物理學家為什么要學習歷史？

江澤珍/編譯

物理學家為什么要學習歷史？

江澤珍/編譯

本文作者馬特·斯坦利（Matt Stanley），紐約大學科學史教授

正如物理不是關于世界的事實羅列，歷史也不是人物和時間的羅列，它更是一種強有力的啟發性思維方式。

在現代物理學教育中，老師們通常不太重視傳授某些方面的問題，例如：與人相處、團隊協作、誤解、對手和同盟等。物理學家通常并不看重這些方面，認為它對科學研究沒什么幫助。但是，社會互動確實會對他們的研究有很大的影響。而物理學家通常通過很困難的方式才意識到這一點。在如今這個科學合作的時代，獨自行走可是不行的。

歷史就能幫助物理學家這一點，歷史這門學科會研究很多這方面的問題。我們這些科學史學家的工作就是挖掘那些鮮為人知的故事，并與大家分享。而我們講述這些歷史的方式可以改變人們對歷史的看法。從歷史的角度來看科學可以讓物理學家們明白得更透徹，也能為他們提供很多有用的工具。

物理是社會性事業

研究是由人做的，人有喜歡和不喜歡，有自負和偏見。物理學家也不例外，他們也會有特別喜歡的觀念，也會堅守一些早該放棄的概念。一個典型的案例是電磁以太，這個概念幾乎吸引了整個19世紀的物理學家。到最后發現以太的概念給他們造成的困難比解決的問題要多得多，可物理學家依然將其視為核心的解釋工具。1905年，愛因斯坦的狹義相對論宣布以太是多余的，但物理學家對電磁以太的狂熱也沒有立馬消退。

人們來自不同地方，物理學家和其他人一樣都想捍衛自己的國家。100年前，一戰爆發后，英國科學家拒絕與德國的科學家合作。一戰結束后，德國及其法西斯同盟國依然被禁止加入國際科學組織。二戰期間，希特勒手上具有原子彈的能力震懾了反法西斯同盟國的科學家，使他們打開了核武器的潘多拉盒子。雖然許多參與的科學家事后很懊悔，但戰爭和民族主義成為發展核武器的動力。

上述情況并非例外，物理學家并不是沒有政治觀點、哲學偏好和個人情感的特殊群體。而科學史的作用就是剝掉“不食人間煙火”的隱士天才的神秘面紗，使物理更有人情味。

物理更有人情味是一件好事。對于初學者，尤其是學生，他們會覺得物理學更容易進入。許多有潛力的學生之所以中途放棄科學，是因為他們所學的東西似乎和他們的生活沒有關系。科學教育專家發現，那些放棄的學生求知欲非常強，他們想了解幾乎所有的事情，包括他們現在所學習的各種研究方法是怎么來的？為什么物理學家和化學家理解自然的方式是這樣的？他們學習的東西和世界有什么聯系？等等。如果在教學中不涉及這方面的知識，學生很容易失去好奇心。從歷史的角度自然提出概念、政治、哲學、倫理或社會等問題，這些問題揭示了物理對學生自己生活的重要性。把人看作人的學科比把人看作計算機器的學科更具有吸引力。

了解物理人文的一面還能幫助學生了解物理學家究竟要做些什么。物理是團隊合作的，物理學家需要溝通，物理是社會性事業，思想和實驗設備需要經常交流。愛因斯坦提出廣義相對論后的一段時間，其他的科學家很難靠自己的能力解讀這個理論。要想徹底讀懂這個理論，必須與愛因斯坦和他的小組取得直接聯系。可那時正值一戰的爆發，很少有科學家能夠聯系到他。直到荷蘭的物理學家威廉·德·西特 （Willem de Sitter）聯系到愛因斯坦本人，并將這個理論傳給英國的物理學家及非戰主義者亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）后，廣義相對論才被大眾所知。物理研究需要人與人之間的溝通，而有時溝通并不簡單。

物理學不是顯而易見

羅伯特·密立根的實驗筆記本里每一頁都像這頁一樣，到處都是數據、計算、修正，有時會偶爾加一些評論。要完善這個著名的油滴實驗和獲得電子電荷需要大量的時間和精力。這個筆記本的記錄時間為1912年2月27日

從回顧的角度來看，任何事情似乎都顯而易見。教科書上的實驗結果是非常清晰的，一些理論只需要幾頁紙的計算就能論證。但在這些清晰說明的背后是科學家們付出巨大的心血和不斷糾正的錯誤。物理學的歷史提醒我們，物理理論的驗證是多么的困難，即使今天看似顯而易見的理論，例如地心說、原子論等。

復雜性而非簡單性是科學實踐的法則。每一項發現的背后包含了許多人、想法、事故和爭論。一般來講，理解一個理論的含義需要巨大的努力。比如密立根油滴實驗，在教科書上被視為清晰實驗設計的典型和有說服力的理論解釋。可要是你看一眼羅伯特·密立根的實驗筆記，你就知道這個實驗有多難。（圖為筆記中的一頁）

自然界很少直接給出答案。因此研究人員有時需要盲目探索，需要嘗試、失敗和猜測。一旦他們取得了明確的結果，那些艱辛付出就會被他們拋在腦后。他們認為簡單比復雜更有說服力，而實際上，復雜更讓人放心。人們告訴學生和年輕的研究人員：物理研究是困難的，他們實際的付出要比教科書上展示的困難得多。混亂就是標準，錯誤是正常的。由大家不斷努力、掙扎取得的科學成就要比靈光乍現的科學成就更有意義。物理的成果從來就不是不證自明的。

每當物理學家對一組數據的解讀出現不同時，都會為物理不是顯而易見提供新的證據。一些數據只有在特定的角度上才有意義。阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在天線中首先發現的是低頻率噪音，并不是宇宙微波背景，當他們從宇宙大爆炸的角度去看待這些低頻率噪音時，才發現它們的價值。

物理學的歷史告訴我們：解決一個問題通常有好幾種方法。量子電動力學的出現并不是由于它明顯的優越性，而是弗里曼·戴森（Freeman Dyson）證明了理查德·費曼、朱利安·施溫格和朝永振一郎的重整化方法都是一致的。他們所有人的方法都是對的，只不過需要重新組織一下。如今必不可少的費曼圖在剛出現的時候并沒有受到大家的重視。費曼圖是混亂的，如何使用并不清晰。戴森樂于接受新觀點：他必須告訴人們費曼圖的好處，傳播費曼圖的重要性。所以我們現在看到的那些簡單清晰的理論在形成時都是很困難的。

羅伯特·威爾遜（左）和阿諾·彭齊亞斯在檢查他們的天線。他們因發現了宇宙微波背景輻射而共同獲得了1978年諾貝爾物理學獎。而他們起初發現的只是來自天線的一些低頻率的聲音

物理需要各種各樣的人

好的物理需要創造性。一個奇怪的想法或許能幫助闡明一個混亂的觀察結果，或許還能成為理解一個方程的關鍵。歷史告訴人們：物理學的發展需要概念的奇特碰撞。拿熱力學第二定律為例，這個定律的形成和解讀很大程度上要歸功于開爾文。可開爾文一開始的研究動機并不是什么第二定律。他是一個宗教信徒，他看到《圣經》詩篇102中寫道天堂和地球總有一天會被耗盡，他就想研究宇宙的熱寂問題。由于開爾文的個人背景，他獲得了很多有關第二定律的數據。你可以看到開爾文獨特的觀點與其他研究熱力學的物理學家相比是多么重要。各種不同方法的互相作用才會產生新的觀點，如果沒有開爾文的奇特觀點，我們也不會有熱力學第二定律。

奇特但有用的觀點通常來自與當前需解決問題截然不同的領域。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋是從歷史學家那兒學到統計方差的；粒子物理學家路易斯·阿爾瓦雷茲（Luis Alvarez）將同位素的專業知識帶給了他兒子沃爾特的地理研究，最終幫助解決了恐龍滅絕的謎團。科學史向我們展示了跨領域科學家的溝通是有多么的重要，不同小組之間的溝通是有益的。表面孤立的問題通常聯系非常緊密，你永遠不知道：何時何地你會發現能夠解決問題的奇怪想法。

開爾文

鼓勵不同想法的最好策略就是培育多樣性的群體。經常提供不同思維方式的小團體往往是靈感和新方法的源泉。很多例子表明：邊緣團體最后成為主流。例如：瑪麗埃塔·布勞（Marietta Blau），她發展了核乳膠技術（粒子物理中最重要的發明之一），而布勞本人在當時就屬于物理學的外圍。作為一名奧地利的猶太女人，布勞在大戰期間受到雙重排斥。女人通常被拒絕進入實驗室，有時的理由是她們的頭發很容易引起著火。而猶太人就很少允許擁有高層的位置，即使在納粹崛起之前。這些限制意味著：如果布勞要研究粒子的話，她必須用非常普通的材料制作便宜、可攜帶的實驗器材。正因為如此，她研發了基本的觀測工具，最終震驚了當時大部分同質化的物理學共同體的物理學家。

瑪麗埃塔·布勞（Marietta Blau，1894-1970），作為戰爭期間奧地利的猶太女性，一度受到物理學家的排斥。在邊緣的研究讓她研發了核乳膠技術

代表性不夠的小團體經常被邊緣化的原因是長期形成的文化惰性或蓄意決定。正因為這個原因，很多想增加物理多樣性的物理學家都認為自己在幫助糾正社會錯誤。費曼在學生時代就被哥倫比亞大學拒絕，因為有些人認為：不應該招收那么多猶太學生。現在看來這似乎是一個荒謬的決定，而這一決定使麻省理工學院得益，接受了來自邊緣的費曼。

2015年，美國最高法院的首席大法官約翰·羅伯茨（John G.Roberts Jr）對于多樣性有利于物理學的觀點感動困惑，羅伯茨的評論令人失望，即使其評論背后的觀點并非不正常。作為純粹理性的獨立王國，科學的完美有效掩蓋了不同觀點和見解的重要性。然而，不同觀點的重要性在科學史上有清晰記載。這些記錄能澄清：為什么物理學絕大多數由白人完成，為什么依靠白人會成為物理學未來發展的限制性因素。而物理學史是智能和制度多樣化的重要性的極好范例。許多不同的思維方式可以用來解決問題，因此應該鼓勵多樣化。

物理學沒有結束

觀點和詮釋的多樣化提醒我們：物理是一門正在發展的學科，所有的知識都是暫時的，總會有新的方法解決問題，總會有新的東西值得學習。物理史應該做到讓人們質疑現在的理論是否能保持永久正確。

一些人擔心，承認這種不確定性會使科學失去魅力。實際上，這反而會增加科學的魅力。如果物理研究幾近結束，誰還會去研究？在一面快完工的墻上加磚塊并不令人興奮，但擴大一個沒有限制的建筑會是令人興奮的挑戰。因此，知道并非所有事情已經發現是很鼓舞人心的。

承認不確定性意味著我們要改變物理和（更廣意義）科學的教育方式。物理學通常就是一張清單，上面羅列了物理學家認為是對的事情。我們把這種清單叫做“教科書”。它們并沒有把物理學家或其他科學家真正做的事情反映出來。教科書除了教授學生物理學家已經知道的東西，還應當強調關于物理的未知現象。它們可以告訴學生還有很多東西需要研究：有哪些未解之謎，有哪些很難解決的問題。好奇心應該獲得贊賞，應該鼓勵每個人提問“還有什么問題？”

這樣的教育轉變的效果之一就是降低對證據的關注。極少事情可以嚴格證明為真。在實踐中，科學家為特定論斷積累證據。這些證據提供了某種程度的可信度。堅持每個科學概念符合或應當符合證據的標準是危險的，這會使知識很容易受到攻擊，因為每個論斷都有值得懷疑的地方。如果科學家不對自己的疑慮坦誠相見的話，一旦不確定性出現，信任危機也會隨之而來。談論證據和疑慮會使科學在大眾中更強大。

物理是會變化的

基礎物理小組，1975年成立于加州伯克利，勵志探索神秘主義和基礎量子物理。照片上為該小組的四個成員，站著的從左至右分別是杰克·薩爾法蒂、索爾·西拉格和尼克·赫爾伯特，坐著的是弗雷德·沃爾夫

接受物理將來會變得不同就是接受物理過去與現在也是不同的。每個人都傾向于認為：事物現在的方式是準則。但歷史已經表明：事情并不是一直都是這樣。過去的人們會有不同的想法，理解這一點對理解現代的人有很大的幫助。歷史就是通過對過去的關注來告訴我們如何開始關注現在。

沒有人比愛因斯坦更喜歡歷史方法。早年的他讀過恩斯特·馬赫有關科學史的論著，他認為就是馬赫讓他能夠對科學原理有了批判性的思考。愛因斯坦曾寫道過：有歷史和哲學背景的知識可以免受偏見的煩惱。他抱怨物理學家把現在接受的觀點看成是永久不變的規律。他建議：物理學家應該研究這些觀點的歷史，理解這些觀點獲得證實的情況。這樣的話，處在邊緣的青年物理學家（如1905年作為專利秘書的愛因斯坦）就會有膽量進入新領域，提出創造性的新建議。

歷史能訓練你對已接受的觀點持有批判性思維。對于神秘的量子物理來說，可以有很多方法進行思考。普遍認同的哥本哈根詮釋并不是最好的詮釋，也并不是唯一有效的一個。愛因斯坦就是想讓物理學家能夠對量子力學的基礎采取批判性的態度。

歷史學家兼哲學家哈索克·張（Hasok Chang）曾認為：科學詮釋的多樣性可以使科學史作為現代科學研究的資源。他把他的方法稱為補充科學，即將過去遺忘和未解決的謎題重新揭示出來。把這種補充科學帶到實際應用中需要自我檢查，對假設和理論進行深度思考和批判在專業科學的背景下也是很困難的，但科學歷史鼓勵這種做法。

戴維·凱澤的《嬉皮士如何拯救物理學》揭示了如何養成批判性思維。20世紀60~70年代，一些物理學家并不滿足圈內的“關上門來自己研究”的風氣。他們對方程背后的更深層次的哲學意義感興趣。因此，他們同時研究了那個時代的反主流文化以及量子物理的歷史。通過這些方面的努力，他們對貝爾定理和量子糾纏有了更深刻的了解。因此意識到：人們過去的想法是不同的這一點很重要。

物理沒有嚴格的規律

首次讀科學史的人都會驚訝地發現：科學的實際操作根本沒有按照課本上寫的順序來。科學家并沒有遵守嚴格、線性的解決問題的系統。科學家的研究可以來源于一個假設，可以來源于一個奇怪的觀察結果，也可來自實驗中的某個異常現象。愛因斯坦在晚年的時候總結道：科學家必須是一個狡猾的投機分子，在新挑戰來臨時，不斷變化自己的應對方式。

實際上，科學家并沒有一套嚴格的研究方法，他們需要根據掌握的證據開展工作，提出最好的解釋。19世紀前期，天王星的軌道似乎與牛頓引力出現了偏差。當時人們可以聲稱：牛頓的引力理論被證偽，當然，只有極少數人那么做。牛頓的引力理論已經證明如此強大，一次異常現象不足以放棄這個偉大的理論。因此，科學家們找到了一個更簡單的解決方法，即天王星的偏移是因為存在新的行星（躲在暗中的海王星）。后來當水星的軌道也出現了偏移時，人們采用了相同的解釋。為了拯救牛頓的引力理論，天文學家尋找躲在太陽光后的火神星。但是，愛因斯坦最終提出：水星的軌道異常是放棄牛頓理論和偏向自己理論的充分原因。

有時候，偏差是放棄某個理論的理由，但有時候，需要提出全新的實體來拯救理論。不同的情況需要不同的方法。物理學家在做出選擇時通常都有很好的理由，但他們要承認：他們的選擇具有難度和復雜性。

歷史故事會告訴我們科學發現的過程。但人們可以發現狹義相對論來源的完全不同版本：是從邁克爾遜-莫雷的實驗結果中直接推導來的？或者是從愛因斯坦關于時空性質的哲學性思考得來的？或許來源于麥克斯韋方程的抽象推理呢？人們定義物理的方式取決于其聽到的故事。因此，講故事的人必須確保他們的故事是有歷史依據的。

人們不必過于擔心自己的研究可能損害科學方法。研究物理的方法有很多，攻擊弦理論違背了方法論的指導是不公平的。如今的物理學家通常沒有受過科學哲學的訓練 （愛因斯坦和尼爾斯·波爾接受過），他們引用的哲學原則已經過時。卡爾·波普爾的科學可證偽的理論已經沒有太大作用。例如：占星術就是可證偽的，可它并不是科學。科學史揭示了科學的定義和標準是如何隨著時間而改變的，希望科學史有動力參與科學哲學家的重要工作。

概念的本義

詹姆斯·焦耳，在19世紀對能量守恒的探索得益于其對啤酒的專長。科學史揭示一些逸聞趣事，使物理研究變得更好玩

歷史告訴我們，知識不是固定不變的。通過歷史性的思考我們會問：為什么以前的人會認為這是真的？為什么我覺得它是假的？

研究歷史能幫助你了解概念的本義。亞里士多德并不是牛頓物理的反對者，他只不過有完全不同的看法。過去的人擔心的事不同，解決問題的方法也不同。歷史學家最忌諱的就是用現在的角度看待過去。

歷史性思考可以使研究的主題動態化，歷史性思考有助于人們將科學看做一系列問題而不是一系列論斷。這些問題將會持續到未來，知道到目前為止的相關問題很有幫助。

必須指出：科學史是有趣的，有許多令人激動的故事。詹姆斯·焦耳的實驗成功是依賴于他對啤酒的精通，而牛頓為了了解更多有關顏色的問題，親手往自己的眼睛里插了把匕首！讀了這些小故事后，難道你不想了解更多嗎？

但我也聽到過一些顧慮，認為學習歷史會占用科學教育及定量研究的時間。最好的方法就是把歷史融入到教學和思考中。這么做對于物理學家和物理專業的學生都有幫助，會吸引優秀學生從事科學研究。即使對于非科學專業的學生，科學史也是增加科學素養和熟悉科學觀念的好方式。

最后，科學史可以使科學家獲得新的思考方式，促使他們重新檢查他們所知道的知識。這樣的知識靈活性對于任何學科都是必要的，尤其對于像物理學和其他有影響和權威的學科。

［資料來源：Physics Today］［責任編輯：岳 峰］