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很多物理學(xué)家都與音樂有不解之源,甚至是音樂愛好幫助他們走到了事業(yè)的巔峰。當(dāng)然,對(duì)大多數(shù)物理學(xué)家來說音樂還只是業(yè)余愛好,他們與專業(yè)的音樂家是有區(qū)別的,即物理學(xué)家常常從物理的角度來欣賞音樂,理解音樂。
從物理的角度理解音樂
從物理的角度對(duì)音樂進(jìn)行研究始于古希臘的哲學(xué)家畢達(dá)哥拉斯。后來,伽利略、牛頓、笛卡爾、惠更斯等許多物理學(xué)家都對(duì)音樂與物理的關(guān)系有一定的研究。
伽利略是一位物理學(xué)巨匠,同時(shí)也是一個(gè)很有天賦的音樂家。他的父親精通音樂理論,著有《音樂對(duì)話》一書,伽利略也一直熱愛音樂。在比薩大學(xué)學(xué)醫(yī)期間,一次他在比薩教堂做禮拜的時(shí)候,注意到教堂屋頂懸掛著一盞搖擺不定的吊燈。他利用脈搏的跳動(dòng)和自己擅長(zhǎng)的音樂節(jié)拍,得出了擺的等時(shí)性。此外,伽利略受到他可熟練演奏的魯特琴的啟發(fā),做出斜面實(shí)驗(yàn),從而發(fā)現(xiàn)了“落體定律”。
家喻戶曉的英國(guó)科學(xué)家牛頓建立了經(jīng)典物理學(xué)的理論大廈,牛頓對(duì)音樂的愛好可以從他經(jīng)常帶在身邊的一架提琴看出。1665年,牛頓進(jìn)行了有關(guān)音高、音階和音律的研究,并留有10頁(yè)手稿。尤其值得一提的是,牛頓最早提出了音樂和顏色的聯(lián)覺理論。牛頓曾用三棱鏡對(duì)陽(yáng)光做色散實(shí)驗(yàn),證明陽(yáng)光是由紅橙黃綠青藍(lán)紫7種色光組成,同時(shí)牛頓還對(duì)“七音”與“七色”之間奧妙的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行過有趣的探索,認(rèn)定音階中7個(gè)音和可見光譜中7種顏色可以對(duì)應(yīng)起來。牛頓關(guān)于音樂和顏色的聯(lián)覺理論發(fā)表后,有人據(jù)此曾設(shè)計(jì)制造了各種色彩樂器,開始是視覺大鍵琴,后來又有色彩鋼琴和色彩風(fēng)琴。20世紀(jì)70年代,科學(xué)家還將激光技術(shù)應(yīng)用在色彩音樂上,這都說明音樂和顏色的確有一定的內(nèi)在聯(lián)系。
現(xiàn)代物理學(xué)家中的“音樂人”
20世紀(jì)最著名的物理學(xué)家非愛因斯坦莫屬,他也出生在一個(gè)藝術(shù)之家。愛因斯坦的媽媽能彈會(huì)唱,尤其喜歡貝多芬的鋼琴奏鳴曲,媽媽便成了愛因斯坦的音樂啟蒙老師。
愛因斯坦從6歲上小學(xué)起,就在音樂老師的指導(dǎo)下開始學(xué)習(xí)小提琴,他甚至夢(mèng)想成為一名小提琴演奏員。后來,愛因斯坦雖然放棄了這一美好的理想,但他總是把小提琴帶在身邊,幾乎形影不離。
有一次,愛因斯坦應(yīng)比利時(shí)國(guó)王邀請(qǐng)到他的王宮做客,樸素的衣著加上手拎一個(gè)琴箱,比利時(shí)國(guó)王派去接他的司機(jī)竟然沒有認(rèn)出愛因斯坦,與他擦肩而過。愛因斯坦最后自己步行到了比利時(shí)王宮。在王宮里,愛因斯坦不僅得到了國(guó)王的熱情款待,還與王后、一位英國(guó)女音樂家和一位宮廷女侍一起演奏四重奏和三重奏,小小的即興音樂會(huì)持續(xù)了好幾個(gè)小時(shí),令在座賓客陶醉其中。
愛因斯坦喜歡巴赫、舒伯特、勃拉姆斯的樂曲,從古典音樂中他體驗(yàn)到和諧之美,感受到大自然的和諧與物理理論的和諧是相通的。愛因斯坦認(rèn)為音樂是創(chuàng)造新理論的催化劑,他在研究“相對(duì)論”的時(shí)候,每當(dāng)遇到困難時(shí)就拿起小提琴,一遍一遍地演奏樂曲,用音樂來啟迪靈感。愛因斯坦的朋友、音樂家鈴木先生說:“音樂啟發(fā)人的想象力,音樂啟發(fā)了愛因斯坦對(duì)宇宙的觀察,進(jìn)而發(fā)表了著名的‘相對(duì)論’?!睈垡蛩固乖?930年柏林的一場(chǎng)音樂會(huì)后,迫不及待地上前擁抱年輕的猶太人小提琴家梅紐因,并深情表達(dá)了對(duì)音樂的贊美之情。
說到愛因斯坦與音樂的故事,就不能不提量子力學(xué)創(chuàng)始人普朗克。普朗克不僅是愛因斯坦科學(xué)事業(yè)上的同事和朋友,更是愛因斯坦音樂愛好的知音。普朗克摯愛音樂,小時(shí)候就表現(xiàn)出出眾的音樂才能,鋼琴和手風(fēng)琴都彈得很好。1874年在選擇大學(xué)專業(yè)的時(shí)候,普朗克就在音樂、語(yǔ)言文學(xué)和自然科學(xué)之間徘徊過。普朗克曾就自己應(yīng)該選擇什么專業(yè),向慕尼黑大學(xué)教授諾利征求意見,而教授認(rèn)為物理學(xué)已接近完美,沒有再研究的余地,勸他不要從事物理研究。幸好普朗克沒有聽從諾利的勸告,不過令他自己也沒料到的是,正是他的研究成果打破了19世紀(jì)下半葉物理學(xué)理論研究上的沉寂狀態(tài)。在柏林科學(xué)院,愛因斯坦和普朗克常常一起合作演奏。在兩位物理學(xué)家心中,科學(xué)之美和藝術(shù)之美是相通的。在科學(xué)上,他們共同描繪了物理學(xué)的壯麗圖景,在音樂上,他們也能共同演奏扣人心弦的樂章。
愛音樂也愛物理的“發(fā)燒友”
出生于“音樂之都”維也納的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)奠基人之一,奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼擅長(zhǎng)跳舞和彈奏鋼琴。為了培養(yǎng)孩子們的音樂興趣,他還在音樂廳專門為全家人定有固定的席位。
德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲不但愛好音樂,而且對(duì)音樂史也進(jìn)行了研究,闡明了音樂發(fā)展的基本趨勢(shì)。由于他在音樂上的特殊貢獻(xiàn),大多數(shù)現(xiàn)代音樂學(xué)詞典中都有亥姆霍茲的大名。英國(guó)物理學(xué)家托馬斯?楊也是一位很有音樂修養(yǎng)的物理學(xué)家,他在研究光的干涉現(xiàn)象時(shí),和牛頓一樣,也是將光與樂音進(jìn)行類比討論而得到重大發(fā)現(xiàn)的。德國(guó)物理學(xué)家海森堡由于受到音樂理論中泛音振動(dòng)的頻率是基音振動(dòng)的整數(shù)倍的啟發(fā),做出了原子躍遷基頻與次頻的猜想。除了以上幾位之外熱愛音樂的物理學(xué)家還有很多,如玻恩、盧瑟福、歐姆、薛定諤、居里夫人……
赫茲是國(guó)際單位制中頻率的單位,是每秒中的周期性變動(dòng)重復(fù)次數(shù)的計(jì)量。赫茲的名字來自于德國(guó)物理學(xué)家海因里?!?shù)婪颉ず掌潯F浞?hào)是Hz。
赫茲是德國(guó)著名的物理學(xué)家,1887年,是他通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。后人為了紀(jì)念他,把“赫茲”定為頻率的單位。常用的頻率單位還有千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等。
(來源:文章屋網(wǎng) )
這就是全世界都聽到的黑洞融合。2016年2月,研究人員宣布他們首次直接觀察到引力波。激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)與處女座合作研究項(xiàng)目認(rèn)為,這個(gè)信號(hào)源自兩個(gè)黑洞的融合,如果把這兩個(gè)黑洞的死亡旋渦轉(zhuǎn)化為音波,就是“啁”的一聲響。2016年6月,這兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)公布了第二個(gè)融合的聲響,所涉及的兩個(gè)黑洞的質(zhì)量相對(duì)要小一些。之后,LIGO的探測(cè)儀因?yàn)橐?jí)而關(guān)閉,并于當(dāng)年11月重新啟動(dòng),開展第二輪觀測(cè)。歐空局也在2016年6月成功地測(cè)試了激光
干涉儀空間天線探測(cè)器項(xiàng)目,證明了軌道運(yùn)行引力波探測(cè)器的可行性。
諾貝爾獎(jiǎng)
2016年10月,大衛(wèi)?索利斯、鄧肯?霍爾丹和邁克爾?科斯德里茨獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),他們利用拓?fù)涓拍顝睦碚撋涎芯磕蹜B(tài)物理取得重大發(fā)現(xiàn)。
早在20世紀(jì)七八十年代,他們已經(jīng)解釋了量子狀態(tài)物質(zhì)現(xiàn)象,比如說,量子霍爾效應(yīng)和超流體相變。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予讓-彼埃爾?索瓦、詹姆斯?弗雷澤?司徒塔特和伯納德?費(fèi)林加,他們?cè)O(shè)計(jì)并合成了分子機(jī)器。在為這些納米技術(shù)成就頒獎(jiǎng)的時(shí)候,諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)挑選了理查德?費(fèi)曼1959年在美國(guó)物理學(xué)年會(huì)晚宴后的演講,題為《底層還有充分的空間》。
750GeV碰撞的起落
2015年,歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的研究人員意外目擊了幾例超強(qiáng)現(xiàn)象,即所謂的雙光子事件,其能量為750GeV。這給他們帶來了突破標(biāo)準(zhǔn)模型的希望,一種新型物理學(xué)會(huì)因此而產(chǎn)生。通常,這樣的隆起如果只是偶爾出現(xiàn),在統(tǒng)計(jì)上會(huì)受到嚴(yán)格檢查??蛇@是兩個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)ATLAS(超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn))和CMS(緊湊渺子線圈實(shí)驗(yàn))觀察到的相同現(xiàn)象,就進(jìn)一步增加了這樣的希望。粒子理論學(xué)家得開動(dòng)他們的大腦,撰寫幾百篇論文來解釋這種異常會(huì)是什么,其中的
一個(gè)解釋大家比較贊同,認(rèn)為這是一種新的粒子,稱它為雙伽馬,由成對(duì)的光子衰變形成。但是,兩個(gè)團(tuán)隊(duì)于2016年8月利用更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)異?,F(xiàn)象,這表明2015年的那個(gè)隆起屬于統(tǒng)計(jì)上的巧合。
名流元素
國(guó)際純粹與應(yīng)用物理學(xué)聯(lián)合會(huì)為4個(gè)新確定的元素命名:113號(hào)元素叫Nihonium(Nh),115號(hào)元素叫Moscovium(Mc),117號(hào)元素叫Tennessine(Ts),118號(hào)元素叫Oganesson(Og)。命
名工作于2016年完成,官方確定了幾個(gè)榮譽(yù)性的名稱,Nh代表日本(亞洲國(guó)家發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)元素),Og代表俄羅斯物理學(xué)家奧伽涅申(Oganesson)的姓氏,Mc 代表俄羅斯首都莫斯科,Ts代表美國(guó)的田納西(橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所在州)。
中子全息攝影術(shù)
2016年,研究人員報(bào)告稱他們使用中子進(jìn)行全息攝影,其原理與光學(xué)全息攝影相同。一個(gè)中子進(jìn)入干擾儀,被分束器裂為兩條路徑,生成參考光束和物體光束。物體光束通過一個(gè)被稱為螺旋相位板(賦予螺旋性的裝置)的測(cè)試物體之后,給予一個(gè)空間變相;而參考光束和光學(xué)攝影里一樣,不予改變。兩個(gè)光束在分束器的另一端合并,然后傳給成像探測(cè)器。這種獨(dú)特的設(shè)置會(huì)給研究中子并利用中子成像技術(shù)研究材料特性提供一種新的方法。
太陽(yáng)系有第九大行星?
冥王星被從太陽(yáng)系行星中除名曾引起爭(zhēng)議,這個(gè)余波剛過,研究人員宣布,太陽(yáng)系的第九大行星可能存在,而且會(huì)在太陽(yáng)系內(nèi)導(dǎo)致局部失衡。根據(jù)加州理工學(xué)院的康斯坦丁?巴特金和邁克?布朗的計(jì)算,這第九顆行星的運(yùn)行軌道似乎與其他行星的軌道平面形成了大約30°的角,距離太陽(yáng)幾乎有1500億千米。此前之所以沒能探測(cè)到,是因?yàn)槠滠壍捞b遠(yuǎn)。它的質(zhì)量是地球的10倍,根據(jù)觀察,似乎產(chǎn)生了一些擾動(dòng)。巴特金和布朗在2016年10月美國(guó)天文協(xié)會(huì)的行星科學(xué)部與歐
洲行星科學(xué)大會(huì)聯(lián)會(huì)上宣布了他們的研究結(jié)果。
奧米德?科卡比獲釋
“良心罪犯”奧米德?科卡比在伊朗的艾溫監(jiān)獄服刑一半時(shí)間后,于2016年8月底獲得假釋。他被指控“與敵對(duì)政府交往”,判刑10年??瓶ū冉o家人寫信說,他被囚禁的原因是一再拒絕伊朗政府的要求,讓他搞軍工研究。他在美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校攻讀物理學(xué)博士,被監(jiān)禁后,他得到科學(xué)界支持,但不幸的是,在監(jiān)禁期間患上了癌癥。在接受切除患癌腎臟手術(shù)后,他獲得醫(yī)療準(zhǔn)釋。
W洲核子研究中心第一位女干事
在2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的研究工作中擔(dān)任領(lǐng)銜角色的一位女科學(xué)家法比奧拉?吉亞諾提,目前在歐洲核子研究中心擔(dān)任該實(shí)驗(yàn)室第15任總干事,她是第一位擔(dān)任這個(gè)職位的女科學(xué)家。她于1989年在米蘭大學(xué)獲得實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)博士學(xué)位,2016年1月正式成為總干事。她說自己目前的主要工作就是在2015年開始的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)二期運(yùn)行中繼續(xù)收集高質(zhì)量的數(shù)據(jù),本期進(jìn)行的對(duì)撞能量已經(jīng)高達(dá)13TeV。2016年她還吸收了一些新的成員,他們來自塞浦路斯、印度、斯洛文尼亞和烏克蘭,羅馬尼亞也成為一個(gè)新的成員國(guó)。
“羅塞塔”號(hào)探測(cè)器發(fā)出的最后一個(gè)信號(hào)
從發(fā)射到最后登陸,歐空局的“羅塞塔”號(hào)探測(cè)器花了10年時(shí)間,于2016年9月30日與其目標(biāo)彗星67P接觸。它是環(huán)繞彗星飛行的第一個(gè)探測(cè)器,并且向彗星的巖石表面釋放了“菲萊”著陸器。在此期間,它捕捉到8萬多幅圖像,展示了彗星表面的巨粒水冰、分子氧以及各種不同地貌??茖W(xué)家后來在它墜毀前一個(gè)月拍攝到的圖片中發(fā)現(xiàn)“菲萊”的方位,這讓導(dǎo)航組感到莫大的安慰?!傲_塞塔”的這個(gè)伙伴墜毀在彗星67P上,跌入一個(gè)黑暗的裂縫,然后就失去了聯(lián)系。
緬懷
關(guān)鍵詞:物理學(xué);人文文化
物理學(xué)是一門最基本的自然學(xué)科,它是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科,所以人們往往認(rèn)為物理學(xué)只是包含一些枯燥的理論公式,而忽視了物理學(xué)中包含的人文因素諸如人文哲學(xué)思想、美學(xué)、道德等方面。實(shí)際上,物理學(xué)在產(chǎn)生、形成、發(fā)展的過程中,人們不是為了物理學(xué)而研究物理學(xué),而是為了有助于人類、社會(huì)以及個(gè)體人的發(fā)展而研究物理學(xué),所有這些都涉及到了人與人的關(guān)系、人與自然的關(guān)系,這些關(guān)系中都蘊(yùn)含著豐富的人文文化。
著名物理學(xué)家吳健雄曾指出:為了避免出現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中的危機(jī),當(dāng)前一個(gè)刻不容緩的問題是消除現(xiàn)代文化中兩種文化,即科學(xué)文化和人文文化之間的隔閡,而加強(qiáng)這兩方面的聯(lián)系。沒有比大學(xué)更加適合的場(chǎng)所了。只有當(dāng)兩種文化的隔閡在大學(xué)園里加以彌合之后,我們才能對(duì)世界給出連貫而令人信服的描述。所以我們有必要去討論科學(xué)文化中的人文思想。
下面從文化角度去剖析物理學(xué)中的人文思想,主要有以下幾方面:
1 物理學(xué)中的唯物辯證法思想
物理學(xué)在古代被稱為自然哲學(xué),物理學(xué)作為一門精密的學(xué)科進(jìn)行研究是從1687年牛頓發(fā)表的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》開始的。隨著學(xué)科的發(fā)展與不斷完善,物理學(xué)才從哲學(xué)中分化出來,形成獨(dú)立的學(xué)科,但物理文化中蘊(yùn)含的哲學(xué)思想是不會(huì)被分離的。
1.1 實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)
物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué),物理實(shí)驗(yàn)既是建立物理理論的基礎(chǔ)又是檢驗(yàn)物理理論真理性的方法。楊振寧教授說“物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為本的學(xué)科”,物理學(xué)上很多理論都是通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)論證的結(jié)果,體現(xiàn)了唯物辯證法的認(rèn)識(shí)論觀點(diǎn)——實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 物質(zhì)是普遍聯(lián)系的
物理發(fā)展史上,很多地方體現(xiàn)了物質(zhì)是普遍聯(lián)系的觀點(diǎn)。比如人們?cè)?jīng)把電和磁孤立起來,物理學(xué)家奧斯特接受自然力統(tǒng)一的哲學(xué)思想。堅(jiān)信電和磁之間存在某種潛在聯(lián)系,經(jīng)過多年研究,終于發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng),并由此開創(chuàng)了電磁學(xué)的新紀(jì)元。把電和磁聯(lián)系了起來,這正體現(xiàn)了唯物辯證法的特征——物質(zhì)是普遍聯(lián)系的。
1.3 事物發(fā)展過程中的“否定之否定”規(guī)律
人們對(duì)物理現(xiàn)象及其本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是不斷地發(fā)展和完善起來的,每一種理論的建立過程都體現(xiàn)了“實(shí)驗(yàn)(事實(shí))——理論假設(shè)——實(shí)驗(yàn)(新的事實(shí))——修正理論”,遵循著辯證唯物主義中的“否定之否定”規(guī)律。比如在整個(gè)光學(xué)的發(fā)展史中對(duì)光本質(zhì)這個(gè)問題的認(rèn)識(shí),先是牛頓的微粒說;再是惠更斯的彈性波動(dòng)說;接著麥克斯韋提出電磁波動(dòng)說;到20世紀(jì)愛因斯坦提出光量子說。最終人們認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性,人類對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)就正是遵循著“否定之否定”認(rèn)識(shí)規(guī)律的反映。
1.4 主要矛盾與次要矛盾的辯證關(guān)系
物理學(xué)中為了方便研究問題,經(jīng)常抓住物體的主要特征,忽略物體的次要特征,而抽想出一些理想模型。如“質(zhì)點(diǎn)”這個(gè)理想模型保留了實(shí)際物體的質(zhì)量和存在的位置,而忽略了物體本身的大小形狀,體現(xiàn)出辯證唯物主義中的“主要矛盾與次要矛盾之間的辯證關(guān)系”。
1.5 運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性和時(shí)空的相對(duì)性
近代物理學(xué)的一大理論—愛因斯坦的相對(duì)論中涉及的哲學(xué)問題很多。最突出的就是相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)的時(shí)空觀念。相對(duì)論指出:相對(duì)性原理的本質(zhì)在于運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性這一事實(shí),而不存在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)論否定了絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的存在,就否定了絕對(duì)時(shí)空的概念。它通過不變的光速把時(shí)間和空間聯(lián)合為一個(gè)整體,由洛倫茲變換建立起各個(gè)慣性系之間的時(shí)空關(guān)系。
可見,不論是物理文化知識(shí)本身,還是物理文化形成、發(fā)展的過程都蘊(yùn)含著豐富的哲學(xué)思維方法,對(duì)人類的自然觀和哲學(xué)思想有重大的影響。
2 物理學(xué)中的美學(xué)文化
2.1 物理理論的美學(xué)特征
2.1.1 簡(jiǎn)單深刻美
在一個(gè)藝術(shù)家眼里簡(jiǎn)單是一種美。自然現(xiàn)象錯(cuò)綜復(fù)雜,物理學(xué)則力求用簡(jiǎn)單的方程或定律去概括自然規(guī)律,但其反映的內(nèi)在規(guī)律確是非常深刻的。如能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律反映了各種不同形式的能量的轉(zhuǎn)化,牛頓的三大定律更是概括了宏觀低速條件下各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,麥克斯韋電磁方程組將復(fù)雜的電磁現(xiàn)象統(tǒng)一其中,愛因斯坦相對(duì)論中的基本原理簡(jiǎn)單凝練,但其中內(nèi)涵確是豐富而深刻的。
2.1.2 對(duì)稱守恒美
對(duì)稱是自然界中廣泛存在的也是人們很樂于接受的一種美學(xué)形式,物理學(xué)在對(duì)自然的表述中處處顯現(xiàn)出了這種對(duì)稱的美:引力和斥力,“電生磁”與“磁生電”,粒子與反粒子,物質(zhì)與反物質(zhì)、圓孔或單縫衍射圖樣的對(duì)稱、無限長(zhǎng)直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)的軸對(duì)稱等等。物理定律對(duì)某種規(guī)范變換的不變性、守恒性更是貫穿于整個(gè)物理學(xué)的一種對(duì)稱形式,物理學(xué)中有許多守恒定律如:動(dòng)量守恒、機(jī)械能守恒等等。實(shí)際上,對(duì)稱性已經(jīng)成為當(dāng)代物理學(xué)家研究物理理論的一種方法。
2.1.3 統(tǒng)一和諧美
物理理論的和諧統(tǒng)一美實(shí)際上是自然界和諧統(tǒng)一美的理論形態(tài)。如麥克斯韋電磁場(chǎng)理論把電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一了起來,量子力學(xué)把波動(dòng)性和粒子性統(tǒng)一了起來,愛因斯坦的相對(duì)論把時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來,把經(jīng)典物理學(xué)都包容在他的理論框架之內(nèi),創(chuàng)造了程度更高范圍更大的和諧統(tǒng)一理論。
2.2 物理學(xué)家與美學(xué)思想
世界著名物理學(xué)家狄拉克認(rèn)為:讓一個(gè)方程具有美感要比符合實(shí)驗(yàn)更為重要。法國(guó)科學(xué)家彭加勒曾說:“科學(xué)家研究自然,是因?yàn)樗麖闹心艿玫綐啡?,他之所以能得到樂趣,是因?yàn)樗馈?。著名物理學(xué)家楊振寧曾經(jīng)說過:“物理學(xué)的原理有它的結(jié)構(gòu),這個(gè)結(jié)構(gòu)有它的美跟妙的地方,而各個(gè)物理學(xué)工作者對(duì)于這個(gè)結(jié)構(gòu)的不同的美跟妙的地方的感受,有不同的了解,因?yàn)榇蠹矣胁煌母惺?,所以每一個(gè)工作者會(huì)發(fā)展他自己獨(dú)特的研究方向跟研究方法,形成他自己的風(fēng)格?!?/p>
許多著名的物理學(xué)家都有感知美的奇異本領(lǐng),美學(xué)思想在許多物理學(xué)家創(chuàng)立與評(píng)價(jià)物理學(xué)理論時(shí)起著重大的啟發(fā)與指導(dǎo)作用。追溯人類科學(xué)源頭,科學(xué)美始終被作為一種人文理想而追求,成為科學(xué)家們獻(xiàn)身科學(xué)、潛心研究的直接動(dòng)力之一。
3 物理學(xué)中的科學(xué)道德精神
3.1 對(duì)未知的好奇與探索精神
好奇心是一種情感,是一種人文精神,也是最重要的科學(xué)精神??茖W(xué)進(jìn)步的真正動(dòng)力是許多物理學(xué)家對(duì)了解未知事物的欲望。牛頓看到蘋果落地,就去想蘋果為什么會(huì)從樹上掉下來,從而想到了萬有引力;阿基米德從浴桶洗澡中得到啟示,發(fā)現(xiàn)水面上升與他身體侵入部分體積之間的內(nèi)在聯(lián)系,找到了鑒別金質(zhì)王冠是否摻假的方法,產(chǎn)生阿基米德原理,發(fā)現(xiàn)浮力定律等。這種對(duì)未知的好奇與探索精神,對(duì)物理學(xué)的發(fā)展與人類的文明有很重要的作用。
3.2 實(shí)事求是、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神
實(shí)事求是認(rèn)知的基礎(chǔ),而創(chuàng)新則是科學(xué)精神的核心。20世紀(jì)物理學(xué)的革命告訴我們:科學(xué)的發(fā)展道路上科學(xué)家要?jiǎng)?chuàng)立一種新理論的時(shí)候,都必須要有敢于向已有的舊理論、舊思想提出質(zhì)疑的勇氣。例如:伽利略正是因?yàn)閷?duì)亞里士多德“力是產(chǎn)生物體運(yùn)動(dòng)的原因”的懷疑,才建立了正確的力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。以至于后來的牛頓運(yùn)動(dòng)定律的產(chǎn)生。著名物理學(xué)家楊振寧和李政道正是因?yàn)槊翡J的覺察到了從未被人懷疑過的宇稱守恒定律的適用范圍,大膽提出了弱相互作用中宇稱不守恒的論斷,才使物理學(xué)理論有了一個(gè)突破性的進(jìn)展。
3.3 合作與寬容精神
1871年英國(guó)著名物理學(xué)家麥克斯韋在給朋友的信中提出一個(gè)稱為“麥克斯韋妖”(Maxwell Demon)的非常有趣的物理設(shè)想,用來作為違反熱力學(xué)第二定律可能性的一個(gè)反例。設(shè)想有一箱密封氣體,被一個(gè)板隔離為兩部分,一半溫度較高,一半溫度較低。如果拿走隔板,冷熱氣體會(huì)自然混合,最后會(huì)得到均勻混合的氣體,溫度介于原來的兩個(gè)溫度之間,這是符合熱力學(xué)定律的?,F(xiàn)在假設(shè),隔板上開一個(gè)小孔,有一個(gè)“小妖”來控制它的關(guān)閉和開啟。對(duì)從左邊箱子來的分子,“小妖”只讓運(yùn)動(dòng)速度很快的通過,反之,對(duì)于從右邊來的分子,只允許速度較慢的通過。這樣,左邊箱子里的氣體將不斷變冷,右邊箱子里的氣體將不斷變熱。原本溫度均勻的兩半,就會(huì)由于麥克斯韋妖的作用,使得左邊的溫度比右邊低,于是違反了熱力學(xué)第二定律。
作者在本書中提供了統(tǒng)計(jì)力學(xué)的一種新的概念基礎(chǔ)。它展示了熱力學(xué)與力學(xué)之間的縫隙是如何發(fā)生的,以及怎樣才能彌合。熱力學(xué)不是一個(gè)普適的理論,著名的麥克斯韋妖這類情況可以被統(tǒng)計(jì)力學(xué)成功地預(yù)測(cè)。目前,這一理論的基礎(chǔ)還不穩(wěn)固。在這本書中,作者在這種新的概念基礎(chǔ)之上發(fā)展統(tǒng)計(jì)力學(xué),嘗試處理這些困難問題。他們解釋了宏觀態(tài)、概率、測(cè)量、記憶等概念和統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的時(shí)間之箭,得到了驚人的結(jié)論:麥克斯韋妖,著名的永動(dòng)機(jī),是與基本的物理定律一致的。對(duì)于統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)長(zhǎng)期存在的一些問題提供了新的解決辦法。
全書共分成13章:1.引言;2.熱力學(xué);3.經(jīng)典力學(xué);4.時(shí)間;5.宏觀態(tài);6.概率;7.熵;8.典型性;9.測(cè)量;10.過去;11 Gibbs; 12.擦除;13.麥克斯韋妖。
本書是一本高水平的學(xué)術(shù)專著,而不是一本教材,作者們使用新發(fā)展的概念工具,對(duì)于統(tǒng)計(jì)力學(xué)提供了一個(gè)新的哲學(xué)視角,力求解決物理學(xué)的一些基本問題。他們?cè)诓环艞壣疃认卤M可能地避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理,而采用新的圖解方式來輔助內(nèi)容的闡述。對(duì)于那些對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)和哲學(xué)感興趣的研究人員和研究生這是一本引人入勝值得一讀的參考書。
1.富蘭克林
本杰明?富蘭克林(1706~1790)出現(xiàn)在100美元面額的紙幣上。他不僅是一位著名的政治家,還是一名出色的物理學(xué)家、發(fā)明家。他是探索電學(xué)的先驅(qū)者之一,發(fā)現(xiàn)電荷分為正、負(fù)且兩者守恒,揭開了雷電現(xiàn)象的秘密,最先提出了避雷針的設(shè)想。此外,他對(duì)氣象、地質(zhì)、聲學(xué)、光學(xué)及海洋航行等方面也有研究,并取得一些發(fā)明。
2.達(dá)爾文
英格蘭銀行發(fā)行的10英鎊紙幣上是英國(guó)生物學(xué)家、進(jìn)化論的奠基人查爾斯?達(dá)爾文(1809~1882)的形象。達(dá)爾文通過環(huán)球科學(xué)考察,對(duì)各地的動(dòng)植物和地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入了解,出版《物種起源》,提出以自然選擇為核心的生物進(jìn)化論學(xué)說,使生物學(xué)發(fā)生了一次革命性變革。
3.開爾文
蘇格蘭克萊茲代爾銀行發(fā)行的100英鎊紙幣上是開爾文勛爵(1824~1907)。他原名威廉?湯姆孫,在蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)任職長(zhǎng)達(dá)53年,研究熱力學(xué)和電學(xué)。他提出了熱力學(xué)第二定律,發(fā)現(xiàn)焦耳-湯姆孫效應(yīng),并因在橫跨大西洋電報(bào)工程中所作的貢獻(xiàn)而獲封爵位,開爾文勛爵就是這樣來的。為了紀(jì)念他在熱力學(xué)上的突出貢I,他所創(chuàng)立的熱力學(xué)溫標(biāo)(絕對(duì)溫標(biāo))的單位被定名為開爾文。
4.盧瑟福
100面額新西蘭元紙幣上是物理學(xué)家、化學(xué)家厄內(nèi)斯特?盧瑟福(1871~1937)。他通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出并證實(shí)了原子結(jié)構(gòu)模型,即原子內(nèi)部存在帶正電的原子核,進(jìn)一步在原子核中發(fā)現(xiàn)和命名了質(zhì)子,
被譽(yù)為原子核物理學(xué)之父。他還首先提出放射性半衰期的概念,證實(shí)放射性涉及從一個(gè)元素到另一個(gè)元素的嬗變。因?yàn)椤皩?duì)元素蛻變以及放射化學(xué)的研究”,他榮獲1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
5.玻爾
500面額丹麥克朗紙幣上的人物是著名物理學(xué)家、1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者尼爾斯?玻爾(1885~1962)。他創(chuàng)造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結(jié)合起來,提出了量子不連續(xù)性,成功地解釋了氫原子和類氫原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。 他創(chuàng)立哥本哈根大學(xué)理論物理研究所,由此建立哥本哈根學(xué)派,對(duì)20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
6.林奈
100面額瑞典克朗紙幣上的人物是博物學(xué)家卡爾?馮?林奈(1707~1778),他在受封貴族前名為卡爾?林尼厄斯。林奈首先提出界、門、綱、目、科、屬、種的物種分類法,完善了動(dòng)植物雙名命名法,對(duì)動(dòng)植物分類研究乃至現(xiàn)代生物學(xué)的進(jìn)步有很大的推動(dòng)作用。為了紀(jì)念林奈,在瑞典先后建立了林奈博物館、林奈植物園等,并于1917年成立了瑞典林奈學(xué)會(huì)。
7.伯克蘭
200面額挪威克朗紙幣上的人物是挪威地球物理學(xué)家克里斯蒂安?伯克蘭(1867~1917),他是磁層物理的奠基人,首次提出來自太陽(yáng)的電子可直接產(chǎn)生極光的理論,并通過模擬實(shí)驗(yàn)制造出人工極光。他建立第一個(gè)穩(wěn)定的極光觀測(cè)站,并證實(shí)太陽(yáng)風(fēng)的存在。此外,伯克蘭還發(fā)明從空氣中固氮的“伯克蘭-艾德電弧法”,首次提出電磁炮概念并制成第一個(gè)電磁線圈炮。
8.特斯拉
100面額塞爾維亞第納爾紙幣上的人物是尼古拉?特斯拉(1856~1943)。特斯拉堪稱天才科學(xué)家和發(fā)明家,他發(fā)明和設(shè)計(jì)了現(xiàn)代交流電系統(tǒng),推動(dòng)了世界的電氣化。他關(guān)于電磁學(xué)的理論和發(fā)明是現(xiàn)代無線通信和無線電的基石。磁感應(yīng)強(qiáng)度的國(guó)際單位制就是以他的名字命名的,還有“特斯拉線圈”,“特斯拉”電動(dòng)汽車也是向他致敬。
質(zhì)量產(chǎn)生之謎
這是物理學(xué)中的兩個(gè)重大問題,早在幾千年前,古人就曾經(jīng)提出過類似的問題,來追問世界的本質(zhì)。對(duì)于第一個(gè)問題,現(xiàn)代物理學(xué)家用各種粒子來做回答,宇宙存在著一些不可再分的基本粒子,正是這些基本粒子構(gòu)成了宇宙萬物。物理學(xué)家甚至還建立了一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”,在這個(gè)模型中一共有62種基本粒子。它們彼此之間可以通過三種基本的作用力,也就是強(qiáng)力、弱力和電磁力,組合出各種復(fù)合粒子,進(jìn)而組成物質(zhì)世界。只要能通過科學(xué)設(shè)備找到這62種基本粒子,標(biāo)準(zhǔn)模型就能夠被證明是描述宇宙的正確理論,第一個(gè)問題就完美解答了。
然而在建立標(biāo)準(zhǔn)模型的過程中,物理學(xué)家卻遭遇到了一個(gè)困難:根據(jù)這個(gè)模型,基本粒子是不會(huì)有質(zhì)量的。但是通過科學(xué)設(shè)備找到的基本粒子表明,幾乎所有的基本粒子都是有質(zhì)量的,除了光子,它沒有靜止質(zhì)量,但是卻有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。
于是,要完美回答第一個(gè)問題,就要先回到第二個(gè)問題,也就是質(zhì)量是怎么產(chǎn)生的問題。
游泳池里的上帝粒子
1964年有個(gè)物理學(xué)家名叫彼得?希格斯,從前人的想法中吸取了一些見解,再添加上自己的創(chuàng)新,提出了一個(gè)觀點(diǎn):整個(gè)宇宙中彌散著一種能量場(chǎng),這就是如今人們所說的“希格斯場(chǎng)”。他提出這個(gè)場(chǎng),是因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有人明白,為什么有些基本粒子質(zhì)量很大,有些質(zhì)量卻很小,甚至沒有質(zhì)量。希格斯所設(shè)想的希格斯場(chǎng),能夠與基本粒子相互作用,從而賦予了粒子質(zhì)量。一個(gè)粒子質(zhì)量大,是因?yàn)樗拖8袼箞?chǎng)的相互作用多,而一個(gè)粒子如果沒有質(zhì)量,就說明它根本就不和希格斯場(chǎng)相互作用。
為了便于理解這個(gè)猜想,我們用水和在水中的游泳者來作比喻。水就相當(dāng)于希格斯場(chǎng),一只靈巧的流線型梭魚受到水的阻力很小,可以在水中很自如地游動(dòng)。這條梭魚就好比是質(zhì)量輕的粒子。而一個(gè)大胖子進(jìn)入水中,就只能緩慢地向前游動(dòng),因?yàn)樗艿剿淖枇艽?,他相?dāng)于質(zhì)量很大的粒子。
我們熟悉的基本粒子中,質(zhì)量最輕的就是光子。而基本粒子中質(zhì)量最重的莫過于頂夸克,它的質(zhì)量差不多和金原子的質(zhì)量一樣大,是光子的35萬倍。按照希格斯的理論,頂夸克質(zhì)量那么大,完全是因?yàn)樗c希格斯場(chǎng)的相互作用更多。假如希格斯場(chǎng)不存在,這些粒子的質(zhì)量就會(huì)統(tǒng)統(tǒng)為零。
這里必須說明的是,頂夸克不是因?yàn)轶w積大而獲得了更多的質(zhì)量,它其實(shí)并不比光子的體積大。因?yàn)楦鶕?jù)物理學(xué)家的理論,頂夸克和電子的大小是完全相同的,它們的體積都是――零。雖然這個(gè)現(xiàn)象多少有點(diǎn)違背我們的生活經(jīng)驗(yàn),但在基本粒子領(lǐng)域里,這并不奇怪。
既然整個(gè)宇宙是由基本粒子組成的,那么我們很容易就會(huì)問,希格斯場(chǎng)是由什么組成的?這個(gè)問題的答案很簡(jiǎn)單:希格斯粒子。為了理解希格斯場(chǎng)和希格斯粒子之間的關(guān)系,我們?cè)儆盟畞碜鞅扔?。?dāng)我們浸入水中游泳的時(shí)候,感覺水似乎是連續(xù)不斷的物質(zhì),但其實(shí)水并非沒有“漏洞”,我們知道,水分子的化學(xué)式是H2O,游泳池里的水是由大量的H2O分子組成的。就像大量的水分子構(gòu)成了游泳池的水體一樣,希格斯粒子就好像是水分子,大量的希格斯粒子也構(gòu)成了希格斯場(chǎng)。
希格斯粒子是物理學(xué)家建立的標(biāo)準(zhǔn)模型中的最后一個(gè)粒子,找到了希格斯粒子,我們就揭開了物質(zhì)具有質(zhì)量的謎團(tuán),進(jìn)而證明標(biāo)準(zhǔn)模型的正確性,完美回答世界的物質(zhì)構(gòu)成問題。所以,要了解整個(gè)宇宙的組成奧秘,希格斯粒子是關(guān)鍵,因此人們稱呼它為“上帝粒子”,它是“上帝”創(chuàng)造世界的關(guān)鍵粒子。
超強(qiáng)機(jī)器抓捕上帝粒子
接下來的任務(wù)就是尋找希格斯粒子了。讓人煩惱的是,幾十年中,物理學(xué)家已經(jīng)把61種基本粒子“緝拿歸案”,唯獨(dú)關(guān)鍵的希格斯粒子與人們玩起了捉迷藏游戲,遲遲不肯露出真容。部分原因是希格斯粒子的質(zhì)量約為質(zhì)子的126倍,但是它并不穩(wěn)定,會(huì)迅速衰變成更加穩(wěn)定、質(zhì)量更小的其他基本粒子,讓人抓不住它。
物理學(xué)家需要更強(qiáng)大的設(shè)備來尋找上帝粒子。歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是人類有史以來建造的最強(qiáng)大的粒子加速器,它的工作原理是將兩束質(zhì)子流以接近光速的速度迎頭相撞,在質(zhì)子們“分崩離析”的過程中,各種基本粒子也會(huì)被撞出來,其中包括希格斯粒子。不過由于希格斯粒子衰變速度太快,物理學(xué)家通過對(duì)衰變產(chǎn)物的分析,來間接推斷強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里是否產(chǎn)生了希格斯粒子。
2012年7月,歐洲核子中心的物理學(xué)家終于在強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物中找到了質(zhì)量和其他性質(zhì)與希格斯粒子吻合的粒子,經(jīng)過驗(yàn)證,他們認(rèn)為這就是希格斯粒子,上帝粒子終于找到了。
物理學(xué)家還沒抵達(dá)終點(diǎn)
如此重要的物理學(xué)成就當(dāng)之無愧地獲得了世界最著名的獎(jiǎng)項(xiàng)。2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了英國(guó)人彼得?希格斯和比利時(shí)人弗朗索瓦?恩格勒,以表彰他們對(duì)希格斯粒子所做的預(yù)測(cè)。
作為世界著名的物理學(xué)家,早在1976年,丁肇中就以發(fā)現(xiàn)“J粒子”獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在丁肇中的父母訪問美國(guó)時(shí),他出生在密歇根州的安娜堡,這個(gè)小意外使他具有了美國(guó)公民的身份。雖然入了美國(guó)籍,但他深深地知道他的根在中國(guó)。為了祖國(guó)高能物理的發(fā)展,他不辭辛勞,遠(yuǎn)涉重洋,多次回國(guó)從事學(xué)術(shù)交流和參觀訪問,促進(jìn)了國(guó)際物理學(xué)界同中國(guó)物理學(xué)家合作。
“興趣使我不會(huì)疲倦”
丁肇中的母親研究的是兒童心理學(xué),也是他小學(xué)的啟蒙老師。當(dāng)被問及成功的秘訣時(shí),丁肇中表示自己沒有資格回答,因?yàn)椤懊總€(gè)人成長(zhǎng)背景不一樣”。但他顯然繼承了母親的衣缽,用最簡(jiǎn)單的語(yǔ)言就說出了最真實(shí)也是最難實(shí)踐的道理——根據(jù)興趣選擇專業(yè)。
丁肇中出生兩個(gè)月后,父母又把他帶回到中國(guó)。由于戰(zhàn)亂,丁肇中的小學(xué)課程基本是父母在家教授的,他說:“由于當(dāng)時(shí)中國(guó)的境況,我一直是一個(gè)難民,不斷地從一個(gè)地方逃到另一個(gè)地方。當(dāng)然,那時(shí)使我不可能得到任何的正規(guī)教育。”在他12歲時(shí),隨全家遷往臺(tái)灣,才進(jìn)中學(xué)讀書,因而十分珍惜上學(xué)的機(jī)會(huì)。
丁肇中對(duì)數(shù)理化興趣濃厚,1956年,20歲的他只身一人從臺(tái)灣到父母的母?!绹?guó)密歇根大學(xué)進(jìn)行深造。當(dāng)時(shí),他念的是機(jī)械工程這一熱門專業(yè),老師發(fā)現(xiàn)他不會(huì)計(jì)算機(jī)、不會(huì)畫圖,但數(shù)學(xué)、物理成績(jī)優(yōu)異,建議他轉(zhuǎn)念物理。
丁肇中通覽了物理學(xué)發(fā)展史后,也看清了自己要走的路。對(duì)于他來說,近代物理學(xué)就像是一個(gè)大旋渦,其中心部分就是實(shí)驗(yàn)高能物理學(xué)。越接近這個(gè)旋渦的中心吸引力就越大,丁肇中就越離不開它。
在大學(xué)里,他廢寢忘食,埋頭書齋,圖書館——實(shí)驗(yàn)室——食堂——宿舍,是他生活的軌跡。盡管美國(guó)大學(xué)里課余生活豐富多彩,卻很少看到丁肇中的身影。同學(xué)們嘲諷他:塞繆爾(sarnuel是丁肇中的美國(guó)名字)真是個(gè)怪人,學(xué)習(xí)頂呱呱,可惜不合群。在學(xué)習(xí)上,丁肇中并不滿足于幾本教科書以及教師指定的參考書,他決心系統(tǒng)地、深入地搞清整個(gè)近代物理學(xué)的來龍去脈,及時(shí)地、廣泛地了解近代物理學(xué)的最新成就和發(fā)展趨勢(shì)。他饒有興趣地研究物理學(xué)大師們的經(jīng)典著作,博覽物理學(xué)期刊。
盡管丁肇中剛?cè)ッ绹?guó)時(shí),口袋里只有100美元,而且舉目無親,英語(yǔ)也不太純熟,但經(jīng)三年努力之后,他獲得了數(shù)學(xué)及物理學(xué)碩士學(xué)位。過了兩年之后,他又榮獲了物理學(xué)博士學(xué)位。一些美國(guó)同學(xué)都稱他為“奇人”。爾后,他到哥倫比亞大學(xué)、麻省理工學(xué)院任教,接著從事科研工作。如此算來,從念大學(xué)到博士再到搞科研,一般人大約需十多年時(shí)間,而他只用了6年。
“密歇根大學(xué)的經(jīng)歷對(duì)我一生影響最大?!倍≌刂姓f,高中生并不太了解哪個(gè)學(xué)科好,學(xué)校給了他很多的幫助。從那時(shí)起,他就一生與物理為伴?!拔覍W(xué)物理純粹是為了興趣,不為名不為利,做實(shí)驗(yàn)才是我一輩子最重要的事?!弊罱K,他的興趣給了他最高的榮耀。
領(lǐng)導(dǎo)“物理學(xué)的十一月革命”
對(duì)于人才來說,逆境往往如同命運(yùn)之神特意安排的一段里程那樣,苛刻地檢驗(yàn)著每個(gè)立志有所作為的人,檢驗(yàn)著他們成才的勇氣、信心和素質(zhì)。丁肇中就是這樣的一位在逆境中堅(jiān)持自己的人。
1972年,丁肇中向布魯克海文國(guó)立實(shí)驗(yàn)所提出了尋找新粒子的計(jì)劃。由于這一實(shí)驗(yàn)費(fèi)用多、難度大,所以,他的計(jì)劃一出臺(tái),便受到來自各方面的批評(píng)和責(zé)難?!凹词苟≌刂械膶?shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋闫饋恚矝]有什么價(jià)值。在丁肇中計(jì)劃實(shí)驗(yàn)?zāi)芰繀^(qū)域內(nèi),新的長(zhǎng)壽命的重粒子是根本不存在的,這是一般教科書上的常識(shí)。”一位著名的物理學(xué)家這樣斷言?!岸≌刂械膶?shí)驗(yàn)純屬勞民傷財(cái),在他那個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰繀^(qū)域內(nèi),即使有什么新的粒子出現(xiàn),也不過是些寬度很大的粒子?!庇忠晃粰?quán)威的物理學(xué)家給他潑冷水。
對(duì)于來自各方面的非難,丁肇中毫不示弱。他堅(jiān)信自己的預(yù)見,決心向常識(shí)挑戰(zhàn)。他對(duì)那些權(quán)威們說:“先生,這不是不懂常識(shí)的問題,而是要靠事實(shí)來回答的問題。什么叫常識(shí)?常識(shí)就是不經(jīng)證明而常常引用的知識(shí)。一個(gè)人不可不懂常識(shí),但是過分迷信常識(shí)的科學(xué)家,往往就會(huì)錯(cuò)過一些重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)?!彼偃嬖V自己的實(shí)驗(yàn)組成員:“不要管反對(duì)意見是多么不可一世,決不要放棄自己的科學(xué)觀點(diǎn),要毫不膽怯地迎接挑戰(zhàn),要始終堅(jiān)持對(duì)我的科學(xué)觀點(diǎn)的探求?!?/p>
丁肇中和他的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里夜以繼日地工作,事實(shí)證明他的觀點(diǎn)是對(duì)的,經(jīng)過兩年多的全力攻關(guān),他向全世界宣布發(fā)現(xiàn)了一種未曾預(yù)料過的新的基本粒子-J粒子。這種粒子有兩個(gè)奇怪的性質(zhì):質(zhì)量重,壽命長(zhǎng),因而它一定來自第四夸克,這了過去認(rèn)為世界只有三種夸克組的理論,為人類認(rèn)識(shí)微觀世界開辟了一個(gè)新的境界,被稱為是“物理學(xué)的十一月革命”。
J粒子的發(fā)現(xiàn),在當(dāng)時(shí)物理學(xué)界掀起了軒然大波。這件意料不到的事,使實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家都大為驚異:現(xiàn)有的基本粒子理論中出了一個(gè)大漏洞,為什么先前沒有預(yù)料到它的存在呢?此刻,那些曾經(jīng)嘲諷、攻擊過丁肇中的權(quán)威們,在事實(shí)面前,也只好認(rèn)輸了。
美國(guó)發(fā)行量很大的《新聞周刊》,為此撰文評(píng)介道:“這是基本粒子科學(xué)的重大突破,對(duì)于近半個(gè)世紀(jì)以來,物理學(xué)家努力尋求解析自然界的基本結(jié)構(gòu),具有重大的意義和貢獻(xiàn)?!?1975年2月14日,當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)福特也發(fā)來了賀電:“得知你們發(fā)現(xiàn)了新的、壽命更長(zhǎng)的重粒子,我深感興趣。在此,我謹(jǐn)代表美國(guó)人民,祝賀你和你的同事致力于此項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)的努力和貢獻(xiàn)?!盝粒子發(fā)現(xiàn)兩年之后,丁肇中便榮獲了1976年度的諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)金,那年他僅40歲。
諾貝爾領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上的中國(guó)聲音
1976年12月10日下午4時(shí)許,在瑞典首都斯德哥爾摩音樂廳內(nèi),丁肇中跟其他諾貝爾獎(jiǎng)獲得者一道,在受獎(jiǎng)席上就座。能容納2000余名觀眾的大廳內(nèi),坐滿了外國(guó)來賓、瑞典社會(huì)名流。大廳門口,擠滿了頭戴白幅、手持彩旗的大學(xué)生組成的歡迎隊(duì)伍。
按照慣例,在諾貝爾獎(jiǎng)授獎(jiǎng)儀式上,獲獎(jiǎng)?wù)咭帽緡?guó)語(yǔ)言發(fā)表演講。丁肇中是美籍華裔,因此,在授獎(jiǎng)典禮上,他必須用美國(guó)語(yǔ)言——英語(yǔ)發(fā)表演講。但丁肇中認(rèn)為自己是中國(guó)人的后代,只不過是在美國(guó)的土地上出生而已。他決心實(shí)現(xiàn)自己的愿望:讓中華之聲響徹諾貝爾獎(jiǎng)授獎(jiǎng)大廳。
于是,他向瑞典皇家科學(xué)院請(qǐng)求:在授獎(jiǎng)儀式的即席演講中,先用中文講,后用英文復(fù)述。當(dāng)時(shí)的美國(guó)政府得知此事后,曾竭力阻撓。但丁肇中堅(jiān)持己見的性格促使他去據(jù)理力爭(zhēng),終于獲準(zhǔn)。
“得到諾貝爾獎(jiǎng),是一個(gè)科學(xué)家最大的榮譽(yù)。我是在舊中國(guó)長(zhǎng)大的,因此,想借這個(gè)機(jī)會(huì)向發(fā)展中國(guó)家的青年們強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)工作的重要性。中國(guó)有句古話‘勞心者治人,勞力者治于人’,這種落后的思想,對(duì)發(fā)展中國(guó)家的青年們有很大的害處。由于這種思想,很多發(fā)展中國(guó)家的學(xué)生都傾向于理論的研究,而避免實(shí)驗(yàn)工作。事實(shí)上,自然科學(xué)理論不能離開實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),特別是物理學(xué)更是從實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的。我希望由于我這次得獎(jiǎng),能夠喚起發(fā)展中國(guó)家的學(xué)生們的興趣,而注意實(shí)驗(yàn)工作的重要性?!?/p>
丁肇中精神抖擻地發(fā)表演講,他是在用漢語(yǔ)作激動(dòng)人心的演講。這短短200來字的講演,令人耳目一新,卻又言簡(jiǎn)意賅:它既包含了丁肇中二三十年來對(duì)人生、對(duì)科學(xué)的真知灼見,又包含了他對(duì)中華民族、祖國(guó)母親的赤子深情。
自諾貝爾獎(jiǎng)1901年問世以來,在500多位獲獎(jiǎng)人中,繼李政道后又一個(gè)用中國(guó)人民的主要語(yǔ)言——漢語(yǔ)在這里發(fā)表演講。臺(tái)下2000多位來賓,并沒有因?yàn)槁牪欢疂h語(yǔ)而不滿,恰恰相反,大家都在全神貫注地聽著,而且對(duì)這位杰出的中年物理學(xué)家更增加了敬佩之情。
此刻,坐在主席臺(tái)上的一位白發(fā)蒼蒼的中國(guó)老人,禁不住熱淚盈眶,他就是丁肇中的父親丁觀海。他是專程從臺(tái)灣趕來瑞典參加兒子受獎(jiǎng)儀式的中國(guó)老工程學(xué)者。丁肇中在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)儀式上,如愿以償?shù)厥惆l(fā)了作為中華民族后代的自豪感。此情此景,令當(dāng)時(shí)的每一個(gè)中國(guó)人激情澎湃,永生難忘。
難以割舍的故國(guó)情
1975年11月7日,丁肇中乘坐的飛機(jī)降落在北京機(jī)場(chǎng)上。在這之前,他透過飛機(jī)的舷窗,深情地注視著阡陌縱橫的中國(guó)大地,想到就要見到闊別28年的親朋好友時(shí),他神情激動(dòng)。這時(shí),他的姑姑、姑夫們都已成了老人,幼年時(shí)一起嬉戲、玩耍的堂姐,也已人到中年了。令在場(chǎng)的人們想不到的是,他竟能一眼認(rèn)出了每個(gè)人。他一面興奮地和大家握手,一面稱呼著每個(gè)人:“二姐”“大姑夫”“姑姑”……
一位前去迎接他的中國(guó)科學(xué)院負(fù)責(zé)人見這情景,在一旁開玩笑說:“丁教授,你這是回到了娘家!”丁肇中聽了,不以為然地說道:“怎么說是回娘家,我是回到了自己的家!”回到中國(guó),他在北京飯店的一個(gè)套房里安頓下以后,特地到商店買了一套布料的中山裝穿上,詼諧地對(duì)身邊的陪同人員們說:“回到中國(guó),就不能再像個(gè)洋人,而要和普通的中國(guó)人一樣!”沉吟片刻,又說: “我要穿上這套衣服,照一張相片,寄到美國(guó)去!”
這一年,在中國(guó)大陸逗留的日子里,丁肇中興致勃勃地到工廠、農(nóng)村、學(xué)校和科學(xué)研究單位參觀訪問,他親切地同工人、農(nóng)民、學(xué)生和科技人員們攀談,一路上所見所聞都感到很新鮮,他對(duì)幼年時(shí)住過的地方也是一往情深。
1978年春天,丁肇中在漢堡的電子同步加速器研究中心主持的實(shí)驗(yàn)組,在他的努力下,中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的第一批科技人員來到這個(gè)中心工作。丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)組共有5個(gè)協(xié)作單位、7個(gè)國(guó)家的30多位科學(xué)工作者組成。5個(gè)協(xié)作單位是:美國(guó)麻省理工學(xué)院、德國(guó)電子同步加速器研究中心、亞琛大學(xué)、荷蘭高能物理研究所,以及中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所。
在丁肇中教授的熱情指導(dǎo)下,中國(guó)科技人員分別在漂移室、計(jì)數(shù)器、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)在線和計(jì)算機(jī)離線上學(xué)習(xí)和工作,在丁肇中身邊工作,中國(guó)科學(xué)家每天要做十幾個(gè)鐘頭的實(shí)驗(yàn),沒有午休,沒有周日,連走路、吃飯也在思考。不到半年,他們基本闖過“語(yǔ)言關(guān)”;兩三個(gè)月后,學(xué)會(huì)獨(dú)立使用計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù),并能對(duì)實(shí)驗(yàn)提出自己的獨(dú)特見解。
他們和各國(guó)同行一起制造各種探測(cè)器,檢驗(yàn)電子學(xué)儀器,學(xué)習(xí)取數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù),并且代表丁肇中小組首次在美國(guó)物理年會(huì)上報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)大會(huì)主席向與會(huì)學(xué)者介紹“這是中國(guó)代表首次在美國(guó)物理年會(huì)上做學(xué)術(shù)報(bào)告”時(shí),場(chǎng)上響起了一片極為熱烈的掌聲。
【關(guān)鍵詞】物理;教學(xué);情境設(shè)計(jì)
在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)部分對(duì)探究學(xué)習(xí)做了更加詳盡的敘述:“物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。在高中物理課程各個(gè)模塊中都安排了一些典型的科學(xué)探究或物理實(shí)驗(yàn)。高中學(xué)生應(yīng)該在科學(xué)探究和物理實(shí)驗(yàn)中達(dá)到以下要求?!?注重增強(qiáng)學(xué)生的探究意識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的探究能力,倡導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的探究精神,是“課程標(biāo)準(zhǔn)”與“教學(xué)大綱”的一個(gè)重要區(qū)別。達(dá)到這些培養(yǎng)目標(biāo)的主要手段是實(shí)施探究教學(xué)。
探究教學(xué),就是在老師的指導(dǎo)下,讓學(xué)生使用類似于科學(xué)研究的方法獲取知識(shí),應(yīng)用知識(shí),發(fā)現(xiàn)問題,研究問題,解決問題。教學(xué)結(jié)構(gòu)主要有以下幾步:① 教師設(shè)置學(xué)生探究的情境。② 學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自主探究所要教學(xué)的知識(shí)。③ 師生交流探究的成果,構(gòu)建新知識(shí)。實(shí)施探究教學(xué),首先需要解決的是怎樣設(shè)置探究的情境。這個(gè)問題不解決,探究教學(xué)就成為空中樓閣。本文將根據(jù)高中物理的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生的心理特點(diǎn),研究設(shè)置教學(xué)情境的方法。
1 利用物理學(xué)家的典型研究再造探究情境
借物理學(xué)家的研究情境創(chuàng)設(shè)探究教學(xué)的課堂情境,既是可行的,也是有效的。物理學(xué)家是探究物理知識(shí)的專家,憑著對(duì)物理科學(xué)的熱愛,依靠自已扎實(shí)的科學(xué)研究基本功,和對(duì)物理科學(xué)的靈氣,從不起眼的自然現(xiàn)象中分離出有價(jià)值的情境,把目光從廣袤的自然現(xiàn)象中聚集到某個(gè)特殊的研究范圍。正確地選擇研究情境,把原本分散的注意力集中到有價(jià)值的點(diǎn)上,使之有可能對(duì)自然現(xiàn)象做出深度的研究,發(fā)現(xiàn)常人求之不得的物理規(guī)律。在科學(xué)研究的道路上,良好的研究情境是取得成功的第一步,從事物發(fā)展的先后順序上講,這一步比任何一步都重要。這是因?yàn)闆]有科學(xué)研究的第一步,就不可能有第二步、第三步、第四步、……。一個(gè)高中生的認(rèn)知水平可能沒有一個(gè)物理學(xué)家那么高,但是一班高中學(xué)生的研究能力合起來,所產(chǎn)生的研究合力,不一定就比一個(gè)科學(xué)家研究能力低。把高中學(xué)生放到物理學(xué)家當(dāng)年研究某一物理規(guī)律的情境中,也能夠得到同樣的規(guī)律,況且這里還有老師的指導(dǎo)。
牛頓是世界上著名的科學(xué)家,他的一生有許多驚人的發(fā)現(xiàn),對(duì)物質(zhì)第三定律的研究堪稱一絕。教學(xué)牛頓第三定律,可以通過介紹牛頓光輝燦爛的人生,創(chuàng)設(shè)學(xué)生探究牛頓第三定律的情境。
創(chuàng)設(shè)研究情境比實(shí)施探究更難,借助物理學(xué)家的研究情境設(shè)置探究教學(xué)的情境,能夠收到事半功倍的的效果。
2 利用物理學(xué)發(fā)展史的著名案例重塑探究情境
在物理學(xué)的發(fā)展史上,有許多經(jīng)典的案例廣為流傳。伽利咯對(duì)加速度的研究,萬有引力、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn),無不閃爍著人類智慧的光芒。
經(jīng)典的案例常常從經(jīng)典的研究情境開始。這些案例之所以成為經(jīng)典,不僅因?yàn)槠溲芯糠椒ㄒ恢Κ?dú)秀,和研究結(jié)果的地位重要,還有其研究環(huán)境的優(yōu)良。如果研究環(huán)境所包含的范圍過大,那么有可能使研究誤入歧途,或者增加研究的難度,如果研究環(huán)境包含的范圍過小,把研究的成果排除在外,那么就會(huì)竹籃打水一場(chǎng)空。經(jīng)典案例的情境為探索物理規(guī)律奠定了良好的基礎(chǔ)。
借助于經(jīng)典案例的研究情境,有利于學(xué)生進(jìn)一步探究物理規(guī)律。經(jīng)典案例比較準(zhǔn)確地劃定了探究的范圍,避免學(xué)生盲人騎瞎馬式的亂撞,使學(xué)生把注意力集中到要研究事物的關(guān)鍵部位,既可以提高探究的深度,又能夠提高研究的效率,也便于教師在短暫的教學(xué)時(shí)間內(nèi)控制教學(xué)進(jìn)程。
例如,教學(xué)牛頓第二定律,教師可以根據(jù)牛頓第二定律的發(fā)現(xiàn)過程創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,把研究牛頓定律分解為探究速度與力的關(guān)系、速度與質(zhì)量的關(guān)系等一系列簡(jiǎn)單的問題,為歸納牛頓第二定律做好鋪墊。
3 根據(jù)日常生活中物理現(xiàn)象設(shè)計(jì)探究情境
我們生活在五彩繽紛的世界里,處處時(shí)時(shí)都有物理現(xiàn)象、物理規(guī)律、物理問題:奔馳的駿馬,飛駛的列車,蹣跚的老人,展示著速度的快與慢;都市那燈火輝煌的夜色,校園里定時(shí)響起的電鈴聲,軌道電車的轉(zhuǎn)眼即失,無不充滿著電與磁。節(jié)目豐富多彩的電視機(jī),可以人機(jī)交互的計(jì)算機(jī),討人喜歡的機(jī)器人,渾身上下流淌著波和信號(hào)的血液……
學(xué)生最熟悉的莫過于自已的生活。學(xué)生生活在一個(gè)被物理包圍的世界里,耳聞目睹各式各樣的運(yùn)動(dòng),親身體會(huì)著力矩,經(jīng)常享受著電與磁給自己帶來的方便,時(shí)常經(jīng)歷聲波、電波、信號(hào)的洗禮。學(xué)習(xí)的過程是-個(gè)構(gòu)建新知識(shí)的過程,而構(gòu)建新知識(shí)需要有構(gòu)建新知的基礎(chǔ)。新的知識(shí)總是建立在已經(jīng)掌握的知識(shí)的基礎(chǔ)上,就像建造高樓大廈一樣,墻要建造在基石上,樓板要放在墻上。學(xué)生對(duì)生活的體驗(yàn),都可以作為他們構(gòu)建新的物理知識(shí)的基礎(chǔ)。
例如,教學(xué)慣性定律,可以讓學(xué)生回想自己坐公共汽車的感覺,思考汽車起步時(shí)自己為什么會(huì)向后仰?急剎車的時(shí)侯自己為什么會(huì)向前傾?幾乎所有的高中學(xué)生都坐過公共汽車,都有公共汽車起步和剎車時(shí)的感受,從這里探究慣性定律,可以消除學(xué)生對(duì)牛頓定律的神秘感,激發(fā)他們的研究興趣。
4 利用物理本身的矛盾沖突設(shè)置探究情境
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