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。于你，于我，皆如此。
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。
所以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。
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候，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。
这样，我在德国选择论文方向的时候就遭遇了一个非常尴尬的情况。那是1992年，当时我导师的实验室就有四台STM（扫描隧道显微镜），那个时候非常粗糙，基本上一星期也扫不出两张图，其实已经很了不起很幸运了，但当时我不知道啊。
我导师当时给了我四个方向，让我考虑一下挑一个。可是那四个实验方向我都不懂，以前在国内的实验条件很差我哪个都没做过，我只能找我的德国师兄问。
德国师兄说其中有一台非常古老的表面分析仪器，是光电子能谱加上一些等离子体加上质谱，前面一位师兄已经在上面捣腾了六、七年还没毕业，你只要不选它，别的都挺好。于是第二天我就特别傻地跑去跟我导师说其他三个都行，只要不选那个旧的表面分析仪器就行。然后我导师说好吧，那就选这个旧的吧。
唉，你可以想象一下我当时有多郁闷，后来这套仪器对我的冲击有多大。
那时候我们几乎没玩过仪器，所以我还是用学理论物理的那套方式，先去找相关教科书，搬了套九卷本的德语《电工电子学》回宿舍看，结果那本书的序言里面的有一句话对我影响非常大，我读完以后就把这套书还给图书馆了。今天我也教给在座的，“所有的电工电子学仪器，不过就是以某种方式输出电流和电压”。
你别管它叫什么名字，不论叫STM、AFM、光电子能谱什么的，你别信它这些乱七八糟的名字，它不过就是以某种方式输出电流和电压而已。
我想各位可能还没习惯于真正物理地思考。比方说我们聊聊大学物理的知识。各位可能不知道，大概这个世界上什么都有，就是没有温度计。所有温度计的测量原理都是通过测量一个别的物理量，然后依据一个可能是扎实的、也可能是不扎实的理论公式或者假设换算成一个数值，那个数值你管它叫温度。
相当多的人在做实验的时候，只看自己的仪器给出的“温度”那一栏的数值，而不去理解温度是什么，最后吃了相当大的亏。与温度有关的许多烂物理成果就是这样产生的。
我听说过一件有趣的事。我们知道在物理所，晶体生长是一个非常重要的方向，因为我们研究凝聚态物理首先要获得具有某种特定物理性质的物质，这种物质可能不再是天然存在的物质，而是需要通过我们的努力才能获得的。
晶体生长是一个非常艰难又非常综合的学科，其中有个关键的因素就是温度控制。我们从哪里获取温度、那台仪器测量的数据凭什么叫温度、以及这台仪器可能会造成哪些假的信号都会给我们的研究造成影响。那时我刚到物理所没多久，这一片还是小小的平房，里面有生长晶体的仪器。
据说有一段时间某种晶体怎么都生长不好，但是各种条件都控制得很好呀，大家很努力折腾了半年去找原因，最后发现是因为院子里的野猫把那个测量温度的热偶给扒拉得移动了位置。我想当事人可能很崩溃，做梦也没想到会是这个原因。
所以在这里我提醒大家一点，在实验室干活的时候，千万不要认为那些仪器都是一个黑匣子，它输出说这是原子图像你就觉得那是原子图像，它说这是温度你就认为是温度，那不是一个物理学家应该具有的认识。做实验的正确态度是，你一定要努力做到你用的那个仪器对你来说是透明的。一套仪器在你面前，从它的物理原理到它的电子学结构到它工作的整个物理过程，到它的理论解释对你来说应该是透明的，那个才叫做实验。
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位置，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。
这本书的一个非常重要的特点，就是它用最浅显的语言讲最深刻的东西，但是它并不试图去回答什么是数学，作者就是努力勾引你去把这本书看完。因为如果你能把这本书看完，你就对什么是数学有一个自己的回答。所以我觉得这本书光从组织方式来说，都是特别了不起的一本书。
这本书就勾起了我细想什么是物理。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。
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。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φύσις，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。物理所的等离子体方向死了是一件非常可惜的事情，物理所有很多人在从事各种气相法生长薄膜，炉子里面在点燃着等离子体，可相当多的人一辈子也不懂啥是等离子体，就在那儿瞎忙活，这其实很可惜的。
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——中子和质子里面的夸克结构，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（大意）“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。
现在社会上有人提到了学物理也要学人文，好像物理不是人文似的。其实物理学家天生就应该是哲学家，看起来不像哲学家的人也不好意思说自己是物理学家。为什么呢？
因为从一开始，按照安得洛尼柯把亚里士多德关于这个世界的一些思考分成了两部分编成了书，前面一部分都是关于自然的就叫Physics，后边一部分，大概有一点胡说八道的就放到Physics后面，叫Metaphysics（字面上就是物理后），被中国人翻译成了形而上学。
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 franҫaise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。
所以如果大伙觉得自己的热力学许多内容不知从哪里来，尤其什么绝对零度不能达到的等等，你去读读康德的《纯粹理性批判》，我负责任地说康德比你们的物理老师清楚。这里我还想提醒大家一句，我在复旦的哲学大讲堂上跟学员们解释，不要把哲学家康德理解成某些地方哲学系里的教授，哲学家康德首先是个数学-物理教授。
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 franҫaise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。
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