如何成為物理學家？_風聞

又到了高考報志願的時候，此時多少少年才俊正在物理的大門外徘徊？將來該如何成為物理學家呢？中科院物理研究所曹則賢研究員2017年在物理所研究生開學典禮上的這番致辭，想必對有志從事物理學的你會有所啓發。

演講人 | 曹則賢

編輯 | Aprilis

來源：中科院物理所

各位年輕的朋友，大家好，歡迎大家從今天起正式加入物理所。

往年在這裏給同學們做入學教育的都是物理所的著名科學家，甚至是院士，今年安排我這種普通研究員來做這樣重要的報告，也許是想給大家一個“反面教材”，從反面鼓勵大家。希望大家珍惜這個機會。

我們物理所出反面教材和正面教材是有傳統的。各位在國科大讀書的時候可能聽説過“中關村村長”吳寶俊博士，那是我們所著名的“反面教材”先生，他的博客非常有名。為了不讓反面教材給人一種“物理所人怎麼談的不全是深刻物理”的錯誤印象，他的同門師兄弟、物理研究做得非常漂亮的張江敏博士針鋒相對地開了個博客，叫“正面教材”，給你細細地講那物理之最微妙處。咱們物理所的正面教材對大家有借鑑作用，反面教材嘛，也不是哪兒都有的。各位作為佼佼者，經過了四年的大學本科和一年的研究生教育，信心滿滿地到這裏來做研究。但是非常抱歉的是，我覺得到目前為止，在國內受過大學教育和研究生教育後就掌握了像樣的數學和物理知識的學生幾乎沒有。甚至客觀地説，當前中國的數學和物理教育連歐洲100年前的難度都達不到，而且是遠遠達不到。於你，於我，皆如此。

我舉一個簡單的例子。本科的時候我們學牛頓力學，知道在力的作用下粒子會加速運動，加速度由牛頓第二定律給出，那麼請問關於粒子三維運動軌跡的數學描述，在大一的時候你學會了多少？

對粒子運動軌跡的數學描述是由哪些人引入的呢？一個法國人叫克萊羅 (Alexis Clairaut)，他13歲時第一次向法國科學院 ( Académie franҫaise, Institut de France 下面五個Académies 之一) 遞交關於幾何曲線研究的論文，16歲時提出曲線的描述需要“曲率”的概念，18歲當選法國科學院院士。克萊羅提出，在三維空間的運動軌跡，一條曲線，除了需要法線、切線的概念，還需要引入 binormal 的概念，曲率是雙重曲率 (double courbure)。克萊羅是憑藉關於曲線的研究18歲當選的法蘭西科學院院士的。這個法國科學院的院士有多大的含金量呢，我告訴大家，居里夫人獲得兩次諾貝爾獎也沒有資格當選，因為她學問不夠 (法國科學院1962年有了第一位女院士)。路易·德布羅意1924年在博士論文裏提出物質波的概念，1929年拿到諾貝爾物理獎，但是直到1944年在他親哥的運作下，德布羅意才當上了法國科學院的院士。我們可以想象一下克萊羅和居里夫人或者德布羅意這個級別的著名科學家之間的距離。

所以大家一定要對我們的將來要投入的這項事業——數學和物理——裏面學問的深淺要有一點感覺，這種感覺在很早的時候就應該被培養起來。打個比方，大家在上大學的時候可能讀過量子力學，知道里面有一個重要的概念叫泡利矩陣。這位泡利先生不光是量子力學幹得漂亮，而是他“高考”完了等錄取通知書的那個假期，寫了兩篇論文奠定了他作為相對論專家的基礎。因此，當他大一開學到慕尼黑大學去報到的時候，慕尼黑大學的著名教授索末菲（Arnold Sommerfeld）跟他説你已經夠博士學位的水平了，但是按照德國的規定，一個人入大學以後最起碼要經過六個學期才可以申請博士學位，你總不能在我這就晃悠 (德語用詞是aufsitzen) 六個學期呀，我給你找點活吧。正好我接受委託要為德國數理百科全書寫相對論這一個專題，而你這位同志今年也該有18歲了，你應該是相對論這方面的專家，所以這個事你來做吧。於是剛上大一的這位泡利先生就開始撰寫相對論的review article，大三的時候正式發表，到今天為止這個237頁的相對論的文本還是這個領域的經典。請大家記住，這是出自人家大學一位大一的學生之手。哪位會廣義相對論的請舉手？順便説一句，千萬別以為學凝聚態實驗物理不需要懂一點兒相對論。

各位如果覺得自己很了不起的話可以跟上面這兩位——一個數學還行，一個物理還行的——比較一下，今天活動結束後有空找出泡利矩陣，試試你能否看出泡利矩陣的代數結構是什麼。泡利矩陣加上單位2×2矩陣恰恰就是相對論裏面的距離公式，看你能看出來嗎？我們想一想，那些都是歐洲高中和大一學生應該學會的東西，而今天在我們國家多少人象我這樣，可能教授當了十幾年以後才突然看明白一丁丁點兒的。 所以我想大家既然來到了物理所，投身於物理這樣的一個基礎學科，希望大家抽空把自己的面拓寬一點，有時候多往深裏去理解一點、去試一試水到底有多深，這樣可能會讓你能靜下心來安心地去做一點事情。

回到剛才的話題，為什麼説我是一個“反面教材”呢，因為我的經歷可能跟你們這些學霸都不一樣。學霸是四年本科，四年得博士的那種，有的用時更短。我從本科開始到拿到博士學位，中間一天未斷，一共花了15年，中間經歷的專業包括激光專業、凝聚態物理、理論物理、表面物理，從推公式、編軟件到自己畫圖紙、加工機械都幹過。為什麼我遭遇了這麼多的折騰呢，我想可能是與個人本身的讀書動機不純有關係。

我是80年代初的大學生，那個時候生活跟現在不一樣，我們大學裏除了少數家境特別好的外，很多同學有捱餓的經歷。你不能指望一個捱餓的學生有多崇高的理想。所以我們本科的時候就想出國，因為出國能吃飽飯。

為了出國也就不在乎專業的挑選了，所以讀碩士時我從激光專業改到凝聚態物理。當時整個中國科技大學我就知道有那麼一台X光機，還是人家地球與空間科學系的儀器，可以説做凝聚態物理的條件是很差的。各位今天在這裏讀研，大家要珍惜現在這麼好條件的地方，別光看着自己實驗室的那幾台儀器，有空可以到物理所各個實驗室去轉一轉，感受一下世界領先水平的儀器設備。話説我當年做凝聚態物理條件那樣差肯定是不行的，所以我就轉讀理論物理博士。理論物理博士沒拿到手的時候，又有了到德國去讀實驗物理博士學位的機會，我就又去考實驗物理，結果不得不轉到實驗物理，這個時候我的背景就很凌亂了。這樣，我在德國選擇論文方向的時候就遭遇了一個非常尷尬的情況。

那是1992年，當時我導師的實驗室就有四台STM（掃描隧道顯微鏡），那個時候非常粗糙，基本上一星期也掃不出兩張圖，其實已經很了不起很幸運了，但當時我不知道啊。我導師當時給了我四個方向，讓我考慮一下挑一個。可是那四個實驗方向我都不懂，以前在國內的實驗條件很差我哪個都沒做過，我只能找我的德國師兄問。德國師兄説其中有一台非常古老的表面分析儀器，是光電子能譜加上一些等離子體加上質譜，前面一位師兄已經在上面搗騰了六、七年還沒畢業，你只要不選它，別的都挺好。於是第二天我就特別傻地跑去跟我導師説其他三個都行，只要不選那個舊的表面分析儀器就行。然後我導師説好吧，那就選這個舊的吧。

唉，你可以想象一下我當時有多鬱悶，後來這套儀器對我的衝擊有多大。那時候我們幾乎沒玩過儀器，所以我還是用學理論物理的那套方式，先去找相關教科書，搬了套九卷本的德語《電工電子學》回宿舍看，結果那本書的序言裏面的有一句話對我影響非常大，我讀完以後就把這套書還給圖書館了。今天我也教給在座的，“所有的電工電子學儀器（就是各位將來在實驗室會遇到的各種儀器），不過就是以某種方式輸出電流和電壓” 你別管它叫什麼名字，不論叫STM、AFM、光電子能譜什麼的，你別信它這些亂七八糟的名字，它不過就是以某種方式輸出電流和電壓而已。也就是説，各位在實驗室裏拿到的圖譜不過就是某個儀器輸出的電流和電壓。你拿到的是用計算機軟件畫成的圖，它和具體的物理之間的關係是需要你好好去琢磨的。我們可千萬別把儀器輸出來的東西當成物理，各位要是這麼做實驗物理的話將來就麻煩了。

我想各位可能還沒習慣於真正物理地思考。比方説我們聊聊大學物理的知識。各位可能不知道，大概這個世界上什麼都有，就是沒有温度計。所有温度計的測量原理都是通過測量一個別的物理量，然後依據一個可能是紮實的、也可能是不紮實的理論公式或者假設換算成一個數值，那個數值你管它叫温度。相當多的人在做實驗的時候，只看自己的儀器給出的“温度”那一欄的數值，而不去理解温度是什麼，最後吃了相當大的虧。與温度有關的許多爛物理成果就是這樣產生的。

我聽説過一件有趣的事。我們知道在物理所，晶體生長是一個非常重要的方向，因為我們研究凝聚態物理首先要獲得具有某種特定物理性質的物質，這種物質可能不再是天然存在的物質，而是需要通過我們的努力才能獲得的。晶體生長是一個非常艱難又非常綜合的學科，其中有個關鍵的因素就是温度控制。我們從哪裏獲取温度、那台儀器測量的數據憑什麼叫温度、以及這台儀器可能會造成哪些假的信號都會給我們的研究造成影響。那時我剛到物理所沒多久，這一片還是小小的平房，裏面有生長晶體的儀器。據説有一段時間某種晶體怎麼都生長不好，但是各種條件都控制得很好呀，大家很努力折騰了半年去找原因，最後發現是因為院子裏的野貓把那個測量温度的熱偶給扒拉得移動了位置。我想當事人可能很崩潰，做夢也沒想到會是這個原因。所以在這裏我提醒大家一點，在實驗室幹活的時候，千萬不要認為那些儀器都是一個黑匣子，它輸出説這是原子圖像你就覺得那是原子圖像，它説這是温度你就認為是温度，那不是一個物理學家應該具有的認識。做實驗的正確態度是，你一定要努力做到你用的那個儀器對你來説是透明的。一套儀器在你面前，從它的物理原理到它的電子學結構到它工作的整個物理過程，到它的理論解釋對你來説應該是透明的，那個才叫做實驗。

我想起來還有一件最重要的事情，是我自己特別尷尬的事情。我從1982年入大學讀物理，到2001年在物理所拿到研究員的位置，也就是所謂的物理教授，但我大概是2007年才突然有一天想起來問自己一個問題，什麼是物理？我很惶恐。當時為什麼會想到問這個問題呢？因為我碰巧遇讀了一本書叫《什麼是數學》，讀完這本書才啓發我去問什麼是物理。

這本《什麼是數學》的作者柯朗 (Richard Courant) 大家可能聽説過，年輕時在德國的哥廷恩大學工作。大家知道哥廷恩大學裏面牛人有多少嗎？比方説那個最著名的愛米·諾德（A．E．Noether）女士，她1918年5月18號發表了一篇文章《論變換的不變性》，從此世界上才算正式有了理論物理這個學科，這位優秀的女士是哥廷恩大學的第一位女講師。其他的有大數學家希爾伯特 (David Hilbert)、克萊因 (Felix Klein) 等。柯朗在哥廷恩大學也就是個講師，德國納粹上台以後他逃到了美國，就是這樣一個德國普通大學裏的講師奠立起了美國的當代數學，建立了柯朗數學研究所。他為了在美國推廣數學，努力咬牙寫了一本書，叫《什麼是數學》，希望能給所有人關於數學的一個全景介紹。這本書的一個非常重要的特點，就是它用最淺顯的語言講最深刻的東西，但是它並不試圖去回答什麼是數學，作者就是努力勾引你去把這本書看完。因為如果你能把這本書看完，你就對什麼是數學有一個自己的回答。所以我覺得這本書光從組織方式來説，都是特了不起的一本書。

這本書就勾起了我細想什麼是物理。法國人寫過《什麼是電影》，托爾斯泰寫過《什麼是藝術》，我們中國的百度網站上也有人説什麼是醫學，那位作者説“醫學是一門什麼都不確定的科學和什麼都可能的藝術”。這話有理，如果你生病了去醫院，很少會有醫生能説清楚你到底得的什麼病，這個病的病理到底是什麼——什麼都不確定。

參考這句話，我覺得可以給物理學一個定義：物理學是一種什麼都想理解的渴望，或者是一種野心——在理解的基礎上，人類還憑藉物理學創造。

今天我們生活在一個用技術支撐起來的高度發達的社會，而支撐我們這個社會的高度發達的技術，如果仔細檢查一下，會發現它們的基礎差不多都是物理學。比方説，今天地球表面有70多億人口，還能吃飽飯，那是因為有化肥。發明合成化肥的方法當然是化學家的事情。可是你知道產生化肥最關鍵的是催化反應，那裏是物理發揮作用的地方。還有我們使用的手機，裏面處處都用到物理學的基本知識。

那麼物理到底來自於哪兒？《生活大爆炸》裏Sheldon博士説大約開始於公元前600年前的某個仲夏夜。我想他可能指的是這位古希臘的米洛斯島上的先知泰勒斯。

泰勒斯有一天突然明白了，這個世界並不僅僅是由神控制的，而且是人可以理解的。我想這應該不僅是看做物理學，也可以説是人類主動性認知的起源。從那時起，物理學就一直在往前艱難的前行着。物理學經歷了差不多2600年，到今天才大約有一點點科學的味道。如果你用物理學的標準去看某些別的學科，鮮少有能達到“科學”的高度。

那麼物理到底是個什麼樣的事業？唐朝的杜甫老師給了一個非常簡單的定義“物理固自然”——物理就是關於大自然的事情。 在西方語言裏“physics”這個詞源於希臘語φύσις，也是“自然” 的意思。這些都註定了物理學所關切的現象就是這個大宇宙裏面發生的任何事情。所以大家千萬別把自己的眼界就是限制在所謂的“凝聚態物理”，不要以為你學凝聚態物理，氣體理論、等離子體物理就可以不懂。物理所的等離子體方向死了是一件非常可惜的事情，物理所有很多人在從事各種氣相法生長薄膜，爐子裏面在點燃着等離子體，可相當多的人一輩子也不懂啥是等離子體，就在那兒瞎忙活，這其實很可惜的。物理學的性質是用思想去理解世界，認識世界、創造生活，它的研究對象是everything，所以説不管對自己將來的研究、還是對自己的認知，都不要首先去加一個莫名其妙的限制，你一定要記住一個物理學家，它的研究對象是這個宇宙裏所有的存在。

如果從空間尺度上來説，也能注意到物理學的野心。它研究的內容大到整個宇宙，小到世界上最小的存在——中子和質子裏面的夸克結構，甚至更小。到目前為止，物理學家觸手去碰到的尺度，小到這一次的所謂的“引力波探測”——把手伸到了10^-21米的分辨率；大到目前我們號稱能夠觀測的範圍大約是65億光年，大家可以想象這有多大的範圍，這是物理學家伸手觸碰的空間尺度。

在時間尺度上，物理學既研究宇宙的整個歷史，也研究發生在很短時間內的事件。從整個宇宙誕生到現在一共約137億年，一直到目前為止物理學家能夠拍電影做視頻的時間尺度是10^-15秒。現在我們的脈衝光學在光學實驗室能夠實現的脈衝是10^-18秒的量級。當然，理論物理學家會走得更遠，他們把時間最小的尺度又延伸到10^-21秒。

我們研究最微觀的世界，可能需要的是最宏觀的關於整個宇宙的知識。所以西方物理學界給物理學一個形象——貪吃蛇。貪吃蛇的蛇頭，就是宇宙層面上的物理問題；蛇尾，是基本粒子層面上的物理。最宏觀的頭，銜着它最微觀的尾巴。

在這樣一個彼此關聯又相互獨立的領域中，我們對自己所做的事要有認知。比如説導師給你個樣品，你掃了一個莫名其妙的譜然後不管結果對不對，交給導師就完事了，這是最低層面的基本認知過程—啥都沒獲得。 高層面的認知有一個很重要的能耐，就是能夠預測。狄拉克曾思考怎麼把X^2+Y^2分解成(αX+βY)^2的形式，這在我們的數學老師看來是不可能的事情，但狄拉克就愣是把它分解成了完全平方項，從而構造出了相對論量子力學，知道相對論波函數應該是四分量的，然後就預測到這個世界上存在反粒子。再舉一個例子，研究中子分裂成質子加電子的過程中，人們發現動量和能量有點不守恆，許多人要因此放棄動量守恆和能量守恆，又是剛才那位年輕的天才泡利説 （大意）“我堅信物理學遵守能量和動量守恆。如果能量、動量不守恆的話，那一定有一個調皮搗蛋的傢伙給帶走了一部分，而你不知道，你看不着它而已。” 於是，泡利預言了中微子的存在。像這樣通過理論進行預測的物理學家，才是了不起的大家。

但還有人比這水平更高，用簡單的一個原理就構造了一整門科學。現在網上有一些很流行的話，比如 “任何不以結婚為目的談戀愛都是耍流氓”，但是這種表達方式恰恰就是我們熱力學奠立的最根本的基礎。如果大家有能力去讀1824年卡諾建立熱力學的第一篇法文文章，你會發現卡諾原理就是最基本的一句話“任何不以做功為目的的熱傳導都是浪費”，這句話是熱力學最根本的原理。這個原理出世十年以後，才有克拉珀瓏在1834年讀懂了，畫出了卡諾的理想熱機的循環。他在這篇文章的最後還隨手甩了一句話，説“如果對於任何一部熱機，不以做功為目的的熱傳導都是在浪費的話，那麼灶上面那個正燒開水的壺，它最大的浪費的地方不在壺裏面，而在爐子和水壺的交界處。” 而這樣一句話等了約50年以後才終於被一位工程師狄賽爾 (Rudolf Diesel) 讀懂，如果最大的浪費是在爐子和灶的界面上，那麼好的熱機就不應該把爐子架在灶上，而應該是把灶建到爐子裏面，從此我們的世界上有了內燃機。這些人才是真正的有大學問的人，這些學問才是物理學裏面最該學到的東西。

現在社會上有人提到了學物理也要學人文，好像物理不是人文似的，好像他們知道學物理的該怎樣也學人文似的。其實物理學家天生就應該是哲學家，看起來不像哲學家的人也不好意思説自己是物理學家。為什麼呢？因為從一開始，按照安得洛尼柯把亞里士多德關於這個世界的一些思考分成了兩部分編成了書，前面一部分都是關於自然的就叫Physics，後邊一部分，大概有一點胡説八道的就放到Physics後面，叫Metaphysics (字面上就是物理後)，被中國人翻譯成了形而上學。Metaphysics到了19世紀，經過康德把裏面的神學內容抽取了以後才有了哲學。現在歐洲相當多的大學裏面，當你獲得一個物理博士的時候，拿到的還是自然哲學博士學位 (By the way，鄙人很榮幸地拿到一個自然哲學博士學位)。所以如果大家覺得自己的熱力學許多內容不知從哪裏來，尤其什麼絕對零度不能達到的等等，你去讀讀康德的《純粹理性批判》，我負責任地説康德比你們的物理老師清楚。這裏我還想提醒大家一句，我在復旦的哲學大講堂上跟學員們解釋，不要把哲學家康德理解成某些地方哲學系裏的教授，哲學家康德首先是個數-學-物-理-教-授，professor of mathematical physics。

物理學的一個很重要的功能是描述，描述就需要用語言，而物理學最基本的語言是數學。其實數學和物理之間的interplay過去在相當多的人身上是分不清楚的。比方説這位了不起的法國人龐加萊 (Henri Poincaré) ，他是法蘭西學院下面五個académie的院士，是數學院士、礦物學院士、語言學院士、法學院士和académie franҫaise的院士 (休息十分鐘，膜拜下！)。愛米·諾德女士只是一個講師，她爸爸是著名的數學教授，她在哥廷恩大學跟着希爾伯特。我前面説過她1918年5月18日發表的那篇論文《論變換的不變性》奠立了整個近代理論物理的基礎。各位如果想把物理學明白，尤其是理論室的同學，有空的話好好去琢磨那些羣論啊、規範場到底都在説什麼，其實就只有一件事情：物理學研究的是變化裏面的不變性。人家這篇數學論文簡單的一個題目，就把物理學的關鍵思想給説清楚了。

但是要求物理學家跟數學家一樣去學會那麼多數學，確實不是一件容易的事情。據説希爾伯特説過一句有名的話“物理對於物理學家來説實在是太難了！”他為啥這麼説呢，因為他知道物理需要用到很多數學，而那是物理學家難以掌握的。但是大家也不要因此就覺得自慚形穢。反過來我們也可以説，關於方程—或者關於數學—的美還真不是數學家能看出來的。真正美的數學一定是反映了我們這個真實的物理世界，那還真得要用物理學的眼光才能看出來它美在哪兒。

我們本科時候基本上學過的方程就是這些，從簡單的牛頓力學經過理論力學的哈密頓雅可比方程，就可以湊出一個量子力學的薛定諤方程。此外還有簡單的微分1-形式的熱力學主方程，電動力學的麥克斯韋方程組，由其而來的狹義相對論；量子力學除了薛定諤方程，處理電子的問題有泡利的兩分量形式和狄拉克的四分量形式，另外還有一個獨立的廣義相對論。但是我相信我們的大學本科好像沒能夠提供這麼多的課，至少我上大學時沒學到這些。同學們如果覺得自己還欠缺一點的話，平常工作的時候手邊隨手帶本書慢慢補一補。

除了數學基礎不夠外，我們的教育欠缺的，還有一些思維方式的不同。比方説了不起的天才麥克斯韋（James Clerk Maxwell），據説十二三歲的時候也被父親攆去從畫雞蛋開始學畫畫，但蛋實在是太難畫了。達芬奇因為擅長畫所以堅持畫了下去，許多人不會畫呢就乾脆不畫了。可是，恰恰麥克斯韋想的是，如果先把這個雞蛋的方程寫出來會不會就好畫一點了？這是一種思維方式的不同，換個角度去思考。那麼怎麼畫雞蛋的方程呢？先從一個近似的形狀橢圓出發，橢圓方程是L1+L2=C，可是如果只把橢圓的方程看成這個數學方程L1+L2=C的時候, 你就把它物理的內涵給丟掉了。這個方程正確的寫法應該是1*L1+1*L2=C，這個“1”是不可省掉的，因為這兩個“1”告訴了我們橢圓關於兩個焦點的對稱性，決定了橢圓的兩側一樣大，所以只要把其中一個“1”給賦予不是1的數值，畫出的圖像就一頭大一頭小了，那就是雞蛋的方程。麥克斯韋在13歲的時候很輕鬆地寫出這個方程L1+a*L2=C, a只要不等於1雞蛋就一頭大一頭小。所以他爸特興奮，求一個數學教授把這個結論寫成論文提交給了蘇格蘭皇家科學院。皇家科學院樂瘋了，有數學家能寫出卵形線方程來了，我們一定要請他來作報告。第二年春天科學院門口，一輛小馬車送來了一個穿花格子呢裙子的小男孩。今天各位是我們拿大轎車給請到物理所來的，期待各位什麼時候也可以給我們作個關於某個重大發現的科學報告。我等大家，耐心地。我拿自己的工資請你，請你不要嫌少。

麥克斯韋這樣一個了不起的人，當他成年進入物理學研究的時候做出了更多的貢獻。我們都知道的電磁感應定律，四個定律都是左邊一項右邊一項，但是當麥克斯韋把這四個方程寫在一起的時候，他就知道這個方程從數學本質上來説哪裏不自洽了。於是他在第四個方程的右邊，加上了一項，就是所謂的位移電流。位移電流的加入讓楊振寧先生都覺得特別痴迷，所以前年楊振寧先生在93歲的高齡還專門寫了篇文章探討麥克斯韋加上位移電流這一項的時候到底是怎麼想的，大家可以去好好讀讀。當然麥克斯韋不僅僅會推推公式，他還做實驗，不光給出了三原色理論，並且在物理上驗證。人類的第一張彩色照片就是他拍出來的。

物理學家是天生的語言學家。了不起的英國人托馬斯·楊 (Thomas Young) 給出了雙縫干涉的解釋，但他的職業是醫生，業餘當個物理學家。以後你們學固體物理、彈性力學的時候會遇到更多關於托馬斯·楊的發現。當歐洲的強盜們在埃及挖出一塊黑乎乎的石頭（羅塞塔石碑）上面有三段古文字的時候，那是古希臘古埃及文字，誰也不認識，他們沒有去找語言學家，而是來請教這位物理學家。我們熟悉的哈密頓量對應的那位Rowan Hamilton先生，大約在13歲到14歲的時候就學會了從英倫三島各種方言、經歐洲大陸的語言、小亞細亞的語言、阿拉伯語、波斯語、一直到印度語。後來，他突然明白了歐洲的語言是從印度北面來的，於是提出一個重要的語言學概念，叫印歐語系。這些奇蹟，都是人家的物理學家在十幾歲時做下的事情。

物理學家一定要養成思考的習慣。説起薛定諤，我們學物理人想到的是薛定諤方程，很多社會上的人科普看多了，提起薛定諤就想起了薛定諤的貓。但是薛定諤的貓是他1935年那篇論文裏講述如何建立起微觀狀態的宏觀對應物或者標籤的，根本不是那些科普作家寫的東西，各位同學如果想談論薛定諤的貓，一定要花時間去讀人家1935年那篇論文的原文。我們始終錯誤地以為薛定諤是一位物理學家，其實薛定諤首先是一個文化學者，他為了把古希臘文化帶到德語文化裏面花了大量功夫，並且因為保護法國南部普羅旺斯（Provence）的詩歌，還獲得過聯合國教科文組織的大獎，做物理對他來説有點業餘的意思。當他1944年在蘇格蘭住着的時候給了六個講座，攢到一起寫了本小書叫《what’s life》，他想到的是生命和無生命物體到底區別在哪兒。作為物理學家他做了兩個簡單的預言：一、生命一定存在能夠存儲信息、傳遞信息的一個東西，後來證實了生命的確有DNA，別人因此獲得了1957年的諾貝爾生理或醫學獎。二、如果存在傳遞生命信息的東西，首先它不能是晶體，因為晶體能編碼的容量很小，同理它也不能是氣體和液體，所以説它一定是個準週期的 (aperiodic) 結構。1984年Schechtman在鋁錳合金裏面發現了準晶結構，因此獲得了2011年的諾貝爾化學獎。這才是一個物理學家對世界的影響, 對其它學科的影響。

物理學家作為一個思想者，若以“華山論劍”來評價物理學家，如果到最高層次上我還在跟你拼力氣的話，那就丟人現眼了。高手只要比劃兩下、放下幾句話就足夠了。最高層面的物理學家不應該是解決問題的，而是發現問題甚至是去製造問題的。諾貝爾獎得主萊德曼（Leon Max Lederman）有一句很有名的話，“如果宇宙是答案，那麼關於這個宇宙的問題是什麼”，如果不是把物理學做到相當深刻的層面，是想不出來問“關於宇宙的問題是什麼”的。我們化學所有一位年輕的院士，做親疏水、親疏油的工作，在發了一堆nature、nature materials後，有一天他才提出了一個問題“魚為什麼在多麼髒的水裏都是乾淨的？”，這個問題你會錯誤地覺得很淺顯，但是如果不是把學問做到那個份上，你永遠想不起來這個問題。大科學家的最高境界是發現問題甚至是製造問題，因為如果要提出一個有真正科學價值的問題的話，需要你一定要把科學做到一定的境界。大家可以慢慢培養這種能力。

但是光説不練是假把式，真正的物理學家還應該是實踐者。我們知道電磁學存在屏蔽現象，可是你敢不敢穿着金屬絲編的T恤，外面加一個大金屬殼，中間加50萬伏高壓坐在這兒思考？

物理學可能是來自生活的一個簡單的問題，但這其中要灌入我們的思考才可能產生真正的物理學。物理是一門積累的學科，所以各位一定要耐心，我們不能像人家做生物的，進實驗室兩個月學會基本技能過兩年發幾篇nature，或者説學編程的，學的東西三年不用基本上就廢了。物理學是一門積累的學科，此前發展的物理學包括那些錯誤的東西都有用，所以説我們學物理的人不能急切指望成才，而且物理學本身的進展也要求不能急功近利。

我講一個簡單的問題。愛迪生髮明瞭電燈，燈泡燈絲只能用碳絲和鎢絲，因為碳絲和鎢絲最黑，那麼為什麼我為了尋求光亮反而去找最黑的物質，這裏面就不僅有哲學問題，還有物理問題。物理學家就去研究黑體輻射 (黑體輻射曲線當然該是鍊鋼爐的產物)，根據實驗曲線，有個叫普朗克的熱力學老師就瞎湊了熵和內能關係得出這樣一個公式，從這個公式出發得出一個函數解就能和實驗曲線匹配好。匹配完之後他又試圖去給這個東西找道理，他要用統計物理去得出同樣的公式。大家知道統計物理玩的就是把N個球放到P個盒子裏，這些值永遠都應該是整數，所以説他就要求U/hυ=N是個整數。結果，用統計物理他竟然神奇地也得到了這樣的一個曲線，就是説從兩個完全不同的假設出發竟然能得到了同樣的一個很複雜的、但是完美地擬合了實驗結果的函數，所以就必須去嚴肅對待U/hυ=N。如果一個量除以另一個量等於整數的話，那除的那個量，除數，就應該是前者的單位，這最後竟然導出了能量有基本單元這個結論。這就是能量的量子化問題。

接下來導出了量子力學，但量子力學也沒解決燈泡的發光發熱問題。1950年前後科學家把量子力學用到晶體上，讓我們知道了什麼叫導體、絕緣體。知道了什麼叫導體、絕緣體，就提出了半導體的概念。於是在60年代至90年代一直到現在我們都玩命去發展半導體科學和半導體技術。最簡單的半導體技術就是我們小時候抱着的那個收音機，收音機乾脆名字就叫半導體。在2000年前後，我們終於做出了一個半導體結構，把大量的能量都用來發光，發光了以後還挺涼的這樣一個冷光源，解決了1850年前後遭遇的這個“發熱還是發光”的問題。這是一個技術層面上提出的問題，灌入了物理學的思考後產生了量子力學這樣一門徹底改變了世界的學問，用了150年左右的時間才終於解決了這個問題。

所以説大家一定要記住，物理學不是急功近利的學問。不管是物理學的進展，還是對自己的培養，都得沉住氣。就算我們沒有多大的野心，也要對社會有所貢獻。那麼學會一點物理，哪怕是一個簡單的實驗，對於社會都有很大影響。比方説，第一屆諾貝爾物理學獎給的就是關於X線的發現，當年居里夫人也開着救護車，在戰場上用X線給傷兵檢查，居里夫人偉大的人格我們應當銘記。還有後來的核磁共振、CT掃描都是從物理實驗室搬出去的，學會一門實驗將來哪怕到一個大醫院工作其實也很好。

物理學改變了我們的生活方式。 在信息領域， 我們從簡單地把聲音信號轉換成電信號再轉化成聲音信號 (電話) ，到我們有電感、電容原件去玩無線電信號，再到光纖通訊，一直到今天有互聯網。大家可能都聽説過互聯網的技術是起源於要給理論物理學家提供便利，因為粒子碰撞實驗產生大量的數據，每天用9針或者24針的打印機那要打印成卡車的數據運到理論物理學家門口，讓他們計算。這逼得實驗室的工程師們不得不想辦法把實驗數據用電信號的形式傳遞到理論物理學家的辦公桌上，這才有了EMAIL。其實EMAIL好像在70年代初就有了，但是這個利用價值太大所以立馬被封鎖了，直到80年代末90年代初才重新回到民間。中國的第一個EMAIL是1986年從高能物理所發出去的. 這些都是物理改變世界的地方。

物理學也會改變我們的認知。如果大家的物理理論水平不是特別高的時候，請大家一定要踏踏實實地替導師做一些簡單的事情。 比方説這位夫琅和費，他是個孤兒，在一個玻璃廠工作。他也沒有什麼多少學問。可是人家這地方有最好的玻璃，聽説牛頓爵士説拿一個稜鏡對着窗户就能發現光譜，夫琅和費拿最好的玻璃稜鏡對着太陽光一照，發現根本就不是什麼紅橙黃綠藍靛紫的連續波帶，而是上面有密密麻麻的各種暗線。作為一個對物理不是很懂的一個人他能幹什麼？踏踏實實做事情！他把這576條暗線的位置仔仔細細地都標清楚了，從此以後才有了光譜分析的技術，人類發現新元素和分離新元素的速度才迅速提高起來，然後有了新元素，我們才認識到遠方的星星到底是什麼。比方説，我們太陽主要是由氫和氦組成，這才有了人類能夠所謂認知遠方的能力，而這些都來自於一個對物理幾乎不太懂的一個小學徒的努力。大家不要妄自菲薄，就踏踏實實在這個地方、在接下來的四年裏面努力做好一件事情，可能就能夠奠定你這一輩子的成就。

當然了，物理學讓人覺得很非常powerful，可是作為物理學家首先應該是個人文學家，要懂得物理學既是造福人類的東西，也是一個作惡的工具。作為一個物理學家，可能也在魔鬼與天使之間輾轉。大家可能聽説過，物理所和德國的弗裏茨-哈伯研究所（Fritz Haber Institute）關係很好。哈伯是一個了不起的帥哥，他率先合成氨，使得人類有了化肥才有了今天的繁榮。但是也是這位老兄首先開啓了化學戰。1917年第一次世界大戰快結束的時候，他在法軍的上風頭泄露了17瓶氯氣，造成了幾萬人被氯氣燒灼的殘忍場面。他的做法讓他的妻子伊美娃 (Clara Immerwahr) 非常難以忍受，最後選擇了自殺。 這就是一位在魔鬼與天使之間的科學家。大家學物理的過程中一旦掌握了某些理論或技術的時候，永遠記住物理學家首先做的是人，如果你沒有能力成為天使，也千萬不要墮落成魔鬼。

接下來我想説，學物理的過程中一定要想辦法把自己的知識整合得系統一點。其實物理學的組織原則就是共軛。想象兩頭牛的力量要往一個方向使，那麼它們倆之間就因為這個共軛就有了一套關係，這種關係就是我們物理學裏面最需要理解的關係。你會發現熱力學是用這種共軛關係組成的。 每一對變量比如熵和温度、體積和壓強、表面能和麪積等等都是關於能量共軛的，而經典力學、量子力學等其他地方的一對對變量都是關於作用量共軛的，因此我們也就明白了為什麼熱力學和其他力學完全不一樣的道理在於它的組織方式完全不一樣。

當然物理學本身有一些最基本的原理，比方對稱性原理。這些原理不僅貫穿於物理，它首先貫穿於存在。不管是對於蜻蜓，還是這張臉，對稱性才是它美的地方。對於這張臉來説，對稱與否不過是漂亮不漂亮的問題。可是對於蜻蜓來説，兩側翅膀對稱不對稱性是性命攸關的問題。這些也都體現在物理學的構造上。

我個人認為，“物理學是一條思想的河流”。説這句話我是受了馬赫的影響。有些不靠譜的科學史家總宣稱量子力學是一種革命，還有什麼相對論的革命，但馬赫説得非常清楚，“物理學裏面不存在革命。如果你看到了革命，那是因為你知道的少。”每一種思想都會在之前有人提及或者有它的前驅物。西方物理學家從歐洲的最簡單的神學思想，認為世界是上帝創造的，上帝創造用最少的動作，這就是least action principle，不是我們漢語學的什麼最小作用量原理，它就是最少動作原理。懂得這個道理時，然後就寫出作用量，有這樣一個歐拉-拉格朗日方程，方程再往前推一步和量子力學結合時候才有所謂的量子力學第三種表述，即路徑積分的表述，等等。知道這些思想最起碼能幫助我們咬着牙也要把那些特別難啃的物理書讀完。

郭德綱有個相聲説得好。他説他很悠閒地説泡上一杯咖啡，撒上點香菜，拿起一本英文報紙看。搭檔于謙説英文報紙你看得懂嗎？郭德綱的回答是，我當然看不懂，我要看懂我還看它幹嘛！這聽起來是個玩笑，其實對於我們在座各位學習的人來説有非常重要的啓發。我建議大家一定要好好去多看那些看不懂的書。一本書你看得懂，你看它幹嗎？你們現在在讀研究生，時間那麼緊，你們應該整天忙着去看看不懂的書。

我想可能會有相當多的同學最後會走入非常壓抑的狀態，我本人就曾經一直感到非常壓抑，就是發現物理實在太難了，真學不懂啊。不過，直到1993年的某一天我讀了一句話就放寬心了。1990年左右兩個化學家發現了室温核聚變。室温核聚變啊，如果是真的我們士兵扔的手榴彈就都是氫彈，大家想想這個局面有多嚇人！室温核聚變這篇文章發出來以後，全世界的物理學家就跟蒼蠅似的烏泱泱地撲上來做室温核聚變，做了兩三年也沒有進展 (最後就是個大烏龍)。大家知道室温下化學反應，每一個事件對應的典型能量是電子伏特，核聚變每一個事件的典型能量是10^7電子伏特量級，那是十倍百倍的兆電子伏特，這中間光能量上都差六七個數量級。從温度的角度上來看，1電子伏對應11600度，你想想這和室温差多少量級怎麼可能有室温核聚變。可是多數物理學家不懂啊。最後有一位德國馬普所的物理學家就做了一個非常重要的總結性評論，説 “大家也不要覺得很奇怪嘛，其實這個世界上80%的物理學家根本不懂物理”。其實在座的將來如果能有20%能成為懂物理的物理學家，那都是奇蹟了。所以説對於物理學這個行當，大家一定要放寬心，千萬不要因為過兩天學不會物理，然後你就鬱悶地跟自己的導師着急、跟研究生處的老師着急、甚至想練練跳樓—不值得！請大家一定要記住，物理學是一門80%的物理學家都根本不懂的學科，不是説你們這些剛踏進門檻的物理博士生，人家説的是那些有頭有臉的外國名校大教授可能也許大概根本就不懂，所以請大家千萬不要為此太傷心。不懂就不懂吧，好好地踏踏實實做點事情，畢業了就行。

相當多的人認為學物理很難，比方説有人老跟我抱怨説量子力學難。可是大家如果真的懂了量子力學以後，好好看看量子力學內容的導入，不管是薛定諤方程、自旋的描述、對光譜的理解，等等，所有的東西每一項都來自於經典力學。大家想想一個最基本的事實，創造量子力學的人手裏只有經典物理，所以量子力學骨子裏頭全是經典物理學，沒有別的。如果你覺得量子力學難，那就難在你沒學會經典力學，你經典力學根本就不會量子力學當然看着難了。為什麼歐洲那些創造經典力學的人不覺得量子力學難，像泡利似的高考完了就是世界頂級物理學家了。泡利看相對論也不難，因為他中學就學了協變形式的經典電磁學，你別告訴我你沒聽説過協變形式。對於21世紀的人，尤其是我們在座的將來要拿物理學博士的人來説，物理學知識真的應該是我們的標配，所以希望大家在物理所有這麼好的條件，在接下來這幾年的時間裏好好做論文，該戀愛戀愛該結婚結婚，但是別忘了一件最重要的事情，多少花點時間學一點點兒物理！

謝謝大家！

本文經授權轉載自微信公眾號“中科院物理所”。