黃 晶

(杭州市學(xué)軍中學(xué) 浙江 杭州 310032)

邱為鋼

(湖州師范學(xué)院求真學(xué)院 浙江 湖州 313000)

1 源起

中學(xué)生物理競賽，本意是通過競賽這種形式，發(fā)現(xiàn)具有物理學(xué)家潛質(zhì)的青少年，讓他們以更好更快的通道成長起來，包括但不局限于保送到雙一流大學(xué)、大學(xué)招生優(yōu)惠待遇等.大眾最熟悉的是中學(xué)生物理奧林匹克(簡稱奧賽)，其次是國際青年物理學(xué)競標賽(簡稱學(xué)術(shù)賽)，以及丘成桐中學(xué)科學(xué)獎(簡稱丘賽).

國際青年物理學(xué)競標賽(IYPT)，最初是1987年莫斯科州立大學(xué)組織莫斯科地區(qū)的高年級中學(xué)生的物理競賽.共有17道開放性物理問題，以團隊的形式研究題目，以辯論的形式比賽.目的是為大學(xué)招收物理人才提供一個有效的渠道.1988-1993年，推廣到前蘇聯(lián)全國范圍.1994年開始，在荷蘭舉行.IYPT組織屬于歐洲物理學(xué)會.南開大學(xué)首先于2008年引入國內(nèi)，分為大學(xué)生(CUPT)和中學(xué)生(CYPT)兩種層次的競賽[1].

丘成桐中學(xué)科學(xué)獎借鑒了國際“英特爾科學(xué)獎”的組織與選拔模式[2]，力求打造一場殿堂級的頂尖中學(xué)生科學(xué)學(xué)術(shù)比賽，挖掘并培養(yǎng)那些不斷追求真理，具有科學(xué)素養(yǎng)和熱情、高知識儲備的優(yōu)秀中學(xué)生.以“創(chuàng)新、體驗、成長”為核心要素，激發(fā)和提升中學(xué)生對科學(xué)研究的興趣和創(chuàng)新能力，通過打造參與式體驗國際競賽模式，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)有前途的年輕科學(xué)人才，幫助他們更好地適應(yīng)未來的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)自我成長.該獎項的設(shè)置旨在建立起中學(xué)生、中學(xué)教師同國際知名科學(xué)家之間的聯(lián)系，激發(fā)中學(xué)生對于數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科的研究興趣與創(chuàng)造力.

2 不同之處

我們從幾個特定的側(cè)面對這3種物理競賽做比較分析.從題目來源、解答時間和評判標準來看，奧賽題目是事先給定的，無論是理論題目還是實驗題目，都必須在限定時間內(nèi)完成.學(xué)術(shù)賽題目量是固定的，共17道，也是給定的，但是提前一年放出，選手們有充裕的時間來準備.丘賽的題目是自選的，理論上準備時間是一年，有些獲獎的題目前期時間更長.第一屆金獎題目“紙飛機的飛行動力學(xué)”，萌發(fā)于小時候玩紙飛機的經(jīng)歷.不管丘賽是否存在，題目就在那里，正好在合適的時間與丘賽相遇了.奧賽題目是有參考標準答案的，有嚴格的評分細則.學(xué)術(shù)賽沒有嚴格意義上的標準答案，它的評判標準也不是與理想答案是否接近，而是看選手所用的理論模型、實驗方案等是否遵循物理研究的一般方法，是否可以經(jīng)得起各方的挑戰(zhàn).丘賽的題目是自選的，所以根本沒有統(tǒng)一標準答案.通訊評委會直接斃掉超出高中生能力的文章.半決賽的評委是國內(nèi)雙一流大學(xué)的物理教授，總決賽的評委是國際頂級高校的物理教授，有幾屆甚至是物理學(xué)諾貝爾獎獲得者.

參與3類物理競賽學(xué)生的感受是不一樣的.36屆奧賽決賽總分第一學(xué)生的感悟是：參加物理競賽是不斷學(xué)習(xí)和探索的過程，可以讓大家學(xué)到海量的物理知識，掌握解決問題的方法和技巧，感受到物理學(xué)的無盡魅力.第一屆丘賽物理金獎學(xué)生的感悟是這樣的：初中階段通過網(wǎng)絡(luò)自學(xué)麻省理工學(xué)院教授的課程.在北京參賽時，看到煙囪上的炊煙，孩子們就興奮了，他們想研究風(fēng)使煙發(fā)生的變化.比賽前一天的晚上，還去聽了格林的講座，向諾貝爾物理學(xué)獎獲得者提了一個據(jù)說嚇倒一片人的問題:除了暗物質(zhì)和10～100 TeV能級的探索外，我們還能借助什么線索去尋找標準模型和弦論的統(tǒng)一？

3類物理競賽所要求的能力是不一樣的.第30屆國際青年物理學(xué)家錦標賽中國國家隊隊長介紹說，IYPT比賽需要經(jīng)歷閱讀賽題、建模、實驗裝置搭建、數(shù)據(jù)處理、PPT制作、現(xiàn)場展示等多個環(huán)節(jié).丘賽學(xué)生所需的能力是興趣驅(qū)動的自主研究能力.以首屆丘賽物理競賽為例，研究的是紙飛機如何飛得更遠.選手設(shè)計實驗、收集數(shù)據(jù)、利用計算機軟件分析數(shù)據(jù)與作圖，開展了一系列研究.僅僅為了研究紙飛機拐彎的原因，就花了好長時間.這項研究很樸素，用的設(shè)備都是中學(xué)實驗室中有的，包括紙張、皮筋、鐵架子、傳感器、滑輪，甚至用風(fēng)扇來進行風(fēng)動實驗，看紙飛機要以何種角度起飛，才能達到升力最大、阻力最小.

3 為何計算

中學(xué)物理奧賽所考察的能力，以后科研可能會用到的，可能就是解析計算能力.那么，真正物理研究所需要的這種計算能力是怎么體現(xiàn)的呢，為何要計算？我們聽聽一些物理學(xué)家對于所需的物理知識和計算能力是怎么評價的.

首先，黃昆說：學(xué)習(xí)知識不是越多越好，越深越好，而是應(yīng)當與自己駕馭知識的能力相匹配(圖1).

圖1 黃昆對所需物理知識和計算能力的評價

其次,趙凱華說[4]：當一位成熟的物理學(xué)家進行探究性的科學(xué)研究時，常常從定性的或半定量的方法著手.這包括對稱性的考慮和守恒量的利用，量綱分析，數(shù)量級估計，極限情形和特例的討論，簡化模型的選取，以至概念和方法的類比，等等.他們通過定性的思考和半定量的試驗，力求先對問題的性質(zhì)，解的概貌取得一個總體的估計和理解.否則一下子陷入細枝末節(jié)的探討，往往會一葉障目，只見樹木，不見森林.這種定性或半定量的分析問題的能力，對初學(xué)者來說卻是最難不過的.因為這要靠一定的物理直覺和洞察力，沒有相當?shù)慕?jīng)驗和功力是做不到的.

于敏具有深刻的物理洞察力[5]，快速的數(shù)學(xué)計算能力和非凡的記憶能力.往往能把復(fù)雜的物理問題，勾畫出一幅清晰的物理圖像，提出不同階段應(yīng)該研究的科學(xué)問題，并分別處理，逐步解決，在旁人看來，真有點像“庖丁解?！蹦菢拥眯膽?yīng)手.在技術(shù)路線上，于敏把“物理分解”看作核武器物理基礎(chǔ)研究的“基本環(huán)節(jié)”.還要分解每個過程的物理現(xiàn)象，研究其規(guī)律，進而研究其機制和起主導(dǎo)作用的物理因素，并通過數(shù)值模擬準確地再現(xiàn)這些過程.在一個個因素弄清、一個個環(huán)節(jié)解決的基礎(chǔ)上，再分進合擊，綜合集成.一篇篇小文章，成就一篇大文章.

楊振寧先生在二維Ising模型的后記中寫過這樣的段落[6]：“于是我著手做了一個長的計算，這是我的物理學(xué)生涯中最長的一個計算.它曲曲折折，處處都要用到一些技巧，碰到數(shù)不清的障礙.然而，過不了幾天，總會發(fā)現(xiàn)一些新訣竅，指明新的路子.問題是，我很快就感到自己處在一個迷魂陣里，搞不清楚經(jīng)過這許多峰回路轉(zhuǎn)以后，究竟是否比出發(fā)時更接近原定的目標.這種感覺是非常令人沮喪的.好幾次我差不多要洗手不干了.但每一次總有些什么東西把我拉回來，通常是一個新的訣竅使事情豁然開朗，哪怕是僅照亮了其中的一個局部.經(jīng)過大約6個月的斷斷續(xù)續(xù)，終于，所有的片段突然融合在一起，產(chǎn)生了奇跡般的各項相消的情形.我眼睜睜的盯著出奇的簡單的最后結(jié)果.”

北京大學(xué)物理學(xué)院理論物理研究所的鄭漢青教授[7]，是在Higgs理論中作出貢獻的唯一一個中國人.他計算的了higgs粒子到雙光子反應(yīng)的兩圈費曼圖，計算結(jié)果被用在LHC檢測higgs的一個實驗上.他回憶說“我那時候每天下午四點起床，讀報，趕飯點去學(xué)一食堂，打一大盆豬食吃了，再回去睡覺.太陽下山以后起來去辦公室，泡上一杯咖啡，開始算，中間除了抽煙，就不停了.算到早上六點，就回去睡覺.前后連續(xù)算了四十天，就把這個算出來了.”

戴森回憶說[8]，貝特(Hans Bethe,1967年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者)有一個非常棒的本領(lǐng)，他能做一些簡單計算，盡管粗略，但卻得到大致正確的結(jié)論.然后把這個問題拿來給戴森，由戴森來做更精確的求解.1953年春天，26歲即是康奈爾大學(xué)教授的戴森和自己的學(xué)生利用贗標介子理論計算了介子與質(zhì)子的散射截面，得到了與費米的實驗觀測值十分相符的結(jié)果.喜不自禁地長途跋涉去告之費米，費米掃了一眼說，“有兩種方式做理論物理學(xué)的計算.一種是我喜歡的，就是要對你正在計算的過程擁有一個清晰的物理圖像.另一種是得到精確而且自洽的數(shù)學(xué)形式體系.這兩者都是你的計算不具備的.”

超引力的主要發(fā)現(xiàn)者Peter van Nieuwen-huizen[9]說：“我們完成了非常非常復(fù)雜的計算.真的很復(fù)雜，我們算了好幾個月，覺得肯定搞不定.但我的導(dǎo)師，諾獎得主Veltman，他教我學(xué)會了用計算機，所以我決定用Brookhaven附近的CDC電子計算機來解決問題.第一批數(shù)據(jù)出來了，然后是第二批、第三批，依次往后.我們已經(jīng)知道第一批數(shù)據(jù)中的系數(shù)都是零，因為在之前的運算中，它們都可以歸零.關(guān)鍵在于是不是所有其他系數(shù)也都能歸零.一批批的數(shù)據(jù)不斷從Brookhaven出來—1 600,1 700，還是零-1 800,1 900，終于到第2 000個，所有的系數(shù)都為零.就在那個時刻，我知道理論成立了.”

我們再看一下科幻電影《星際穿越》中花了教授和他的學(xué)生墨菲近30年時間才解出的方程[10],如圖2所示.

圖2 《星際穿越》中求解的方程

他們是如何解這個方程的呢？在電影中，教授和墨菲一直在嘗試，不斷迭代：他們給出一個猜想，計算結(jié)果，放棄這個猜想，然后嘗試下一個.一個猜想接著另一個，接著另一個，接著另一個……直到他們精疲力盡.第二天，他們又重新開始.墨菲的計算是為了愛，她渴望計算的結(jié)果會找到高維空間的秘密，可以讓她找到消失在超空間中的父親.超引力的計算是為了美，突破獎的設(shè)立者之一Yuri Milnerc曾這樣評價超引力：“當我們想到人類想象力的偉大作品時，我們通常指的是藝術(shù)、音樂和文學(xué).但一些最為深刻而美麗的作品是科學(xué)家創(chuàng)造的.過去幾十年來，超引力一直激勵著物理學(xué)家，這個理論中可能蘊含著關(guān)于現(xiàn)實本質(zhì)的深刻真理.”

4 什么是最重要的

3種中學(xué)物理競賽的初心是發(fā)現(xiàn)潛在的物理學(xué)家，但到底有多少成效呢？清華大學(xué)物理系系主任在“物理人才的選拔與培養(yǎng)——以清華物理系近20年的理念與實踐為例”報告中提到[11]，最終成為國際一流物理學(xué)家的學(xué)生有一個共同特點，對科學(xué)具有強烈而持久的熱情.熱情(Enthusiasm)，激情(Passion)，無盡的奉獻(Devotation)，是一個科學(xué)工作者最基本的職業(yè)素質(zhì)和職業(yè)素養(yǎng)，這三種品質(zhì)優(yōu)先級高于天賦和勤奮.

在2016年未來論壇對MIT物理系文小剛教授的訪談中[12]，沒提到智商，但是多次提到了熱情，提到了對真與美的追求.文教授之前在中國見過一個學(xué)生，說自己什么都能做好，考試全校第一，北大清華這類頂尖學(xué)校也上了，一個典型的學(xué)霸.但是在文教授看來，這個學(xué)生好像丟失了靈魂.他追求的都是別人設(shè)立的標準，但是沒有自己的追求，自己的興趣.文小剛也提到了他最大的動力來自興趣：“就是好奇心吧.就是感興趣，想了解未知的世界，被好奇心驅(qū)使就這樣一路走來.因為有了好奇心就會發(fā)現(xiàn)一些未知的東西，未知的東西又引起了更多的好奇，好奇心越來越強烈，能看到越來越多未知的東西”.諾貝爾物理學(xué)獎獲得者丁肇中老師在復(fù)旦大學(xué)2019級本科生開學(xué)典禮上的寄語中提到[13]，他的父親是數(shù)學(xué)系的教授，他的母親是心理系的教授，在他開始學(xué)物理的時候，都非常反對，還跟他說學(xué)物理不是每個人都能學(xué)的，要有特別的天分才可以.他就跟他們說：“一個人在世上只走一次，要靠自己的興趣.為了這個興趣向前走，這才是有意義的.”他們兩位聽了這句話以后，就沒有再反對了.他就想講這幾句話，希望大家能記住，一個人向前走，最主要的是興趣.

5 對物理教育的啟示

我們以文獻[14]中提及的4位物理大師的話作為結(jié)束語.愛因斯坦：“興趣是最好的老師”，楊振寧：“現(xiàn)象是物理學(xué)的根源”，海森堡：“科學(xué)扎根于討論”，李政道：“物理學(xué)的精髓在于創(chuàng)新”.