2018-02-05 12:01:24 中科院物理所
曹则贤研究员在2017年物理所研究生开学典礼上的致辞
//我们研究最微观的世界，可能需要的是最宏观的关于整个宇宙的知识。所以西方物理学界给物理学一个形象--贪吃蛇。贪吃蛇的蛇头，就是宇宙层面上的物理问题;蛇尾，是基本粒子层面上的物理。最宏观的头，衔着它最微观的尾巴。
在这样一个彼此关联又相互独立的领域中，我们对自己所做的事要有认知。比如说导师给你个样品，你扫了一个莫名其妙的谱然后不管结果对不对，交给导师就完事了，这是最低层面的基本认知过程-啥都没获得。高层面的认知有一个很重要的能耐，就是能够预测。狄拉克曾思考怎么把X 2 22的形式，这在我们的数学老师看来是不可能的事情，但狄拉克就愣是把它分解成了完全平方项，从而构造出了相对论量子力学，知道相对论波函数应该是四分量的，然后就预测到这个世界上存在反粒子。再举一个例子，研究中子分裂成质子加电子的过程中，人们发现动量和能量有点不守恒，许多人要因此放弃动量守恒和能量守恒，又是刚才那位年轻的天才泡利说(大意)“我坚信物理学遵守能量和动量守恒。如果能量、动量不守恒的话，那一定有一个调皮捣蛋的家伙给带走了一部分，而你不知道，你看不着它而已。”于是，泡利预言了中微子的存在。像这样通过理论进行预测的物理学家，才是了不起的大家。但还有人比这水平更高，用简单的一个原理就构造了一整门科学。现在网上有一些很流行的话，比如“任何不以结婚为目的谈恋爱都是耍流氓”，但是这种表达方式恰恰就是我们热力学奠立的最根本的基础。如果大家有能力去读1824年卡诺建立热力学的第一篇法文文章，你会发现卡诺原理就是最基本的一句话“任何不以做功为目的的热传导都是浪费”，这句话是热力学最根本的原理。这个原理出世十年以后，才有克拉珀珑在1834年读懂了，画出了卡诺的理想热机的循环。他在这篇文章的最后还随手甩了一句话，说“如果对于任何一部热机，不以做功为目的的热传导都是在浪费的话，那么灶上面那个正烧开水的壶，它最大的浪费的地方不在壶里面，而在炉子和水壶的交界处。”而这样一句话等了约50年以后才终于被一位工程师狄赛尔(RudolfDiesel)读懂，如果最大的浪费是在炉子和灶的界面上，那么好的热机就不应该把炉子架在灶上，而应该是把灶建到炉子里面，从此我们的世界上有了内燃机。这些人才是真正的有大学问的人，这些学问才是物理学里面最该学到的东西。//
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//物理学的一个很重要的功能是描述，描述就需要用语言，而物理学最基本的语言是数学。其实数学和物理之间的interplay过去在相当多的人身上是分不清楚的。比方说这位了不起的法国人庞加莱(HenriPoincaré)，他是法兰西学院下面五个académie的院士，是数学院士、矿物学院士、语言学院士、法学院士和académiefranҫaise的院士(休息十分钟,膜拜下!)。爱米·诺德女士只是一个讲师，她爸爸是著名的数学教授，她在哥廷恩大学跟着希尔伯特。我前面说过她1918年5月18日发表的那篇论文《论变换的不变性》奠立了整个近代理论物理的基础。各位如果想把物理学明白，尤其是理论室的同学，有空的话好好去琢磨那些群论啊、规范场到底都在说什么，其实就只有一件事情:物理学研究的是变化里面的不变性。人家这篇数学论文简单的一个题目，就把物理学的关键思想给说清楚了。//
//但是要求物理学家跟数学家一样去学会那么多数学，确实不是一件容易的事情。据说希尔伯特说过一句有名的话“物理对于物理学家来说实在是太难了!”他为啥这么说呢，因为他知道物理需要用到很多数学，而那是物理学家难以掌握的。但是大家也不要因此就觉得自惭形秽。反过来我们也可以说，关于方程-或者关于数学-的美还真不是数学家能看出来的。真正美的数学一定是反映了我们这个真实的物理世界，那还真得要用物理学的眼光才能看出来它美在哪儿。//
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//除了数学基础不够外，我们的教育欠缺的，还有一些思维方式的不同。比方说了不起的天才麦克斯韦(James ClerkMaxwell)，据说十二三岁的时候也被父亲撵去从画鸡蛋开始学画画，但蛋实在是太难画了。达芬奇因为擅长画所以坚持画了下去，许多人不会画呢就干脆不画了。可是，恰恰麦克斯韦想的是，如果先把这个鸡蛋的方程写出来会不会就好画一点了?这是一种思维方式的不同，换个角度去思考。那么怎么画鸡蛋的方程呢?先从一个近似的形状椭圆出发，椭圆方程是L1+L2=C，可是如果只把椭圆的方程看成这个数学方程L1+L2=C的时候,你就把它物理的内涵给丢掉了。这个方程正确的写法应该是1*L1+1*L2=C，这个“1”是不可省掉的，因为这两个“1”告诉了我们椭圆关于两个焦点的对称性，决定了椭圆的两侧一样大，所以只要把其中一个“1”给赋予不是1的数值，画出的图像就一头大一头小了，那就是鸡蛋的方程。麦克斯韦在13岁的时候很轻松地写出这个方程L1+a*L2=C,a只要不等于1鸡蛋就一头大一头小。所以他爸特兴奋，求一个数学教授把这个结论写成论文提交给了苏格兰皇家科学院。皇家科学院乐疯了，有数学家能写出卵形线方程来了，我们一定要请他来作报告。第二年春天科学院门口，一辆小马车送来了一个穿花格子呢裙子的小男孩。今天各位是我们拿大轿车给请到物理所来的，期待各位什么时候也可以给我们作个关于某个重大发现的科学报告。...//
//麦克斯韦这样一个了不起的人，当他成年进入物理学研究的时候做出了更多的贡献。我们都知道的电磁感应定律，四个定律都是左边一项右边一项，但是当麦克斯韦把这四个方程写在一起的时候，他就知道这个方程从数学本质上来说哪里不自洽了。于是他在第四个方程的右边，加上了一项，就是所谓的位移电流。位移电流的加入让杨振宁先生都觉得特别痴迷，所以前年杨振宁先生在93岁的高龄还专门写了篇文罩麦克斯韦加上位移电流这一项的时候到底是怎么想的，大家可以去好好读读。当然麦克斯韦不仅仅会推推公式，他还做实验，不光给出了三原色理论，并且在物理上验证。人类的第一张彩色照片就是他拍出来的。//
//物理学家是天生的语言学家。了不起的英国人托马斯·杨(ThomasYoung)给出了双缝干涉的解释，但他的职业是医生，业余当个物理学家。以后你们学固体物理、弹性力学的时候会遇到更多关于托马斯·杨的发现。当欧洲的强盗们在埃及挖出一块黑乎乎的石头(罗塞塔石碑)上面有三段古文字的时候，那是古希腊古埃及文字，谁也不认识，他们没有去找语言学家，而是来请教这位物理学家。我们熟悉的哈密顿量对应的那位RowanHamilton先生，大约在13岁到14岁的时候就学会了从英伦三岛各种方言、经欧洲大陆的语言、小亚细亚的语言、阿拉伯语、波斯语、一直到印度语。后来，他突然明白了欧洲的语言是从印度北面来的，于是提出一个重要的语言学概念，叫印欧语系。这些奇迹，都是人家的物理学家在十几岁时做下的事情。//
//物理学家一定要养成思考的习惯。说起薛定谔，我们学物理人想到的是薛定谔方程，很多社会上的人科普看多了，提起薛定谔就想起了薛定谔的猫。但是薛定谔的猫是他1935年那篇论文里讲述如何建立起微观状态的宏观对应物或者标签的，根本不是那些科普作家写的东西，各位同学如果想谈论薛定谔的猫，一定要花时间去读人家1935年那篇论文的原文。我们始终错误地以为薛定谔是一位物理学家，其实薛定谔首先是一个文化学者，他为了把古希腊文化带到德语文化里面花了大量功夫，并且因为保护法国南部普罗旺斯(Provence)的诗歌，还获得过联合国教科文组织的大奖，做物理对他来说有点业余的意思。当他1944年在苏格兰住着的时候给了六个讲座，攒到一起写了本小书叫《what’slife》，他想到的是生命和无生命物体到底区别在哪儿。作为物理学家他做了两个简单的预言:一、生命一定存在能够存储信息、传递信息的一个东西，后来证实了生命的确有DNA，别人因此获得了1957年的诺贝尔生理或医学奖。二、如果存在传递生命信息的东西，首先它不能是晶体，因为晶体能编码的容量很小，同理它也不能是气体和液体，所以说它一定是个准周期的(aperiodic)结构。1984年Schechtman在铝锰合金里面发现了准晶结构，因此获得了2011年的诺贝尔化学奖。这才是一个物理学家对世界的影响,对其它学科的影响。//
//物理学家作为一个思想者，若以“华山论剑”来评价物理学家，如果到最高层次上我还在跟你拼力气的话，那就丢人现眼了。高手只要比划两下、放下几句话就足够了。最高层面的物理学家不应该是解决问题的，而是发现问题甚至是去制造问题的。诺贝尔奖得主莱德曼(LeonMaxLederman)有一句很有名的话，“如果宇宙是答案，那么关于这个宇宙的问题是什么”，如果不是把物理学做到相当深刻的层面，是想不出来问“关于宇宙的问题是什么”的。我们化学所有一位年轻的院士，做亲疏水、亲疏油的工作，在发了一堆nature、naturematerials后，有一天他才提出了一个问题“鱼为什么在多么脏的水里都是干净的?”，这个问题你会错误地觉得很浅显，但是如果不是把学问做到那个份上，你永远想不起来这个问题。大科学家的最高境界是发现问题甚至是制造问题，因为如果要提出一个有真正科学价值的问题的话，需要你一定要把科学做到一定的境界。大家可以慢慢培养这种能力。//
//但是光说不练是假把式，真正的物理学家还应该是实践者。我们知道电磁学存在屏蔽现象，可是你敢不敢穿着金属丝编的T恤，外面加一个大金属壳，中间加50万伏高压坐在这儿思考?
物理学可能是来自生活的一个简单的问题，但这其中要灌入我们的思考才可能产生真正的物理学。物理是一门积累的学科，所以各位一定要耐心，我们不能像人家做生物的，进实验室两个月学会基本技能过两年发几篇nature，或者说学编程的，学的东西三年不用基本上就废了。物理学是一门积累的学科，此前发展的物理学包括那些错误的东西都有用，所以说我们学物理的人不能急切指望成才，而且物理学本身的进展也要求不能急功近利。//
//我讲一个简单的问题。爱迪生发明了电灯，灯泡灯丝只能用碳丝和钨丝，因为碳丝和钨丝最黑，那么为什么我为了寻求光亮反而去找最黑的物质，这里面就不仅有哲学问题，还有物理问题。物理学家就去研究黑体辐射(黑体辐射曲线当然该是炼钢炉的产物)，根据实验曲线，有个叫普朗克的热力学老师就瞎凑了熵和内能关系得出这样一个公式，从这个公式出发得出一个函数解就能和实验曲线匹配好。匹配完之后他又试图去给这个东西找道理，他要用统计物理去得出同样的公式。大家知道统计物理玩的就是把N个球放到P个盒子里，这些值永远都应该是整数，所以说他就要求U/hυ=N是个整数。结果，用统计物理他竟然神奇地也得到了这样的一个曲线，就是说从两个完全不同的假设出发竟然能得到了同样的一个很复杂的、但是完美地拟合了实验结果的函数，所以就必须去严肃对待U/hυ=N。如果一个量除以另一个量等于整数的话，那除的那个量，除数，就应该是前者的单位，这最后竟然导出了能量有基本单元这个结论。这就是能量的量子化问题。//
//接下来导出了量子力学,但量子力学也没解决灯泡的发光发热问题。1950年前后科学家把量子力学用到晶体上，让我们知道了什么叫导体、绝缘体。知道了什么叫导体、绝缘体，就提出了半导体的概念。于是在60年代至90年代一直到现在我们都玩命去发展半导体科学和半导体技术。最简单的半导体技术就是我们小时候抱着的那个收音机，收音机干脆名字就叫半导体。在2000年前后，我们终于做出了一个半导体结构，把大量的能量都用来发光，发光了以后还挺凉的这样一个冷光源，解决了1850年前后遭遇的这个“发热还是发光”的问题。这是一个技术层面上提出的问题，灌入了物理学的思考后产生了量子力学这样一门彻底改变了世界的学问，用了150年左右的时间才终于解决了这个问题。
所以说大家一定要记住，物理学不是急功近利的学问。不管是物理学的进展，还是对自己的培养，都得沉住气。就算我们没有多大的野心，也要对社会有所贡献。那么学会一点物理，哪怕是一个简单的实验，对于社会都有很大影响。比方说，第一届诺贝尔物理学奖给的就是关于X线的发现，当年居里夫人也开着救护车，在战场上用X线给伤兵检查，居里夫人伟大的人格我们应当铭记。还有后来的核磁共振、CT扫描都是从物理实验室搬出去的，学会一门实验将来哪怕到一个大医院工作其实也很好。//
//物理学改变了我们的生活方式。在信息领域，我们从简单地把声音信号转换成电信号再转化成声音信号(电话)，到我们有电感、电容原件去玩无线电信号，再到光纤通讯，一直到今天有互联网。大家可能都听说过互联网的技术是起源于要给理论物理学家提供便利，因为粒子碰撞实验产生大量的数据，每天用9针或者24针的打印机那要打印成卡车的数据运到理论物理学家门口，让他们计算。这逼得实验室的工程师们不得不想办法把实验数据用电信号的形式传递到理论物理学家的办公桌上，这才有了EMAIL。其实EMAIL好像在70年代初就有了，但是这个利用价值太大所以立马被封锁了，直到80年代末90年代初才重新回到民间。中国的第一个EMAIL是1986年从高能物理所发出去的.这些都是物理改变世界的地方。
物理学也会改变我们的认知。如果大家的物理理论水平不是特别高的时候，请大家一定要踏踏实实地替导师做一些简单的事情。比方说这位夫琅和费，他是个孤儿，在一个玻璃厂工作。他也没有什么多少学问。可是人家这地方有最好的玻璃，听说牛顿爵士说拿一个棱镜对着窗户就能发现光谱，夫琅和费拿最好的玻璃棱镜对着太阳光一照，发现根本就不是什么红橙黄绿蓝靛紫的连续波带，而是上面有密密麻麻的各种暗线。作为一个对物理不是很懂的一个人他能干什么?踏踏实实做事情!他把这576条暗线的位置仔仔细细地都标清楚了，从此以后才有了光谱分析的技术，人类发现新元素和分离新元素的速度才迅速提高起来，然后有了新元素，我们才认识到远方的星星到底是什么。比方说，我们太阳主要是由氢和氦组成，这才有了人类能够所谓认知远方的能力，而这些都来自于一个对物理几乎不太懂的一个小学徒的努力。大家不要妄自菲薄，就踏踏实实在这个地方、在接下来的四年里面努力做好一件事情，可能就能够奠定你这一辈子的成就。
当然了，物理学让人觉得很非常powerful，可是作为物理学家首先应该是个人文学家，要懂得物理学既是造福人类的东西，也是一个作恶的工具。作为一个物理学家，可能也在魔鬼与天使之间辗转。大家可能听说过，物理所和德国的弗里茨-哈伯研究所(FritzHaberInstitute)关系很好.哈伯是一个了不起的帅哥，他率先合成氨，使得人类有了化肥才有了今天的繁荣。但是也是这位老兄首先开启了化学战。1917年第一次世界大战快结束的时候，他在法军的上风头泄露了17瓶氯气，造成了几万人被氯气烧灼的残忍场面。他的做法让他的妻子伊美娃(ClaraImmerwahr)非常难以忍受，最后选择了自杀。这就是一位在魔鬼与天使之间的科学家。大家学物理的过程中一旦掌握了某些理论或技术的时候，永远记住物理学家首先做的是人，如果你没有能力成为天使，也千万不要堕落成魔鬼。//
//接下来我想说，学物理的过程中一定要想办法把自己的知识整合得系统一点。其实物理学的组织原则就是共轭。想象两头牛的力量要往一个方向使，那么它们俩之间就因为这个共轭就有了一套关系，这种关系就是我们物理学里面最需要理解的关系。你会发现热力学是用这种共轭关系组成的。每一对变量比如熵和温度、体积和压强、表面能和面积等等都是关于能量共轭的，而经典力学、量子力学等其他地方的一对对变量都是关于作用量共轭的，因此我们也就明白了为什么热力学和其他力学完全不一样的道理在于它的组织方式完全不一样。//
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当然物理学本身有一些最基本的原理，比方对称性原理。这些原理不仅贯穿于物理，它首先贯穿于存在。不管是对于蜻蜓，还是这张脸，对称性才是它美的地方。对于这张脸来说，对称与否不过是漂亮不漂亮的问题。可是对于蜻蜓来说，两侧翅膀对称不对称性是性命攸关的问题。这些也都体现在物理学的构造上。//
我个人认为，“物理学是一条思想的河流”。说这句话我是受了马赫的影响。有些不靠谱的科学史家总宣称量子力学是一种革命，还有什么相对论的革命，但马赫说的非常清楚，“物理学里面不存在革命。如果你看到了革命，那是因为你知道的少。”每一种思想都会在之前有人提及或者有它的前驱物。西方物理学家从欧洲的最简单的神学思想，认为世界是上帝创造的，上帝创造用最少的动作，这就是leastactionprinciple，不是我们汉语学的什么最小作用量原理，它就是最少动作原理。懂得这个道理时，然后就写出作用量，有这样一个欧拉-拉格朗日方程，方程再往前推一步和量子力学结合时候才有所谓的量子力学第三种表述，即路径积分的表述，等等。知道这些思想最起码能帮助我们咬着牙也要把那些特别难啃的物理书读完。
郭德纲有个相声说得好。他说他很悠闲地说泡上一杯咖啡，撒上点香菜，拿起一本英文报纸看。搭档于谦说英文报纸你看得懂吗?郭德纲的回答是，我当然看不懂，我要看懂我还看它干嘛!这听起来是个玩笑，其实对于我们在座各位学习的人来说有非常重要的启发。我建议大家一定要好好去多看那些看不懂的书。一本书你看得懂，你看它干吗?你们现在在读研究生，时间那么紧，你们应该整天忙着去看看不懂的书。//
//我想可能会有相当多的同学最后会走入非常压抑的状态，我本人就曾经一直感到非常压抑，就是发现物理实在太难了，真学不懂啊。不过，直到1993年的某一天我读了一句话就放宽心了。1990年左右两个化学家发现了室温核聚变。室温核聚变啊，如果是真的我们士兵扔的手榴弹就都是氢弹，大家想想这个局面有多吓人!室温核聚变这篇文章发出来以后，全世界的物理学家就跟苍蝇似的乌泱泱地扑上来做室温核聚变，做了两三年也没有进展(最后就是个大乌龙)。大家知道室温下化学反应，每一个事件对应的典型能量是电子伏特，核聚变每一个事件的典型能量是10^7电子伏特量级，那是十倍百倍的兆电子伏特，这中间光能量上都差六七个数量级。从温度的角度上来看,1电子伏对应11600度，你想想这和室温差多少量级怎么可能有室温核聚变。可是多数物理学家不懂啊。最后有一位德国马普所的物理学家就做了一个非常重要的总结性评论，说“大家也不要觉得很奇怪嘛，其实这个世界上80%的物理学家根本不懂物理”。其实在座的将来如果能有20%能成为懂物理的物理学家，那都是奇迹了。所以说对于物理学这个行当，大家一定要放宽心，千万不要因为过两天学不会物理，然后你就郁闷地跟自己的导师着急、跟研究生处的老师着急、甚至想练练跳楼-不值得!请大家一定要记住，物理学是一门80%的物理学家都根本不懂的学科，不是说你们这些刚踏进门槛的物理博士生，人家说的是那些有头有脸的外国名校大教授可能也许大概根本就不懂，所以请大家千万不要为此太伤心。不懂就不懂吧，好好地踏踏实实做点事情，毕业了就行。
相当多的人认为学物理很难，比方说有人老跟我抱怨说量子力学难。可是大家如果真的懂了量子力学以后，好好看看量子力学内容的导入，不管是薛定谔方程、自旋的描述、对光谱的理解，等等，所有的东西每一项都来自于经典力学。大家想想一个最基本的事实，创造量子力学的人手里只有经典物理，所以量子力学骨子里头全是经典物理学，没有别的。如果你觉得量子力学难，那就难在你没学会经典力学，你经典力学根本就不会量子力学当然看着难了。为什么欧洲那些创造经典力学的人不觉得量子力学难，像泡利似的高考完了就是世界顶级物理学家了。泡利看相对论也不难，因为他中学就学了协变形式的经典电磁学，你别告诉我你没听说过协变形式。对于21世纪的人，尤其是我们在座的将来要拿物理学博士的人来说，物理学知识真的应该是我们的标配，所以希望大家在物理所有这么好的条件，在接下来这几年的时间里好好做论文，该恋爱恋爱该结婚结婚，但是别忘了一件最重要的事情，多少花点时间学一点点儿物理!
谢谢大家!//
“永远记住物理学家首先做的是人，如果你没有能力成为天使，也千万不要堕落成魔鬼。”
一个物理学家的真话，大实话。
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