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“極化”的大道至簡:這樣給少年寫物理書

《六極物理》

孫喜

2020年09月09日 03:00

劉兵
《 中华读书报 》( 2020年08月26日 16 版)

在一般人的心目中,在基礎教育的各個科學分支學科裏,物理學似乎是最爲難學的學科(或者至少是之一)。之所以會如此,有不同的說法和解釋,例如,有人認爲物理學所用的數學較多,而數學也是被許多人認爲是難學的學科之一。就像在《簡明不列顛百科全書》中的“物理學”條目中所說的,物理學,是“一門基礎自然科學,它研究物質的結構以及自然界各基本組分間的相互作用等根本問題。通過實驗考察和理論探索,以最概括的方式把各種無聯系的物理現象,用經濟而又精確的數學語言表達爲各種物理學原理或定律”。

但即使這樣的理由成立,恐怕也只是關于物理學難學的答案的一部分而已。其實,更重要的是,我們今天在基礎教育階段所學的物理,實際上是源于在16-17世紀歐洲科學革命誕生的現代物理(這樣的說法包括了從牛頓的“經典物理”到20世紀的量子力學和相對論),其特有的思維方式,與人們在日常生活中所習慣了的生活經驗有著相當的不一致之處。因爲同樣在在《簡明不列顛百科全書》中的“物理學”條目中,還提到:“無論所采用的方法在細節上有什麽不同,物理學家總是試圖用逐次逼近法把沒有解決的問題變得易于處理:先研究簡化的即理想化的情況以確定其主要效應,然後再深入具體事物的細節。”

這裏的關鍵在于“理想化”,也即與古代人們對物理現象的研究和解釋有所不同,在現代物理中,這樣的理想化經常表現爲理想模型,而理想模型則作爲聯結物理學理論與經驗事實的中介。也就是說,在今天的基礎教育中的物理教學所涉及的主要內容,基本上是理想模型性質的。正是這種理想模型與現實原型的差異,成爲學生們感覺在學習和理解物理學時會遇到困難的重要原因。

但是,物理學在當下的科學知識系統中,又具有著極其特殊的作用。它已經成爲諸多科學學科和技術的支撐性的基礎知識。正是在這種既不那麽好學又極其重要的矛盾中,在物理學教育中最基本的手段——教材編寫上的創新,便尤其有意義。當然,在已經有了爲數衆多的各種物理學教材和普及讀物的前提下,要做出明顯有意義、有價值,而且言之成理並更有利于學習者理解和掌握物理學的有新意的教材,並不是一件很容易的事情。

在最近出版的这本名为《六極物理》的普及性读物中,作者正是抓住了最能反映物理学之理想化特征的极端条件作为切入点,从“极快、极大、极重、极小、极热和极冷”这“六极”,将现有的物理学进行“拆解”,按照将环境参数调到极限来让物理学的现象变得更加明显的思路,重新组织起对物理学知识的叙述。在极快篇中,讲解在接近光速的高速下适用的狭义相对论;在极大篇中,讲述大尺度的物理学和宇宙学知识;在极重篇中,讲述爱因斯坦的广义相对论;在极小篇中,介绍原子层次的微观世界;在极热篇中,讲解在极高温度下的物理现象及其重要性;在极冷篇中,讲解在接近绝对零度条件下迷人的物理现象,例如超导体。

在對知識的講解中,曆來有按照曆史的發展邏輯和事後重新構建的邏輯來敘述的不同方式,每種方式也都有各自的優點和劣勢。而在事後重新構建的敘述邏輯也不只一種,同樣每種也都有其自身的優勢。像作者這種從極端條件作爲敘述分類的作法,優點更在于可以更直接地提示讀者理解物理學思維的特殊性,即對那種理想化的極端情形的思考,進而再推論到更一般的情況,這對于實現教育目標中對科學之本質(實質上是現代科學之本質)的理解,尤其有意義。

當然,作者也並非陷在極端中“不食人間煙火”,而只是把這種極端作爲框架的分類,在具體的解說中,也還會常常回到人間現實條件下的實際問題。不過,在這樣的框架下“回到人間”,對讀者的理解而言,很可能就已經消除了一部分“困難”。


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2020年09月09日 10:57
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