郝柏林

(復旦大學物理系和理論生命科學研究中心 200433;中國科學院理論物理研究所 100190)

當19世紀后半葉物理學從西方傳入中國時，metaphysics已經被翻譯成形而上學，于是有人把physics稱為“形而下學”.不過后來還是從日本譯文借回來源于中國的“物理”一詞.日文翻譯是受到莊子《知北游》中一段話的啟示：“天地有大美而不言，萬物有成理而不說.夫圣人者原天地之美，而達萬物之理.”原來我們物理工作者就是探求世間萬物的道理，追溯自然之美的圣人！

圖：頤和園萬壽山銅亭出口處的牌坊(作者攝)

其實物理二字在中國文化中源遠流長.李政道先生多次引用杜甫的詩句“細推物理須行樂，何用浮名絆此身”，那涵義是比較寬廣的.《淮南子·覽冥訓》說“耳目之察，不足以分物理”；耳聽是虛，眼見也不一定是實，必須要有儀器觀測和理論思維，才能深入事物的本質.近代愛國華僑領袖陳嘉庚先生，為了不占耕地而把自己的墳墓修建在填海而成的小島上.廈門集美鰲園陳嘉庚墓園的石刻浮雕反映了先生的教育觀念，特別是墓碑背面有一幅對聯(lián)說“海潛空飛齊物理以歸一，天造地設合人力而成三”，更是融合了老子“一生二、二生三、三生萬物，地法天、天法道、道法自然”的思想.在北京頤和園萬壽山銅亭出口處，一幅對聯(lián)的下聯(lián)說“物含妙理總堪尋”，也是鼓勵人們去探究事物的道理(見圖).

物理學是講道理的學問

物理學其實很簡單，它只有很少幾條大道理.這些大道理不能夠證明或推導，只能從實驗中總結概括出來，它們的各種推論要受到實踐檢驗.學習物理學，就是要學會用少數(shù)大道理，講明白許多小道理.物理學教導我們尋根溯源，追求真理.物理學幫助我們不盲從、不迷信.

物理學又是方法論.它訓練我們從事實和數(shù)據出發(fā)，去發(fā)現(xiàn)問題，解決問題.物理學教我們分清主次，善于抓住主要矛盾，不被細節(jié)引入歧途.物理學還教我們做到“心中有數(shù)”.但是，要特別注意，不要把中學物理變成算術習題集.要啟發(fā)學生們自己去提出問題、想清道理.舉一個小例子.有一個常見的問題是：一個人要在平面鏡里看見自己的全身，那鏡子至少要多高？標準答案是人身高的一半.如果有一個學生說，鏡子可以更短，只要把它傾斜一些.這答案是對還是錯？我看應當給這個學生加分.

在日常生活中可以提出許多問題.例如，為什么在地球上誰也沒有見過像足球那么大的雨滴？參天喬木到底可以長多高？電子計算機最快可以算多快？電子元件最小可以做多?。繛槭裁磸那靶掼F路要在鋼軌間留下縫隙？為什么現(xiàn)在又把許多條鋼軌焊接到一起？只要抓住一個現(xiàn)象，連續(xù)問幾個為什么，許多物理學家也會回答不出來.善于觀察現(xiàn)象、提出問題，思考和尋求解決途徑，這比死記硬背標準答案重要多了.

物理學是一門歷史科學.一部《普通物理學》的目錄，就是一份物理學史提綱.歷史和邏輯的一致性，在物理學的發(fā)展中表現(xiàn)得極為清楚.物理學的發(fā)展不斷克服著人們的保守和偏見.從“熱素”學說到原子和分子的運動，從能量守恒到宇稱破缺，新的物理觀念影響著人類對自然和社會現(xiàn)象的認識.一直到20世紀初，當時最著名的某些科學家無論如何不能接受原子和分子的存在，而對于現(xiàn)代的孩子們，原子和分子好像是與生俱來的自然觀念.正如老物理學家普朗克說過那樣，新的科學真理向來不靠說服反對者取勝，而要等反對者去世和接受真理的新一代成長起來.物理教學的任務之一就是把真理傳授給成長中的新一代人.

物理學是多門自然科學的基礎

許多自然科學的學科要經過物理學去“攪和”一番，才最終成熟起來.化學是很好的例證.化學價、化學鍵、親和力、周期表、……到1900年這些詞兒差不多都已經出現(xiàn)，但是說不清背后的原因.一直到量子力學闡明了氫原子、氫分子和原子構造，明白了填滿和不滿的電子殼層、成鍵和反鍵軌道這種種概念，化學才有了堅實的基礎，走上獨立發(fā)展的道路.

生物學正在經歷著類似的過程.生物是物，生物有理.我們只舉一個例子.不要以為輪子是人類特有的發(fā)明，只有哪吒才會腳踏風火輪行進.生物細胞里就有許多精巧的分子馬達.生物化學反應所需能量，儲存在一種叫做三磷酸腺苷(ATP)的有機分子的磷酸根里.提供一次能量之后，它變成二磷酸腺苷(ADP).把ADP重新變成ATP的“充電器”，就是由一批蛋白質組成的分子馬達.一臺直流電機可以雙向運作，供電可以轉動，轉動可以發(fā)電.一個分子馬達也可以雙向運作，供給ATP時發(fā)生轉動，轉動起來可以把ADP變成ATP.大腸桿菌的鞭毛借助蛋白質組成的一個滾柱軸承插在細胞膜里，那是尺寸更大的一個馬達.許多生物分子機器，會在熱漲落上“沖浪”，不利時暫停片刻，有利時往前跳一步，完成適應某種“目的”的定向運動.

1953年DNA分子雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)，依據了X射線結構分析的成果.1977年發(fā)明的DNA化學測序方法，開啟了基因組時代的大門①[注]① 可以參看：郝柏林.基因組測序永無止境的根本原因.《科學》雜志，2011年第63卷第5期，5～10..投資30億美元、歷時13年(1990～2003)才基本完成的國際人類基因組計劃，在不久的將來依靠新興的物理測序技術，或許可以在不到兩周之內，以低于1千美元的成本完成.多種物理測序方法的原理，例如目前呼聲甚高的“納米孔”技術，來自與測序無關的其他試驗領域.人類社會長遠未來的生產，將是包含自組裝、自復制、自學習、自調控、自診斷、自修復、自動再利用的“生物式”的生產過程.物理學和生物學的互相作用，一定會帶來意想不到的科學和技術進步.有志于物理學的年輕人，應當把眼光從“死物”擴展到“活物”.

物理學是技術進步的源泉

每一個時代都有自己的“高新”技術.19世紀的高新技術如制冷、真空、照明和電機，20世紀的高新技術如原子能、半導體、激光、計算機和基因工程，它們都誕生在安靜的科學實驗室里.它們是科學革命的產物，而不是技術革新的后果.“于無聲處聽驚雷”乃是科學革命的正道，人類的好奇心和并不追求“經濟效益”的科學實驗起著巨大的推動作用.

電動機沒有出現(xiàn)在內燃機制造廠里.18世紀的蒸汽機、汽船，19世紀初出現(xiàn)的蒸汽機車，全是“外燃機”.蒸汽動力的傳輸靠天軸、地軸和皮帶輪，距離極為有限.1792年出現(xiàn)了沒有壓縮階段的內燃機.19世紀初明白了壓縮階段的重要性和卡諾循環(huán)分析，熱力學開始發(fā)展.如何提高內燃機效率，曾是當時的核心技術問題.與這些當時生產中的迫切問題似乎沒有任何關聯(lián)，新的科學和技術革命已經在安靜的實驗室里萌芽.

1819年奧斯特(H. C. Orsted)偶然發(fā)現(xiàn)電流引起磁針偏轉.安培深入研究，發(fā)現(xiàn)平行和反平行電流的相吸和相斥.1820年9月，安培在法國科學院做了報告.那時有人反對說，“已知電流和磁鐵相吸，已知磁鐵和磁鐵相吸，所以電流相吸不是新發(fā)現(xiàn)”.安培的一位支持者從褲袋中掏出兩把鐵鑰匙說，“已知鑰匙和磁鐵相吸，已知磁鐵和磁鐵相吸，但是鑰匙和鑰匙不相吸”，因此電流和電流相吸相斥是新發(fā)現(xiàn).整個1830年代法拉第從事的電磁現(xiàn)象研究，在二三十年后導致了電動機和發(fā)電機的發(fā)明.1882在慕尼黑電氣展覽會上，展出了一條長57公里的2千伏輸電線，在1891年法蘭克福博覽會上就有了長175公里的25千伏三相交流輸電線.天軸、地軸和皮帶輪后來只能在一些落后的工廠和老電影里看到了.

熱機研究的一個副產品是真空技術的進步.真空技術加上日漸成熟的發(fā)電技術，自然導致白熾燈的發(fā)明.1881年首次由發(fā)電廠向倫敦供電，倫敦的照明街燈改用白熾燈泡，但是還保持了原來汽燈的外形.蠟燭和油燈曾是人類的主要照明工具，一定有不少人研究過改進它們的效率.但是，電燈泡沒有誕生在蠟燭作坊里.誰能想到對充有微量水銀、鈉蒸氣或其他元素的玻璃管里五光十色的真空放電研究，不僅導致了X光和放射性的發(fā)現(xiàn)，還最終催生了量子力學.

19世紀中葉，當電磁現(xiàn)象的研究開始“轉化”為生產力時，麥克斯韋卻在自己的書房和實驗室里，比照著流體運動，試圖把從安培到法拉第的試驗結果加以數(shù)學概括.在1873年出版的集大成的兩卷專著《論電和磁》②James Clerk Maxwell. A Treatise on Electricity and Magnetism. MacMillan & Co., Publisher to the University of Oxford, London, 1873.中，他甚至沒有使用現(xiàn)在人們習以為常的矢量表示(事實上，他當時熱衷于后來并不成功的四元數(shù))，而是為20個變量寫下了20個方程.他清楚意識到這些方程的重要性，專門用大寫英文字母(A)，(B)，……為它們編號，而書中其他公式都用數(shù)字排序.要從這樣繁瑣的公式中看出來，存在著以光速傳播的電磁波，確實需要有一個天才的頭腦，而更重要的是赫茲在1888年用試驗證實了電磁波的存在.赫茲用來檢驗電磁波折射規(guī)律的那個1噸多重的瀝青三棱鏡，至今還陳放在德國卡爾斯魯大學物理系.

圖：發(fā)明無線電報后不到10年的軍用移動電臺(引自1906年出版的一本英文書)

電磁波很快被用于無線電通訊.同在1895年，意大利的馬可尼和俄國的波波夫分別獨立地發(fā)明了無線電報③可以參看：郝柏林.究竟是誰發(fā)明了無線電？《物理通報》，1992年第2期，39～40頁..1906年出版的一本講述無線電報技術的英文書④Gustav Eichhorn. Wireless Telegraphy. Charles Griffin & Co., London, 1906.(見圖)曾經沒有偏見地提到這兩個人的貢獻.然而，隨后的發(fā)展卻清楚反映了環(huán)境和社會的差別.馬可尼到英國去尋求資本支持，成立了馬可尼公司，他同布勞恩一起獲得1909年的諾貝爾物理學獎.波波夫后來做了彼得堡電工學院的院長.1905年彼得堡城防司令召見波波夫，要他制止學生的革命活動，被波波夫拒絕.幾天后，他因腦出血去世.

無線電技術最初并沒有自己的元器件，都是臨時利用各種物理效應(萊頓瓶放電、金屬細粉檢波、平板電容器).后來才有了專門為無線電服務的真空管工業(yè).第二次世界大戰(zhàn)期間的美國軍隊，裝備了清一色的6J5金屬殼電子管，整流、檢波、低放、中放、高放都用它，壞了可以隨便抓一個插上.為了適應超高頻的要求，管子做得越來越小(見圖)，連管腳之間的寄生電容都會導致信號漏失.然而，真正解決問題的新器件來自半導體，可半導體器件并沒有出現(xiàn)在電子管廠里.

有一種流傳頗廣的說法：科學“轉化”為生產力的速度越來越快.在一本印量巨大的書里⑤馬錫冠等.現(xiàn)代科學技術基礎知識(干部選讀).中共中央黨校出版社，1999.舉半導體為例，說“1948年發(fā)現(xiàn)半導體，1954年生產出半導體收音機”，這是無視歷史事實的杜造.從1811年發(fā)現(xiàn)硅、1850年把硫化銀電阻隨溫度上升而降低作為半導體的判據、1886年發(fā)現(xiàn)鍺，到1930年代量子理論對固體電子性質的解釋、1947年發(fā)明點接觸晶體管、1950年發(fā)明結型晶體管，還沒有到半導體收音機，已經跨越了近140年.

我們花了不少筆墨概述物理學史上的一些事件，特別是前文給“轉化”二字加上引號，是因為中國傳統(tǒng)文化的弱點，至今還在限制著現(xiàn)代科學的發(fā)展.科學與技術不是一回事.科學,特別是物理學，不斷擴展著人類的世界觀、方法論和自然觀；科學的內容與作用遠遠多于“生產力”.中國有著把科學與技術混為一談、以技術涵蓋科學的古老傳統(tǒng).簡單、機械的理論和實踐觀，一直在妨礙著學者們安心致志、長期堅持地做出事情.正是急功近利的科學技術政策，阻礙著我國的工業(yè)生產立足于自己的基礎研究成果.我們必須從文化層面上考察物理教育，從教育入手來改變狀況.

物理教育是文化教育

文化需要沉淀和積累，而中國的傳統(tǒng)文化里缺少從事科學試驗、演繹推理、證實排偽的精神.公元前三世紀，東西方文化發(fā)展分道揚鑣.馬其頓大帝國的后繼者之一，埃及的托勒密一世國王在公元前290年下令在亞歷山大城建立規(guī)模巨大的圖書館.這里曾是世界上唯一的科學研究中心.秦始皇統(tǒng)一中國之前4年，歐幾里得誕生在希臘，他在亞歷山大圖書館里度過最富創(chuàng)造力的年華，因而在西方科學史中被稱為“亞歷山大的歐幾里德”.公元前213年，秦始皇下令焚書和廢私學(那時沒有公立學校)、敢議《詩》、《書》者誅.焚書的第二年，秦始皇又在驪山背后，把460多位知識分子挖個坑埋掉，用強權統(tǒng)一思維，禁止學術自由.我們至今還在感受著這次文化發(fā)展“分岔”的影響.

兩千多年來，多少代優(yōu)秀的中國知識分子把畢生精力用于遣詞造句和詮釋前賢.中國歷史上沒有過像布魯諾⑥G. Bruno(1548～1600), 因堅持哥白尼日心學說被羅馬教廷燒死.那樣的科學殉道者.我們崇敬的科學家如張衡、郭守敬、徐光啟，都首先是政府官員，才能掌握做出一些科學建樹的資源和條件.“以農立國”的泱泱中華，難道就沒有過聰明的農村少年，仔細觀察過雞蛋孵化小雞的全過程？這類被師長們視為離經叛道的活動，自然不會在文獻中留下記錄.相形之下，胚胎學和解剖學研究在西方科學思想的發(fā)展上起過多么巨大的作用!我們引以為榮的四大發(fā)明，全是技術.這本來沒有什么奇怪，各個民族的早期發(fā)明都以技術居多.然而，與四大發(fā)明有關的科學概念，磁極、磁力線和磁場、燃燒和爆炸的化學與物理，引爆和爆轟的理論，沒有一個誕生在中國.

魏晉時代的清談之風，當時還有過抵制政治迫害的積極意義.后人忘其所以，樂此不疲.有人以中國文化的“整體”和“綜合”傲視西方科學的分析傳統(tǒng)，有人熱衷于從《周易》里尋求現(xiàn)代科學問題的答案.其實，對自然界的分析研究沒有做過多少貢獻的人，并無資格侈談整體和綜合.《周易》充其量只是“人類幼年時期的天才創(chuàng)造”(馬克思評希臘神話語)，少數(shù)愛好者繼續(xù)研讀，本來無可厚非；用以誤導學子，則理應堅決反對.清談誤國、清談誤事、清談誤人.中華文化背景下的教育工作者，更要注意通過物理學來培育年輕人的現(xiàn)代實證方法和科學精神.

向中學物理老師們致敬！

物理是一門藝術.同音樂、繪畫一樣，物理學,或廣而言之自然科學有著不同背景、不同深度的大量欣賞者和愛好者，這是現(xiàn)代人文化素養(yǎng)的一個重要方面.同樂師、畫匠一樣，社會需要相當多專業(yè)的物理工作者和物理教育家.同音樂家和畫家一樣，社會還需要有所發(fā)現(xiàn)、有所發(fā)明的物理學家，在推動整個人類的科學技術進步方面，做出中華民族應有的貢獻.培養(yǎng)所有這些素養(yǎng)和人才都是物理學教育和物理學教師的使命.

最后，我利用這個機會，簡單地說一下自己怎樣喜歡上了物理學.

作為一所建立了師范班的河北省立中學的學生干部，我在17～18歲時就做好了獻身中等教育事業(yè)的思想準備.后來因為偶然機遇上了大學，有幸從事從小就喜歡的理論物理研究.然而，我的許多少年伙伴在教育戰(zhàn)線奮斗終生.我自己在感情上也一直是中學物理教師隊伍的一員.我喜歡起物理，有三個原因.第一是讀書.在抗日戰(zhàn)爭時期的“陪都”重慶上小學時，父親買了一套32冊草紙印刷的《少年自然科學叢書》；后來在北京男四中又有個好圖書館，初一上半年就讀了幾本天文科普書.天文和物理都引起我的興趣.第二，我初中時就是個無線電愛好者，經常到北平什剎海曉市去尋覓零件，做礦石收音機，還玩過前面提到過的美國軍用的6J5真空管.然而，最重要的原因是，中學時期遇到了幾位非常好的物理老師.我的高中物理老師李直鈞，早年畢業(yè)于清華大學航空系，卻一生執(zhí)教中學物理，還在草場胡同創(chuàng)辦了直鈞小學(后改稱草場小學).他洪鐘般的聲音至今在耳邊回響,“我的學生，物理就得比別人好”！“我要有十分力氣，我只能用七分教你們，剩下那三分我還要自己讀書呢”.到了80歲，他還在孜孜不倦地鉆研德文，說“我的德文還沒有過關”.在這樣的精神感召下，選學了物理的可不只我一個人！

對中華文化的復興和中華民族的崛起，兩岸四地的物理教育工作者一定會做出自己的貢獻.我感謝大家，祝福各位！