[学者笔谈] 郑杭：创新与借鉴
[发布时间]: 2012年08月26日
■ 从物理学的发展历史来看，物理学理论的每一步发展都是来源于理论和实验研究工作的创新。
■ 我们作为教师，实际上并不可能一般地指引同学们对具体科学问题的创新途径（至少对本科生同学是这样）。对具体科学问题的创新只能来自研究者个人和研究团队集体的思考和实践。
■ 在物理学发展过程中，不同研究课题和不同研究领域之间在思想，方法和研究模式方面的互相借鉴起了非常关键的作用。
科学研究中的创新无疑是科学研究工作最重要的任务，也是研究人员追求的主要目标。现在，在大学本科生和研究生教学中，创新能力的培养被提到了空前的高度。我本人主要从事物理学方面的教学和研究工作，借助“学者笔谈”栏目说说我对于创新的一点思考，着重想说的是借鉴与创新的关系。
物理学的发展与创新
从物理学的发展历史来看，物理学理论的每一步发展都是来源于理论和实验研究工作的创新。这些创新大致可以分成两种类型：一种类型是“横空出世”型的创新，另一种类型则是在前人基础上的借鉴，改进和超越。前一种类型可以以爱因斯坦提出的广义相对论作为例子：爱因斯坦在1915年发表关于广义相对论引力场方程的第一篇论文时，可以说是完全突破了当时物理学界关于万有引力的基本理论；相隔不到四年，1919年英国科学家爱丁顿等人在日全食观察中证实了爱因斯坦广义相对论关于遥远星系光线的引力偏折效应，从而确立了“横空出世”的广义相对论的地位。很多物理学家认为，如果没有爱因斯坦，广义相对论在很长时间内都不会有人能够提出。后一种类型的创新则有许多例子，可以与前一种类型作明显对照的例子是爱因斯坦提出的狭义相对论：1905年爱因斯坦发表关于狭义相对论的第一篇论文《论动体的电动力学》时，其中的基本数学方程组是洛仑兹变换，是此前由荷兰科学家亨德里克·洛仑兹提出的；因此可以说爱因斯坦关于狭义相对论的创新是在前人基础上的借鉴，改进和超越。爱因斯坦自己也说过，如果没有他本人的话，狭义相对论也会没有延误地由其他人提出。
应该说，前一种“横空出世”型的创新是很难学习和复制的。物理学发展到今天，“横空出世”型的创新在物理学领域中出现的可能性也已经很小了。虽然还是不时有人在声称推翻了相对论或者推翻了量子力学，创造了某种全新的物理学理论（国内外都有这样的人），但一般的物理学家都能够看出这些所谓的创造了全新理论的“创新”其实只是没有实验基础的空想。我认为，能够在我们的本科生和研究生的教学中加以倡导，同学们也能够在实践中尝试的创新途径主要是上述第二种途径，即通过借鉴，改进和超越来进行创新思考和实践。
近来，欧洲核子中心实验发现希格斯粒子的消息轰动了物理学界和科学大众。这是一个通过借鉴，改进和超越来进行创新思考和实践的最好例子。1964年，英国物理学家希格斯提出了对称性自发破缺的希格斯机制，预言了希格斯粒子。而这种对称性自发破缺的设想，是1960年由日本科学家南部阳一郎首先提出的（南部因此获得2008年诺贝尔物理学奖）。南部曾在超导物理领域做研究，他将超导BCS理论中的自发对称性破缺思想引入到粒子物理中，开创了基本粒子物理学的多个重要思想。物理学发展史上，这种由物理学不同不同课题或不同领域中的物理思想相互借鉴而导致的创新有很多例子。
借鉴之于创新的重要性
我从自己的经历也能够体会到借鉴对于创新实践的重要性。1982年到1985年我在本校读博期间，与朱诗尧同学。他在量子光学领域有很深的造诣，我当时就从他那里学到了光场压缩态的理论。1986年我把光场压缩态的理论方法应用到研究固体物理学的电声子相互作用，提出压缩声子态和压缩极化子理论。论文在1987年和1988年发表后，很快在国际固体物理学研究领域得到了肯定的评价。自那以后，有三、四十个国内外研究组采用我们提出的压缩声子态和压缩极化子理论研究电声子相互作用。如果把提出压缩声子态和压缩极化子理论看作是一次创新的话，那么其源头是来自于对量子光学中光场压缩态理论的借鉴。
一般来说，借鉴总是对于不同课题或不同领域的理论，方法和研究模式而言的。因此，借鉴需要对不同研究领域和不同研究对象有比较广博的知识结构，也需要对物理理论和物理现象背后的物理背景有比较深刻的理解。从这个角度来看，物理系本科生一年级和二年级集中学习普通物理学的力学、热学、电磁学、光学和原子物理学（欧美的大学对普通物理学内容的划分不尽相同，但内容的覆盖面是相似的）是非常必要的。这五门课程的数学内容不深，但阐明了物理学不同领域和不同现象的物理背景，物理图像和基本知识，使同学们理解不同领域和不同现象之间的关系和理论的相通性。从而为同学们进一步学习数学内容比较多的理论物理课程做好准备，也可以为同学们未来的创新实践打下基础。
将教学与培养创新能力相结合
我本人近年来在从事本科生一年级“热学”课程的教学。我经常在思考如何在本科生教学和培养研究生的过程中着重培养学生的创新能力，这个问题也经常在各种场合被讨论。显然，我们作为教师，实际上并不可能一般地指引同学们对具体科学问题的创新途径（至少对本科生同学是这样）。对具体科学问题的创新只能来自研究者个人和研究团队集体的思考和实践。
其实，我们每一个人从幼儿时期就采用的学习方式是模仿，我们的绝大多数知识和能力（包括语言能力）的来源是记忆，理解，然后照着做。当然，现在人们很不喜欢模仿，更不喜欢死记硬背。人们往往在模仿和抄袭之间画上一个可疑的等号。我们的很多“山寨”产品就是模仿的典型。但借鉴与模仿虽然看上去有相似之处，其实是有本质不同的。我的理解，模仿就是照样做，借鉴则是把在一个课题或一个领域中行之有效的理论、方法和研究模式推广应用到另一个课题或另一个领域中去。当然，这种推广不会是简单的搬家，而是需要有改进，创造和超越。但是，因为借鉴的过程并不是完全“无中生有”，所以这种创新途径相对于“横空出世”型创新来说要比较容易教和学。
所以，对于如何在本科生物理学的课堂教学中体现创新思想的问题，我认为一条可能有益处的途径是在传授重要知识点的同时应该让同学们知道：1、当年人们发现和认识这些知识点的动机是什么；2、当年发现和认识这些知识点的时候人们是如何进行创新思考和实践的；3、这些知识点在物理学整体上的地位和意义，有没有可能在物理学的其它领域中被借鉴。我希望通过这种教学过程给同学们在将来某个时候的创新思考提供借鉴和埋下伏笔。以下我以本科一年级“热学”课程中部分教学内容为例作一点具体说明。
范德瓦耳斯状态方程是“热学”课程的重要内容，1873年范德瓦耳斯在他的博士论文《论气态和液态的连续性》中考虑了分子间排斥力和吸引力的影响，提出了著名的范德瓦耳斯状态方程：
这个方程与理想气体状态方程
（
（阿伏伽德罗常数）个分子间的排斥相互作用，a项则来自于个分子间的吸引相互作用。如此大量的分子，精确地描述和研究每一个分子的运动规律既无可能也没有必要，而范德瓦耳斯用这种平均场的方式（即以平均的方式来看待所有其它分子对某一特定分子的作用），可以相当准确的描述常压和高压下气体的性质，能够解释当时关于汽液相变和临界点以及临界现象的实验结果，并对“永久气体”的液化理论起了指导作用。当时最著名的物理学家麦克斯韦和玻尔兹曼都非常推崇范德瓦耳斯的工作。1910 年范德瓦耳斯由于上述气体和液体状态方程的工作而获诺贝尔物理学奖。
关于范德瓦耳斯方程的故事到这里并没有结束。二十世纪以来，研究多体物理的凝聚态物理学中出现了许多以平均场思想为主要特征的理论工作，比较著名的有：居里和外斯关于铁磁物质的分子（平均）场理论；斯通纳关于铁磁金属的传导电子交换（平均）场理论：奈耳关于反铁磁物质和亚铁磁物质的分子（平均）场理论（奈耳因此获得1970年诺贝尔物理学奖）；巴丁、库珀和施里弗关于超导电性的BCS理论（他们因此获得1973年诺贝尔物理学奖），被同行们称之为配对势平均场理论（前面提到过，南部阳一郎把超导BCS理论中的自发对称性破缺思想引入到粒子物理学中）。可以说，这几项在凝聚态物理学领域内有崇高科学地位的理论在一定程度上都可以看作是当年范德瓦耳斯关于气体和汽液相变的平均场理论的推广，理由是这些理论在本质上都是象范德瓦耳斯所做的那样，把微观粒子间的吸引和排斥相互作用用平均场方式来处理。今天，凝聚态理论物理学家面临的一个重大挑战是如何阐明高温超导物理机制，有很多理论物理学家认为，这里面临的首要问题是与高温超导物理机制相联系的平均场是什么？
我在上课的过程中，会有同学来问我：学习“热学”有什么用？或者更具体的，学习范德瓦耳斯方程或其它某个内容有什么用？我会给同学们讲上述从范德瓦耳斯方程到今天的凝聚态物理学的发展简史，希望同学们能够从中得到启发，为他们今后的创新实践从大学一年级就开始做好准备。
在物理学发展过程中，不同研究课题和不同研究领域之间在思想，方法和研究模式方面的互相借鉴起了非常关键的作用。这种互相借鉴实现科学创新的途径可能是在本科生与研究生教与学的过程中比较具有可操作性的。
学者小传
郑杭，上海交通大学特聘教授，国家杰出青年基金获得者。1985年在上海交通大学物理系获得理学博士学位后留校任教。1988年底晋升为教授。在2001年8月至2009年1月期间担任物理系主任。
研究方向为强关联多粒子系统物理，开放量子系统物理与量子调控。在压缩极化子理论，低维系统派尔斯相变和电荷密度波问题，高温超导与电声子机制，局域和合作杨－特勒系统，量子退相干问题，耗散量子系统的量子调控等方面的研究中取得一系列成果。在国内外学术刊物上发表论文一百余篇，被国内外学者他引六百余篇次，并有国内外三十多个单位的研究组在八十余篇SCI论文中采用他提出的压缩态方法做研究。
1991年获国务院学位委员会授予的“做出突出贡献的中国博士学位获得者”称号。1991年和1995年两次获国家教委科技进步奖。1994年获国家教委《跨世纪优秀人才计划》基金的资助。1995年获国家杰出青年科学基金的资助。1996年被批准进入国家人事部等七部委“百千万人才工程”。1997年被国家人事部批准为“中青年有突出贡献专家”。1999年获国家自然科学三等奖。
来源 ：上海交通大学新闻网
原文： http://news.sjtu.edu.cn/info/1002/127694.htm