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万象有法,物理本色——访物理学院穆良柱老师(一)

guo  2015.05.20   名师名课   评论关闭 总浏览数:3,172

编者按:人类能够超越其它动物的唯一原因是人类拥有智慧。那么对智慧这一天赋的充分运用,认知、探索世界的奥秘,自然也就是人生价值的真正体现。穆良柱老师是一位纯粹的学者,是一位善于用“物理思维”来思考与生活的人。在北大的18年,他“用物理的方式建立了自己对世界的认知”。一位拥有强大思维能力的人,才能体会到“洞察一切”所带来的无上喜悦。穆老师所追求、所领悟、所阐述的“什么是物理”这一重要的基本命题,对读者来说将是一场思维的盛宴。

一、什么是物理:多年的求索与感悟

记者:穆老师,非常感谢您对我们工作的支持!能先谈谈您自己学习物理的经历吗?

穆老师:我是通过高考来到北大物理系的,没有参加竞赛,完全是“应试教育”的题海战术拼上来的。到了大学一开始就觉得学习物理遇到了前所未有的困难,与中学物理的学习方式差别太大了,非常不适应。大学老师讲授的内容很多而且只讲一遍,一学期讲过去一门课就结束了,没有多少时间复习,靠大量做题巩固提高和加深对内容的理解根本就不可能。这对我打击很大,甚至一度失去学习物理的信心,但是当时舒幼生老师给了我很大鼓励,他说一般的学生总得有半年到一年半才能适应大学生活。果然,过了一年半我才发现物理学起来相对轻松了一点。

记者:那您是如何适应的?

穆老师:第一个学期我的专业课成绩只有七八十分,甚至六十几分。对中学成绩一向优秀的我来说,自然觉得很难受。我觉得必须要有所改变,首先当然是努力。从那时起我就保证每天至少十个小时在学习。早上五点多起来,六点之前,我就在图书馆门口等着,一开门我就进去学习,一般学习到七点半再去吃饭上课。晚上也是自习到十点半,等教室的灯全部熄灭后再回宿舍。天天如此,最多周日休息一下。坚持了一个学期成绩就上来了,学习的感觉也稍微好一点了。

大学课程的学习光靠努力真是不够的。我成绩虽然提高了,但还是找不到那种学习时感到融会贯通的痛快感觉。这个时候也是舒老师的一句话帮助了我,他说读书有两种方法,一种是淘金式的,一种是细细地读。中学的习惯是细读,每一步、每一个细节都搞清楚,但大学要学会淘金式地学习,看不懂的直接跳过去,然后回过头再看。上课做的笔记我会反复梳理很多遍,特别像物理中的四大力学(理论力学、电动力学、量子力学、统计力学)这种非常基础非常系统的课程,我会把整个的理论框架、研究对象、研究问题、理论发展程度等系统地做一个结构图,搞清各要素间的关系。这样一来对整个学科就有了比较深的了解,一些具体问题也就没那么困难了。其实有些问题没有解决也没有关系,只要定性上理解了,并不影响以后的学习。

那个时候我也不太懂跟老师讨论,学习主要靠自己,还有同学的帮助。我们当时有五到十个同学组成一个自习小组,大家经常找一个固定的小教室,一起学习讨论。我们几个人学习当中遇到什么问题马上就问,这样效果确实不错。我大一时成绩中等偏下,八十几个人排四十二名,大二的时候上升到二十几名,大三时按照总分排是年级第六,按绩点排名是年级第一。成绩的提高也让我重新有了自信,相信自己可以学好物理。

找到学习的感觉之后,我又发现一个严重的问题,就是我并没有抓住物理学的本质。我问自己“什么是物理?”、“我在学什么?”,对此仍然很迷惑。我觉得有些不甘心,所以选择继续学,而且选择了理论物理方向,在物理学院攻读博士学位。

我大学四年、直博五年,后来留校教普通物理,再加上之前的中学学习,二十多年的时间,我觉得我终于明白了“什么是物理”这个最基本又最困难的问题。

记者:能否请您阐述一下您对物理的理解?

穆老师:按《大英百科全书》对物理的定义,广义物理等同于自然科学,即对自然界“完备自洽”的认知,当然这种认知要符合基本的科学规范,比如“可证伪性”。“完备”意味着物理理论可以解释关于这个研究对象的一切问题;“自洽”指的是符合数理逻辑,逻辑上不出现矛盾。

物理定律一般通过简单归纳法得出,从尽可能多的现象中总结规律。打个比方,对于有思想有追求的人来说,人生观是很重要的,人生的真相是什么,人应该如何生活?这单凭自己想可能会精神错乱。你要去了解很多种人生观,看人的一生从出生到死亡是怎么过的,再对照自己,从中能总结和悟出什么道理来。这其中重要的是搞清什么东西是不变的、必须遵守的,什么东西是可以自己选择的。得到一个可靠的信念需要大量的认知,不断的总结与反思。

观察和试图解释外界事物是人类的本能,这也是人类社会不断发展的直接推动力。宗教对世界的认知也是很完备的,宗教和科学理论的区别就在于可证伪性,这是自然哲学家波普(编者注:SirKarl Raimund Popper19021994)提出的判断非科学和科学的标准。科学从来不说某个理论绝对正确或者普遍适用,只能说到目前为止所有实验结果都符合这个理论。只要有实验不符合,理论就是错的或需要修正,这就是“可证伪性”。如果一个新现象解释不了,大多数科学家可能更高兴,因为这里可能出现新的发现、新的理论。这是物理和哲学、宗教最本质的区别。宗教以及早期心理学的一些流派不可证伪,即不管什么现象都能用这套理论解释。比如佛教有句话叫“心诚则灵”,你去拜佛向佛,如果成功了就认为佛祖很灵,不成功则解释为心不诚。“永远正确”的理论不是科学。

我们一般说的物理实际上是狭义物理,其研究对象为基本结构和基本相互作用。自然科学以任何客观的对象进行研究,但是狭义物理则选择了从宇宙、天体到原子、夸克的一系列基本组分进行研究,即采用还原论的观点,将世界拆成一系列简单的组分,并假设研究清楚每个组分之后,就可以通过相互作用组装出整个宇宙。所以物理学实际上有一条研究主线,从物理发展史中可以清楚的看到这条主线,在近代物理发展过程中尤其清晰。

例如我们在学习力学时,就将一般的物体都看成是由质点构成的,而质点是最简单的研究对象,研究清楚其基本规律后,就可以组装出一般物体的各种力学性质。

有了基本结构和基本相互作用的规律,物质世界就可以理解,并在原则上可以通过方程和计算的方法还原研究对象的过去,以及预测研究对象的未来。

总的来说,物理就是我们对感兴趣的客观研究对象建立起自己的认知。

记者:物理与工程技术的主要区别是什么?

穆老师:工程技术强调的是应用,记住已有的理论,规律,在实际需要的时候直接加以应用;而物理学强调的是如何去寻找这些规律,并对被研究的对象建立起完备自洽的认知。现在很多中学物理的教学,为了快速做题实际上用的就是工程技术的思路,看到某个类型就去套某个公式。这对学生科学素养的培养当然是不利的。

记者:现在社会科学也非常注重模型、数据与计算,它们处理问题的方法跟自然科学有什么类似之处吗?

穆老师:以经济学为例,经济学研究和物理研究的思路相同,是想建立起对经济现象完备自洽的科学认知,所以所用的方法工具很多都是和自然科学相似的。经济学家做了很多努力,建立了很多数学模型,但由于经济学的研究对象太复杂,所以经济学的认知往往以经验规律为主,而很多漂亮的理论模型则往往存在很大的局限性。而物理学则不同,物理学研究的往往是最简单的研究对象,所以相对而言更容易建立起完备自洽的科学认知。

不同学科虽然研究对象不一样,研究思路与方法也有区别,但都应该遵循基本的科学方法和科学精神,而物理学由于对一个简单对象能够达到最深刻的认知,所以现在看起来学习物理学是训练科学方法和科学精神最好的载体。任何学科都试图从自己的角度建立对研究对象、对世界的理解,科学的方法和精神可以使研究者保持正确的研究方向。

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