《理論物理研究中應(yīng)該正確對待的幾個問題》讀后感想
在回想劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室的歷史時，我談到了物理實驗條件的重要性。關(guān)于實驗與理論的關(guān)系，畢業(yè)于劍橋大學(xué)的王竹溪先生的一篇舊文《理論物理研究中應(yīng)該正確對待的幾個問題》講得很好，對于我們現(xiàn)在的工作一樣有指導(dǎo)意義，似乎每一段摘錄都可獨立成為一則微博。王竹溪先生這篇文章，描述了他這位物理學(xué)家眼中的物理，在此與大家分享。
王竹溪先生（1911年－1983年），1933年畢業(yè)于清華大學(xué)物理系，1938年劍橋大學(xué)博士畢業(yè)，與狄拉克師出同門。他曾任教于清華、西南聯(lián)大和北大，正是他們這一時代的優(yōu)秀知識分子開始了現(xiàn)代物理學(xué)在中國的傳播和扎根。王竹溪先生指導(dǎo)過的學(xué)生中，最著名的一個是楊振寧。北大物理學(xué)科90周年時，李政道主持了五銅像（饒毓泰、葉企孫、周培源、吳大猷、王竹溪）揭幕儀式，這五位是曾講學(xué)于西南聯(lián)大，又在北大長期工作的老師。王竹溪先生是其中最年輕者。加上后來添加的黃昆先生銅像，被稱之為北大物理六宗師。六宗師中，前五人為楊振寧、李政道的師長，黃先生是他們的同學(xué)。
《理論物理研究中應(yīng)該正確對待的幾個問題》這篇文章發(fā)表于1978年。文革期間，理論物理受到了許多科學(xué)之外的干擾，外行指導(dǎo)內(nèi)行，指示指導(dǎo)科學(xué)，象相對論這樣已經(jīng)非常成熟、完善的學(xué)科都受到了影響——但愿這樣的日子不再重來。上世紀(jì)七十年代末，中國物理遇到了回到正常發(fā)展的軌道的機遇，也許是因為科研人員受到不該有的影響太久了，也許是因為一批老科學(xué)家的離去，也許是一些人長期脫離正常科研工作，關(guān)于物理研究該如何開展出現(xiàn)了很多不統(tǒng)一的觀點，這篇文章介紹了理論物理在科學(xué)中的地位，具有特殊的時代意義：由于王竹溪先生等人的努力，文革后中國物理迅速跟進世界前沿研究，成為我國最能夠緊跟國際化的基礎(chǔ)學(xué)科。
文章分為四部分，分別介紹了理論物理與實驗的關(guān)系、理論物理與數(shù)學(xué)的關(guān)系、物理模型與概念的關(guān)系、理論物理與哲學(xué)的關(guān)系。由于原文比較長，又發(fā)表于文革剛結(jié)束后，有不少時代特色的語言，我只摘錄喜歡的觀點，并簡單附上一些自己的閑評。加粗字體為王先生的原文。
【要認(rèn)識自然界的規(guī)律，需要理論和實驗協(xié)同努力，但實驗是更基本的。沒有實驗的資料，理論工作就是無源之水、無本之木，只是空談。但是要使實驗的設(shè)計有目的性，就需要理論的指導(dǎo)。從這個意義上說，理論工作是為實驗工作服務(wù)的?！?/strong>根據(jù)研究對象和領(lǐng)域的不同，物理可以分為高能物理、原子/分子/光物理、凝聚態(tài)物理、天體物理等。根據(jù)研究方法的不同，物理可以分為實驗物理和理論物理，有時候，理論物理中的計算物理會被單獨列出，作為獨立存在的研究方法。計算物理介于理論物理與實驗物理之間，對于一些無法用實驗驗證的科學(xué)規(guī)律非常重要。比如說，一些地球上難以實現(xiàn)的超高能量、或者技術(shù)上難以實現(xiàn)的超高壓強，或者是有嚴(yán)重副作用的核試驗，計算物理的研究非常重要。
【在科學(xué)實驗中，有目的地采用適當(dāng)?shù)拇胧?，使某些因素突出，而把其他因素降到次要的地位，這樣才能發(fā)現(xiàn)那些起關(guān)鍵作用的因素，才能找到自然現(xiàn)象的規(guī)律性?！?/strong>大物理學(xué)家費米曾引用過馮·諾伊曼（電子計算機創(chuàng)始人，也是物理學(xué)家，他寫過一本教材《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》）的話評論過其某位同僚的理論工作：“給我四個參數(shù)，我可以畫一頭大象，給我五個參數(shù)，我能讓象鼻子動起來?！痹趯嶒炘O(shè)計中，突出一到兩個參數(shù)開展可控制的實驗才是安全可靠的實驗。參數(shù)過多的實驗不利于在理論上對其進行理解。社會科學(xué)中的實驗變量太多，并且其中可控的變量太少，所以社會科學(xué)中，嚴(yán)肅認(rèn)真的實驗很難開展。某種程度上，人體實驗不如動物實驗，畢竟不能把人關(guān)在一個籠子里只做科研人員允許的事情。
用四個參數(shù)的數(shù)學(xué)表達式畫一頭大象
（解圖：用四個參數(shù)的數(shù)學(xué)表達式畫一頭大象，用Python語言編寫。圖片來源：johndcook.com）
【理論工作是為實驗服務(wù)的。要服務(wù)得好，必須把理論工作本身做好，而不是一定要從事理論工作的人同時做實驗。理論工作本身是需要大量繁重勞動的，其中最主要的是數(shù)學(xué)推演和計算?！?/strong>如前面所提到的，計算物理現(xiàn)在有時也被獨立于理論物理之外，這也歸功于現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，也許以后計算物理會占據(jù)越來越重要的地位。不過很難想象計算物理會產(chǎn)生象建立量子力學(xué)和相對論這樣顛覆性的工作，它可能只能和實驗物理一樣，為理論的大突破提供養(yǎng)分。并且，實驗可以觀察到完全獨立于理論物理進展之外的數(shù)據(jù)，這可能是計算物理所做不到的。
【理論物理與實驗物理的分工主要是在本世紀(jì)發(fā)生的。十九世紀(jì)以前，一般物理學(xué)工作者是同時做理論和實驗工作的。從伽利略、牛頓，一直到麥克斯韋，都是這樣。近代物理學(xué)的迅速發(fā)展，使理論和實驗兩者很難同時兼顧……不僅理論與實驗分工，而且各種理論和各種實驗都有分工，這在實驗技術(shù)上表現(xiàn)得特別明顯，主要是因為實驗設(shè)備和裝置比較精密和復(fù)雜，技術(shù)條件要求高的緣故?！?/strong>麥克斯韋之后的物理學(xué)家，其實至少還有一個大名人同時做過理論和實驗工作。愛因斯坦做過實驗，很意外是吧？他做過的實驗叫Einstein–de Haas實驗，證明了電子自旋攜帶的角動量與經(jīng)典物理的角動量是同一個事情。然而，他的實驗數(shù)值有一些問題，大概差了50%——到現(xiàn)在也沒搞清楚他和de Haas具體錯在哪里。既然愛因斯坦做實驗也會出錯，實驗和理論分工幾乎只能是必然的事情了?，F(xiàn)在能親自開展前沿實驗研究和理論研究的物理工作者，應(yīng)該是非常稀少的。
【理論物理離不開數(shù)學(xué)的運算，并且這種運算經(jīng)常占主要的部分。數(shù)學(xué)必須講求嚴(yán)格，不能認(rèn)為物理概念清楚要緊，數(shù)學(xué)馬虎一點不要緊?！?/strong>數(shù)學(xué)是理論物理的工具，工具就有其應(yīng)用條件，忽略所應(yīng)用數(shù)學(xué)的前提條件是可怕的。物理的理論工作者中有一些隱形的分工，有的更偏重于理解實驗現(xiàn)象，有的在偏數(shù)學(xué)的角度檢驗前者理論的正確性。高能物理的研究中，因為常常涉及海量的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計是必需的數(shù)學(xué)工具，在這個領(lǐng)域中，有些理論工作者的工作和知識積累與相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)學(xué)家們已經(jīng)有些交疊了。
【我們反對……把物理和數(shù)學(xué)對立起來的觀點。這種觀點認(rèn)為數(shù)學(xué)的形式是有限的，人們可以先通過對數(shù)學(xué)形式的研究來建立物理理論的系統(tǒng)，然后再來研究物理的實際?！攀兰o(jì)數(shù)學(xué)的大發(fā)展受到物理學(xué)的推動是極其明顯的。所以說，數(shù)學(xué)的發(fā)展是由實際問題的需要而推動的，實際問題主要是物理問題。當(dāng)然，在研究某一物理問題時，在其他問題上已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)方法是可以借用的?！?/strong>個人觀點：數(shù)學(xué)包含比物理更多的內(nèi)容，因為不需要受到客觀現(xiàn)實的限制。英文字母隨意組合可以構(gòu)成大量的字母段，這些字母段就類似于數(shù)學(xué)，然而其中只有少數(shù)一部分是單詞，有意義的單詞就類似于受制于客觀規(guī)律的物理。
【在數(shù)學(xué)上確實有一些基本數(shù)學(xué)方式和運算是帶有普遍性質(zhì)的，能適用于各種實際問題?！绻贿m當(dāng)?shù)貜娬{(diào)了實際應(yīng)用，或者是過分地偏重于所謂的物理意義，甚至于每一個數(shù)學(xué)演算步驟都要指出它的物理意義，這也是會降低學(xué)習(xí)效率的?！?/strong>我們現(xiàn)在寫科研文章時已經(jīng)不再引用牛頓了，因為已為現(xiàn)代人所熟悉了。對于常用的數(shù)學(xué)工具也是如此，一一解釋沒有必要。
【模型總不是真是的東西。但是常常有一些言論和想法，把物理模型與物理概念混同起來?！蜗蠡３Ｄ軒椭藗冞M行思維，而且往往使人把假象當(dāng)作真實而不自覺?！?/strong>形象話的語言容易讓人接受，但是形象化很可能是不準(zhǔn)確的。科普和授課時形象化可能是好事情，但是認(rèn)真思考時就得擠掉一些形象化的水分。電子繞著原子核旋轉(zhuǎn)很形象化，因為跟人們熟悉的地球繞著太陽轉(zhuǎn)容易對應(yīng)起來，這樣的說法對第一次接受原子內(nèi)部有結(jié)構(gòu)的小朋友非常有用，但是對科研工作者需要用量子力學(xué)研究具體問題可能是有害的。
【物理模型在物理理論的發(fā)展上起過重要的作用，甚至可以說，起過決定性作用?！硐霘怏w模型，忽略分子之間的相互作用……代表了一種類型的模型，這種類型的特點是真實情況的某種近似，突出了實際情況中的主要方面。】現(xiàn)實世界沒有理想氣體。任何氣體中，分子分子間都必然有相互作用，最起碼有引力相互作用。然而，如果不忽略掉不重要的相互作用，先從理想氣體的模型開始，熱學(xué)的發(fā)展就得走許多彎路，這對于后來者的學(xué)習(xí)也是不利的。在這個例子中，氣體間的相互作用通常很弱，所以可以先被忽略，總結(jié)出理想氣體的物理規(guī)律，在需要研究其非理想性時，可以再引入其他規(guī)律和方法，比如范德瓦爾斯氣體方程。
【另外還有一種模型，可以叫做類比。例如麥克斯韋在建立電磁理論時把電磁現(xiàn)象與流體力學(xué)作了類比?！陔姶爬碚摪l(fā)展的初期，連續(xù)體力學(xué)的理論已經(jīng)發(fā)展起來，而連續(xù)體力學(xué)的實際對象都是看得見、摸得著，這對理論的發(fā)展是很有利的條件。】電磁波和機械波的相似之處從名字就可以看出來。如果發(fā)現(xiàn)一個新波動時，不與已經(jīng)存在的機械波聯(lián)系起來，反而設(shè)想它能在真空中傳播，恐怕是強人所難的。
【以太理論……說它是模型理論是因為它用機械的彈性物體模型來替代電磁場。說它是類比理論是因為它把電磁場理論與連續(xù)體力學(xué)作了類比，這本來就是電磁理論發(fā)展的必然結(jié)果。以太理論的被否定，是歷史發(fā)展的必然結(jié)果?！荒苷f，它既然注定是要消亡的，當(dāng)初何必產(chǎn)生呢？實際上，科學(xué)發(fā)展的歷史就是這樣?！?/strong>正是因為先用電磁波與機械波類比，以太理論才有在實驗上證明其不存在的可能性，Michelson-Morley實驗才有進一步討論的基礎(chǔ)。
在這個章節(jié)里，因為我對老先生大部分說法不感興趣，就不從正文中仔細(xì)摘錄了。老先生關(guān)于物理與哲學(xué)關(guān)系的想法，我從字里行間看到的是：“西方自然科學(xué)家大多數(shù)不是自覺運用唯物辯證法的，但是卻作出了很好的科學(xué)貢獻……這是一個客觀事實?！崩舷壬每紤]許多那個時代特有的為難之處。
我在山腳下，希望能向上爬一兩步；仰望一眾登山者，有的如王竹溪先生停于某處，刻下自己的名字，我的導(dǎo)師們古稀之年依然于山腰攀登，我的許多朋友已經(jīng)先行。我不懂唯物辯證法或者其他哲學(xué)如何能指導(dǎo)我爬得更高更快，也沒聽相處過的前輩提及過哲學(xué)對他們的意義。哦，錯了，許多年前，正意氣風(fēng)發(fā)的導(dǎo)師擔(dān)心他的學(xué)生來自中國，特意對我說，philosophy is bullshit。也許這樣的話不太文明，也許大學(xué)問家們有他們自己的“哲學(xué)”體系，也許是我自己的層次太低，在我的感覺中，哲學(xué)也許指導(dǎo)過古代科學(xué)家，卻不是現(xiàn)代物理學(xué)家的“哲學(xué)”。
作者：鎖相，中科院專家，科學(xué)公園作者
