各位年輕的朋友，大家好,，歡迎大家從今天起正式加入物理所,。

往年在這里給同學(xué)們做入學(xué)教育的都是物理所的著名科學(xué)家，甚至是院士,，今年安排我這種普通研究員來做這樣重要的報告,，也許是想給大家一個“反面教材”，從反面鼓勵大家,。希望大家珍惜這個機會,。

我們物理所出反面教材和正面教材是有傳統(tǒng)的。各位在國科大讀書的時候可能聽說過“中關(guān)村村長”吳寶俊博士,，那是我們所著名的“反面教材”先生,，他的博客非常有名。為了不讓反面教材給人一種“物理所人怎么談的不全是深刻物理”的錯誤印象,，他的同門師兄弟,、物理研究做得非常漂亮的張江敏博士針鋒相對地開了個博客，叫“正面教材”,，給你細細地講那物理之最微妙處,。咱們物理所的正面教材對大家有借鑒作用,，反面教材嘛，也不是哪兒都有的,。

各位作為佼佼者,，經(jīng)過了四年的大學(xué)本科和一年的研究生教育，信心滿滿地到這里來做研究,。但是非常抱歉的是,，我覺得到目前為止，在國內(nèi)受過大學(xué)教育和研究生教育后就掌握了像樣的數(shù)學(xué)和物理知識的學(xué)生幾乎沒有,。甚至客觀地說,，當(dāng)前中國的數(shù)學(xué)和物理教育連歐洲100年前的難度都達不到，而且是遠遠達不到,。于你,，于我，皆如此,。

我舉一個簡單的例子,。本科的時候我們學(xué)牛頓力學(xué)，知道在力的作用下粒子會加速運動,，加速度由牛頓第二定律給出,，那么請問關(guān)于粒子三維運動軌跡的數(shù)學(xué)描述，在大一的時候你學(xué)會了多少,？

對粒子運動軌跡的數(shù)學(xué)描述是由哪些人引入的呢,？一個法國人叫克萊羅(Alexis Clairaut)，他13歲時第一次向法國科學(xué)院 ( Académie fran?aise,  Institut de France 下面五個Académies 之一)遞交關(guān)于幾何曲線研究的論文,，16歲時提出曲線的描述需要“曲率”的概念,，18歲當(dāng)選法國科學(xué)院院士?？巳R羅提出,，在三維空間的運動軌跡，一條曲線,，除了需要法線,、切線的概念，還需要引入 binormal 的概念,，曲率是雙重曲率 (double courbure),。克萊羅是憑借關(guān)于曲線的研究18歲當(dāng)選的法蘭西科學(xué)院院士的,。這個法國科學(xué)院的院士有多大的含金量呢,，我告訴大家，居里夫人獲得兩次諾貝爾獎也沒有資格當(dāng)選，因為她學(xué)問不夠 (法國科學(xué)院1962年有了第一位女院士),。路易.德布羅意1924年在博士論文里提出物質(zhì)波的概念,，1929年拿到諾貝爾物理獎，但是直到1944年在他親哥的運作下,，德布羅意才當(dāng)上了法國科學(xué)院的院士。我們可以想象一下克萊羅和居里夫人或者德布羅意這個級別的著名科學(xué)家之間的距離,。

所以大家一定要對我們的將來要投入的這項事業(yè)——數(shù)學(xué)和物理——里面學(xué)問的深淺要有一點感覺,，這種感覺在很早的時候就應(yīng)該被培養(yǎng)起來。打個比方,，大家在上大學(xué)的時候可能讀過量子力學(xué),，知道里面有一個重要的概念叫泡利矩陣。這位泡利先生不光是量子力學(xué)干得漂亮,，而是他“高考”完了等錄取通知書的那個假期,，寫了兩篇論文奠定了他作為相對論專家的基礎(chǔ)。因此,，當(dāng)他大一開學(xué)到慕尼黑大學(xué)去報到的時候,，慕尼黑大學(xué)的著名教授索末菲（Arnold Sommerfeld）跟他說你已經(jīng)夠博士學(xué)位的水平了，但是按照德國的規(guī)定,，一個人入大學(xué)以后最起碼要經(jīng)過六個學(xué)期才可以申請博士學(xué)位,，你總不能在我這就晃悠(德語用詞是aufsitzen)六個學(xué)期呀，我給你找點活吧,。正好我接受委托要為德國數(shù)理百科全書寫相對論這一個專題,，而你這位同志今年也該有18歲了，你應(yīng)該是相對論這方面的專家,，所以這個事你來做吧,。于是剛上大一的這位泡利先生就開始撰寫相對論的review article，大三的時候正式發(fā)表,，到今天為止這個237頁的相對論的文本還是這個領(lǐng)域的經(jīng)典,。 請大家記住，這是出自人家大學(xué)一位大一的學(xué)生之手,。哪位會廣義相對論的請舉手,？ 順便說一句，千萬別以為學(xué)凝聚態(tài)實驗物理不需要懂一點兒相對論,。

各位如果覺得自己很了不起的話可以跟上面這兩位——一個數(shù)學(xué)還行,，一個物理還行的——比較一下，今天活動結(jié)束后有空找出泡利矩陣,，試試你能否看出泡利矩陣的代數(shù)結(jié)構(gòu)是什么,。泡利矩陣加上單位2×2矩陣恰恰就是相對論里面的距離公式，看你能看出來嗎？我們想一想,，那些都是歐洲高中和大一學(xué)生應(yīng)該學(xué)會的東西,，而今天在我們國家多少人象我這樣，可能教授當(dāng)了十幾年以后才突然看明白一丁丁點兒的,。 所以我想大家既然來到了物理所,，投身于物理這樣的一個基礎(chǔ)學(xué)科，希望大家抽空把自己的面拓寬一點,，有時候多往深里去理解一點,、去試一試水到底有多深，這樣可能會讓你能靜下心來安心地去做一點事情,。

回到剛才的話題,，為什么說我是一個“反面教材”呢，因為我的經(jīng)歷可能跟你們這些學(xué)霸都不一樣,。學(xué)霸是四年本科,，四年得博士的那種，有的用時更短,。我從本科開始到拿到博士學(xué)位,，中間一天未斷，一共花了15年,，中間經(jīng)歷的專業(yè)包括激光專業(yè),、凝聚態(tài)物理、理論物理,、表面物理,，從推公式、編軟件到自己畫圖紙,、加工機械都干過,。為什么我遭遇了這么多的折騰呢，我想可能是與個人本身的讀書動機不純有關(guān)系,。

我是80年代初的大學(xué)生,，那個時候生活跟現(xiàn)在不一樣，我們大學(xué)里除了少數(shù)家境特別好的外,，很多同學(xué)有挨餓的經(jīng)歷,。你不能指望一個挨餓的學(xué)生有多崇高的理想。所以我們本科的時候就想出國,，因為出國能吃飽飯,。

為了出國也就不在乎專業(yè)的挑選了，所以讀碩士時我從激光專業(yè)改到凝聚態(tài)物理,。當(dāng)時整個中國科技大學(xué)我就知道有那么一臺X光機,，還是人家地球與空間科學(xué)系的儀器，可以說做凝聚態(tài)物理的條件是很差的。各位今天在這里讀研,，大家要珍惜現(xiàn)在這么好條件的地方,，別光看著自己實驗室的那幾臺儀器，有空可以到物理所各個實驗室去轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),，感受一下世界領(lǐng)先水平的儀器設(shè)備,。話說我當(dāng)年做凝聚態(tài)物理條件那樣差肯定是不行的，所以我就轉(zhuǎn)讀理論物理博士,。理論物理博士沒拿到手的時候,，又有了到德國去讀實驗物理博士學(xué)位的機會，我就又去考實驗物理,，結(jié)果不得不轉(zhuǎn)到實驗物理，這個時候我的背景就很凌亂了,。這樣,，我在德國選擇論文方向的時候就遭遇了一個非常尷尬的情況。

那是1992年,，當(dāng)時我導(dǎo)師的實驗室就有四臺STM（掃描隧道顯微鏡）,，那個時候非常粗糙，基本上一星期也掃不出兩張圖,，其實已經(jīng)很了不起很幸運了,，但當(dāng)時我不知道啊。我導(dǎo)師當(dāng)時給了我四個方向,，讓我考慮一下挑一個,。可是那四個實驗方向我都不懂,，以前在國內(nèi)的實驗條件很差我哪個都沒做過,，我只能找我的德國師兄問。德國師兄說其中有一臺非常古老的表面分析儀器,，是光電子能譜加上一些等離子體加上質(zhì)譜,，前面一位師兄已經(jīng)在上面搗騰了六、七年還沒畢業(yè),，你只要不選它,，別的都挺好。于是第二天我就特別傻地跑去跟我導(dǎo)師說其他三個都行,，只要不選那個舊的表面分析儀器就行,。然后我導(dǎo)師說好吧，那就選這個舊的吧,。

唉,，你可以想象一下我當(dāng)時有多郁悶，后來這套儀器對我的沖擊有多大。那時候我們幾乎沒玩過儀器,，所以我還是用學(xué)理論物理的那套方式,，先去找相關(guān)教科書，搬了套九卷本的德語《電工電子學(xué)》回宿舍看,，結(jié)果那本書的序言里面的有一句話對我影響非常大,，我讀完以后就把這套書還給圖書館了。今天我也教給在座的,，“所有的電工電子學(xué)儀器,，（就是各位將來在實驗室會遇到的各種儀器，）不過就是以某種方式輸出電流和電壓” 你別管它叫什么名字,，不論叫STM,、AFM、光電子能譜什么的,，你別信它這些亂七八糟的名字,，它不過就是以某種方式輸出電流和電壓而已。也就是說,，各位在實驗室里拿到的圖譜不過就是某個儀器輸出的電流和電壓,。你拿到的是用計算機軟件畫成的圖，它和具體的物理之間的關(guān)系是需要你好好去琢磨的,。我們可千萬別把儀器輸出來的東西當(dāng)成物理,，各位要是這么做實驗物理的話將來就麻煩了。

我想各位可能還沒習(xí)慣于真正物理地思考,。比方說我們聊聊大學(xué)物理的知識,。各位可能不知道，大概這個世界上什么都有,，就是沒有溫度計,。所有溫度計的測量原理都是通過測量一個別的物理量，然后依據(jù)一個可能是扎實的,、也可能是不扎實的理論公式或者假設(shè)換算成一個數(shù)值,，那個數(shù)值你管它叫溫度。相當(dāng)多的人在做實驗的時候,，只看自己的儀器給出的“溫度”那一欄的數(shù)值，而不去理解溫度是什么,，最后吃了相當(dāng)大的虧,。與溫度有關(guān)的許多爛物理成果就是這樣產(chǎn)生的。

我聽說過一件有趣的事,。我們知道在物理所,，晶體生長是一個非常重要的方向,，因為我們研究凝聚態(tài)物理首先要獲得具有某種特定物理性質(zhì)的物質(zhì)，這種物質(zhì)可能不再是天然存在的物質(zhì),，而是需要通過我們的努力才能獲得的,。晶體生長是一個非常艱難又非常綜合的學(xué)科，其中有個關(guān)鍵的因素就是溫度控制,。我們從哪里獲取溫度、那臺儀器測量的數(shù)據(jù)憑什么叫溫度,、以及這臺儀器可能會造成哪些假的信號都會給我們的研究造成影響。那時我剛到物理所沒多久,，這一片還是小小的平房,，里面有生長晶體的儀器,。據(jù)說有一段時間某種晶體怎么都生長不好，但是各種條件都控制得很好呀,，大家很努力折騰了半年去找原因，最后發(fā)現(xiàn)是因為院子里的野貓把那個測量溫度的熱偶給扒拉得移動了位置,。我想當(dāng)事人可能很崩潰,，做夢也沒想到會是這個原因。所以在這里我提醒大家一點,，在實驗室干活的時候，千萬不要認為那些儀器都是一個黑匣子,，它輸出說這是原子圖像你就覺得那是原子圖像,，它說這是溫度你就認為是溫度，那不是一個物理學(xué)家應(yīng)該具有的認識,。做實驗的正確態(tài)度是,，你一定要努力做到你用的那個儀器對你來說是透明的。一套儀器在你面前,，從它的物理原理到它的電子學(xué)結(jié)構(gòu)到它工作的整個物理過程,，到它的理論解釋對你來說應(yīng)該是透明的，那個才叫做實驗,。

我想起來還有一件最重要的事情,，是我自己特別尷尬的事情。我從1982年入大學(xué)讀物理,，到2001年在物理所拿到研究員的位置,，也就是所謂的物理教授,，但我大概是2007年才突然有一天想起來問自己一個問題，什么是物理,？我很惶恐,。當(dāng)時為什么會想到問這個問題呢？因為我碰巧遇讀了一本書叫《什么是數(shù)學(xué)》,，讀完這本書才啟發(fā)我去問什么是物理,。

這本《什么是數(shù)學(xué)》的作者柯朗(Richard Courant)大家可能聽說過，年輕時在德國的哥廷恩大學(xué)工作,。大家知道哥廷恩大學(xué)里面牛人有多少嗎,？比方說那個最著名的愛米·諾德（A．E．Noether）女士，她1918年5月18號發(fā)表了一篇文章《論變換的不變性》,，從此世界上才算正式有了理論物理這個學(xué)科,，這位優(yōu)秀的女士是哥廷恩大學(xué)的第一位女講師。其他的有大數(shù)學(xué)家希爾伯特(David Hilbert),，克萊因(Felix Klein)等,。柯朗在哥廷恩大學(xué)也就是個講師,，德國納粹上臺以后他逃到了美國,，就是這樣一個德國普通大學(xué)里的講師奠立起了美國的當(dāng)代數(shù)學(xué)，建立了柯朗數(shù)學(xué)研究所,。他為了在美國推廣數(shù)學(xué),，努力咬牙寫了一本書，叫《什么是數(shù)學(xué)》,，希望能給所有人關(guān)于數(shù)學(xué)的一個全景介紹,。這本書的一個非常重要的特點，就是它用最淺顯的語言講最深刻的東西,，但是它并不試圖去回答什么是數(shù)學(xué),，作者就是努力勾引你去把這本書看完。因為如果你能把這本書看完,，你就對什么是數(shù)學(xué)有一個自己的回答,。所以我覺得這本書光從組織方式來說，都是特了不起的一本書,。

這本書就勾起了我細想什么是物理,。法國人寫過《什么是電影》，托爾斯泰寫過《什么是藝術(shù)》,，我們中國的百度網(wǎng)站上也有人說什么是醫(yī)學(xué),，那位作者說“醫(yī)學(xué)是一門什么都不確定的科學(xué)和什么都可能的藝術(shù)”。這話有理,，如果你生病了去醫(yī)院,，很少會有醫(yī)生能說清楚你到底得的什么病,，這個病的病理到底是什么——什么都不確定。

參考這句話,，我覺得可以給物理學(xué)一個定義：物理學(xué)是一種什么都想理解的渴望,，或者是一種野心——在理解的基礎(chǔ)上，人類還憑借物理學(xué)創(chuàng)造,。

今天我們生活在一個用技術(shù)支撐起來的高度發(fā)達的社會,，而支撐我們這個社會的高度發(fā)達的技術(shù)，如果仔細檢查一下,，會發(fā)現(xiàn)它們的基礎(chǔ)差不多都是物理學(xué),。比方說，今天地球表面有70多億人口,，還能吃飽飯,，那是因為有化肥。發(fā)明合成化肥的方法當(dāng)然是化學(xué)家的事情,?？墒悄阒喇a(chǎn)生化肥最關(guān)鍵的是催化反應(yīng)，那里是物理發(fā)揮作用的地方,。還有我們使用的手機,，里面處處都用到物理學(xué)的基本知識。

那么物理到底來自于哪兒,？《生活大爆炸》里Sheldon博士說大約開始于公元前600年前的某個仲夏夜,。我想他可能指的是這位古希臘的米洛斯島上的先知泰勒斯。

泰勒斯有一天突然明白了,，這個世界并不僅僅是由神控制的，而且是人可以理解的,。我想這應(yīng)該不僅是看做物理學(xué),，也可以說是人類主動性認知的起源。從那時起,，物理學(xué)就一直在往前艱難的前行著,。物理學(xué)經(jīng)歷了差不多2600年，到今天才大約有一點點科學(xué)的味道,。如果你用物理學(xué)的標準去看某些別的學(xué)科,，鮮少有能達到“科學(xué)”的高度。

那么物理到底是個什么樣的事業(yè),？唐朝的杜甫老師給了一個非常簡單的定義“物理固自然”——物理就是關(guān)于大自然的事情,。 在西方語言里“physics”這個詞源于希臘語φ?σι?，也是“自然” 的意思,。這些都注定了物理學(xué)所關(guān)切的現(xiàn)象就是這個大宇宙里面發(fā)生的任何事情,。所以大家千萬別把自己的眼界就是限制在所謂的“凝聚態(tài)物理”,，不要以為你學(xué)凝聚態(tài)物理，氣體理論,、等離子體物理就可以不懂,。物理所的等離子體方向死了是一件非常可惜的事情,，物理所有很多人在從事各種氣相法生長薄膜,，爐子里面在點燃著等離子體，可相當(dāng)多的人一輩子也不懂啥是等離子體,，就在那兒瞎忙活,，這其實很可惜的。物理學(xué)的性質(zhì)是用思想去理解世界,，認識世界,、創(chuàng)造生活，它的研究對象是everything,，所以說不管對自己將來的研究,、還是對自己的認知，都不要首先去加一個莫名其妙的限制,，你一定要記住一個物理學(xué)家,，它的研究對象是這個宇宙里所有的存在。

如果從空間尺度上來說,，也能注意到物理學(xué)的野心,。它研究的內(nèi)容大到整個宇宙，小到世界上最小的存在——中子和質(zhì)子里面的夸克結(jié)構(gòu),，甚至更小,。到目前為止，物理學(xué)家觸手去碰到的尺度,，小到這一次的所謂的“引力波探測”——把手伸到了10^-21米的分辨率,；大到目前我們號稱能夠觀測的范圍大約是65億光年，大家可以想象這有多大的范圍,，這是物理學(xué)家伸手觸碰的空間尺度,。

在時間尺度上，物理學(xué)既研究宇宙的整個歷史,，也研究發(fā)生在很短時間內(nèi)的事件,。從整個宇宙誕生到現(xiàn)在一共約137億年，一直到目前為止物理學(xué)家能夠拍電影做視頻的時間尺度是10^-15秒?，F(xiàn)在我們的脈沖光學(xué)在光學(xué)實驗室能夠?qū)崿F(xiàn)的脈沖是10^-18秒的量級,。當(dāng)然，理論物理學(xué)家會走得更遠,，他們把時間最小的尺度又延伸到10^-21秒,。

我們研究最微觀的世界,，可能需要的是最宏觀的關(guān)于整個宇宙的知識。所以西方物理學(xué)界給物理學(xué)一個形象——貪吃蛇,。貪吃蛇的蛇頭,，就是宇宙層面上的物理問題,；蛇尾,，是基本粒子層面上的物理。最宏觀的頭,，銜著它最微觀的尾巴,。

在這樣一個彼此關(guān)聯(lián)又相互獨立的領(lǐng)域中,，我們對自己所做的事要有認知。比如說導(dǎo)師給你個樣品,，你掃了一個莫名其妙的譜然后不管結(jié)果對不對,，交給導(dǎo)師就完事了，這是最低層面的基本認知過程—啥都沒獲得,。 高層面的認知有一個很重要的能耐,，就是能夠預(yù)測。狄拉克曾思考怎么把X²+Y²分解成(αX+βY)²的形式,，這在我們的數(shù)學(xué)老師看來是不可能的事情,，但狄拉克就愣是把它分解成了完全平方項，從而構(gòu)造出了相對論量子力學(xué),，知道相對論波函數(shù)應(yīng)該是四分量的,，然后就預(yù)測到這個世界上存在反粒子。再舉一個例子,，研究中子分裂成質(zhì)子加電子的過程中,，人們發(fā)現(xiàn)動量和能量有點不守恒，許多人要因此放棄動量守恒和能量守恒,，又是剛才那位年輕的天才泡利說 （大意）“我堅信物理學(xué)遵守能量和動量守恒,。如果能量、動量不守恒的話,，那一定有一個調(diào)皮搗蛋的家伙給帶走了一部分，而你不知道,，你看不著它而已,。” 于是,，泡利預(yù)言了中微子的存在,。像這樣通過理論進行預(yù)測的物理學(xué)家，才是了不起的大家,。

但還有人比這水平更高,，用簡單的一個原理就構(gòu)造了一整門科學(xué),。現(xiàn)在網(wǎng)上有一些很流行的話，比如 “任何不以結(jié)婚為目的談戀愛都是耍流氓”,，但是這種表達方式恰恰就是我們熱力學(xué)奠立的最根本的基礎(chǔ),。如果大家有能力去讀1824年卡諾建立熱力學(xué)的第一篇法文文章，你會發(fā)現(xiàn)卡諾原理就是最基本的一句話“任何不以做功為目的的熱傳導(dǎo)都是浪費”,，這句話是熱力學(xué)最根本的原理,。這個原理出世十年以后，才有克拉珀瓏在1834年讀懂了,，畫出了卡諾的理想熱機的循環(huán),。他在這篇文章的最后還隨手甩了一句話，說“如果對于任何一部熱機,，不以做功為目的的熱傳導(dǎo)都是在浪費的話,，那么灶上面那個正燒開水的壺，它最大的浪費的地方不在壺里面,，而在爐子和水壺的交界處,。” 而這樣一句話等了約50年以后才終于被一位工程師狄賽爾(Rudolf Diesel)讀懂,，如果最大的浪費是在爐子和灶的界面上,，那么好的熱機就不應(yīng)該把爐子架在灶上，而應(yīng)該是把灶建到爐子里面,，從此我們的世界上有了內(nèi)燃機,。這些人才是真正的有大學(xué)問的人，這些學(xué)問才是物理學(xué)里面最該學(xué)到的東西,。

現(xiàn)在社會上有人提到了學(xué)物理也要學(xué)人文,，好像物理不是人文似的，好像他們知道學(xué)物理的該怎樣也學(xué)人文似的,。其實物理學(xué)家天生就應(yīng)該是哲學(xué)家,，看起來不像哲學(xué)家的人也不好意思說自己是物理學(xué)家。為什么呢,？因為從一開始,，按照安得洛尼柯把亞里士多德關(guān)于這個世界的一些思考分成了兩部分編成了書，前面一部分都是關(guān)于自然的就叫Physics,，后邊一部分,，大概有一點胡說八道的就放到Physics后面，叫Metaphysics (字面上就是物理后),，被中國人翻譯成了形而上學(xué),。Metaphysics到了19世紀，經(jīng)過康德把里面的神學(xué)內(nèi)容抽取了以后才有了哲學(xué)。現(xiàn)在歐洲相當(dāng)多的大學(xué)里面,，當(dāng)你獲得一個物理博士的時候,，拿到的還是自然哲學(xué)博士學(xué)位 (By the way, 鄙人很榮幸地拿到一個自然哲學(xué)博士學(xué)位)。所以如果大家覺得自己的熱力學(xué)許多內(nèi)容不知從哪里來,，尤其什么絕對零度不能達到的等等,，你去讀讀康德的《純粹理性批判》，我負責(zé)任地說康德比你們的物理老師清楚,。這里我還想提醒大家一句,，我在復(fù)旦的哲學(xué)大講堂上跟學(xué)員們解釋，不要把哲學(xué)家康德理解成某些地方哲學(xué)系里的教授,，哲學(xué)家康德首先是個數(shù)-學(xué)-物-理-教-授,  professor of mathematical physics,。

物理學(xué)的一個很重要的功能是描述，描述就需要用語言,，而物理學(xué)最基本的語言是數(shù)學(xué),。其實數(shù)學(xué)和物理之間的interplay過去在相當(dāng)多的人身上是分不清楚的。比方說這位了不起的法國人龐加萊(Henri Poincaré),，他是法蘭西學(xué)院下面五個académie的院士,，是數(shù)學(xué)院士、礦物學(xué)院士,、語言學(xué)院士,、法學(xué)院士和académie fran?aise的院士 (休息十分鐘, 膜拜下！),。愛米·諾德女士只是一個講師,，她爸爸是著名的數(shù)學(xué)教授，她在哥廷恩大學(xué)跟著希爾伯特,。我前面說過她1918年5月18日發(fā)表的那篇論文《論變換的不變性》奠立了整個近代理論物理的基礎(chǔ),。各位如果想把物理學(xué)明白，尤其是理論室的同學(xué),，有空的話好好去琢磨那些群論啊,、規(guī)范場到底都在說什么，其實就只有一件事情：物理學(xué)研究的是變化里面的不變性,。人家這篇數(shù)學(xué)論文簡單的一個題目,，就把物理學(xué)的關(guān)鍵思想給說清楚了。

但是要求物理學(xué)家跟數(shù)學(xué)家一樣去學(xué)會那么多數(shù)學(xué),，確實不是一件容易的事情,。據(jù)說希爾伯特說過一句有名的話“物理對于物理學(xué)家來說實在是太難了！”他為啥這么說呢,，因為他知道物理需要用到很多數(shù)學(xué)，而那是物理學(xué)家難以掌握的。但是大家也不要因此就覺得自慚形穢,。反過來我們也可以說,，關(guān)于方程—或者關(guān)于數(shù)學(xué)—的美還真不是數(shù)學(xué)家能看出來的。真正美的數(shù)學(xué)一定是反映了我們這個真實的物理世界,，那還真得要用物理學(xué)的眼光才能看出來它美在哪兒,。

我們本科時候基本上學(xué)過的方程就是這些，從簡單的牛頓力學(xué)經(jīng)過理論力學(xué)的哈密頓雅可比方程,，就可以湊出一個量子力學(xué)的薛定諤方程,。此外還有簡單的微分1-形式的熱力學(xué)主方程，電動力學(xué)的麥克斯韋方程組,，由其而來的狹義相對論,； 量子力學(xué)除了薛定諤方程，處理電子的問題有泡利的兩分量形式和狄拉克的四分量形式,，另外還有一個獨立的廣義相對論,。但是我相信我們的大學(xué)本科好像沒能夠提供這么多的課，至少我上大學(xué)時沒學(xué)到這些,。同學(xué)們?nèi)绻X得自己還欠缺一點的話,，平常工作的時候手邊隨手帶本書慢慢補一補。

除了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不夠外,，我們的教育欠缺的,，還有一些思維方式的不同。比方說了不起的天才麥克斯韋（James Clerk Maxwell）,，據(jù)說十二三歲的時候也被父親攆去從畫雞蛋開始學(xué)畫畫,，但蛋實在是太難畫了。達芬奇因為擅長畫所以堅持畫了下去,，許多人不會畫呢就干脆不畫了,。可是,，恰恰麥克斯韋想的是,，如果先把這個雞蛋的方程寫出來會不會就好畫一點了？這是一種思維方式的不同,，換個角度去思考,。那么怎么畫雞蛋的方程呢？先從一個近似的形狀橢圓出發(fā),，橢圓方程是L1+L2=C,，可是如果只把橢圓的方程看成這個數(shù)學(xué)方程L1+L2=C的時候, 你就把它物理的內(nèi)涵給丟掉了。這個方程正確的寫法應(yīng)該是1*L1+1*L2=C,，這個“1”是不可省掉的,，因為這兩個“1”告訴了我們橢圓關(guān)于兩個焦點的對稱性，決定了橢圓的兩側(cè)一樣大，所以只要把其中一個“1”給賦予不是1的數(shù)值,，畫出的圖像就一頭大一頭小了,，那就是雞蛋的方程。麥克斯韋在13歲的時候很輕松地寫出這個方程L1+a*L2=C, a只要不等于1雞蛋就一頭大一頭小,。所以他爸特興奮,，求一個數(shù)學(xué)教授把這個結(jié)論寫成論文提交給了蘇格蘭皇家科學(xué)院?；始铱茖W(xué)院樂瘋了,，有數(shù)學(xué)家能寫出卵形線方程來了，我們一定要請他來作報告,。第二年春天科學(xué)院門口,，一輛小馬車送來了一個穿花格子呢裙子的小男孩。今天各位是我們拿大轎車給請到物理所來的,，期待各位什么時候也可以給我們作個關(guān)于某個重大發(fā)現(xiàn)的科學(xué)報告,。我等大家，耐心地,。我拿自己的工資請你,，請你不要嫌少。

麥克斯韋這樣一個了不起的人,，當(dāng)他成年進入物理學(xué)研究的時候做出了更多的貢獻,。我們都知道的電磁感應(yīng)定律，四個定律都是左邊一項右邊一項,，但是當(dāng)麥克斯韋把這四個方程寫在一起的時候,，他就知道這個方程從數(shù)學(xué)本質(zhì)上來說哪里不自洽了。于是他在第四個方程的右邊,，加上了一項,，就是所謂的位移電流。位移電流的加入讓楊振寧先生都覺得特別癡迷,，所以前年楊振寧先生在93歲的高齡還專門寫了篇文章探討麥克斯韋加上位移電流這一項的時候到底是怎么想的,，大家可以去好好讀讀。當(dāng)然麥克斯韋不僅僅會推推公式,，他還做實驗,，不光給出了三原色理論，并且在物理上驗證,。人類的第一張彩色照片就是他拍出來的,。

物理學(xué)家是天生的語言學(xué)家。了不起的英國人托馬斯·楊(Thomas Young)給出了雙縫干涉的解釋,，但他的職業(yè)是醫(yī)生,，業(yè)余當(dāng)個物理學(xué)家,。以后你們學(xué)固體物理、彈性力學(xué)的時候會遇到更多關(guān)于托馬斯·楊的發(fā)現(xiàn),。當(dāng)歐洲的強盜們在埃及挖出一塊黑乎乎的石頭（羅塞塔石碑）上面有三段古文字的時候,，那是古希臘古埃及文字，誰也不認識,，他們沒有去找語言學(xué)家，而是來請教這位物理學(xué)家,。我們熟悉的哈密頓量對應(yīng)的那位Rowan Hamilton先生,，大約在13歲到14歲的時候就學(xué)會了從英倫三島各種方言、經(jīng)歐洲大陸的語言,、小亞細亞的語言,、阿拉伯語、波斯語,、一直到印度語,。后來，他突然明白了歐洲的語言是從印度北面來的,，于是提出一個重要的語言學(xué)概念,，叫印歐語系。這些奇跡,，都是人家的物理學(xué)家在十幾歲時做下的事情,。

物理學(xué)家一定要養(yǎng)成思考的習(xí)慣。說起薛定諤,，我們學(xué)物理人想到的是薛定諤方程,，很多社會上的人科普看多了，提起薛定諤就想起了薛定諤的貓,。但是薛定諤的貓是他1935年那篇論文里講述如何建立起微觀狀態(tài)的宏觀對應(yīng)物或者標簽的,，根本不是那些科普作家寫的東西，各位同學(xué)如果想談?wù)撗Χㄖ@的貓,，一定要花時間去讀人家1935年那篇論文的原文,。我們始終錯誤地以為薛定諤是一位物理學(xué)家，其實薛定諤首先是一個文化學(xué)者,，他為了把古希臘文化帶到德語文化里面花了大量功夫,，并且因為保護法國南部普羅旺斯（Provence）的詩歌，還獲得過聯(lián)合國教科文組織的大獎,，做物理對他來說有點業(yè)余的意思,。當(dāng)他1944年在蘇格蘭住著的時候給了六個講座，攢到一起寫了本小書叫《what’s life》,，他想到的是生命和無生命物體到底區(qū)別在哪兒,。作為物理學(xué)家他做了兩個簡單的預(yù)言：一,、生命一定存在能夠存儲信息、傳遞信息的一個東西,，后來證實了生命的確有DNA,，別人因此獲得了1957年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。二,、如果存在傳遞生命信息的東西,，首先它不能是晶體，因為晶體能編碼的容量很小,，同理它也不能是氣體和液體,，所以說它一定是個準周期的(aperiodic)結(jié)構(gòu)。1984年Schechtman在鋁錳合金里面發(fā)現(xiàn)了準晶結(jié)構(gòu),，因此獲得了2011年的諾貝爾化學(xué)獎,。這才是一個物理學(xué)家對世界的影響, 對其它學(xué)科的影響。

物理學(xué)家作為一個思想者,，若以“華山論劍”來評價物理學(xué)家,，如果到最高層次上我還在跟你拼力氣的話，那就丟人現(xiàn)眼了,。 高手只要比劃兩下,、放下幾句話就足夠了。最高層面的物理學(xué)家不應(yīng)該是解決問題的,，而是發(fā)現(xiàn)問題甚至是去制造問題的,。諾貝爾獎得主萊德曼（Leon Max Lederman）有一句很有名的話，“如果宇宙是答案,，那么關(guān)于這個宇宙的問題是什么”,，如果不是把物理學(xué)做到相當(dāng)深刻的層面，是想不出來問“關(guān)于宇宙的問題是什么”的,。我們化學(xué)所有一位年輕的院士,，做親疏水、親疏油的工作,，在發(fā)了一堆nature,、nature materials后，有一天他才提出了一個問題“魚為什么在多么臟的水里都是干凈的,？”,，這個問題你會錯誤地覺得很淺顯，但是如果不是把學(xué)問做到那個份上,，你永遠想不起來這個問題,。大科學(xué)家的最高境界是發(fā)現(xiàn)問題甚至是制造問題，因為如果要提出一個有真正科學(xué)價值的問題的話,，需要你一定要把科學(xué)做到一定的境界,。大家可以慢慢培養(yǎng)這種能力,。

但是光說不練是假把式，真正的物理學(xué)家還應(yīng)該是實踐者,。我們知道電磁學(xué)存在屏蔽現(xiàn)象,，可是你敢不敢穿著金屬絲編的T恤，外面加一個大金屬殼,，中間加50萬伏高壓坐在這兒思考,？

物理學(xué)可能是來自生活的一個簡單的問題，但這其中要灌入我們的思考才可能產(chǎn)生真正的物理學(xué),。物理是一門積累的學(xué)科,，所以各位一定要耐心，我們不能像人家做生物的,，進實驗室兩個月學(xué)會基本技能過兩年發(fā)幾篇nature，或者說學(xué)編程的,，學(xué)的東西三年不用基本上就廢了,。物理學(xué)是一門積累的學(xué)科，此前發(fā)展的物理學(xué)包括那些錯誤的東西都有用,，所以說我們學(xué)物理的人不能急切指望成才,，而且物理學(xué)本身的進展也要求不能急功近利。

我講一個簡單的問題,。愛迪生發(fā)明了電燈,，燈泡燈絲只能用碳絲和鎢絲，因為碳絲和鎢絲最黑,，那么為什么我為了尋求光亮反而去找最黑的物質(zhì),，這里面就不僅有哲學(xué)問題，還有物理問題,。物理學(xué)家就去研究黑體輻射 (黑體輻射曲線當(dāng)然該是煉鋼爐的產(chǎn)物),，根據(jù)實驗曲線，有個叫普朗克的熱力學(xué)老師就瞎湊了熵和內(nèi)能關(guān)系得出這樣一個公式,，從這個公式出發(fā)得出一個函數(shù)解就能和實驗曲線匹配好,。匹配完之后他又試圖去給這個東西找道理，他要用統(tǒng)計物理去得出同樣的公式,。大家知道統(tǒng)計物理玩的就是把N個球放到P個盒子里,，這些值永遠都應(yīng)該是整數(shù)，所以說他就要求U/hυ=N是個整數(shù),。結(jié)果,，用統(tǒng)計物理他竟然神奇地也得到了這樣的一個曲線，就是說從兩個完全不同的假設(shè)出發(fā)竟然能得到了同樣的一個很復(fù)雜的,、但是完美地擬合了實驗結(jié)果的函數(shù),，所以就必須去嚴肅對待U/hυ=N,。如果一個量除以另一個量等于整數(shù)的話，那除的那個量,，除數(shù),，就應(yīng)該是前者的單位，這最后竟然導(dǎo)出了能量有基本單元這個結(jié)論,。這就是能量的量子化問題,。

接下來導(dǎo)出了量子力學(xué),但量子力學(xué)也沒解決燈泡的發(fā)光發(fā)熱問題。1950年前后科學(xué)家把量子力學(xué)用到晶體上,，讓我們知道了什么叫導(dǎo)體,、絕緣體。知道了什么叫導(dǎo)體,、絕緣體,，就提出了半導(dǎo)體的概念。于是在60年代至90年代一直到現(xiàn)在我們都玩命去發(fā)展半導(dǎo)體科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù),。最簡單的半導(dǎo)體技術(shù)就是我們小時候抱著的那個收音機,，收音機干脆名字就叫半導(dǎo)體。在2000年前后,，我們終于做出了一個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),，把大量的能量都用來發(fā)光，發(fā)光了以后還挺涼的這樣一個冷光源,，解決了1850年前后遭遇的這個“發(fā)熱還是發(fā)光”的問題,。這是一個技術(shù)層面上提出的問題，灌入了物理學(xué)的思考后產(chǎn)生了量子力學(xué)這樣一門徹底改變了世界的學(xué)問,，用了150年左右的時間才終于解決了這個問題,。

所以說大家一定要記住，物理學(xué)不是急功近利的學(xué)問,。不管是物理學(xué)的進展,，還是對自己的培養(yǎng)，都得沉住氣,。就算我們沒有多大的野心,，也要對社會有所貢獻。那么學(xué)會一點物理,，哪怕是一個簡單的實驗,，對于社會都有很大影響。比方說,，第一屆諾貝爾物理學(xué)獎給的就是關(guān)于X線的發(fā)現(xiàn),，當(dāng)年居里夫人也開著救護車，在戰(zhàn)場上用X線給傷兵檢查,，居里夫人偉大的人格我們應(yīng)當(dāng)銘記,。還有后來的核磁共振,、CT掃描都是從物理實驗室搬出去的，學(xué)會一門實驗將來哪怕到一個大醫(yī)院工作其實也很好,。

物理學(xué)改變了我們的生活方式,。 在信息領(lǐng)域， 我們從簡單地把聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號再轉(zhuǎn)化成聲音信號(電話),，到我們有電感,、電容原件去玩無線電信號，再到光纖通訊,，一直到今天有互聯(lián)網(wǎng),。大家可能都聽說過互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)是起源于要給理論物理學(xué)家提供便利，因為粒子碰撞實驗產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),，每天用9針或者24針的打印機那要打印成卡車的數(shù)據(jù)運到理論物理學(xué)家門口,，讓他們計算。這逼得實驗室的工程師們不得不想辦法把實驗數(shù)據(jù)用電信號的形式傳遞到理論物理學(xué)家的辦公桌上,，這才有了EMAIL,。其實EMAIL好像在70年代初就有了，但是這個利用價值太大所以立馬被封鎖了,，直到80年代末90年代初才重新回到民間。中國的第一個EMAIL是1986年從高能物理所發(fā)出去的. 這些都是物理改變世界的地方,。

物理學(xué)也會改變我們的認知,。如果大家的物理理論水平不是特別高的時候，請大家一定要踏踏實實地替導(dǎo)師做一些簡單的事情,。 比方說這位夫瑯和費,，他是個孤兒，在一個玻璃廠工作,。他也沒有什么多少學(xué)問,。可是人家這地方有最好的玻璃,，聽說牛頓爵士說拿一個棱鏡對著窗戶就能發(fā)現(xiàn)光譜,，夫瑯和費拿最好的玻璃棱鏡對著太陽光一照，發(fā)現(xiàn)根本就不是什么紅橙黃綠藍靛紫的連續(xù)波帶,，而是上面有密密麻麻的各種暗線,。作為一個對物理不是很懂的一個人他能干什么？踏踏實實做事情,！他把這576條暗線的位置仔仔細細地都標清楚了,，從此以后才有了光譜分析的技術(shù)，人類發(fā)現(xiàn)新元素和分離新元素的速度才迅速提高起來,，然后有了新元素,，我們才認識到遠方的星星到底是什么,。比方說，我們太陽主要是由氫和氦組成,，這才有了人類能夠所謂認知遠方的能力,，而這些都來自于一個對物理幾乎不太懂的一個小學(xué)徒的努力。大家不要妄自菲薄,，就踏踏實實在這個地方,、在接下來的四年里面努力做好一件事情，可能就能夠奠定你這一輩子的成就,。

當(dāng)然了,，物理學(xué)讓人覺得很非常powerful，可是作為物理學(xué)家首先應(yīng)該是個人文學(xué)家,，要懂得物理學(xué)既是造福人類的東西,，也是一個作惡的工具。作為一個物理學(xué)家,，可能也在魔鬼與天使之間輾轉(zhuǎn),。大家可能聽說過，物理所和德國的弗里茨-哈伯研究所（Fritz Haber Institute）關(guān)系很好. 哈伯是一個了不起的帥哥,，他率先合成氨,，使得人類有了化肥才有了今天的繁榮。但是也是這位老兄首先開啟了化學(xué)戰(zhàn),。1917年第一次世界大戰(zhàn)快結(jié)束的時候,，他在法軍的上風(fēng)頭泄露了17瓶氯氣，造成了幾萬人被氯氣燒灼的殘忍場面,。他的做法讓他的妻子伊美娃(Clara Immerwahr)非常難以忍受,，最后選擇了自殺。 這就是一位在魔鬼與天使之間的科學(xué)家,。大家學(xué)物理的過程中一旦掌握了某些理論或技術(shù)的時候,，永遠記住物理學(xué)家首先做的是人，如果你沒有能力成為天使,，也千萬不要墮落成魔鬼,。

接下來我想說，學(xué)物理的過程中一定要想辦法把自己的知識整合得系統(tǒng)一點,。其實物理學(xué)的組織原則就是共軛,。想象兩頭牛的力量要往一個方向使，那么它們倆之間就因為這個共軛就有了一套關(guān)系,，這種關(guān)系就是我們物理學(xué)里面最需要理解的關(guān)系,。你會發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)是用這種共軛關(guān)系組成的。 每一對變量比如熵和溫度、體積和壓強,、表面能和面積等等都是關(guān)于能量共軛的,，而經(jīng)典力學(xué)、量子力學(xué)等其他地方的一對對變量都是關(guān)于作用量共軛的,，因此我們也就明白了為什么熱力學(xué)和其他力學(xué)完全不一樣的道理在于它的組織方式完全不一樣,。

當(dāng)然物理學(xué)本身有一些最基本的原理，比方對稱性原理,。這些原理不僅貫穿于物理,，它首先貫穿于存在。不管是對于蜻蜓,，還是這張臉,，對稱性才是它美的地方。對于這張臉來說,，對稱與否不過是漂亮不漂亮的問題,。可是對于蜻蜓來說,，兩側(cè)翅膀?qū)ΨQ不對稱性是性命攸關(guān)的問題,。這些也都體現(xiàn)在物理學(xué)的構(gòu)造上。

我個人認為,，“物理學(xué)是一條思想的河流”,。 說這句話我是受了馬赫的影響。有些不靠譜的科學(xué)史家總宣稱量子力學(xué)是一種革命,，還有什么相對論的革命,，但馬赫說的非常清楚，“物理學(xué)里面不存在革命,。如果你看到了革命,，那是因為你知道的少,?！?/strong>每一種思想都會在之前有人提及或者有它的前驅(qū)物。西方物理學(xué)家從歐洲的最簡單的神學(xué)思想,，認為世界是上帝創(chuàng)造的,，上帝創(chuàng)造用最少的動作，這就是least action principle,，不是我們漢語學(xué)的什么最小作用量原理,，它就是最少動作原理。懂得這個道理時,，然后就寫出作用量,，有這樣一個歐拉-拉格朗日方程，方程再往前推一步和量子力學(xué)結(jié)合時候才有所謂的量子力學(xué)第三種表述，即路徑積分的表述,，等等,。知道這些思想最起碼能幫助我們咬著牙也要把那些特別難啃的物理書讀完。

郭德綱有個相聲說得好,。 他說他很悠閑地說泡上一杯咖啡,，撒上點香菜，拿起一本英文報紙看,。搭檔于謙說英文報紙你看得懂嗎,？郭德綱的回答是，我當(dāng)然看不懂,，我要看懂我還看它干嘛,！這聽起來是個玩笑，其實對于我們在座各位學(xué)習(xí)的人來說有非常重要的啟發(fā),。 我建議大家一定要好好去多看那些看不懂的書,。一本書你看得懂，你看它干嗎,？你們現(xiàn)在在讀研究生,，時間那么緊，你們應(yīng)該整天忙著去看看不懂的書,。

我想可能會有相當(dāng)多的同學(xué)最后會走入非常壓抑的狀態(tài),，我本人就曾經(jīng)一直感到非常壓抑，就是發(fā)現(xiàn)物理實在太難了,，真學(xué)不懂啊,。不過，直到1993年的某一天我讀了一句話就放寬心了,。1990年左右兩個化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了室溫核聚變,。室溫核聚變啊，如果是真的我們士兵扔的手榴彈就都是氫彈,，大家想想這個局面有多嚇人,！室溫核聚變這篇文章發(fā)出來以后，全世界的物理學(xué)家就跟蒼蠅似的烏泱泱地撲上來做室溫核聚變,，做了兩三年也沒有進展 (最后就是個大烏龍),。大家知道室溫下化學(xué)反應(yīng)，每一個事件對應(yīng)的典型能量是電子伏特,，核聚變每一個事件的典型能量是10^7電子伏特量級,，那是十倍百倍的兆電子伏特，這中間光能量上都差六七個數(shù)量級,。從溫度的角度上來看,1電子伏對應(yīng)11600度,，你想想這和室溫差多少量級怎么可能有室溫核聚變,。可是多數(shù)物理學(xué)家不懂啊,。最后有一位德國馬普所的物理學(xué)家就做了一個非常重要的總結(jié)性評論,，說 “大家也不要覺得很奇怪嘛，其實這個世界上80%的物理學(xué)家根本不懂物理”,。其實在座的將來如果能有20%能成為懂物理的物理學(xué)家,，那都是奇跡了。所以說對于物理學(xué)這個行當(dāng),，大家一定要放寬心,，千萬不要因為過兩天學(xué)不會物理，然后你就郁悶地跟自己的導(dǎo)師著急,、跟研究生處的老師著急,、甚至想練練跳樓—不值得！請大家一定要記住,，物理學(xué)是一門80%的物理學(xué)家都根本不懂的學(xué)科,，不是說你們這些剛踏進門檻的物理博士生，人家說的是那些有頭有臉的外國名校大教授可能也許大概根本就不懂,，所以請大家千萬不要為此太傷心,。不懂就不懂吧，好好地踏踏實實做點事情,，畢業(yè)了就行,。

相當(dāng)多的人認為學(xué)物理很難，比方說有人老跟我抱怨說量子力學(xué)難,?？墒谴蠹胰绻娴亩肆孔恿W(xué)以后，好好看看量子力學(xué)內(nèi)容的導(dǎo)入,，不管是薛定諤方程,、自旋的描述、對光譜的理解,，等等,，所有的東西每一項都來自于經(jīng)典力學(xué)。大家想想一個最基本的事實,，創(chuàng)造量子力學(xué)的人手里只有經(jīng)典物理,，所以量子力學(xué)骨子里頭全是經(jīng)典物理學(xué),，沒有別的,。如果你覺得量子力學(xué)難，那就難在你沒學(xué)會經(jīng)典力學(xué),，你經(jīng)典力學(xué)根本就不會量子力學(xué)當(dāng)然看著難了,。為什么歐洲那些創(chuàng)造經(jīng)典力學(xué)的人不覺得量子力學(xué)難，像泡利似的高考完了就是世界頂級物理學(xué)家了。泡利看相對論也不難,，因為他中學(xué)就學(xué)了協(xié)變形式的經(jīng)典電磁學(xué),，你別告訴我你沒聽說過協(xié)變形式。對于21世紀的人,，尤其是我們在座的將來要拿物理學(xué)博士的人來說,，物理學(xué)知識真的應(yīng)該是我們的標配，所以希望大家在物理所有這么好的條件,，在接下來這幾年的時間里好好做論文,，該戀愛戀愛該結(jié)婚結(jié)婚，但是別忘了一件最重要的事情,，多少花點時間學(xué)一點點兒物理,！