學(xué)物理能做什么？

來源：現(xiàn)代物理知識(shí)雜志 發(fā)布時(shí)間：2019-06-17瀏覽：2958次

學(xué)物理能做什么？

　　在2006年中央電視臺(tái)《對(duì)話》欄目的某期節(jié)目中，主持人問過我一個(gè)的問題：“學(xué)物理的人，如果日后不做專門的物理研究，能干什么？”我記得當(dāng)時(shí)我的回答是：“這個(gè)問題應(yīng)該換個(gè)問法：‘一個(gè)人，如果他學(xué)會(huì)了物理，還有什么他不能干的？’”

　　在試圖回答“學(xué)物理能做什么”之前，我想回答一下“物理學(xué)是什么”也許是有益的。記得有一本書《數(shù)學(xué)是什么》，影響了一代又一代熱愛數(shù)學(xué)的人 們。這本書給了一個(gè)關(guān)于幾乎整個(gè)數(shù)學(xué)的框架知識(shí)的介紹，但并沒有直接回答這個(gè)問題，或者說答案就在書中——你讀懂了書，就明白了答案。最近，在閱讀中我遇 到了對(duì)“醫(yī)學(xué)是什么”的回答。有本醫(yī)學(xué)書上這么說，醫(yī)學(xué)是一門不確定的科學(xué)和什么都可能的藝術(shù)。參照上述觀點(diǎn)，我對(duì)“物理學(xué)是什么”的回答是：物理學(xué)是一 種什么都想理解的渴望，或曰野心！當(dāng)然，在達(dá)成理解的基礎(chǔ)上，憑借物理學(xué)我們創(chuàng)造。

　　一、物理學(xué)的威力

　　物理學(xué)的本意是關(guān)于自然的學(xué)問。它的研究對(duì)象幾乎包含一切事物，具體的與抽象的，如今甚至衍生出社會(huì)物理學(xué)、金融物理學(xué)等應(yīng)用學(xué)科來。從空間來 說，它涉及的尺度大小從10-15m到整個(gè)宇宙，分辨率已高達(dá)10-11m；從時(shí)間來說，它涉及的尺度是宇宙的年齡（據(jù)信約是1017s或137億年）， 分辨率已經(jīng)進(jìn)入10-18s，由此可見物理學(xué)野心之大。面對(duì)這樣至大至微的空間與時(shí)間尺度，面對(duì)宇宙中無窮無盡的、更多是超出人類理解力與想象力的復(fù)雜現(xiàn) 象，物理學(xué)家們從自己的心靈里徹底消除了傲慢，從而變得敬畏自然、謙遜、平和。

　　物理學(xué)的威力之一在于憑借物理學(xué)知識(shí)而能獲得的預(yù)言能力。試舉幾例。玻爾茲曼憑借其熱力學(xué)知識(shí)和統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，篤信原子論，并基于原子論假設(shè)解釋 熱力學(xué)。在他1906年去世后不久，盧瑟福于1909年給出了原子核模型；1926年他的學(xué)生薛定諤給出了描述微觀世界的量子力學(xué)方程，他的女學(xué)生 Lise Meitner參與發(fā)現(xiàn)了原子核裂變；約在1986年人類終于“看見”了原子。1915年在他自己構(gòu)造的廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上，愛因斯坦預(yù)言光線經(jīng)過太陽附 近會(huì)因?yàn)樘柕囊Χ鴱澢?919年的日全食時(shí)觀測證實(shí)了這一點(diǎn)。1926年狄拉克根據(jù)他自己提出的相對(duì)論量子力學(xué)方程，預(yù)言了正電子的存在，1932 年正電子即被發(fā)現(xiàn)。1930年泡利根據(jù)能量守恒定律預(yù)言中微子的存在，1956年中微子被發(fā)現(xiàn)。這樣的例子還可以繼續(xù)開列下去。

　　物理學(xué)的威力還表現(xiàn)在它的創(chuàng)造力。對(duì)熱力學(xué)的研究導(dǎo)致了蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，人類從而有了輪船和火車。對(duì)摩擦和閃電的理解和對(duì)磁鐵的理解開啟了人類電 磁學(xué)的研究，其成果是電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的發(fā)明，此后一直發(fā)展到今天的這樣一個(gè)幾乎全靠電力支撐的現(xiàn)代化社會(huì)（圖1）。關(guān)于電子發(fā)射的研究和無線電研究讓我們 有了電視。磁性材料和半導(dǎo)體的研究為我們帶來了取代紙張的新型信息載體，隨著存儲(chǔ)密度的不斷提高，現(xiàn)在一個(gè)硬盤可以輕松裝得下一個(gè)圖書館的存書。過去人們 夸獎(jiǎng)學(xué)問大，用“學(xué)富五車”來形容。粗略算一下，五牛車的竹簡上所刻的字，在一個(gè)U盤上的占用空間幾乎為零。

　　圖1     從摩擦生電到電氣化時(shí)代

　　我們居住的地球每天都出現(xiàn)白天和黑夜。黑夜讓人恐懼，因此人們渴望光明，渴望擁有自己可以操控的光源。如何獲得可靠的、有效的、能滿足不斷增長 的要求的光源，便成了物理學(xué)的一大追求。三百多年來，物理學(xué)在理解光的本質(zhì)和創(chuàng)造光明方面創(chuàng)造了一系列奇跡。白熾燈、各種放電燈、發(fā)光二極管、激光光源相 繼問世（圖2），且其功能已經(jīng)遠(yuǎn)超出照明的范疇。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的激光，是人類文明史要重重書上一筆的發(fā)明。激光可以用于加工制造、醫(yī)療、測量、誘 導(dǎo)核聚變等等，特別地它還可以用來傳輸和讀取信息。對(duì)白熾燈發(fā)光效率與溫度關(guān)系的研究，導(dǎo)致了量子力學(xué)的建立；而量子力學(xué)，作為20世紀(jì)兩大物理學(xué)支柱之 一，對(duì)人類的思想和生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn)生的影響是無法估量的，以至于量子變成了過于常用的修飾詞。發(fā)光二極管屬于冷光源，可以被設(shè)計(jì)發(fā)出指定的光譜而幾乎不發(fā) 熱。冷光源全面承擔(dān)起照明的任務(wù)指日可待。對(duì)光的本質(zhì)的理解，是相對(duì)論和量子論得以被構(gòu)造的原動(dòng)力之一，這些以及建筑在其上的知識(shí)讓人類把想象力、探測器 甚至足跡送到宇宙的深處。

　　物理學(xué)改善我們生命的質(zhì)量。僅就熱力學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)所帶來的溫度的概念和溫度測量的實(shí)現(xiàn)，就不知道挽救了多少生命。光學(xué)成像原理的研究讓許多人的 視力問題得到精確的校正。X射線透視讓骨骼損傷、肺結(jié)核之類的組織變異一目了然，而近些年才普及的X射線CT掃描、核磁共振等技術(shù)則讓診斷具有無損、精 確、多維等特點(diǎn)（圖3），讓發(fā)生在顱腦部、椎體部等活檢取材不易或不可能的疾病得以快速診斷。此外，分子水平上的藥物設(shè)計(jì)和制造得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵物理技術(shù)是 大質(zhì)量探測范圍的質(zhì)譜儀。在各種物理學(xué)設(shè)備更多地進(jìn)入疾病診斷領(lǐng)域的時(shí)代，顯然對(duì)醫(yī)生進(jìn)行充分的物理學(xué)培訓(xùn)（從設(shè)備原理的角度）是必要的。2007年發(fā)生 在杭州的記者到幾家醫(yī)院踢館的事件，反映的基本事實(shí)是，現(xiàn)代醫(yī)生對(duì)其使用的診斷儀器顯然缺乏起碼的認(rèn)識(shí)。

　　物理學(xué)的成果無疑還是改變世界形態(tài)的主要力量，它改變戰(zhàn)爭的方式、生產(chǎn)的方式和生活的方式，并最終改變國家和整個(gè)人類社會(huì)的組織形態(tài)。這種改變 得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一是通信技術(shù)的發(fā)展。循著有線廣播、電話、電報(bào)、微波通信、光通信、互聯(lián)網(wǎng)的路徑（圖4），人類的通信能力迅速加強(qiáng)，從而使得人類的空間 距離感迅速縮小。太多的未來的事務(wù)將自然而然是全球性的，而不再局限于某個(gè)國家和地區(qū)。這里面用到的技術(shù)幾乎清一色來自物理學(xué)的研究，其中的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最 早是要為核物理、粒子物理實(shí)驗(yàn)室之間實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳遞而開發(fā)的，其實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)來自半導(dǎo)體科學(xué)的成果。2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予給在“光纖通信中用 到的光在纖維中的傳輸方面做出突破性進(jìn)展”的物理學(xué)家，算是對(duì)此論述的一個(gè)佐證。航天科技、天文學(xué)和天體物理方面的研究則徹底改變了人類對(duì)人類-自然關(guān)系 的認(rèn)識(shí)。

　　物理學(xué)還是攸關(guān)人類未來的科學(xué)。人類的美好生活伴隨著持續(xù)增加的能源需求，自然也伴隨著對(duì)環(huán)境不斷增加的負(fù)擔(dān)。如何為人類的發(fā)展提供可靠的能源 保障？如何理解人類生活與地球自然環(huán)境之間的互動(dòng)關(guān)系，如何理解、探測甚至預(yù)告自然災(zāi)害的發(fā)生，以至能有效地避免危害人類之大災(zāi)害的發(fā)生？解決這些重大問 題是物理學(xué)的應(yīng)有之義。以能源問題為例，人類能源問題的解決依靠太陽能的充分高效利用。如何操控太陽光譜，如何高效捕獲陽光、如何將光子轉(zhuǎn)化成分離的載流 子，如何將電荷引導(dǎo)到電極從而形成太陽能電池，如何提高轉(zhuǎn)化效率，如何儲(chǔ)存太陽能電池提供的電力，等等，都要依賴物理學(xué)為其提供有效的答案（圖5）。相關(guān) 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅是要解決人類未來可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)問題，在短期內(nèi)它也是大量技術(shù)型、知識(shí)型工作崗位的提供者。

　　二、物理學(xué)與人

　　物理學(xué)對(duì)其修習(xí)者的影響，僅就日常生活而言也是可觀的。他們保持著對(duì)自然的好奇心，因而有觀察生活的習(xí)慣并且懂得欣賞。看見一只蝴蝶，他們贊美 它的優(yōu)雅身姿的時(shí)候，可能會(huì)想到是飛行這種運(yùn)動(dòng)要求它的嚴(yán)格鏡面對(duì)稱，而爬行類動(dòng)物的體型對(duì)鏡面對(duì)稱的要求就可以含糊一點(diǎn)。他們可能會(huì)想到蝴蝶的斑點(diǎn)是某 種非線性動(dòng)力學(xué)過程的結(jié)果，它那五彩的顏色可能不是因?yàn)檠b點(diǎn)了某些色素而是因?yàn)槌岚蛏系墓庾泳w結(jié)構(gòu)，等等（圖6）。看到了海邊大片的六角石柱，他們會(huì)想 起B(yǎng)ernard不穩(wěn)定性，知道這是在適當(dāng)?shù)臈l件下火熱的巖漿傾入冰冷的海水中自發(fā)形成的。他們知道為什么它是六邊形的，知道這個(gè)形狀和石頭的化學(xué)成分與 微觀結(jié)構(gòu)無關(guān)（圖6）。他們對(duì)周圍的世界會(huì)因理解而贊美，因不理解加重了好奇，而為了滿足好奇心又去探究所以很少表現(xiàn)出很無聊的舉動(dòng)。或者說，他們因?yàn)槔? 解了一小部分世界所以從容，因不理解絕大部分的世界所以大部分時(shí)間都顯得專注于某些事情。就是貓?jiān)诩依铮麄兇蠖嘁矔?huì)修理個(gè)燈管、煤氣灶或者孩子的電動(dòng)玩 具什么的。這不僅省錢和方便，還讓他們?cè)诤⒆有哪恐汹A得一份尊重。

　　文化的最后成果，是人格。物理學(xué)與人的交互作用會(huì)導(dǎo)致對(duì)物理學(xué)家人格的塑造。那些真正投入了物理世界的真正的物理學(xué)家們，因?yàn)橛行叛鲇凶非螅? 為領(lǐng)略了自然的偉大與神奇，所以他們的外部的動(dòng)作和內(nèi)心世界都能顯示出一份從容、深邃、祥和（圖7）。不是他們刻意追求深邃，而是物理學(xué)讓淺薄于他們已經(jīng) 成為不可能。

　　還是那句話，文化的最后成果，是人格。檢視一下一些偉大物理學(xué)家的言行，我常常會(huì)為他們的人格魅力所感動(dòng)。因?yàn)樗麄兊氖聵I(yè)是究問自然的追求，是 為了整個(gè)人類的智慧與幸福，這常常讓他們的身上有了神性的光芒，他們的作品里也時(shí)常會(huì)表現(xiàn)“個(gè)人對(duì)著整個(gè)人類的精神與心靈言說”的意境。德國哲學(xué)家康德也 是一位偉大的物理學(xué)家，最先提出了星云假說。康德曾說出過思想史上最氣勢磅礴的名言之一：“有兩種東西，我對(duì)它們的思考越是經(jīng)常和持久，它們?cè)绞且詬湫? 的、不斷增長的驚奇和敬畏充滿我的心靈，這就是我頭頂?shù)男强蘸蛢?nèi)心的道德律令。”這樣的氣勢自然來自他的事業(yè)追求的本質(zhì)與習(xí)慣：仰望蒼穹同時(shí)內(nèi)省。第谷對(duì) 行星運(yùn)動(dòng)的不斷觀察導(dǎo)致了開普勒三定律的發(fā)現(xiàn)，這使得牛頓力學(xué)的出現(xiàn)成為必然。后人為第谷所立的、采“仰望蒼穹”姿勢的紀(jì)念雕像（圖8），與其說是對(duì)其事 業(yè)的描摹，勿寧說是對(duì)其內(nèi)心世界的寫照。一個(gè)真正的物理學(xué)家，懷著造福人類的理想究問自然的奧秘，其內(nèi)心采仰望蒼穹的姿態(tài)恐怕是一種必然。那些把 Facing Up理解為仰臉去貼達(dá)官貴人屁股者，倘若頭上也頂個(gè)物理學(xué)家的名銜，怕也只是個(gè)幌子，當(dāng)不得真的。

　　三、物理學(xué)習(xí)與職業(yè)

　　在說了那么多大而化之的泛泛之論以后，也許回到具體的小事上或許更有說服力。我大學(xué)本科期間（1982~1987）的同班同學(xué)，雖然至今還沒人 對(duì)物理學(xué)有什么實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)（慚愧！），但是在幾乎所有人的身上都可以看到曾經(jīng)的物理學(xué)訓(xùn)練對(duì)我們的事業(yè)和生活的正面影響。除了一些人成為物理學(xué)教授、化 學(xué)教授、高科技公司主管之類（屬于應(yīng)有之義）以外，還有人成了心理學(xué)教授、眼科專家、銀行行長。無疑地，哪怕僅僅是五年的大學(xué)物理課程都讓我們終生受用不 盡。說物理學(xué)知識(shí)有助于任何一項(xiàng)事業(yè)并不為過。

　　然而，具體到某個(gè)人，學(xué)物理到底能做什么？Well，學(xué)學(xué)看吧，等你學(xué)會(huì)一些你就能明白了。再說，在未來由技術(shù)全面支撐的現(xiàn)代化社會(huì)里，你反正得掌握一定的物理學(xué)知識(shí)，不是嗎？