我想先給大家解釋三個概念。第一，什么是科學(xué)。按照奧地利物理學(xué)家、量子力學(xué)奠基人之一薛定諤的說法，科學(xué)就是用希臘人的方式思考世界。希臘人科學(xué)的思考方式，興起于公元前6世紀(jì)左右，發(fā)展到后來中斷了，直至13世紀(jì)末在意大利再次興起，之后又?jǐn)U展到西歐各國，于16世紀(jì)達(dá)到頂峰，這就是西方歷史上的文藝復(fù)興時期。它是西歐近代思想解放運(yùn)動之一，帶來了科學(xué)與藝術(shù)的巨大變革。尤其是誕生了近代科學(xué)，代表人物是被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”的意大利人伽利略。第二，什么是一流大學(xué)。一個重要特征就是產(chǎn)生了某些門類的學(xué)科，如：瑞士的蘇黎世大學(xué)產(chǎn)生了量子力學(xué)、相對論和規(guī)范場論；奧地利的維也納大學(xué)產(chǎn)生了統(tǒng)計力學(xué)。第三，什么樣的人是科學(xué)家。我們通過一些例子，看看科學(xué)家到底是怎么學(xué)習(xí)和工作的，大家對照一下，也許會想清楚什么樣的人才是科學(xué)家。

一、為什么要成為科學(xué)家

為什么要成為科學(xué)家？非常重要的一點是，當(dāng)今是一個技術(shù)超越神話的時代。舉個例子。神話故事中，孫悟空在地上鬧事，玉皇大帝派千里眼、順風(fēng)耳去探查情況。而今天，我們的嫦娥五號已經(jīng)登錄月球背面，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過神話中千里眼、順風(fēng)耳的水平。還有，我們自主研發(fā)的萬米載人潛水器奮斗者號，2020年11月10日在馬里亞納海溝成功坐底，深度達(dá)10909米，刷新中國載人深潛紀(jì)錄。注意，這還不是最厲害的技術(shù)。要知道，在萬米深海是無法用電磁波通信的。那么，海面母船如何與奮斗者號溝通呢？水聲通信，它能實現(xiàn)萬米海底到海面的實時文字、語音和圖像傳輸。這才是了不起的。再看，《封神演義》中有個人物叫土行孫，會遁地術(shù)，一有事往地下一鉆就走了。而今天，我們有了盾構(gòu)機(jī)，在城市中修地鐵、在崇山峻嶺修隧道靠的都是它，水平可比土行孫高太多了。

當(dāng)今是技術(shù)超越神話的時代，那么這些技術(shù)從哪里來？科學(xué)中來。也就是說，我們生活在一個由科學(xué)技術(shù)支撐的高度發(fā)達(dá)的社會。雖然我們并不因為科學(xué)而幸福，但若沒了科學(xué)，我們也幸福不起來。

二、科學(xué)家需具備哪些特質(zhì)

什么是科學(xué)家？就是要探求人所未知。那么，怎么樣才能做到探求人所未知？

第一，會思考。法國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家和科學(xué)家笛卡爾有一句名言叫“我思故我在”。那么，他有多會思呢？十二三歲時，笛卡爾身體不好，不怎么去上學(xué)，經(jīng)常在家睡到中午才起床。有一天，笛卡爾還在躺著，結(jié)果家里飛來一只蒼蠅，不停地在天花板上變換著歇腳的位置。笛卡爾盯著這個蒼蠅看了一會兒，也許有了要把這討厭的蒼蠅趕走的想法。但是，他不是把這個想法變成行動而是變成了一個數(shù)學(xué)問題：如何精確地給這只蒼蠅定位？如果選擇某點（比如屋角）作為參考點，那么只要數(shù)清楚沿東西向經(jīng)過幾格天花板，沿南北向經(jīng)過幾格天花板，就能給蒼蠅定位。也就是說，你只要選定一個參考點和兩個方向（不一定非要是垂直的，不重疊的就行），那么用兩個數(shù)就能給平面上的點定位。這就是笛卡爾直角坐標(biāo)系的概念。有了笛卡爾直角坐標(biāo)系，幾何和代數(shù)就有了統(tǒng)一。此外，還有其他的坐標(biāo)系。比如，極坐標(biāo)，它體現(xiàn)在詩里，像“西北望長安，可憐無數(shù)山”；在平面還有用橢圓加雙曲線當(dāng)作坐標(biāo)系的，像北京的二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)。

另外，在直角坐標(biāo)系或平坦地面上的距離公式與幾何地形上的有所不同；在不同幾何地形，距離公式也會有所改變。請大家記住，描述幾何不僅要定位置，還要定兩點之間的距離。我們看西北地區(qū)的地形，假如你在黃土高原的這邊，而你喜歡的女孩在另一邊，那你要想見她就得爬坡過溝，可能一個月也見不上一回。那怎么辦？過去只能靠喊、靠唱歌。一些西北人的嗓音高亢、洪亮，就是這個原因。

我們再看一位科學(xué)家，剛才提到的奧地利物理學(xué)家、量子力學(xué)奠基人之一薛定諤。這個純粹的物理學(xué)家，對生物學(xué)也有過思考，還寫了一本書，名為《生命是什么》。書中，他通過熱力學(xué)和量子力學(xué)理論來解釋生命的本質(zhì)，引入非周期性晶體、遺傳密碼等概念來說明有機(jī)體物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命的維持和延續(xù)、遺傳和變異等現(xiàn)象，從而推動了分子生物學(xué)的誕生。這本小冊子也成為很多學(xué)者的必讀書。

接下來這位科學(xué)家，麥克斯韋，英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，經(jīng)典電動力學(xué)創(chuàng)始人、統(tǒng)計物理學(xué)奠基人之一。他建立了一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程，叫麥克斯韋方程組。

這一方程組由四個方程構(gòu)成。尤其是他增加的這一項（紅色箭頭所指），是中學(xué)物理所學(xué)的位移電流，它的影響可大了。如圖所示，將這四個方程變推導(dǎo)為波動方程。在波動方程中，我們認(rèn)為電磁里有電磁波，然后算出電磁波的速度，當(dāng)時的數(shù)據(jù)是每秒27萬公里，居然和光速差不多。這時，我們會懷疑，難道光就是電磁波。這樣，我們通過計算，引出了一個重大概念，光速是沒有參照物的。比如，船相對于水的速度是多少，水相對于地的速度是多少，但光速就是光速，誰也不相對，這就是狹義相對論的精髓。那么，有了狹義相對論，再加上引力，就有了廣義相對論。而廣義相對論本身又包括電磁理論，引出規(guī)范場論。我們看，這一項改變了我們世界那么多東西。

麥克斯韋非常厲害，十幾歲時就寫出了雞蛋的方程。當(dāng)年，他的爸爸逼著他畫雞蛋。我們都知道雞蛋很難畫，那麥克斯韋怎么做的？他覺得如果寫出了雞蛋方程，是不是雞蛋就好畫了。之后，他還真寫出了雞蛋的方程。他爸爸看了很是高興，就去問一個教授說，我兒子寫出了雞蛋方程，您看看這東西有沒有價值。那位教授一看說，天啊，有沒有價值，二百年前開普勒研究行星運(yùn)動軌跡時就在等雞蛋方程。之后，麥克斯韋在這位教授的幫助下完成了論文，并遞交到蘇格蘭的皇家科學(xué)院?；始铱茖W(xué)院非常重視，決定邀請麥克斯韋來做報告。于是，第二年春天，一輛小馬車送來一位穿花格子呢子裙的少年。

我們接著看，被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”的意大利人伽利略是如何思考的？17歲時，伽利略跑到教堂，看到掛在天花板的油燈被風(fēng)吹得搖擺不定，并注意到油燈來回?fù)u擺一次的時間相差無幾，于是稱之為單擺的周期運(yùn)動。此外，無論燈里的燈油有多少，它搖擺的時間仍是差不多的。于是，得出單擺的周期運(yùn)動和擺錘的質(zhì)量無關(guān)。那么，燈油燒干了，要添燈油，怎么辦？解下繩子，把燈放下來，添完油再拽起來。這從上往下放的過程，就是單擺的擺繩改變的過程。繩子越長，油燈來回擺動的時間就越長，這也就得出擺繩越長周期越長。那么，如何用公式表現(xiàn)？擺長和周期的平方成正比。這就是人類一個確切的物理公式，即單擺的周期公式。

作者：曹則賢 中國科學(xué)院物理研究所研究員

本文節(jié)選自宣講家網(wǎng)文稿《 曹則賢：科學(xué)家是怎樣學(xué)習(xí)和工作的 》

查看完整內(nèi)容請到宣講家網(wǎng)（WWW.71.CN）