【视频回放】我爱物理的十个理由内容来自墨子沙龙在中国科学技术大学附属中学举办的线下活动(2021年12月)。各位同学们、老师们,大家下午好,今天我的报告题目是“我爱物理的十个理由”。好多朋友说:“真正的爱还需要理由吗?”如果能找到一个你不需要理由就能爱上的事、爱上的人,那当然是最幸运的。“我爱物理的十个理由”其实可以这么来理解,就是“科学的乐趣”。为什么要有理由呢?往往我们站在人生的十字路口,需要选择的时候就要权衡。当有的同学要上大学填志愿,你可能就在一个十字路口。这幅漫画说的就是一个小朋友在选择自己未来的理想。 他的心目中,如果选择其他的职业,就是大把的票子,非常 Happy,比如做金融。想到做科学家,首先想到一个发际线很高、衣服打着补丁、穷苦潦倒的形象。这就是一个不选择科学的理由。那么做科学有什么好处?2004年,联合国出了一本书,叫《做科学家的100个理由》(100 reasons to be a scientist),比我的报告还要多10倍。前言当中,意大利ITP的主任,这位科学家写到:其实我们现在的社会正前所未有的依赖科技的进步,但是各界对基础科学的兴趣日益减退,这是我们时代的一个悖论,特别可悲的是中学里最好的学生对科学变得淡漠,这种情况在发达国家、发展中国家都是这样,应该引起我们的关注。早在我念书的时候,科学还是一个非常好的选择。当时在科大90级四系,有三个省的状元,两个省的第二名,都在学近代物理。但是随着时代的发展,你就会慢慢的发现美国的学生不喜欢科学了,然后韩国、日本的学生不喜欢科学了。又过了十几年,现在中国的学生似乎也在更多的选择其他的职业,这应该引起我们的关注。大家对科学家其实有非常多的刻板的印象:大家会认为科学家都是书呆子。我小的时候,关于陈景润那篇报告文学激发了一大批的人去学数学,但是人们心目中的陈景润是一个书痴形象。还有人认为科学家是crazy people,很疯狂,要毁灭人类。右下角这幅图说的是一个科学家在实验室中制造了一个黑洞把他自己吸进去了,事实上在欧洲大型强子对撞机建成的时候就有民众有过这样的担忧。还有一个形象就是科学家是天才,是像爱因斯坦这样的人。确实有很多科学家是天才,与他们相比你会觉得自己不能够做科学,但事实上每个人做科学都有自己的乐趣。这些刻板印象:书虫、疯子或者天才好像跟我们普通人都没关系,所以有人就说:“你们去做科学家就好,我们不做,我们是正常人。”我相信很多同学也看过美剧“生活大爆炸”(Big bang theory),里面的几个天才科学家都是一些很古怪的人。但是事实上现实生活中的科学家并不是大家想的那样,大家都是很普通的人。我举些例子,左上角这是费曼,费曼是一个天才科学家。我在美国的时候,我一个邻居的父母来访问他,说:“你是学物理的,我以前的邻居也是学物理的”,他的邻居就是费曼。但如果你看过他的书你就知道费曼是一个兴趣非常广泛的科学家。Mark Kasevich是一个非常著名的做冷原子的科学家。你看他体格就知道,他实际上是打美式橄榄球的。
Mark KasevichPhilip Stamp是我原来在在加拿大温哥华做博士后的时候我们系里面的一个理论物理学家,他的音乐天赋非常好,他其实一直到很晚的时候都在挣扎,到底是成为一个职业的科学家,还是成为一个职业的音乐家。他后来选择了科学,但是他开了一门课叫做音乐物理,他每次上课就带一件不同的乐器到课堂上,跟同学们讲乐器里面的音乐背后的物理是什么。
Philip StampPeter Armitage是我的研究生同学,我们是很好的朋友,他现在是约翰霍普金斯大学的物理系的教授。他入选了美国国家奥林匹克自行车队,虽然他那年没拿到奖牌,但是比我们高一级的一个学理论物理的拿到了铜牌。平时Peter在做实验的时候,值夜班的时候,他把他自行车架起来,一个人一边在做实验,一边拼命地蹬自行车。
Peter Armitage我自己的爱好是自驾游,图上是2010年的时候,我们去西藏路上拍的一张照,当时刚刚翻过折多山。上图是我和我的师弟陈宇林。陈宇林现在是牛津大学的物理系的教授,他喜欢开飞机。他们几个人合伙买了一个小飞机,所以那次我到美国开会,他就带着我上了一趟天,我们几个人坐在他的飞机里面,他带着我们在硅谷的上方转了一大圈。其实科学家有很多其他的爱好,我原来还有一个朋友,他在人民大学物理系待了很多年。他曾经获得过登山界有一个叫金冰镐的奖。他为什么到中国来工作?他是个瑞士人,就是因为中国有很多的高山,他每年有几个月在那爬山。他觉得人应该做两件事情,只做一件事情的话总有累的时候,就可以换一个。他去登登山,然后回来再做做物理,他做得非常好。所以科学家和大家一样,那些刻板印象是不了解的人编出来的。下面我具体来讲讲我喜欢物理的十个理由。 01
The joy of insight is a sense of involvement and awe, the elated state of mind that you achieve when you have grasped some essential point; it is akin to what you feel on top of a mountain after a hard climb or when you hear a great work of music.
To see a world in a grain of sandAnd a heaven in a wild flowerHold infinity in the palm of your handAnd live eternity in an hour
翻译成中文就是“一沙一世界,一花一天堂,无限在掌中,刹那即永恒。”张首晟教授也非常喜欢这首诗,他当年给我上过课。他在阅读《自然哲学的数学原理》之后很有感触,写到 “既然无法抵挡她万有的引力,为何不遨游星际傲而时时相伴?既然为量子因果而纠缠绵绵,为何不心心相印寄水一方?既今见英魂长存于行行字迹,又何惧漫漫征途中深渊峰险?”一朵花看似简单,其中却有生命的奥秘;简单的沙子背后,在凝聚态物理的世界里背后就是量子场论。所以俄国哲学家和诗人 Vladimir Solovyov 说“Under the calm mask of matter, the divine fire burns”。确实,在固体平静的表面之下,是宇宙运行的基本规则,如量子场论等,在如圣火般燃烧。张首晟是一位伟大的凝聚态物理学家,在拓扑材料领域做了很重要的贡献。后来在他的墓碑上面刻的是拓扑绝缘体里面一个著名方程,以此来纪念他非常灿烂的作为科学家的一生。 04
第五个理由:科研它是一个冒险。大家都喜欢一类解谜寻宝游戏,其实科学也是个游戏。一辈子几十年的生涯,可能就做出一个重要的发现,就像一个意外的邂逅。科研就要去冒险,如果不冒险待在一个舒适区,比如老师做什么你也做什么,你这样虽然也能发发论文,但是很难做出创新性的东西。所以要到你导师指导你以外的地方去。我的老师经常说:“Do you smell the blood?(你闻到血腥味了吗?)”作为一个职业的科学家,你需要的是无所不能,一切为我所用,发挥聪明才智。事实上科学家们到处都在寻找“宝藏”,这是最近的一期的新闻的小伙子,叫刘欣然。他在一个很深的山洞里面,他做了一个一吨的叫“XENON1T”的探测器,他们要寻找 Dark matter(暗物质)的信号。实际上在中国四川锦屏也有类似的实验,大家在很深的地底排除别的干扰信号,等待着理论预言的一些相关信号的出现。事实上这种等待有的时候是很痛苦的。我记得我刚刚博士毕业的时候,2001我的有些同学就在斯坦福做一个绝望的实验,但是几年前他们就观测到了引力波,这因此获得了诺贝尔奖。这是一个非常重大的邂逅了,是整个人类在爱因斯坦预言了引力波之后100年后的一次邂逅。这是我们组里面做的设备。我们用这些超高真空的设备来生长这些材料,然后寻找自然界从来不存在的材料。我的最早的几个学生,赵嘉峰、徐海超他们整个博士做了五六年都没有在这个领域发表论文,当然他们在别的地方发表了论文,因为原来我们也没有经验。举个最近的例子。我们就把硒化铁材料长在了镧铁氧上面,它的超导配对的温度超过了液氮温度。液氮比液氦要便宜很多,一升液氮几乎不值钱,一升液氦要几百块钱,大大降低了应用成本。我们原来总是回答“为什么”:为什么这个材料是这个性质?但是通过自己来创造材料,我们可以说 why not , why not create something。我们为什么不设计这个材料?所以这也是一个去创造去邂逅的过程。再比如我们在一个铁基超导材料的当中,观察到了马约拉纳零能模,它可以用来做量子计算。当时我们在做这个研究的时候也没有想到我们会看到,这是一个幸运的邂逅。 06