“極化”的大道至簡(jiǎn)：這樣給少年寫物理書
《六極物理》
孫喜
2020年09月09日 03:00
劉兵
《 中華讀書報(bào) 》（ 2020年08月26日 16 版）
在一般人的心目中，在基礎(chǔ)教育的各個(gè)科學(xué)分支學(xué)科里，物理學(xué)似乎是最為難學(xué)的學(xué)科（或者至少是之一）。之所以會(huì)如此，有不同的說法和解釋，例如，有人認(rèn)為物理學(xué)所用的數(shù)學(xué)較多，而數(shù)學(xué)也是被許多人認(rèn)為是難學(xué)的學(xué)科之一。就像在《簡(jiǎn)明不列顛百科全書》中的“物理學(xué)”條目中所說的，物理學(xué)，是“一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，它研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及自然界各基本組分間的相互作用等根本問題。通過實(shí)驗(yàn)考察和理論探索，以最概括的方式把各種無聯(lián)系的物理現(xiàn)象，用經(jīng)濟(jì)而又精確的數(shù)學(xué)語言表達(dá)為各種物理學(xué)原理或定律”。
但即使這樣的理由成立，恐怕也只是關(guān)于物理學(xué)難學(xué)的答案的一部分而已。其實(shí)，更重要的是，我們今天在基礎(chǔ)教育階段所學(xué)的物理，實(shí)際上是源于在16-17世紀(jì)歐洲科學(xué)革命誕生的現(xiàn)代物理（這樣的說法包括了從牛頓的“經(jīng)典物理”到20世紀(jì)的量子力學(xué)和相對(duì)論），其特有的思維方式，與人們?cè)谌粘Ｉ钪兴?xí)慣了的生活經(jīng)驗(yàn)有著相當(dāng)?shù)牟灰恢轮?。因?yàn)橥瑯釉谠凇逗?jiǎn)明不列顛百科全書》中的“物理學(xué)”條目中，還提到：“無論所采用的方法在細(xì)節(jié)上有什么不同，物理學(xué)家總是試圖用逐次逼近法把沒有解決的問題變得易于處理：先研究簡(jiǎn)化的即理想化的情況以確定其主要效應(yīng)，然后再深入具體事物的細(xì)節(jié)?！?/p>
這里的關(guān)鍵在于“理想化”，也即與古代人們對(duì)物理現(xiàn)象的研究和解釋有所不同，在現(xiàn)代物理中，這樣的理想化經(jīng)常表現(xiàn)為理想模型，而理想模型則作為聯(lián)結(jié)物理學(xué)理論與經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的中介。也就是說，在今天的基礎(chǔ)教育中的物理教學(xué)所涉及的主要內(nèi)容，基本上是理想模型性質(zhì)的。正是這種理想模型與現(xiàn)實(shí)原型的差異，成為學(xué)生們感覺在學(xué)習(xí)和理解物理學(xué)時(shí)會(huì)遇到困難的重要原因。
但是，物理學(xué)在當(dāng)下的科學(xué)知識(shí)系統(tǒng)中，又具有著極其特殊的作用。它已經(jīng)成為諸多科學(xué)學(xué)科和技術(shù)的支撐性的基礎(chǔ)知識(shí)。正是在這種既不那么好學(xué)又極其重要的矛盾中，在物理學(xué)教育中最基本的手段——教材編寫上的創(chuàng)新，便尤其有意義。當(dāng)然，在已經(jīng)有了為數(shù)眾多的各種物理學(xué)教材和普及讀物的前提下，要做出明顯有意義、有價(jià)值，而且言之成理并更有利于學(xué)習(xí)者理解和掌握物理學(xué)的有新意的教材，并不是一件很容易的事情。
在最近出版的這本名為《六極物理》的普及性讀物中，作者正是抓住了最能反映物理學(xué)之理想化特征的極端條件作為切入點(diǎn)，從“極快、極大、極重、極小、極熱和極冷”這“六極”，將現(xiàn)有的物理學(xué)進(jìn)行“拆解”，按照將環(huán)境參數(shù)調(diào)到極限來讓物理學(xué)的現(xiàn)象變得更加明顯的思路，重新組織起對(duì)物理學(xué)知識(shí)的敘述。在極快篇中，講解在接近光速的高速下適用的狹義相對(duì)論；在極大篇中，講述大尺度的物理學(xué)和宇宙學(xué)知識(shí)；在極重篇中，講述愛因斯坦的廣義相對(duì)論；在極小篇中，介紹原子層次的微觀世界；在極熱篇中，講解在極高溫度下的物理現(xiàn)象及其重要性；在極冷篇中，講解在接近絕對(duì)零度條件下迷人的物理現(xiàn)象，例如超導(dǎo)體。
在對(duì)知識(shí)的講解中，歷來有按照歷史的發(fā)展邏輯和事后重新構(gòu)建的邏輯來敘述的不同方式，每種方式也都有各自的優(yōu)點(diǎn)和劣勢(shì)。而在事后重新構(gòu)建的敘述邏輯也不只一種，同樣每種也都有其自身的優(yōu)勢(shì)。像作者這種從極端條件作為敘述分類的作法，優(yōu)點(diǎn)更在于可以更直接地提示讀者理解物理學(xué)思維的特殊性，即對(duì)那種理想化的極端情形的思考，進(jìn)而再推論到更一般的情況，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)中對(duì)科學(xué)之本質(zhì)（實(shí)質(zhì)上是現(xiàn)代科學(xué)之本質(zhì)）的理解，尤其有意義。
當(dāng)然，作者也并非陷在極端中“不食人間煙火”，而只是把這種極端作為框架的分類，在具體的解說中，也還會(huì)常?；氐饺碎g現(xiàn)實(shí)條件下的實(shí)際問題。不過，在這樣的框架下“回到人間”，對(duì)讀者的理解而言，很可能就已經(jīng)消除了一部分“困難”。