為什么現(xiàn)代物理讓普通人走開？一個(gè)畢業(yè)31年物理學(xué)長(zhǎng)的回答

幾年前，有位教授宣稱推翻了愛因斯坦的相對(duì)論，消息在網(wǎng)上刷了屏。那段時(shí)間，很多人問我：老郭，相對(duì)論真的能被推翻嗎？一個(gè)學(xué)物理的人怎么看這事？

其實(shí)，這個(gè)問題背后藏著一個(gè)更深的困惑：為什么20世紀(jì)之后，普通人再也當(dāng)不了物理學(xué)家了？

在牛頓的時(shí)代，一個(gè)蘋果掉下來，就能砸出一個(gè)萬有引力。在愛因斯坦的時(shí)代，一個(gè)26歲的專利員，靠“思想實(shí)驗(yàn)”就能顛覆物理學(xué)。可到了今天，為什么我們聽到的“民間科學(xué)家”，幾乎都是笑話？為什么現(xiàn)代物理，讓普通人不得不走開？

作為一個(gè)學(xué)了31年物理的老學(xué)長(zhǎng)，今天我想跟你聊聊這個(gè)事。

第一個(gè)門檻：實(shí)驗(yàn)成本太高

科學(xué)從來都不認(rèn)為自己是真理。正因?yàn)槿绱?，科學(xué)才會(huì)一直在質(zhì)疑中前進(jìn)。每一個(gè)科學(xué)理論，都必須經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)——從觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)中獲得數(shù)據(jù)，再與理論預(yù)言對(duì)照，才能得到認(rèn)可。

想推翻相對(duì)論，其實(shí)思路很直接：只要在實(shí)驗(yàn)上推翻“光速不變”這個(gè)基礎(chǔ)就行。

可問題是，精確測(cè)量光速，太難了。

100多年前，邁克爾遜用旋轉(zhuǎn)棱鏡法測(cè)量光速，需要一個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室，還要在幾十公里外無遮擋的地方設(shè)置一個(gè)反射鏡，再加上那套能讓棱鏡以恒定速度旋轉(zhuǎn)的精密機(jī)械裝置——這些，不是一個(gè)沒有任何資金支持的普通人能擁有的。

你可能會(huì)說：現(xiàn)在有激光了，成本該降下來了吧？

我的實(shí)驗(yàn)示意圖，用干涉測(cè)量波長(zhǎng)，波長(zhǎng)與頻率的乘積為光速

還真不一定。我給你講講我自己折騰的經(jīng)歷。

說起來，我在辦公室也搭過一套測(cè)量波長(zhǎng)的裝置——幾十塊錢的激光筆，幾塊錢的狹縫，一塊毛玻璃屏，一個(gè)幾百塊精度是0.01毫米的測(cè)量尺，再加一臺(tái)我改造過的電子顯微鏡。用顯微鏡觀察屏上的干涉條紋，在電腦屏幕上讀數(shù)。

這套裝置能測(cè)嗎？能。精度夠嗎？湊合。但和現(xiàn)代物理研究需要的精度相比，差得太遠(yuǎn)了。我那臺(tái)電子顯微鏡是二手的，整個(gè)裝置加起來幾千塊。而真正用來做前沿研究的設(shè)備，動(dòng)輒幾十萬、上百萬。

所以你看，我這套“土辦法”只能算玩票。如果要達(dá)到科學(xué)界認(rèn)可的精度，我需要一臺(tái)高度相干的激光光源——一個(gè)這樣的激光器，最便宜也要幾萬塊。不是幾十塊的激光筆能代替的。更別提目前普遍采用的拍頻法測(cè)量光速的專業(yè)裝置了，沒個(gè)幾萬塊根本下不來。

那位宣稱推翻相對(duì)論的教授，所在的大學(xué)有理學(xué)院，有物理系，本科生都能做光速測(cè)量實(shí)驗(yàn)?？稍谒恼撐睦铮铱床坏饺魏螌?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，靠拍腦門質(zhì)疑相對(duì)論，就是在耍流氓。

我的史瓦西時(shí)空鑲嵌圖部分推導(dǎo)過程

第二個(gè)門檻：數(shù)學(xué)工具難以掌握

科學(xué)離不開數(shù)學(xué)。

為什么不能用日常語言描述科學(xué)？因?yàn)樽匀徽Z言受民族、文化、時(shí)代影響太大，同一個(gè)詞經(jīng)常產(chǎn)生歧義?？茖W(xué)需要精確的定義，只有數(shù)學(xué)能滿足這個(gè)要求。

那數(shù)學(xué)有多難？

咱們先不說量子力學(xué)里那些詭異的符號(hào)，也不提廣義相對(duì)論中的黎曼幾何和張量分析——就算是最基礎(chǔ)的微積分，已經(jīng)讓無數(shù)大學(xué)本科生折戟沉沙了。上過大學(xué)的小伙伴都知道，有多少人被導(dǎo)數(shù)、積分折磨得懷疑人生？更別提黎曼幾何了，那是連很多物理專業(yè)研究生都要扒層皮才能啃下來的硬骨頭。

對(duì)于錯(cuò)過了系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的普通人來說，數(shù)學(xué)是一道邁不過去的檻。因?yàn)樗枰獙I(yè)、艱苦的訓(xùn)練才能掌握。

那位教授拿的是石油工程博士學(xué)位，用的數(shù)學(xué)工具頂多是高級(jí)點(diǎn)的微積分。至于黎曼幾何和張量分析，工程類的博導(dǎo)確實(shí)很難掌握。所以你看，他的論文里只質(zhì)疑狹義相對(duì)論，對(duì)廣義相對(duì)論只字不提——因?yàn)閻垡蛩固褂玫臄?shù)學(xué)工具，他根本看不懂，自然也辯駁不了。

現(xiàn)代物理的兩道高墻

寫到這兒，你應(yīng)該明白了：現(xiàn)代物理之所以讓普通人走開，是因?yàn)樗Q起兩道高墻。

第一道墻是實(shí)驗(yàn)成本?？茖W(xué)研究的范圍，已經(jīng)從日常生活擴(kuò)展到極端的尺度、極高的速度、極微觀的領(lǐng)域。這些超出了人類感官的極限，必須用精密儀器才能觸及。而精密儀器，意味著真金白銀的投入。

第二道墻是數(shù)學(xué)語言。研究的對(duì)象越復(fù)雜，描述的語言就越艱深。從微積分到偏微分方程，從線性代數(shù)到黎曼幾何——每前進(jìn)一步，都需要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和艱苦的訓(xùn)練。

這兩道墻，把絕大多數(shù)普通人擋在了門外。

但這不是壞事。恰恰說明，現(xiàn)代科學(xué)已經(jīng)成熟到需要專業(yè)分工的地步。你想成為物理學(xué)家，就必須接受系統(tǒng)的專業(yè)訓(xùn)練——上大學(xué)、讀研究生、進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，一步步打怪升級(jí)。

這并不意味著普通人不能理解物理、不能熱愛物理。恰恰相反，像你我這樣的普通人，依然可以讀科普書、看紀(jì)錄片、聊物理學(xué)家的故事。只是我們需要承認(rèn)：真正的前沿研究，確實(shí)不是靠業(yè)余時(shí)間拍拍腦門就能搞定的。

最左邊那個(gè)是我測(cè)光速用的數(shù)碼顯微鏡，實(shí)名羨慕大家

老學(xué)長(zhǎng)回來了

這篇文章是幾年前寫的。當(dāng)時(shí)因?yàn)槟莻€(gè)熱點(diǎn)事件，很多人來問我怎么看。現(xiàn)在翻出來重發(fā)，算是老學(xué)長(zhǎng)回歸的一個(gè)開場(chǎng)白。

接下來我會(huì)繼續(xù)在這里，跟大家聊聊物理學(xué)家那些事兒，講講公式背后的故事，說說我這些年做物理的所見所聞。

如果你有想聽的話題——不管是哪位物理學(xué)家、哪個(gè)經(jīng)典理論、哪段科學(xué)史，評(píng)論區(qū)告訴我。

我守著辦公室那套幾千塊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)名羨慕那些能做前沿實(shí)驗(yàn)的年輕人。但也真心希望，能有更多的小伙伴，通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，成為專業(yè)隊(duì)伍的一份子。

有條件做物理，是一件十分幸福的事情。

——物理系老郭，一個(gè)本科畢業(yè)31年的老學(xué)長(zhǎng)