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11、智商天花板 ...
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到了大四,课程安排松散很多,留给同学们更多的时间去准备和衔接毕业之后的安排。大四不多的课程主要是天文各个具体方向的选修课,比如射电天体物理、高能天体物理、星系物理、宇宙学导论等等,同学们根据自己的兴趣进行选择。
拉面已经想好了研究生期间要学习星系宇宙学方向,选修了星系物理和宇宙学导论。此外,拉面还选修了广义相对论。学过物理的人都知道广义相对论,但真正能系统学习的少之又少。拉面一直很好奇,这一传说中最初只有三个半人能懂的理论,到底是怎么回事。
广义相对论课程,授课老师是天文系系主任黄牛老师,也就是大一开学给拉面他们强调物理数学重要性的老师。黄牛老师的每一节课,都以莎士比亚的一段诗句开始,再引入课程的内容。比如:
“And this, our life, exempt from public haunt, finds tongues in trees, books in the running brooks, sermons in stones, and good in everything. — William Shakespeare”
“我们的这种生活,远离了尘世的喧嚣,却找到了树木中的言谈,溪涧中的书卷,石头中的布道,和万事万物中的美妙。 — 威廉·莎士比亚”
虽然拉面没有足够的文学和物理功底来完全理解这其中深层的美妙和联系,但是也直接被震撼到了。物理课还可以这样上,拉面觉得很厉害,心里赞叹不已。选修这门课的同学不少,拉面还发现天文系一位年轻的老师也每次都来听课,不知道是不是要学习课程内容本身,还是要学习如何讲课。
然而,广义相对论,对拉面而言比莎士比亚更难理解。拉面上了几次课,发现自己很难跟上课程的内容。太抽象了,拉面越来越觉得是在听天书。同时,因为是选修课,拉面也没有必须要学下去的压力。最后,拉面没有坚持下去,广义相对论的第一次学习,以失败告终。
后来,到研究生的时候,拉面又尝试过一次学习,包括群论,以及广义相对论两门课程。然而拉面仍然没有学下去。拉面不理解不完全明白就难以投入做事的毛病又阻碍了她。这成为拉面学习广义相对论的最后一次尝试。拉面觉得如果非要学,自己也是可以学会应用的,用公式计算,套公式。也许可以知道个七七八八,但是自己知道,其实并没有真正理解。
拉面想起来看过的著名物理学家费曼的故事。费曼小时候和朋友们在田间玩耍,有个小朋友问他,“看到那只鸟了吗,那是什么鸟?”费曼说不知道。小朋友说,那是只棕喉鸫,你的爸爸什么都没教你吗?
费曼说,“其实事实相反,我的爸爸教过我,他看着那只鸟,说,’你知道那是什么鸟吗?那是只棕喉鸫,葡萄语中它叫Bom da peida,意大利语中它叫chutto Lapitida,等等等等。现在,如果你想知道这只鸟在任何的语言中叫什么,你都可以去知道。但是,当你都知道了之后,你对这只鸟本身依旧是一无所知。’ ”
“然后他说,’现在,让我们来观察这只鸟,看看它在干什么。’”
“那是深入的理解。他并没有只告诉我一个名字。知道一个东西的名字和真正知道理解一个东西,我的爸爸知道这两者之间的区别。”
名字只是个代号。定理和公式也类似,重要的是真正理解。对拉面而言,要真正学会一个理论,会应用它分析实际问题,不仅需要知其然,还必须知其所以然,否则就总觉得没办法真正确信,总是觉得哪里有不对,担心自己用错了。曾经拉面还时常想,为什么一开始只有三个半人懂的理论,现在那么多人都能懂了,他们真的懂了吗?
拉面琢磨自己学习物理的过程。力学相关,拉面学得特别轻松,因为大部分现象都是生活中多少会接触到一些的,拉面理解起来觉得很自然,有一种生活经验带来的直觉在其中帮忙。到了电磁学相关,就稍微抽象些了,毕竟电和磁是没办法直接用眼睛看到的,虽然可以通过它们所起的作用来感受它们的存在。
狭义相对论,已经是拉面可以基本理解并应用的上限了。数学的、公式的表达拉面可以接受,也能够用它们来算东西,但是缺少了直观的理解加持,总觉得虚无缥缈一些。孪生子佯谬,让拉面想得头疼。到了广义相对论,一方面,数学本身就更抽象,同时,物理也是抽象的。时空弯曲,空间和时间会弯曲,因为有质量存在。万有引力是时空弯曲的结果。这些就是拉面知道的“棕喉鸫”。到底是什么,拉面看着形式也并不复杂的基本方程,感觉和真正理解“棕喉鸫”之间隔着万丈深渊。
力学,包括万有引力的规律公式,对拉面而言很容易就能完全理解,因为它们造成的现象就充满在日常生活中。惯性,加速度,引力,通过日常的物理现象和并不复杂的实验,都容易让拉面明白和信服这些规律的确如此。而到了相对论,要速度大到接近光速,要质量和尺度超出地球本身,相关的效应才可能被测出。这不是简单的实验所能验证的。
但是,古往今来充满智慧的科学家们从各种途径验证了这些初看玄妙的理论。比如,拉面知道,通过水星近日点进动,爱因斯坦证明了广义相对论的正确性。
水星,是太阳系中离太阳最近的大行星。按照牛顿力学,它的轨道和其他大行星一样,是以太阳为一个焦点的椭圆。实际观测发现,行星的轨道是一圈圈并不完全重合的椭圆,主要由于其他天体的存在而产生影响。
每一圈轨道中,行星距离太阳最近的那点被称为近日点。因为行星轨道的椭圆随时间在发生变化,所以每一圈的近日点也会有相应的微小的改变。对于水星,它的轨道椭圆以及近日点随着时间推移而出现缓慢变化,被称为水星近日点的进动。
水星轨道随时间的具体的变化,水星近日点的进动,可以根据牛顿的万有引力定律,在考虑到其他天体的影响的情况下来进行计算。同时,这个进动的大小也可以通过观测,比较不同时间的实际的水星的近日点直接得到。结果发现,理论计算和实际观测之间并不符合。
每个世纪,每一百年,进动的理论计算和实际观测之间的值相差大约43角秒。1角秒是1角分的六十分之一,而1角分是角度1度的六十分之一。这个差别虽然微小,但是确实存在,无法用经典的力学解释。
这个差别,只有在考虑了广义相对论的效应之后,才能被恢复出来,而且是被完美地精确地恢复了出来。对水星近日点进动的完美解释,是爱因斯坦的广义相对论正确性的主要支持证据之一。
然而,这样的实验,空间尺度和时间尺度所涉及的跨度都不是轻松就能实现和操作的,是无法通过日常经验直观地了解的。广义相对论这样的理论,自然是久经考验,是正确的,即使无法亲自验证。除此之外,也有不少类似的没有办法那么直观理解的问题,包括之后开始科研工作,遇到的文献中前人的大量的结果,不可能都去一一重复和验证。拉面逐渐适应和学会,必须从某种程度上信任前人已有的结论。不一定信任某一篇文章的结论,但是可以把一类的工作进行比较、分析,做出自己的判断,信任其中科学上严谨的、相对可靠的结论。
后来回想自己的学习过程,拉面总结,广义相对论,就是自己的智商天花板。每个人的智商天花板可能不一样,也可能在不一样的地方。比如有的同学高中物理就学的挺费劲,物理对他们就是困难的。而擅长物理的人,也不一定就一路学来都会轻松,会在某个方面或者某个时候遇上自己的天花板。有的动物天生有绝对音准,有的动物五音不全。五音不全的,有的还可以通过练习和训练纠正,而有的却怎么训练也起不到多大作用。每个动物要找到自己的擅长,也许,也了解自己的不擅长。
就这样吧,拉面想,不用强求。找到自己擅长的,能力所在的地方,去做适合的,最好也是喜欢的事。