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關(guān)鍵詞:物理學(xué);人文文化
物理學(xué)是一門最基本的自然學(xué)科,它是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科,所以人們往往認(rèn)為物理學(xué)只是包含一些枯燥的理論公式,而忽視了物理學(xué)中包含的人文因素諸如人文哲學(xué)思想、美學(xué)、道德等方面。實(shí)際上,物理學(xué)在產(chǎn)生、形成、發(fā)展的過程中,人們不是為了物理學(xué)而研究物理學(xué),而是為了有助于人類、社會(huì)以及個(gè)體人的發(fā)展而研究物理學(xué),所有這些都涉及到了人與人的關(guān)系、人與自然的關(guān)系,這些關(guān)系中都蘊(yùn)含著豐富的人文文化。
著名物理學(xué)家吳健雄曾指出:為了避免出現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中的危機(jī),當(dāng)前一個(gè)刻不容緩的問題是消除現(xiàn)代文化中兩種文化,即科學(xué)文化和人文文化之間的隔閡,而加強(qiáng)這兩方面的聯(lián)系。沒有比大學(xué)更加適合的場所了。只有當(dāng)兩種文化的隔閡在大學(xué)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(xué)文化中的人文思想。
下面從文化角度去剖析物理學(xué)中的人文思想,主要有以下幾方面:
1物理學(xué)中的唯物辯證法思想
物理學(xué)在古代被稱為自然哲學(xué),物理學(xué)作為一門精密的學(xué)科進(jìn)行研究是從1687年牛頓發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》開始的。隨著學(xué)科的發(fā)展與不斷完善,物理學(xué)才從哲學(xué)中分化出來,形成獨(dú)立的學(xué)科,但物理文化中蘊(yùn)含的哲學(xué)思想是不會(huì)被分離的。
1.1實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)
物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué),物理實(shí)驗(yàn)既是建立物理理論的基礎(chǔ)又是檢驗(yàn)物理理論真理性的方法。楊振寧教授說“物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為本的學(xué)科”,物理學(xué)上很多理論都是通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)論證的結(jié)果,體現(xiàn)了唯物辯證法的認(rèn)識論觀點(diǎn)——實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。
1.2物質(zhì)是普遍聯(lián)系的
物理發(fā)展史上,很多地方體現(xiàn)了物質(zhì)是普遍聯(lián)系的觀點(diǎn)。比如人們曾經(jīng)把電和磁孤立起來,物理學(xué)家奧斯特接受自然力統(tǒng)一的哲學(xué)思想。堅(jiān)信電和磁之間存在某種潛在聯(lián)系,經(jīng)過多年研究,終于發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng),并由此開創(chuàng)了電磁學(xué)的新紀(jì)元。把電和磁聯(lián)系了起來,這正體現(xiàn)了唯物辯證法的特征——物質(zhì)是普遍聯(lián)系的。
1.3事物發(fā)展過程中的“否定之否定”規(guī)律
人們對物理現(xiàn)象及其本質(zhì)的認(rèn)識是不斷地發(fā)展和完善起來的,每一種理論的建立過程都體現(xiàn)了“實(shí)驗(yàn)(事實(shí))——理論假設(shè)——實(shí)驗(yàn)(新的事實(shí))——修正理論”,遵循著辯證唯物主義中的“否定之否定”規(guī)律。比如在整個(gè)光學(xué)的發(fā)展史中對光本質(zhì)這個(gè)問題的認(rèn)識,先是牛頓的微粒說;再是惠更斯的彈性波動(dòng)說;接著麥克斯韋提出電磁波動(dòng)說;到20世紀(jì)愛因斯坦提出光量子說。最終人們認(rèn)識到光具有波粒二象性,人類對光本性的認(rèn)識就正是遵循著“否定之否定”認(rèn)識規(guī)律的反映。
1.4主要矛盾與次要矛盾的辯證關(guān)系
物理學(xué)中為了方便研究問題,經(jīng)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(zhì)點(diǎn)”這個(gè)理想模型保留了實(shí)際物體的質(zhì)量和存在的位置,而忽略了物體本身的大小形狀,體現(xiàn)出辯證唯物主義中的“主要矛盾與次要矛盾之間的辯證關(guān)系”。
1.5運(yùn)動(dòng)的相對性和時(shí)空的相對性
近代物理學(xué)的一大理論—愛因斯坦的相對論中涉及的哲學(xué)問題很多。最突出的就是相對運(yùn)動(dòng)和相對的時(shí)空觀念。相對論指出:相對性原理的本質(zhì)在于運(yùn)動(dòng)的相對性這一事實(shí),而不存在絕對運(yùn)動(dòng)。相對論否定了絕對運(yùn)動(dòng)的存在,就否定了絕對時(shí)空的概念。它通過不變的光速把時(shí)間和空間聯(lián)合為一個(gè)整體,由洛倫茲變換建立起各個(gè)慣性系之間的時(shí)空關(guān)系。
可見,不論是物理文化知識本身,還是物理文化形成、發(fā)展的過程都蘊(yùn)含著豐富的哲學(xué)思維方法,對人類的自然觀和哲學(xué)思想有重大的影響。2物理學(xué)中的美學(xué)文化
2.物理理論的美學(xué)特征
2.1簡單深刻美
在一個(gè)藝術(shù)家眼里簡單是一種美。自然現(xiàn)象錯(cuò)綜復(fù)雜,物理學(xué)則力求用簡單的方程或定律去概括自然規(guī)律,但其反映的內(nèi)在規(guī)律確是非常深刻的。如能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律反映了各種不同形式的能量的轉(zhuǎn)化,牛頓的三大定律更是概括了宏觀低速條件下各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,麥克斯韋電磁方程組將復(fù)雜的電磁現(xiàn)象統(tǒng)一其中,愛因斯坦相對論中的基本原理簡單凝練,但其中內(nèi)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(xué)形式,物理學(xué)在對自然的表述中處處顯現(xiàn)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(zhì)與反物質(zhì)、圓孔或單縫衍射圖樣的對稱、無限長直導(dǎo)線周圍磁場的軸對稱等等。物理定律對某種規(guī)范變換的不變性、守恒性更是貫穿于整個(gè)物理學(xué)的一種對稱形式,物理學(xué)中有許多守恒定律如:動(dòng)量守恒、機(jī)械能守恒等等。實(shí)際上,對稱性已經(jīng)成為當(dāng)代物理學(xué)家研究物理理論的一種方法。
2.1.3統(tǒng)一和諧美
物理理論的和諧統(tǒng)一美實(shí)際上是自然界和諧統(tǒng)一美的理論形態(tài)。如麥克斯韋電磁場理論把電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一了起來,量子力學(xué)把波動(dòng)性和粒子性統(tǒng)一了起來,愛因斯坦的相對論把時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來,把經(jīng)典物理學(xué)都包容在他的理論框架之內(nèi),創(chuàng)造了程度更高范圍更大的和諧統(tǒng)一理論。
2.2物理學(xué)家與美學(xué)思想
世界著名物理學(xué)家狄拉克認(rèn)為:讓一個(gè)方程具有美感要比符合實(shí)驗(yàn)更為重要。法國科學(xué)家彭加勒曾說:“科學(xué)家研究自然,是因?yàn)樗麖闹心艿玫綐啡?,他之所以能得到樂趣,是因?yàn)樗馈?。著名物理學(xué)家楊振寧曾經(jīng)說過:“物理學(xué)的原理有它的結(jié)構(gòu),這個(gè)結(jié)構(gòu)有它的美跟妙的地方,而各個(gè)物理學(xué)工作者對于這個(gè)結(jié)構(gòu)的不同的美跟妙的地方的感受,有不同的了解,因?yàn)榇蠹矣胁煌母惺?,所以每一個(gè)工作者會(huì)發(fā)展他自己獨(dú)特的研究方向跟研究方法,形成他自己的風(fēng)格。”
許多著名的物理學(xué)家都有感知美的奇異本領(lǐng),美學(xué)思想在許多物理學(xué)家創(chuàng)立與評價(jià)物理學(xué)理論時(shí)起著重大的啟發(fā)與指導(dǎo)作用。追溯人類科學(xué)源頭,科學(xué)美始終被作為一種人文理想而追求,成為科學(xué)家們獻(xiàn)身科學(xué)、潛心研究的直接動(dòng)力之一。
3物理學(xué)中的科學(xué)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(xué)精神??茖W(xué)進(jìn)步的真正動(dòng)力是許多物理學(xué)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(huì)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(fā)現(xiàn)水面上升與他身體侵入部分體積之間的內(nèi)在聯(lián)系,找到了鑒別金質(zhì)王冠是否摻假的方法,產(chǎn)生阿基米德原理,發(fā)現(xiàn)浮力定律等。這種對未知的好奇與探索精神,對物理學(xué)的發(fā)展與人類的文明有很重要的作用。
3.2實(shí)事求是、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神
實(shí)事求是認(rèn)知的基礎(chǔ),而創(chuàng)新則是科學(xué)精神的核心。20世紀(jì)物理學(xué)的革命告訴我們:科學(xué)的發(fā)展道路上科學(xué)家要?jiǎng)?chuàng)立一種新理論的時(shí)候,都必須要有敢于向已有的舊理論、舊思想提出質(zhì)疑的勇氣。例如:伽利略正是因?yàn)閷喞锸慷嗟隆傲κ钱a(chǎn)生物體運(yùn)動(dòng)的原因”的懷疑,才建立了正確的力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。以至于后來的牛頓運(yùn)動(dòng)定律的產(chǎn)生。著名物理學(xué)家楊振寧和李政道正是因?yàn)槊翡J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(xué)理論有了一個(gè)突破性的進(jìn)展。
3.3合作與寬容精神
一、物理學(xué)史的物質(zhì)與精神力量
1.物理學(xué)史的“物質(zhì)力量”
本文所指的物理學(xué)史的“物質(zhì)力量”是物理學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的美妙與科學(xué)方法的嚴(yán)謹(jǐn)而簡單之美。許多精美的經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)和科學(xué)方法在物理學(xué)史中有記載。每一個(gè)經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn),往往在實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)上極具創(chuàng)造性、新穎性和藝術(shù)性。每一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)都是經(jīng)過艱辛的反復(fù)探索,通過長時(shí)間的努力,克服無數(shù)的困難,才得到的。在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和總結(jié)歸納中得到的每一種科學(xué)方法都是科學(xué)工作者的智慧結(jié)晶,都是人們在認(rèn)識和改造自然的實(shí)踐活動(dòng)中歸納出來的。物理學(xué)史上科學(xué)理論的重大突破,往往都伴隨著新的科學(xué)思維、科學(xué)方法的誕生。在教學(xué)中充分展示這些精湛優(yōu)美的實(shí)驗(yàn),可以使學(xué)生發(fā)現(xiàn)和體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)的精彩和美妙。
例如,引力常數(shù)的測量,是萬有引力定律發(fā)現(xiàn)一百年后,卡文笛許設(shè)計(jì)出了經(jīng)典的扭秤實(shí)驗(yàn),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(zhuǎn)動(dòng)角度的測量,最后到光點(diǎn)移動(dòng)距離的測量才得以實(shí)現(xiàn)的。他也被稱為第一個(gè)能“稱量”天體質(zhì)量的人。以至于著名文學(xué)家馬克?吐溫發(fā)出這樣的感慨:“科學(xué)真是迷人。根據(jù)零星的事實(shí),增添一點(diǎn)猜想,竟能贏得那么好收獲!”
經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之二,“斜面圓球滾動(dòng)實(shí)驗(yàn)”,是由伽得略設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。它的簡潔美體現(xiàn)在超越了實(shí)物形態(tài),以理想化的方式簡化實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)過程,再通過推理證實(shí),從有限的實(shí)驗(yàn)樣品中總結(jié)歸納出具有普遍意義的廣義結(jié)論。這段物理學(xué)史的講述,使學(xué)生充分了解到伽利略開創(chuàng)了把物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維相結(jié)合的物理學(xué)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(xiàn)自然使其被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”,這是與他在科學(xué)上的偉大成就和在科學(xué)方法上的革命性貢獻(xiàn)是相符的。正是由于他在科學(xué)上的偉大成就和在科學(xué)方法上的貢獻(xiàn)、對自然科學(xué)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。
2.物理學(xué)史的“精神力量”
此處所指的物理學(xué)史的“精神力量”是指國內(nèi)外著名物理學(xué)家的動(dòng)人事跡,拼搏精神及人格魅力等。中外著名物理學(xué)家,他們都具有不怕挫折的拼搏精神、廢寢忘食的敬業(yè)精神和相互協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神,他們生平動(dòng)人的事跡是一部絕好的美育教材。在物理教學(xué)過程中,要靈活運(yùn)用這些物理學(xué)史,讓學(xué)生了解物理學(xué)家的拼搏精神、樂觀精神及人格魅力,以激發(fā)學(xué)生的興趣,激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)物理。例如,焦耳歷經(jīng)40年,400多次實(shí)驗(yàn)才正確測得各種情況下熱功當(dāng)量值;法拉第歷經(jīng)十年的“磁生電”研究,才得出法拉第電磁感應(yīng)定律;居里夫人歷經(jīng)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(jīng)10多年,才計(jì)算出了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律;愛迪生試驗(yàn)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(xué)家,他們堅(jiān)持不懈地拼搏探索精神和獻(xiàn)身精神,無不顯示了物理學(xué)家的人格魅力。因此將物理學(xué)史引入物理教學(xué),通過講述國內(nèi)外著名的物理學(xué)家的“精神力量”,以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)且實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,不怕挫折的拼搏精神,從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并以科學(xué)家為楷模,樹立科學(xué)的世界觀和人生觀,確立為科學(xué)真理而獻(xiàn)身的崇高品質(zhì)。
二、物理學(xué)史對物理教學(xué)的激勵(lì)作用
在物理教學(xué)中恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用物理學(xué)史,能有效激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和愛國熱情,形成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,樹立正確的人生觀和價(jià)值觀。
1.利用物理學(xué)史,促發(fā)美感,激發(fā)興趣,提高教學(xué)效果
學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體,教師應(yīng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生積極主動(dòng)地參與教學(xué),從而提高教學(xué)質(zhì)量。在物理教學(xué)中,融入國內(nèi)外著名物理學(xué)家的光榮事跡或趣事,能激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性,培養(yǎng)他們刻苦鉆研的精神。
正如自然界本身是一個(gè)和諧統(tǒng)一體一樣,物理科學(xué)也是和諧的統(tǒng)一體。物理學(xué)史中無論是經(jīng)典實(shí)驗(yàn),還是科學(xué)方法都是物理學(xué)家追求簡單統(tǒng)一美的成果。例如,為追求天體運(yùn)動(dòng)和地球表面物體運(yùn)動(dòng)的完美統(tǒng)一,牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律;為追求熱與功的完美統(tǒng)一,焦耳測出了熱功當(dāng)量;為追求電和磁的完美統(tǒng)一,法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律;為追求時(shí)間與空間的完美統(tǒng)一,愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了相對論;為追求質(zhì)量與能量的完美統(tǒng)一,愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能方程等等??茖W(xué)美還體現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步上,比如,海王星與冥王星的發(fā)現(xiàn)是基于理論的發(fā)現(xiàn)、航天事業(yè)的發(fā)展等。在物理教學(xué)中,講述科學(xué)家追求完美統(tǒng)一的典型事例,能促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)的簡單和諧統(tǒng)一美的認(rèn)識,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為對科學(xué)美的追求。
例如,在講述熱力學(xué)溫標(biāo)時(shí),回顧查理研究一定質(zhì)量的氣體等容變化的規(guī)律,并得出表達(dá)式p1=p0(1+t273)的故事,由于開爾文“討厭”查理定律,認(rèn)為表達(dá)式及圖像的形式“沒有美感”, 開爾文為了使公式的線性關(guān)系簡化為正比關(guān)系,進(jìn)而建立了熱力學(xué)溫標(biāo),查理定律的表達(dá)式也優(yōu)化為p1T1=p2T2。從而使表達(dá)式簡單、清晰,使圖像對稱,即“變美”了。在教學(xué)中選一些物理學(xué)家追求物理美的事例進(jìn)行美學(xué)教育,可以使我們的教學(xué)過程充滿著物理科學(xué)美的鑒賞,使學(xué)生在美的環(huán)境中,在美的感受中學(xué)習(xí)物理知識,這樣有助于物理美感的形成,并能揭開科學(xué)研究的神秘面紗,提高創(chuàng)造信心。
2.利用物理學(xué)史,激發(fā)學(xué)生的愛國熱情
物理學(xué)史也是一部文明的發(fā)展史。在物理教學(xué)中,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容介紹我國古代科學(xué)家在物理學(xué)方面的卓越貢獻(xiàn)和現(xiàn)代物理學(xué)的相關(guān)技術(shù)及成就,從而使學(xué)生了解祖國燦爛輝煌的文化,培養(yǎng)學(xué)生民族自尊心和自豪感,激發(fā)學(xué)生愛祖國、愛民族的熱情。在介紹教學(xué)內(nèi)容時(shí),講述當(dāng)前物理學(xué)的前沿知識,及我國所處的位置及與世界科技發(fā)展的差距,這樣不僅能使學(xué)生開闊眼界,而且還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力,喚起學(xué)生成為此領(lǐng)域領(lǐng)軍人物的責(zé)任感和使命感。在物理教學(xué)中,講述物理學(xué)史,不但使學(xué)生領(lǐng)略了科學(xué)技術(shù)的力量,還能激發(fā)學(xué)生的求知欲,喚起學(xué)生的時(shí)代感,樹立為提高我國科技水平而勇于探索、獻(xiàn)身科學(xué)的信念。
例如,在講述“聲波”時(shí),介紹北京天壇絕妙建筑;在學(xué)習(xí)“原子和原子核”時(shí),可以適當(dāng)介紹原子能的利用,比如核電站、核潛艇等;在“天體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中,講述“神八”和“天宮一號”的發(fā)射與對接,介紹我國航天技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展。這些不但能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、民族自豪感、責(zé)任感和使命感, 還能激發(fā)學(xué)生的愛國熱情,最終成為各領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。
三、總結(jié)
在物理教學(xué)中,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容講述物理學(xué)史的發(fā)展過程和動(dòng)人故趣事,讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)探索者的困惑沉思、創(chuàng)新設(shè)計(jì),也就是讓學(xué)生體會(huì)研究之路是艱辛的,需要奉獻(xiàn)精神。讓學(xué)生用發(fā)展的、辯證的觀點(diǎn)來認(rèn)識物理學(xué)知識的相對性,消除學(xué)生對物理學(xué)知識來源的神秘感,消除對已有知識的僵化認(rèn)識,從而為今后的學(xué)習(xí)和生活樹立信心。因此,在物理教學(xué)過程中,要充分挖掘物理學(xué)史素材,適時(shí)介紹物理學(xué)史,充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性,使他們從“苦學(xué)”變?yōu)椤皹穼W(xué)”,點(diǎn)燃學(xué)習(xí)的動(dòng)力和創(chuàng)新的火花,實(shí)現(xiàn)他們自身知識和人格的自我成長和完善。
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“挑戰(zhàn)者”號事故調(diào)查
1986年1月28日上午11時(shí)39分,在美國佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心騰空而起的“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)升空73秒后,突然發(fā)生爆炸,機(jī)上7名宇航員全部遇難。事發(fā)之后,美國航空航天局(NASA)成立了一個(gè)事故調(diào)查委員會(huì),當(dāng)時(shí)在加州理工學(xué)院任教的費(fèi)曼被邀成為調(diào)查委員會(huì)的一員。在調(diào)查過程中,費(fèi)曼發(fā)現(xiàn)助推火箭上的一個(gè)O形環(huán)有燒焦痕跡,因此懷疑火箭燃料燃燒時(shí)從那里發(fā)生了燃料泄漏,從而引發(fā)了整個(gè)事故。同時(shí),費(fèi)曼了解到,航天飛機(jī)發(fā)射當(dāng)天,地面溫度是-3℃~-4℃,遠(yuǎn)低于通常的12℃。費(fèi)曼認(rèn)為事故的罪魁禍?zhǔn)拙褪沁@個(gè)O形環(huán)。
隨后,在一次面向公眾的電視直播會(huì)議上,費(fèi)曼以他一貫簡潔、清晰展示科學(xué)原理的風(fēng)格說明了O形環(huán)的問題所在。他在現(xiàn)場只用了3件簡單的道具:同樣的O形橡膠密封環(huán),一把尖嘴鉗,一杯冰水。他用尖嘴鉗把O形環(huán)夾變形了一些,之后置于冰水杯中,一會(huì)兒他又取出來向公眾展示,O形環(huán)沒有恢復(fù)變形。科學(xué)家都崇尚簡單,厭惡繁文縟節(jié),但是像費(fèi)曼這樣身體力行,一生致力于簡潔化的科學(xué)思想、方法,并傾注大量心血于科學(xué)教育的,絕無僅有。他卓越的科學(xué)成就,獨(dú)特的科學(xué)教育方式以及迷人的個(gè)性使得他成為家喻戶曉的明星科學(xué)家。
愛唱反調(diào)的青年科學(xué)家
費(fèi)曼1918年出生于美國紐約市皇后區(qū)的小鎮(zhèn)法洛克衛(wèi),1939年畢業(yè)于麻省理工學(xué)院,進(jìn)入普林斯頓大學(xué)念研究生,成為著名物理學(xué)家約翰?惠勒的學(xué)生。
1943年,在洛斯阿拉莫斯,剛剛研究生畢業(yè)的費(fèi)曼獲得了一個(gè)難得的機(jī)會(huì),同一批最偉大的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家一起工作,他們包括:奧本海默、漢斯?貝特、恩里科?費(fèi)米、愛德華?泰勒,還有約翰?馮?諾伊曼,而這個(gè)機(jī)會(huì)就是制造出世界上第一顆原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”,這也是費(fèi)曼研究生涯的起點(diǎn)。在這個(gè)團(tuán)體中,年輕的費(fèi)曼得到了眾多科學(xué)前輩的認(rèn)同。他能運(yùn)用邏輯來分析一切復(fù)雜問題,找出主要因素,并簡單明了地說明需要解答的關(guān)鍵問題。令前輩們同樣滿意的是這位年輕的科學(xué)家對物理學(xué)全身心投入的熱情。當(dāng)時(shí),年輕的費(fèi)曼常常與已經(jīng)小有名氣物理學(xué)家貝特唱反調(diào),但貝特一點(diǎn)也不生氣,相反,費(fèi)曼深入的思考給他留下了很好的印象,因此他對費(fèi)曼產(chǎn)生了一種尊敬。貝特還將費(fèi)曼收入麾下,讓他做了計(jì)算組的組長。貝特后來還自豪地宣稱:“費(fèi)曼能做任何事情,所有的事情?!薄奥D計(jì)劃”的領(lǐng)導(dǎo)者奧本海默也稱他為“這里最才華橫溢的年輕物理學(xué)家”。
最善于抓住本質(zhì)的大腦
要善于抓住事物的本質(zhì),這是費(fèi)曼小時(shí)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(rèn)識它。這些話影響了費(fèi)曼一生,他對哲學(xué)家在概念上的糾纏很不屑,認(rèn)為自然界不會(huì)滿足哲學(xué)家那些先入為主的見解。有人問他,如何用一句話概括出現(xiàn)代科學(xué)最基本的觀點(diǎn),費(fèi)曼回答說:“一切物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的?!?/p>
費(fèi)曼由于在量子電動(dòng)力學(xué)上的貢獻(xiàn)和施溫格、朝永振一郎分享了1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們?nèi)似鋵?shí)是用不同的方法創(chuàng)建了量子電動(dòng)力學(xué)。這種現(xiàn)象在科學(xué)史上倒不罕見,17世紀(jì)時(shí)牛頓和萊布尼茨就各自獨(dú)立發(fā)明了微積分;20世紀(jì)20年代海森堡和薛定諤也各自創(chuàng)建了量子力學(xué)。但是在他們?nèi)酥校M(fèi)曼的方法最直觀、最形象,這也是他一貫簡潔風(fēng)格的體現(xiàn)。
其中用到的費(fèi)曼圖,就是一種符號化的物理語言,比如反映物理學(xué)中康普頓效應(yīng)(光子和電子相互作用)的費(fèi)曼圖。
費(fèi)曼圖中的實(shí)線代表電子,波紋線代表光子,費(fèi)曼圖不僅有鮮明的物理含義,而且具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)含義,可以說每一幅費(fèi)曼圖就是一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式。上述費(fèi)曼圖表示的物理含義是,光子與原子中的電子發(fā)生彈性碰撞,碰撞后光子損失能量,改變其運(yùn)動(dòng)方向,而電子獲得能量從原子中飛出。
費(fèi)曼的好友、物理學(xué)家戴森回憶說:“當(dāng)費(fèi)曼看不懂正統(tǒng)教科書中的量子力學(xué)時(shí),他只好從頭開始發(fā)明了一套自己能看得懂的量子力學(xué)……我用正統(tǒng)方法所做的計(jì)算,花了我?guī)讉€(gè)月的時(shí)間,寫了幾百張紙;費(fèi)曼卻可以在黑板上,花半個(gè)小時(shí)就得到幾乎相同的答案?!边@從側(cè)面也反映了費(fèi)曼創(chuàng)造簡潔科學(xué)理論的天賦。
送給教育界的寶貴禮物
費(fèi)曼對科學(xué)教育界產(chǎn)生了難以估量的影響,其中最寶貴的禮物應(yīng)當(dāng)是著名的三卷本《費(fèi)曼物理學(xué)講義》,有人認(rèn)為它是迄今為止最好的大學(xué)物理學(xué)教材。費(fèi)曼早年參加了制造原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”,第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,他前往康奈爾大學(xué)任教。1949年到1951年,他應(yīng)邀到巴西給大學(xué)生講授了10個(gè)月(非連續(xù)的)的物理課。費(fèi)曼發(fā)現(xiàn),那里的學(xué)生都喜歡背誦,卻不知道自己在背什么。返回美國后,費(fèi)曼開始在加州理工學(xué)院任教,但他一直沒有給低年級的大學(xué)生講過物理課。直到1961年秋季,學(xué)校有一項(xiàng)物理教育改革項(xiàng)目,他在同事的推薦下答應(yīng)給低年級大學(xué)生講授兩年物理課?!顿M(fèi)曼物理學(xué)講義》就是根據(jù)那些授課筆記整理的。在這本講義中,費(fèi)曼還結(jié)合了他對巴西教學(xué)生涯的反思,認(rèn)為大學(xué)物理課講授的目的不應(yīng)該是為考試做準(zhǔn)備,甚至不是為學(xué)生服務(wù)于工業(yè)或者軍事做準(zhǔn)備。他說:“我最想做的是與你們分享我對于這個(gè)奇妙世界的一些欣賞,以及物理學(xué)家們看待這個(gè)世界的方式,我相信,這是現(xiàn)今時(shí)代里真正文化的主要部分(或許有其他學(xué)科的許多教授會(huì)反對這一點(diǎn),但我相信他們是完全錯(cuò)誤的)?!卑雮€(gè)世紀(jì)前費(fèi)曼的教育思想,現(xiàn)在聽來依然振聾發(fā)聵。
除了他的講義之外,以他的演講或訪談為基礎(chǔ)整理出版的《物理定律的本性》《發(fā)現(xiàn)的樂趣》《費(fèi)曼講演錄:一個(gè)平民科學(xué)家的思想》等都是絕好的科學(xué)文化讀物,從中能體會(huì)到作為一名物理學(xué)家的費(fèi)曼是如何闡釋科學(xué)定律、如何看待科學(xué)與社會(huì)之間的關(guān)系,等等。
真性情的魅力人生
當(dāng)然,費(fèi)曼之所以成為費(fèi)曼,很大程度上歸于他獨(dú)特的個(gè)人魅力。不錯(cuò),他是20世紀(jì)一流的物理學(xué)家,但若論物理學(xué)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(xiǎn)柜專家、科學(xué)教育專家……而狄拉克僅是一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”、正統(tǒng)的科學(xué)家,因此就知名度而言,狄拉克顯然遜色費(fèi)曼。
費(fèi)曼是卓爾不群的“反叛者”,他曾直接致信美國科學(xué)院請辭院士的稱號,而且他不止一次請辭,結(jié)果每一次都驚擾到科學(xué)院院長親自過問。請看一封1969年6月費(fèi)曼給當(dāng)時(shí)科學(xué)院院長塞茲的回信,你就能清楚了解費(fèi)曼的個(gè)性。
親愛的塞茲院長:
……我想離開國家科學(xué)院這個(gè)團(tuán)體,完全是私人原因,與國家科學(xué)院或政府的作為無關(guān),也不是你個(gè)人行政風(fēng)格的問題。多年以來,我就一直很想安安靜靜地、不驚動(dòng)任何人而退出這個(gè)團(tuán)體,也不要引發(fā)任何的政治聯(lián)想。這純粹是我個(gè)人的因素,有點(diǎn)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(fèi)曼
關(guān)鍵詞 物理人 謙遜 專注 堅(jiān)持 淡泊 博愛
文章編號 1008-5807(2011)03-103-02
科學(xué)家,尤其是物理學(xué)家,究竟是一種怎樣的形象呢?談到這個(gè)話題時(shí),人們的頭腦中往往會(huì)產(chǎn)生一副頭發(fā)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?guī)淼母杏X。相信大家的另一個(gè)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(shí),這些偉大的物理學(xué)家們身上還閃耀著很多人性的光芒。這些品質(zhì)已經(jīng)不僅僅是他們所獨(dú)有的,而是成為了每一個(gè)物理人(學(xué)物理、研究物理的人)所共有的?,F(xiàn)在就讓我們一起跟隨幾位偉大的物理學(xué)家一同領(lǐng)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(yuǎn)些, 那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏?。”偉大的物理學(xué)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(fā)現(xiàn)歸結(jié)于前人的努力。這種站在前人肩膀上取得成就的心態(tài)也成為了每一個(gè)物理人效仿的對象,當(dāng)然這也成為每個(gè)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(gè)在海邊玩耍的孩子,不時(shí)為發(fā)現(xiàn)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(rèn)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(tài)才可以使人不會(huì)滿于現(xiàn)狀,繼續(xù)發(fā)奮圖強(qiáng),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(jié)果煮成了自己的懷表的故事大家都是耳熟能詳?shù)牧?。另一個(gè)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(shí),有一次他曾向一位年輕姑娘求婚。正當(dāng)他輕輕地握著她的手將要求婚時(shí),他的心思忽地溜到另一個(gè)世界去了。他的大腦中只剩下了無窮量的二項(xiàng)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(dāng)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(jié)婚的期望卻也成了泡影。愛因斯坦等物理學(xué)家也都常常發(fā)呆到忘記一切的程度。他們有時(shí)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(jìn)步的一股推力?,F(xiàn)在我們這些“聰明人”學(xué)習(xí)的知識正是“傻人”們不懈努力的結(jié)果啊!
三、堅(jiān)持之美
這些偉大的物理學(xué)家或許不是最聰明的,但卻一定是最能堅(jiān)持的。正如牛頓所說的:“聰明人之所以不會(huì)成功,是由于他們?nèi)狈?jiān)韌的毅力?!?“勝利者往往是從堅(jiān)持最后五分鐘的時(shí)間中得來成功?!蔽锢韺W(xué)家們的堅(jiān)持不僅僅是堅(jiān)持努力實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo),更在于堅(jiān)持自己的理念,堅(jiān)持自己的事業(yè)。1879年是統(tǒng)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(jiān)持不懈地宣傳他的電磁理論,雖然他的聽眾只有兩個(gè)。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(jiān)持!這一幕多么令人感動(dòng)!物理學(xué)家們的堅(jiān)持多么令人感動(dòng)!
四、淡泊之美
物理學(xué)家們追求的最高境界是真理,而非財(cái)富、名譽(yù)這些俗物。如果說他們在特定的時(shí)期內(nèi)追求財(cái)富、名譽(yù)的話,也是為了進(jìn)一步追求真理做準(zhǔn)備。物理學(xué)家們的追求是單純而樸實(shí)的,就像發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的法拉第所說的:“只有無知,沒有不滿?!狈ɡ诖┲啒?,以至于有人錯(cuò)認(rèn)他為皇家實(shí)驗(yàn)室的看門大爺。另外,法拉第還多次拒絕皇家學(xué)會(huì)會(huì)長一職。而偉大的物理學(xué)家愛因斯坦甚至拒絕過擔(dān)任以色列總統(tǒng)!用他自己的話說:“方程對我更重要些,因?yàn)檎问菫楫?dāng)前,而方程卻是一種永恒的東西?!奔词故乾F(xiàn)在,又有哪一個(gè)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(dòng)力!用諾貝爾獎(jiǎng)得主,著名物理學(xué)家費(fèi)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(shí)際的結(jié)果,但那不是我們做它的原因?!?(這也是我們山東大學(xué)物理學(xué)院的一句口號。)
五、博愛之美
學(xué)物理、搞物理的人雖然有時(shí)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(guān)心青少年的教育和科普事業(yè)。1826年,他提議開設(shè)周五科普講座,并親身參與了百余次。同時(shí)他參與皇家學(xué)院每年“圣誕節(jié)講座”共19年。據(jù)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(dāng)愛因斯坦得知原子彈(以質(zhì)能方程為理論依據(jù))的危害之后,非常后悔曾經(jīng)提議制造原子彈。此后,愛因斯坦成為了一個(gè)堅(jiān)決的反核武器者,為反核事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。同時(shí),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(zé),并積極籌劃對華募捐的活動(dòng)。愛因斯坦所作的這一切應(yīng)是我們中國人民乃至全世界人民所感激的。他不僅發(fā)現(xiàn)了偉大的相對論,更致力于將世界變得更美好??梢哉f,物理學(xué)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(xiàn)實(shí)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(xié)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(shí),學(xué)物理、研究物理的人還有其他很多品質(zhì)和素質(zhì)。比如豐富的想象力、強(qiáng)烈的好奇心和解等等。但無論怎樣,只有懷抱著優(yōu)良的品質(zhì),物理人們才能使物理知識造福社會(huì)、造福人類。
作為學(xué)物理的物理人,過去我們把主要精力放在了培養(yǎng)學(xué)術(shù)能力的方向上。這本沒有錯(cuò),但是過分的追求學(xué)術(shù)而忽略一些為科學(xué)奮斗的品質(zhì)要素就一定錯(cuò)了。因?yàn)檫@些要素同樣也是物理學(xué)研究所必不可少的,同樣也是我們應(yīng)當(dāng)不懈追求和探尋的。雖然我們不能做到物理學(xué)家一樣的謙遜、專注、堅(jiān)持、淡泊、博愛,但我們可以定之為努力的方向。物理學(xué)家有他們特有的“美的元素”,我們學(xué)物理、研究物理的人一樣可以培養(yǎng)我們自己特有的美。這也正是我們努力的目標(biāo)和方向所在。就算是一個(gè)與科學(xué)關(guān)系不大的普通人,也應(yīng)努力發(fā)現(xiàn)、培養(yǎng)這些美學(xué)特性,擁有這些可貴的素質(zhì)和品質(zhì),堅(jiān)持向自己人生的真理前進(jìn)。
1871年英國著名物理學(xué)家麥克斯韋在給朋友的信中提出一個(gè)稱為“麥克斯韋妖”(Maxwell Demon)的非常有趣的物理設(shè)想,用來作為違反熱力學(xué)第二定律可能性的一個(gè)反例。設(shè)想有一箱密封氣體,被一個(gè)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(huì)自然混合,最后會(huì)得到均勻混合的氣體,溫度介于原來的兩個(gè)溫度之間,這是符合熱力學(xué)定律的?,F(xiàn)在假設(shè),隔板上開一個(gè)小孔,有一個(gè)“小妖”來控制它的關(guān)閉和開啟。對從左邊箱子來的分子,“小妖”只讓運(yùn)動(dòng)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(huì)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(xué)第二定律。
作者在本書中提供了統(tǒng)計(jì)力學(xué)的一種新的概念基礎(chǔ)。它展示了熱力學(xué)與力學(xué)之間的縫隙是如何發(fā)生的,以及怎樣才能彌合。熱力學(xué)不是一個(gè)普適的理論,著名的麥克斯韋妖這類情況可以被統(tǒng)計(jì)力學(xué)成功地預(yù)測。目前,這一理論的基礎(chǔ)還不穩(wěn)固。在這本書中,作者在這種新的概念基礎(chǔ)之上發(fā)展統(tǒng)計(jì)力學(xué),嘗試處理這些困難問題。他們解釋了宏觀態(tài)、概率、測量、記憶等概念和統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的時(shí)間之箭,得到了驚人的結(jié)論:麥克斯韋妖,著名的永動(dòng)機(jī),是與基本的物理定律一致的。對于統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)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(xué);3.經(jīng)典力學(xué);4.時(shí)間;5.宏觀態(tài);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(xué)術(shù)專著,而不是一本教材,作者們使用新發(fā)展的概念工具,對于統(tǒng)計(jì)力學(xué)提供了一個(gè)新的哲學(xué)視角,力求解決物理學(xué)的一些基本問題。他們在不放棄深度下盡可能地避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理,而采用新的圖解方式來輔助內(nèi)容的闡述。對于那些對物理學(xué)基礎(chǔ)和哲學(xué)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。