撰文│ 朱邦芬(中國科學院院士、清華大學物理系教授)
我很幸運曾經跟國家最高科學技術獎獲得者黃昆先生在同一個辦公室一起工作了15年,又有機會跟很多中國物理學大師,像楊振寧先生、彭桓武先生、周光召先生、王明貞先生、黃祖洽先生等(圖1),有比較多的個人接觸,有的還可以隨意交談。
王明貞先生是清華大學第一位女教授,是我國最有成就的一位統計物理學家之一,2010年104歲時去世;彭桓武先生是“兩彈一星”元勳,1935年清華本科畢業;楊振寧先生是諾貝爾物理獎獲得者,許多物理學家認為,楊—米爾斯非阿貝爾規範場理論足以讓楊先生再次獲得諾貝爾獎;黃昆先生與楊振寧先生1942—1945年在西南聯大讀研究生時是同學,是享譽國際的凝聚態物理學家,國家最高科技獎獲得者;黃祖洽先生1944年考入西南聯大物理系,1950年從清華大學碩士畢業,許多人認為他是沒有兩彈元勳稱號的兩彈元勳;周光召先生1951年畢業於清華物理系,也是“兩彈一星”元勳。
這幾位先生都是清華校友,他們都取得了非常大的學術成就。不過我覺得他們最值得稱道的,首先還是為人,他們都是有道德的人;其次才是做事;第三是做學問。這符合中國文化傳統中“立德、立功、立言”的順序,首先是人格的崇高,然後是認真做事並帶來學術上的成功。
我與這些大師們有著較多的交往經歷,希望從一個晚輩和大學教師的視角,與大家共享我對這幾位物理學大師為人為學的一些觀察和感悟,探尋他們是怎樣做人、做學問,怎樣成為大師的。希望對同學們有所啟示。
良好的環境對這些大師的成長有著極其重要的作用。這些年來我們一直持有這樣一個觀點:一流創新人才主要不是課堂教出來的,而是在良好的環境中自己“冒”出來的,社會和學校要創造利於傑出人才容易脫穎而出的好環境。這也是我們“清華學堂”物理班的一個基本出發點。那麼,好的環境到底包括哪些因素呢?
首先,家庭環境很重要。“圖靈獎”獲得者約翰·霍普克羅夫特曾說過,應該從5歲左右就開始發展孩子們的創造力。怎麼發展呢?並不是像中國通行的做法那樣,背英文,背唐詩,學各種各樣的東西。對兒童來說,最重要的早期教育,就是要有一個能夠讓他們感到安全,感到被愛,引導他們探索世界的穩定的成長環境。
將來我們在座的同學如果為人父母,要允許孩子們動手動腦去探究一些事物,即使把家裡一些東西拆了裝不起來也別責怪,而且要讓他們感受到父母對他們探索未知世界的鼓勵。
我在文中提及的幾位大師,恰好都有較好的家庭環境,不僅家庭和睦,而且大多出自書香門第,兄弟姐妹也多有自己的專長。例如王明貞,她的家族就是當時中國非常難得的科技世家。
她的祖母創辦了著名的蘇州振華女校,楊絳、費孝通等一大批人都是振華女校的校友。父親王季同是清末民初著名數學家、電機學家,是我國第一個在國際數學刊物上發表學術論文的學者。伯父王季烈翻譯出版了中國第一本以物理學命名、具有大學水平的教科書,編著了中國第一本中學物理課本,還主持編印了我國第一本物理學名詞彙編——《物理學語彙》,為近代物理在中國的傳播做出了重要貢獻。
哥哥王守競畢業於清華學校,在哥倫比亞大學念博士時在量子力學方面做出了非常出色的研究工作,是中國第一位在世界上享有聲譽的理論物理學家。王守競回國後先後擔任浙大和北大的物理系主任,“抗戰”前夕,為強國,受命籌建昆明的中央機器廠,該廠後來成為中國機械工業發展的一支骨幹力量。
姐姐王淑貞是上海婦產醫院創始人,在婦產醫學界與林巧稚齊名,有“南王北林”之稱。王明貞的兩個弟弟王守武、王守覺都曾在中國科學院半導體研究所工作過,都是中科院院士,我也很熟悉。
她的家族中和她一起成長的還有表妹何怡貞和何澤慧,“中國居里夫人”何澤慧的丈夫是錢三強,何怡貞也是物理學博士,她的丈夫葛庭燧院士也是清華物理系畢業的,內耗測量裝置“葛氏擺”就是以他名字來命名的。王明貞的妹夫陸學善是中國科學院物理研究所初建時的代所長。
這一大家子都是非常成功的科學家。我想,從小生活在這樣一個大家庭裡面,兄弟姐妹都喜愛、鑽研科學,對王明貞的成長確實起了很重要的促進作用。
誠然,我們絕大多數人沒有這樣的家庭條件,這也不是必須具備的,好的學校環境可以起到更為重要的作用。
好的學校環境應該包括哪些要素呢?我以為,一是匯聚一批出類拔萃的優秀學生;二是學校裡有著追求真理、獻身科學的良好學術氛圍;三是有一批好的老師,而且這些老師願意把自己的精力花在培養人才上,開展個性化教育,最好是一對一的培養;第四是給予學生比較寬鬆的自主學習的空間,這方面是我們原來的教育中比較欠缺的——“規定動作”太多,“自選動作”太少。
還有兩點是,學校要有國際化的視野,以及相對較好的學生學習研究與教師教學研究的軟體和硬體條件。在安定的大環境下,如果這幾個條件都能實現,我們有這麼多聰明的優秀學生,我想在他們中間會有比較高的機率走出大師。結合我所熟悉的這些中國物理學大師的成才之道,我來具體談談組成良好學校環境中最重要的前4個要素。
01 優秀學生薈萃
首先,一批出類拔萃的學生薈萃一堂,是優良學校環境的重要基礎。一流學校往往集中了同齡人中一些最優秀的人,優秀學生之間的互相激勵,使他們產生了終身受益的智慧、理想、學風、品味和人格。
楊振寧先生曾說,根據他讀書和教書得到的經驗,與同學討論是深入學習的極好機會。多半同學認為,從討論中得到的收穫比從老師那裡學到的知識還要多,因為與同學辯論可以不斷追問,促使你進行深入的思考。此外,同學之間的交流一般遠比師生間的交流要多。我想這大概是優秀人才為什麼會在某個學校、某個年級、甚至某個寢室“扎堆”產生的一個原因。
成立於1938年的紐約布朗克斯科學高中,曾經培養出7位諾貝爾物理學獎獲得者和1位諾貝爾化學獎獲得者。這所高中的創辦校長相信,如果一所學校能夠彙集一批非常優秀的學生,他們之間會逐漸形成一種很難清晰界定卻非常有價值的互相學習的過程。布朗克斯科學高中的辦學成就,似乎驗證了這位創校校長的理念。
根據這些諾貝爾物理學獎獲得者的回憶,這所高中的物理課上得並不算好,他們對物理的興趣主要受到同學激發,而他們的物理知識主要是在課堂外學的。2005年諾貝爾物理學獎得主格勞伯是布朗克斯科學高中第一屆學生。他回憶自己入學時,科學家早已發現了原子,也建立了量子力學,可是當年他高中上的物理課根本沒有提及原子。在1972年諾貝爾物理學獎獲得者庫珀的記憶中,自己的高中物理課很乏味。
1979年諾貝爾物理學獎獲得者溫伯格和格拉肖是這所中學的同班同學,他們說自己上中學時最有意思的事就是一批同學組成的科幻小說俱樂部,大家到處找科幻小說來讀,讀完之後再一起討論。1988年諾貝爾物理學獎獲得者施瓦茨回憶說,他對物理的興趣完全是被同學之間令人興奮的討論激發起來的。這些回憶說明瞭優秀學生之間的相互作用對學生成長的重要性。
再來看看老清華物理系的例子。彭桓武先生1935年從清華物理系畢業,同班同學有錢偉長、王遵明、熊大縝等,高一屆或兩屆的學長有趙九章、王竹溪、張宗燧、翁文波等,低一至二屆的學弟學妹有錢三強、何澤慧、于光遠、王大珩、葛庭燧、秦馨菱、林家翹、戴振鐸等。一句話,彭先生前後幾屆同學的名單列出來就是一個“群英會”。在一流大學求學,一個得天獨厚的條件就是同學總體來說非常優秀,同學之間的相互作用,為將來的成才打下基礎。
楊振寧先生和張守廉、黃昆是西南聯大研究生同學,由於三人都是學習尖子,又幾乎形影不離,是聯大十分著名的“三劍客”。曾經有一段時間,他們三人分享昆華中學的一個代課老師的職位,合住一間宿舍,每天一起上課,課後一起泡茶館,切磋學問,還談天說地,議論天下一切事情,晚上躺在宿舍裡他們還在繼續討論和辯論。正如黃昆後來回顧,認識楊振寧和張守廉是對他一生最有影響的事;而楊振寧則認為,西南聯大期間培養了他在物理學裡的愛憎。
02 優良的學風
良好學校環境的第二個要素是優良學風。1991年,美國密歇根大學授予吳大猷先生榮譽科學博士學位,密歇根大學物理系和楊振寧、李政道等人在授學位儀式的前一天,安排了一個“吳大猷研討會”(The Ta-You Wu Symposium)。黃昆接受邀請做了一個學術報告。在報告最後,他展示了一張畫(圖2),重現了他跟隨吳大猷先生念研究生時的情景。
當時為了躲避日軍對昆明的狂轟濫炸,聯大大部分教師分散住在昆明市郊,吳大猷和夫人在離昆明市5公里的崗頭村租了一處農舍,共有五間小平房,茅草頂泥巴地。圖的上方是這五間茅屋的區域性放大圖,圖左上角還有一頭豬。黃昆在西南聯大幫吳大猷養豬,是當時流傳很廣的一個故事。
圖2 描述西南聯大時期黃昆在他的老師吳大猷先生“家”中研究和學習情景的圖片
為什麼黃昆會去養豬呢?當時吳大猷的夫人患有肺結核,為了養病,幾乎變賣了所有值點錢的東西。為了稍稍改善一下生活,1943年春,吳大猷餵養了兩頭小豬。可是有一次他坐馬車去上課,被受驚的馬顛成腦震盪,自己也不得不住醫院了,只好請黃昆幫忙看家養豬。
昆明這個地方養豬是放養,白天放出去,晚上趕回豬圈。豬長時間在野外找東西吃,隨著長大,越來越像野豬了。每天晚上黃昆將它趕進豬舍,都是一場“戰鬥”。無奈之下,黃昆寫信給吳大猷暗示自己不想養了,吳大猷也只得回信叫黃昆找老鄉把豬賣了。幾十年後吳大猷在回憶錄中說,他始終沒有想清楚自己養豬“到底是賺,還是蝕?”但是,就是在這樣艱苦的環境中,聯大師生還保持著很好的學風。
這張圖中,吳大猷住的茅屋門上寫著“拉曼實驗室”,這裡有他設法搭建的一套土製的拉曼光譜儀。第一間小屋裡畫了一個學生坐著在讀書,那是黃昆,正在讀吳先生要他精讀的康登和肖特萊合著的經典著作——《原子光譜理論》。
吳先生在這間草屋中撰寫了《多原子分子之結構及其振動光譜》一書,成為該領域以後多年在國際上採用的標準專著。他指導黃昆碩士畢業,黃昆實際上已經達到博士後研究人員的水平。西南聯大在戰火紛飛的環境中之所以能培養出那麼多優秀人才,良好的學風是一個關鍵因素。
03 良師的教導和思維風格的影響
良好學校環境的第三個要素就是有一批好的老師,而且這些良師願意花時間和心血於培養人才,並進行個性化教育。
1944年諾貝爾物理學獎獲得者拉比培養了一大批傑出的物理學家。他有一句名言:“我們那代人出國,主要是去德國(因為20世紀20年代德國的物理研究世界領先),在那裡學到的不僅是學科,還有品味、風格、品質和傳統。就像我們聽歌劇,不但聽歌詞,更要欣賞音樂。”
我們來看看這幾位中國物理學大師的師承關係。彭桓武本科和研究生的導師是周培源,博士導師是諾貝爾物理學獎獲得者玻恩;王明貞讀博士時的導師是烏倫貝克,他是最早提出電子自旋的一位科學家;黃昆碩士導師是吳大猷,博士導師是諾貝爾物理學獎獲得者莫特,博士及博士後期間又和玻恩合作撰寫《晶格動力學理論》;楊振寧跟吳大猷做學士論文,跟王竹溪攻讀碩士,博士導師則是泰勒和費米;黃祖洽跟彭桓武和錢三強念研究生,周光召也是彭桓武的學生。
學生從導師那裡獲得的東西中,不僅僅是知識或技能,最重要的是“思維風格”。
黃昆曾對我說,他沒有和他的博士導師莫特合作寫過論文,但莫特對他研究方向的選定,尤其對他的學術風格的形成起了決定性的作用。莫特對許多物理問題,有很深的洞察力,極善於透過錯綜複雜的表面現象而把握本質。儘管他有深厚的數學理論修養,但他善於抓住問題的物理實質,傾向於提出形象的簡單的物理模型,以最簡單的數學方法解決問題,而不主張藉助繁雜的數學推導。莫特的這種風格,使黃昆避免在數學公式裡繞圈子的彎路,並且懂得重視實驗和理論的聯絡。
莫特曾寫過幾本不同領域的專著,黃昆正是出於對莫特淵博知識的仰慕,選擇跟他做研究。然而到了英國不久,黃昆就發現,莫特並不崇尚泛泛地博學多聞,而是致力於解決他所感興趣的具體科學問題。一段時間內他集中精力思考自己當前所研究的具體問題,只喜歡與人討論他自己正在研究的問題;當人們和他討論其他問題時,莫特往往幾句話就把你打發,或用打岔的辦法給敷衍過去。
他之所以擁有淵博的知識,是透過在不同時期關注並解決不同的問題,慢慢積累起來的。莫特一個時期專注於一個問題的治學風格對黃昆影響也很深:黃昆也只喜歡與人討論他自己正在研究的問題。我跟黃昆在一個辦公室時,經常有人來找他討論各種物理問題,只要聽到他說自己“不懂”時,我就知道他不願意再討論這個問題,寥寥數語就結束了。但是如果真正討論到一個他有興趣、並且正在研究的問題,他可以跟你“沒完沒了”。
和黃先生在同一個辦公室15年,我們每天都要討論很多問題,經常互相辯論和抓住對方漏洞來反駁。我們曾經自嘲說,我們有點像金庸小說《笑傲江湖》裡的“桃谷六仙”。
莫特對黃昆的影響還可以從1947年黃昆給楊振寧的一封信中顯示。當時楊振寧在芝加哥大學讀博士,他選擇了幾個重要的理論難題開展研究,一開始都還沒有結果;做實驗也不順,實驗室流傳著“哪裡有爆炸,那裡就有楊振寧”。楊振寧於是給黃昆寫了一封信,訴說自己的“幻滅”(disillusion)感,因為原先對自己的學問很有信心,心氣也很高。黃昆在回信中用莫特作為例子鼓勵楊振寧。
他寫道,“我每看見莫特一個人所有的影響,就有感想。真是所謂‘萬人敵’的人,他由早到晚沒有一刻不是充分利用。作自己研究,幫助許多人作研究,組織各種不同和實驗室內實驗室外的專門討論,參加國家各種專門委員會,款待各種各式工業視察以捐錢,處理系內各事,還時時出國去演講……也就是像他這樣的少數幾個人就支住了整個英國的科學研究。”
黃昆還寫道,“如果把雄心放在超出個人之外的事業上,人格的力量立刻就增加,沒有幻滅只有新鮮的挑戰……比方說,成功地組織一個真正獨立的中國物理研究中心在你的重要性,應該比得一個諾貝爾獎還高。同時在這步驟中,致力於事業的心也一定要凌駕於實現自己地位之上。”
從這封信中,我們可以看到莫特實際上已成為黃昆的人生的楷模,同時也可看到黃昆和楊振寧同學之間的互相激勵和幫助,以及他們的人生理想。他們對於做人、做事和做學問的順序,是非常明確的。
04 學生擁有自主學習知識和創造知識的空間
一個有利於傑出人才成長的良好環境所需要的幾個要素中,我覺得,學生擁有自主學習知識和創造知識的空間,這一點相對而言是目前清華最欠缺的。
美國教育家杜威曾說過,“學習是基於有指導的發現而不是資訊的傳遞”。杜威這句話的意思是,學生學習過程不僅僅是掌握知識,還要在老師的指導下,能夠重現一些知識的發現過程,從而體會創造知識的過程、激情和樂趣。學生透過自主探究某些知識點,弄清楚當時那層“窗戶紙”到底是怎麼捅破的,這種發現的過程對創造性人才的培養是非常重要的。
如果缺乏這樣的過程,學生往往會單純地認為學習就是把教科書上的內容、老師講的知識變成自己的知識,而且認為這些上了書本的都是真理,都應該記住並且能照樣應用。學生可能學得很難、學得很深、很紮實;然而創造性可能有所欠缺。為了兼顧學習知識和創造知識兩個方面,像清華這樣的大學,勢必在必修知識的傳授上,要在重視質量的前提下減少一些內容,只授學生最基本和最核心的知識和能力,留下足夠的空間讓學生自主學習和探索。
在這方面,清華物理系首任系主任葉企孫先生的教育思想值得我們借鑑、繼承和發展。葉先生是現代中國科教興國的一位先驅者、中國現代科學技術的一位奠基人,是一位偉大的教育家。
李政道先生在一篇文章中這樣評價葉企孫:“他在1925年建立清華大學物理系,從一位副教授(即葉本人)、兩位助教開始,不到十年,清華大學物理系就名列全國前列。……在發展速度上,在辦系的成功上,我想,葉老師的創業成就是可以跟20世紀初的加州理工學院相媲美的。”
葉先生親自培養了中國一大批學術大師。1999年國家授予的23位“兩彈一星”元勳中,有14位畢業於清華,其中葉企孫親自教過10位(包括王淦昌、彭桓武、錢三強、王大珩、鄧稼先、朱光亞、周光召、趙九章、陳芳允等9 名清華物理系的畢業生,還有機械系畢業生王希季)。特別是王淦昌先生,他是清華物理系的第一屆學生,他幾乎所有的物理課都是葉企孫先生親自教授的。
葉企孫長期主管清華庚款留學基金,精心安排錢學森、龔祖同、趙九章、王大珩、馬大猷、馮德培等人選擇中國最需要的專業去留學。他的許多學生、學生的學生,都是中國現代科技各領域的開創者。葉先生是一位培養大師的大師,確實對中國的科學技術發展做出了不可磨滅的貢獻。
我們用葉企孫的三句話概括了葉企孫的教育思想——“只授學生以基本知識,理論與實驗並重,重質不重量”。當年的清華物理系之所以培養出一大批後來的大師級人物,我認為跟葉企孫所持的教學理念很有關係,當然也與時代有關。
在西南聯大時,李政道的“電磁學”課程是葉企孫教的。上課時葉先生髮現李政道邊聽課邊在看另一本內容更深一點的《電磁學》教材,就對李政道說,你可以不必來聽我的課,學你自己的東西,但是作業、實驗和考試必須要完成。
1993年,葉先生的侄子、中國科學院高能物理研究所葉銘漢院士在整理葉先生的遺物時,發現有三張泛黃的紙片,上面有葉先生批改的分數:“李政道:58+25=83”。這是葉企孫一直珍藏著的李政道1945年的電磁學考卷,儘管考卷用紙很差,是昆明的土紙(圖4)。
葉先生電磁學這門課的期末成績由兩部分合成,一是理論筆試,就是這份考卷,一共三道題,每題20分,李政道得了58分,基本滿分。第二部分是電磁學實驗,滿分是40分,他得了25分,相當於實驗剛及格。兩部分相加得83 分。當葉銘漢把這份半個世紀前的考卷給李政道看時,李先生“百感交集,葉企孫老師的慈愛師容,如在目前”。
後來李政道先生曾說過,葉先生的這門課對他一輩子影響很深,特別是讓他懂得了實驗的重要性。葉銘漢把李政道的這份考卷捐給了清華,現在清華校史館儲存。從這件事我們可以看到,葉先生一方面給優秀學生以較大的自主學習空間,另一方面又嚴格要求,並且十分重視實驗,當年培養出很多人才,並不是偶然的。
再舉一個周光召的例子。2009年,中國科學院理論物理研究所讓我寫一篇文章慶祝周光召80大壽,為此我請人專門到清華檔案館查了周光召1947—1951年度在清華物理系本科學習的成績單。從成績單上可以看到當年周光召上過的那些物理專業課。這些課程確實體現了葉企孫的教育思想——“只授學生以基本知識”。
周光召大學本科主要上的是普通物理和中級物理。本科階段沒有學我們現在物理系學生要上的四大力學:理論力學、量子力學、統計力學、電動力學;或者說他們只上了中級物理課程,學過力學、原子物理學、熱學和電磁學。“理論與實驗並重”這個特點十分鮮明。他們每學期都要做實驗,最多一年(四年級)上了四門實驗課。
“重質不重量”怎麼體現呢?周光召是出名的優秀學生,我原以為他的成績單一定會很漂亮,後來一看,平均學分績大致是80來分,有幾門課90多分,也有好幾門課只有70多分,完全出乎我的意料,這表明老師對學生的要求很嚴格。然而正是由於這種嚴格的教育,培養出了一批像周光召這樣出類拔萃的人才。
50年代中國決定造原子彈,剛開始蘇聯同意提供援助,當時有蘇聯專家來上課。但是蘇聯專家講原子彈教學模型的課,只有副部長或將軍以上級別的才有資格去聽,聽課現場懂專業的只有錢三強一個人。然而錢三強是在法國留學,俄語並不是很好,加上蘇聯專家講得很快,所以錢三強也只能大致先記下來,下課後再由其他人根據筆記整理成文。
1960年蘇聯專家撤走以後,中國決心自力更生造原子彈。為此首先要透徹理解並重復甦聯專家講的原子彈教學模型,也就是設法從理論上重複出這個教學模型所給出的全部結果。教學模型有個很重要的圖,圖上有一些標記,標出衝擊波在某個位置的壓力。許多人透過許多不同辦法計算,始終無法重複蘇聯專家講的一個關鍵資料。到底是專家標記錯了,還是我們沒有掌握方法呢?這成了當時研製原子彈的“攔路虎”。
為解決這個疑難,周光召利用葉企孫講過的熱力學課中一個叫“最大功原理”的基本原理,構造了一個簡化的理想模型,假定一個理想的“原子彈”在衝擊波壓縮的過程中沒有任何耗散,按照熱力學第二定律,估算可能做的最大功。在彭桓武的支援下,周光召進行了最大功估算,證明了蘇聯專家那個教學模型的檔案中資料標記有誤,為自主研發原子彈掃除了一個障礙。從這個例子我們可以看到,葉企孫的教育思想確實對學生日後的成長非常有益。
我所認識的這些物理學大師,他們當年上課並不算多,也不算深,並非一個知識點都不能少。他們成才的一個關鍵在於,他們有很多時間自己學習、自己鑽研和互相討論,都有非常強的自學能力和學習的主動性。
他們中有的人受過比較系統的物理教育,但是周光召中學沒有學過物理。楊振寧中學時也沒學過物理,他起初考取的是西南聯大化學系,暑假自學物理覺得物理比化學更有意思,就轉到物理系去了。黃祖洽上中學時正值“抗戰”,流浪遷徙,教他的老師有些也不算出類拔萃。於是,他們一些中學同學就組織起來自己研讀物理、數學教材,掌握了以後再教別的同學。他們就是在這種同學自學、互教的過程中成長起來的。學習和鑽研的自主性在其中發揮了特別重要的作用。
黃祖洽回憶,當時清華和西南聯大的老師課堂上講的內容不算深也不算多,特別鼓勵一些好學生課餘自學。在上葉企孫的電磁學課時,課餘他研讀了葉先生推薦的兩本參考書,一本長於物理概念,一本長於數學推導;在葉先生的物性論課上,黃祖洽課餘紮紮實實地讀了玻爾茲曼的經典著作,對其輸運研究受益終生。
我們自己這些年在基礎科學班和清華學堂物理班實踐的一點體會是,一定要給學生學習和研究的自主空間。為此,不要過分強調知識傳授的全面和系統,與其把學生的學習時間、精力全佔滿了,不如留點空間讓學生自己去思考、去學習、去探索。
過去我們對優秀學生實行因材施教,通常是讓他們“學多一點,學深一點,學早一點”,如今我們的因材施教做法是,越是優秀學生,越要給他們留下較多的自主學習和自主研究的空間。例如,這些年,物理系基礎科學班1999級出了不少優秀人才,他們普通物理課只上了一年,光學等知識課上並沒有教,但是這些優秀學生,透過自學,很快就把這些知識都補上了。
本文選自《物理》2016年第10期