我們的學(xué)習(xí)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(xùn)練。

彭良友· 北京大學(xué)物理學(xué)院副院長(zhǎng)

格致論道第95期 | 2023年5月19日 北京

大家好，我是彭良友，來(lái)自北京大學(xué)物理學(xué)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(lái)，我在北大物理學(xué)院給同學(xué)們講物理學(xué)知識(shí)，同時(shí)也注意引導(dǎo)、培養(yǎng)他們對(duì)科學(xué)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(xué)物理？

首先我想問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題，也是我今天演講題目：“Why physics？”這個(gè)問(wèn)題是很多同學(xué)、特別是初學(xué)物理的同學(xué)經(jīng)常問(wèn)我的。實(shí)際上在很多年以前，我也問(wèn)起我的物理老師，我們?yōu)槭裁匆獙W(xué)物理？學(xué)物理有什么用？

我來(lái)自湖北省恩施州利川市的一個(gè)小山村，并沒(méi)有從小立志要當(dāng)物理學(xué)家。但是跟很多小朋友一樣，我對(duì)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(xué)前的一天下午，我偶然地從我們土家吊腳樓樓上一個(gè)馬蜂所鉆的小孔里看到一個(gè)美麗的圖像。我們?cè)鹤永镉幸豢煤艽蟮睦鏄?shù)，而我發(fā)現(xiàn)透過(guò)小孔映到墻上的竟然是一棵倒著的樹(shù)影。我非常好奇，為什么這個(gè)圖像是倒著的。后來(lái)我才知道，這其實(shí)是墨子在2400年前就已經(jīng)觀察并闡述的物理現(xiàn)象。

實(shí)際上，對(duì)科學(xué)的興趣和執(zhí)著的追求是我們進(jìn)行科學(xué)研究的第一推動(dòng)力。那么就像莊子在2300年前所說(shuō)，“判天地之美，析萬(wàn)物之理”。正是這種最原始的對(duì)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(xué)進(jìn)行探索。

▲ 物理學(xué)：跨越 40 個(gè)時(shí)空量級(jí)的精彩

后來(lái)在大學(xué)和研究生階段，我系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了物理學(xué)知識(shí)，逐漸愛(ài)上了物理學(xué)。在古希臘的時(shí)候就有人問(wèn)，我們的物質(zhì)世界是否是無(wú)限可分的。其實(shí)在希臘語(yǔ)之中，原子就是不可分的意思。我們現(xiàn)在知道，物理學(xué)從粒子物理一直到宇宙學(xué)跨越了40個(gè)量級(jí)。這些精彩的物理學(xué)為我們認(rèn)識(shí)世界、改造世界打開(kāi)了一扇門(mén)。

▲ 從翻山越嶺到穿山越澗

其實(shí)我們的生活一刻也離不開(kāi)物理。我小時(shí)候要乘坐很老的公共汽車(chē)從利川到恩施上學(xué)，短短100公里居然要開(kāi)五六個(gè)小時(shí)之多，需要翻山越嶺。而現(xiàn)在我們可以穿山越澗，5個(gè)小時(shí)之內(nèi)到達(dá)大半個(gè)祖國(guó)的大好河山。

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

我們?cè)倩仡櫼幌職v史。剛才提到，墨子在2400年前就已經(jīng)用光的直線(xiàn)傳播解釋了小孔成像的物理原理。從那時(shí)起的2000年時(shí)間里，我們中華民族對(duì)自然現(xiàn)象的細(xì)致觀察以及應(yīng)用都是世界領(lǐng)先的。但是到18世紀(jì)中葉，隨著珍妮紡織機(jī)的發(fā)明，我們就落后了，因?yàn)槲覀儧](méi)有發(fā)展出現(xiàn)代意義上的科學(xué)。

▲左：第一次工業(yè)革命后，人類(lèi)進(jìn)入蒸汽時(shí)代

中：第二次工業(yè)革命后，人類(lèi)進(jìn)入電氣時(shí)代

右：第三次工業(yè)革命后，人類(lèi)進(jìn)入信息時(shí)代

第一次工業(yè)革命帶來(lái)了蒸汽時(shí)代，背后是基于牛頓等人倡導(dǎo)和發(fā)展的經(jīng)典力學(xué)。第二次工業(yè)革命讓我們迎來(lái)了電氣時(shí)代，背后與麥克斯韋等人所開(kāi)創(chuàng)的電磁學(xué)的進(jìn)展密不可分。而隨著第三次工業(yè)革命，我們進(jìn)入了信息時(shí)代，大家現(xiàn)在所使用的電子計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品等都是其成果。現(xiàn)在又迎來(lái)第四次工業(yè)革命，進(jìn)入到一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的智能時(shí)代。

有一段震耳發(fā)聵的話(huà)指出了150年前中國(guó)的狀態(tài)，它是亨利·羅蘭1883年在美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)上的演講，題目是《為純科學(xué)呼吁》。這次演講被認(rèn)為是“美國(guó)科學(xué)的獨(dú)立宣言”，其中包含他對(duì)當(dāng)時(shí)中國(guó)的評(píng)價(jià)。原文現(xiàn)在還能查到，當(dāng)年它被發(fā)表在了《科學(xué)》期刊上。

的確，因?yàn)殄e(cuò)過(guò)了現(xiàn)代科學(xué)，我們也因此錯(cuò)過(guò)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(shí)代，我們迎頭趕上了。我們國(guó)家現(xiàn)在的科學(xué)和技術(shù)都取得了長(zhǎng)足發(fā)展。我們有民族自信和文化自信，也有一些經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)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(xué)研究“0到1”的突破之上做出一些世界級(jí)的貢獻(xiàn)。

未來(lái)的工業(yè)革命呼喚能夠引領(lǐng)時(shí)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(xué)所推動(dòng)的結(jié)果。現(xiàn)在，包括物理學(xué)在內(nèi)的科學(xué)進(jìn)步會(huì)不會(huì)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(lái)回答。

創(chuàng)新能力如何培養(yǎng)？

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你們心目中的北大學(xué)生是什么樣呢？下面是我們研究室在2022年拍的一張照片。看到他們每個(gè)人臉上的笑容，大家是不是認(rèn)為他們都是天之驕子，每個(gè)人都身懷絕技，能夠在科學(xué)研究中非常自如地進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)新？

其實(shí)并不然。從我的觀察來(lái)看，在基礎(chǔ)教育階段，我們的學(xué)生主要是答題者，而不是出題者的身份。但是我們的科學(xué)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(wèn)題。

▲ 邵立晶研究員

我可以舉一個(gè)北大物理學(xué)院學(xué)生的例子（他現(xiàn)在是我們學(xué)院的教授）。他叫邵立晶，同樣來(lái)過(guò)格致論道講壇，站在這給大家?guī)?lái)演講。() 他把自己戲稱(chēng)為“無(wú)用的博士”，實(shí)際上，現(xiàn)在的無(wú)用也許是將來(lái)的大用。

▲ 邵立晶、何子山等人參與拍攝的人類(lèi)第一張黑洞照片

正是他對(duì)科學(xué)的這種純凈熱愛(ài)和堅(jiān)持，使他能提出新的方法，探索宇宙中的時(shí)空不對(duì)稱(chēng)性。他也與世界上的科學(xué)家一起拍攝了人類(lèi)歷史上的第一張黑洞的照片，就是這張很像一個(gè)“甜甜圈”的照片。但是，要做出這樣世界級(jí)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?chē)奈锢憩F(xiàn)象，如果要突破物理學(xué)的邊界，扎實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)是我們科研創(chuàng)新的一個(gè)重要前提。扎實(shí)的基礎(chǔ)并不是說(shuō)你能記得多少公式，而是能夠利用理論聯(lián)系實(shí)際，推動(dòng)實(shí)際的進(jìn)步和發(fā)展，突破現(xiàn)在認(rèn)識(shí)的邊界。

我在北大講授一門(mén)課，叫計(jì)算物理學(xué)。我跟同學(xué)們開(kāi)玩笑，我這門(mén)課不講計(jì)算，也不講物理，只講學(xué)，學(xué)習(xí)如何利用計(jì)算機(jī)解決物理問(wèn)題。我們除了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、理論的解析推導(dǎo)之外，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬我們周?chē)默F(xiàn)象也是一個(gè)重要途徑。

其實(shí)，現(xiàn)在已經(jīng)有很多的程序庫(kù)能夠讓同學(xué)們輕松地解決我課上的問(wèn)題，但是在我的課上都禁止他們使用。我要求每一位同學(xué)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(xué)到知識(shí)。我們的學(xué)習(xí)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(xùn)練。

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

▲ 真正的研究要突破人類(lèi)認(rèn)知邊界，邊界在哪里？

這張圖片在網(wǎng)上很流行，因?yàn)樗苄蜗蟮仫@示了我們高等教育的情況。作為本科生，我們?cè)谌祟?lèi)整個(gè)知識(shí)體系中所獲得的知識(shí)只是一個(gè)小小的圓圈，因?yàn)楸究齐A段注重的是通識(shí)教育，即博雅的培養(yǎng)。而到研究生階段，我們將進(jìn)入某一個(gè)專(zhuān)業(yè)，除了面積變大之外，還變成了一個(gè)橢圓，也就是說(shuō)你選擇了某個(gè)方向，就會(huì)獲得這個(gè)方向的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能。

而到博士階段，你會(huì)變成一個(gè)更大的橢圓。最大的區(qū)別就是在大大的橢圓上，我們應(yīng)當(dāng)試圖生出一個(gè)利器，去突破我們現(xiàn)在人類(lèi)認(rèn)識(shí)的邊界。有的同學(xué)一進(jìn)入到博士階段就非常手足無(wú)措。讓他們看看綜述文獻(xiàn)、專(zhuān)著書(shū)籍。看完之后他們就會(huì)陷入虛無(wú)主義，說(shuō)：“老師，這有趣的問(wèn)題怎么全被研究光了，那我該怎么研究呢？該研究什么問(wèn)題呢？”

▲ 美國(guó)物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼

這時(shí)候，我想利用費(fèi)曼的例子告訴大家，我們應(yīng)當(dāng)從小問(wèn)題、真問(wèn)題入手，做有品味、經(jīng)得起時(shí)間和實(shí)踐考驗(yàn)的研究。費(fèi)曼在回答一位只想做大物理、大科學(xué)的學(xué)生時(shí)曾說(shuō)過(guò)：“我研究過(guò)無(wú)數(shù)你也許會(huì)稱(chēng)為卑微的問(wèn)題，但我樂(lè)在其中，因?yàn)槲矣袝r(shí)能部分地成功。沒(méi)有什么問(wèn)題是太簡(jiǎn)單或太平凡的，只要我們真地能在上面做點(diǎn)什么。”

▲ 氬氣的發(fā)現(xiàn)：第三位小數(shù)的勝利

除了不放過(guò)小問(wèn)題之外，我們還不能放過(guò)任何細(xì)節(jié)，這是歷史的經(jīng)驗(yàn)。我僅僅舉兩個(gè)例子。在19世紀(jì)末，英國(guó)的物理學(xué)家瑞利在精確測(cè)量各種氣體的密度時(shí)，非常細(xì)心地發(fā)現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)第3位有一個(gè)很奇怪的、他不能解釋的現(xiàn)象。他并沒(méi)有放過(guò)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(xué)獎(jiǎng)。

▲ 微波背景輻射：抹不掉的煩人噪音

還有一個(gè)例子是貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)工程師，他們當(dāng)時(shí)在野外測(cè)試一個(gè)通訊工具。可是他們發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常煩人的抹不掉的噪音。他們并沒(méi)有說(shuō)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(xué)獎(jiǎng)。

除了不放過(guò)細(xì)節(jié)、不放過(guò)“誤差”、不放過(guò)小問(wèn)題之外，我們還需要一直持續(xù)不斷地培養(yǎng)科學(xué)志趣和發(fā)現(xiàn)真問(wèn)題的能力。

其實(shí)提出一個(gè)好的科學(xué)問(wèn)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(duì)狄拉克的評(píng)價(jià)：“性靈出萬(wàn)象，風(fēng)格超常倫”，從這個(gè)“簡(jiǎn)單”的狄拉克方程，大家可以體會(huì)個(gè)中含義。

雖然小問(wèn)題和細(xì)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(kāi)爾文爵士在20世紀(jì)初提出物理學(xué)上空有兩朵巨大的烏云，而這兩朵烏云后來(lái)讓愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論，也讓普朗克創(chuàng)立了量子論。

但當(dāng)科學(xué)家成為一個(gè)職業(yè)之后，很多同學(xué)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(xué)新聞，就可能知道室溫超導(dǎo)多少年來(lái)一直是物理學(xué)家所追求的桂冠。有些人非常急于求成，很想摘到這個(gè)桂冠。在前幾年，美國(guó)一位科學(xué)家就說(shuō)發(fā)現(xiàn)了近室溫條件的超導(dǎo)，而在2023年3月份他們又聲稱(chēng)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近室溫的超導(dǎo)，這兩篇文章都發(fā)表在科學(xué)界的頂刊《自然》上。就在一個(gè)星期前（2023年5月12日），南京大學(xué)的聞海虎教授團(tuán)隊(duì)就在《自然》上發(fā)表文章，否定了這位科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)的近室溫條件下的超導(dǎo)。這就反應(yīng)了我們剛才說(shuō)的細(xì)節(jié)和批判精神。

我們只要不停歇地從不放過(guò)小問(wèn)題，那么將來(lái)的大問(wèn)題也許就不會(huì)被我們放過(guò)，機(jī)會(huì)總偏愛(ài)于有準(zhǔn)備的頭腦。

▲ 左上：北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)

右上：貴州 “天眼”

左下：上海同步輻射光源

右下：中國(guó)散裂中子源

大家想到科學(xué)家的時(shí)候，也許會(huì)想到在一個(gè)小房子里做演算的場(chǎng)景。但現(xiàn)在的科學(xué)已經(jīng)到了大科學(xué)的時(shí)代，我國(guó)在政府大力支持下建了非常多的大科學(xué)設(shè)施。這是由于我們物理學(xué)進(jìn)入到復(fù)雜體系的時(shí)代，很多時(shí)候需要非常尖端、非常大的平臺(tái)才能做出我們的研究。所以我們現(xiàn)在大科學(xué)時(shí)代需要大平臺(tái)、大團(tuán)隊(duì)、大裝置。

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

物格無(wú)極限，理運(yùn)有常識(shí)

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還有些同學(xué)會(huì)想：是不是我學(xué)了物理學(xué)，就一定要成為物理學(xué)家，否則就是失敗呢？

▲ 2023年5月，北京大學(xué)趙凱華教授給本科生做講座

其實(shí)不是這樣。物理的訓(xùn)練能夠讓你充滿(mǎn)批判精神，充滿(mǎn)創(chuàng)新精神，會(huì)讓你擁有一雙透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的慧眼。正如趙凱華先生所說(shuō)，你學(xué)了物理以后，做啥事情都不算轉(zhuǎn)行。

“物格無(wú)極限，理運(yùn)有常識(shí)”。我想最后把這一句話(huà)送給大家：來(lái)到這里不留遺憾，從這里走出去就不再懼怕。

我們國(guó)家的未來(lái)在孩子手中，我呼吁我們的國(guó)家、我們的社會(huì)、我們的每個(gè)家庭應(yīng)當(dāng)創(chuàng)造良好的條件，提供充足的陽(yáng)光、水分以及營(yíng)養(yǎng)，讓孩子自由地成長(zhǎng)。讓未來(lái)之花自由綻放，讓未來(lái)之才茁壯成長(zhǎng)！

謝謝大家！

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