创建于1687年的经典力学不但为所有科学提供了范式,而且还对100年后美国宪法的制定产生了重要影响,美国开国元勋托马斯·杰斐逊(Thomas Jefferson,1743~1826)曾说:美国宪法,是臣服于牛顿力学规律的.经典力学这门课之所以难教,其根本原因就在于对这种历史文化传承性的体会和把握.

 

从2015年开始,受中国科学院大学(国科大)物理学院的邀请,我为国科大一年级第一学期的本科生讲授《普通物理·力学》快班(后来称为A班)的课程.

经常遇到的疑问之一是,作为专职的中国科学院各研究所的科研人员,为什么要到大学讲课?

这个问题事实上费曼(Richard Feynman,1918~1988,1965年诺贝尔物理学奖获得者)很早就精辟地回答过:

"我不相信,如果不教书我还能过得下去.原因是,这样就算我一点东西都想不出来时,我还能跟自己说:`至少我还活着,至少我还在做一些事情,有些贡献.'这是一种心理作用.

二十世纪四十年代,我待在普林斯顿的期间,亲眼看到高等研究院内那些卓越心灵的下场.他们都具备了聪明绝顶的头脑,因此特别被选中,来到坐落在森林旁边的漂亮房子里,整天悠哉游哉地闲坐---不用教书,没有任何约束或负担.这些可怜又可恨的家伙们跟人没有交流,只能自己闭门造车,对吧?但等过了一段日子,他们想不出什么新东西来,每个人心里一定开始感到内疚或沮丧,更加担心提不出新想法.可是一切还是如旧,仍然没有灵感.

会发生这种情况,完全是因为那里缺乏真正的活动和挑战:他们没有跟做实验的学者接触,也不必思索如何回答学生提出的问题,什么都没有!

在任何思考过程中,当一切进行顺利、灵感源源不绝时,教书确实是一种妨碍,十分讨厌.但更多的时候是脑袋空空的,如果既想不出什么、又没做什么,那真会令人疯狂!你甚至不能说:`我在教书呀!'

而且,在课堂上时,你可以思考一些已经很清楚的基本东西.这些知识是很有趣、令人愉快的,重温一遍又何妨?另一方面,有没有更好的介绍方式?有什么相关的新问题?你能不能赋予这些旧知识新生命?基本的东西思考起来并不难;而如果你没想出什么新东西来,没关系,以前想过的已足以应付讲课之用了.但如果你真的有什么新想法,能从新角度看事物,你会觉得很愉快.

学生问的问题,有时也能提供新的研究方向.他们经常提出一些我曾经思考过、但暂时放弃、却都是些意义很深远的问题,重新想想这些问题,看看能否有所突破,也很有意思.学生未必理解我想回答的方向,或者是我想思考的层次;但他们问我这个问题,却往往提醒了我相关的问题.单单靠自己,是不容易获得这种启示的.

因此对我来说,教书以及学生,使我的生命继续发光发亮,我也永远不会接受任何人替我安排一切------快快乐乐的不必教书.永远不会!''

虽然费曼的上述精辟的论述给予我心理的慰藉,但我想费曼的这段话只表述了我一半的心声,另一半的心声就是《管子•修权》中的名言——“一年之计,莫如树谷;十年之计,莫如树木;终身之计,莫如树人.”

经常所遇到的疑问之二是,用何体系或何教材来讲授?

我的主要思路是:

一年级第一学期的本科生需要从高中的做题模式中尽快走出,要注重培养他们的质疑和批判性思维(critical thinking).

国科大针对本科生十分注重``情怀与品质、能力与思维、知识与兴趣''的培养,这无疑与《礼记•学记》中的精辟论述“君子之教,喻也.道而弗牵,强而弗抑,开而弗达”不谋而合.古代先贤用短短十几个字就将教学中教师的主导性、学生的主体性展现得淋漓尽致.也就是说,高明的教学不是直接灌输知识,而是情境的创设:要引人入胜,而不是牵着学生的鼻子;教师在本领域有强的学术地位,但不压制学生的见解;要在问题源头上启发和提高学生的悟性,而不是直接给出答案.

 建立物理图像是本课程的首要任务,因而注重以“思想实验(thought experiment)”为主线进行讲授是著者最为深刻的体会.

事实上,爱因斯坦坚持物理最基础的部分必须要通过“要有思想实验般的思考,同时要有哲学的思想,还有数学的思维”这个过程.1895年,爱因斯坦16岁时的追光思想实验为其十年后建立狭义相对论孕育了思想上的萌芽.因此,想象力比知识和感官更重要.

重要的是,在教学中要让同学们深切感受到,当代科学的迅猛发展,在科研方法上已经从传统的方法发展到全新的科研方法.这里所说的传统的科研方法正是我们作为教师的一代人在接受本科教育时,所接受的包括如下两个方面的主要内容:(i)实验(实证)研究方法;(ii)理性研究方法.这种传统的科研模式可能是温文尔雅的、按部就班的、四平八稳的,但已经确实不再适应周期越来越短、知识大爆炸、特别是大数据时代的形势.

而所谓“全新的科研方法”是指:从现有科学理论系统出发,进行思想实验,预测某个待发现的科学理论,再研究由实验来证实这个思想实验.和传统的科研模式相比,这种全新的以思想实验为基本特征的新的科研方法可以是摧枯拉朽的、生命力极其旺盛的,其中的杰出代表便是1953年DNA双螺旋的发现.

在科研一线拼搏了近三十年后再来兼职本科生的教学工作,促使我们这些授课人进行深入反思的是,对于二十世纪科学理论的重大进展,一般是先有``思想实验''或``思想发现'',再实现``实验验证''的特征的确十分明显!一个典型的例子就是杨振宁、李政道有关弱相互作用中宇称不守恒的思想和理论在前、吴健雄的实验在后的案例.这的确不同于传统的先有实验发现,再有理论建立的特点.

从美学的角度出发介绍经典力学是著者这两年授课的成功体会之一.

普通物理力学(简称普物力学)虽然是一门已臻成熟的学科,但仍然和一些前沿学科的发展十分紧密,结合课堂上所讲授的内容,适时地将有关科学研究的最新突破和进展报告给同学们,使他们对科学前沿感兴趣,开阔他们的视野,从而进一步使他们坚定打好基础的决心,为培养未来的杰出人才奠定坚实的基础.

基于在美国加州理工学院对本科生的授课,费曼和助教撰写了《费曼物理学讲义》,至今仍是以新奇并简单的形式思考我们的宇宙的最重要的指南之一,费曼也因此于1972年获得了美国物理教师协会(the American Association of Physics Teachers)的最高奖``奥斯特奖(Oersted Medal)''.值得特别指出的是,费曼的博士导师、``黑洞''一词的命名者惠勒(John Wheeler,1911~2008)也于1983年获得了奥斯特奖.

1981年,美国物理教师协会将奥斯特奖授予了83岁的物理学大师拉比(Isidor Isaac Rabi,1898~1988,1944年诺贝尔物理学奖获得者).

通过上述典型案例,人们自然会问:什么是好的教学和好的教师?这个问题没有也不应该有一个简单的答案,其原因是好教师在风格、品味和教学方法上千差万别.但是可以有一个长期有效的对好教师的判断标准,那就是看他的学生毕业后十年的发展状况.伟大的教师会对学生们有着深远的影响,这种影响会成为学生工作的终身焦点.拉比培养出了多位诺贝尔奖学生.从上述意义上来讲,拉比是一位伟大的教师.拉比认为,科学课程应该有相当部分的人物传记,这样将有一个历史的背景、哲学背景、社会和技术影响等方面的内容,同时也包含了时空观.这样做的好处是,课程不但讲授了框架,使课程有了骨骼,也将使课程有血有肉,容易引起学生们的兴趣,教师讲授和同学们接受的效果更佳.事实上,我在这门课的讲授中也遵循了这一原则.

我还十分赞赏这样的观点,那就是普通物理学和经典力学一样,都是一种文化历史的传统．当教师把其当作一堆现成结论时,教出的学生只能是运用这些结论的人,而不是学科的创造者．正视经典力学的历史文化的传承性,有助于我们的教育水平跃上一个新的高度．事实也一再证明,当学生被置于科学史长河之中的时候,他们所焕发出来的创造力往往超出我们作为教师的想象,可能是惊人的!

我为国科大一年级本科生上课之前,曾专门征求过于渌院士的意见,他强烈地推荐了朗道和栗弗席兹理论物理教程十卷中的第一卷《力学》,该书已经培养了数代物理学家.读费曼的物理学讲义和朗道的力学,会非常强烈地感受到:虽然他们教育方式不同,但这两部教材又有极大的共同点——它们都是极为成功的!我在国科大的授课中选择朗道力学的基本体系是因其起点高、内容精炼、在很小的篇幅中浓缩了力学的基本原理和许多具体应用,更适合国科大的特点.但朗道教程毕竟成书于二十世纪的四十年代,虽经再版,但适当地增加些新的内容也是时代发展的要求.本书的撰写初衷也就在于此.

本教材于2018年出版,恰逢朗道诞辰110周年、费曼诞辰100周年,著者深受这两位物理学大师、教育家的影响,特别是,著者曾在中国科学院力学研究所为博士生教授了十余年的朗道和栗弗席兹理论物理教程第七卷《弹性理论》,所教过的学生大多已经成才.此时,著者感慨万千的心情是不难理解的!

可能一些读者不能完全理解书中的许多公式,但著者相信,您一定会被书中的某一段经过深入挖掘的科学典故或历史照片所深深打动,甚至心灵有震颤之感.其实,本书的撰写过程,也是著者的再学习过程,心灵得到进一步净化、升华和抚慰的过程.本书得到中国科学院大学教材出版中心资助.最后,我用2004年诺贝尔物理学奖得主韦尔切克(Frank Wilczek,1951~)在2016年发表的题为``未来100年的物理学 (Physicsin 100 years)''文中一段富有启迪性的话来结束本前言:

“自然哲学经常讨论上帝视角和蚂蚁视角的竞争.上帝视角是指从整体来理解现实;蚂蚁视角是指人在感知身边事件随时间流动时获得的观念.从牛顿开始,蚂蚁视角就主宰了基础物理.我们把对世界的描述分割为两部分:动力学方程和它们的初始条件.动力学方程不能决定哪个初始条件描述现实.这种分割在实际应用中非常有用和极其成功,但是这个方法远远不能给我们一个对世界的完整科学描述.

对我来说,未来一百年基础物理面临的最深刻挑战是,将对现实的描述从蚂蚁视角上升到上帝视角.”