曹則賢 中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員

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我想先給大家解釋三個(gè)概念。第一，什么是科學(xué)。按照奧地利物理學(xué)家、量子力學(xué)奠基人之一薛定諤的說(shuō)法，科學(xué)就是用希臘人的方式思考世界。希臘人科學(xué)的思考方式，興起于公元前6世紀(jì)左右，發(fā)展到后來(lái)中斷了，直至13世紀(jì)末在意大利再次興起，之后又?jǐn)U展到西歐各國(guó)，于16世紀(jì)達(dá)到頂峰，這就是西方歷史上的文藝復(fù)興時(shí)期。它是西歐近代思想解放運(yùn)動(dòng)之一，帶來(lái)了科學(xué)與藝術(shù)的巨大變革。尤其是誕生了近代科學(xué)，代表人物是被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”的意大利人伽利略。第二，什么是一流大學(xué)。一個(gè)重要特征就是產(chǎn)生了某些門類的學(xué)科，如：瑞士的蘇黎世大學(xué)產(chǎn)生了量子力學(xué)、相對(duì)論和規(guī)范場(chǎng)論；奧地利的維也納大學(xué)產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)力學(xué)。第三，什么樣的人是科學(xué)家。我們通過(guò)一些例子，看看科學(xué)家到底是怎么學(xué)習(xí)和工作的，大家對(duì)照一下，也許會(huì)想清楚什么樣的人才是科學(xué)家。

一、為什么要成為科學(xué)家

為什么要成為科學(xué)家？非常重要的一點(diǎn)是，當(dāng)今是一個(gè)技術(shù)超越神話的時(shí)代。舉個(gè)例子。神話故事中，孫悟空在地上鬧事，玉皇大帝派千里眼、順風(fēng)耳去探查情況。而今天，我們的嫦娥五號(hào)已經(jīng)登錄月球背面，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)神話中千里眼、順風(fēng)耳的水平。還有，我們自主研發(fā)的萬(wàn)米載人潛水器奮斗者號(hào)，2020年11月10日在馬里亞納海溝成功坐底，深度達(dá)10909米，刷新中國(guó)載人深潛紀(jì)錄。注意，這還不是最厲害的技術(shù)。要知道，在萬(wàn)米深海是無(wú)法用電磁波通信的。那么，海面母船如何與奮斗者號(hào)溝通呢？水聲通信，它能實(shí)現(xiàn)萬(wàn)米海底到海面的實(shí)時(shí)文字、語(yǔ)音和圖像傳輸。這才是了不起的。再看，《封神演義》中有個(gè)人物叫土行孫，會(huì)遁地術(shù)，一有事往地下一鉆就走了。而今天，我們有了盾構(gòu)機(jī)，在城市中修地鐵、在崇山峻嶺修隧道靠的都是它，水平可比土行孫高太多了。

當(dāng)今是技術(shù)超越神話的時(shí)代，那么這些技術(shù)從哪里來(lái)？科學(xué)中來(lái)。也就是說(shuō)，我們生活在一個(gè)由科學(xué)技術(shù)支撐的高度發(fā)達(dá)的社會(huì)。雖然我們并不因?yàn)榭茖W(xué)而幸福，但若沒(méi)了科學(xué)，我們也幸福不起來(lái)。

二、科學(xué)家需具備哪些特質(zhì)

什么是科學(xué)家？就是要探求人所未知。那么，怎么樣才能做到探求人所未知？

第一，會(huì)思考。法國(guó)哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家和科學(xué)家笛卡爾有一句名言叫“我思故我在”。那么，他有多會(huì)思呢？十二三歲時(shí)，笛卡爾身體不好，不怎么去上學(xué)，經(jīng)常在家睡到中午才起床。有一天，笛卡爾還在躺著，結(jié)果家里飛來(lái)一只蒼蠅，不停地在天花板上變換著歇腳的位置。笛卡爾盯著這個(gè)蒼蠅看了一會(huì)兒，也許有了要把這討厭的蒼蠅趕走的想法。但是，他不是把這個(gè)想法變成行動(dòng)而是變成了一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題：如何精確地給這只蒼蠅定位？如果選擇某點(diǎn)（比如屋角）作為參考點(diǎn)，那么只要數(shù)清楚沿東西向經(jīng)過(guò)幾格天花板，沿南北向經(jīng)過(guò)幾格天花板，就能給蒼蠅定位。也就是說(shuō)，你只要選定一個(gè)參考點(diǎn)和兩個(gè)方向（不一定非要是垂直的，不重疊的就行），那么用兩個(gè)數(shù)就能給平面上的點(diǎn)定位。這就是笛卡爾直角坐標(biāo)系的概念。有了笛卡爾直角坐標(biāo)系，幾何和代數(shù)就有了統(tǒng)一。此外，還有其他的坐標(biāo)系。比如，極坐標(biāo)，它體現(xiàn)在詩(shī)里，像“西北望長(zhǎng)安，可憐無(wú)數(shù)山”；在平面還有用橢圓加雙曲線當(dāng)作坐標(biāo)系的，像北京的二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)。

另外，在直角坐標(biāo)系或平坦地面上的距離公式與幾何地形上的有所不同；在不同幾何地形，距離公式也會(huì)有所改變。請(qǐng)大家記住，描述幾何不僅要定位置，還要定兩點(diǎn)之間的距離。我們看西北地區(qū)的地形，假如你在黃土高原的這邊，而你喜歡的女孩在另一邊，那你要想見(jiàn)她就得爬坡過(guò)溝，可能一個(gè)月也見(jiàn)不上一回。那怎么辦？過(guò)去只能靠喊、靠唱歌。一些西北人的嗓音高亢、洪亮，就是這個(gè)原因。

我們?cè)倏匆晃豢茖W(xué)家，剛才提到的奧地利物理學(xué)家、量子力學(xué)奠基人之一薛定諤。這個(gè)純粹的物理學(xué)家，對(duì)生物學(xué)也有過(guò)思考，還寫了一本書，名為《生命是什么》。書中，他通過(guò)熱力學(xué)和量子力學(xué)理論來(lái)解釋生命的本質(zhì)，引入非周期性晶體、遺傳密碼等概念來(lái)說(shuō)明有機(jī)體物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命的維持和延續(xù)、遺傳和變異等現(xiàn)象，從而推動(dòng)了分子生物學(xué)的誕生。這本小冊(cè)子也成為很多學(xué)者的必讀書。

接下來(lái)這位科學(xué)家，麥克斯韋，英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)創(chuàng)始人、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)奠基人之一。他建立了一組描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程，叫麥克斯韋方程組。

這一方程組由四個(gè)方程構(gòu)成。尤其是他增加的這一項(xiàng)（紅色箭頭所指），是中學(xué)物理所學(xué)的位移電流，它的影響可大了。如圖所示，將這四個(gè)方程變推導(dǎo)為波動(dòng)方程。在波動(dòng)方程中，我們認(rèn)為電磁里有電磁波，然后算出電磁波的速度，當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)是每秒27萬(wàn)公里，居然和光速差不多。這時(shí)，我們會(huì)懷疑，難道光就是電磁波。這樣，我們通過(guò)計(jì)算，引出了一個(gè)重大概念，光速是沒(méi)有參照物的。比如，船相對(duì)于水的速度是多少，水相對(duì)于地的速度是多少，但光速就是光速，誰(shuí)也不相對(duì)，這就是狹義相對(duì)論的精髓。那么，有了狹義相對(duì)論，再加上引力，就有了廣義相對(duì)論。而廣義相對(duì)論本身又包括電磁理論，引出規(guī)范場(chǎng)論。我們看，這一項(xiàng)改變了我們世界那么多東西。

麥克斯韋非常厲害，十幾歲時(shí)就寫出了雞蛋的方程。當(dāng)年，他的爸爸逼著他畫雞蛋。我們都知道雞蛋很難畫，那麥克斯韋怎么做的？他覺(jué)得如果寫出了雞蛋方程，是不是雞蛋就好畫了。之后，他還真寫出了雞蛋的方程。他爸爸看了很是高興，就去問(wèn)一個(gè)教授說(shuō)，我兒子寫出了雞蛋方程，您看看這東西有沒(méi)有價(jià)值。那位教授一看說(shuō)，天啊，有沒(méi)有價(jià)值，二百年前開(kāi)普勒研究行星運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)就在等雞蛋方程。之后，麥克斯韋在這位教授的幫助下完成了論文，并遞交到蘇格蘭的皇家科學(xué)院?；始铱茖W(xué)院非常重視，決定邀請(qǐng)麥克斯韋來(lái)做報(bào)告。于是，第二年春天，一輛小馬車送來(lái)一位穿花格子呢子裙的少年。

我們接著看，被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”的意大利人伽利略是如何思考的？17歲時(shí)，伽利略跑到教堂，看到掛在天花板的油燈被風(fēng)吹得搖擺不定，并注意到油燈來(lái)回?fù)u擺一次的時(shí)間相差無(wú)幾，于是稱之為單擺的周期運(yùn)動(dòng)。此外，無(wú)論燈里的燈油有多少，它搖擺的時(shí)間仍是差不多的。于是，得出單擺的周期運(yùn)動(dòng)和擺錘的質(zhì)量無(wú)關(guān)。那么，燈油燒干了，要添燈油，怎么辦？解下繩子，把燈放下來(lái)，添完油再拽起來(lái)。這從上往下放的過(guò)程，就是單擺的擺繩改變的過(guò)程。繩子越長(zhǎng)，油燈來(lái)回?cái)[動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)，這也就得出擺繩越長(zhǎng)周期越長(zhǎng)。那么，如何用公式表現(xiàn)？擺長(zhǎng)和周期的平方成正比。這就是人類一個(gè)確切的物理公式，即單擺的周期公式。