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糜克定与朋友们一道讨论科学人生

 
 
 

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关于我

糜克定: 退休物理教师,原江苏省电教研究会理事、中国物理学会会员、连云港市电化教育馆馆长,曾编导、监制《中学教师语言修养与训练》等52小时电视教材在中国教育电视台卫星播出。撰稿与编导10小时的电视教材《小学数学新课导入》选为联合国儿童基金会远程教育项目教材。退休后,又有编制《小学科学助教助学》、《体育与健康》、《伟大祖国》等近260G的结构性网络资源及网络“超媒体”教材等成果。 自办公益网站:《糜克定》的科学园》 http://mkd.lyge.cn/

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构建物理学大厦的最初日子  

2009-08-06 21:11:40|  分类: 科学与人文 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    距今两千多年以前,在欧洲巴尔干半岛的南端,美丽的爱琴海岸边,雅典城的居民们静静聚居在那,过着日出而作,日落而息的安逸生活。

但是,评价他们的文明,按照当时标准也不值一提。比起多年前埃及人建起宏伟的金字塔,美索不达米亚平原上纵横交错的运河,悍勇善战的斯巴达人,他们只不过是一群悠闲堕落的商人和懦夫罢了。
     还有比雅典城居民更奇怪的人么?敌人都快兵临城下了,议会大厅里的公民们还在发表自己的高见;盛夏剧院里居然数万人和舞台上几个带面具的戏子同悲同喜。雅典城里最受尊重的,不是满身伤疤的武士,而是口若悬河的雄辩家,下笔如神的剧作家。

  那时候,没有思想家这个词语,整日望着天空发呆的人、鼓动年青人否定神灵的人,躲在屋内写画一些奇怪符号的人,在一起大谈逻辑的人被认为是疯子!他们中间只有一小部分人受贵族们的青睐,从而得以开学授徒,著书立说,更多的人则是隐逸民间,甚至流浪街头,过着最是贫贱的生活。

  他们所追求的不是金钱名利,也不是宗教上的虔诚,只是一种模糊的理性美。王者的话语是靠不住的,天神的预言也有不实之处,要想真正弄清楚这个世界究竟是什么样的,不妨走得远一些,再远一些,静静地坐在橄榄树下,用一种审慎目光重新将万事万物再扫视一遍,期获所得。

  "不懂几何者严禁入内。"这是柏拉图神学院,世界上最早意义大学门口的几个赫然大字,即便是显赫一时的王公贵族走到这里也会怏怏避开,可以想象当地球上第一批的思想家们寻到数学这样一件不带任何主观色彩的利器时,是何等自豪。

  数学早在几千年以前,就被埃及人和巴比伦人用于买卖商品,丈量土地,甚至他们还制定了年历,绘制了星图,但这些不过是为了实用或宗教。到了希腊人手中,数学却大发神威,借助数学,他们的目光更加敏锐,理解的事理更加深透,从那时便萌生了真正意义上的物理学。

    无论是解说外在物质世界,还是描写内在精神世界,都不能没有数学!最早悟出万事万物背后都有数的法则在起作用的,是生活在2500年前的毕达哥拉斯。毕达哥拉斯是古希腊数学家、哲学家。他最钟爱自然数,这是他从琴弦上发现的秘密,只有当琴弦长度之比为简单的自然数之比,例如2:1,3:4等时,琴才能发出悦耳的声音,这大概是历史上最早用数学表述的物理定律了。毕达哥拉斯甚至还想得更进一步,不光琴弦是和谐的,宇宙的万物都应该符合这一至高准则。虽然,最终神秘主义将他推到科学的对立面上,但这种对自然界美的追寻已经为历代物理学家终极使命。

    第一个提出原子论的是古希腊伟大的唯物主义哲学家德谟克里特(约公元前460年~前370年),他认为,万物的本原是原子和虚空。原子是不可再分的物质微粒,虚空是原子运动的场所。人们的认识是从事物中流射出来的原子形成的“影像”作用于人们的感官与心灵而产生的。原子有四种,干燥而重的石原子,潮湿而重的水原子,冷而轻的气原子,热而易变的火原子,万物便是这些原子的组合,土壤是水原子和石原子组成的,植物则是土壤中的水原子和石原子与阳光中的火原子结合成的。

   这些观点以今天的眼光来看未免可笑,但在当时的条件下有如此见解,也算是很了不起了,何况这确实为后世的物理化学奠定了基础。从德谟克里特玄想中的原子论到道尔顿提出真正科学意义上的分子论,足足过了两千年。

   混沌之中,物理学又漫步了几百年,一直到大哲学家亚里士多德(公元前384年—前322年)手中才算真正开张了起来。亚里士多德乃是一位兴趣极为广博的哲人,很多学科都是他给取的名字,包括生物学,哲学,逻辑学,物理学也是他从希腊文(意为自然)中推演而来的。

    亚里士多德本人对物理学的最大贡献也就仅仅是给它取上了一个动听的名称而已。亚里士多德反对原子论。他认为世界由土、水、气、火,四大元素组成。其中每种元素都代表四种基本特性(干、湿、冷、热)中两种特性的组合。土=干+冷;水=湿+冷;气=湿+热;火=干+热。他不承认有真空存在,认为天上世界由以太组成 。亚里士多德把数学摒弃到物理学之外,这可能是所有幻想仅通过哲学的思辩便能通晓天下事理的思想家的通病。偏偏这种错漏竟被人们继承千年之久后,传到后世的神学家手中,此时,所谓物理学已经被歪曲到惨不忍睹的地步。

   公元前287年,在西西里岛的叙拉古(今意大利锡拉库萨) 古希腊的大科学家 阿基米德诞生了,阿基米德无可争议的是古代希腊文明所产生的最伟大的数学家及科学家,他既继承和发扬了古希腊研究抽象数学的科学方法,又使数学的研究和实际应用联系起来。阿基米德在力学方面的成绩最为突出,他系统并严格的证明了杠杆定律,为静力学奠定了基础。在总结前人经验的基础上,阿基米德系统地研究了物体的重心和杠杆原理,提出了精确地确定物体重心的方法,指出在物体的中心处支起来,就能使物体保持平衡。他在研究机械的过程中,发现了杠杆定律,并利用这一原理设计制造了许多机械。他在研究浮体的过程中发现了浮力定律,也就是有名的阿基米德定律。阿基米德的力学使物理学获得重生。

    在阿基米德晚年时,罗马军队入侵叙拉古,阿基米德指导同胞们制造了很多攻击和防御的作战武器。当侵略军首领马塞勒塞率众攻城时,他设计的杠杆投石机把敌人打得哭爹喊娘。他制造的铁爪式起重机,能将敌船提起并倒转……

   另一个难以置信的传说是,他曾率领叙拉古人民手持凹面镜,将阳光聚焦在罗马军队的木制战舰上,使它们焚烧起来。罗马士兵在这频频的打击中已经心惊胆战,草木皆兵,一见到有绳索或木头从城里扔出,他们就惊呼“阿基米德来了”,随之抱头鼠窜。

  恼羞成怒的罗马人源源不断的增兵添将,终至城破。士兵们怒气冲冲地冲入城中,找的第一个人便是阿基米德。但他们见到后都不免大失所望,这位传说中神魔一般的人物居然是一个不起眼的白发老头,他静静地伏在地上用芦苇杆画着一些几何图形,对周遭的一切似乎置若罔闻。

  当有人用脚重重地踩在他的几何图形上时,阿基米德才愤怒地昂起头,厉声道:"你们让我把这道题算完……",但无情邪恶的刀剑已经斩落下来。

  躺在血泊中辗转呻吟的远不止是阿基米德,而是整个希腊文明。希腊文明的衰亡是历史上最是凝重悲壮的一笔,自此人类又在漫长黑夜中探摸了数千年,才再见依稀的灯光。

     中世是欧洲特别“黑暗的时代”。基督教教会成了当时封建社会的精神支柱,它建立了一套严格的等级制度,把上帝当做绝对的权威,一切都得按照基督教的经典《圣经》的教义,谁都不可违背,否则,宗教法庭就要对他制裁,甚至处以死刑。《圣经》里说,人类的祖先是亚当和夏娃。由于他们违背了上帝的禁令,偷吃了乐园的禁果,因而犯了大罪,作为他们后代的人类,就要世世代代地赎罪,终身受苦,不要有任何欲望,以求来世进入天堂。在教会的管制下,中世纪的文学艺术死气沉沉,科学技术也在黑暗中止步不前。

中世纪的后期,资本主义萌芽在多种条件的促生下,在欧洲的意大利首先出现。一场思想文化运动随之兴起,它始于十四世纪的意大利,盛行于16世纪欧洲。这就是著名的文艺复兴运动。文艺复兴是“黑暗时代”的中世纪和近代的分水岭,文艺复兴使欧洲由野蛮的黑暗时代演进到一个在各个领域都有新发展的时代,而这些领域的成就均超越了伟大的古文明。

    意大利文艺复兴后期,1564年 2月 15日,在意大利西海岸比萨城一个破落的贵族之家,科学巨人伽利略 (1564~1642) 诞生了。恩格斯称他是“不管有何障碍,都能不顾一切而打破旧说,创立新说的巨人之一” 。

    有一次,伽利略信步来到他熟悉的比萨大教堂,他坐在一张长凳上,目光凝视着那雕刻精美的祭坛和拱形的廊柱,蓦地,教堂大厅中央的巨灯晃动起来,是修理房屋的工人在那里安装吊灯。

  这本来是件很平常的事,吊灯像钟摆一样晃动,在空中划出看不见的圆弧。可是,伽利略却像触了电一样,目不转睛地跟踪着摆动的吊灯,同时,他用右手按着左腕的脉,计算着吊灯摆动一次脉搏跳动的次数,以此计算吊灯摆动的时间。

  这样计算的结果,伽利略发现了一个秘密,这就是吊灯摆一次的时间,不管圆弧大小,总是一样的。一开始,吊灯摆得很厉害,渐渐地,它慢了下来,可是,每摆动一次,脉搏跳动的次数是一样的。

  伽利略的脑子里翻腾开了,他想,书本上明明写着这样的结论,摆经过一个短弧要比经过长弧快些,这是古希腊哲学家亚里士多德的说法,谁也没有怀疑过。难道是自己的眼睛出了毛病,还是怎么回事。

  他像发了狂似的跑回大学宿舍,关起门来重复做这个试验。他找了不同长度的绳子、铁链,还有不知从哪里搞到的铁球、木球。在房顶上,在窗外的树枝上,着迷地一次又一次重复,用沙漏记下摆动的时间。最后,伽利略不得不大胆地得出这样的结论:亚里士多德的结论是错误的,决定摆动周期的,是绳子的长度,和它末端的物体重量没有关系。而且,相同长度的摆绳,振动的周期是一样的。这,就是伽利略发现的摆的运动规律。

     伽利略对物理规律的论证非常严格。他创立了对物理现象进行实验研究并把实验的方法与数学方法、逻辑论证相结合的科学研究方法。为了说明惯性,他设计了一个无摩擦的理想实验:在一定点O悬挂一单摆,将摆球拉到离竖直位置一定距离的左侧A点,释放小球,小球将摆到竖直位置的右侧B点,此时A点与B点处于同一高度。若在O的正下方C用钉子改变单摆的运动路线,小球将摆到与A、B两点同样高度的D。伽利略指出,对于斜面会得出同样的结论。他将两个斜面对接起来,让小球沿一个斜面从静止滚下,小球将滚上另一斜面。如果无摩擦,小球将上升到原来的高度。他推论说,如果减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面达到原来的高度就要通过更长的距离。继续使第二个斜面的倾角越来越小,小球将合滚得越来越远。如果第二个斜面改成水平面,小球就永远达不到原来的高度,而要沿水平面以恒定速度持续运动下去。伽利略设计的实验虽是想象中的,但却是建立在可靠的事实的基础上。伽利略把研究的事物理想化,就可以更加突出事物的主要特征,化繁为简,易于认识其规律。伽利略的这一自然科学新方法,有力地促进物理学的发展,他因此被誉为是“经典物理学的奠基人”。

    然而,伽利略的晚年是非常悲惨的。这位开拓了人类的眼界,揭开了宇宙秘密的科学家,1637年双目完全失明,陷入无边的黑暗之中。他唯一的亲人——小女儿玛丽亚先他离开人间,这给他的打击是很大的。但是,即使这样,伽利略仍旧没有失去探索真理的勇气。1638年,他的一部科学专著《关于两门新科学的讨论》在朋友帮助下得以在荷兰出版,这本书是伽利略长期对物理学研究的系统总结,也是现代物理的第一部伟大著作。 1642年1月8日,78岁的伽利略停止了呼吸。但是他毕生捍卫的真理却与世长存。

   迦利略的去世。这对刚复兴的物理学来说无疑是一沉重的打击,何况迦利略临死前不久还被人拖到宗教法庭上伏法认罪,知者无不心寒。这位德高望重的物理学领袖一去,整个物理学不免显得萧索起来,很长一段时间都没有什么进展,世界仍是迷雾重重,也许大家都在等待那个拨开迷雾的人。

  就在迦利略离开人世的1642年,伊萨克·牛顿静悄悄地来到人世间。小牛顿并不知道迦利略是谁。对他来说最快乐的事情莫过于坐在河边,默默看磨房风车的转动,或者水中小鱼的游荡。他不愿意回家。说起来这个孩子的身世颇为凄惨,他出生前的三个月父亲就去世了,而后他母亲又改嫁到一个名叫史密斯的牧师家中。这位牧师面慈心狠,经常虐待牛顿不说,还不让他见母亲的面,后来几个弟妹的相继出世使得牛顿在家中更无地位可言。

  在学校里牛顿也并没有讨到老师的喜欢,各门功课差得一塌糊涂,而且由于身形瘦小,成为诸多顽童欺负的对象。小牛顿生性内向,在外人面前很是腼腆,纵使受了欺侮也很少回击。有一次,牛顿精心模仿磨房里的风车制作了一个模型,他得意地拿到班上炫耀,这是他难得开心的时刻,但班上那个成绩最好的学生反问了他一句,你知道风车是怎么转起来的么,老实的牛顿立时目瞪口呆。 这件事对牛顿的影响极深,直到他晚年仍不时地提及。自此之后,牛顿门门功课都是全优,所有的老师和学生都是刮目相看。牛顿除了学习成绩惊人以外,课外他更喜欢动手制作一些新发明。

     后来,迫于生活,母亲让牛顿停学在家务农,赡养家庭。但牛顿一有机会便埋首书卷,以至经常忘了干活。每次,母亲叫他同佣人一道上市场,熟悉做交易的生意经时,他便恳求佣人一个人上街,自己则躲在树丛后看书。有一次,牛顿的舅父起了疑心,就跟踪牛顿上市镇去,发现他的外甥伸着腿,躺在草地上,正在聚精会神地钻研一个数学问题。牛顿的好学精神感动了舅父,于是舅父劝服了母亲让牛顿复学,并鼓励牛顿上大学读书。牛顿又重新回到了学校。

    但是牛顿的学生生涯突然被意外地中断了,那是一场席卷欧洲的大瘟疫,仅在伦敦一下子就死去了好几万人。学校里宣布停课,牛顿不得不转到乡下伍尔索普农庄里,这一住便是十八个月。牛顿始终都在屋后的那间小阁子里,唯一能表示他存在的便是小屋彻夜的昏黄灯光。

  一个经典的传说是当牛顿坐在树下看书的时候,一只苹果突然砸到他身上,这一司空见惯的现象却引起了牛顿的深思,他认识到一定是一种引力在起作用,推而广之,地球和月球,行星和太阳之间必然也存在类似的力,据说,这便是牛顿发现万有引力的经过。

  当然这只是戏说,但牛顿当真这十八月内几乎完成了他一生中最重要的发现。

历史上的牛顿不仅仅是作为大物理学家出现的,在数学的发展史上他也是举足轻重的人物。而真正以数学大师身份出现的牛顿似乎只有他回到乡下后的头六个月,在这段时间里,他同时发明了二项式定理,无穷级数展开,微积分,无穷小概念和极限,尤其是微积分,几乎决定了几百年来数学的研究主流。这些眼花缭乱的成果在当时而言,即便是第一流的数学家花六个月时间未必能理解,一个并不以数学为职业的人居然轻松创造了出来,真是匪夷所思。其实,牛顿只不过是为他崭新的物理学找到一套工具而已,牛顿瞄准的乃是宇宙中最普适的真理。

    在英国乡下一间昏暗的屋子里,一个年青人锐利的目光看穿了一切:又有什么不一样呢?月球,行星运行的轨道方程和地上物体的是何其近似,一定是一种同样的神秘因素在起作用,一种促使着物体互相吸引的因素,这就是万物运动的根源所在。

  夜深了,伏案良久的牛顿终于直起身来,他默默地把手稿放进柜里,这是牛顿一向的习惯,凡事不彻底弄清楚之前,决不轻易示人,万有引力定律虽然神妙,但要确定它还需更详尽的资料。他首先想到的便是在剑桥大学读书时曾疯狂研读过的天文资料,当时很多记载都跟牛顿推演的结论差距甚大,他只得将手稿封入柜中,直到几十年后天文观测的数据被修正之后才取出发表。

  这震撼宇宙的万有引力定律就这样在悄悄诞生在一个名不见经传的年青人手中,牛顿终于可以安心地好好睡上一觉了。

    1799年的法兰西,灯碧辉煌的宫廷中,盛装的拿破仑嘴角挂着微笑,他有十足的理由自豪,不久前的雾月政变中他一跃便攫取了最高权柄,偌大的法兰西自此便匍匐在他的脚下。这时一位高个绅士手捧两卷新书,缓步走到前排,毕恭毕敬地献给了拿破仑。众贵宾不免相视狐疑,他们自然都识得这位便是鼎鼎有名的大物理学家拉普拉斯,他与拿破仑的私人交谊非同一般,加之素来威望孚众,此时已升任内政部长。

  有人不免暗笑他大不识趣,如此风光的场合,人人都是奉上奇珍异宝,这书呆子却寒碜至此,有人却深知拉普拉斯此人甚是圆滑世故,自大革命以来无数的腥风血雨伤不了他毫发,官倒是越做越大,他此般做作自是大有深意。

  拿破仑接过赠书,一页页地翻了起来,宾客们纷纷放下酒杯,关注着他的脸色,拉普拉斯则恭顺地垂头立在一边。突然拿破仑重重一哼,道:"拉普拉斯,你新著的这本《天体力学》口口声声说能解决宇宙的一切谜题,可我前后翻了这许多页,你居然没有只字提到上帝?!"

   周围的人无不耸动,拉普拉斯却陡然敛起一贯谦卑的笑容,昂起头肃然说道:"陛下,我的假设中并不需要上帝!"     

  纵观物理学千年以来的发展,对物理学真正最具信心的不是门类空前完善的今天,也不是经典物理成熟透顶的十九世纪末,而是拉普拉斯所处的时代。  其时牛顿逝世已近半个世纪,然而他指引的方向确是丝毫不差,这些年来物理学取得了空前的发展,神学的迷雾一点点的散去,牛顿力学的威力也一点点的显出,原先无数困惑难解的现象无不迎刃而解。拉普拉斯出身贫寒,他自小砺志自学,到二十一岁那年已经身手不凡,几篇涉及到数学,物理最新研究领域的论文引起了法兰西科学院的重视。但科学院当时守旧势力极重,象他这般既无背景,又年轻的人是很难进入的,拉普拉斯满怀希望地申请加入,谁知第一年申请科学院把职位给了比他年长十四岁的范德蒙,第二年又给了比他大十岁的库辛,他不免大发牢骚"科学院宁愿接受一个才能远逊于我的人!",心灰气沮之余便到一所军事院校教书,这却成为他一生的转折点,因为在那里他遇上了其时尚为一炮兵学员的拿破仑。

  不过若说拉普拉斯的成名全靠拿破仑所赐,却也太过冤枉了他。当拉普拉斯经过一番努力终于跻身法兰西科学院时,立刻显出了他的实力。拉普拉斯研究领域之广,论文数量之多,质量之高在全法国再无人能出其右,即便已经逝世的拉格朗日也是颇为不及,凭借如此辉煌的业绩很快便登上了院长的宝座。

  拉普拉斯涉猎到分析力学,差分方法,偏微分的解法,概率论和人口论,热学和声学的诸多方向,但他最显著的成绩就是把物理学引入到天文学中。他最早根据牛顿力学的万有引力建立起摄动理论,并讨论了三体问题解的存在。

   所谓三体问题就是空间三个物体在万有引力作用下的运动方程,这类看似浅显的问题真正解决起来却极为困难,拉普拉斯凭借深厚的数学功底,找到了一个特解,大约一百年后另一位数学物理大师彭加勒专门研究了多体问题(三个物体以上),他发现若是任有一个物体的坐标稍加变动,整个系统的运行轨道就变得全然不可捉摸,顺着这条线索走下去便有了今天盛极一时的混沌现象及非线形科学。

  天体力学这个名词便是拉普拉斯最先提出来的,在他严密的推导之下所有的天体,诸如行星,月亮,彗星,木星、土星、天王星各卫星的轨道都是一目了然,甚至拉普拉斯开始了笔下推算未知天体的尝试。

   如果说上个世纪物理学家还在为上帝的问题和神学家据理力争的话,到十九世纪则根本是不屑一顾,上帝的存在大可不必理会,世上还有什么问题解决不了的呢。漫漫长夜中伟人牛顿已经升起了明灯,沿着他指引的方向,我们自己在头脑里便可给出合乎理性的答案。大哲人伏尔泰的呼声道出了众人的心底话:"如果没有上帝,我们便造一个出来!"

  拉普拉斯虽然在官场上碌碌畏缩,明哲保身,但一谈及物理学这一股自豪感却油然而生,即便面对威严的皇帝也是豪情不减。拉普拉斯有个惊人的说法是,只要能给我宇宙诞生初期的条件和边界的条件,叫上加上足够的数学知识,我便能计算出整个宇宙的演化历程,不管是过去,现在还是将来。阿基米德也曾说,若给他一个支点便能撬起整个地球,这不过是为了表明杠杆作用之大,谁也不会挺身一试,但拉普拉斯的这一狂言却赢得一片轰然叫好之声,有些持重之士纵使嘴上不说,心里也是暗暗称道,人人心中都是一般想法:纵使我们这一代人未必能够,后世的物理学家们的日子也大是轻松,甚至不须出什么才能特异之士,只要数学工具一朝改进,顺着牛顿的路走下去便终可修成正果,所需的不过是时间和经验而已。

  拉普拉斯时代,人们充满了对物理学的自信,相信物理学大厦已经建成。其实至此两千多年,才是构建物理学大厦的最初日子,构建物理学大厦还有很长、很长的路要走,还有很多、很多的事要做……。

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