我在北大講了十幾年物理，發(fā)現(xiàn)同學們從學習到科研的轉(zhuǎn)變并不容易 | 彭良友——科學講壇

我們的學習不僅要知其然，

還要知其所以然。

不僅是為了獲得答案，

還要獲得真正的思維訓練。

彭良友· 北京大學物理學院副院長

格致論道第95期 | 2023年5月19日 北京

大家好，我是彭良友，來自北京大學物理學院，從事激光物理和量子物理相關(guān)的研究。在科研工作者之外，我最珍視的身份是物理老師。十幾年以來，我在北大物理學院給同學們講物理學知識，同時也注意引導、培養(yǎng)他們對科學的志趣和執(zhí)著。今天我就想跟大家分享其中的一些感悟。

為什么要學物理？

首先我想問大家一個問題，也是我今天演講題目：“Why physics？”這個問題是很多同學、特別是初學物理的同學經(jīng)常問我的。實際上在很多年以前，我也問起我的物理老師，我們?yōu)槭裁匆獙W物理？學物理有什么用？

我來自湖北省恩施州利川市的一個小山村，并沒有從小立志要當物理學家。但是跟很多小朋友一樣，我對自然界抱有天生的好奇。我也想走出大山，看看更精彩的世界。

記得在上小學前的一天下午，我偶然地從我們土家吊腳樓樓上一個馬蜂所鉆的小孔里看到一個美麗的圖像。我們院子里有一棵很大的梨樹，而我發(fā)現(xiàn)透過小孔映到墻上的竟然是一棵倒著的樹影。我非常好奇，為什么這個圖像是倒著的。后來我才知道，這其實是墨子在2400年前就已經(jīng)觀察并闡述的物理現(xiàn)象。

實際上，對科學的興趣和執(zhí)著的追求是我們進行科學研究的第一推動力。那么就像莊子在2300年前所說，“判天地之美，析萬物之理”。正是這種最原始的對自然界的好奇以及孜孜不倦的追求，才使得我們能夠?qū)ψ罨镜目茖W進行探索。

▲ 物理學：跨越 40 個時空量級的精彩

后來在大學和研究生階段，我系統(tǒng)地學習了物理學知識，逐漸愛上了物理學。在古希臘的時候就有人問，我們的物質(zhì)世界是否是無限可分的。其實在希臘語之中，原子就是不可分的意思。我們現(xiàn)在知道，物理學從粒子物理一直到宇宙學跨越了40個量級。這些精彩的物理學為我們認識世界、改造世界打開了一扇門。

▲ 從翻山越嶺到穿山越澗

其實我們的生活一刻也離不開物理。我小時候要乘坐很老的公共汽車從利川到恩施上學，短短100公里居然要開五六個小時之多，需要翻山越嶺。而現(xiàn)在我們可以穿山越澗，5個小時之內(nèi)到達大半個祖國的大好河山。

在我小時候也很難想象視頻電話，但現(xiàn)在，初中生都可以隨時拿著手機跟爸爸媽媽進行視頻通話。而這些先進技術(shù)的背后隱藏著很多物理學的發(fā)展，比如一部手機的背后，其實隱藏著十幾個諾貝爾獎。

我們再回顧一下歷史。剛才提到，墨子在2400年前就已經(jīng)用光的直線傳播解釋了小孔成像的物理原理。從那時起的2000年時間里，我們中華民族對自然現(xiàn)象的細致觀察以及應用都是世界領(lǐng)先的。但是到18世紀中葉，隨著珍妮紡織機的發(fā)明，我們就落后了，因為我們沒有發(fā)展出現(xiàn)代意義上的科學。

▲左：第一次工業(yè)革命后，人類進入蒸汽時代

中：第二次工業(yè)革命后，人類進入電氣時代

右：第三次工業(yè)革命后，人類進入信息時代

第一次工業(yè)革命帶來了蒸汽時代，背后是基于牛頓等人倡導和發(fā)展的經(jīng)典力學。第二次工業(yè)革命讓我們迎來了電氣時代，背后與麥克斯韋等人所開創(chuàng)的電磁學的進展密不可分。而隨著第三次工業(yè)革命，我們進入了信息時代，大家現(xiàn)在所使用的電子計算機等電子產(chǎn)品等都是其成果?，F(xiàn)在又迎來第四次工業(yè)革命，進入到一個萬物互聯(lián)的智能時代。

有一段震耳發(fā)聵的話指出了150年前中國的狀態(tài)，它是亨利·羅蘭1883年在美國科學促進會上的演講，題目是《為純科學呼吁》。這次演講被認為是“美國科學的獨立宣言”，其中包含他對當時中國的評價。原文現(xiàn)在還能查到，當年它被發(fā)表在了《科學》期刊上。

的確，因為錯過了現(xiàn)代科學，我們也因此錯過了3次工業(yè)革命。但在剛剛提到的第四次工業(yè)革命，也就是智能時代，我們迎頭趕上了。我們國家現(xiàn)在的科學和技術(shù)都取得了長足發(fā)展。我們有民族自信和文化自信，也有一些經(jīng)濟基礎(chǔ)，應當能充分發(fā)揮“敢為人先，勇于創(chuàng)新”的中關(guān)村精神，使我們能在科學研究“0到1”的突破之上做出一些世界級的貢獻。

未來的工業(yè)革命呼喚能夠引領(lǐng)時代潮流的創(chuàng)新型人才。第一次到第四次工業(yè)革命都是基礎(chǔ)科學所推動的結(jié)果?，F(xiàn)在，包括物理學在內(nèi)的科學進步會不會引發(fā)第五次、第六次工業(yè)革命呢？這需要我們培養(yǎng)大批創(chuàng)新型人才來回答。

創(chuàng)新能力如何培養(yǎng)？

已完成：30%//////////

你們心目中的北大學生是什么樣呢？下面是我們研究室在2022年拍的一張照片?？吹剿麄兠總€人臉上的笑容，大家是不是認為他們都是天之驕子，每個人都身懷絕技，能夠在科學研究中非常自如地進行科學創(chuàng)新？

其實并不然。從我的觀察來看，在基礎(chǔ)教育階段，我們的學生主要是答題者，而不是出題者的身份。但是我們的科學研究除了答題之外，還要作為出題者，提出并解決現(xiàn)在的問題。

▲ 邵立晶研究員

我可以舉一個北大物理學院學生的例子（他現(xiàn)在是我們學院的教授）。他叫邵立晶，同樣來過格致論道講壇，站在這給大家?guī)硌葜v。() 他把自己戲稱為“無用的博士”，實際上，現(xiàn)在的無用也許是將來的大用。

▲ 邵立晶、何子山等人參與拍攝的人類第一張黑洞照片

正是他對科學的這種純凈熱愛和堅持，使他能提出新的方法，探索宇宙中的時空不對稱性。他也與世界上的科學家一起拍攝了人類歷史上的第一張黑洞的照片，就是這張很像一個“甜甜圈”的照片。但是，要做出這樣世界級的科研成果非常不容易。

現(xiàn)在有非常多的方程和公式描述著我們周圍的物理現(xiàn)象，如果要突破物理學的邊界，扎實的物理學基礎(chǔ)是我們科研創(chuàng)新的一個重要前提。扎實的基礎(chǔ)并不是說你能記得多少公式，而是能夠利用理論聯(lián)系實際，推動實際的進步和發(fā)展，突破現(xiàn)在認識的邊界。

我在北大講授一門課，叫計算物理學。我跟同學們開玩笑，我這門課不講計算，也不講物理，只講學，學習如何利用計算機解決物理問題。我們除了進行實驗研究、理論的解析推導之外，利用超級計算機來模擬我們周圍的現(xiàn)象也是一個重要途徑。

其實，現(xiàn)在已經(jīng)有很多的程序庫能夠讓同學們輕松地解決我課上的問題，但是在我的課上都禁止他們使用。我要求每一位同學像蓋房子一樣，用一塊一塊的磚建一座漂亮的房子，從而真正地學到知識。我們的學習不僅要知其然，還要知其所以然。不僅是為了獲得答案，還要獲得真正的思維訓練。

那么，怎樣才能真正進入研究呢？是不是說我們獲得了這么多基礎(chǔ)知識，就能很暢快地進入研究？

▲ 真正的研究要突破人類認知邊界，邊界在哪里？

這張圖片在網(wǎng)上很流行，因為它很形象地顯示了我們高等教育的情況。作為本科生，我們在人類整個知識體系中所獲得的知識只是一個小小的圓圈，因為本科階段注重的是通識教育，即博雅的培養(yǎng)。而到研究生階段，我們將進入某一個專業(yè)，除了面積變大之外，還變成了一個橢圓，也就是說你選擇了某個方向，就會獲得這個方向的專業(yè)知識和技能。

而到博士階段，你會變成一個更大的橢圓。最大的區(qū)別就是在大大的橢圓上，我們應當試圖生出一個利器，去突破我們現(xiàn)在人類認識的邊界。有的同學一進入到博士階段就非常手足無措。讓他們看看綜述文獻、專著書籍?？赐曛笏麄兙蜁萑胩摕o主義，說：“老師，這有趣的問題怎么全被研究光了，那我該怎么研究呢？該研究什么問題呢？”

▲ 美國物理學家理查德·費曼

這時候，我想利用費曼的例子告訴大家，我們應當從小問題、真問題入手，做有品味、經(jīng)得起時間和實踐考驗的研究。費曼在回答一位只想做大物理、大科學的學生時曾說過：“我研究過無數(shù)你也許會稱為卑微的問題，但我樂在其中，因為我有時能部分地成功。沒有什么問題是太簡單或太平凡的，只要我們真地能在上面做點什么?！?/p>

▲ 氬氣的發(fā)現(xiàn)：第三位小數(shù)的勝利

除了不放過小問題之外，我們還不能放過任何細節(jié)，這是歷史的經(jīng)驗。我僅僅舉兩個例子。在19世紀末，英國的物理學家瑞利在精確測量各種氣體的密度時，非常細心地發(fā)現(xiàn)小數(shù)點第3位有一個很奇怪的、他不能解釋的現(xiàn)象。他并沒有放過它，而是繼續(xù)深入研究，最終他發(fā)現(xiàn)了氬氣，并因此獲得了1904年的諾貝爾物理學獎。

▲ 微波背景輻射：抹不掉的煩人噪音

還有一個例子是貝爾實驗室的兩個工程師，他們當時在野外測試一個通訊工具?？墒撬麄儼l(fā)現(xiàn)一個非常煩人的抹不掉的噪音。他們并沒有說算了、反正噪音抹不掉。最后證明他們發(fā)現(xiàn)的是微波背景輻射，從而獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。

除了不放過細節(jié)、不放過“誤差”、不放過小問題之外，我們還需要一直持續(xù)不斷地培養(yǎng)科學志趣和發(fā)現(xiàn)真問題的能力。

其實提出一個好的科學問題需要我們持續(xù)不斷地鍛煉洞察力的眼光。正如楊振寧先生對狄拉克的評價：“性靈出萬象，風格超常倫”，從這個“簡單”的狄拉克方程，大家可以體會個中含義。

雖然小問題和細節(jié)非常重要，但我們同樣需要不懼怕困難與挑戰(zhàn)的精神，不要躲避“烏云”。開爾文爵士在20世紀初提出物理學上空有兩朵巨大的烏云，而這兩朵烏云后來讓愛因斯坦創(chuàng)立了相對論，也讓普朗克創(chuàng)立了量子論。

但當科學家成為一個職業(yè)之后，很多同學變得非常急于求成，這是我們做研究的大忌。如果大家關(guān)心科學新聞，就可能知道室溫超導多少年來一直是物理學家所追求的桂冠。有些人非常急于求成，很想摘到這個桂冠。在前幾年，美國一位科學家就說發(fā)現(xiàn)了近室溫條件的超導，而在2023年3月份他們又聲稱已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近室溫的超導，這兩篇文章都發(fā)表在科學界的頂刊《自然》上。就在一個星期前（2023年5月12日），南京大學的聞?；⒔淌趫F隊就在《自然》上發(fā)表文章，否定了這位科學家所發(fā)現(xiàn)的近室溫條件下的超導。這就反應了我們剛才說的細節(jié)和批判精神。

我們只要不停歇地從不放過小問題，那么將來的大問題也許就不會被我們放過，機會總偏愛于有準備的頭腦。

▲ 左上：北京正負電子對撞機

右上：貴州 “天眼”

左下：上海同步輻射光源

右下：中國散裂中子源

大家想到科學家的時候，也許會想到在一個小房子里做演算的場景。但現(xiàn)在的科學已經(jīng)到了大科學的時代，我國在政府大力支持下建了非常多的大科學設(shè)施。這是由于我們物理學進入到復雜體系的時代，很多時候需要非常尖端、非常大的平臺才能做出我們的研究。所以我們現(xiàn)在大科學時代需要大平臺、大團隊、大裝置。

總結(jié)起來，我們的研究既需要獨立思考、自由探索，又要善于合作。合作和討論永遠是我們研究創(chuàng)新的一個重要的渠道。

物格無極限，理運有常識

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還有些同學會想：是不是我學了物理學，就一定要成為物理學家，否則就是失敗呢？

▲ 2023年5月，北京大學趙凱華教授給本科生做講座

其實不是這樣。物理的訓練能夠讓你充滿批判精神，充滿創(chuàng)新精神，會讓你擁有一雙透過現(xiàn)象看本質(zhì)的慧眼。正如趙凱華先生所說，你學了物理以后，做啥事情都不算轉(zhuǎn)行。

“物格無極限，理運有常識”。我想最后把這一句話送給大家：來到這里不留遺憾，從這里走出去就不再懼怕。

我們國家的未來在孩子手中，我呼吁我們的國家、我們的社會、我們的每個家庭應當創(chuàng)造良好的條件，提供充足的陽光、水分以及營養(yǎng)，讓孩子自由地成長。讓未來之花自由綻放，讓未來之才茁壯成長！

謝謝大家！

“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，致力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發(fā)展，由中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心和中國科學院網(wǎng)絡(luò)安全和信息化領(lǐng)導小組辦公室主辦，中國科普博覽(中國科學院科普云平臺)提供技術(shù)支持。歡迎關(guān)注格致論道官網(wǎng): self.org.cn，微信公眾號: SELFtalks，微博: 格致論道。

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