《物理是一种文化》

日期:2011-11-27 16:06 点击数:8847 

物理是一种文化

中国科学院  郝伯林

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郝伯林先生是中国科学院理论物理所原所长,中科院院士,第三世界科学院院士,他的研究方向是理论物理、计算物理、非线性物理等。但郝院士非常关心物理教育,“在感情上始终是中学物理教师中的一员”。在首届两岸四地中学物理教学研究会上,作了这一著名的报告。文章来源——物理青蓝网               

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我没有中学物理教师的经验但是我有当中学生学物理的经历,中学物理是现在社会每一个人,每一个家庭都回避不了的。有一部分人献身于物理教育事业,在感情上我始终是这一支队伍的一员。

物理是一种文化,文化不是一下子就有的,文化是和历史联系着的,需要积累,需要沉积,所以今天我说不了很多新东西,就和各位一起回顾一些事情。 

首先是物理这个词,在19世纪末20世纪初,刚从西方传进来的时候,怎么翻译有不同的看法,那个时候已经把metaphysics翻译成形而上学了,所以有人就把物理翻译成形而下学,后来是从日本把他们的翻译借回来了,叫做物理,这个词非常之好,我觉得它的内容要比physics精辟的多,日本人把它叫做物理,是根据庄子的话“天地有大美而不言,四时有明法而不议,万物有成理而不说,夫圣人者缘天地之美,万物之理。”所以各位钻研物理、教授物理的人,就是这样的圣人!

物含妙理总堪寻,各位如果有机会到北京的颐和园去,到韩云殿,就是最高的那个宫殿,但是你下来的时候不要走中线下来,你要走右侧那条道下来,那个地方有一个铜庭,从铜庭下来以后,出口的地方有一副对联,但是我小的时候这个地方不是这样的,原来这里有一堵红墙,而这个铜庭在红墙的里面,你要从红墙的门出来,一回首,看到红墙的两面有这一副对联,后来他们又重新修了。我觉得这是我们的一个特色或者是问题,我们对许多老古董保存爱护的不够,把许多老古董破坏了,然后花钱修许多假古董。当然再过几百年,假古董也会被人们当做真古董看待。

可能不是每一个人都知道陈嘉庚先生。他作为华侨领袖以新加坡为基地,曾经做的非常成功,他的成功是因为他在上个世纪初当橡胶的种子被从南美偷出来之后,他看到了这个机遇,下决心把他在南洋经营的叫做黄梨树也叫做菠萝树的砍掉改种橡胶,开展橡胶工业。他的工厂企业曾经遍布各州,第一次世界大战他的产品作为战略物资,因此他赚了很多钱。但是这个人非常关心教育,他是穷孩子出生,他一辈子花了很多钱在教育事业上,厦门大学就是他建立的,在这之前他在他的家乡集美建了集美学校,这也是各位有机会到厦门去一定要看的两个地方,一个是鼓浪屿,一个是集美,为了不占耕地不占好地,他生前就嘱咐在对着集美学校的海里面,填海填出一个小岛,叫做茂源,他就埋葬在那个地方。福建是以石刻文明,各种各样的雕刻,大家到茂源的时候,希望你们花一些时间看一下所有的各种各样的浮雕,这些浮雕里包含着陈嘉庚先生的教育思想,比方说五谷,比方说中草药,他认为一个孩子应该知道的事情他都用浮雕画在那里,在他墓碑后面有这么两句话,“海天空飞,其物理归一,天造地设,合人力而称三。”这一和三当然是非常中国味道的,不管是海里的陆地上的天上的,要统一起来认识的话,要靠物理,他们都按照同样的道理,底下这句话当然更广的,包含着中国的天人合一的思想,你要回到老子了,老子说一生二,二生三,三生万物,地法天,天法道,道法自然。归根结底还是那个客观的自然界。我们从他学到很多道理。杜甫的诗里也提到过物理,不过那个意义不大一样,“细推物理须行乐,何用浮名绊此生”。那这个物理就讲的相当广的了,是一种人生观,你若懂得事物的理以后,你就不必自寻烦恼了。淮南子里有这样的话,“耳目之察,不足以分物也”。这句话从现在来考察是相当深刻的,光靠耳听目见,还不足以把物理说清楚。那么今天我们可以告诉学生,你需要各种各样的仪器进行测量,有很多物理包含在你肉眼看不到的层次,或者非常之大,你肉眼达不到的尺度,都是要靠工具,而且光看也不行,还得靠理论思维。物理物理,他有这个理字,物理是讲道理的,这里面有大道理有小道理,各位老师比我还明白,我觉得物理学很简单,物理学只有少数几条大道理,这几条大道理是推导不出来的,证明不出来的,是从实验、实践中总结出来的,但是只要他的推论被实践检验是对着,这些道理就是成立的。物理学里也有些小道理,我们每天遇见很多,其实很多道理都是小道理,你把大道理掌握了,就把小道理说清楚了。我想我们的老师们很重要的任务就是让学生能够明白那些大道理,然后用大道理来解释周围生活中能观察到的各种事物,说清楚小道理。物理学是讲道理的学科,物理学在讲道理的过程中间,培养我们自己,培养我们的学生们寻根溯源,追求真理!物理学当然也是方法论,他训练我们怎么跟事实和数据出发,发现问题解决问题,物理学帮助我们不盲从不迷信,许多事情都要画个问号,去思考是为什么。物理学教我们心中有数,我们想得许多道理有时候可以把他看成数,可以去量,看对不对,但是我在这里特别有个感想,别把我们中学物理变成算数习题集。在大陆这种情况太严重了,在我看来,是可以有一些物理的计算题,也应当有,这些题只要基本做对的,过程中有些加减法乘除法错了,稍微扣一点。现在扣的分不得了,成为一种偏向了,其实你要启发学生们想问题,比方我这里就提了几个问题。一个是初中物理的典型问题,说一个人要照平面镜,看到自己的全身,这个平面镜最少得多高,那么画图的时候要简化,你要把眼睛长到脑门上去,镜子有你身子一半的高就可以看到全身了。但是多用点脑子想一想,有的学生还可以告诉你,用不着,还可以短一点,为什么呢?谁要你把你的镜子平行放呢?我可以把镜子歪过来一点,就是用短一点的镜子也可以看到全身,所以你要让学生想很多事,而不是一个标准答案。答得跟标准答案不一样,你跟学生说他把镜子歪一点就可以用短的镜子看到全身是错的,我要是老师我就给他加分,就说他想的多,想的比较好。比方说这样的问题,为什么在地球上没有人见过下雨的时候,那个雨有一个足球那么大,乒乓球那么大的都没有,为什么?实际上想一想就可以提出很多重要的概念来。水在固体表面为什么有的时候是水珠有时候摊开?学生就可以讨论,像下面这个问题,过去我们学物理,修铁路,铁轨要留缝,现在高铁,走起来相当平稳,没有声音,两个为什么,那个时候为什么要留缝?而现在为什么没有了?所以很多事情要启发学生问问题。实际上世界上的很多问题,连着问三个为什么,一般人就很难回答的出来了,我都很难保证别人连着问三个为什么我还能回答他。这件事情是我们教学里非常重要的。物理学是一门历史科学。其实任何一个真正的科学都是有历史的,各位都是受过高等教育的人,普通物理看一下目录,它就是一个物理学史的提纲,历史上先有的,在逻辑上也先发生,物理学的发展本身不断克服着保守跟偏见,大家可以想“热”,热素学说,带来很多问题,后来被克服了。原子和分子的存在,一直到十九世纪末,很多伟大的科学家不能接受。他们认为这也许是为说明问题来应付的,他们不相信有实质上的原子和分子存在。Ostwald就是这样的人,Ostwald是伟大的化学家,影响很大,势力很大。Boltzmann跟他的斗争大家可能知道的,Boltzmann最后在忧郁中在意大利自杀了,自杀的原因很复杂,但是跟Ostwald的斗争是最主要的,他的处境在当时的社会难以立足,Ostwald是他的前辈,Boltzmann在评论他的文章时都会把他的优点写一两页,然后在最后发表几句不同的意见。“对称或缺”曾经获得诺贝尔奖的,这些概念其实很容易教给学生,究竟是对称美还是不对称美,大家在美上有不同的概念,实际上最早知道这个世界花花绿绿,五光十色是非对称造成的,最对称的世界,没有结构,没有组织,实际上没有丰富的内容。我说远一点,邓小平说的,让一部分人先富起来。我理解这就是一种对称或缺。过去我们国家是农民当家,讲究平均分配,谁要冒尖富一点的话,别人就要闹红眼病。我们大陆有一句话叫群众有意见,群众有意见不一定就是对的,这是一种农民社会主义,这是一种能量非常低的状态,生产力也很低,大家收入也很低,过的都很穷。那个时候可以共产主义,大家平均分配,谁冒尖出来,大家就眼红。邓小平未必学过“对称或缺”,但他提出来的那句话是符合“对称或缺”的。你总得把一边穷的这种对称状态有所破坏,冒出来,底下的社会才可能变得更热闹。其实我们学相变、学各种突变都知道,他们是对称或缺,最有名的实验是热对流实验,大家可能在课堂上给学生讲过的,讲的话好讲,实验要做的话,还是需要点要求。理论上你拿两个大铜板,底下的铜板加热,上面的铜板冰镇,底下的温度高,膨胀起来,密度低,就想飘起来,上面冷,密度高,就想沉下来,但是如果你加工的非常好,各处都一样,实际上憋着一股劲,谁也动不了。这叫做绝对民主办不成事。你要有点对称或缺,这种对称或缺往往来自于平常你不注意的次要的小地方,比方说你加工铜板的时候,什么地方有一个局部缺陷,平常你无所谓,但是这个时候,那个地方的缺陷就要利用它,先飘起来,他一飘起来了就乱了套了,但是只乱很短的时间,有些地方就上来一点,有些地方就下来一点,从结构讲,他比原来高级了。这个现象在社会中也是有的,打破我们这个农民社会长期穷困的状态,一直到现在,还是有很多乱七八糟的东西在存在,其实我们知道从一种态到另一种态过度,过度中,总是有各种现象存在的。最早看出这个的是一个科学家名叫居里,这个居里是居里夫人的丈夫,他说过,“非对称创造了世界”。实际上这些概念大家想一想,具有很普遍的意义。我曾经被请到北京的人民公安大学作报告,做科普报告。我就专门选了个题目,叫做“谈突发事件”,实际上突发事件也是这样的东西,你绝对不能把我们的公检法当做消防队,你要看到这些实践有没有一个背景,这个背景下有些问题可能放大,要解决的是更大范围内的问题。可惜我们有些干部到今天还不能完全明白这个道理。所以我们的中学老师如果能让他们从学生时代就让他们明白稳定不稳定对称或缺,或缺附近的涨落,或缺的偶然事件。今后这些学生当了干部,他就可能从更广、更深的层面考虑问题。不难知道很多革命战争中打响的第一枪都是在必然的历史背景下的偶然事件。物理学当然是使技术进步的基础,现在经常提到高新技术,高新技术的概念是变的,19世纪,智能、照明、电机都是那个时候的高新技术,20世纪有大家熟悉的更多的新鲜词,但是有一个共同特点,他们都诞生在一个安静的科学实验室里。电灯泡没有诞生在蜡烛工厂里,半导体器械没有诞生在电阻工厂里。于无声处听惊雷,科学实验与人类创新是有巨大关系的。18、19世纪蒸汽机发展起来了,19世纪60年代起,电力电机就发展起来了,19世纪下半叶,发展了真空机,19世纪末20世纪初,电真空器件对无线电技术起了非常大的作用,30年代40年代的雷达,1944年的电子计算机,50年代后的半导体,60年代以后的激光技术,80年代以后的基因技术、纳米技术等等。实际上背后都离不开物理。包括基因技术,基因本身DNA是四个字母,它的结构是双螺旋,就是靠X光才把它照出来的。蒸汽机车是19世纪初,铁路是1830年,汽船是18世纪后叶,所有这些都离不开一个锅炉。所有这些都是外燃,很重要的进步是从外燃机到内燃机,这就体现了热力学的重要性。大家都知道奔驰气车,奔驰的一个重要发明就是两冲程的内燃机,内燃机的效率是核心问题,效率高的多的电机没有在内燃机厂发明。回到电的话题,我从老师那里听到的故事,1819年,有一天,奥斯特发现电流可以使小磁针偏转,这个发现是偶然的,据说他那一天在准备一些物理学实验,通电流,他想演示的是发热,结果他偶然在下面放了磁针,结果磁针就偏转了,他注意到他做出的这个重要的发现。安培又做了更仔细的实验,他又发现平行的电流可以互相吸引或互相排斥。1820年9月安培在法国科学院做报告,法国科学院作报告时会议室很大,听报告的人坐成一圈,做报告的人在中间,演示你的东西,周围各个学科的人坐在那里听,安培就在那里表演电流的相吸与相斥。有人说你这不是新的发现,已经知道电流跟磁铁相吸,明明就是奥斯特的发现,磁铁跟磁铁也相吸,所以电流跟电流相吸没什么稀奇。安培从裤子口袋里掏出两个铁钥匙,他说:已经知道钥匙跟磁铁相吸,磁铁跟磁铁相吸,钥匙跟钥匙不相吸,所以我这个是新发现。一直到19世纪60年代,才有了发电机,我刚才已经提到了能量的传输问题。大家在老电影里都可以看到,蒸汽机是英国纺织工业的动力来源。那个时候由蒸汽机产生动力,转,由皮带轮传到天轴上,天轴跨过车间,天轴再用皮带传到地轴上,地轴上接机器。你们想一想靠天轴、地轴、皮带轮,能把能量送多远。1882年在慕尼黑的电器展览会上,展示了一条长57公里,2000伏的输电线。几年以后在又一次电器博览会上,就展出了175公里长的25KV的三项交流输电线。不知道现在的学生知不知道交流电两相和三相是什么意思,但是在历史上他们是起过这样重要作用的。真空技术不要把它当做简单的事,现在简单到冰箱都是离不开他的,他是热机研究的副产品,其实真空放电不仅研究了电光源的产生,也导致了量子力学的诞生。把一个管子抽空,里面放上各种各样的气体,气体放电,这都是19世纪下半叶的高新技术,结果出现了各种各样的颜色,为了把这个颜色解释清楚,一步一步就逼到量子力学上去了。真空放电的另外一个后果就是放射线的发现,都是19世纪末的事。这个时期技术还起着很大的作用,但是回过头来看,电灯泡没有诞生在蜡烛厂,蜡烛和油灯是人们主要的照明工具,一定有不少人研究过怎么使他们更亮,怎么使他们更省油等等,但是所有这些改进,没有导致真正新的照明手段的诞生。1881年伦敦街头的街灯,第一次用电灯照亮了,他的样子仍然是原来汽灯的样子。后来就有了二极真空管三级真空管,这些真空管大家可能没有玩过,但是他们是20世纪无线电设备的主要元件,二战时期,美国军用的无线电设备中通用的就是型号为6J5的真空管,6是需要6.3V,5是五极管。1877年Hertz证实了电磁波的存在,他用的光学的概念,做了个很大的三棱镜,他的三棱镜是沥青做的,到了1895年无线电通讯就被发明了。以前的教材说发明无线电波的是波波夫,现在的教材说发明人是马可尼。这件事我研究过,究竟他们两个人起了什么作用。我曾经写过一篇文章发表在吴祖仁主持的《物理通报》上,名字是《究竟是谁发明了无线电》。两个人都有功劳,而且都在1895年。无线电很快用于军事通信,无线电技术挽救了埃菲尔铁塔,埃菲尔铁塔是展示钢铁工业修建的,但是那里的地是租来的,租期到了,有一帮名人联名要求拆掉那个怪异的塔。但是那个时候法国军方出来干预,原来在那个塔顶已经安装了跟舰队联系的天线。是无线电把埃菲尔铁塔保下来了,今天成了巴黎的骄傲标志。所以这个历史的发展很有意思。说到过去的军用通讯设备,总共要两个马车,一个马车是电台,一个马车是发电机,一共有10个官兵管理这台设备。而现在的移动通讯到了手机——这种尺寸了。有一本书,作者是艾福尔,他是布朗的助手,布朗大概是在1912年跟马克托尼一起因为无线电的发明拿个诺贝尔奖,而艾福尔就是布朗的助手。1906年写书的时候没有什么政治偏见,是因为10月革命还没有呢,所以这本书里列举了很多为无线电做出贡献的科学家。里面既有马可尼,也有波波夫。无线电通信要求把电子管做的越来越小,所以很困难,要想克服,就必须用到半导体器件。但是那个时候半导体器件还没有呢。半导体器件就是为了改善真空管器件而发明的。大陆有一个提法,说科学技术转化成生产力的速度越来越快了。但是情况不尽如此,有转化的慢的,也有转化的快的,就是半导体,在历史上有一个判据,就是如果加热后电阻变大了,就是导体,电阻变小了就是半导体。1836年,贝尔实验室开始了半导体领域的实验研究,1945年建立了固体研究实验室,1947年,发明晶体管。半导体的矛盾叫做纯与不纯的矛盾,你需要把他提到非常纯,九个九,你可以想象里面的杂质还剩下多少?根据产品的需要,你可以往里面掺入杂质,但是还需要量子力学进行理论的指导。实际上物理学是不断推陈出新的。照明的白炽灯马上要退出历史舞台了,荧光灯是在19世纪末的真空技术的基础上发展起来的,也逐渐的被各种各样的发光器件所取代。物理提供现代人生活的基本常识,汽车中有物理问题,启动、传动、制动等等,计算机里有物理问题,怎样进行计算存储,计算机里现在的运算你看不见了,都已经封到芯片里面的。老的物理教学要用到继电器,这个东西非常好,可以给同学们演示逻辑电路。其实很多学科都跟物理有很大关系的,比如说化学,在19世纪,像元素周期表、化学键等都已经出现了,但是都解释不清楚为什么,直到有了量子力学,把氢原子特别是氢分子说明白了,这两个原子之间的电子怎么样形成了轨道等等,这才明白了化学中价、键他们的本质。生物学也经历了完全类似的过程,在我看来,需要物理学家们在生物领域中真正的搅和一通,生物学里的许多东西才能够真正的被认识。我常说,生物是物,生物有理。只给大家举一个简单的例子,轮子是人类特有的发明,哪吒是蹬着风火轮走的,我们没有看到一个虫子蹬着轮子跑,但是轮子,转的这种东西在生物里非常之多,比方说很多细菌拖着尾巴,叫鞭毛,看一下鞭毛跟细胞膜相接的地方,里面的构造是由蛋白质排成的一个轴承,大家知道轴承有圆球的,叫滚珠轴承,有圆柱的,叫滚柱轴承,而鞭毛接在细胞壁的地方是蛋白质构成的滚柱轴承。他们有转动,也有能量转换,能量转化发生在线粒体,线粒体的膜上有很多黑点,其实每一个黑点都是蛋白质组成的小马达。上面有六块蛋白,中间有一个轴也是蛋白,底下有一个基也是蛋白。这是一个跟直流电机非常相似的东西,你供给他能量,他就转,如果你让他转起来他就会进行能量的转换。这是现代研究的非常热门的话题。

人类面临的众多挑战要靠物理,如太阳能,核能,虽然有很多人反对利用核能,但是人类注定了要利用核能在地球上生活成百上千年。

现代的生产是非生物生产,我相信将来,从生物学中将学到很多东西。以后,需要的科技产品是自己长出来的,是自己组装出来的。

物理本身又是一门艺术,在这个意义上讲,跟音乐绘画是非常相像的。有着不同深度不同背景的大量的欣赏者和爱好者。也是现代人文化修养的一个重要方面。但是也有很多乐师画匠,社会也需要很多专业的物理工作者和物理教育家,和音乐家和画家一样,社会当然需要一些有所发现有所发明的物理学家,在推动整个人类科学进步的方面,做出中华民族应有的贡献!我虽然不懂得画画,但是我喜欢在家里挂一张优美的画好好欣赏,所以我们也应该教会人、年轻人会欣赏物理学的美。如果做的好,你可以鼓励一些人以后学物理。我们的民族在科学研究方面实际上是有着弱点的,民族的物理水平不是某一个科学家的物理水平,而是社会中每一个成员的物理水平。

在抗战时期我在重庆上小学,我身边有32本少年科学丛书,纸张比现在的草纸还要糟糕。后来我在北京上四中,图书馆不错,有不少天文书,这些东西影响了一个小孩的兴趣。那个时候抗战刚胜利,在中国各个大城市的旧市场上,有很多美国的流散出来的军用物资,我们就到那些地方找无线电元件,喜欢物理就从这些动手开始了。而最重要的是我在中学时遇见了几位非常好的物理老师,我特别要讲一个我的物理老师柳志军。他早年毕业于清华大学,一生致力于教学,我现在都会学他说的两句话,“我的学生物理就得比别人好!我要有十分的精力,我只给你们七分,剩下三分,我要自己学习。”有这么一个老教育家,在他的影响下很多人学了物理,所以我要特别向中学的物理教师们致敬。我自己在18岁的时候就做好了献身中学物理教育事业的准备。我们的学校比较老,就是后来的河北师范学校。在那里的学生都做好了做老师的准备。但是由于偶然的原因,我没有被选进师范班,而是被送进了高考考场。偶然的原因对国家说是必然的,我们1953年毕业。1953年是第一个五年计划的第一年,国家有政策,这才进了高考考场,而我的很多伙伴都是在河北或者北京献身于中学物理教育事业,所以我在感情上总是觉得自己也是其中一员。


谢谢大家。


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