宣讲家文稿科学家是怎样学习和工作的

　　我想先给大家解释三个概念。第一，什么是科学。按照奥地利物理学家、量子力学奠基人之一薛定谔的说法，科学就是用希腊人的方式思考世界。希腊人科学的思考方式，兴起于公元前6世纪左右，发展到后来中断了，直至13世纪末在意大利再次兴起，之后又扩展到西欧各国，于16世纪达到顶峰，这就是西方历史上的文艺复兴时期。它是西欧近代思想解放运动之一，带来了科学与艺术的巨大变革。尤其是诞生了近代科学，代表人物是被誉为近代科学之父的意大利人伽利略。第二，什么是一流大学。一个重要特征就是产生了某些门类的学科，如：瑞士的苏黎世大学产生了量子力学、相对论和规范场论；奥地利的维也纳大学产生了统计力学。第三，什么样的人是科学家。我们通过一些例子，看看科学家到底是怎么学习和工作的，大家对照一下，也许会想清楚什么样的人才是科学家。
　　一、为什么要成为科学家
　　为什么要成为科学家？非常重要的一点是，当今是一个技术超越神话的时代。举个例子。神话故事中，孙悟空在地上闹事，玉皇大帝派千里眼、顺风耳去探查情况。而今天，我们的嫦娥五号已经登录月球背面，已经远远超过神话中千里眼、顺风耳的水平。还有，我们自主研发的万米载人潜水器奋斗者号，2020年11月10日在马里亚纳海沟成功坐底，深度达10909米，刷新中国载人深潜纪录。注意，这还不是最厉害的技术。要知道，在万米深海是无法用电磁波通信的。那么，海面母船如何与奋斗者号沟通呢？水声通信，它能实现万米海底到海面的实时文字、语音和图像传输。这才是了不起的。再看，《封神演义》中有个人物叫土行孙，会遁地术，一有事往地下一钻就走了。而今天，我们有了盾构机，在城市中修地铁、在崇山峻岭修隧道靠的都是它，水平可比土行孙高太多了。
　　当今是技术超越神话的时代，那么这些技术从哪里来？科学中来。也就是说，我们生活在一个由科学技术支撑的高度发达的社会。虽然我们并不因为科学而幸福，但若没了科学，我们也幸福不起来。
　　二、科学家需具备哪些特质
　　什么是科学家？就是要探求人所未知。那么，怎么样才能做到探求人所未知？
　　第一，会思考。法国哲学家、数学家和科学家笛卡尔有一句名言叫我思故我在。那么，他有多会思呢？十二三岁时，笛卡尔身体不好，不怎么去上学，经常在家睡到中午才起床。有一天，笛卡尔还在躺着，结果家里飞来一只苍蝇，不停地在天花板上变换着歇脚的位置。笛卡尔盯着这个苍蝇看了一会儿，也许有了要把这讨厌的苍蝇赶走的想法。但是，他不是把这个想法变成行动而是变成了一个数学问题：如何精确地给这只苍蝇定位？如果选择某点（比如屋角）作为参考点，那么只要数清楚沿东西向经过几格天花板，沿南北向经过几格天花板，就能给苍蝇定位。也就是说，你只要选定一个参考点和两个方向（不一定非要是垂直的，不重叠的就行），那么用两个数就能给平面上的点定位。这就是笛卡尔直角坐标系的概念。有了笛卡尔直角坐标系，几何和代数就有了统一。此外，还有其他的坐标系。比如，极坐标，它体现在诗里，像西北望长安，可怜无数山；在平面还有用椭圆加双曲线当作坐标系的，像北京的二环、三环、四环、五环。
　　另外，在直角坐标系或平坦地面上的距离公式与几何地形上的有所不同；在不同几何地形，距离公式也会有所改变。请大家记住，描述几何不仅要定位置，还要定两点之间的距离。我们看西北地区的地形，假如你在黄土高原的这边，而你喜欢的女孩在另一边，那你要想见她就得爬坡过沟，可能一个月也见不上一回。那怎么办？过去只能靠喊、靠唱歌。一些西北人的嗓音高亢、洪亮，就是这个原因。
　　我们再看一位科学家，刚才提到的奥地利物理学家、量子力学奠基人之一薛定谔。这个纯粹的物理学家，对生物学也有过思考，还写了一本书，名为《生命是什么》。书中，他通过热力学和量子力学理论来解释生命的本质，引入非周期性晶体、遗传密码等概念来说明有机体物质结构、生命的维持和延续、遗传和变异等现象，从而推动了分子生物学的诞生。这本小册子也成为很多学者的必读书。
　　接下来这位科学家，麦克斯韦，英国物理学家、数学家，经典电动力学创始人、统计物理学奠基人之一。他建立了一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程，叫麦克斯韦方程组。
　　这一方程组由四个方程构成。尤其是他增加的这一项（红色箭头所指），是中学物理所学的位移电流，它的影响可大了。如图所示，将这四个方程变推导为波动方程。在波动方程中，我们认为电磁里有电磁波，然后算出电磁波的速度，当时的数据是每秒27万公里，居然和光速差不多。这时，我们会怀疑，难道光就是电磁波。这样，我们通过计算，引出了一个重大概念，光速是没有参照物的。比如，船相对于水的速度是多少，水相对于地的速度是多少，但光速就是光速，谁也不相对，这就是狭义相对论的精髓。那么，有了狭义相对论，再加上引力，就有了广义相对论。而广义相对论本身又包括电磁理论，引出规范场论。我们看，这一项改变了我们世界那么多东西。
　　麦克斯韦非常厉害，十几岁时就写出了鸡蛋的方程。当年，他的爸爸逼着他画鸡蛋。我们都知道鸡蛋很难画，那麦克斯韦怎么做的？他觉得如果写出了鸡蛋方程，是不是鸡蛋就好画了。之后，他还真写出了鸡蛋的方程。他爸爸看了很是高兴，就去问一个教授说，我儿子写出了鸡蛋方程，您看看这东西有没有价值。那位教授一看说，天啊，有没有价值，二百年前开普勒研究行星运动轨迹时就在等鸡蛋方程。之后，麦克斯韦在这位教授的帮助下完成了论文，并递交到苏格兰的皇家科学院。皇家科学院非常重视，决定邀请麦克斯韦来做报告。于是，第二年春天，一辆小马车送来一位穿花格子呢子裙的少年。
　　我们接着看，被誉为近代科学之父的意大利人伽利略是如何思考的？17岁时，伽利略跑到教堂，看到挂在天花板的油灯被风吹得摇摆不定，并注意到油灯来回摇摆一次的时间相差无几，于是称之为单摆的周期运动。此外，无论灯里的灯油有多少，它摇摆的时间仍是差不多的。于是，得出单摆的周期运动和摆锤的质量无关。那么，灯油烧干了，要添灯油，怎么办？解下绳子，把灯放下来，添完油再拽起来。这从上往下放的过程，就是单摆的摆绳改变的过程。绳子越长，油灯来回摆动的时间就越长，这也就得出摆绳越长周期越长。那么，如何用公式表现？摆长和周期的平方成正比。这就是人类一个确切的物理公式，即单摆的周期公式。
　　作者：曹则贤中国科学院物理研究所研究员
　　本文节选自宣讲家网文稿《曹则贤：科学家是怎样学习和工作的》
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