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作者：罗洪刚

摘要：本文根据作者于2023年3月12日给甘肃省英才计划学员的讲座报告整理而成。作者主要想强调，在面临颠覆性工作匮缺的今天，如何从爱因斯坦的方法论上汲取教训，服务于当今及未来一段时间内国家发展对创新的需求。英才计划学员要尽早体会并掌握爱因斯坦的方法论，尽早受益。

一.背景介绍

今天我要讲的，不是告诉大家具体的物理知识，而是在当今社会发展需求背景下，作为英才计划学员，应该怎样去学习，以提高自身科学素养，去适应将来社会的发展。有了本事，说大一点，是为国家多做贡献；再大一点，为人类发展贡献力量。如何提升自身的科学素养？我以“像爱因斯坦一样思考”为题，讲讲这个事情。有几个现状，需要先给大家交代。

第一，颠覆性的创新工作变得越来越匮乏，增量式科学研究越来越突出。2023年初，《自然》杂志发表了一篇论文^[1]，对自1945年以来的发表的论文和专利进行细致的分析后发现，尽管论文和专利数量爆炸式增长，但颠覆性的科研成果逐年下降。目前的科研工作更多的是对现有的知识进行完善或改进，以增量式方式推进科学的发展，明显缺乏颠覆性特征。从科研内容上来讲，从伽利略创立现代科学方法、到牛顿建立牛顿力学、麦克斯韦建立麦克斯韦方程组、再到爱因斯坦创立相对论以及随后海森堡、玻恩、薛定谔等创立的现代量子力学，基本建立了现代物理学的框架，并在此基础上发展起来的物理学的各个分支，能够理解自然界或实验室观察到的大部分现象。但这并不意味着所有的问题都得到完美的解决，例如量子力学的理论诠释、时空与引力的本质、涌现行为的基本规律等仍然没有充分认识。另一方面，现代实验设备的先进性、现代通讯手段的快捷性以及现代科技政策的竞争性等导致科研环境对颠覆性科研工作越来越不利，人们更加追求“短平快”、“有显示度”等快餐式文化，陷入“细节”的纠纷，往往忽略整体性和内涵的挖掘。“细节”对工程或技术可能很重要，但对物理学整体的发展不但无益，还有可能有害。

第二，大家知道，2022年11月30日，OpenAI发布了一个叫ChatGPT的聊天机器人。某种意义上讲，这是人工智能领域突破性的一个事件。人工智能很早就在做，只是ChatGPT作为标志性的事件告诉大家，人工智能的研究有了很大的进展。这个进展已经让我们足够吃惊，它对人类生活的影响是足可以和电脑，包括上世纪发展起来的互联网技术相比拟，甚至比它们的影响更大。现在大家的生活工作大概离开电脑很难，而互联网技术让我们轻而易举获得各种各样的知识和讯息。现在以ChatGPT为代表的应用，进一步增强了人工智能在处理各种讯息方面的能力，所以说ChatGPT可能会对人类生活影响带来更大、更深层次的影响，到底是什么样的影响现在还不知道，但是可以预料我们的很多工作不需要人来干了，包括一些文字性的工作，也包括写诗，ChatGPT可以做的很好。在一段时间内，人类还能占优的就是思考能力，就是智慧。所以我们更要强调思考能力，让自己变得更有智慧。

第三，我们国家现在面临很多科技方面的问题，当然这个跟国际生态有关系。所以国家在这些年强调基础研究，特别强调从0到1的创新。如果以后大家说，我要为国家多做贡献，你如果没有掌握相关的本领，你没有具备相当的能力，这句话是空话。所以，我们做英才计划，是希望大家通过这个计划真正地去突破现在的一些框框和一些约束，在能力提升上有更多的机会。什么能力？思考能力。

我刚才讲了三个背景，那么怎么办呢？像爱因斯坦一样思考，你就能获得需要的能力，包括国家倡导的从0到1的创新能力。爱因斯坦是如何思考的呢？今天我会大致讲一讲《物理学的进化》这本书（Evolution of Physics^[2]）。这本书是爱因斯坦和英费尔德在1938年出版的一本科普读物，但它绝不是一本简单的科普读物。在这本书里，爱因斯坦和英费尔德告诉我们，从伽利略时代至上世纪三十年代，物理学是如何一步一步演化来的。爱因斯坦娓娓道来，好似在跟我们聊天，从中我们可以体会，爱因斯坦是如何思考的？他是如何抓住关键问题的？他是如何去分析的？我希望大家去仔细读这本书，仔细体会，对大家思考能力的培养是非常有帮助。我们现在恰恰缺少像爱因斯坦这样思考的大科学家。有人讲爱因斯坦是天才，不可复制。是的，不可复制，但爱因斯坦是怎么去思考自然界这些事情，我们却是可以学习体会的，这是我想表达的意思。越早理解，越早掌握，对大家发展越有利，希望同学们能够借鉴。

二.爱因斯坦的创造性

先简单介绍一下爱因斯坦。爱因斯坦1879年出生，1955年去世。他的一生成就很多，我这儿只列举出四个，即光量子假设，狭义相对论，布朗运动，广义相对论，其中前三个都是在1905年做出来的。1905年爱因斯坦多大？26岁，也就比你们大十岁左右。问，再过十年，你们能不能取得这样的成就？爱因斯坦是怎么做到的呢？你说爱因斯坦是天才，这是比较敷衍的说法。他是个天才，确实是天才，但是他也是从小学，中学一步一步走过来的，他甚至大学毕业都找不到工作，朋友推荐到专利局找了一个位置养家糊口，但抽屉里面还放着自己感兴趣的东西。是因为他的一些特质导致他取得这样的成就，那么这些特质的东西我们能不能训练？可以，只是我们没有那么去做。我们做的事情就是给张试卷，对标准答案，每次考试一百分也许是我们的理想，把经念歪了。爱因斯坦36岁的时候，广义相对论出来了。广义相对论是完全建立在当时还没有任何实验或观察的暗示，没有任何信息供参考，而是纯粹通过推理和严格的论证，中间也走了弯路，最后建立起来的。所以说，爱因斯坦有他的一些特征，这些特征其实给我们一个启发，就问我们具不具备这样的特征。如果不具备，那我们可以朝这个方向努力。如果你说努力太费劲了，放弃了，那你就离爱因斯坦更远了。

爱因斯坦的什么特质呢？物理直觉，使他具备非凡的创造性。1922年，诺贝尔物理学奖委员会给爱因斯坦颁发了1921年度的诺贝尔物理学奖，理由是“因为他服务于理论物理，特别是光电效应定律的发现”（“for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect”）。光电效应应该不是爱因斯坦在相关工作中最重要的贡献。光不但在吸收或发射过程以光量子形式存在，在自由空间中传播时也是如此（连最早提出能量量子概念的普朗克都没有意识到这一点，普朗克只是提出光是以能量量子的形式吸收或发射，而传播仍然以经典电磁波形式），这才是爱因斯坦在相关工作中最重要、也是最具创造性的贡献，其深刻的内涵直到现在还值得深思。爱因斯坦讲光是量子化的这件事情是非常肯定，而且大胆。在他1905年的文章《关于光的产生和转化的一个启发性观点》中，他将光考虑为如下情况：“…在空间中不连续分布。根据这儿考虑的假设，从一个点源发射出来的一束光线，在传播过程中，能量并不会弥散于不断增大的体积中。这束光线由有限数目的能量量子组成，这些能量量子局域在空间中的某些点上，它们在运动中不会分裂，只能作为整体单元被吸收或产生。”（“…discontinuously distributed in space. According to the assumption considered here, in the propagation of a light ray emitted from a point source, the energy is not distributed continuously over ever-increasing volumes of space, but consists of a finite number of energy quanta localized at points in space that move without dividing, and can be absorbed and generated only as complete units.”^[3]）。这个就是爱因斯坦当时做的大胆的假设。为什么说是大胆的假设？普朗克是一个非常传统而且对传统的东西掌握的非常好的物理学家，传统的经典力学的观念在他脑子里面是根深蒂固的。普朗克在1900年提出能量是一份一份的这个事情是被迫的。只有在这种情况下，他才能够拟合黑体辐射实验结果，所以说他不得不接受能量是离散的这个事实。但是他仍然相信，光在自由空间中传播时是连续的，尽管吸收和发射是一份一份的。普朗克在1900年提出能量量子这个概念之后大概十三、四年，反反复复论证，要把他发现的东西去掉，要回到他脑子里面的经典的东西，但是最后他一而再、再而三获得这样的结论：能量就是一份一份的。大概1913年，普朗克推荐爱因斯坦担任普鲁士科学院院士时写的推荐信，里面就非常明确提到说爱因斯坦工作很出色，尽管有时候过于冒失，过于大胆，可能说的就是这个事儿（感谢史晓雷教授指正之前错误）。爱因斯坦有许多能够体现他的创造性的工作，但这不是我们这儿的话题。我们转向下一个问题，爱因斯坦是如何思考的？

三.爱因斯坦是如何思考的

能够充分而容易地体会爱因斯坦是如何思考的，莫过于阅读他与波兰物理学家英费尔德合著的《物理学的演化》一书^[2]。本书第一章第一节，爱因斯坦和英费尔德将科学家对自然的探索比喻为一个优秀的侦探对案件的勘察并破案。显然，这是一个可供参考的方法学。第一步，侦探收集所有的事实（The investigator has collected all facts he needs for at least some phase of his problem.）第二步，纯粹的思考（Only pure thinking will lead to a correlation of the facts collected.）第三步，侦探获得答案（Suddenly, by Jove, he has it! Not only does he have an explanation for the crews at hand, but he knows that certain other events must have happened.）第四步，进一步验证（He may go out, if he likes, to collect further confirmation for his theory.）

这个过程，看似简单，但真正理解并实施，还是很有难度的。第一步，收集所有的事实，我想强调的点，是“事实”，是所有的事实，是毫无偏见的事实，不是掺杂了个人喜好的“事实”或粗枝大叶，对事实视而不见。用爱因斯坦的话说，这些事实可能看起来很奇怪、不相干、甚至整体上毫无联系（These facts often seem quite strange, incoherent, wholly unrelated.）我们容易犯的错误也许是，因为很奇怪，所以否定它；因为不相干，所以忽视它；因为没联系，所以孤立它。但是，爱因斯坦没有这样做，他尊重这些事实，并冥思苦想，试图建立这些事实的联系（So he plays his violin, or lounges in his armchair enjoying a pipe.）爱因斯坦的这个表述，绝不是他在享受生活，无所事事，而是在深度思考，这是第二个关键。思考什么？比较、分析、建立图像。第三个关键，找到奇怪的、不相干的、孤立的事实之间的内在联系。有了这样的联系，这些事实不奇怪了，相干了，也不孤立了，图像建立起来了。最后，应用这样的图像，可以去预言可能发生的现象，并去验证它。这就是爱因斯坦和英费尔德想表述的科学探索的方法，仔细体会，并去做吧。

爱因斯坦对读者还提出了要求。第一，他要对物理和哲学有兴趣；第二，他要有非凡的耐心；第三，他要一步一个脚印地自己去研究、自己去得到答案，而不是像读小说一样，只为知道结果而阅读。

爱因斯坦和英费尔德的这本《物理学的进化》极具启发性，绝不是一本简单的科普读物，建议大家逐字逐句仔细阅读、仔细体会，你会从中受益，并受益终身。你还会从中体会到爱因斯坦思维的深邃和抓关键概念的能力，并使用思想实验进行推理。举一个典型例子，显示爱因斯坦如何理解概念的。波是什么？爱因斯坦通过谣言传播、风吹麦田、石头扔到水中等例子深刻揭示波的关键信息（The observed motion of the wave is that of a state of matter and not of matter itself.）关于量子物理，爱因斯坦有深邃的见解，值得琢磨。量子物理只处理聚集体，它的定律是关于个体的集合，而不是单个的个体性质（Quantum physics deals only with aggregations, and its laws are for crowds and not for individuals.）。明白这点，可能是理解量子力学最好的出发点。

这本书分四个章节，每一个章节都有非常深刻的内涵，详细内容我就不讲了。今天我想告诉大家的，已经清清楚楚地告诉大家了，这就是爱因斯坦的思考方法是可以学的。即便不一定学得到，但是可以努力，可以树立一个阶段性目标，比如学会不加任何偏见的收集事实。爱因斯坦是天才，某种程度上是我们把他定义成天才，让他成了一个神，但爱因斯坦也会犯错误的。收集事实这件事我们都会做，而不加任何主观判断地去收集事实，这总是可以做到的，而且是科学探索的第一步。

感谢：杨贇彤根据2023年3月12日给甘肃省英才计划学员的讲座报告录音整理并润色。特别感谢基金委理论物理专款对“兰州大学理论物理交流平台”（2010-2020）和“兰州理论物理中心”（2021-）的支持和甘肃省科技厅对“甘肃省理论物理重点实验室”的支持。

参考文献

[1]Michael Park, Erin Leahey and Russell J. Funk, Papers and patents are becoming less disruptive over time, Nature613, 138–144 (2023).https://www.nature.com/articles/s41586-022-05543-x

[2] Albert Einstein and Leopold Infeld, Evolution of Physics (Simons & Schuster, 2007).本书有多种版本，并有中译本，有兴趣的读者可自行查询。

[3] Malcolm Longair, Theoretical concepts in Physics, Third Edition (Cambridge University Press, 2020).

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