物理學家為什麼應當學點歷史

知識 08-20

正如物理學不是關於世界的事實清單一樣，歷史也不是人名錄和編年表。它是一種強大有力而富有啟發性的思維方式。

物理學中有些事不能很好地被物理學教育涵蓋。它們凌亂粗糙，眾說紛紜。物理學家常常不明白這些爭議對科學本身的貢獻，但歷史可以提供幫助。科學史這一分支學科就是研究這種去粗取精的歷程。科學史家的視角可以幫助物理學家理解自己工作的走向，給他們提供許多有用的工具。

物理學是社會性努力

研究由人來完成。人們來自不同的地域，物理學家和別人一樣希望保家衛國。第一次世界大戰期間，英國科學家拒絕同戰壕另一邊的德國同事談話。戰爭結束後，德國人及其盟友正式被禁止參加國際科學組織。二戰期間，對原子彈落入希特勒手中的恐懼，嚇得盟國的物理學家們打開了核武器的潘多拉盒子。後來許多涉事科學家後悔自己的行為，但戰爭和民族主義是背後有力的推手。

物理學家在團組內工作。他們需要交談。物理學是一種社會化的努力。思想和實驗設備都在不斷交換。在廣義相對論的初期，若不與愛因斯坦或他的核心圈子直接接觸，要精通這個理論是非常困難的。因為大戰肆虐，罕有物理學家可以獲得這種聯繫。只是在中立國荷蘭的德西特與愛因斯坦個人接觸，並把他的相對論技巧傳遞給英國的愛丁頓之後，廣義相對論才廣為人知。

物理學並非顯而易見

教科書陳述的實驗結果就像不言自明，理論證明也至多只需幾頁數學推演。但是，晶瑩剔透的展示，隱含著大量的工作和得出結論前的混亂。從日心說到原子論的物理學史可以提醒我們，要證實現在看來如此明顯的想法是多不容易。

複雜而不是簡單性統治著科學的實踐。通常需要極大的努力才能了解觀察或理論的意義。教科書中的密立根油滴實驗，是一個實驗設計明確、理論解釋有力的模型。然而，即使是瀏覽一下密立根的筆記，就可看出要做好這個實驗有多困難(圖1)。

物理學家為什麼應當學點歷史

圖1 密立根的實驗筆記，每頁都像這樣塞滿數據、計算、修正和偶爾的評論(加州理工學院檔案)

大自然很少給出直接的答案。因此，科研人員有時需要摸索、試錯和另闢蹊徑。一旦可靠的結果到手，科學家們就往往淡化獲取過程的艱辛。簡單似乎比複雜更具說服力。但複雜往往更接近實際。通過艱難曲折而非靈機一動，得來的重大科學進展更加令人驚嘆。

物理學的歷史表明，解決一個問題通常可以有幾種方法。量子電動力學從它的幾個前身脫穎而出，不是因為它有明顯的優越性，而是因為戴森證明，費曼、施溫格和朝永振一郎的重整化方法是等價的。即使是現在不可或缺的費曼圖，第一次出現時也並非明顯有益。多虧戴森大力倡導，這個新想法才被大家接受。

物理學需要多種人才

把複雜性變成良好的物理需要創意。熱力學第二定律的制定和解釋，在很大程度上歸功於開爾文勛爵(圖2)。但是，開爾文研究熱力學時頭腦並非白板一塊。作為一個維多利亞時代的人，他關心熱損耗和熱機效率，作為探索宇宙熱寂的宗教信徒，他覺得《舊約》聖詩第102 篇承認天地將像衣服一樣穿壞言之有理。在挑戰現在歸因於第二定律的令人費解現象時，個人背景給了他所需要的工具。把開爾文的工作與其德國同行比較，就可以看出他獨特觀點的重要性。這些不同的概念和方法相互作用，帶來了我們的現代觀點。

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圖2 開爾文勛爵(1824—1907)研究熱力學的方法反映了他的宗教和工程背景(這幅畫像作者是Hubert von Herkomer)

奇妙但最終有用的想法，往往來自與手邊問題看似遙遠的不同學科。麥克斯韋從歷史學家那裡學到了統計漲落的概念。粒子物理學家路易斯·阿爾瓦雷斯將他的同位素專業知識引入兒子沃爾特的地質學工作，並幫助解決了恐龍滅絕之謎。科學史表明，不同領域的科學家彼此對話是多麼重要。

物理學並非一成不變

接受物理學未來將會改變，就是接受它過去也曾不同。人們通常傾向於假定事物過去和現在一樣，但歷史清楚地表明事實並不總是如此。

很少有人比愛因斯坦更倡導歷史方法。作為一個年輕人，他閱讀馬赫的科學史著作，讚譽馬赫教他如何批判性地思考科學原理：「歷史和哲學背景的知識，」愛因斯坦寫道：「使他得以擺脫束縛他那一代大多數科學家的成見。」他抱怨物理學家傾向於認為，目前公認的觀點是天經地義。相反，他建議應學習這些想法的歷史，理解其正確和適用的條件。這樣， 1905 年還是一個專利局職員的他，會有膽量撞進一個新領域，並提出革命性的新理論。

歷史教人批判性地思考已被接受的想法。大衛·凱澤的《嬉皮士如何拯救物理學》，是這種批判性思維如何湧現的最新例證。在二十世紀六七十年代，一些物理學家不滿圈內的「悶聲計算」文化(其中4 人見圖3)。他們感興趣的是方程背後更深層的哲學意義。為了找到這種意義，他們致力於研究那個時代的神秘反主流文化和量子物理學的歷史，從而鼓舞了對貝爾定理和量子糾纏更廣泛的興趣。由此可見，解放思想可以使人變得多麼強大。

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圖3 1975 年成立於加州伯克利的基礎物理組，宗旨是探索神秘主義和基礎量子物理學(這裡4 個成員的照片由弗雷德·艾倫·沃爾夫提供)

物理學研究沒有定規

人們第一次接觸科學史時往往感到震驚，科學的實踐與他們在學校學得的按部就班的科學方法幾乎沒有什麼相似之處。科學家們根本就沒有遵循流程固定的解題系統。他們研究的起點有時是一個假設，有時是一個新穎的觀察，有時是原本簡單的實驗中一個奇怪的反常現象。愛因斯坦本人在晚年反思，科學家必須是「大膽的機會主義者」，要採用和變換各種辦法來應對新的挑戰。

科學家並不墨守成規，而是用掌握的證據工作，並對之做出最佳解釋。來看看理論由相反的觀察否定這一論斷。19 世紀初，天王星的軌道似乎與牛頓引力理論不符。一種反應是宣布牛頓理論垮台。當然很少有人這樣做。問題更容易的解答是，有一顆新的行星(海王星)隱藏在黑暗中。因此似乎很明顯，稍後水星軌道的反常也應以同樣方式說明。為再次拯救牛頓引力理論，天文學家搜索隱藏在太陽光輝之中的另一顆行星(祝融星)，卻一直未獲成功。最終愛因斯坦提出，水星的軌道異常是放棄牛頓理論、支持自己理論的一個絕佳理由。

有時不符觀測是放棄一個理論的好理由，有時為挽救理論卻值得發明一個新的實體。不同的情況需要不同的方法。物理學家通常有做出自己選擇的理由，但他們需要承認這些選擇的難度和複雜性。

結語

學習科學史能讓科學家接受新思維方式的洗禮，促使他們重新審視已有的知識。此類智力的靈活性對於任何學科都必不可少，但它對像物理學和其他科學那樣有影響力和權威性的領域尤為重要。

有人擔憂研習這樣的故事將分散注意力，減少科學教學或定量研究的時間。一個好辦法是將歷史融入教學和思考。這樣做將使物理專業人員和物理學家成為更好的世界公民，並幫助吸引尖子學生從事科學事業。即使對於非科學專業的人員，科學史也是提高他們科學素養和接受科學理念的絕佳方式。

(中國科學院國家天文台鄒振隆編譯自Matthew Stanley. Physics Today，2016，(7):38)

本文選自《物理》2016年第8期

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