作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2024/3/2 20:29:54
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曹则贤:科学创造者给你讲科学,你最好认真听

 

什么是黑体辐射?在阳光照射下,黑色物体的温度最高,这样说大多数人会有切身感受。

也许你对黑体辐射这一概念比较陌生,但你一定知道爱因斯坦与量子力学在现代科学中的地位。正是爱因斯坦早期的黑体辐射研究帮助建立起了量子的概念以及固体量子论,也就是说,黑体辐射研究最终指向了量子力学的诞生。

然而,这一概念在很多量子力学经典著作中介绍得非常笼统。在中国科学院物理研究所研究员曹则贤的办公室里,他随手拿起一本国内大学力学教材,不无遗憾地对记者说:“对黑体辐射的描述,在我读过的中英文著作中少的不足半页,多的也不过两页。”

而事实是,黑体辐射作为近代物理的摇篮,远非两页纸就能说清楚。

过去数十年,曹则贤从未停止思考如何更为系统、准确地理解黑体辐射。最近,他把这些思考写成了《黑体辐射:一只会下物理金蛋的鹅》一书。

近代物理的摇篮

1984年,年轻的曹则贤在大学物理书上第一次读到黑体辐射,内容一笔带过、用了不到两页纸,让懵懂的他觉得这只是诸多物理概念中的一个。

十几年过去了,他从德国博士毕业回国,在中国科学院物理研究所开展科学研究并教书育人。随着工作的深入,他深觉黑体辐射“兹事体大,非容轻议”。

曹则贤把黑体辐射称为“近代物理史上一只会下金蛋的鹅”,因为它引出了量子力学、固体量子论、受激辐射、量子统计、玻色-爱因斯坦凝聚等一系列重要的物理概念。

“过去,我读到的课本把普朗克描述为一个拟合别人实验曲线的‘革命者’,他最先引入了量子的概念,从而开启了量子力学时代。但事实远非如此。”直到曹则贤在2008年读到了文章《普朗克——违背意愿的革命家》,才明白普朗克到底推导了什么。

更重要的是,曹则贤意识到“黑体辐射问题是近代物理的摇篮”。

荷兰物理学家洛伦兹说,黑体辐射是“近代物理最美的理论之一”。其研究热潮兴起于19世纪中叶,源于响应工业应用需求。众多物理学先驱都进行过理论或实验研究,比如普朗克、洛伦兹、爱因斯坦和庞加莱等。其中,爱因斯坦在20多年的时间里,从多角度推导过且产出最为丰硕。

曹则贤尽可能多地阅读了关于黑体辐射研究的关键原始文献,深受触动,这也让他起心动念,分享黑体辐射的来龙去脉,以及它对物理学发展的影响。

在这列“车”上“遇见”物理巨匠

“黑体辐射研究是教授如何研究物理的绝佳范本,因为关于它历史进程的全部记录都在。”这是曹则贤写作和分享黑体辐射的原因之一。

全书共分为12章,总体上从历史视角回顾黑体辐射研究的进程,同时将紧密关联的内容放在一起做比较性诠释。

曹则贤希望,本书能帮助未来的物理学者养成4种习惯:历史-批判学习的习惯、关注物理学背后的历史和哲学的习惯、在未解问题中学习的习惯,以及在学习中解决问题的习惯。

为了帮助读者养成这些习惯,曹则贤在书中“藏”了玄机。

一方面,他尽可能多地提供了原始文献,并给出详尽的信息方便读者查询。比如讲到普朗克研究黑体辐射时,书中列出39篇普朗克的著述,帮助读者理解普朗克关于黑体辐射工作的内在逻辑,见识普朗克构造物理学的方法。

“重要文献在正文中被提及时给出,这可以增加关键文献被正视的机会。”曹则贤告诉《中国科学报》。黑体辐射的原始文献以德语为主,其次是法语和英语。曹则贤掌握英、法、德3门外语,因此他在书中给出了除英文以外的文献题目及引文的汉语翻译。

他希望读者能够主动学习这些文献,“尽管迈出第一步很艰难,但坚持就会有很大收获”。

另一方面,曹则贤几乎在每一章的最后一节,都增加了“多余的话”,这是他的思考和感悟。

对于曹则贤来说,整个读书写作的过程像是一趟旅程,在黑体辐射这列“车”上“遇见”一位又一位物理巨匠。曹则贤常把自己带入其中,感受他们当年所处的环境、所受的教育,以及各种经历,思考他们为什么能够成为大科学家。

没有代入感,自觉哪里来

“一个创造科学的人给你讲科学,你最好认真听。” 曹则贤多次强调要学习科学创造者的原著。

曹则贤在书中用7章的篇幅围绕一个关键进展展开,并基本以主要研究者命名其中的章节,包括维恩、普朗克、爱因斯坦、金斯、埃伦费斯特、庞加莱、劳厄、泡利、爱丁顿、博特、纳坦松、玻色、薛定谔等,讲述了每位科学巨匠研究黑体辐射的过程。

“过去的教科书中,有太多将不完美当作完美呈现给学生的例子。事实上,没有一个学问会从天而降。”曹则贤对此感到担忧,“剥离了历史和内禀逻辑以及创造者和创造过程的所谓关于科学的表述,学习者如何代入?一个学习科学时从来没有代入感的人,它成为科学家的自觉又从哪里来?”

曹则贤尽其所能告诉读者,这个问题最先出现在哪里、到底是谁干出来的、他是如何干出来的、怎么理解他,等等。

更重要的是,书中阐述了作出重大发现的黑体辐射研究者的思维与能力上的准备,“特别要学习他们是如何创造出这些知识的,他们是如何拥有让自然规律优雅地自动出现的本领的”。

“我们的大学教育的强度不够。”曹则贤反思道,这个“强度”,更多的是指教授内容的深度与广度。

他打了个比方,一家大饭店的菜单既要有让普通人吃得起的小菜和白米饭,也要有价码看着就让人犯晕的高档菜。

“吃不吃得起是顾客的事,但你得提供。不能只提供便宜小菜,还抱怨赚不到大钱。”曹则贤直言,学校提供的知识,除一般内容外,还要提供高水平内容,学生可以先学能学会的,当下学不会的,就当是先长点见识,说不定不久之后就豁然开朗了。

曹则贤希望读者读后能有一个感觉,“这是一个众多物理大师千辛万苦研究出来的理论,有些问题就连物理大师可能也不懂,年轻学生不但不会因此产生‘人人都会,怎么就我不会’的自我怀疑,反而更有兴趣地深入学习” 。

知乎上一名博士生曾听过曹则贤讲授黑体辐射,有一句话让他印象深刻:“当我们要追逐光明的时候,要去哪里找最佳的发光体?欸,对了,要到黑色材料中去寻找!”

 
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