邢志忠：知识就是力量？善于联想更重要

“知识就是力量”，每个人都知道培根的话，对吗？知识是力量吗？郑说，不是所有的知识都是力量。爱因斯坦的老人也说过:想象力比知识更重要。你相信吗？想象力真的重要吗？

在国立科技大学的本科力学课上，我问我的同学，电磁力有用吗？去工作吧。摩擦有用吗？去工作吧。想象力有用吗？每个人都说他们不知道，也没听说过。第一个问这个问题的人是我的父亲。那么想象力真的有用吗？可以肯定的是，当长时间工作和思考问题时，你的头脑会发热。

就我个人而言，我认为产生物理思想和拥有科学思维方式的最重要和最简单的方法是联想。每个人都可以联想，我们有一种电脑叫联想电脑。因此，当你看到一个现象和一个理论时，你可以联想到其他的、未知的或研究不足的东西。这种能力非常重要。

从苹果到太阳系

每个人都知道牛顿和苹果的故事。事实上，在1687年，牛顿把投掷物体的下落与月球的不下落联系起来，所以他提出了万有引力。基于此，人们还计算了宇宙的第一、第二和第三速度。

从牛顿力学的角度看太阳系的结构，你可以解释为什么地球的轨道是圆的、椭圆的或接近圆的，而不是抛物线或双曲线。假设天空中的一颗星以一定的速度接近太阳。如果初始速度不合适，它最终不会围绕太阳旋转。

这就像学生选择一个导师，你选择一个导师，他作为研究生学习了五年，这相当于围绕着他旋转。但是你会发现在大多数情况下，你不能这样做。最初的条件是不合适的——这不是一个特殊的命运，或者有其他原因，然后你必须找到另一份工作。

经典力学中的“黑洞”

另一个善于联想的科学家的例子是牛顿的家乡，一位名叫约翰·林可唯的天文学家。他在1783年提出了“黑洞”的概念。

黑洞概念图(来源:布鲁尼埃/欧洲空间组织)

根据最简单的牛顿力学，米歇尔计算出，如果行星有太阳的质量，那么它在半径仅为2.95公里的范围内就有足够的引力来阻止宇宙中最快的光逃逸。其他有质量的物体的最大运动速度低于光速，它们不能跑出，从而形成所谓的“黑洞”。这是对经典力学中黑洞的理解。

当然，我们后来了解到黑洞的大小可以根据广义相对论来计算。计算结果与经典的震级估计一致。

这件事变得非常奇妙。当我们在高中，甚至在大学研究三个宇宙的速度时，我们有没有想过卫星的速度可以提高到光速？那时，如果卫星无法逃脱会发生什么？无论如何，在那些日子里我从来没有想过。我发现我周围的人从来没有想过这样的问题。

这是问题的不好的一面。我们被动地接受了很多知识，但从未问过为什么。这是什么意思？这表明我们的想象力不够，我们缺乏联想。我们需要提问。提问通常比解决问题更重要。

从太阳系到原子结构

我们也可以把宇宙太阳系模型和微观原子模型联系起来。当卢瑟福和他的家人在1911年提出原子太阳系模型时，他们假设中间有一个非常小的原子核，电子围绕着它运动，这与行星围绕恒星的运动非常相似。这是从宏观到微观的联系和类比。他做了一个著名的实验来证明这一点。

所以你可以看到微观现象和宏观现象之间的相似性。这种相似性启发我们，如果我们在一个物理系统中发现一些规律、现象和特征，我们可以立即想到其他物理系统是否也有相似的现象和规律。很有可能。如果没有相似性并不重要，那么另一个物理系统到底是什么样的呢？它有什么结构？

我们现在在学习知识，将来在做研究。我们必须不断地思考它。了解这一点后，我们会考虑这一点。也许我们会有意想不到的结果。

杨-米尔斯理论

科学思想通常是由灵感产生的，灵感与联想是分不开的。让我先给你举个大师的例子，杨振宁先生。

杨先生在芝加哥寻找的第三个话题是关于电磁学的规范不变性，这是泡利在一篇著名的综述报告中提到的。他对这种奇妙的不变性非常感兴趣，并想推广它。所以他问了一个发人深省的问题:为什么当代研究生不这么认为？既然电磁学具有规范不变性，那么强相互作用类似于规范不变性吗？弱相互作用也存在吗？

这是最简单的联想。然而，与杨振宁同时代的研究生们却没有想到这一点。

当时，杨先生把电磁规范不变性扩展到了强核电的情况。今天我们知道，粒子物理的标准模型是继狭义相对论、广义相对论和量子力学之后最成功的物理理论，它是基于杨和米尔斯提出的局域规范不变性。这是一个非常简单的想法带来非常重要的科学结果的例子。

然而，出现了一个新问题。杨先生和他的同事们发现，当他们促进标准化而不变形时，该理论将产生零质量的带电粒子。这个粒子在自然界中不存在。这表明理论本身存在问题。尽管如何避免零质量粒子产生的问题没有得到解决，但杨先生觉得本地化规范不应该变形的整个想法太过美妙而无法发表，所以他们在1954年6月写了一篇文章并提交给《物理评论》杂志。幸运的是，这本书很快被接受，并于当年10月初出版。这就是著名的杨-米尔斯场论，它是现代物理学的基石。

当时，物理学大师泡利有类似的想法，也遇到过类似的问题。他也没有办法解决它们。但是保利非常保守。没有解决零质量粒子的问题，他就没有写和发表文章。最终，这一理论的荣誉落到了杨先生和米尔斯身上。保利和许多欧洲物理学家对此感到愤慨，但没有出路。出版是绝对的原则。

保利(左)和杨振宁(右)

杨先生后来说，这篇文章是他一生中最重要的工作，比获得诺贝尔奖更重要。虽然没有成功，但当时出版它的决定是非常正确的。他还从中学到，物理中的难题往往不能一蹴而就。当我们做科学研究时，我们总是向前迈一小步。彻底解决整个问题是不可能的。我们能够解决一些问题并纠正一些问题，这已经很了不起了。

所有大师都是如此。让我给你另一个新人的例子，那就是我自己。

我的第一篇中微子文章

我关于中微子的第一篇文章写于1995年9月，发表于1996年。那时，我是慕尼黑大学的博士后。一天，我的老板哈拉尔德·弗里奇教授对我说，我们刚刚建立了一个简单的对称模型来讨论不同种类夸克之间的转换。然后他问道，我们能把类似的想法应用到轻子上来看看不同种类的中微子是如何相互转化的吗？

那时，我对中微子一无所知。听完弗里奇教授的话后，我花了几个月的时间了解中微子是什么，以及它们为什么会振荡。然后我把我们对夸克的思考转移到中微子上，得到了不同种类的中微子之间非常大的转换概率。

我们自己也对这个有趣的结果感到有点惊讶，因为它不同于当时所有理论家的想法。然而，在那个时候，我们也认为最好先发表论文，然后我们把论文提交给美国杂志。结果被拒绝了。评论家认为我们的结果肯定是错误的，因为他们不相信中微子之间的转换会涉及大的混合角或大的概率。

最后，我们的文章在欧洲期刊上发表了。这是我关于中微子的第一篇文章。当时，我们没有得到完全正确的结果，但我们走在了正确的道路上。我们预测了三种不同类型的中微子的转换行为。转换必须涉及两个大的混合角，一个相对较小的混合角，甚至允许物质-反物质不对称等现象发生。

1998年夏天，日本的超级信冈实验证实了大气和太阳中微子振荡确实与大角度混合有关，而2012年中国的大亚湾实验也证实了反应堆反中微子振荡涉及较小的混合角度。虽然今天的实验结果与我们最初的理论预期不同，但后者大致正确！

中微子“振荡”(来源:约翰·杰纳斯塔/瑞典皇家科学院)

这是我个人的经历。回想起来，我们最初想到的想法当然非常重要，因为以前没有人想到过。然而，它的生产过程非常简单，这是基于简单的联想。因此，我们必须学会相互交往。我们必须学会观察一些现象，并提出一个问题，比如落在牛顿头上的苹果有多少？为什么天空是蓝色的？为什么太阳会发光发热？如果你不问问题，你就不会思考现象背后的原因。如果你不思考现象背后的原因，你就不能谈论科学思维和做科学研究。

渐进方法与渐进*

许多现象之间确实有许多联系或相似之处。

例如，重力。例如，两个黑洞或两个中子星正在逐渐相互靠近。在这个过程中，因为黑洞或中子星在圆周上运动并有加速度，系统将失去能量，它的轨道将变得越来越小，直到最后两个黑洞或中子星融合在一起。从天文学上来说，这种现象被称为精神疾病，它正在逐渐逼近。失去的能量以引力波的形式释放出来。

如果这不是一个质量物体，而是一个正电子，它就像北京正负电子对撞机。电子加速也会损失能量，这被称为轫致辐射或同步辐射。

原则上，牛顿的平方反比定律可以用来描述大质量天体的运动:距离越近，它们之间的引力越大。这就是所谓的越来越近越来越强。正负电荷吸引也是如此。距离越近，吸引力越强。

你有没有想过原子核中的质子如此接近，以至于它们最终会互相排斥？这涉及到强大核力量的问题。

强大的核力使质子和中子形成稳定的原子核。质子和中子由更深层次的夸克组成。夸克可以带正电荷或负电荷。例如，U夸克有2/3的电荷，而D夸克有-1/3的电荷。质子由uud组成，中子由udd组成。

此时，我们将会遇到刚才提到的问题:靠近会更令人兴奋吗？在这样一个直径10-15米的狭窄空间里，U夸克和D夸克不是直接被吸引在一起吗？为什么可以说细胞核是由uud或udd组成的？这是因为当夸克之间的距离足够近时，强核力而不是电磁力起主要作用。那么规则是什么呢？

(资料来源:劳伦斯·伯克利国家实验室)

我们有一个基于杨-米尔斯场理论的非常复杂的理论来描述强相互作用:量子色动力学。这里有一个假设的例子:如果重力不遵循平方反比定律，而是线性的，那么它将很容易做到。当重力与两者之间的距离成正比时，距离越近，重力越弱。当距离等于0时，两个物体之间没有吸引力。

这种发生在原子核内部的强相互作用具有相似的特征。当夸克足够接近时，它们就不那么互相吸引了。这种强相互作用的特征被称为“渐近*”。从宏观上看，它类似于双黑洞逐渐逼近的现象，但行为却相反。

你可以打个比方，然后发现这个家庭是一样的。你和你的父母就像三个夸克。你们的关系足够好，而且你们彼此很亲近。此时此刻，尊重彼此的选择相当于接近*。没有人绑架任何人。自然界的物质系统与人类社会的许多人际关系非常相似。

如何获得好主意

我们从中可以学到的是，我们应该从宏观和微观的角度来看待不同物理系统的相似性，然后有足够好的联想。科学研究最重要的部分是发现想法。只有当你有想法时，你才能做计算或实验。然后当你有了结果，你可以写文章，发表文章，然后发表演讲。在这一系列的链接中，无论你在哪个领域做科学研究，无论你在做理论还是实验，最重要的第一步是产生想法。

我在高能研究所读研究生时，第一天就遇到了我的导师吴丹迪先生。他告诉我，现在找到想法比付诸行动更难。当时我无法理解，但这些年来，我反复意识到他的老人所说的话，这无疑是真的。

那么我们如何产生想法呢？联想是产生物理想法最简单也是最重要的方式。然而，光有想法是不够的，还要有“好”的想法。如何产生“好”的想法？

诺贝尔化学奖和和平奖的获得者莱纳斯·鲍林有一句名言:拥有一个好主意的最好方法就是拥有很多想法！(获得好主意的最好方法是有很多想法！)你有十个想法，也许其中一个还不错。我认为这是一句非常合理的话，我在很多地方都引用过。但是这句话不一定对寻找其他事物有意义。如果你在找女朋友，那绝对是不合适的。

我想强调的是学会交往，善于交往。不管你做什么，你将来是否做科学研究都无关紧要。在任何工作中，联想是产生科学思想或解决问题的最简单和最重要的方式。

本文对中国科学院高能研究所2018年大学生夏令营邢志忠研究员的报告《物理思维的简单与深刻》的第一部分进行了整理。

资料来源:utexas.edu

文章授权转载自:赛先生