目前国家提倡万众创新。我们要避免“万众低层次创新”的陷阱。如果普通民众的基础科学知识严重匮乏,他们就不可能利用那些知识,他们绝大多数人的创新就可能被局限在一些狭小的、低层次的范围内。这就浪费了许多民众的宝贵时光,并且损害了中国在不久将来的全球科技竞争力。
本文只从物理学这个角度来谈目前我国存在的严重问题。数学、经典计算机、量子计算、人工智能等其他重要内容没有谈。
我国大多数民众的物理知识严重匮乏。这是因为我们的中小学物理教育没有及时更新。十九世纪时发现的一些重要概念,例如“熵”,都是我们的高中毕业生们不知道的。
目前学生们的学习:技术性和细节性有余,广度和深度不足。
波尔兹曼的著名公式
S = k ln W,
难道不比中学生们费力练习过的某些牛顿力学习题重要吗?
二十世纪物理学的两大基本发现,相对论和量子论,正在推动人类科技迅猛发展。我们的学生们却到高中毕业都不知道这些基本概念。
建议改革中小学物理教育,扩大学生们的视野。代价是稍微减少一些牛顿力学习题的练习。
扩大视野时,要注意用最简单易懂(尽量避免高等数学)、但又依然非常准确的叙述,使学生们学懂一些新的重要概念,避免学生们对那些新的概念产生误解。
扩大视野时,还要注意减少物理学史中的冗余信息对学生们的干扰。在地球上,量子论的发现过程是很曲折的,其间有不少人物和事件(例如普朗克、爱因斯坦、波尔、德布罗意、薛定鄂、海森堡、波恩、狄拉克、泡利),相当杂乱。我们要有一种宇宙视野,要意识到:量子力学的基本理论是放之宇宙而皆准的,但是它的具体发现过程在不同的星球文明里是不同的。我们最好选择一条最直截了当的路径让学生们学懂各种基本概念,而没有必要重复地球上的先人们所走过的那条曲折的路线,也没有必要让学生们费力记住地球上量子论的发现史上的具体人物名称、年份、事件。这主要是因为孩子们的时间精力有限,我们必须节约他们的脑力,把它用于最重要的事情上。(他们上了大学后,如果要学理科的话,可以更具体地了解地球上的量子物理学发展的过程。)
由于爱因斯坦的天才,地球上相对论的发展史涉及的人物事件相对简单些。
可以想象,在另一个星球上,没有出现爱因斯坦这样的人物,那么狭义相对论的理论叙述变得非常繁琐、费解(参见地球上之前洛伦兹提出的长度收缩概念),而广义相对论的发展史上则出现了更多的人物、更多的各种概念误解、更多的繁琐费解,直到很久很久之后,才提炼出一套相对简明的理论,才可以和地球上爱因斯坦的理论相等价。
作为量子论与相对论的交集,量子场论的发展之所以那么曲折漫长(参见正规化、重整化等事情,历经了半个世纪的曲折过程),一定程度上是因为地球上没有出现一个类似于爱因斯坦那样的天才人物,以最简单直接的方式来发展量子场论。可以想象,在另一个星球上,出现了一个天才人物,使得该理论的发展过程缩短很多,各种概念上的费解现象也减少很多。
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量子场论概念基础的发展,迄今也没有结束。
人类早已经把量子理论和狭义相对论结合起来,形成了相对论量子场论,这样一个既服从量子论基本原理、又服从狭义相对论原理的理论。该理论构成了我们目前对微观世界理解的概念基础。
但是,人类迄今也没有能够找到一个把量子理论和广义相对论(涉及到引力、时空弯曲等概念)统一起来的理论。这个理论还是不是量子场论?或者它是别的某种根本性的新理论?
我们还不知道!
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在教学生们这些物理知识(例如熵、量子论、相对论)时,不仅要教他们基本知识,还要告诉他们这些基本知识的实际应用价值,还要告诉他们:那些物理知识还会有各种预想不到的新用处,就等你来开拓、来探索、来发明创造。
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把重要的物理知识更多地向孩子们普及,还有一个巨大的好处:大幅增加中国未来出现爱因斯坦式的科学天才的可能性。
你可以想象:不同的孩子的思维方式、知识阅历、个性特点是不同的。在那无数个接触物理学重要知识的孩子里,会有若干个孩子,长大后发现原有的课堂知识的局限性,大幅拓展或深化我们的科学知识,就象爱因斯坦所曾经做过的那样。
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所以,我建议国家把口号从“万众创新”,
具体化为“万众学习,万众创新”。
学什么呢?学人类目前为止所获得的各种重要的科学知识、地理地学历史天文宇宙知识、哲学思辨等等。但不要浪费太多人力物力去搞宗教迷信等活动。