《物理是一種文化》

                          日期:2011-11-27 16:06 點擊數:23158 

                          物理是一種文化

                          中國科學院  郝伯林

                          推薦說明:

                          郝伯林先生是中國科學院理論物理所原所長,中科院院士,第三世界科學院院士,他的研究方向是理論物理、計算物理、非線性物理等。但郝院士非常關心物理教育,“在感情上始終是中學物理教師中的一員”。在首屆兩岸四地中學物理教學研究會上,作了這一著名的報告。文章來源——物理青藍網               

                          http://www.wlqlw.com/show.asp?id=1118

                           

                          我沒有中學物理教師的經驗但是我有當中學生學物理的經歷,中學物理是現在社會每一個人,每一個家庭都回避不了的。有一部分人獻身于物理教育事業,在感情上我始終是這一支隊伍的一員。

                          物理是一種文化,文化不是一下子就有的,文化是和歷史聯系著的,需要積累,需要沉積,所以今天我說不了很多新東西,就和各位一起回顧一些事情。 

                          首先是物理這個詞,在19世紀末20世紀初,剛從西方傳進來的時候,怎么翻譯有不同的看法,那個時候已經把metaphysics翻譯成形而上學了,所以有人就把物理翻譯成形而下學,后來是從日本把他們的翻譯借回來了,叫做物理,這個詞非常之好,我覺得它的內容要比physics精辟的多,日本人把它叫做物理,是根據莊子的話“天地有大美而不言,四時有明法而不議,萬物有成理而不說,夫圣人者緣天地之美,萬物之理。”所以各位鉆研物理、教授物理的人,就是這樣的圣人!

                          物含妙理總堪尋,各位如果有機會到北京的頤和園去,到韓云殿,就是最高的那個宮殿,但是你下來的時候不要走中線下來,你要走右側那條道下來,那個地方有一個銅庭,從銅庭下來以后,出口的地方有一副對聯,但是我小的時候這個地方不是這樣的,原來這里有一堵紅墻,而這個銅庭在紅墻的里面,你要從紅墻的門出來,一回首,看到紅墻的兩面有這一副對聯,后來他們又重新修了。我覺得這是我們的一個特色或者是問題,我們對許多老古董保存愛護的不夠,把許多老古董破壞了,然后花錢修許多假古董。當然再過幾百年,假古董也會被人們當做真古董看待。

                          可能不是每一個人都知道陳嘉庚先生。他作為華僑領袖以新加坡為基地,曾經做的非常成功,他的成功是因為他在上個世紀初當橡膠的種子被從南美偷出來之后,他看到了這個機遇,下決心把他在南洋經營的叫做黃梨樹也叫做菠蘿樹的砍掉改種橡膠,開展橡膠工業。他的工廠企業曾經遍布各州,第一次世界大戰他的產品作為戰略物資,因此他賺了很多錢。但是這個人非常關心教育,他是窮孩子出生,他一輩子花了很多錢在教育事業上,廈門大學就是他建立的,在這之前他在他的家鄉集美建了集美學校,這也是各位有機會到廈門去一定要看的兩個地方,一個是鼓浪嶼,一個是集美,為了不占耕地不占好地,他生前就囑咐在對著集美學校的海里面,填海填出一個小島,叫做茂源,他就埋葬在那個地方。福建是以石刻文明,各種各樣的雕刻,大家到茂源的時候,希望你們花一些時間看一下所有的各種各樣的浮雕,這些浮雕里包含著陳嘉庚先生的教育思想,比方說五谷,比方說中草藥,他認為一個孩子應該知道的事情他都用浮雕畫在那里,在他墓碑后面有這么兩句話,“海天空飛,其物理歸一,天造地設,合人力而稱三。”這一和三當然是非常中國味道的,不管是海里的陸地上的天上的,要統一起來認識的話,要靠物理,他們都按照同樣的道理,底下這句話當然更廣的,包含著中國的天人合一的思想,你要回到老子了,老子說一生二,二生三,三生萬物,地法天,天法道,道法自然。歸根結底還是那個客觀的自然界。我們從他學到很多道理。杜甫的詩里也提到過物理,不過那個意義不大一樣,“細推物理須行樂,何用浮名絆此生”。那這個物理就講的相當廣的了,是一種人生觀,你若懂得事物的理以后,你就不必自尋煩惱了?;茨献永镉羞@樣的話,“耳目之察,不足以分物也”。這句話從現在來考察是相當深刻的,光靠耳聽目見,還不足以把物理說清楚。那么今天我們可以告訴學生,你需要各種各樣的儀器進行測量,有很多物理包含在你肉眼看不到的層次,或者非常之大,你肉眼達不到的尺度,都是要靠工具,而且光看也不行,還得靠理論思維。物理物理,他有這個理字,物理是講道理的,這里面有大道理有小道理,各位老師比我還明白,我覺得物理學很簡單,物理學只有少數幾條大道理,這幾條大道理是推導不出來的,證明不出來的,是從實驗、實踐中總結出來的,但是只要他的推論被實踐檢驗是對著,這些道理就是成立的。物理學里也有些小道理,我們每天遇見很多,其實很多道理都是小道理,你把大道理掌握了,就把小道理說清楚了。我想我們的老師們很重要的任務就是讓學生能夠明白那些大道理,然后用大道理來解釋周圍生活中能觀察到的各種事物,說清楚小道理。物理學是講道理的學科,物理學在講道理的過程中間,培養我們自己,培養我們的學生們尋根溯源,追求真理!物理學當然也是方法論,他訓練我們怎么跟事實和數據出發,發現問題解決問題,物理學幫助我們不盲從不迷信,許多事情都要畫個問號,去思考是為什么。物理學教我們心中有數,我們想得許多道理有時候可以把他看成數,可以去量,看對不對,但是我在這里特別有個感想,別把我們中學物理變成算數習題集。在大陸這種情況太嚴重了,在我看來,是可以有一些物理的計算題,也應當有,這些題只要基本做對的,過程中有些加減法乘除法錯了,稍微扣一點?,F在扣的分不得了,成為一種偏向了,其實你要啟發學生們想問題,比方我這里就提了幾個問題。一個是初中物理的典型問題,說一個人要照平面鏡,看到自己的全身,這個平面鏡最少得多高,那么畫圖的時候要簡化,你要把眼睛長到腦門上去,鏡子有你身子一半的高就可以看到全身了。但是多用點腦子想一想,有的學生還可以告訴你,用不著,還可以短一點,為什么呢?誰要你把你的鏡子平行放呢?我可以把鏡子歪過來一點,就是用短一點的鏡子也可以看到全身,所以你要讓學生想很多事,而不是一個標準答案。答得跟標準答案不一樣,你跟學生說他把鏡子歪一點就可以用短的鏡子看到全身是錯的,我要是老師我就給他加分,就說他想的多,想的比較好。比方說這樣的問題,為什么在地球上沒有人見過下雨的時候,那個雨有一個足球那么大,乒乓球那么大的都沒有,為什么?實際上想一想就可以提出很多重要的概念來。水在固體表面為什么有的時候是水珠有時候攤開?學生就可以討論,像下面這個問題,過去我們學物理,修鐵路,鐵軌要留縫,現在高鐵,走起來相當平穩,沒有聲音,兩個為什么,那個時候為什么要留縫?而現在為什么沒有了?所以很多事情要啟發學生問問題。實際上世界上的很多問題,連著問三個為什么,一般人就很難回答的出來了,我都很難保證別人連著問三個為什么我還能回答他。這件事情是我們教學里非常重要的。物理學是一門歷史科學。其實任何一個真正的科學都是有歷史的,各位都是受過高等教育的人,普通物理看一下目錄,它就是一個物理學史的提綱,歷史上先有的,在邏輯上也先發生,物理學的發展本身不斷克服著保守跟偏見,大家可以想“熱”,熱素學說,帶來很多問題,后來被克服了。原子和分子的存在,一直到十九世紀末,很多偉大的科學家不能接受。他們認為這也許是為說明問題來應付的,他們不相信有實質上的原子和分子存在。Ostwald就是這樣的人,Ostwald是偉大的化學家,影響很大,勢力很大。Boltzmann跟他的斗爭大家可能知道的,Boltzmann最后在憂郁中在意大利自殺了,自殺的原因很復雜,但是跟Ostwald的斗爭是最主要的,他的處境在當時的社會難以立足,Ostwald是他的前輩,Boltzmann在評論他的文章時都會把他的優點寫一兩頁,然后在最后發表幾句不同的意見。“對稱或缺”曾經獲得諾貝爾獎的,這些概念其實很容易教給學生,究竟是對稱美還是不對稱美,大家在美上有不同的概念,實際上最早知道這個世界花花綠綠,五光十色是非對稱造成的,最對稱的世界,沒有結構,沒有組織,實際上沒有豐富的內容。我說遠一點,鄧小平說的,讓一部分人先富起來。我理解這就是一種對稱或缺。過去我們國家是農民當家,講究平均分配,誰要冒尖富一點的話,別人就要鬧紅眼病。我們大陸有一句話叫群眾有意見,群眾有意見不一定就是對的,這是一種農民社會主義,這是一種能量非常低的狀態,生產力也很低,大家收入也很低,過的都很窮。那個時候可以共產主義,大家平均分配,誰冒尖出來,大家就眼紅。鄧小平未必學過“對稱或缺”,但他提出來的那句話是符合“對稱或缺”的。你總得把一邊窮的這種對稱狀態有所破壞,冒出來,底下的社會才可能變得更熱鬧。其實我們學相變、學各種突變都知道,他們是對稱或缺,最有名的實驗是熱對流實驗,大家可能在課堂上給學生講過的,講的話好講,實驗要做的話,還是需要點要求。理論上你拿兩個大銅板,底下的銅板加熱,上面的銅板冰鎮,底下的溫度高,膨脹起來,密度低,就想飄起來,上面冷,密度高,就想沉下來,但是如果你加工的非常好,各處都一樣,實際上憋著一股勁,誰也動不了。這叫做絕對民主辦不成事。你要有點對稱或缺,這種對稱或缺往往來自于平常你不注意的次要的小地方,比方說你加工銅板的時候,什么地方有一個局部缺陷,平常你無所謂,但是這個時候,那個地方的缺陷就要利用它,先飄起來,他一飄起來了就亂了套了,但是只亂很短的時間,有些地方就上來一點,有些地方就下來一點,從結構講,他比原來高級了。這個現象在社會中也是有的,打破我們這個農民社會長期窮困的狀態,一直到現在,還是有很多亂七八糟的東西在存在,其實我們知道從一種態到另一種態過度,過度中,總是有各種現象存在的。最早看出這個的是一個科學家名叫居里,這個居里是居里夫人的丈夫,他說過,“非對稱創造了世界”。實際上這些概念大家想一想,具有很普遍的意義。我曾經被請到北京的人民公安大學作報告,做科普報告。我就專門選了個題目,叫做“談突發事件”,實際上突發事件也是這樣的東西,你絕對不能把我們的公檢法當做消防隊,你要看到這些實踐有沒有一個背景,這個背景下有些問題可能放大,要解決的是更大范圍內的問題??上覀冇行└刹康浇裉爝€不能完全明白這個道理。所以我們的中學老師如果能讓他們從學生時代就讓他們明白穩定不穩定對稱或缺,或缺附近的漲落,或缺的偶然事件。今后這些學生當了干部,他就可能從更廣、更深的層面考慮問題。不難知道很多革命戰爭中打響的第一槍都是在必然的歷史背景下的偶然事件。物理學當然是使技術進步的基礎,現在經常提到高新技術,高新技術的概念是變的,19世紀,智能、照明、電機都是那個時候的高新技術,20世紀有大家熟悉的更多的新鮮詞,但是有一個共同特點,他們都誕生在一個安靜的科學實驗室里。電燈泡沒有誕生在蠟燭工廠里,半導體器械沒有誕生在電阻工廠里。于無聲處聽驚雷,科學實驗與人類創新是有巨大關系的。18、19世紀蒸汽機發展起來了,19世紀60年代起,電力電機就發展起來了,19世紀下半葉,發展了真空機,19世紀末20世紀初,電真空器件對無線電技術起了非常大的作用,30年代40年代的雷達,1944年的電子計算機,50年代后的半導體,60年代以后的激光技術,80年代以后的基因技術、納米技術等等。實際上背后都離不開物理。包括基因技術,基因本身DNA是四個字母,它的結構是雙螺旋,就是靠X光才把它照出來的。蒸汽機車是19世紀初,鐵路是1830年,汽船是18世紀后葉,所有這些都離不開一個鍋爐。所有這些都是外燃,很重要的進步是從外燃機到內燃機,這就體現了熱力學的重要性。大家都知道奔馳氣車,奔馳的一個重要發明就是兩沖程的內燃機,內燃機的效率是核心問題,效率高的多的電機沒有在內燃機廠發明?;氐诫姷脑掝},我從老師那里聽到的故事,1819年,有一天,奧斯特發現電流可以使小磁針偏轉,這個發現是偶然的,據說他那一天在準備一些物理學實驗,通電流,他想演示的是發熱,結果他偶然在下面放了磁針,結果磁針就偏轉了,他注意到他做出的這個重要的發現。安培又做了更仔細的實驗,他又發現平行的電流可以互相吸引或互相排斥。1820年9月安培在法國科學院做報告,法國科學院作報告時會議室很大,聽報告的人坐成一圈,做報告的人在中間,演示你的東西,周圍各個學科的人坐在那里聽,安培就在那里表演電流的相吸與相斥。有人說你這不是新的發現,已經知道電流跟磁鐵相吸,明明就是奧斯特的發現,磁鐵跟磁鐵也相吸,所以電流跟電流相吸沒什么稀奇。安培從褲子口袋里掏出兩個鐵鑰匙,他說:已經知道鑰匙跟磁鐵相吸,磁鐵跟磁鐵相吸,鑰匙跟鑰匙不相吸,所以我這個是新發現。一直到19世紀60年代,才有了發電機,我剛才已經提到了能量的傳輸問題。大家在老電影里都可以看到,蒸汽機是英國紡織工業的動力來源。那個時候由蒸汽機產生動力,轉,由皮帶輪傳到天軸上,天軸跨過車間,天軸再用皮帶傳到地軸上,地軸上接機器。你們想一想靠天軸、地軸、皮帶輪,能把能量送多遠。1882年在慕尼黑的電器展覽會上,展示了一條長57公里,2000伏的輸電線。幾年以后在又一次電器博覽會上,就展出了175公里長的25KV的三項交流輸電線。不知道現在的學生知不知道交流電兩相和三相是什么意思,但是在歷史上他們是起過這樣重要作用的。真空技術不要把它當做簡單的事,現在簡單到冰箱都是離不開他的,他是熱機研究的副產品,其實真空放電不僅研究了電光源的產生,也導致了量子力學的誕生。把一個管子抽空,里面放上各種各樣的氣體,氣體放電,這都是19世紀下半葉的高新技術,結果出現了各種各樣的顏色,為了把這個顏色解釋清楚,一步一步就逼到量子力學上去了。真空放電的另外一個后果就是放射線的發現,都是19世紀末的事。這個時期技術還起著很大的作用,但是回過頭來看,電燈泡沒有誕生在蠟燭廠,蠟燭和油燈是人們主要的照明工具,一定有不少人研究過怎么使他們更亮,怎么使他們更省油等等,但是所有這些改進,沒有導致真正新的照明手段的誕生。1881年倫敦街頭的街燈,第一次用電燈照亮了,他的樣子仍然是原來汽燈的樣子。后來就有了二極真空管三級真空管,這些真空管大家可能沒有玩過,但是他們是20世紀無線電設備的主要元件,二戰時期,美國軍用的無線電設備中通用的就是型號為6J5的真空管,6是需要6.3V,5是五極管。1877年Hertz證實了電磁波的存在,他用的光學的概念,做了個很大的三棱鏡,他的三棱鏡是瀝青做的,到了1895年無線電通訊就被發明了。以前的教材說發明無線電波的是波波夫,現在的教材說發明人是馬可尼。這件事我研究過,究竟他們兩個人起了什么作用。我曾經寫過一篇文章發表在吳祖仁主持的《物理通報》上,名字是《究竟是誰發明了無線電》。兩個人都有功勞,而且都在1895年。無線電很快用于軍事通信,無線電技術挽救了埃菲爾鐵塔,埃菲爾鐵塔是展示鋼鐵工業修建的,但是那里的地是租來的,租期到了,有一幫名人聯名要求拆掉那個怪異的塔。但是那個時候法國軍方出來干預,原來在那個塔頂已經安裝了跟艦隊聯系的天線。是無線電把埃菲爾鐵塔保下來了,今天成了巴黎的驕傲標志。所以這個歷史的發展很有意思。說到過去的軍用通訊設備,總共要兩個馬車,一個馬車是電臺,一個馬車是發電機,一共有10個官兵管理這臺設備。而現在的移動通訊到了手機——這種尺寸了。有一本書,作者是艾福爾,他是布朗的助手,布朗大概是在1912年跟馬克托尼一起因為無線電的發明拿個諾貝爾獎,而艾福爾就是布朗的助手。1906年寫書的時候沒有什么政治偏見,是因為10月革命還沒有呢,所以這本書里列舉了很多為無線電做出貢獻的科學家。里面既有馬可尼,也有波波夫。無線電通信要求把電子管做的越來越小,所以很困難,要想克服,就必須用到半導體器件。但是那個時候半導體器件還沒有呢。半導體器件就是為了改善真空管器件而發明的。大陸有一個提法,說科學技術轉化成生產力的速度越來越快了。但是情況不盡如此,有轉化的慢的,也有轉化的快的,就是半導體,在歷史上有一個判據,就是如果加熱后電阻變大了,就是導體,電阻變小了就是半導體。1836年,貝爾實驗室開始了半導體領域的實驗研究,1945年建立了固體研究實驗室,1947年,發明晶體管。半導體的矛盾叫做純與不純的矛盾,你需要把他提到非常純,九個九,你可以想象里面的雜質還剩下多少?根據產品的需要,你可以往里面摻入雜質,但是還需要量子力學進行理論的指導。實際上物理學是不斷推陳出新的。照明的白熾燈馬上要退出歷史舞臺了,熒光燈是在19世紀末的真空技術的基礎上發展起來的,也逐漸的被各種各樣的發光器件所取代。物理提供現代人生活的基本常識,汽車中有物理問題,啟動、傳動、制動等等,計算機里有物理問題,怎樣進行計算存儲,計算機里現在的運算你看不見了,都已經封到芯片里面的。老的物理教學要用到繼電器,這個東西非常好,可以給同學們演示邏輯電路。其實很多學科都跟物理有很大關系的,比如說化學,在19世紀,像元素周期表、化學鍵等都已經出現了,但是都解釋不清楚為什么,直到有了量子力學,把氫原子特別是氫分子說明白了,這兩個原子之間的電子怎么樣形成了軌道等等,這才明白了化學中價、鍵他們的本質。生物學也經歷了完全類似的過程,在我看來,需要物理學家們在生物領域中真正的攪和一通,生物學里的許多東西才能夠真正的被認識。我常說,生物是物,生物有理。只給大家舉一個簡單的例子,輪子是人類特有的發明,哪吒是蹬著風火輪走的,我們沒有看到一個蟲子蹬著輪子跑,但是輪子,轉的這種東西在生物里非常之多,比方說很多細菌拖著尾巴,叫鞭毛,看一下鞭毛跟細胞膜相接的地方,里面的構造是由蛋白質排成的一個軸承,大家知道軸承有圓球的,叫滾珠軸承,有圓柱的,叫滾柱軸承,而鞭毛接在細胞壁的地方是蛋白質構成的滾柱軸承。他們有轉動,也有能量轉換,能量轉化發生在線粒體,線粒體的膜上有很多黑點,其實每一個黑點都是蛋白質組成的小馬達。上面有六塊蛋白,中間有一個軸也是蛋白,底下有一個基也是蛋白。這是一個跟直流電機非常相似的東西,你供給他能量,他就轉,如果你讓他轉起來他就會進行能量的轉換。這是現代研究的非常熱門的話題。

                          人類面臨的眾多挑戰要靠物理,如太陽能,核能,雖然有很多人反對利用核能,但是人類注定了要利用核能在地球上生活成百上千年。

                          現代的生產是非生物生產,我相信將來,從生物學中將學到很多東西。以后,需要的科技產品是自己長出來的,是自己組裝出來的。

                          物理本身又是一門藝術,在這個意義上講,跟音樂繪畫是非常相像的。有著不同深度不同背景的大量的欣賞者和愛好者。也是現代人文化修養的一個重要方面。但是也有很多樂師畫匠,社會也需要很多專業的物理工作者和物理教育家,和音樂家和畫家一樣,社會當然需要一些有所發現有所發明的物理學家,在推動整個人類科學進步的方面,做出中華民族應有的貢獻!我雖然不懂得畫畫,但是我喜歡在家里掛一張優美的畫好好欣賞,所以我們也應該教會人、年輕人會欣賞物理學的美。如果做的好,你可以鼓勵一些人以后學物理。我們的民族在科學研究方面實際上是有著弱點的,民族的物理水平不是某一個科學家的物理水平,而是社會中每一個成員的物理水平。

                          在抗戰時期我在重慶上小學,我身邊有32本少年科學叢書,紙張比現在的草紙還要糟糕。后來我在北京上四中,圖書館不錯,有不少天文書,這些東西影響了一個小孩的興趣。那個時候抗戰剛勝利,在中國各個大城市的舊市場上,有很多美國的流散出來的軍用物資,我們就到那些地方找無線電元件,喜歡物理就從這些動手開始了。而最重要的是我在中學時遇見了幾位非常好的物理老師,我特別要講一個我的物理老師柳志軍。他早年畢業于清華大學,一生致力于教學,我現在都會學他說的兩句話,“我的學生物理就得比別人好!我要有十分的精力,我只給你們七分,剩下三分,我要自己學習。”有這么一個老教育家,在他的影響下很多人學了物理,所以我要特別向中學的物理教師們致敬。我自己在18歲的時候就做好了獻身中學物理教育事業的準備。我們的學校比較老,就是后來的河北師范學校。在那里的學生都做好了做老師的準備。但是由于偶然的原因,我沒有被選進師范班,而是被送進了高考考場。偶然的原因對國家說是必然的,我們1953年畢業。1953年是第一個五年計劃的第一年,國家有政策,這才進了高考考場,而我的很多伙伴都是在河北或者北京獻身于中學物理教育事業,所以我在感情上總是覺得自己也是其中一員。


                          謝謝大家。


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