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科学研究从本科开始 精选

已有 7266 次阅读 2020-7-25 09:29 |个人分类:谈点正事|系统分类:教学心得| 本科生科研, 物理学家

爱因斯坦说过,一个人在30岁以前没有取得科学上的大成就,将永远都不会有了。(A person who has not made his great contribution to science before the age of 30 will never do so.)量子力学奠基人之一狄拉克也觉察到大多数伟大的物理学家在30岁以前就完成了他们最出色的研究工作。据克莱格和埃文斯著《十大物理学家》(Ten Physicists),狄拉克曾经跟海森堡(与狄拉克相当的量子力学奠基人)开玩笑,当他达到这个年纪时将“不再是一名物理学家”。

心理学家西蒙顿(Dean Keith Simonton)通过调查历史上近两千名科学家后发现,数学家、生物学家、物理学家和化学家获得成就的平均年龄分别为27.3岁、29.4岁、29.7岁和30.5岁。这项发现竟然令人惊讶地与两位物理学家的观点高度一致。不过,老文注意到“获得成就”与取得great或最出色成就还是有区别的,也许指的是“首秀”,比方说发表第一篇论文。如果是这样,那就说明科学研究也符合三十而立的法则。

不管怎样,30岁看来是道坎。如果我们也想取得科学上的大成就,应该从什么时候开启科研呢?如果相信“十年磨一剑”的金科玉律,那么依此倒推,20岁左右必须开始“磨刀霍霍”了。翻阅科学史,不难发现,有史以来最杰出的物理学家们的科学研究正是从本科甚至更早时候开始的。

如何确定有史以来最杰出的物理学家?老文从大学排行榜得到启发:大伙公认,不管怎样的排行榜,一所大学如果总是位于前十,那么这所大学定是世界之最。1999年,《物理世界》杂志对100余名一流物理学家进行问卷调查,评选出了有史以来10位最杰出的物理学家。2013年,《观察家报》依据在多大程度上推动了人类对宇宙的认知和理解的判断准则,推出了一份史上“十大物理学家”名单。同时入选两份名单的物理学家有8位,按出道时间先后,分别是:伽利略,牛顿,麦克斯韦,卢瑟福,爱因斯坦,玻尔,狄拉克,费曼。

伽利略(1564~1642)被称为“现代科学之父”、“科学方法之父”,意味着如果说伽利略在大学期间就做科研,那么他还可得个称号:史上本科生独立科研第一人。事实上,伽利略值得这个称号,仅从“伽利略吊灯”故事可见一斑。这个故事说的是伽利略在读大学期间,通过观察和研究比萨大教堂的吊灯“随风飘摆”,发现了摆的等时性原理,这个原理成为后来惠更斯发明摆钟的基础。

牛顿(1643~1727)是毫无争议的在大学期间就潜心科研的人。若非如此,他在大学毕业前后一两年内的科研成果爆发从何而来?据牛顿晚年回忆,他“在这个时候发现了无穷级数方法”。特别是,他创造了科学史上的奇迹:发现微积分、光的色散和万有引力定律。“这一切是在 1665和 1666这两个疫症年代进行的,因为那些年代是我发现、思考数学和哲学的最佳年华。”

麦克斯韦(1831~1879) 最伟大的成就突出体现在以他名字命名的方程组中。因此,人们一般认为他是一位理论物理学家。他也坦言自己不是实验学家。但是,他在大学期间对实验抱有激情,加入了福布斯教授的科研实验室。他通过实验研究,发现偏振光通过退火的玻璃传播时会产生鲜艳的图案。这是光弹性法之始,今天仍被建筑工程师用来验证设计方案。作为本科生的麦克斯韦也写论文,初稿“读起来太艰涩,结构也很糟糕”,在福布斯教授的批评和指导下,“麦克斯韦开发了维多利亚时代科学家中最流畅的写作风格之一”。大学期间,麦克斯韦获得了攀登科学高峰所必备的基础训练。

卢瑟福(1871~1937)12岁就自学大学教授写的教材《物理学入门》,18岁进人新西兰坎特伯雷学院学习,大学期间正逢赫兹发现电磁波,他仿造了一台赫兹的设备,在地窖内开展无线电讯号收发的实验研究,并且有了新的发现。他因此获剑桥大学首批研究生奖学金,进人卡文达什实验室,成为人J.汤姆孙的研究生。

爱因斯坦(1879~1955) 读大学给老文的印象就是个逃课不逃学的极端典型。为弥补逃课的负疚感,他“以极大的热忱在家里向理论物理学的大师们学习”,“热情而又努力地在韦伯教授的物理实验室里工作”,“盖塞教授关于微分几何的讲授也吸引了我,这是教学艺术的真正杰作,在我后来为建立广义相对论的努力中帮了我很大的忙。”令人惊奇的是,他还对当时的热门前沿课题“运动系统中的电动力学”发生了浓厚的兴趣,这导致他几年后创立了狭义相对论。

玻尔(1885~1962 )“从早年起就是一个如饥似渴的书谜,还在大学读本科课程的时候,他就试着追踪物理学的最新进展。他对待科学的态度一丝不苟,以喜欢在教科书上纠错出名”。玻尔在哥本哈根大学准备毕业考试期间,完成了一篇关于水的表面张力的论文,其中包含了他做的详细的实验研究。他凭这篇论文获得丹麦皇家科学院的金奖。他在28岁左右完成3篇关于原子结构理论的论文。

狄拉克(1902~1984) 16岁开始进入布里斯托大学学习,23岁时成为量子力学的创始人之一。他大学读的是电机工程专业,但他把大部分时间花在物理图书馆里,思考基本的科学问题(he spent much of his time in the physics library, reflecting on the fundamentals of science)。与大多数学生不同,他不喜欢被人用勺子喂饱(spoon-fed),而更喜欢私下里学习,理想的情况是独自一人在图书馆里,在书和刊物的段落间来回穿梭,形成自己的链接和联想(links and associations)。

费曼(1918~1988)的科学贡献可能不像前面几位物理学家那样被本科生所知晓。知晓费曼的人大多因为他写的经典教材《费曼物理学讲义》。他17岁时进入麻省理工学院,最初想学数学,后又转到电气工程专业,但最终选择了物理学。他在大学期间,先后跟两位研究领域迥异的教授做科研,均取得成果并在《物理评论》( Physical Review)杂志发表,其中一篇里面有一个后来以他名字命名的公式(Hellmann-Feynman Theorem),进入了很多量子力学教科书,这当算得上本科生科研的一座高峰。

科学史表明,如果立志献身科学,那么尽早开启科研历程是十分有利的,可以说是一种真真切切的赢在起跑线上。正如《研究是一门艺术》(韦恩·C·布斯等人著)一书所写:“即使你无法想象现在做的研究可以改变世界,我们保证你及早的努力将让你稳步筑梦在踏实的路上。”老文时常听到一种观念:今后不从事科研工作的大学生就没有必要参与科研训练。这种观念害人害己匪浅。“学习做研究不会让你成为老师的复制品。它会改变你的思考模式,不过却是以一种赋予你更多思考模式的方式来改变你。你或许会变得不同,但你能更自由地去选择你想成为什么样的人,以及你以后想做什么事。”

 

参考书目

[1] 爱因斯坦,《我的世界观》

[2] 布莱恩·克莱格,罗德里·埃文斯著,《十大物理学家》(Ten Physicists)

[3] Graham Farmelo, 《The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom》

[4] 韦恩·c·布斯,格雷戈里·G·卡洛姆,约瑟夫·M·威廉姆斯著,《研究是一门艺术》

 




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