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科学家是怎样学习和工作的

报告人:曹则贤 中国科学院物理研究所研究员
简 介:成为科学家是许多孩子的梦想。曾听多少孩子用稚嫩的童音说:我长大了要当科学家!那么,如何才能成为一名科学家?本期报告,中国科学院物理研究所曹则贤研究员从为什么要成为科学家、科学家需具备哪些特质、学霸是什么样三个问题切入,通过介绍笛卡尔、伽利略、开普勒等闻名世界科学家的故事,带大家了解科学家是怎样学习和工作的。
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发布时间:2022-05-24 10:15
  • 当今中国的很多青少年为什么想要成为科学家?因为我们当前正处在一个技术超越神话的时代,生活在一个由科学技术支撑的高度发达的社会。科学更多是无形的,但它推动先进技术的发展。因此科学的重要性不言而喻。这也是当今时代需要科学家、鼓励引导青少年热爱科学的重要原因。[文稿][课件]

  • 本段内容,中国科学院物理研究所曹则贤研究员通过介绍笛卡尔、麦克斯韦、伽利略、开普勒、托马斯·杨、庞加莱等世界知名科学家发现真理、定律的过程,说明要成为一个科学家,就需具备会思考、不盲信、会数学、勤动手、善观察、坚持真理、善用时间、深度学习、养成记录习惯等特质。[文稿][课件]

  • 本段内容,中国科学院物理研究所曹则贤研究员通过介绍盖奥格·伽莫夫、冯·诺依曼、李政道、陶哲轩等国内外知名科学家幼年和少年时期的故事,谈到“学霸”普遍是“沉默寡言”的,因为他们心思沉静、善于思考,而且一般来说早遇名师、时刻自学,并认为遇到问题“坐卧不宁”的孩子可成大器。[文稿][课件]

     

    曹则贤专家

    曹则贤 中国科学院物理研究所研究员

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    我想先给大家解释三个概念。第一,什么是科学。按照奥地利物理学家、量子力学奠基人之一薛定谔的说法,科学就是用希腊人的方式思考世界。希腊人科学的思考方式,兴起于公元前6世纪左右,发展到后来中断了,直至13世纪末在意大利再次兴起,之后又扩展到西欧各国,于16世纪达到顶峰,这就是西方历史上的文艺复兴时期。它是西欧近代思想解放运动之一,带来了科学与艺术的巨大变革。尤其是诞生了近代科学,代表人物是被誉为“近代科学之父”的意大利人伽利略。第二,什么是一流大学。一个重要特征就是产生了某些门类的学科,如:瑞士的苏黎世大学产生了量子力学、相对论和规范场论;奥地利的维也纳大学产生了统计力学。第三,什么样的人是科学家。我们通过一些例子,看看科学家到底是怎么学习和工作的,大家对照一下,也许会想清楚什么样的人才是科学家。

    一、为什么要成为科学家

    为什么要成为科学家?非常重要的一点是,当今是一个技术超越神话的时代。举个例子。神话故事中,孙悟空在地上闹事,玉皇大帝派千里眼、顺风耳去探查情况。而今天,我们的嫦娥五号已经登录月球背面,已经远远超过神话中千里眼、顺风耳的水平。还有,我们自主研发的万米载人潜水器奋斗者号,2020年11月10日在马里亚纳海沟成功坐底,深度达10909米,刷新中国载人深潜纪录。注意,这还不是最厉害的技术。要知道,在万米深海是无法用电磁波通信的。那么,海面母船如何与奋斗者号沟通呢?水声通信,它能实现万米海底到海面的实时文字、语音和图像传输。这才是了不起的。再看,《封神演义》中有个人物叫土行孙,会遁地术,一有事往地下一钻就走了。而今天,我们有了盾构机,在城市中修地铁、在崇山峻岭修隧道靠的都是它,水平可比土行孙高太多了。

    当今是技术超越神话的时代,那么这些技术从哪里来?科学中来。也就是说,我们生活在一个由科学技术支撑的高度发达的社会。虽然我们并不因为科学而幸福,但若没了科学,我们也幸福不起来。

    二、科学家需具备哪些特质

    什么是科学家?就是要探求人所未知。那么,怎么样才能做到探求人所未知?

    第一,会思考。法国哲学家、数学家和科学家笛卡尔有一句名言叫“我思故我在”。那么,他有多会思呢?十二三岁时,笛卡尔身体不好,不怎么去上学,经常在家睡到中午才起床。有一天,笛卡尔还在躺着,结果家里飞来一只苍蝇,不停地在天花板上变换着歇脚的位置。笛卡尔盯着这个苍蝇看了一会儿,也许有了要把这讨厌的苍蝇赶走的想法。但是,他不是把这个想法变成行动而是变成了一个数学问题:如何精确地给这只苍蝇定位?如果选择某点(比如屋角)作为参考点,那么只要数清楚沿东西向经过几格天花板,沿南北向经过几格天花板,就能给苍蝇定位。也就是说,你只要选定一个参考点和两个方向(不一定非要是垂直的,不重叠的就行),那么用两个数就能给平面上的点定位。这就是笛卡尔直角坐标系的概念。有了笛卡尔直角坐标系,几何和代数就有了统一。此外,还有其他的坐标系。比如,极坐标,它体现在诗里,像“西北望长安,可怜无数山”;在平面还有用椭圆加双曲线当作坐标系的,像北京的二环、三环、四环、五环。

    另外,在直角坐标系或平坦地面上的距离公式与几何地形上的有所不同;在不同几何地形,距离公式也会有所改变。请大家记住,描述几何不仅要定位置,还要定两点之间的距离。我们看西北地区的地形,假如你在黄土高原的这边,而你喜欢的女孩在另一边,那你要想见她就得爬坡过沟,可能一个月也见不上一回。那怎么办?过去只能靠喊、靠唱歌。一些西北人的嗓音高亢、洪亮,就是这个原因。

    我们再看一位科学家,刚才提到的奥地利物理学家、量子力学奠基人之一薛定谔。这个纯粹的物理学家,对生物学也有过思考,还写了一本书,名为《生命是什么》。书中,他通过热力学和量子力学理论来解释生命的本质,引入非周期性晶体、遗传密码等概念来说明有机体物质结构、生命的维持和延续、遗传和变异等现象,从而推动了分子生物学的诞生。这本小册子也成为很多学者的必读书。

    接下来这位科学家,麦克斯韦,英国物理学家、数学家,经典电动力学创始人、统计物理学奠基人之一。他建立了一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程,叫麦克斯韦方程组。

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    这一方程组由四个方程构成。尤其是他增加的这一项(红色箭头所指),是中学物理所学的位移电流,它的影响可大了。如图所示,将这四个方程变推导为波动方程。在波动方程中,我们认为电磁里有电磁波,然后算出电磁波的速度,当时的数据是每秒27万公里,居然和光速差不多。这时,我们会怀疑,难道光就是电磁波。这样,我们通过计算,引出了一个重大概念,光速是没有参照物的。比如,船相对于水的速度是多少,水相对于地的速度是多少,但光速就是光速,谁也不相对,这就是狭义相对论的精髓。那么,有了狭义相对论,再加上引力,就有了广义相对论。而广义相对论本身又包括电磁理论,引出规范场论。我们看,这一项改变了我们世界那么多东西。

    麦克斯韦非常厉害,十几岁时就写出了鸡蛋的方程。当年,他的爸爸逼着他画鸡蛋。我们都知道鸡蛋很难画,那麦克斯韦怎么做的?他觉得如果写出了鸡蛋方程,是不是鸡蛋就好画了。之后,他还真写出了鸡蛋的方程。他爸爸看了很是高兴,就去问一个教授说,我儿子写出了鸡蛋方程,您看看这东西有没有价值。那位教授一看说,天啊,有没有价值,二百年前开普勒研究行星运动轨迹时就在等鸡蛋方程。之后,麦克斯韦在这位教授的帮助下完成了论文,并递交到苏格兰的皇家科学院。皇家科学院非常重视,决定邀请麦克斯韦来做报告。于是,第二年春天,一辆小马车送来一位穿花格子呢子裙的少年。

    我们接着看,被誉为“近代科学之父”的意大利人伽利略是如何思考的?17岁时,伽利略跑到教堂,看到挂在天花板的油灯被风吹得摇摆不定,并注意到油灯来回摇摆一次的时间相差无几,于是称之为单摆的周期运动。此外,无论灯里的灯油有多少,它摇摆的时间仍是差不多的。于是,得出单摆的周期运动和摆锤的质量无关。那么,灯油烧干了,要添灯油,怎么办?解下绳子,把灯放下来,添完油再拽起来。这从上往下放的过程,就是单摆的摆绳改变的过程。绳子越长,油灯来回摆动的时间就越长,这也就得出摆绳越长周期越长。那么,如何用公式表现?摆长和周期的平方成正比。这就是人类一个确切的物理公式,即单摆的周期公式。

     

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