添了新的內(nèi)容。自19世紀(jì)下半葉以來,隨著科技的發(fā)展,科學(xué)文化與人文文化之間的對立與分裂日趨嚴(yán)重,直接造成了整個(gè)人類文化的危機(jī),并導(dǎo)致了科學(xué)的濫肆運(yùn)用和嚴(yán)酷異化。對此,那些力圖將科學(xué)怎樣才能有益于社會(huì),作為貫穿其一生的主題和原動(dòng)力的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者們,心急如焚,表示了極大的關(guān)注。他們以“人類最高的理想境界——追求真善美相統(tǒng)一”為目標(biāo),從對“科學(xué)文化與人文文化相融合的卓識(shí)遠(yuǎn)見”入手,為消除兩種文化的彼此分離作了不懈的努力,并立下了汗馬功勞。

其中,最杰出的代表人物主要有:N玻爾(1922年度)、亨利·布拉格(1915年度)和拉比(1944年度),等等。至于他們是如何將這個(gè)世界難題擺到頭等重要的地位,極力呼吁兩種文化融合的緊迫性和可行性等問題,筆者已另外行文進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探討,故而在此不再贅述。但為了突出科學(xué)大師們在推進(jìn)“兩種文化聯(lián)姻”中的真知灼見,我們不妨再將該文中10余位諾貝爾獎(jiǎng)得主關(guān)于這個(gè)方面的具體構(gòu)想,簡要地歸結(jié)為:(1)在觀念上加強(qiáng)自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)之間的聯(lián)盟,不斷克服作為科學(xué)文化代表的科學(xué)家和以人文文化為代表的人文學(xué)者之間的誤解和偏見,是促進(jìn)科學(xué)文化與人文文化的融合發(fā)展的有效途徑之一。(2)鑒于在科學(xué)文化的深層次結(jié)構(gòu)中,蘊(yùn)含著邏輯的、直覺的、價(jià)值的、審美的、道德的等諸多因素。據(jù)此,可以在深層底蘊(yùn)和價(jià)值取向上,去努力實(shí)現(xiàn)科學(xué)文化與人文文化的相互溝通與互補(bǔ)。只有這樣,才能構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。也只有這個(gè)融合的文化系統(tǒng),才能以其人道的、文化的和人生意義等的人文指向和尺度蘊(yùn)含,表達(dá)著人的世界。(3)由于科學(xué)精神強(qiáng)調(diào)科學(xué)方法和科學(xué)理性,追求客觀真理;而人文精神則主要強(qiáng)調(diào)尊重人的價(jià)值。而如何將這兩種精神融為一爐,正是我們現(xiàn)行的教育理念、教育模式、課程設(shè)計(jì)等大為忽視的。因而兩種文化的分離及其對立,有著深刻的教育原因。為了促進(jìn)兩種文化的交融,一方面必須重視文理兼治,另一方面應(yīng)該在科學(xué)教育實(shí)踐中,積極探尋和善于利用傳統(tǒng)文化意蘊(yùn)所形成的人文精神與現(xiàn)代科技精神之間的聚集點(diǎn)和契合點(diǎn)[13]。拉比說得好:“我建議科學(xué)應(yīng)該以人文方式去教,而不論是什么水平的,從低級(jí)到高級(jí),同時(shí)科學(xué)應(yīng)該被傳授以某種歷史理解、哲學(xué)理解、社會(huì)理解和人性理解……?!盵14](4)N玻爾的偉大創(chuàng)舉。[15]即他試圖將其用于詮釋量子力學(xué)的“互補(bǔ)原理”的“概念構(gòu)架”加以擴(kuò)充,來消除科學(xué)文化和人文文化的彼此分離。雖然他的這種寬容的態(tài)度并不能盡然消除“兩種文化”的隔閡,但很有必要。

四、以科學(xué)造福人類篇

費(fèi)曼(1965年度)曾強(qiáng)調(diào)指出:“科學(xué)知識(shí)給予人們能力去行善也可以去作惡,它本身并沒有附帶使用說明”。[16]249翻開物理學(xué)史的巨幅篇章,我們不難發(fā)現(xiàn),幾乎所有的物理學(xué)家都十分關(guān)心研究成果必須應(yīng)用于社會(huì)的健康發(fā)展,堅(jiān)決反對科學(xué)的應(yīng)用所造成的負(fù)面效應(yīng)。這不僅是他們獻(xiàn)身于科學(xué)、將探求真理作為自己的天職的根本原因,也是他們從不同的角度、通過各種途徑、采取各種形式,致力于科學(xué)與人文之間必須握手言和、大力弘揚(yáng)人性至上的根本宗旨。如,上文中提及的居里夫人發(fā)現(xiàn)鐳后,不要商業(yè)專利,無私地讓鐳為全人類服務(wù),并且她還將榮獲的第二次諾貝爾獎(jiǎng)(化學(xué)獎(jiǎng))的全部獎(jiǎng)金捐獻(xiàn)給了和平事業(yè)。又如,自從20世紀(jì)初期以來,一些著名的物理學(xué)家,還運(yùn)用了當(dāng)時(shí)物理學(xué)的一些新思路、新理論、新技術(shù)和新方法,同生物學(xué)家攜手合作,全神貫注地投入了探求“生命奧秘”的浪漫舉動(dòng)。這一創(chuàng)舉所取得的偉大成就主要有:一是開啟了分子生物學(xué)研究的歷史先河。其中N玻爾、薛定諤(1933年度)和德爾布呂克在關(guān)于生物學(xué)思想方面提出了系列精辟的見解;而勞倫斯·布拉格(1915年度)、肯德魯和佩魯茲則在生物大分子結(jié)構(gòu)測定方法方面作出了重大貢獻(xiàn)。二是物理學(xué)家R.E.富蘭克林和威爾金斯拍攝了關(guān)于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的清晰而精美的 -衍射圖片。三是迎來了偉大的分子生物學(xué)時(shí)代。其中沃森(生物學(xué)家)和克里克(物理學(xué)家)在別人所獲得成果的基礎(chǔ)上,于1953年成功創(chuàng)立了DNA雙螺旋模型,擷取了生物學(xué)史上一顆璀璨的明珠。沃森、克里克和威爾金斯3人因此而共同分享了1962年度諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。無疑,生物學(xué)家與物理學(xué)家的優(yōu)勢互補(bǔ),以及物理學(xué)與生物學(xué)的交叉滲透與完美結(jié)合,為當(dāng)今基因重組等的發(fā)現(xiàn),進(jìn)而使生物技術(shù)為人類謀福利開辟了廣闊的前景。再如,自從上述的J基爾比于1959年成功研制成第一塊集成電路之后,J赫爾尼和R諾依斯于同年就全力以赴地發(fā)明了獨(dú)特的“平面工藝”,迅速使集成電路的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化,并且后來R諾依斯和一些同事還組建了一個(gè)世界著名的英特爾公司。以此又推動(dòng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和信息與通訊科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn),使現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)生了翻天覆地的變化。如此等等,不勝枚舉。更動(dòng)人心弦和膾炙人口的是,還有不少的物理學(xué)家,運(yùn)用自己的社會(huì)影響,主持正義,關(guān)注社會(huì),反對戰(zhàn)爭。法拉第成名后,曾斷然拒絕英國政府請他領(lǐng)導(dǎo)研制用于克里米亞戰(zhàn)爭的毒氣;N玻爾在第二次世界大戰(zhàn)后一直致力于促進(jìn)核能的和平利用;在上個(gè)世紀(jì)40年代末,拉比和費(fèi)米(1938年度)一起曾強(qiáng)烈地表示反對美國制造氫彈和超級(jí)彈;拉比還曾以駐聯(lián)合國教科文組織的美國代表的身份,積極促成了歐洲核子研究中心(CERN)的建立,特別是在他的不懈努力下,終于使聯(lián)合國在1954年12月4日通過一項(xiàng)召開國際和平利用原子能會(huì)議的決議,并成立了一個(gè)顧問委員會(huì),從而促使了該會(huì)議的首屆于次年如期在日內(nèi)瓦舉行。當(dāng)拉比被人問及他對以往的許多行為哪些感到滿意并具有特殊意義時(shí),他自豪地回答:“我非常引以為榮的就是日內(nèi)瓦原子能和平利用國際會(huì)議”。[17]245

除上文中所述的之外,物理學(xué)史這部雄偉壯麗的科學(xué)史詩還包括為了確??茖W(xué)知識(shí)的傳承性,一些第一流的物理學(xué)家“長期執(zhí)著于教壇篇”。關(guān)于這方面的內(nèi)容,筆者在已發(fā)表的文章中均已經(jīng)涉及,如:《M普朗克——執(zhí)著教壇的科學(xué)泰斗和音樂家》(物理.1998.6),《物理科學(xué)泰斗的執(zhí)教風(fēng)范與教育觀》(巢湖學(xué)院學(xué)報(bào).2005.3)、《培養(yǎng)創(chuàng)新人才之方——諾貝爾得主的科學(xué)教育觀》(物理通報(bào).2008.6)、《試論在基礎(chǔ)物理教學(xué)中必須給學(xué)生“留下空間”》(物理與工程,2009.2),等等。鑒于篇幅所限,在此就不再贅言了。

綜上所述,物理學(xué)史這部可歌可泣的科學(xué)史詩,既是歷代物理學(xué)家嘔心瀝血、機(jī)智運(yùn)籌的集體智慧的結(jié)晶,又是他們的文化思想、科學(xué)精神和崇高品德得到淋漓盡致的發(fā)揮的真實(shí)寫照。由于它蘊(yùn)涵著極其豐富的素質(zhì)教育的素材,因此,物理學(xué)史對消除兩種文化的對立、樹立歷史感和批判精神、培養(yǎng)創(chuàng)新品質(zhì)和意識(shí),洞悉科學(xué)思想與方法、弘揚(yáng)高尚的品格等方面,均具有極其重要的作用。的確是一部對學(xué)生進(jìn)行素質(zhì)教育的不可多得的理想教材。

我們還是以三位卓越的物理學(xué)大師愛因斯坦、拉比和亨利·布拉格各自所說的一句至理名言,作為全文的結(jié)尾吧。愛因斯坦指出:“第一流人物對于時(shí)代和歷史進(jìn)程的意義,在其道德品質(zhì)方面,也許比單純的才智成就方面還要大,即使是后者,它們?nèi)Q于品格的程度,也遠(yuǎn)超過通常所認(rèn)為的那樣”。[11]339拉比則聲稱:“科學(xué)家在社會(huì)上的角色不能僅僅限定在他在科學(xué)上的特殊貢獻(xiàn),它(按:指科學(xué)貢獻(xiàn))經(jīng)常表現(xiàn)為個(gè)人魅力和工作作風(fēng)在其中起很大作用。在我們時(shí)代,我們對玻爾、愛因斯坦了解很多,不僅僅在于他們的科學(xué)貢獻(xiàn)?!盵18]706-707而亨利·布拉格也強(qiáng)調(diào)說:“一些最偉大的科學(xué)家,世界從他們的生活中比從他們的發(fā)現(xiàn)中得到的更多……他們對真理的崇敬和追求真理的無私奉獻(xiàn)……追求知識(shí)的精神和應(yīng)用知識(shí)的方式,比知識(shí)本身更重要更真實(shí)?!盵19]11

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O4-09

:A

:1673-1794(2010)04-0075-05

程民治(1945-),男,教授,研究方向:物理學(xué)史、理論物理、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)美學(xué)。

2009-10-12

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