【情系科大】难忘的课堂

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第43期

【编者按】师恩如春雨，润物细无声。科大， 不仅给了我们自由的学习氛围， 更给了我们名师的课堂和榜样， 受益终身 ！

我于1984年秋入学，于89年毕业。现在算来已离开科大28年了。明年就是科大六十年校庆，作为校友，总有一种冲动想写点什麽留作纪念。回忆起来，感觉时间就像一个过滤器，离开母校越久，留下的都是些终生难忘的片段。或许因为自己从离开科大后就从没离开象牙塔，一直在学术世界里打拼。自然是那些对学术和思想有长远影响的片刻保留在记忆中最完整而且经常回忆起。这些片段总激发我不停地去思考，努力寻求答案和提升自己。借此把最难忘的片段中几个跟课堂有关的回忆和个人的体会和感想写下来跟校友们分享。这其中就包括方老师给我们上的近代物理课和由张秉伦老师教的中国科学史。

这近代物理课是由方老师在1986年秋主讲，是一门为二系和四系学生开的最后一门普通物理课。也是我知道的当年科大最受欢迎的一门课。开学第一天上课时，就有200多位学生（包括部分85级学生）来听课。这数目远远大于我们84级二系和四系学生数的总和130人。记得当时课堂坐满了学生还有部分学生站着。方老师是一位对物理概念理解很透澈和科学史了解很清楚的大师。同时方老师表达清晰，也很会讲故事。他把这门课从头到尾都讲的非常生动。可以说打那之后我还没有听到比方老师更能深入浅出和生动地讲课的人。是一种智慧和科学美的享受。

我在此描述一下这门课给我留下最深的三个片刻。一次方老师讲到伽马射线反常吸收问题时，他谈到了这一现象首先是由中国物理学家赵忠尧，也就是科大四系第一任系主任，在加州理工跟随导师密立根做博士论文时于1930年首次发现的。可惜他当时因无法解释，也就把发现的电子在云雾室里的反常现象放在了一边而没做进一步研究找出合理解释。后来他的师弟 Carl Anderson一年后在做类似实验时，又发现了这种电子轨道反转现象。Anderson做了仔细研究，终于发现这正好和Dirac预言的正电子轨道一致。于是就第一次证明了正电子（和反物质）的存在而于四年后获诺贝尔物理奖。记得方老师在提到这事，很是为赵忠尧错失良机而痛惜。这件事给我留下了极深的印象和影响，让我思索从中找到新的启发。 

再就是方老师在这课上非常喜欢用量级估计方法来解释各种物理现象。方老师把这方法讲到出神入化的地步而且充满想象力。有一次，他讲到如何估计木星上的引力。他先把一个人想象成一个一米直径大小的球。然后利用牛顿的万有引力来估算重力加速度是多少并和在地球表面的重力加速度做比较，结果大概是地球的六倍。他得出的结论是在木星上迈一步就相当于从地球上二楼摔下来，准骨折！这种比拟既形象又生动，终生难忘。我后来在给本科生教普通天文学时就一直引用这个比拟。方老师在课上问大家为什麽地球上没有比珠穆朗玛峰更高的山? 他很快用电子简并压公式估计出地球上山的高度不会超过一万米，否则山就会因重力大于简并压而崩塌。这简直神奇极了。简单的电子简并压估计就能把看似风牛马不相及的地球的山高极限给搞定。这就是科学的美和“魔力”！ 在方老师眼里，一切物理现象可以用很简单的物理原理加上量级估计去解释。这一方法后来就成了我从事天文研究高效地把握大方向，建立天文物理原初概念起到事半功倍的作用。

方老师的课最难忘的时刻应该是最后一堂课。这天方老师一反以前讲课严肃的风格。说话突然风趣活泼起来，以致博得我们一次又一次的掌声和笑声。当他讲到宇宙不对称问题时，忽然神秘般地打开一张事先用白纸盖住一部分的透明塑料片，我们惊讶地看到那是一副活生生的由方老师自己画的古代美人侧面图。他告诉我们这是他研究宇宙而得出的结论：对称+破缺=美！ 就如同你感觉这美人为什麽美一样，那多半是因为她侧着脸。相反，那些正面照片多半死板，多半用在罪犯照上。方老师以这些生活中的一些细节为证据来证明他的发现正确既形象又生动。至今难忘方老师在解释时的风趣，幽默和自信。方老师还介绍了由量子论与广义相对论的结合导致时空概念失去绝对意义的新概念。他还半开玩笑地讲到他一次在哥伦比亚大学访问时，在深夜坐车在十字路口黄灯时撞车的感觉就有这时空颠倒的感觉。他还讲到Planck时空“旅游”奇遇和道教的“有生于无”的思想在宇宙起源研究中的作用。最后他介绍了他的多连通宇宙时空模型思想，包括他画的一幅幽默画，一个大头娃娃托着腮苦思冥想：“What is the shape of the universe?”。 同时他调侃道：“他是不是你们中的一个人？” 作为最后一堂课结束语。同学们全体起立，长时间地鼓掌感谢方老师的精彩讲课，目送老师离开教室，离开了我们，离开了他热爱的，并共度了二十八个春秋的科大。虽然这是三十年前的往事，但现在回忆起，当时的情景还历历在目。

我在88年上了张秉伦老师教的中国科学史选修课。我印象这是张老师在科大第一次开这门课。张老师在课上介绍了很多鲜为人知的中国古代发明，让我大开眼界。我也因此既为中国古代有很多发明创造而高兴和骄傲，但又为现代科学技术没有在中国诞生而惋惜并因此努力去思索其根源。在张老师介绍的古代稀奇的发明中，我印象最深的是关于“秋石”的发明。张老师介绍这种秋石是用很多吨早晨童子尿熬成的一点点像石头般的小块。这种秋石是因为古代皇帝为了提升性的需要而制作的补药。据张老师介绍，这种秋石其实就是激素。所以才有这种功效，但加工工艺很复杂。这种秋石早在汉代就已发明。但因为制作这种秋石的程序复杂再加上中国传统保守文化，制作工艺一而再再而三地失传，再发明，跟古代指南车的发明有类似历程。张老师指出西方在1902年才发现激素的。在这之后，有近十位生理学家因激素有关的研究而获诺贝尔奖。记得张老师当时很自豪地说，其实中国人比西方早了超过一千年就发明激素了，只是可惜中国古代没有发展成科学理论来支持这“激素”的发明。最后多少沦为江湖郎中的骗术。

这些课堂片段虽只占我大学求学阶段微乎其微的一部分时间，但这些故事一方面激励我一直在思索“为什麽中国科学家在近现代有不少次跟诺贝尔奖级的发现擦肩而过？”“为什麽中国古代的一些伟大发明并没有引起世界级的影响？”并努力从中找到启发来，而另一方面又激励我不断更新我的思维，提高自己的认识水平和改进我的研究风格。随着我在美国呆的时间越长和有了更多的学术经历后，我对这些事的确有了一些新的认识，也希望通过这篇文章跟校友和有兴趣的读者分享我的理解和看法。

我个人认为赵老错失正电子的发现这件事看似偶发事件，但在一定程度上讲它跟我们文化和教育有一点关系。其实错失重大历史发现也发生在我和方老师在1992-1993年的研究工作中。我于1992年到亚利桑那大学天文系做博士生。我的第一个研究课题是跟方老师做宇宙大尺度的演化的研究。方老师当时高瞻远瞩，看到了用宇宙早期到处存在的氢气体云块的分布和红移演化（即时间演化）来检验宇宙早期的大尺度的形成和早期演化的模型。当时流行的模型是标准冷暗物质模型（最流行），冷加热暗物质模型和Λ暗物质模型（Λ是宇宙学常数）。这Λ暗物质模型其实就是现在被普遍接受的暗能量加物质的宇宙构成的原初版（现在大家公认宇宙有大约68%暗能量，27%暗物质和5%的可见物质）。当时我们发现所有的氢气体云块的观测结果无法跟流行的暗物质模型的预言吻合，相反，跟Λ暗物质模型的预言很一致。因此，这工作提供了非常早的关于宇宙加速膨胀的证据。可惜，我们的研究结果只局限于指出Λ暗物质模型似乎跟观测结果更一致，同时指出暗物质模型需要特殊宇宙物理条件才能解释观测现象。这在一定意义上讲只是天体物理学家的一种智力游戏的检验。而没有深入开展研究去理解这一工作的各种误差来源来确定我们的研究结论的正确性和结果后面的真正物理含义，并由此来明确指出宇宙膨胀需要爱因斯坦当年在宇宙方程中引入的Λ项，即现在定义为“暗能量”的项。后来在1998年，另外两个研究小组（Saul Perlmutter, Brian Schmidt, and Adam Riess）通过测量一型超新星的宇宙距离而确定宇宙结构跟Λ暗物质模型一致，同时指出宇宙在加速膨胀的事实。他们的重大发现在2011年获得了诺贝尔物理奖。

现在回头看我们当年的大尺度的演化和观测数据比较研究中的发现在某种意义上讲跟当年赵老的正电子现象的发现有点类似。这两个工作都从观测现象上看到“反常”，即赵老发现电子轨道反常，而我们发现观测结果跟当时流行的标准冷暗物质模型不一致。我们当年的工作实际上已指出Λ主宰，即暗能量主宰的宇宙模型和观测一致。但为什麽这两个工作都错过了重大物理天文发现的机会呢？

我先从我们当时的主观和客观情况来分析我们错失良机的原因。当时方老师刚到亚利桑那大学任职，而我也是博士生研究的第一年。和我们合作的毕红光当时在德国刚好完成博士论文。我们用的是毕博士的数值模拟软件并加以修改来和观测数据比较。毕博士拿到博士后于1993年来亚利桑那大学和我们一起研究。应该说这时是方老师在美国研究的起步阶段，客观环境还不处于最优状态。尽管如此，当时方老师在发现这一“反常”现象后已跟我讨论用当年景益鹏博士发展的N体模拟软件来进一步模拟氢云的大尺度分布和演化来检验我们的宇宙“反常发现”的真实性。景博士当时已欣然同意给我们他的模拟软件（景博士于1994年也来亚大访问了一年，现为上海交通大学教授，中国科学院院士）。但很遗憾的是，当时天体物理的研究工作前景很不好，这动摇了我继续研究这问题的信心。我很快在方老师同意和鼓励下决定转入天文观测研究，接受亚大的一流天文观测训练。我们本打算的后续N体模拟工作就此搁置。从另一角度看，我们当时也的确缺乏对观测数据的理解和信任而因此产生对这一可能的重大突破的敏感的预见力。这应该是我们在这一重大历史发现面前失之交臂的根本。从这点看，我们当年缺乏的是很多美国杰出科学家具有的非常突出的实践能力和由此产生的对科研最前沿的嗅觉。这在我后来多年从事天文实践研究工作（即天文观测和天文技术研究）中，我才发现这些的确是我们不少华人科学家的短板。而这一短板的弥补需要很多年的摸索，积累和提升，才能到如火纯清的地步。

认识到这点，我们现在再来看赵老的当年憾事，也多半有了比较合理的解释了。试想赵老1927年留美，1930年发现这正电子现象。这也就是到美国才第三年。根据我留美观测和经验，到美国三年估计勉强适应美国人文环境和基本了解美国科学家做研究的风格，但很难在这么短时间掌握西方科研的实践能力和产生对重大发现的敏锐嗅觉。而这实践能力和敏锐科研嗅觉就是美国科学家的研究风格跟中国科学家研究风格的根本不同，即美国科学家更重视实践（动手）而中国科学家更重视理论（动脑）。美国科学家更重视演绎思维而中国科学家更重视归纳思维。这演绎思维，在某种意义上讲就是科研嗅觉，对发现和解释新现象非常重要和关键。这些根本的不同自然与我们的文化和教育密切相关。在我们中国儒教文化中，我们有严重重视动脑而鄙视动手，即所谓劳心者治人劳力者治于人的倾向和习惯。这种文化根深蒂固，估计赵老也许多多少少受这种文化教育的影响。因此，虽然我无法知道赵老的博士研究工作，但可想象他的当年工作或许多半可能在理论上和归纳上更突出些。现在再回到我们当年的研究，也不难看出我们在实践能力方面的欠缺和没有深挖当时研究的新结果后面更深一层的解释的敏锐嗅觉。   

现在我们已进入21世纪，中国在科技发展上有了令世界瞩目的飞速进步。科大的科研经过近三十年的默默努力，现在也是遍地开花，尤其在量子通讯方面也已走在了世界的前列。 最令我兴奋的是以郭光灿，潘建伟，杜江峰等科大教授为首的中国科学家非常重视实践和对新实验现象的背后意义的进一步演绎和发掘，一改当年唯理论最聪明的传统科研风气。毫无疑问，中国科学家在继续发挥我们的长处（理论和归纳）的同时，已在实践能力和演绎思维和对重大发现的嗅觉方面有了长足的进步。 

科大拥有一个相对其他中国高校比较宽松的精神自由的环境，再加上科大有教授治校，和崇尚科研第一的传统。我想科大一定能朝追求科研本质方向继续前进。科研的本质就是以好奇心引领的不断提问，经过演绎而产生的各种想法和主意，并通过不断的实践，尝试，失败，再尝试的反复追求到最终的重大科学发现和技术发明的经过。科大在这些方面既有天时（民族的伟大复兴运动），地利（一个远离政治金融中心的可以安静从事科研的地方），也有人和（科大精神，科大敢为天下先的牛气和异常丰富的校友资源），我坚信科大会在下三十年不光继续引领中国科技进步，也将引领世界科技发展。作为校友，我为母校自豪，为母校的进步感到高兴，也会为母校的发展贡献出自己力所能及的微博之力。这篇文章也算是一位老校友献给那些孜孜不倦，追求学术上进的科大年轻学子的六十周年的一份薄礼。 

【作者简介】

葛健教授现为佛罗里达大学(University of Florida)天文学终身教授(2004-现在),曾为宾州州立大学(Pennsylvania State University)助理教授(2000-2004)，利物浦国家实验室(Lawrence Livermore Natioinal Lab)博士后(1998-2000)。于1989年获中国科大的理学学士, 1998年获亚利桑那大学(University of Arizona)天文学博士。

葛健是下一代达摩(Dharma)近邻宜居行星巡天的创始人和首席科学家(2010-现在),第一位找到地外行星的华裔科学家，国际斯隆数字巡天三期MARVELS多目标地外行星巡天创始人和首席科学家以及斯隆数字巡天三期管理委员会成员(2006-2015),美国航空航天局(NASA)TESS空间探索项目合作伙伴(2011-现在),国际三十米大望远镜项目中国咨询委员会的成员(2010-现在), 中国科学院海外评审专家(2015-现在)，中国科学杂志编委会的副主编(2012-现在),中国级地科学国际编委会成员(2014-现在),中国科学院国家外国专家局,创新团队国际合作伙伴,星系形成和星系活动研究团队的成员(2009-2014)，佛罗里达大学研究基金会教授(2010-2013), 中国科技大学客座教授(2007-现在)。

他长期从事天文技术和仪器和实测天文研究。研究领域包括系外行星，褐矮星和双星巡天,系外行星探测技术和仪器,红外高色散光谱仪技术和仪器,及新一代高清晰度成象技术,和类星体吸收线和河外星系际界质。他在国际顶级期刊和技术会议文集上发表科学技术论文共300多篇

(责任编辑：杨晓红8411)

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