众所周知,欧内斯特·卢瑟福曾说:“这个世界的自然科学可以分为两类,一类是物理,另一类是集邮”。这句话的准确出处尚不清楚,但无论其是否由卢瑟福所说,它的精妙之处毋庸置疑。
的确,物理学与其他自然科学的显著区别在于,物理学追求的不是“多”,而是“少”。物理学认识世界的方式不是从不同的现象中收集大量的“原理”和“知识点”(尽管这项工作本身也极有价值,并且是物理学真正目标的前提),而是探寻隐藏在它们背后的“相同”且“最简单”的规律。对物理学家来说,苹果从树上掉下来和地球绕着太阳转是同一件事!
从这个角度来看,我们这些年来学习的所谓的“物理”,真的有学到物理的真谛吗?我们学习了一大堆概念、定理、定律……它们在我们脑中的作用似乎更像是一本“集邮册”里的一张张“邮票”。为什么有些概念、定理和定律显得那么“深奥”?有些甚至“反常识”?那我们为什么要乐于接受这些令人困惑的物理知识呢?
当我们将这些物理概念、定理、定律放回到人类认识世界过程的长河中时,才能够理解物理学的大厦是如何在“纯粹理性”和“实验事实”相互印证的过程中谨慎地一砖一瓦搭建起来的,看到过程中的每一个“脚手架”,才能够理解物理学家如何得出这么一套“高深”甚至“反常识”的东西。当了解了大厦的每一块砖瓦的形状、位置和修葺工艺是如何经历深刻的理性思考和严苛的实验验证的,包括反复检验过程中的返工和重建,我们才能信服地接受这套情感上可能难以接受的东西。
市面上其实有很多“科学史”类的书籍,有些讲述的是“时间顺序”上的“历史”,而不是人类“对世界的认知过程”的“历史”;另一些则主要面向大众,在介绍概念演进的过程时,刻意回避了数学语言,以避免吓跑读者。这两类作品对包括我在内的广大读者都有启迪作用,但当我们具备了一定的数学基础,这些好像就不够满足了。
今天推荐的这本《物理学中的理论概念》是一本特别的作品,本书作者是1997年始任剑桥大学卡文迪许实验室主任的马尔科姆·朗盖尔教授(Prof. Malcolm Longair)。剑桥大学卡文迪许实验室在物理学的发展中有着不可磨灭的贡献,从建室主任麦克斯韦,到继任的瑞利勋爵、J. J. 汤姆孙、卢瑟福、小布拉格……一个个名字在物理学的建立过程中熠熠生辉。朗盖尔教授不仅是卓越的物理学家,同时还是获得过首届“大不列颠学习与丰富生活传播奖”,在电视上开设科普讲座的著名科学传播者。
在本书中,作者用7个专题19个章节的篇幅,为我们详细梳理了今天物理主要领域中那些最重要最基础的概念和理论是如何建立起来的。特别之处在于,作者用他深厚的功力在这本书中同时运用了两种语言:用普通人的语言介绍了概念、理论发展过程的“故事”和“轮廓”(这部分让普通人即便不懂数学,也能对概念和理论了解个大概);同时用物理学家的语言——数学,给出这些概念、理论的公式、推导过程和与实验的对照,让专业读者能根据自己的数学程度获得更丰富的细节。两种语言在整本书中并行不悖,让不同程度的读者能够各取所需。而每一章节后的参考文献来源和依据,则传递出严谨的态度。
特别是对于教物理的老师,个人以为本书是必不可少的参考书籍。只有自己真正懂得“物理”,才能让我们的学生学到“真的”物理,而不是“字面”上的物理,或是冠以“物理”称谓的“知识点集邮”。