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關鍵詞:物理學;人文文化
物理學是一門最基本的自然學科,它是探討物質結構和物質基本運動規律的學科,所以人們往往認為物理學只是包含一些枯燥的理論公式,而忽視了物理學中包含的人文因素諸如人文哲學思想、美學、道德等方面。實際上,物理學在產生、形成、發展的過程中,人們不是為了物理學而研究物理學,而是為了有助于人類、社會以及個體人的發展而研究物理學,所有這些都涉及到了人與人的關系、人與自然的關系,這些關系中都蘊含著豐富的人文文化。
著名物理學家吳健雄曾指出:為了避免出現社會可持續發展中的危機,當前一個刻不容緩的問題是消除現代文化中兩種文化,即科學文化和人文文化之間的隔閡,而加強這兩方面的聯系。沒有比大學更加適合的場所了。只有當兩種文化的隔閡在大學園里加以彌合之后,我們才能對世界給出連貫而令人信服的描述。所以我們有必要去討論科學文化中的人文思想。
下面從文化角度去剖析物理學中的人文思想,主要有以下幾方面:
1物理學中的唯物辯證法思想
物理學在古代被稱為自然哲學,物理學作為一門精密的學科進行研究是從1687年牛頓發表的《自然哲學的數學原理》開始的。隨著學科的發展與不斷完善,物理學才從哲學中分化出來,形成獨立的學科,但物理文化中蘊含的哲學思想是不會被分離的。
1.1實踐是檢驗真理的唯一標準
物理學是實驗科學,物理實驗既是建立物理理論的基礎又是檢驗物理理論真理性的方法。楊振寧教授說“物理學是以實驗為本的學科”,物理學上很多理論都是通過實驗檢驗論證的結果,體現了唯物辯證法的認識論觀點——實踐是檢驗真理的唯一標準。
1.2物質是普遍聯系的
物理發展史上,很多地方體現了物質是普遍聯系的觀點。比如人們曾經把電和磁孤立起來,物理學家奧斯特接受自然力統一的哲學思想。堅信電和磁之間存在某種潛在聯系,經過多年研究,終于發現了電流的磁效應,并由此開創了電磁學的新紀元。把電和磁聯系了起來,這正體現了唯物辯證法的特征——物質是普遍聯系的。
1.3事物發展過程中的“否定之否定”規律
人們對物理現象及其本質的認識是不斷地發展和完善起來的,每一種理論的建立過程都體現了“實驗(事實)——理論假設——實驗(新的事實)——修正理論”,遵循著辯證唯物主義中的“否定之否定”規律。比如在整個光學的發展史中對光本質這個問題的認識,先是牛頓的微粒說;再是惠更斯的彈性波動說;接著麥克斯韋提出電磁波動說;到20世紀愛因斯坦提出光量子說。最終人們認識到光具有波粒二象性,人類對光本性的認識就正是遵循著“否定之否定”認識規律的反映。
1.4主要矛盾與次要矛盾的辯證關系
物理學中為了方便研究問題,經常抓住物體的主要特征,忽略物體的次要特征,而抽想出一些理想模型。如“質點”這個理想模型保留了實際物體的質量和存在的位置,而忽略了物體本身的大小形狀,體現出辯證唯物主義中的“主要矛盾與次要矛盾之間的辯證關系”。
1.5運動的相對性和時空的相對性
近代物理學的一大理論—愛因斯坦的相對論中涉及的哲學問題很多。最突出的就是相對運動和相對的時空觀念。相對論指出:相對性原理的本質在于運動的相對性這一事實,而不存在絕對運動。相對論否定了絕對運動的存在,就否定了絕對時空的概念。它通過不變的光速把時間和空間聯合為一個整體,由洛倫茲變換建立起各個慣性系之間的時空關系。
可見,不論是物理文化知識本身,還是物理文化形成、發展的過程都蘊含著豐富的哲學思維方法,對人類的自然觀和哲學思想有重大的影響。2物理學中的美學文化
2.物理理論的美學特征
2.1簡單深刻美
在一個藝術家眼里簡單是一種美。自然現象錯綜復雜,物理學則力求用簡單的方程或定律去概括自然規律,但其反映的內在規律確是非常深刻的。如能量的轉化和守恒定律反映了各種不同形式的能量的轉化,牛頓的三大定律更是概括了宏觀低速條件下各種機械運動的規律,麥克斯韋電磁方程組將復雜的電磁現象統一其中,愛因斯坦相對論中的基本原理簡單凝練,但其中內涵確是豐富而深刻的。
2.1.2對稱守恒美
對稱是自然界中廣泛存在的也是人們很樂于接受的一種美學形式,物理學在對自然的表述中處處顯現出了這種對稱的美:引力和斥力,“電生磁”與“磁生電”,粒子與反粒子,物質與反物質、圓孔或單縫衍射圖樣的對稱、無限長直導線周圍磁場的軸對稱等等。物理定律對某種規范變換的不變性、守恒性更是貫穿于整個物理學的一種對稱形式,物理學中有許多守恒定律如:動量守恒、機械能守恒等等。實際上,對稱性已經成為當代物理學家研究物理理論的一種方法。
2.1.3統一和諧美
物理理論的和諧統一美實際上是自然界和諧統一美的理論形態。如麥克斯韋電磁場理論把電學、磁學、光學統一了起來,量子力學把波動性和粒子性統一了起來,愛因斯坦的相對論把時間、空間、物質和運動統一起來,把經典物理學都包容在他的理論框架之內,創造了程度更高范圍更大的和諧統一理論。
2.2物理學家與美學思想
世界著名物理學家狄拉克認為:讓一個方程具有美感要比符合實驗更為重要。法國科學家彭加勒曾說:“科學家研究自然,是因為他從中能得到樂趣,他之所以能得到樂趣,是因為她美”。著名物理學家楊振寧曾經說過:“物理學的原理有它的結構,這個結構有它的美跟妙的地方,而各個物理學工作者對于這個結構的不同的美跟妙的地方的感受,有不同的了解,因為大家有不同的感受,所以每一個工作者會發展他自己獨特的研究方向跟研究方法,形成他自己的風格。”
許多著名的物理學家都有感知美的奇異本領,美學思想在許多物理學家創立與評價物理學理論時起著重大的啟發與指導作用。追溯人類科學源頭,科學美始終被作為一種人文理想而追求,成為科學家們獻身科學、潛心研究的直接動力之一。
3物理學中的科學道德精神
3.1對未知的好奇與探索精神
好奇心是一種情感,是一種人文精神,也是最重要的科學精神。科學進步的真正動力是許多物理學家對了解未知事物的欲望。牛頓看到蘋果落地,就去想蘋果為什么會從樹上掉下來,從而想到了萬有引力;阿基米德從浴桶洗澡中得到啟示,發現水面上升與他身體侵入部分體積之間的內在聯系,找到了鑒別金質王冠是否摻假的方法,產生阿基米德原理,發現浮力定律等。這種對未知的好奇與探索精神,對物理學的發展與人類的文明有很重要的作用。
3.2實事求是、勇于創新的科學精神
實事求是認知的基礎,而創新則是科學精神的核心。20世紀物理學的革命告訴我們:科學的發展道路上科學家要創立一種新理論的時候,都必須要有敢于向已有的舊理論、舊思想提出質疑的勇氣。例如:伽利略正是因為對亞里士多德“力是產生物體運動的原因”的懷疑,才建立了正確的力和運動的關系。以至于后來的牛頓運動定律的產生。著名物理學家楊振寧和李政道正是因為敏銳的覺察到了從未被人懷疑過的宇稱守恒定律的適用范圍,大膽提出了弱相互作用中宇稱不守恒的論斷,才使物理學理論有了一個突破性的進展。
3.3合作與寬容精神
一、物理學史的物質與精神力量
1.物理學史的“物質力量”
本文所指的物理學史的“物質力量”是物理學經典實驗的美妙與科學方法的嚴謹而簡單之美。許多精美的經典物理實驗和科學方法在物理學史中有記載。每一個經典物理實驗,往往在實驗過程設計和實驗裝置設計上極具創造性、新穎性和藝術性。每一個經典實驗都是經過艱辛的反復探索,通過長時間的努力,克服無數的困難,才得到的。在反復的實驗和總結歸納中得到的每一種科學方法都是科學工作者的智慧結晶,都是人們在認識和改造自然的實踐活動中歸納出來的。物理學史上科學理論的重大突破,往往都伴隨著新的科學思維、科學方法的誕生。在教學中充分展示這些精湛優美的實驗,可以使學生發現和體驗物理實驗的精彩和美妙。
例如,引力常數的測量,是萬有引力定律發現一百年后,卡文笛許設計出了經典的扭秤實驗,通過三次巧妙放大,從力的測量到力矩的測量,再到石英絲轉動角度的測量,最后到光點移動距離的測量才得以實現的。他也被稱為第一個能“稱量”天體質量的人。以至于著名文學家馬克?吐溫發出這樣的感慨:“科學真是迷人。根據零星的事實,增添一點猜想,竟能贏得那么好收獲!”
經典實驗之二,“斜面圓球滾動實驗”,是由伽得略設計的實驗。它的簡潔美體現在超越了實物形態,以理想化的方式簡化實驗條件、實驗過程,再通過推理證實,從有限的實驗樣品中總結歸納出具有普遍意義的廣義結論。這段物理學史的講述,使學生充分了解到伽利略開創了把物理實驗與科學思維相結合的物理學研究方法,是人類思想史上最偉大的成就之一。伽利略的貢獻自然使其被譽為“近代科學之父”,這是與他在科學上的偉大成就和在科學方法上的革命性貢獻是相符的。正是由于他在科學上的偉大成就和在科學方法上的貢獻、對自然科學的發展起到了至關重要的作用。
2.物理學史的“精神力量”
此處所指的物理學史的“精神力量”是指國內外著名物理學家的動人事跡,拼搏精神及人格魅力等。中外著名物理學家,他們都具有不怕挫折的拼搏精神、廢寢忘食的敬業精神和相互協作的團隊精神,他們生平動人的事跡是一部絕好的美育教材。在物理教學過程中,要靈活運用這些物理學史,讓學生了解物理學家的拼搏精神、樂觀精神及人格魅力,以激發學生的興趣,激勵學生學習物理。例如,焦耳歷經40年,400多次實驗才正確測得各種情況下熱功當量值;法拉第歷經十年的“磁生電”研究,才得出法拉第電磁感應定律;居里夫人歷經三四年才從8噸鈾瀝青礦渣中提煉出0. 12克純氯化鐳;開普勒歷經10多年,才計算出了行星運動的三大定律;愛迪生試驗了1600多種材料后才找到一種合適的燈絲。類似以上的許多物理學家,他們堅持不懈地拼搏探索精神和獻身精神,無不顯示了物理學家的人格魅力。因此將物理學史引入物理教學,通過講述國內外著名的物理學家的“精神力量”,以培養學生嚴謹且實事求是的科學態度,不怕挫折的拼搏精神,從而激發學生的學習興趣,并以科學家為楷模,樹立科學的世界觀和人生觀,確立為科學真理而獻身的崇高品質。
二、物理學史對物理教學的激勵作用
在物理教學中恰當地運用物理學史,能有效激發學生的主動性和愛國熱情,形成實事求是的科學態度,樹立正確的人生觀和價值觀。
1.利用物理學史,促發美感,激發興趣,提高教學效果
學生是學習的主體,教師應激發學生的學習興趣,讓學生積極主動地參與教學,從而提高教學質量。在物理教學中,融入國內外著名物理學家的光榮事跡或趣事,能激發學生的主動性,培養他們刻苦鉆研的精神。
正如自然界本身是一個和諧統一體一樣,物理科學也是和諧的統一體。物理學史中無論是經典實驗,還是科學方法都是物理學家追求簡單統一美的成果。例如,為追求天體運動和地球表面物體運動的完美統一,牛頓發現了萬有引力定律;為追求熱與功的完美統一,焦耳測出了熱功當量;為追求電和磁的完美統一,法拉第發現了電磁感應定律;為追求時間與空間的完美統一,愛因斯坦發現了相對論;為追求質量與能量的完美統一,愛因斯坦發現了質能方程等等。科學美還體現在科學技術的巨大進步上,比如,海王星與冥王星的發現是基于理論的發現、航天事業的發展等。在物理教學中,講述科學家追求完美統一的典型事例,能促進學生對科學的簡單和諧統一美的認識,進而轉化為對科學美的追求。
例如,在講述熱力學溫標時,回顧查理研究一定質量的氣體等容變化的規律,并得出表達式p1=p0(1+t273)的故事,由于開爾文“討厭”查理定律,認為表達式及圖像的形式“沒有美感”, 開爾文為了使公式的線性關系簡化為正比關系,進而建立了熱力學溫標,查理定律的表達式也優化為p1T1=p2T2。從而使表達式簡單、清晰,使圖像對稱,即“變美”了。在教學中選一些物理學家追求物理美的事例進行美學教育,可以使我們的教學過程充滿著物理科學美的鑒賞,使學生在美的環境中,在美的感受中學習物理知識,這樣有助于物理美感的形成,并能揭開科學研究的神秘面紗,提高創造信心。
2.利用物理學史,激發學生的愛國熱情
物理學史也是一部文明的發展史。在物理教學中,結合教學內容介紹我國古代科學家在物理學方面的卓越貢獻和現代物理學的相關技術及成就,從而使學生了解祖國燦爛輝煌的文化,培養學生民族自尊心和自豪感,激發學生愛祖國、愛民族的熱情。在介紹教學內容時,講述當前物理學的前沿知識,及我國所處的位置及與世界科技發展的差距,這樣不僅能使學生開闊眼界,而且還能激發學生的學習動力,喚起學生成為此領域領軍人物的責任感和使命感。在物理教學中,講述物理學史,不但使學生領略了科學技術的力量,還能激發學生的求知欲,喚起學生的時代感,樹立為提高我國科技水平而勇于探索、獻身科學的信念。
例如,在講述“聲波”時,介紹北京天壇絕妙建筑;在學習“原子和原子核”時,可以適當介紹原子能的利用,比如核電站、核潛艇等;在“天體運動”教學中,講述“神八”和“天宮一號”的發射與對接,介紹我國航天技術的現狀和發展。這些不但能激起學生的學習興趣、民族自豪感、責任感和使命感, 還能激發學生的愛國熱情,最終成為各領域的領軍人物。
三、總結
在物理教學中,結合教學內容講述物理學史的發展過程和動人故趣事,讓學生體會科學探索者的困惑沉思、創新設計,也就是讓學生體會研究之路是艱辛的,需要奉獻精神。讓學生用發展的、辯證的觀點來認識物理學知識的相對性,消除學生對物理學知識來源的神秘感,消除對已有知識的僵化認識,從而為今后的學習和生活樹立信心。因此,在物理教學過程中,要充分挖掘物理學史素材,適時介紹物理學史,充分發揮學生的主動性,使他們從“苦學”變為“樂學”,點燃學習的動力和創新的火花,實現他們自身知識和人格的自我成長和完善。
參考文獻
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“挑戰者”號事故調查
1986年1月28日上午11時39分,在美國佛羅里達州肯尼迪航天中心騰空而起的“挑戰者”號航天飛機升空73秒后,突然發生爆炸,機上7名宇航員全部遇難。事發之后,美國航空航天局(NASA)成立了一個事故調查委員會,當時在加州理工學院任教的費曼被邀成為調查委員會的一員。在調查過程中,費曼發現助推火箭上的一個O形環有燒焦痕跡,因此懷疑火箭燃料燃燒時從那里發生了燃料泄漏,從而引發了整個事故。同時,費曼了解到,航天飛機發射當天,地面溫度是-3℃~-4℃,遠低于通常的12℃。費曼認為事故的罪魁禍首就是這個O形環。
隨后,在一次面向公眾的電視直播會議上,費曼以他一貫簡潔、清晰展示科學原理的風格說明了O形環的問題所在。他在現場只用了3件簡單的道具:同樣的O形橡膠密封環,一把尖嘴鉗,一杯冰水。他用尖嘴鉗把O形環夾變形了一些,之后置于冰水杯中,一會兒他又取出來向公眾展示,O形環沒有恢復變形。科學家都崇尚簡單,厭惡繁文縟節,但是像費曼這樣身體力行,一生致力于簡潔化的科學思想、方法,并傾注大量心血于科學教育的,絕無僅有。他卓越的科學成就,獨特的科學教育方式以及迷人的個性使得他成為家喻戶曉的明星科學家。
愛唱反調的青年科學家
費曼1918年出生于美國紐約市皇后區的小鎮法洛克衛,1939年畢業于麻省理工學院,進入普林斯頓大學念研究生,成為著名物理學家約翰?惠勒的學生。
1943年,在洛斯阿拉莫斯,剛剛研究生畢業的費曼獲得了一個難得的機會,同一批最偉大的物理學家和數學家一起工作,他們包括:奧本海默、漢斯?貝特、恩里科?費米、愛德華?泰勒,還有約翰?馮?諾伊曼,而這個機會就是制造出世界上第一顆原子彈的“曼哈頓計劃”,這也是費曼研究生涯的起點。在這個團體中,年輕的費曼得到了眾多科學前輩的認同。他能運用邏輯來分析一切復雜問題,找出主要因素,并簡單明了地說明需要解答的關鍵問題。令前輩們同樣滿意的是這位年輕的科學家對物理學全身心投入的熱情。當時,年輕的費曼常常與已經小有名氣物理學家貝特唱反調,但貝特一點也不生氣,相反,費曼深入的思考給他留下了很好的印象,因此他對費曼產生了一種尊敬。貝特還將費曼收入麾下,讓他做了計算組的組長。貝特后來還自豪地宣稱:“費曼能做任何事情,所有的事情。”“曼哈頓計劃”的領導者奧本海默也稱他為“這里最才華橫溢的年輕物理學家”。
最善于抓住本質的大腦
要善于抓住事物的本質,這是費曼小時候從父親那里得到的教誨。一次,在林中散步,父子一起觀察鳥雀,父親告訴他,如果你知道了這種鳥雀的名字,哪怕是許多種語言的名字,都無助于加深對鳥的理解,只有通過觀察鳥的行為才能去認識它。這些話影響了費曼一生,他對哲學家在概念上的糾纏很不屑,認為自然界不會滿足哲學家那些先入為主的見解。有人問他,如何用一句話概括出現代科學最基本的觀點,費曼回答說:“一切物質都是由原子構成的。”
費曼由于在量子電動力學上的貢獻和施溫格、朝永振一郎分享了1965年諾貝爾物理學獎。他們三人其實是用不同的方法創建了量子電動力學。這種現象在科學史上倒不罕見,17世紀時牛頓和萊布尼茨就各自獨立發明了微積分;20世紀20年代海森堡和薛定諤也各自創建了量子力學。但是在他們三人中,費曼的方法最直觀、最形象,這也是他一貫簡潔風格的體現。
其中用到的費曼圖,就是一種符號化的物理語言,比如反映物理學中康普頓效應(光子和電子相互作用)的費曼圖。
費曼圖中的實線代表電子,波紋線代表光子,費曼圖不僅有鮮明的物理含義,而且具有嚴格的數學含義,可以說每一幅費曼圖就是一個數學表達式。上述費曼圖表示的物理含義是,光子與原子中的電子發生彈性碰撞,碰撞后光子損失能量,改變其運動方向,而電子獲得能量從原子中飛出。
費曼的好友、物理學家戴森回憶說:“當費曼看不懂正統教科書中的量子力學時,他只好從頭開始發明了一套自己能看得懂的量子力學……我用正統方法所做的計算,花了我幾個月的時間,寫了幾百張紙;費曼卻可以在黑板上,花半個小時就得到幾乎相同的答案。”這從側面也反映了費曼創造簡潔科學理論的天賦。
送給教育界的寶貴禮物
費曼對科學教育界產生了難以估量的影響,其中最寶貴的禮物應當是著名的三卷本《費曼物理學講義》,有人認為它是迄今為止最好的大學物理學教材。費曼早年參加了制造原子彈的“曼哈頓計劃”,第二次世界大戰結束后,他前往康奈爾大學任教。1949年到1951年,他應邀到巴西給大學生講授了10個月(非連續的)的物理課。費曼發現,那里的學生都喜歡背誦,卻不知道自己在背什么。返回美國后,費曼開始在加州理工學院任教,但他一直沒有給低年級的大學生講過物理課。直到1961年秋季,學校有一項物理教育改革項目,他在同事的推薦下答應給低年級大學生講授兩年物理課。《費曼物理學講義》就是根據那些授課筆記整理的。在這本講義中,費曼還結合了他對巴西教學生涯的反思,認為大學物理課講授的目的不應該是為考試做準備,甚至不是為學生服務于工業或者軍事做準備。他說:“我最想做的是與你們分享我對于這個奇妙世界的一些欣賞,以及物理學家們看待這個世界的方式,我相信,這是現今時代里真正文化的主要部分(或許有其他學科的許多教授會反對這一點,但我相信他們是完全錯誤的)。”半個世紀前費曼的教育思想,現在聽來依然振聾發聵。
除了他的講義之外,以他的演講或訪談為基礎整理出版的《物理定律的本性》《發現的樂趣》《費曼講演錄:一個平民科學家的思想》等都是絕好的科學文化讀物,從中能體會到作為一名物理學家的費曼是如何闡釋科學定律、如何看待科學與社會之間的關系,等等。
真性情的魅力人生
當然,費曼之所以成為費曼,很大程度上歸于他獨特的個人魅力。不錯,他是20世紀一流的物理學家,但若論物理學成就,他要遜色于英國的狄拉克,不過他又是邦戈鼓手、繪畫愛好者、開保險柜專家、科學教育專家……而狄拉克僅是一個“標準”、正統的科學家,因此就知名度而言,狄拉克顯然遜色費曼。
費曼是卓爾不群的“反叛者”,他曾直接致信美國科學院請辭院士的稱號,而且他不止一次請辭,結果每一次都驚擾到科學院院長親自過問。請看一封1969年6月費曼給當時科學院院長塞茲的回信,你就能清楚了解費曼的個性。
親愛的塞茲院長:
……我想離開國家科學院這個團體,完全是私人原因,與國家科學院或政府的作為無關,也不是你個人行政風格的問題。多年以來,我就一直很想安安靜靜地、不驚動任何人而退出這個團體,也不要引發任何的政治聯想。這純粹是我個人的因素,有點孩子氣,就是喜歡什么、不喜歡什么而已。請接收我的辭職。
誠摯的祝福
費曼
關鍵詞 物理人 謙遜 專注 堅持 淡泊 博愛
文章編號 1008-5807(2011)03-103-02
科學家,尤其是物理學家,究竟是一種怎樣的形象呢?談到這個話題時,人們的頭腦中往往會產生一副頭發亂糟糟、目光深邃的老者形象。這也許是那副深入人心的愛因斯坦的頭像給大家帶來的感覺。相信大家的另一個對他們的印象便是那種不問世事的研究者形象了,好像他們的生命中除了研究別無他物。其實,這些偉大的物理學家們身上還閃耀著很多人性的光芒。這些品質已經不僅僅是他們所獨有的,而是成為了每一個物理人(學物理、研究物理的人)所共有的。現在就讓我們一起跟隨幾位偉大的物理學家一同領略一下物理世界中的人的美麗吧!
一、謙遜之美
“如果說我比別人(笛卡爾)看得更遠些, 那是因為我站在巨人的肩膀上。”偉大的物理學巨人牛頓并沒有被自己的成就沖昏了頭腦,他將自己的偉大發現歸結于前人的努力。這種站在前人肩膀上取得成就的心態也成為了每一個物理人效仿的對象,當然這也成為每個謙遜的人效仿的對象。而牛頓的另一句話同樣家喻戶曉:“我不知道世人怎樣看我,但我自己以為我不過像一個在海邊玩耍的孩子,不時為發現比尋常更為美麗的貝殼而沾沾自喜。”在獲得了世人巨大的認可之后,牛頓還能如此謙虛,使我們不得不佩服。而正式這種良好的謙遜的心態才可以使人不會滿于現狀,繼續發奮圖強,從而取得更大的成功。
二、專注之美
還是牛頓,相信牛頓煮雞蛋結果煮成了自己的懷表的故事大家都是耳熟能詳的了。另一個故事同樣能說明問題。大家都知道,牛頓終身未娶。但在他年輕時,有一次他曾向一位年輕姑娘求婚。正當他輕輕地握著她的手將要求婚時,他的心思忽地溜到另一個世界去了。他的大腦中只剩下了無窮量的二項式定理。他像做夢似的,下意識地抓住情人的一根手指,把它當成了通煙斗的通條,硬往煙斗里塞。姑娘痛得大叫一聲,他才清醒過來。雖然他最終得到了姑娘的原諒,但結婚的期望卻也成了泡影。愛因斯坦等物理學家也都常常發呆到忘記一切的程度。他們有時候看起來有些傻,但這種傻是傻得可愛,傻得有大智慧。也正是這種“傻”帶給了他們常人無法得到甚至是無法理解的智慧和成果,才帶給了世界文明進步的一股推力。現在我們這些“聰明人”學習的知識正是“傻人”們不懈努力的結果啊!
三、堅持之美
這些偉大的物理學家或許不是最聰明的,但卻一定是最能堅持的。正如牛頓所說的:“聰明人之所以不會成功,是由于他們缺乏堅韌的毅力。” “勝利者往往是從堅持最后五分鐘的時間中得來成功。”物理學家們的堅持不僅僅是堅持努力實現自己的目標,更在于堅持自己的理念,堅持自己的事業。1879年是統一電磁理論的締造者麥克斯韋生命中的最后一年。這一年天氣格外寒冷,麥克斯韋的健康狀況也是每況愈下,但他仍然堅持不懈地宣傳他的電磁理論,雖然他的聽眾只有兩個。削瘦的麥克斯韋教授講的仿佛不是他電磁理論,而是他對真理的不懈追求和堅持!這一幕多么令人感動!物理學家們的堅持多么令人感動!
四、淡泊之美
物理學家們追求的最高境界是真理,而非財富、名譽這些俗物。如果說他們在特定的時期內追求財富、名譽的話,也是為了進一步追求真理做準備。物理學家們的追求是單純而樸實的,就像發現電磁感應定律的法拉第所說的:“只有無知,沒有不滿。”法拉第穿著簡樸,以至于有人錯認他為皇家實驗室的看門大爺。另外,法拉第還多次拒絕皇家學會會長一職。而偉大的物理學家愛因斯坦甚至拒絕過擔任以色列總統!用他自己的話說:“方程對我更重要些,因為政治是為當前,而方程卻是一種永恒的東西。”即使是現在,又有哪一個物理人的心中沒有存著那對真理的渴求呢?正是對真理的渴求才是我們奮斗的原動力!用諾貝爾獎得主,著名物理學家費曼的話說:“Physics is like sex: sure, it may give some practical results, but that's not why we do it.” (“物理像性一樣:肯定地,它可以給出一些實際的結果,但那不是我們做它的原因。”)(這也是我們山東大學物理學院的一句口號。)
五、博愛之美
學物理、搞物理的人雖然有時看起來有些呆板,但也絕不是不問世事的書呆子。他們都有著博愛之心。功成名就的法拉第依然十分關心青少年的教育和科普事業。1826年,他提議開設周五科普講座,并親身參與了百余次。同時他參與皇家學院每年“圣誕節講座”共19年。據此編寫的《蠟燭的故事》一書,成為最受全世界青少年歡迎的科普讀物之一。而當愛因斯坦得知原子彈(以質能方程為理論依據)的危害之后,非常后悔曾經提議制造原子彈。此后,愛因斯坦成為了一個堅決的反核武器者,為反核事業做出了貢獻。同時,愛因斯坦作為一位“世界公民”,他的愛是沒有國界的。他曾對中國人民的苦難表示了深切的同情,公開表示了對日本的譴責,并積極籌劃對華募捐的活動。愛因斯坦所作的這一切應是我們中國人民乃至全世界人民所感激的。他不僅發現了偉大的相對論,更致力于將世界變得更美好。可以說,物理學家們是與真理世界走得最近的人,卻也并沒有脫離我們的現實世界。他們是一群單純的人,渴望看到全世界的和平繁榮,渴望看到世界人民齊心協力征服真理,而非征服我們的同胞。擁有博愛之心的他們才能真正造福人類。
其實,學物理、研究物理的人還有其他很多品質和素質。比如豐富的想象力、強烈的好奇心和解等等。但無論怎樣,只有懷抱著優良的品質,物理人們才能使物理知識造福社會、造福人類。
作為學物理的物理人,過去我們把主要精力放在了培養學術能力的方向上。這本沒有錯,但是過分的追求學術而忽略一些為科學奮斗的品質要素就一定錯了。因為這些要素同樣也是物理學研究所必不可少的,同樣也是我們應當不懈追求和探尋的。雖然我們不能做到物理學家一樣的謙遜、專注、堅持、淡泊、博愛,但我們可以定之為努力的方向。物理學家有他們特有的“美的元素”,我們學物理、研究物理的人一樣可以培養我們自己特有的美。這也正是我們努力的目標和方向所在。就算是一個與科學關系不大的普通人,也應努力發現、培養這些美學特性,擁有這些可貴的素質和品質,堅持向自己人生的真理前進。
1871年英國著名物理學家麥克斯韋在給朋友的信中提出一個稱為“麥克斯韋妖”(Maxwell Demon)的非常有趣的物理設想,用來作為違反熱力學第二定律可能性的一個反例。設想有一箱密封氣體,被一個板隔離為兩部分,一半溫度較高,一半溫度較低。如果拿走隔板,冷熱氣體會自然混合,最后會得到均勻混合的氣體,溫度介于原來的兩個溫度之間,這是符合熱力學定律的。現在假設,隔板上開一個小孔,有一個“小妖”來控制它的關閉和開啟。對從左邊箱子來的分子,“小妖”只讓運動速度很快的通過,反之,對于從右邊來的分子,只允許速度較慢的通過。這樣,左邊箱子里的氣體將不斷變冷,右邊箱子里的氣體將不斷變熱。原本溫度均勻的兩半,就會由于麥克斯韋妖的作用,使得左邊的溫度比右邊低,于是違反了熱力學第二定律。
作者在本書中提供了統計力學的一種新的概念基礎。它展示了熱力學與力學之間的縫隙是如何發生的,以及怎樣才能彌合。熱力學不是一個普適的理論,著名的麥克斯韋妖這類情況可以被統計力學成功地預測。目前,這一理論的基礎還不穩固。在這本書中,作者在這種新的概念基礎之上發展統計力學,嘗試處理這些困難問題。他們解釋了宏觀態、概率、測量、記憶等概念和統計力學中的時間之箭,得到了驚人的結論:麥克斯韋妖,著名的永動機,是與基本的物理定律一致的。對于統計力學基礎長期存在的一些問題提供了新的解決辦法。
全書共分成13章:1.引言;2.熱力學;3.經典力學;4.時間;5.宏觀態;6.概率;7.熵;8.典型性;9.測量;10.過去;11 Gibbs; 12.擦除;13.麥克斯韋妖。
本書是一本高水平的學術專著,而不是一本教材,作者們使用新發展的概念工具,對于統計力學提供了一個新的哲學視角,力求解決物理學的一些基本問題。他們在不放棄深度下盡可能地避免復雜的數學處理,而采用新的圖解方式來輔助內容的闡述。對于那些對物理學基礎和哲學感興趣的研究人員和研究生這是一本引人入勝值得一讀的參考書。