學物理能做什麼?
2019年06月17日10:17

  來源:現代物理知識雜誌

  在2006年中央電視台《對話》欄目的某期節目中,主持人問過我一個的問題:“學物理的人,如果日後不做專門的物理研究,能幹什麼?”我記得當時我的回答是:“這個問題應該換個問法:‘一個人,如果他學會了物理,還有什麼他不能幹的?’”

  在試圖回答“學物理能做什麼”之前,我想回答一下“物理學是什麼”也許是有益的。記得有一本書《數學是什麼》,影響了一代又一代熱愛數學的人們。這本書給了一個關於幾乎整個數學的框架知識的介紹,但並沒有直接回答這個問題,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“醫學是什麼”的回答。有本醫學書上這麼說,醫學是一門不確定的科學和什麼都可能的藝術。參照上述觀點,我對“物理學是什麼”的回答是:物理學是一種什麼都想理解的渴望,或曰野心!當然,在達成理解的基礎上,憑藉物理學我們創造。

  一、物理學的威力

  物理學的本意是關於自然的學問。它的研究對象幾乎包含一切事物,具體的與抽像的,如今甚至衍生出社會物理學、金融物理學等應用學科來。從空間來說,它涉及的尺度大小從10-15m到整個宇宙,解像度已高達10-11m;從時間來說,它涉及的尺度是宇宙的年齡(據信約是1017s或137億年),解像度已經進入10-18s,由此可見物理學野心之大。面對這樣至大至微的空間與時間尺度,面對宇宙中無窮無盡的、更多是超出人類理解力與想像力的複雜現象,物理學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。

  物理學的威力之一在於憑藉物理學知識而能獲得的預言能力。試舉幾例。玻爾茲曼憑藉其熱力學知識和統計學知識,篤信原子論,並基於原子論假設解釋熱力學。在他1906年去世後不久,盧瑟福於1909年給出了原子核模型;1926年他的學生薛定諤給出了描述微觀世界的量子力學方程,他的女學生Lise Meitner參與發現了原子核裂變;約在1986年人類終於“看見”了原子。1915年在他自己構造的廣義相對論的基礎上,愛因斯坦預言光線經過太陽附近會因為太陽的引力而彎曲;1919年的日全食時觀測證實了這一點。1926年狄拉克根據他自己提出的相對論量子力學方程,預言了正電子的存在,1932年正電子即被發現。1930年泡利根據能量守恒定律預言中微子的存在,1956年中微子被發現。這樣的例子還可以繼續開列下去。

  物理學的威力還表現在它的創造力。對熱力學的研究導致了蒸汽機的出現,人類從而有了輪船和火車。對摩擦和閃電的理解和對磁鐵的理解開啟了人類電磁學的研究,其成果是電動機和發電機的發明,此後一直髮展到今天的這樣一個幾乎全靠電力支撐的現代化社會(圖1)。關於電子發射的研究和無線電研究讓我們有了電視。磁性材料和半導體的研究為我們帶來了取代紙張的新型信息載體,隨著存儲密度的不斷提高,現在一個硬盤可以輕鬆裝得下一個圖書館的存書。過去人們誇獎學問大,用“學富五車”來形容。粗略算一下,五牛車的竹簡上所刻的字,在一個U盤上的佔用空間幾乎為零。

  圖1 從摩擦生電到電氣化時代

是物理學讓這一切成為可能
是物理學讓這一切成為可能

  我們居住的地球每天都出現白天和黑夜。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,便成了物理學的一大追求。三百多年來,物理學在理解光的本質和創造光明方面創造了一系列奇蹟。白熾燈、各種放電燈、發光二極管、激光光源相繼問世(圖2),且其功能已經遠超出照明的範疇。20世紀60年代出現的激光,是人類文明史要重重書上一筆的發明。激光可以用於加工製造、醫療、測量、誘導核聚變等等,特別地它還可以用來傳輸和讀取信息。對白熾燈發光效率與溫度關係的研究,導致了量子力學的建立;而量子力學,作為20世紀兩大物理學支柱之一,對人類的思想和生產活動所產生的影響是無法估量的,以至於量子變成了過於常用的修飾詞。發光二極管屬於冷光源,可以被設計發出指定的光譜而幾乎不發熱。冷光源全面承擔起照明的任務指日可待。對光的本質的理解,是相對論和量子論得以被構造的原動力之一,這些以及建築在其上的知識讓人類把想像力、探測器甚至足跡送到宇宙的深處。

圖2  白熾燈、激光束和發光二極管
圖2 白熾燈、激光束和發光二極管

  物理學改善我們生命的質量。僅就熱力學現象的認識所帶來的溫度的概念和溫度測量的實現,就不知道挽救了多少生命。光學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、肺結核之類的組織變異一目瞭然,而近些年才普及的X射線CT掃瞄、核磁共振等技術則讓診斷具有無損、精確、多維等特點(圖3),讓發生在顱腦部、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計和製造得以實現的關鍵物理技術是大質量探測範圍的質譜儀。在各種物理學設備更多地進入疾病診斷領域的時代,顯然對醫生進行充分的物理學培訓(從設備原理的角度)是必要的。2007年發生在杭州的記者到幾家醫院踢館的事件,反映的基本事實是,現代醫生對其使用的診斷儀器顯然缺乏起碼的認識。

圖3  X射線造影和CT掃瞄技術讓傷病診斷可視化、定量化
圖3 X射線造影和CT掃瞄技術讓傷病診斷可視化、定量化

  物理學的成果無疑還是改變世界形態的主要力量,它改變戰爭的方式、生產的方式和生活的方式,並最終改變國家和整個人類社會的組織形態。這種改變得以實現的關鍵之一是通信技術的發展。循著有線廣播、電話、電報、微波通信、光通信、互聯網的路徑(圖4),人類的通信能力迅速加強,從而使得人類的空間距離感迅速縮小。太多的未來的事務將自然而然是全球性的,而不再局限於某個國家和地區。這裡面用到的技術幾乎清一色來自物理學的研究,其中的互聯網技術最早是要為核物理、粒子物理實驗室之間實現快速數據傳遞而開發的,其實現的物質基礎來自半導體科學的成果。2009年諾貝爾物理學獎授予給在“光纖通信中用到的光在纖維中的傳輸方面做出突破性進展”的物理學家,算是對此論述的一個佐證。航天科技、天文學和天體物理方面的研究則徹底改變了人類對人類-自然關係的認識。

圖4  從電話到互聯網,物理學帶來的通信技術革命導致人類社會形態的革命
圖4 從電話到互聯網,物理學帶來的通信技術革命導致人類社會形態的革命

  物理學還是攸關人類未來的科學。人類的美好生活伴隨著持續增加的能源需求,自然也伴隨著對環境不斷增加的負擔。如何為人類的發展提供可靠的能源保障?如何理解人類生活與地球自然環境之間的互動關係,如何理解、探測甚至預告自然災害的發生,以至能有效地避免危害人類之大災害的發生?解決這些重大問題是物理學的應有之義。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、如何將光子轉化成分離的載流子,如何將電荷引導到電極從而形成太陽能電池,如何提高轉化效率,如何儲存太陽能電池提供的電力,等等,都要依賴物理學為其提供有效的答案(圖5)。相關產業的發展不僅是要解決人類未來可持續發展的長遠問題,在短期內它也是大量技術型、知識型工作崗位的提供者。

圖5  太陽能電池陣列。僅僅是列出這樣的一個太陽能電池所涉及的物理學知識,可能就需要一本厚重的書。
圖5 太陽能電池陣列。僅僅是列出這樣的一個太陽能電池所涉及的物理學知識,可能就需要一本厚重的書。

  二、物理學與人

  物理學對其修習者的影響,僅就日常生活而言也是可觀的。他們保持著對自然的好奇心,因而有觀察生活的習慣並且懂得欣賞。看見一隻蝴蝶,他們讚美它的優雅身姿的時候,可能會想到是飛行這種運動要求它的嚴格鏡面對稱,而爬行類動物的體型對鏡面對稱的要求就可以含糊一點。他們可能會想到蝴蝶的斑點是某種非線性動力學過程的結果,它那五彩的顏色可能不是因為裝點了某些色素而是因為翅膀上的光子晶體結構,等等(圖6)。看到了海邊大片的六角石柱,他們會想起Bernard不穩定性,知道這是在適當的條件下火熱的岩漿傾入冰冷的海水中自發形成的。他們知道為什麼它是六邊形的,知道這個形狀和石頭的化學成分與微觀結構無關(圖6)。他們對周圍的世界會因理解而讚美,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出很無聊的舉動。或者說,他們因為理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間都顯得專注於某些事情。就是貓在家裡,他們大多也會修理個燈管、煤氣灶或者孩子的電動玩具什麼的。這不僅慳錢和方便,還讓他們在孩子心目中贏得一份尊重。

蝴蝶
蝴蝶

  文化的最後成果,是人格。物理學與人的交互作用會導致對物理學家人格的塑造。那些真正投入了物理世界的真正的物理學家們,因為有信仰有追求,因為領略了自然的偉大與神奇,所以他們的外部的動作和內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,而是物理學讓淺薄於他們已經成為不可能。

圖7  狄拉克(左)與費曼(右)在交談
圖7 狄拉克(左)與費曼(右)在交談

  還是那句話,文化的最後成果,是人格。檢視一下一些偉大物理學家的言行,我常常會為他們的人格魅力所感動。因為他們的事業是究問自然的追求,是為了整個人類的智慧與幸福,這常常讓他們的身上有了神性的光芒,他們的作品里也時常會表現“個人對著整個人類的精神與心靈言說”的意境。德國哲學家康德也是一位偉大的物理學家,最先提出了星雲假說。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,我對它們的思考越是經常和持久,它們越是以嶄新的、不斷增長的驚奇和敬畏充滿我的心靈,這就是我頭頂的星空和內心的道德律令。”這樣的氣勢自然來自他的事業追求的本質與習慣:仰望蒼穹同時內省。第穀對行星運動的不斷觀察導致了開普勒三定律的發現,這使得牛頓力學的出現成為必然。後人為第穀所立的、采“仰望蒼穹”姿勢的紀念雕像(圖8),與其說是對其事業的描摹,勿寧說是對其內心世界的寫照。一個真正的物理學家,懷著造福人類的理想究問自然的奧秘,其內心采仰望蒼穹的姿態恐怕是一種必然。那些把Facing Up理解為仰臉去貼達官貴人屁股者,倘若頭上也頂個物理學家的名銜,怕也只是個幌子,當不得真的。

圖8  第穀的雕像:仰望蒼穹
圖8 第穀的雕像:仰望蒼穹

  三、物理學習與職業

  在說了那麼多大而化之的泛泛之論以後,也許回到具體的小事上或許更有說服力。我大學本科期間(1982~1987)的同班同學,雖然至今還沒人對物理學有什麼實質性的貢獻(慚愧!),但是在幾乎所有人的身上都可以看到曾經的物理學訓練對我們的事業和生活的正面影響。除了一些人成為物理學教授、化學教授、高科技公司主管之類(屬於應有之義)以外,還有人成了心理學教授、眼科專家、銀行行長。無疑地,哪怕僅僅是五年的大學物理課程都讓我們終生受用不盡。說物理學知識有助於任何一項事業並不為過。

  然而,具體到某個人,學物理到底能做什麼?Well,學學看吧,等你學會一些你就能明白了。再說,在未來由技術全面支撐的現代化社會里,你反正得掌握一定的物理學知識,不是嗎?

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