罗会仟:在阅读中走向“十万个为什么”

6月17日、18日,由南方周末主办,南方报业传媒集团全程支持,新东方公益战略支持、中国邮政特别支持的“阅读新火种”校园公益讲座先后走进成都市石室天府中学高中部、初中部。其间,中国科学院物理研究所副研究员、博士生导师、科普作家罗会仟进行了精彩分享,以下为演讲精彩摘录:

首先介绍一下我来自哪里,可能各位同学还不太了解中国科学院是个什么样的单位。中国科学院代表着中国自然科学最高的学术研究机构,同时也是科学技术的最高咨询机构,在全国各地有一百多家科研院所,而且中科院的观测台站遍布全国乃至全世界各地。从南极的科考站,到月球上的“玉兔号”,再到火星上的“祝融号”,以及昨天(注:6月16日)航天员刚刚进驻的天和空间站核心舱等等,都有中科院尤其是青年科学家的很多贡献。

我来自中科院的物理研究所,这个研究所在中科院来说并不算大,但其实也有一千人左右的规模,我们主要从事基础物理的前沿科学研究。所以各位同学,如果将来你们学物理了,并且对物理感兴趣,欢迎来到中科院,来到物理研究所。

《十万个为什么》与我的科学道路

我自己出生在江西赣南的一个小村庄,小时候确实比较穷,靠自己读书读出来了。我大学在北京师范大学就读的物理系,在北师大完成四年学业之后,到了中科院物理所就读硕博连读研究生。我们的物理研究所在的地方叫做中关村保福寺。中关村最早叫做“中官村”,大家知道怎么来的吗?“中官”就是太监,“中官村”是太监退休养老等死的地方,我们是在如此“阴森恐怖”的地方做科研,很有意思,可以让你更加沉下心来。毕业之后我就留在“中关村”继续做“小农民”,作为一个“科研小民工”,但我也有幸可与许多国际一流的科研机构、一流科学家进行科研交流。

我觉得能够让我走到今天的科学道路,跟一件事情特别有关。我小时候很少能够接触科学类的东西,比如小学有自然课,但我们从来没有上过这门课,只发了书。在我高中的时候,总共有九门主科,每次期中、期末考试都得考九门课,导致我们即使是理科生,也还要学政治、历史、地理,还要学习物理、化学、生物等等,但有个好处是,各个学科知识都有所了解,从此之后就可以培养自己广泛的兴趣。

我跟阅读的关系算是从小时候开始,那时不像各位同学现在有那么方便的手机,我们当时几乎看不到任何与科学相关的东西。但幸运的是我爸是个小学老师,他知道订阅一些当年的科普杂志,例如《知识窗》,这是江西省内非常小众的科普杂志,翻来翻去可以从“小豆腐块”里面了解一点点科学知识。

当然受影响最大的就是《十万个为什么》,这套书是来自我自己亲堂兄,他是个画家,也是我们村第一个大学生,他在楼上藏了这套书。后来我偷偷发现以后,我就把这本书从小读到大,读了十几遍,从小学就开始读,到高中、到大学都还在读。读了那么多遍之后,自然就会对科学产生好奇、产生向往,最终引领我自己走向了科学的道路。

后来我进入了县城的高中,第一天就被同学拉到县城的图书馆,一间非常破败的小土房,里面灯光非常昏暗。但你只需要花几块钱就可以办一个图书证,这里面的书可以随便的借,所以高中的时候我读了很多小说。后来上了大学,我又开始读科普类的书,像《神奇的超导体》等一系列的书,确实吸引了我对科学的一些兴趣,也义无反顾走上了科学研究的道路,尤其还读了很多科学家的传记,当你了解了科学家之后,你会发现原来科学家也是普通人。

我曾经还是个伪文青,虽然如今的我可以号称自己是一个科学家。我主要是从事固体材料的中子散射研究,这个研究有点特别,要到面向全世界开放的国家实验室里面去做中子实验,比如英国卢瑟福-阿普尔顿国家实验室、法国的劳厄-朗之万研究所、澳大利亚的布拉格研究所等,都是世界著名科研机构。正是小时候的“种子”让我走上了科学的道路,现在我才能从事非常前沿的科学研究。

当然我不仅从事科研,我还把自己从事基础研究的知识、体会写成了科普书,后来我亲身参与了《十万个为什么》的编写,也参与我们中学生、小学生的科学素养读本。我们物理所在抖音、B站都有很多科普的号,欢迎各位同学们去关注。科学家也可以做科普、写作,在科学里面学到的知识可以通过文字表达出来,让同学们通过这些文字去喜欢科学。

物理学家和他们的书

其实物理是非常广阔的概念,用物理的眼光来看待这个世界,你会发现这个世界会很不一样,整个世界不同的尺度,最大的尺度到我们整个宇宙,最小的尺度到最微观粒子,这些都是我们物理学研究的对象,所以物理学又叫做“万物之理”,“学物理,如雾里,雾里看物理,勿理物理”,相信大家都能听懂我在说什么。

那我们怎么去理解这个世界?物理学家也有这么一句话:“这个世界最不可理解的地方是它竟然可以理解。”即世界看起来很奇妙,但你一定要知道它是可以理解的,所以我们要去理解它,这就是物理。

最早关于物理的书,传说中在公元前950年中国就有一本“上古奇书”《竹书纪年》,以竹简形式记载了最简单的物理现象,例如极光。西方早期记录物理现象的人是泰勒斯,约在公元前600年就记载了摩擦起电和磁石吸铁现象。

“物理学”这个名字到底从哪里来?来自亚里士多德,他写了一本书名字就叫做《物理学》,当时用拉丁文叫做physicas。不过也许是希腊语φυσικ更准确,“物理学”本意是自然界,就是人类对自然的好奇,想去理解自然。

伽利略对物理学的贡献非常重要,他有两本书:《关于两门新科学的对谈》《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话 》),基本上奠定了整个物理学的基本概念。这两本“对话”告诉我们,我们作为人去观察这个世界,你看到的世界和我看到的世界是一样的,至少从形式上来看是一样的。这是非常重要的物理学原则,如果我们观察到的世界不一样,我们理解的世界就是不一样的,那就没法建立具有共识的物理学。

牛顿就不用说了,大家可能都听说过很多,他的代表作叫做《自然哲学的数学原理》。其实跟牛顿同时代的还有很多伟大的科学家,比如说惠更斯。惠更斯研究了光的本质,他主导的波动学与牛顿的理论是对立的。他还写了《被发现的天上的世界》,是第一个发现土星环的人。牛顿后来则发现原来光是有七种颜色,《光学》这本书也是非常经典的著作。

跟牛顿同时代的有一个人叫哈雷。可能大家都听说过哈雷彗星,但同学们知道最早发现哈雷彗星的人是谁吗?是中国人。《淮南子》记载:“武王伐纣,东面而迎岁,至汜而水,至共头而坠,彗星出,而授殷人其柄。”在公元前一千多年,我们就开始有最早的天文记录,而且关于哈雷彗星,中国古代史上记录是最完整的,从秦始皇七年(注:公元前240年)开始,每一次回归都有记载。

其实哈雷还有一个很重要的事情,他是真正推动牛顿力学的人,即牛顿是做了很多研究,但每次做完就把那个草稿纸一扔,也就不管了。但哈雷有一天去拜访他,就从他的废纸篓里面抓出来一个东西看:你竟然算出来了行星是椭圆轨道?他说:“你赶紧去发表吧。”牛顿一开始还不太情愿,后来在哈雷不断的鼓动下,才有了《自然哲学的数学原理》出版,因此没有哈雷是没有“牛顿力学”的。

哈雷之后真正的物理学家代表是欧拉、哈密顿和拉格朗日,他们建立了经典力学体系。后来到了电学的研究,就有了莫森布鲁克,他发明了莱顿瓶,不知道同学们是否有做过这个实验,有一个起电机,大家牵着手,一瞬间通上电的时候,所有人都会麻一下,都会跳起来,这个感觉非常的酸爽,如果同学们有兴趣可以一起来参与。

提到法拉第,他是我们实验物理学家最崇拜的科学家,因为他是一个自学成才的科学家,他从小学二年级就辍学了,因为家里面太穷了。后来就在伦敦打工,各种零工都干过,但是在打工的间隙,他喜欢去听科学家做讲座。有个著名的科学家叫做戴维,他每次都去听戴维的讲座,就好像各位同学一样拿个小本,记得特别认真,他就把自己做的小本装订成册,在圣诞节的时候递给了戴维,戴维特别感动,然后说好吧,你过来当我的实验助手吧。最早的时候欧洲的科学家是没法直接收助手的,其实这个法拉第是以仆人的身份跟科学家去访问其他地方,后来他跟着戴维学了一些方法技术,开始自己做物理实验,发现了电磁感应的现象。法拉第有一本非常好的书叫做《蜡烛的化学史》,这是第一本系统的科普读物,真正的科普书从这里开始的。

伦琴因为发现了X射线,成为世界上第一个获得诺贝尔物理学奖的人。自从发明X线之后,很流行用X线拍各种照片,这是用X线拍的婚纱照,同学们将来可以考虑一下。还有普朗克,他是量子力学的创始人,我希望同学们可以记住这张照片,这张照片是什么呢?是普朗克的家里面,一个物理学家的书房,要用楼梯才能爬上去取书,所以物理学家是很喜欢读书的人。

我是读着杨振宁还有李政道的传记长大的,有一本是我自己朋友写的杨振宁传记。还有我们熟悉的吴健雄,这些都是中国的科学家。所以各位了解世界科学家的同时,也希望大家有机会多多了解我们中国科学家,多读他们的传记。

超导研究的人与事

今天要跟大家分享的是关于超导研究一些有意思的人与故事。

关于超导可能同学不太熟悉,但大家看过电影《阿凡达》应该都有印象,这部电影里星球上的山是悬浮在天上的,因为山上有一种神奇的矿石,是一种超导体。但是我们做的研究并不是那么科幻,而是在现实生活存在的。如果大家去网上搜索,就可以搜索到很多超导磁悬浮的实验,这就是真实存在的材料,是可以实现特别科幻的悬浮状态。

从事这种研究很有意思,这种材料有两个性质,一是它的电阻在低温下会变成零、绝对的零;另外它是具有完全抗磁性,即它会把磁场全部排出去。在我们生活里面,它也有很多重要的作用,凡是能用到电和磁的地方都能够用到超导材料。各位同学去医院做核磁共振,你们就要塞到那个大圆圈里面去,那个大圆圈就是一个超导磁体。

超导研究的很多重要应用,在未来可能会彻底改变我们的世界,超导研究有一百多年的历史,有很多科学家都献身在这方面,包括我们很熟悉的爱因斯坦、波尔等等,当然这些人都是很失败的,没有做成功。我从事的超导领域是个物理学里非常小的方向,但是它总共有十位科学家获得了诺贝尔物理学奖,我就跟同学们分享一下他们的故事。

各位同学有没有学到理想气体状态方程?范德瓦尔斯把理想气态方程大概加一项减一项,就写出了以他名字命名的方程,这就是诺奖级的工作。他因为这个获得诺贝尔奖,这个方程对今天的物理学很重要,而且有了这个以后就可以指导氢气和氦气的液化。

第一个真正因为超导获诺奖的人,是来自荷兰莱顿大学的Heike Kamerlingh Onnes,他在1911年的时候发现了第一个超导体,实现了氦气的液化,因此就获得了1913年的诺贝尔物理学奖。他发现的第一个超导体是大家非常熟悉的金属汞,汞这个材料在常温下是液态,当降到很低的温度,达到4.2K即零下大概269度左右,汞的电阻就趋近于0。第一个超导诺奖的故事是比较枯燥的,因为他是一位很正统的物理学家,有自己很大的团队,做了很多的低温实验研究。我想跟大家分享一点是,这位老兄做记录的能力比较差,那么伟大的超导发现,但在他的实验记录本上只有小红框的一个单词。所以我希望将来同学们读书的时候,要多记一点,要不然你就会错过一个伟大的发现。

还有一个叫朗道的天才物理学家,他善于从一个现象直接把握住本质,不追求这个事情具体是怎么发生,但他会从这个现象的表面情况来构造自己的理论,然后就可以解释这个基本的现象,他在1962年获得诺贝尔奖。后来跟他一起做工作的这个人叫金兹堡,和阿布里科索夫、莱格特,各自在87岁、75岁、65岁的时候,在2003年终于才获得了诺贝尔奖。

真正理解超导现象是这三位,分别叫做巴丁、库珀和施里弗,这个理论也用他们的名字命名,叫“BCS理论”。关于他们获诺奖的故事很有意思,因为这里面有一个特别厉害的人,就是巴丁。在1957年的时候,他已经功成名就了,他要去解决超导物理的问题,就组建了一个团队,找到一个博士后,干活比较卖力的人,然后找了一个研究生叫施里弗,他当时去找这个施里弗,他问:“你愿意不愿意跟我做一个比较难的研究?”施里弗其实很犹豫,因为导师问这个问题,他也不敢乱回答。巴丁就问他第二个问题,你现在研究生几年级?施里弗说:“研究生一年级”,所以巴丁说:“行,耽误你几年没有关系。”所以各位趁年轻,一定要去挑战比较难的问题,最终他们成功了。

巴丁这个人获得两次物理诺奖,第一个诺奖是因为发明半导体晶体管,即我们今天用的手机电脑里面最基本的逻辑单元,晶体管原型就是这个东西,看起来很丑但获得了诺奖,而且改变了人类世界。他来过两次中国,当时在中科院物理所他也做了个报告,我们下面的同学鼓起勇气问了他一个问题:你为什么这么牛,凭什么得两次诺奖?他就回答了三点:一是努力,三是机遇,三是合作,这个非常重要。

我再讲另外三个人,约瑟夫森、贾埃弗和江崎。他们是1973年因为超导的“隧道效应”获得的诺奖,其中有一位是叫约瑟夫森,他获奖时是33岁,他做出诺奖工作的时候是22岁。各位同学可以算一算,你距离22岁还有多远,即你距离诺奖工作还有多远。

贾埃弗则从小是一个差生,从小数学、物理不及格。所以各位同学,不用担心你现在的成绩。他写了一本非常有名的书,建议同学们有空可以去读一读,这本书的名字叫做《我是我认识的最聪明的人》。所以各位同学一定要有自信,“我是我认识的最聪明的人”,我就有这个自信,我就能拿诺奖,怎么滴?

1986年12月,来自瑞士IBM公司的两个工程师——贝德诺茨和米勒,发现了高温超导铜氧化物,这解决了很多年来的困惑,很快,10个月后就获得了1987年的诺奖。

这十位科学家的诺奖的故事就讲完了,但是超导有没有可能持续地获得下一个诺奖?是极有可能的。全世界的科学家都在努力,各位同学你们如果能够从事基础的科研研究,也有可能得诺奖的会是你。

比如说在2008年发现了新一类的高温超导体,叫做铁基高温超导体,是由日本人细野秀雄发现的。但实际上在之后,中国人也作出了非常重要的贡献,我们发现了一大堆新的超导材料,这有可能帮助别人获得诺奖。中国在铁基超导方面做得非常好。一直到今天,我们在基础科研领域甚至在应用科研领域都一直保持第一。

将来的机会还有很多,比如说如果我们真正把超导材料给广泛应用起来;你可以发现一种神奇的粒子,利用这种奇怪的粒子状态,我们就可以实现在室温下比较稳定的拓扑量子计算。目前我们的量子计算机都是需要低温,低温就意味着很贵,现在量子计算机一台大概是好几千万,但如果这个实现了,到时候我们的量子手机是有可能的。

总之,如果各位同学有机会能够从事这些基础科研的研究,我们就有机会去探索未知。有一部科幻电影,讲述太空飞船要飞一百年到另外的星球,里面一个核心发动机就是用超导基理的材料做成的,所以同学们,其实前沿的科学离我们不远,只要你们多读书、多了解前沿科研,就有机会探索未知,探索我们的宇宙,这是永无止境的。

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