理论物理之乐

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  总会有人问廖玮:“为何选理论物理这么枯燥的学科?”
  中国有句俗语是这样说的,外行看热闹,内行看门道。其实,在“外行们”还在思索廖玮“为什么选这行”时,人家已经在享受理论物理研究带来的挑战和刺激,并且乐在其中。别人眼里的枯燥无味,对廖玮来说,却是杨枝甘露。
  美国已故天王巨星MJ曾经说过,别站在你的角度看我,你看不懂。那么,对于理论物理给研究者们带来的快乐,别人又如何看得懂呢?
  —编者
  常常有人问我:“理论物理这么枯燥,你怎么还会选择这一行?”
  诚然,成为一名优秀的理论物理学家,并且在理论物理领域有所建树,是有一定难度的。但这并不意味着理论物理是枯燥的,相反它有其自身的独特魅力,能令理论物理研究者乐在其中。
  其实,只要了解理论物理学家是如何思考和解决难题的,就不难明白理论物理的乐趣。但“外行人”无法参与这个发现难题、解决难题的过程,所以体会不了其中的奥妙。
  物理学之难不仅在于解决一个未知领域的问题十分困难,还在于我们思考的问题并不一定是值得研究的好问题。在学生时代我曾听何祚庥教授说过,有四类问题需要仔细分辨:真问题、假问题、成熟的问题和未成熟的问题。我因而知道了人们研究的问题有可能是假问题或者是未成熟的问题,并很难因研究此类问题而有所成就。回顾科学发展的历史,我们可以发现,真正能够留下来的有价值的东西非常少,但各种思想潮流和研究方向很多,有大量研究工作由于没有经受住时间和实验的考验,最终消失在人们的记忆中。
  这些研究工作一部分是因为没有解决问题而被人遗忘,还有很多则因研究的问题为假问题或者不成熟问题所致。此外,检验理论研究的结果往往需要超过当时水平的实验条件,因而很多研究工作没办法在短时间内得到检验,人们容易因此陷入对假问题或不成熟问题的研究和讨论之中,而不能及时得到实验纠正。所以,找到正确的问题、有效地思考问题并解决问题,对理论物理研究者来说是巨大的考验。
  即便如此,仍然有少数科学巨人能够在短短的一生中不止一次地获得巨大的成功。他们又是如何做到的呢?探究这个问题,就要了解理论物理学家是如何思考问题的。
  兰志成教授曾经给我讲过女物理学家Nina Byers的一个故事。费曼和施温格是令美国人为之骄傲的两位美国物理学家,曾因对量子电动力学的贡献获得诺贝尔物理学奖。许多人认为他们两人是天才,以为费曼无需数学推导仅凭物理猜想就可以得到正确结果,而施温格在不借助物理图像的情况下,仅凭数学推导就能够得到一些神奇的结论。然而,曾与两人合作过的Nina Byers后来谈起两人时说:“人们都以为他们是天才,但其实他们和我们一样,为了接近真相,也需要尝试多种不同的方法;只有在使用了多种不同方法得到同样的结论之后,他们才会确信自己的结论有很大的可能性是正确的。他们两人的不同之处在于:在发表的论文中,费曼只写出有关物理的部分,而施温格只写出有关数学的部分。人们因此认为他们用很少的方法就能破解难题,得到正确的结论,是不可思议的天才。”
  后来我与兰教授谈起,这个故事与《庄子》中的一个故事很类似:孔子去见老子,老子对孔子说,你所研习的不过是前人的“陈迹”而已,“迹”(足迹)是人“走过”之后留下来的,难道“迹”是“走过”吗?
  从Nina Byers的讲述中,我们可以获得两方面的教益。一方面,所有的研究论文都可以看作是“陈迹”。有一定科学研究经验的人常常会发现写作论文时的思路与当初开展研究时的思路不同,所以对于这一点比较容易理解。后来人(尤其是初学者)在学习的时候,应该充分认识这一点。另一方面,这个故事很好地向人们展示了物理学家是如何思考问题、探索未知世界的。
  探索未知世界和研究未知现象的最大困难在于:我们并不知道前人发明的思想观念和理论方法是否适用于有待探索的未知世界和问题,但如果离开前人发明的思想观念和理论方法, 我们其实一无所有。也就是说,我们不得不依赖这些不知道是否适用于未知世界的思想观念和理论方法来探索未知世界。也许有少数天才可以摆脱这个束缚,凭借单纯的直觉或观念就能到达未知的彼岸,但这并不是人类能够倚靠以便持续且系统地探索未知世界的有效途径。
  为克服这一困难,在研究某个未知问题时,我们常常需要许多不同的方法(例如10种)。也许这些方法中有一部分方法是不适合用于研究这个问题的,但也有可能一部分方法是适合或部分适合研究这一问题的。假如有4~5种方法能够达到同一个结论,我们就可以确信这个结论有很大可能是对的。因为这4~5方法中可能有部分方法(例如1~2种)是适用于或部分适用于研究这个问题的。
  当然,理论研究的结论最终需要实验来检验。在实验检验的基础之上,我们才可以确认哪些思想观念和理论方法适用于或部分适用于待探索的未知领域。得益于这样较系统的研究,人类就可以持续地猜想和创造适用于新现象的新观念和新理论。
  那么,理论物理的乐趣又在哪里呢?
  要成为一个高明的理论物理学家,不可避免地需要对理论物理的各个分支以及各种理论方法有良好的理解。如果没有广博的知识,理论家不可能在面对真正的未知问题的时候,找到足够的方法来接近对问题的解答。即便得到某些结果,他们也很难确定自己的研究结果是否可靠。有人将学者分为两类:一类深刻,一类广博。但实际上,没有广博的知识,就很难有深刻的思想。真正思想深刻的探索者很少不具有渊博的知识。
  一个高明的理论物理学家,还不可避免地需要娴熟地掌握各种知识和理论方法。这不仅意味着需要对知识的内容有深入了解,以至于能够熟练运用,而且要对理论知识的已知适用范围有充分的认识。 没有这样一种认识和心理上的警惕,开展科学研究的时候就很可能得到错误的结论而不自知,理论知识就可能变成通向成功的障碍。简言之,理论家应该能够娴熟自由地运用各种知识、观念和理论,同时不被这些知识、观念和理论的局限性所束缚。
  当然,娴熟掌握各分支的各种知识和理论是一个巨大的挑战。初学者应该先努力掌握某一分支的知识、现状和发展,在这一分支的科学研究中积累经验,锻炼自己的能力,立足于个人既有的研究领域再逐步拓展自己的视野和思维,格知以致道,最终成为掌握理论而不是被理论掌握和限制的理论家。
  精通各种游泳和潜水技能的运动健将能够畅游于大海之中、嬉戏于波涛海浪之间,在其中获得极大的快乐。理论物理给研究者带来的乐趣与此类似。当理论物理学家能够娴熟自由地运用各种理论方法和思想观念而又不被它们的种种局限性所束缚时,他就能够自由轻松地畅游于思想观念的海洋中而自得其乐。他立足于已知探索未知,畅游于精神世界而不迷失其中,独得其乐。古人云:“乘天地之正,御六气之辩,以游无穷,得无为之乐。”这正是理论物理学家的理想之乐。 责编/刘荣
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