曹则贤研究员在2017年物理所研究生开学典礼上的致辞各位年轻的朋友，大家好，欢迎大家从今天起正式加入物理所。往年在这里给同学们做入学教育的都是物理所的著名科学家，甚至是院士，今年安排我这种普通研究员来做这样重要的报告，也许是想给大家一个“反面教材”，从反面鼓励大家。希望大家珍惜这个机会。
我们物理所出反面教材和正面教材是有传统的。
各位在国科大读书的时候可能听说过“中关村村长”吴宝俊博士，那是我们所著名的“反面教材”先生，他的博客非常有名。为了不让反面教材给人一种“物理所人怎么谈的不全是深刻物理”的错误印象，他的同门师兄弟、物理研究做得非常漂亮的张江敏博士针锋相对地开了个博客，叫“正面教材”，给你细细地讲那物理之最微妙处。咱们物理所的正面教材对大家有借鉴作用，反面教材嘛，也不是哪儿都有的。
各位作为佼佼者，经过了四年的大学本科和一年的研究生教育，信心满满地到这里来做研究。但是非常抱歉的是，我觉得到目前为止，在国内受过大学教育和研究生教育后就掌握了像样的数学和物理知识的学生几乎没有。甚至客观地说，当前中国的数学和物理教育连欧洲100年前的难度都达不到，而且是远远达不到。
我举一个简单的例子。
本科的时候我们学牛顿力学，知道在力的作用下粒子会加速运动，加速度由牛顿第二定律给出，那么请问关于粒子三维运动轨迹的数学描述，在大一的时候你学会了多少？对粒子运动轨迹的数学描述是由哪些人引入的呢？一个法国人叫克莱罗，他13岁时第一次向法国科学院递交关于几何曲线研究的论文，16岁时提出曲线的描述需要“曲率”的概念，18岁当选法国科学院院士。
克莱罗提出，在三维空间的运动轨迹，一条曲线，除了需要法线、切线的概念，还需要引入binormal的概念，曲率是双重曲率。克莱罗是凭借关于曲线的研究18岁当选的法兰西科学院院士的。
所以大家一定要对我们的将来要投入的这项事业——数学和物理——里面学问的深浅要有一点感觉，这种感觉在很早的时候就应该被培养起来。打个比方，大家在上大学的时候可能读过量子力学，知道里面有一个重要的概念叫泡利矩阵。这位泡利先生不光是量子力学干得漂亮，而是他“高考”完了等录取通知书的那个假期，写了两篇论文奠定了他作为相对论专家的基础。
回到刚才的话题，为什么说我是一个“反面教材”呢，因为我的经历可能跟你们这些学霸都不一样。学霸是四年本科，四年得博士的那种，有的用时更短。我从本科开始到拿到博士学位，中间一天未断，一共花了15年，中间经历的专业包括激光专业、凝聚态物理、理论物理、表面物理，从推公式、编软件到自己画图纸、加工机械都干过。为什么我遭遇了这么多的折腾呢，我想可能是与个人本身的读书动机不纯有关系。
我是80年代初的大学生，那个时候生活跟现在不一样，我们大学里除了少数家境特别好的外，很多同学有挨饿的经历。你不能指望一个挨饿的学生有多崇高的理想。所以我们本科的时候就想出国，因为出国能吃饱饭。为了出国也就不在乎专业的挑选了，所以读硕士时我从激光专业改到凝聚态物理。当时整个中国科技大学我就知道有那么一台X光机，还是人家地球与空间科学系的仪器，可以说做凝聚态物理的条件是很差的。
各位今天在这里读研，大家要珍惜现在这么好条件的地方，别光看着自己实验室的那几台仪器，有空可以到物理所各个实验室去转一转，感受一下世界领先水平的仪器设备。话说我当年做凝聚态物理条件那样差肯定是不行的，所以我就转读理论物理博士。理论物理博士没拿到手的时侯，又有了到德国去读实验物理博士学位的机会，我就又去考实验物理，结果不得不转到实验物理，这个时候我的背景就很凌乱了。
我想大家既然来到了物理所，投身于物理这样的一个基础学科，希望大家抽空把自己的面拓宽一点，有时候多往深里去理解一点、去试一试水到底有多深，这样可能会让你能静下心来安心地去做一点事情。物理学是一门积累的学科，所以各位一定要耐心，我们不能像人家做生物的，进实验室两个月学会基本技能过两年发几篇nature，或者说学编程的，学的东西三年不用基本上就废了。
物理学是一门积累的学科，此前发展的物理学包括那些错误的东西都有用，所以说我们学物理的人不能急切指望成才，而且物理学本身的进展也要求不能急功近利。
我想起来还有一件最重要的事情，是我自己特别尴尬的事情。我从1982年入大学读物理，到2001年在物理所拿到研究员的职位，也就是所谓的物理教授，但我大概是2007年才突然有一天想起来问自己一个问题，什么是物理？我很惶恐。当时为什么会想到问这个问题呢？因为我碰巧遇读了一本书叫《什么是数学》，读完这本书才启发我去问什么是物理。
物理学是一种什么都想理解的渴望，或者是一种野心——在理解的基础上，人类还凭借物理学创造。今天我们生活在一个用技术支撑起来的高度发达的社会，而支撑我们这个社会的高度发达的技术，如果仔细检查一下，会发现它们的基础差不多都是物理学。比方说，今天地球表面有70多亿人口，还能吃饱饭，那是因为有化肥。发明合成化肥的办法当然是化学家的事情。可是你知道产生化肥最关键的是催化反应，那里是物理发挥作用的地方。
那么物理到底来自于哪儿？《生活大爆炸》里Sheldon博士说大约开始于公元前600年前的某个仲夏夜。我想他可能指的是这位古希腊的米洛斯岛上的先知泰勒斯。泰勒斯有一天突然明白了，这个世界并不仅仅是由神控制的，而且是人可以理解的。我想这应该不仅是看做物理学，也可以说是人类主动性认知的起源。从那时起，物理学就一直在往前艰难的前行着。物理学经历了差不多2600年，到今天才大约有一点点科学的味道。
如果你用物理学的标准去看某些别的学科，鲜少有能达到“科学”的高度。
那么物理到底是个什么样的事业？唐朝的杜甫老师给了一个非常简单的定义“物理固自然”——物理就是关于大自然的事情。在西方语言里“physics”这个词源于希腊语，也是“自然”的意思。这些都注定了物理学所关切的现象就是这个大宇宙里面发生的任何事情。
所以大家千万别把自己的眼界就是限制在所谓的“凝聚态物理”，不要以为你学凝聚态物理，气体理论、等离子体物理就可以不懂。物理学的性质是用思想去理解世界，认识世界、创造生活，它的研究对象是everything，所以说不管对自己将来的研究、还是对自己的认知，都不要首先去加一个莫名其妙的限制，你一定要记住一个物理学家，它的研究对象是这个宇宙里所有的存在。
如果从空间尺度上来说，也能注意到物理学的野心。它研究的内容大到整个宇宙，小到世界上最小的存在——中子和质子里的夸克结构，甚至更小。到目前为止，物理学家触手去碰到的尺度，小到这一次的所谓的“引力波探测”——把手伸到了10^-21米的分辨率；大到目前我们号称能够观测的范围大约是65亿光年，大家可以想象这有多大的范围，这是物理学家伸手触碰的空间尺度。
在时间尺度上，物理学既研究宇宙的整个历史，也研究发生在很短时间内的事件。从整个宇宙诞生到现在一共约137亿年，一直到目前为止物理学家能够拍电影做视频的时间尺度是10^-15秒。现在我们的脉冲光学在光学实验室能够实现的脉冲是10^-18秒的量级。当然，理论物理学家会走得更远，他们把时间最小的尺度又延伸到10^-21秒。
我们研究最微观的世界，可能需要的是最宏观的关于整个宇宙的知识。所以西方物理学界给物理学一个形象——贪吃蛇。贪吃蛇的蛇头，就是宇宙层面上的物理问题；蛇尾，是基本粒子层面上的物理。最宏观的头，衔着它最微观的尾巴。在这样一个彼此关联又相互独立的领域中，我们对自己所做的事要有认知。比如说导师给你个样品，你扫了一个莫名其妙的谱然后不管结果对不对，交给导师就完事了，这是最低层面的基本认知过程—啥都没获得。
高层面的认知有一个很重要的能耐，就是能够预测。狄拉克曾思考怎么把X^2+Y^2分解成(αX+βY)^2的形式，这在我们的数学老师看来是不可能的事情，但狄拉克就愣是把它分解成了完全平方项，从而构造出了相对论量子力学，知道相对论波函数应该是四分量的，然后就预测到这个世界上存在反粒子。
再举一个例子，研究中子分裂成质子加电子的过程中，人们发现动量和能量有点不守恒，许多人要因此放弃动量守恒和能量守恒，又是刚才那位年轻的天才泡利说“我坚信物理学遵守能量和动量守恒。如果能量、动量不守恒的话，那一定有一个调皮捣蛋的家伙给带走了一部分，而你不知道，你看不着它而已。”于是，泡利预言了中微子的存在。像这样通过理论进行预测的物理学家，才是了不起的大家。
但还有人比这水平更高，用简单的一个原理就构造了一整门科学。现在网上有一些很流行的话，比如“任何不以结婚为目的谈恋爱都是耍流氓”，但是这种表达方式恰恰就是我们热力学奠立的最根本的基础。如果大家有能力去读1824年卡诺建立热力学的第一篇法文文章，你会发现卡诺原理就是最基本的一句话“任何不以做功为目的的热传导都是浪费”，这句话是热力学最根本的原理。
这个原理出世十年以后，才有克拉珀珑在1834年读懂了，画出了卡诺的理想热机的循环。
物理学的一个很重要的功能是描述，描述就需要用语言，而物理学最基本的语言是数学。其实数学和物理之间的interplay过去在相当多的人身上是分不清楚的。
比方说这位了不起的法国人庞加莱，他是法兰西学院下面五个académie的院士，是数学院士、矿物学院士、语言学院士、法学院士和académie française的院士。爱米·诺德女士只是一个讲师，她爸爸是著名的数学教授，她在哥廷恩大学跟着希尔伯特。我前面说过她1918年5月18日发表的那篇论文《论变换的不变性》奠立了整个近代理论物理的基础。
各位如果想把物理学明白，尤其是理论室的同学，有空的话好好去琢磨那些群论啊、规范场到底都在说什么，其实就只有一件事情：物理学研究的是变化里面的不变性。
但是要求物理学家跟数学家一样去学会那么多数学，确实不是一件容易的事情。据说希尔伯特说过一句有名的话“物理对于物理学家来说实在是太难了！”他为啥这么说呢，因为他知道物理需要用到很多数学，而那是物理学家难以掌握的。但是大家也不要因此就觉得自惭形秽。
反过来我们也可以说，关于方程—或者关于数学—的美还真不是数学家能看出来的。真正美的数学一定是反映了我们这个真实的物理世界，那还真得要用物理学的眼光才能看出来它美在哪儿。
我们本科时候基本上学过的方程就是这些，从简单的牛顿力学经过理论力学的哈密顿雅可比方程，就可以凑出一个量子力学的薛定谔方程。
此外还有简单的微分1-形式的热力学主方程，电动力学的麦克斯韦方程组，由其而来的狭义相对论；量子力学除了薛定谔方程，处理电子的问题有泡利的两分量形式和狄拉克的四分量形式，另外还有一个独立的广义相对论。但是我相信我们的大学本科好像没能够提供这么多的课，至少我上大学时没学到这些。同学们如果觉得自己还欠缺一点的话，平常工作的时候手边随手带本书慢慢补一补。
除了数学基础不够外，我们的教育欠缺的，还有一些思维方式的不同。比方说了不起的天才麦克斯韦，据说十二三岁的时候也被父亲撵去从画鸡蛋开始学画画，但蛋实在是太难画了。达芬奇因为擅长画所以坚持画了下去，许多人不会画呢就干脆不画了。可是，恰恰麦克斯韦想的是，如果先把这个鸡蛋的方程写出来会不会就好画一点了？这是一种思维方式的不同，换个角度去思考。
我想大家一定要养成思考的习惯。
物理学家作为一个思想者，若以“华山论剑”来评价物理学家，如果到最高层次上我还在跟你拼力气的话，那就丢人现眼了。高手只要比划两下、放下几句话就足够了。最高层面的物理学家不应该是解决问题的，而是发现问题甚至是去制造问题的。诺贝尔奖得主莱德曼有一句很有名的话，“如果宇宙是答案，那么关于这个宇宙的问题是什么”，如果不是把物理学做到相当深刻的层面，是想不出来问“关于宇宙的问题是什么”的。
大家可以慢慢培养这种能力。但是光说不练是假把式，真正的物理学家还应该是实践者。物理学可能是来自生活的一个简单的问题，但这其中要灌入我们的思考才可能产生真正的物理学。物理学改变了我们的生活方式。在信息领域，我们从简单地把声音信号转换成电信号再转化成声音信号，到我们有电感、电容原件去玩无线电信号，再到光纤通讯，一直到今天有互联网。
大家可能都听说过互联网的技术是起源于要给理论物理学家提供便利，因为粒子碰撞实验产生大量的数据，每天用9针或者24针的打印机那要打印成卡车的数据运到理论物理学家门口，让他们计算。这逼得实验室的工程师们不得不想办法把实验数据用电信号的形式传递到理论物理学家的办公桌上，这才有了EMAIL。其实EMAIL好像在70年代初就有了，但是这个利用价值太大所以立马被封锁了，直到80年代末90年初才重新回到民间。
中国的第一个EMAIL是1986年从高能物理所发出去的。这些都是物理改变世界的地方。
物理学也会改变我们的认知。如果大家的物理理论水平不是特别高的时候，请大家一定要踏踏实实地替导师做一些简单的事情。比方说这位夫琅和费，他是个孤儿，在一个玻璃厂工作。他也没有什么多少学问。
可是人家这地方有最好的玻璃，听说牛顿爵士说拿一个棱镜对着窗户就能发现光谱，夫琅和费拿最好的玻璃棱镜对着太阳光一照，发现根本就不是什么红橙黄绿蓝靛紫的连续波带，而是上面有密密麻麻的各种暗线。作为一个对物理不是很懂的一个人他能干什么？踏踏实实做事情！
当然了，物理学让人觉得很非常powerful，可是作为物理学家首先应该是个人文学家，要懂得物理学既是造福人类的东西，也是一个作恶的工具。
作为一个物理学家，可能也在魔鬼与天使之间辗转。大家可能听说过，物理所和德国的弗里茨-哈伯研究所关系很好。哈伯是一个了不起的帅哥，他率先合成氨，使得人类有了化肥才有了今天的繁荣。但是也是这位老兄首先开启了化学战。1917年第一次世界大战快结束的时候，他在法军的上风头泄露了17瓶氯气，造成了几万人被氯气烧灼的残忍场面。他的做法让他的妻子伊美娃非常难以忍受，最后选择了自杀。
这就是一位在魔鬼与天使之间的科学家。
接下来我想说，学物理的过程中一定要想办法把自己的知识整合得系统一点。其实物理学的组织原则就是共轭。想象两头牛的力量要往一个方向使，那么它们俩之间就因为这个共轭就有了一套关系，这种关系就是我们物理学里面最需要理解的关系。你会发现热力学是用这种共轭关系组成的。
每一对变量比如熵和温度、体积和压强、表面能和面积等等都是关于能量共轭的，而经典力学、量子力学等其他地方的一对对变量都是关于作用量共轭的，因此我们也就明白了为什么热力学和其他力学完全不一样的道理在于它的组织方式完全不一样。
我个人认为，“物理学是一条思想的河流”。说这句话我是受了马赫的影响。
有些不靠谱的科学史家总宣称量子力学是一种革命，还有什么相对论的革命，但马赫说的非常清楚，“物理学里面不存在革命。如果你看到了革命，那是因为你知道的少。”每一种思想都会在之前有人提及或者有它的前驱物。西方物理学家从欧洲的最简单的神学思想，认为世界是上帝创造的，上帝创造用最少的动作，这就是least action principle，不是我们汉语学的什么最小作用量原理，它就是最少动作原理。
懂得这个道理时，然后就写出作用量，有这样一个欧拉-拉格朗日方程，方程再往前推一步和量子力学结合时候才有所谓的量子力学第三种表述，即路径积分的表述，等等。知道这些思想最起码能帮助我们咬着牙也要把那些特别难啃的物理书读完。
我想大家一定要好好去多看那些看不懂的书。一本书你看得懂，你看它干吗？你们现在在读研究生，时间那么紧，你们应该整天忙着去看看不懂的书。
相当多的人认为学物理很难，比方说有人老跟我抱怨说量子力学难。可是大家如果真的懂了量子力学以后，好好看看量子力学内容的导入，不管是薛定谔方程、自旋的描述、对光谱的理解，等等，所有的东西每一项都来自于经典力学。大家想想一个最基本的事实，创造量子力学的人手里只有经典物理，所以量子力学骨子里头全是经典物理学，没有别的。
如果你觉得量子力学难，那就难在你没学会经典力学，你经典力学根本就不会量子力学当然看着难了。
谢谢大家！