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张双南:与想推翻量子力学的少年对话

2016年01月13日 11:30 来源于 财新网
“民科”非常热爱科学,没有牢固地掌握基础科学知识,也没有经受科学训练,却试图解决科学的重大问题,大多是试图推翻相对论或者量子力学,因为这两个理论非常不“直观”而且违反“哲学”

  文 | 张双南

  中国科学院高能物理研究所研究员

  昨天通过微信和一个中学生有一段对话。这个孩子显然非常优秀,而且彬彬有礼,但是由于还不知道科学研究是怎么一回事,以为自己找到了物理学的一个大漏洞,试图马上推翻量子力学,沉浸在里面不可自拔。这种情况我以前其实见到的很多,但是都是成年人、所谓的“民科”,没想到中学生也会这样,这样下去真的会毁了这个孩子。

  我于是比较耐心地和孩子做了一番对话,从孩子本人和家长的反应,看来有一点效果。我觉得这个对话对其他的孩子可能也有帮助,于是征得了家长的同意,把对话稍微整理了一下,发出来给其他孩子和父母参考吧。

  中学生家长:张教授你好!我孩子超级热爱物理。

  张双南:您好!孩子多大了?

  中学生家长:17岁,高二。

  张双南:就要上大学了。

  中学生家长:对,他特别想考清华。

  张双南:清华的物理非常好啊。

  中学生家长:有几个问题能请教一下教授您吗?

  张双南:不客气,请讲。

  中学生家长:那我让我儿子和您说了。

  中学生:张教授您好,我叫……(为了保护孩子的隐私省却了中学生的名字)。我想问您几个物理体系的问题,就是相对论和量子力学矛盾的问题。

  我去北航的图书馆查了两大物理体系的导论和概论以及两大物理体系各自的延伸,我发现两大物理体系殊途同归,只是走错了路。

  我发现量子力学完全误入歧途了,或者说量子力学的不确定性原理和观测者的效应束缚了我们当代太多人的思想。

  相对论的推导是以麦克斯韦的经典电磁场理论为基础的科学。以光速不变性原理以及运动学定律在一切参考系都是普适的两大原理导出的。

  而量子力学的波粒二象性从字面意思上理解就是不完备的,一个物质怎么可能既是粒子又是波,从哲学上的来看这就是错误的。

  既是粒子又是波只有一个可能——就是我们现有的数学理论基础达不到能正确认识或理解这种现象。

  历史上每一次数学体系的全新引入或者说发现都伴随着一次物理学的革命。牛顿力学、电磁场理论运用了微积分,相对论运用了黎曼几何,量子力学运用了矩阵和波函数。

  我觉得现在物理学的统一不在于能不能想出来,而在于能否发现一种全新的数学体系去帮助我们理解时空关系,玻色子,费米子以及暗物质晕和暗能量。

  有什么不对的请您指教!

  张双南:量子力学和相对论的关系的确是没有完全解决的问题。但是,我们必须看到,物理学(以及其它所有自然科学学科)是实验推动和引导的学科,不是纯理性的思辨就完全可以发展的。

  如何解决量子力学和广义相对论的关系问题,既需要理论研究也需要实验研究。寻找合适的数学工具是理论研究的一个方面,但是不是唯一的方面,也不一定是最重要的。

  但是无论如何,最重要的是需要全面和彻底地理解量子力学和广义相对论,因此需要通过实验在更高的精度上检验这两个理论的预言。

  理论的研究,既需要深刻理解这两个理论体系的关系,也需要寻找新的数学工具。目前这两个方面做的人都很多,进展也很快。

  你如果有志于研究量子力学和广义相对论,只能在已有的理论和实验的基础上,做很深入的理论研究和更加精细的实验研究,没有任何捷径。

  如果我要是给学生建议的话,我只能建议学生首先牢固地掌握数学和物理的基础知识,只有这样才有可能进入这个领域。

  顺便说一下,牛顿的确需要发明微积分才能够把他的科学思想变成可以进行运算的科学理论。但是广义相对论需要的黎曼几何并不需要爱因斯坦去发明,因为黎曼几何早就在那里了。同样,量子力学依赖的数学工具当时也已经成熟。广义相对论和量子力学的建立并不是由于数学革命,而是由于物理学家们选择了已有的数学理论。

  中学生:谢谢您,我想我明白接下来该如何去做了。

  张双南:我再补充一句吧,有一类人被成为“民科”,也就是虽然非常热爱科学,但是没有牢固地掌握基础科学知识,也没有经受严格和系统的科学研究的训练,却试图解决科学的重大问题,大部分情况下是试图推翻相对论或者量子力学,因为这两个理论非常不“直观”而且违反“哲学”。这些“民科”往往投入大量的精力甚至财力搞他们所谓的“科学研究”,但是一律是一事无成,都是在浪费他们宝贵的生命。我见过很多这样的“民科”,我特别希望像你这样有前途的年轻人不要成为这样的人。

  中学生:我觉得我们少数这些有理想有抱负的孩子,到底该看什么类的基础物理书和基础数学书?普物和高数看完后应该看什么?我一直想看朗道十卷,我现在可以看吗?费曼物理学讲义可以吗?

  张双南:我现在不建议你花太多时间学习大学的课程,目前的关键是考上最好的大学,给你一个今后做科学研究的机会!

  中学生:为什么呢?我好几个厦门大学的朋友在高二就一直在自学,大学后直接出国,为什么我不可以像他们那样呢?我不是向往国外生活而是觉得国外的研究氛围更好。国内研究氛围虽然不错,但是功利性太强。

  张双南:进最好的大学可以接受最好的教育,打下最扎实的基础,同时可以和一流的学者进行面对面的交流,知道怎么做科学研究。

  如果能够去国外一流的大学当然也很好!就本科教育而言,国内一流大学的教育也是不错的。

  中学生:我一直认为学习是自己的事,别人无论如何说、如何学、如何做都是别人的事,做好自己分内的事最重要。我觉得我现在对量子物理(的思考)已经进入瓶颈了,我再怎么学也不能使自己的认识加深。我会考物理十分钟做完了,两道题没写,不是不会而是不想考满分。我会考四门都能拿A。

  我现在该怎么做,教授?学习什么知识呢?

  张双南:你如果功课完全没有问题,读一下费曼物理学讲义也是不错的,但是朗道的书还是先不要碰,上大学之后再说吧。

  我认识的量子力学现在开始进入了黄金时期,无论对科学发展还是技术应用都十分有发展前途。

  中学生:嗯,我也是这样理解的。

  现在二十一世纪要技术有技术,要理论有理论,要实验也有实验,我们为什么还是融合不了相对论和量子力学?

  张双南:融合不了相对论和量子力学的关键还是实验上没有找到这两个理论预言的任何错误,所以还无法超越。

  中学生:量子场论的提出不是为了逐步融合相对论的引力相互作用微观表现形式,和量子力学电磁弱相互作用与强相互作用的微观表现形式吗?只是引力太小了,质量小的话,微观表现形式上力的大小也非常小。而电弱相互作用与强相互作用融合的问题不就是微观无法共性吗?我有好多好多疑问。我该怎么做,看什么专业性特强的物理和数学书呢?

  张双南:在你全面学习了量子力学(也包括量子场论)和广义相对论之前,是无法和你讨论这些问题的,你的这些疑问只能带进大学,等学完了这些基础课之后就明白了。

  我的意见是,你现在不需要看专业性特强的物理和数学书,这些你在大学会学到的。

  中学生:我现在该看什么书只需要您告诉我两三本书的名字,我会自己找书和论文的。

  张双南:我不愿意做这样的推荐,不希望你把时间浪费在不必要的事情上。

  中学生:我想去国家图书馆查询一下这方面的论文。您说呢?

  张双南:等你上大学之后,你就会知道,物理研究的世界比你想象得要丰富得多,现在不要把自己陷在牛角尖里面。

  中学生:谢谢您,您的话对我有特别大的启示和启发,为我今后的物理梦打下了一个良好的基础,我明白该做什么了,谢谢您,教授,我也要成为一位像您一样受人尊敬的大物理学家。

  中学生家长:张教授,非常感谢你,今天和孩子说的,比我们家人说一万句都管用,孩子爸都感动的哭了!

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