博文
物理之树长青，而教科书总是灰色的
精选
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物理学是一个不断演化的科学。但是物理学发展实在太快，不仅几乎没有人能够在两个及其以上研究领域中尽显风流，也几乎没有人能了解一个研究领域中的全部进展。可以很保险地断言，任何一本教材涉及的研究领域必然包含使用该教材教师的知识盲点。任课教师所教的知识可能仅仅是平凡的正确其实没有反映出问题的物理本质；任课教师也很难保证教材中权威观点的准确性，等等。十一月九日，在北京大学“中国物理学会第九届物理教学委员会扩大会议”上我有一个发言。感慨道，我在湖南大学任教授已过十年，任博导已逾五年，但是总觉得大学物理课程的教学艰难无比。形象地说，我几乎是在枪口下的兔子，一直有生死(指误人子弟)之虞。下面是我的教学经验中碰到的三方面的问题。
问题一：正确的问题不见得反映了问题的本质。
在很多中外物理学教材的力学部分中，都有这样一道例题或者习题。地球引力场同一垂直线上不同高度的两个球同时下落。求上面那个球在第一次碰撞反弹后所达到的最大高度。
这个问题不难。只要用到能量守恒、动量守恒就可以将问题解出来。因此这是一个正确的题目。但是，这个题目的设计没有反映出这个问题的物理本质：这是一个混沌体系。有一篇题为“Two balls in one dimension with gravity”(Physical Review A,42(2)(1990)742-754)上的论文很清楚地指出了这一点。以前，我指导一个本科生陈宁国写过一篇题为“一个简单硬球碰撞问题中的混沌”(大学物理，23(10)(2004)54-55)的文章，给出了一个简单处理，得到了类似的结果。不过当时我们不知道Physical Review上的那篇论文。
问题二：仅仅有原理是不够的。
电磁现象的基本方程是Maxwell方程组和Lorentz力公式。但是有谁能参透电磁场和几何之间的关系?现在有一个很热的研究方向是对所谓的隐身术、或曰electromagnetic cloak或曰Metamaterials的研究。葛墨林先生提到，如果将张量电导率或张量介电常数和几何的中的度规等价起来，则Passion方程和弯曲空间的Laplace方程形式相同。这只要三两行的数学推导就可以做到。也就是可以将电磁学的问题能变成一个几何问题。可以设计出这样的材料，让光线在其中拐弯，就像光线在弯曲空间拐弯一样。这个例子涉及一点几何，可能有人觉得有点难。那么简单如法拉第圆盘就好对付吗? 这是非磁性导体与永磁体之间的相互作用问题。如果从法拉第圆盘零角速度开始不断加速，谁能定量计算出永磁体的运动? 其实，涉及块体材料中的电磁场计算从来都是难题! 不信的话，可以看看我的同事谢中教授设计的一个电磁感应的装置。
问题三：真理不见得全都在权威手里。
1954年Born获得诺贝尔物理学奖的原由是“for his fundamental research in quantum mechanics, especially for his statistical interpretation of the wavefunction。他的得奖演说也有类似的句子：“I think that the statistical interpretation of the laws of nature to which I have been able to contribute has stood the test; it is universally accepted today. A philosophy in which the notions of chance and freedom are fundamental seems to me preferable to the almost inhuman determinism of the previous epoch - but that is no scientific argument.” 即使今天，也有大量的教科书沿用这种说法。但是量子力学的进展已经表明，statistical一词历史色彩太浓! 确切的词是probabilistic. statistical和probabilistic是有差别的，statistical意味着对一个对象统计，而probabilistic完全可以是内在而本质的。如果是对一个对象统计，物理必须要问这个对象对应什么物理实在? 量子力学不回答这类问题。
整个物理学的历史就是不断革新和创造的历史。物理教学不仅要交给学生基本的物理知识，还要把学生引向不断深化不断发展的本质，从物理的角度培养学生发展出新知识的能力。那么，物理教学应该教什么呢? 恐怕只有培养创造性才是物理教学的灵魂!
教科书上落点灰很正常，作者、教师和学生共同打扫一下就可以使它一直是新的。但物理的森林常绿，把我们的学生培养成为这片森林添绿的人吧!
本文章题目系变通自歌德的经典戏剧《浮士德》中的著名台词：“All theory, dear friend, is gray, but the golden tree of life springs ever green."中学时因为这句台词我知道了歌德。后来，我寻得歌德的铜像并留影一张，在这里晒晒。
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