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作者：刘翔

本文背景：

2021年7月18日，我受兰州大学教务处的邀请参加了2021年的暑期学校之“学在兰大”专题研讨班活动，并以“学一点学科历史”为题给学生们做了第六场报告会。本文是在当时录制的整场报告的视频素材的基础上整理而来。

各位同学上午好，首先感谢学校教务处为我们组织这样一次精彩的暑期活动。这是我自从到兰州大学工作工作以来第一次经历这样一个特别的假期，我觉得通过这样一个有意义的活动，可以有效地加强老师和学生之间的互动。同时，我也要感谢李飞老师来主持我的这场报告会。

我今天要讲的题目为——“学一点你所在学科的历史”。今天在座的同学来自于不同的学科、不同的学院。很多同学进入大学以后，在学习的过程中会产生一个疑问，即怎样才能对一个学科感兴趣呢？而这也是在我与同学们交流中同学们关心的一个问题，尤其是在每年保研阶段以及学生们在考虑个人未来发展关键的时候，而这也正是我今天所要回答的问题。另外，由于我是物理学院2019级物理一班的班主任，我会在平时以“班会讲座”的形式给同学们讲一些东西，其中一项内容就是要建议同学们：“要去学一些你所在学科的历史”。

首先，为什么我们要去了解历史呢？著名的物理学家温伯格有一个建议。温伯格是粒子物理标准模型的奠基人之一，标准模型是在整个20世纪中最伟大的物理学成就。温伯格在Nature杂志发表了一篇小短文——“物理学家给青年学者的四条黄金忠告”。他的这些忠告不仅是针对物理学家，我觉得它的受众其实应该是所有年轻人。此外，我会在一些公开的场合告诉同学们一个很重要的事实Nature杂志不是一个严肃意义上的学术期刊，通过温伯格这个文章可以进一步证实我的这个观点，Nature杂志其实是一个高级科普杂志。如果大家有兴趣的话，可以通过链接（https://www.nature.com/articles/426389a）找到这篇文章，通读一下英文内容，也可以作为大家练习英文的一个很好的素材。

由于今天报告的时间所限，我不会简单罗列温伯格的这些忠告的全部内容，而是抓住其中的四个主要方面来展现给大家。第一点，不要期待掌握了所有的知识后才去做研究。对于我们的年轻人而言，要做一个研究或者学习，总是希望能够面面俱到，把所有的知识都了解，越深刻越全面越好。但是，我们会发现这不是一个好的方式，你没有必要去了解所有的知识。我们每个人的时间是有限的，在你从事科学研究的时候，你可以聚焦某个方面切入进去，边做边学。第二点，如果你要做科学研究，不要去一个风平浪静的地方，一定要到波涛汹涌的地方去，这个时候意味着我们的机会越多。在平时，与同学们的交流交流过程中，我会讲到他们所仰慕的学术大家或者大牛是如何成长的。他们当时一定是进入某个研究领域的时候，正好处于整个浪潮开始起来的阶段，他们赶上了这波浪潮，成就了他的学术，从而造就了大师。通过这个例子我们要认识到的是，在这个浪潮刚要起来的时候你一定要有敏锐的洞察力，并进入到这个领域中去。但是，我也要告诉今天在座的同学们，你们目前是在本科阶段，这个阶段是打基础的关键时期，如果在这个阶段你想要去到一个混乱的地方或者刚好赶上“起浪潮”的阶段，如果没有很好的基础是赶不上的。第三点，要原谅自己的劳而不获。这点是告诉我们的研究生或者即将要进入研究生阶段的同学们，一定要有一个好的心态。因为当我们认准或者选定一个课题的时候，在工作的的过程中会经历失败，这个时候你会觉得你的时间被浪费掉了。但是，与此同时你也要意识到，劳而不获也是一种积累和收获。第四点忠告会和我们今天报告的主题挂钩——也就是学一点科学史，尤其是你所在的学科的历史。我们在座的同学是分布在各个学科的，有化学、物理、草学等等，甚至今天还有文科的同学在座。大家可能会说这是高考报志愿决定了今天在大学学什么专业，或许压根都不是同学们的意愿，可能是你们的父母帮你做了一个选择，报了一个专业，你进入大学后可能还会对所学的这一门专业不感兴趣。这个时候大家会疑惑——如何让自己对所学专业感兴趣呢？这个时候我想说，大家一定要花功夫、花精力去学习和了解自己所在学科的历史，在你慢慢了解的过程中，你可能会发现它的乐趣所在，也就会逐渐产生兴趣，兴趣能够成为你未来发展的动力和源泉。

以上是我以温伯格的这篇小短文作的一个开场白。由于我是学物理的，我会在接下来的报告中为大家分享一些物理的具体的故事。即使你不是学物理的，希望你也能从中有收获。

我要给大家讲的第一个故事是费米和93号元素的发现。谈到元素，我们每个人都不会陌生，因为我们在高中化学中都会接触到元素周期表，元素的发现催生出了元素周期表。有了元素周期表就会发现元素是有规律的，所以门捷列夫非常了不起。到我们今天为止，发现的元素已经远超过了93号元素，已发现的元素的原子序数已经到了108，甚至更高。但是另外一个方面，我会提到一个非常重要的事实，到今天为止，已发现的元素中没有我们中国人主导的贡献。你们会发现，我们的邻国日本、俄罗斯，以及我们的竞争对手美国，都相应的以他们的国名或者人名，甚至他们的州名来命名元素周期表里的元素。我通常会以这样的一个事例告诉同学们，你们要有志向在科学版图中留下我们中国人的足迹。这是留给大家的一个命题——即如何在科学版图上留下中国人的足迹？这也是我留给自己的一个命题。

我今天谈到的费米和93号元素，物理系的同学可能也不太清楚费米到底是谁，外系同学可能对他的了解更是陌生。所以，我首先要给大家介绍下费米，费米是在物理学界中具有教父级地位的人物，他所培养的学生有大家所熟悉的李政道先生，还有一系列的学生是拿过诺奖的。通过这个，大家就能了解对他的“教父”的定义是非常贴切的。费米是意大利人，后来入了美国籍，他当年在芝加哥大学任教，于1938年获得诺贝尔物理学奖。费米的重要学术贡献是对于能源的获取的革命性的贡献，他发现了著名的链式反应，这一发现导致了核武器的出现。元素是会裂变的，例如大家所熟悉的铀-238或者铀-235，这些重元素是可以进行裂变的，铀元素裂变后会有能量放出，这个能量就可以转变为我们所说的电能。这是我们获取能源的很重要的方式。大家以后如果有机会去芝加哥大学访问，会注意到在体育场附近有一个非常著名的名叫Nuclear Energy的雕塑，专门来纪念1942年在芝加哥大学建立的第一台人类可控的裂式反应的实验，这是一个里程碑的事件。从此开始，人类进入到一个新的阶段。之前都是以化石能源为主，或者通过水力发电，但是在有了费米的链式反应发现之后，一直到今天，人类很重要的能源的获取来源是核能。

有一些元素是自然界自然产生的，数量不多。我们会发现，在今天我们所看到的元素周期表中的很多元素其实是人工合成的。那么如何进行人工合成呢？这时就会利用到我们物理学中粒子物理里的中子，用中子打进我们已知的一些原子核内，让其增加原子序数，以此来制造一些新的元素。这个方式到今天为止依然在使用。在上世纪三十年代，在铀的发现之后，大家会疑问是否还会有一些其它的新元素，因为铀元素是我们自然界能够找到的元素，费米当时在意大利带领一组人就开始做一些相应的实验，这个过程中发现了所谓的93号元素。紧接着，大家对这一发现非常重视，争相报道这一重要的物理发现。然而在当时如何确定93号元素的衰变产物这一问题并没有很多人去理睬。在实验室合成93号元素被报道以后，在后继实验中并没有得到非常充分的确认。四年以后，瑞典皇家科学院宣布由于费米用慢中子的反应发现了93号元素而成为诺奖获得者，费米随后乘船去斯德哥尔摩领奖。当时的欧洲正在经历世界大战，领奖后费米就直接乘船去了美国。1938年的11月22号，德国化学家哈恩和奥地利女物理学家梅特涅合作，在实验中去确定93号元素的衰变产物，否定了费米93号元素的发现。在诺奖颁发的12天以后，在《自然科学》杂志上登出了他们的文章，指出费米的错误。这是颁错诺奖的一个典型的例子，而相关的人是物理学家费米。如果你面对这样的事情会是一个什么样的心情呢？这可是在全世界面前告诉大家你的实验做错了。我想很多人可能会觉得很崩溃。然而费米听到这个消息后的反应不是消极面对，他的第一反应是重新回去看看整个实验过程，找出到底错在哪里。在检查完以后，就发现了元素的裂变。当把中子打入到铀，会发现它裂变成为两个元素。他基于他的错误进行修正，发现了这一有意思的现象，基于此提出了著名链式反应，即我们今天所知道的用中子打入一个92号铀元素，会裂变为两个原子序数差不多一样的元素，再加上两个中子，这就是著名的裂式反应。这一发现就成为了费米在物理学中的伟大成就。到今天为止，我们所知道的核弹就是归于这样一个反应。一个好的学者或者科学家，它很重要的一个品质是不怕失败，因此我会告诉大家，遭遇到失败不可怕，可贵的是从失败中找寻成功的启示。当我们能够从失败中找到原因，并去修正它，这个过程才是伟大的。

我要说的第二个故事是盖尔曼与夸克模型。我们很多人都知道费曼，在大家心里他是很有风度的一个人物，他的同事就是盖尔曼，他俩的办公室是斜对面，且正好是同时期的诺奖获得者。盖尔曼在1964年1月写了一篇文章，该文章在整个粒子物理发展史上具有划时代意义，这篇文章到现在为止的引用已经到三千次。该文章是在1964年1月4日投到杂志，1964年2月1日发表。同时期另外一篇文章也已经完成，文章作者叫茨威格（费曼的学生），他在完成他的博士研究论文后，在欧洲核子中心访问，他写了这篇文章。对一个博士研究生而言，做出这么重要的工作是很难得的，1月17号以预印本的形式在欧洲核子中心发布。但是这篇文章从未被发表过，它的引用次数目前为330次。这两篇文章都是经典文献。我们今天在谈到夸克之父一定会谈到这两个人，但是他俩的命运是不同的，一个是拿到诺奖的，另外一个没有，为什么会有这样的差别呢？这就是我所要讲到的，冲动是魔鬼，是需要克制的。茨威格在给出这样一个理论后，作为一个年轻人一定是想把好的成果投到一个好的杂志上，Physical Review Letter是物理学中至今为止都是一流的杂志，他当时就投稿到该杂志，但是投稿到Physical Review Letter是有风险的，他这个理论太超前了，电荷在我们普通物理的知识中是整数的，在当时哪有分数电荷，因此他在投稿中遭到巨大阻力，所以他最后没有坚持投稿，就那么放着了，没有拿到诺奖。他拿到了2015年的美国物理学会的樱井奖，也算是对茨威格的一种补偿，但是跟诺奖比起来是有差别的。

而盖尔曼在1964年就已经是加州理工的教授了，非常年轻，他的科研经历让他对一些事情已经有所预判，他投稿到欧洲的Physics Letters，该杂志的要求会相对低一些，因此一月份投稿二月份就见刊，速度非常之快。这也说明了盖尔曼跟茨威格相比已经是一个比较老练的物理学家了。因此，1969年盖尔曼一个人包揽了当年的诺奖。

从这两个人中我们可以获得一个非常重要的教训，文章发表出来才是硬道理，先不要纠结于杂志的好坏，尤其是好的文章一定要迅速发表。

今天我要讲到的第三个故事和希格斯粒子的发现有关。2013年，理论预言希格斯粒子的两位物理学家拿到了物理学诺奖，到现在为止，它是作为标准模型的最后一个砖块被发现的。标准模型是上世纪最伟大的物理学成就。它对于我们了解整个自然界的构成具有重要意义。会有人好奇，那么世界是怎么构成的？要知道世界构成就要知道它由什么粒子构成，就如砖块是构成大厦的基本单元。另外还要知道相互作用力有那些，也就是怎样把粒子粘合在一起构成物质世界。而标准模型就能给出答案。大家会看到，在标准模型的发现过程中，成就了十多位诺贝尔物理学奖获得者，这样一个历史让我们在做物理学研究或者粒子物理研究的时候怎么能不激动呢，怎么能不说服自己去喜欢物理学研究呢。因此我一直告诉大家去学一些物理学史是有必要的。那么什么是希格斯粒子？1969年希格斯与其他几人提出了希格斯机制（以他的名字命名）。但是为何它被称作“上帝粒子”？这个是和1988年的诺奖得主莱德曼有关（由于中微子发现而获奖），他当时写了一部科普著作叫《God Partical（上帝粒子）》，刚开始这本书的书名不是这个名字，叫《Goddamn Partical》，之所以叫这个名字的原因是因为莱德曼是一个实验物理学家，但是他一直没有在实验中发现这个粒子（有点气急败坏的意味）。之所以叫希格斯粒子，是因为温伯格。温伯格1979年与另外两位物理学家获得物理学诺奖，他的成就是弱电统一理论，将电磁力和弱力进行了统一。1967年温伯格开始引入希格斯机制，开始讨论相关的电弱统一理论的构建，也就是说希格斯机制是他在讨论电弱统一理论的一个基础，由此获得诺奖。1967年温伯格获得诺奖的文章是一篇关于轻子的模型，也就是所谓的统一理论。文章要引文献，他引了一大堆的关于希格斯机制的文章，他很自然的就把希格斯挂在了第一位，这种引文的方式就被后来的很多学者沿用下去。大家会发现很多科学家是不严谨的，他们不追溯原始文献。且温伯格这篇文章作为一篇经典文献就被后来人沿用。因此也就顺理成章地用希格斯的名字来命名这个机制，也就是后来的希格斯机制。1971年温伯格在另一篇文章中又做了一次类似的事情，在引希格斯机制的相关文献的时候，将一篇文献的文章号中的Phys. Lett.中间顺手加了一个Rev.，变成了Phys. Rev.Lett.，所以原先要引的这篇文章就变为另外一篇文章了，最后这个引文又被很多物理学家延用。这篇和希格斯不相关的文章至今为止被引用次数达三百多次，且都是被莫名其妙地引用的。所以我想强调的是无论你是理科还是文科，一定要去追原始文献，至少得把文章都搜索出来读一读。

什么是希格斯机制？希格斯机制是一个让粒子获得质量的机制。1993年为了向公众去科普何为希格斯场和希格斯机制，做了一个征集活动，其中流传到今天的有其中一幅画。今天在这个会场，如果大家见到李政道先生，肯定都会围上去请求合影，李政道先生穿过会场的惯性就会增加。今天这个环境相当于一个希格斯场，而希格斯机制就是以这种方式让粒子获得了质量。所以，用这个例子非常生动地说明了粒子的质量是如何获得的。

另外一个方面，前面提到莱德曼对希格斯粒子是“恨之入骨”的——他作为一个实验物理学家就给希格斯粒子取了这个名字“Goddamn particle”（该死的粒子）。为什么希格斯粒子如此难以捕获呢，是因为找到它的概率太小了。在2012年，当欧洲核子中心建成大型强子对撞机以后，这件事情才最终尘埃落定。这之间经过了近五十年的努力。

2012年7月，欧洲核子中心举办了一个全球性的新闻发布会，向世界宣布在实验中发现了质量为125 Gev的希格斯粒子，与标准模型的预期是一致的。这是两个独立的实验作为互相验证给出了这一发现。我们每个人都有个获诺奖的梦想，那么使这个梦想变成现实的很重要的一个前提就是要让自己足够长寿。马约翰老师提出过“为祖国健康工作五十年”的口号，一个健康的生活习惯是至关重要的。为了实现我们的梦想我们必须要有一个好的生活方式。

今天的第四个故事是关于鲁比亚的求胜心。鲁比亚于1934年3月出生，目前还健在。1984年，鲁比亚和另外一位荷兰的物理学家由于W粒子和Z粒子的发现共同获得诺奖。鲁比亚是做实验分析，另外一位是做实验硬件。在当时有两个实验同时进行，一个是UA1，一个是UA2，是在同一个大型对撞机上做的。之所以是两个实验，是因为在物理学中，要确立为是发现，一定要两个实验对此互为验证。在1973年，实验上已经观察到弱电理论预测的弱中性流事件。即使是天才级人物也是需要勤奋，他们的成功也是用时间堆砌起来的。勤奋决定了未来你能走多远，而鲁比亚正是这样一个勤奋的人，他甚至被称为“意大利航空公司教授”，当时他是在哈弗大学做兼职教授，他需要频繁坐飞机从美国飞到欧洲做实验。这个状态也表明了他的勤奋和巨大的付出。

另外一方面，鲁比亚也是“狡猾”的，他劝说另外一个组的人员在投稿前要再三思量，并说自己暂不发表，但转身就把他领导的实验组的文章发表在了Physical Letters上，因此他得到了荣誉。我不是要向大家宣扬这种做法，而是提醒大家科学竞争是非常残酷的。所以我们在做科学研究的时候要重视成果的保密，另外一方面也需要有合作和分享，但是要有一个度的把握。在科学的博弈中只有第一，没有第二，要重视科学的优先权。另外就是爱拼才会赢，必须具备拼搏精神，只有这样你才能在工作和学术中抢得一定的先机。

最后我要给大家介绍的是奥卡姆剃刀原理。奥卡姆剃刀是由英国哲学家奥卡姆的威廉提出的。在当时的欧洲学界，对这种异端学说的追究是很严格的。奥卡姆剃刀原理即“如无必要，勿增实体”——如果没有必要的话就不要去做加法。在我们的生活和学习中做加法是最容易的。我们都经历过高中阶段，在高中的学习过程中就是不停的在做加法，会的一个概念再做一遍，一直做到闭着眼睛都能答题的程度，通过这样的方式大家才能进入到大学阶段。但是这个方法在大学阶段是需要改变的。在科学中，对于这一原理有很经典的例子。当时有地心说和日心说，最终日心说被证明是对的。原因是两个理论比较起来，日心说的参数少，地心说所涉及的参数较多，奥卡姆剃刀原理讲到参数越少越好。所以从奥卡姆剃刀原理的角度出发，日心说是正确的。这是奥卡姆剃刀原理在科学上的很经典的一个检验。

如果我问大家见过“鬼”么，估计没人见过。如果我给每个人发一张纸让大家画出自己心里的鬼的样子，可能是丑陋的、凶恶的、美丽的，这个过程就是大家在构建一个鬼的模型，那么如果把鬼替换成一个宇宙，那么理论上的宇宙也就可以有各种各样，五花八门。因为我们都没有见过，所以可以想怎么说就怎么说，没有限制。那么，这么多理论谁对谁错呢？霍金就会给你一个判断标准：“我们仍旧可以想象对于某些超自然的，不动声色的观察宇宙现状的生命而言，存在一整套无所不能的定律，我并不是说我对所有的模型都感兴趣，而我所感兴趣的是某些看起来参数越少的”。这也就是我最后要给大家说的一点，也就是科学研究是要做减法的，但是非常不容易做到这点。

我今天用五个大家感兴趣的故事和大家分享物理学历史长河中的点滴，相信在我讲完这些故事后，有些故事中的人物可能你会忘记，但是我所谈到的基本内容希望大家能记住，并且能运用到生活中。

其实，我今天在选这个题目之前是很纠结的，我当时在想，我能和大家来交流点什么呢？现在，我比较纠结的心能够稍微平静一些了。因为，我知道我们今天受众的学生中有文科的有理科的，而且很多是非物理专业的同学，如何能在这样一个场合下找到一个大家共同感兴趣的话题不容易。所以，我想我今天分享的这些故事会引起大家的兴趣。尤其今年是中国共产党建党一百周年，要通过学史达到四个目的——“明理、增信、崇德、力行”。而通过我今天的报告内容，我相信大家对这八个字已经有了深刻的认识。