7.物理文化与物理教学

人类学家克拉克洪说过，集团的人员所共同拥有的某种观点、感受方式、信仰方式，这便是文化.中国科学院院士杨叔子，在中国科协2005年学术年会上呼吁：“没有人文科学教育，可能培养文盲、书呆子、机器人乃至刽子手；没有科学的人文教育，可能培养出科盲、精神病患者、狂人乃至毒枭.一个国家，一个民族，如果没有现代科学，没有先进技术，一打就垮；如果没有优秀文化传统，没有民族人文精神，不打自垮.”“这绝不是我们所希望的.”文化的概念有广、狭义之分.广义的文化几乎无所不包，人类后天习得的物质的、制度的、精神的东西都可以文化称之.从狭义的角度出发，可以将文化视为在一定空间及时间内社会成员习得的并为全体成员所共享的规范、价值观念、思想观念和行为方式的整合体.思想和理论是文化的核心、灵魂，没有思想和理论的文化是不存在的.课堂教学之所以是一种文化，是因为课堂教学不是单纯的知识传递，而是使学生既掌握知识和技能，又磨砺意志、陶冶情操、拓展视野、丰富生活经历、开发思维能力、发展个性和提高人文素养的过程.文化是课堂的重要养分.离开文化，课堂将成为无源之水、无本之木.因此，课堂中面临的问题实际上就是文化的问题.课堂文化是课堂教学中教师、学生、文本、环境等等各个要素之间相互联系、相互作用而产生的一种文化形态，是一个有机整体，它是发生在课堂教学过程中的规范、课程特色、价值观念、思想观念和行为方式的整合体.课堂文化是学校文化的一种表达形式，是学校文化的基础载体.良好的课堂文化氛围会促使学生逐步产生积极的学习情感、养成优秀的思想品质和行为习惯，形成民主平等、合作探究的文化意识形态.可以说，课堂文化是现代学校文化的最高境界.

物理学是科学，是关于自然界的科学.对这个定义似乎没有任何疑义，是普遍接受的最清晰的概念.自从伽利略、牛顿等物理先贤将物理学推进到他们那个时代人类对自然界认识的最前沿，几乎所有当时人类所关注的自然现象都得到了解释，理论回答了最深奥的问题，并且得到了广泛的应用，为社会作出无与伦比的贡献，也奠定了后来物理学发展的基础.自从牛顿将微积分引入到物理学开始，物理学已经超越了其他学科，成为理解自然界最合理的科学.事实上，物理学不仅要理解自然界，还要让自然界为人类造福.特别是近年来，在基础研究和广泛应用中，我们清晰地看到物理学已超越了人类的直觉思维方式，进而成为在逻辑和创新方面的尖端科学.然而，仅仅把物理学局限于一项专门的学术领域是远远不够的.多年前，郝栢林院士在一次演讲中指出：“物理是一种文化”！这将我们对物理学的认识升华到一个新的层次.

北京大学的穆良柱以“什么是物理及物理文化”为题，相当全面地论述了物理学研究的方方面面，他指出“物理学家信仰世界内部存在普遍联系”，而物理学就是研究这些关系的科学.这种观点虽然有些极端，但表达了物理学家的一种倾向.

我们炎黄子孙都浸润在孔孟文化中，我们民族的一切美德也来源于此，至少部分于此.我开始并没有意识到孔孟文化这么深地埋藏在我们灵魂的最深处.而且，文化并不完全是通过学习，读书培养出来的，它是通过潜移默化，从各种渠道渗透到我们的思维体系中.

为什么说物理是一种文化呢？物理不仅是知识而且是一种思维方式，是一种文化.这是因为如孔孟文化渗入华夏子孙的灵魂一样，物理学的思想深入到每个物理学家的灵魂，指导他（她）在任何工作和思维中采取的立场和方式，这种指导是潜移默化的，你可能都感觉不到它的存在，而自觉或不自觉地遵循物理的法则来思考；甚至那些学过物理（认真学过和思考过，而不是敷衍了事）的学生，哪怕是学生都会接受物理文化的影响.他们可能在随后的一生中不再接受物理教学，不再记得学过的物理公式，也许连F=ma都不再记得，但这种思维方式是永生保持和受益的.特别是当他们在老师的指导下，自己独立地完成一些物理的“研究”工作，收获就更大.

物理就是通过老师讲述，阅读教科书和其他参考书，再通过做作业逐渐渗入到每个学生的脑海中，逐渐成为思维中固化的部分.终身受益.

正如孔孟文化既有“人之初性本善”，又有通过学习得到的相关知识（语文，政治，哲学和科学）一起深入人心一样，物理文化也是通过两个不同渠道在潜移默化影响我们.其一是人类天生对自然的敬畏和好奇（这是先天的，动物就没有这种好奇心），其次才是通过后天的学习和思考.后天的教育是一个关键问题.我们在后面要专门讨论这件事.

凡是学过物理学的人对世界万物的看法都会或多或少地改变，表现出的特点就是对于不论是自然界的现象还是社会活动中出现的林林总总，都想要问一个为什么是这样的而不是那样的.想要刨根问底，探索究竟就是自然而然的需要了.当然你也可以说，从没接触过物理学的人不是也会问个究竟吗，那怎么是受到物理的启发呢？好，这正是朴素的物理学，也正是这个朴素的物理学将开始使用工具的原始人带到了人类今天的高度文明.劳动需要物理，进一步深入研究促进了物理学的发展.

物理规律是不变的，但物理学是向前发展的，物理学的发展带来了我们今天对自然界的认知以及享受到的物质文明，然而，这和大自然的真实面目还差得很远很远.现在所达到的文明也许让百年后的人类不值一笑，物理学确实以高速发展着.至于有没有霍金等期望的万物理论（theoryofeverything），是个没有答案的问题，即使有，我们距离它还万分遥远.

物理学作为一门科学，并且升华成特定的文化绝不是凭空得来的.科学是直接探索自然界的各种奥秘，而文化就是指导物理学家如何探索大自然的规律，将之总结成“理论”，以及如何继续深入乃至如何应用它为人类造福.

当然，首先要正确认识客观规律.这并非简单，大自然就摆在你的面前，但能否认识到它的现象并正确地归纳，总结成规律绝不是人人能做到的“简单”事.第谷在观测了很多恒星和行星的轨道后，积累了大量的数据，但那只是数据，不是规律.只有当开普勒根据他老师积累的数据总结出开普勒三定律时，那些复杂和让人迷乱的“数”才成为“规律”.而牛顿从这三条规律中提炼出支配它们运动的更深层次的“原则”，这就是我们今天熟悉的万有引力定律.得到这个规律绝不是一件自然而然的事，你要大自然告诉你一些它的奥秘，你得做出巨大的努力而且时间跨度可能很长.为什么牛顿（也许还有虎克）能发现这个规律，而不是其他的研究者呢？这说明牛顿的指导思想对，也就是在物理文化层面上超越了与他同时代的其他人.当然这也和他在数学上的成就有关（下面还要谈到）.

一窍通，百窍通，文化绝不是仅仅束缚在一个局域中，物理是认识自然的客观规律，而物理文化除了处理自然界还可以应用到其他领域.文化精神还表现在为人类社会服务的自觉性上面.著名的物理学家费曼在生命的最后时刻，克服癌症给他带来的痛苦，作为专家参加了美国宇航局为挑战者航天飞机失败所组成的特别小组.他用他敏锐的观测分析能力和出色的物理知识发现挑战者号失败的原因就是一个密封圈在宇宙空间的低温下失效造成的.这个发现为宇宙航行的安全提供了最宝贵的经验.我们的前辈物理学家在两弹一星研制中对我国的国防事业作出了不朽的贡献.他们用自己的专业知识奠定了中国作为世界强国的基础，不计名利，辛勤工作，充分体现出炎黄子孙用自己卓越的专业知识为国家作贡献的精神，是我们这些后代的物理学工作者永远的榜样.

物理是一种文化，那就不是局限于对自然基本规律的探索，而要包括将这些已知的规律用来为人类造福，为人类文明作出贡献.应用已经了解的基础物理知识于创造的例子已经是不胜枚举了，但为了突出效果，让我们用几个例子来说明这种“文化”的深刻含义.上个世纪麦克斯韦理论预言了电磁波的存在，后来赫兹在实验室中产生了电磁波，但当时他认为那么弱的效应也许只有理论的意义.当然，我们今天知道，没有电磁波的应用，电视、手机、网络都无从谈起.量子力学是19世纪末诞生的，今天计算机的存储能力完全是依赖量子力学的.量子通讯卫星“墨子”号开创了将量子力学纠缠态概念用于安全通信的新领域；相对论指出能量和质量的根本关系和相互转换的原则，利用这个原理，我们才可以应用核反应来发电（当然，这也是制造原子弹和氢弹所依据的原理）.今天人们在研究如何利用物理学的基本原理（核物理和量子场论）来处理核废料.还有，受控核聚变是另一个分支.这些研究一旦成功，和平利用原子能将使我们有取之不尽的清洁能源.然而，正是因为我们对物理规律的理解不够深同时技术水平也不够高，还没能实现受控核聚变，在我们面前的探索之路还很漫长.

物理学的发展离不开技术的支持.没有CERN的大型加速器LHC的成功运行就不能找到所谓的上帝粒子“希格斯”.人类要探索大自然奥秘，必定要建造超大的望远镜，制造人造卫星以探测反物质（如AMS），制造宇宙飞船探测月球背面，探测引力波，建造比LHC更高能量的大型加速器去探寻超越标准模型的新物理，等等.正是由于各种新技术的出现才使这些大型装置成为可能.

我们国家拟建的环形正负电子对撞机（CEPC）将运行在能量略大于希格斯质量和Z粒子质量之和大约为216GeV，在CEPC上我们可以对希格斯粒子做精确的检验（达到5%的精度）.CEPC的周长将是100公里，使用大型超导磁铁和各种新技术.在此基础上，可以改进成SPPC（超大型质子质子对撞机），从而将能量提高到100TeV（是LHC能量14TeV的许多倍）.这么高的能量是人类探索新物理，例如寻找超对称粒子等，所必须的，也是人类梦寐以求的！

物理学是实验科学，它的一切归根结底是来源于实验观测.但人们不会满足于积累数据，要使之成为科学，就必须借助数学的帮助上升到能解释所有的实验结果并且做出能在未来实验中验证的预言的普适理论.通过大量的理论与实验的研究，更进一步，物理学已经升华到指导我们思维和工作的一种文化了.凡是学过物理的人都潜移默化地运用物理思想去理解周围的事物，去判断周围错综复杂的形形色色的真伪以采取最合理（自己认为最合理）的方式去处理，去改变（这和做物理预言类似）.整个过程是漫长的，从伽利略、牛顿，今天物理学的升华过程是曲折的，是一步步稳定地发展起来的，是由物理学这种对自然界认知方式所必然出现和升华的.

物理文化指导着所有学物理和用物理的学者、工程师、学生和广大群众.指导他们如何正确地思维和正确选择解决问题的方法，指导他们如何克服困难向前进，无论是对尖端科学还是日常生活和工作.物理文化的真谛在于：一，求真；二，溯本求源，什么事都要搞清来龙去脉.学好物理学主观能动性很重要.很多学生说物理好难，不愿意学物理，实际上这是个误区.只要你想学就可以学好.物理是关于自然的科学，因而是最讲理的科学，只要你想讲理，那怎么会学不好物理呢？