張朝陽與David Tong談物理學習：科學教育必須注入嚴謹的數學思維 | 速途網

速途網7月18日消息（報道：李楠）近日，搜狐創始人、董事局主席兼首席執行官、物理學博士張朝陽與劍橋大學教授、英國皇家科學院院士湯大衛（David Tong）展開了一場物理對話。從牛頓力學的百年秘辛到量子場論的前沿探索，從飛機飛行原理的認知顛覆到黑洞合并的宇宙謎題，二人拆解硬核物理知識，并分享了物理學發展中的理論突破與有趣故事。

這場近三小時的對話內容橫跨經典力學、電磁學、相對論、量子力學等領域，既揭秘了物理大廈的根基，也展望了前沿研究的突破。二人一致認為基礎科學的傳播非常重要。張朝陽表示，互聯網時代對任何領域的人而言都是進行知識傳播的絕佳機會，并建議物理學家利用互聯網作為公共教育工具，讓大眾參與討論與交流。

談經典物理：從牛頓力學到流體力學的認知轉變

經典物理是人類理性認識自然的第一次系統性突破與技術革命的基石。兩人對話從經典物理切入，湯大衛教授提到，他在劍橋的辦公室就能夠看到牛頓當年工作的辦公室，“而牛頓的家門口，那棵400年的蘋果樹還在結果”。更鮮為人知的是，在這個小屋里，牛頓差點錯失了經典力學創立者的身份。

17世紀，在倫敦一所咖啡廳里，胡克（Hooke）、雷恩（Wren）和哈雷（Halley）三位天才已經得到了引力的平方反比律（1/r2），卻始終無法解釋行星軌道為何是橢圓的。彼時，牛頓早已完成運動定律與萬有引力定律的推導，卻決定將成果塵封，二十年未對外透露，直到哈雷登門拜訪，橢圓軌道與引力定律的證明才得以面世，帶來了物理學史上首次理論統一。“牛頓第二定理是關鍵”，張朝陽補充，牛頓定律不僅整合了開普勒定律，更通過方程兩邊質量相消揭示了引力的普適性。

流體力學揭示了飛機起飛的奧秘，這已是當今的常識。然而1903年萊特兄弟試飛成功前，“納維-斯托克斯方程曾讓我們誤以為飛機不能飛。”湯大衛教授解釋，忽略方程中的粘性項后，理論上飛機既無升力也無阻力，完全無法解釋萊特兄弟的成功。直到1905年，普朗特終于發現關鍵。那個看似微小的粘性項其實并不可忽略，它會導致機翼附近存在微小的邊界層，其內湍流和梯度效應的疊加讓升力成為可能。

“很多人認為飛機升力來自機翼形狀，其實粘性項才是核心。”張朝陽這一總結令湯大衛教授深表認同，他強調這是流體力學的迷人之處。他進一步提出，除了流水和空氣，“夸克-膠子等離子體的運動居然也能用流體力學來描述，這方程簡直是宇宙的通用語言。”他直言，英國物理系普遍忽視流體力學教學，這是巨大的遺憾，它應該和量子力學一樣重要。

談場論革命：從經典電磁場到量子場的重大突破

電磁學的發展堪稱理論突破的典范。14歲輟學的裝訂工法拉第首次提出“場”的概念，他沒有接受過基礎教育，卻率先用力線描述了電磁場。而后麥克斯韋在整合電磁場方程時意識到，“光就從里面跑出來了”。光速恒定的預言直接挑戰了伽利略相對論，為愛因斯坦提出相對論鋪平了道路。

湯大衛談到，“麥克斯韋方程組歷經百年未變，至今仍是電磁學的基石，這種理論的穩定性太罕見了。”他補充，麥克斯韋方程組的4條方程，加上1條洛倫茲力的方程，就能夠描述電磁場和電荷之間所有的相互作用，相對論進一步闡述洛倫茲力中電荷乘電場的一項，與速度叉乘磁場的一項是可以相互轉換的。

量子力學的建立則是物理學史上另一場顛覆性革命。1925年，海森堡在花粉熱隔離期間開創了量子力學框架。當時他還不懂矩陣的運算，就寫出了矩陣力學，這在后來成為量子力學的主流表述形式之一。湯大衛教授說道，今年7月29日是海森堡發表論文的百年紀念日，雖然后面還有薛定諤的波動力學，但海森堡的這篇論文更具有奠基意義。張朝陽也認為，“量子力學的精髓正是離散性，也就是束縛態的分立能級，而不在于那些出圈的詞匯，比如‘薛定諤的貓’”。

與此同時，量子場論的發展歷程也令人驚嘆。湯大衛教授介紹，該領域曾面臨兩大難題：其一，如何處理場之間存在的無窮大相互作用。這一困境曾讓玻爾設想推翻能量守恒定律，海森堡也考慮過打破空間連續性，直到二戰后，新一代理論學家通過扎實工作才逐步攻克這一難關；其二是繆子的反常磁矩問題，而就在去年，這一謎題也取得重大進展。科學家借助大型計算機進行格點量子色動力學（QCD）計算，得出的結果與實驗值在小數點后第9位仍能完美吻合。

談宇宙之謎：從黑洞密碼到地外生命的存在性

當聊到廣義相對論時，湯大衛教授表示，任一個時空點的小鄰域上都可以近似為平直時空。針對這一點，張朝陽做了補充，這些小鄰域也能近似為勻加速時空。兩人的觀點都源自等效原理，不過湯大衛教授強調，廣義相對論創新之處在于，兩個相鄰的朋友可能會感受到不同的加速度，這意味著我們無法通過全局的調整將引力變成加速度。

2015年引力波的發現，被湯大衛教授視作本世紀迄今為止最偉大的科學突破。他解釋道，首次探測到的引力波源于兩個約30倍太陽質量黑洞的合并。他指出，黑洞需繞行數十億年、靠引力波消耗能量才可合并，該過程雖能解釋部分黑洞成因，但若發現數百倍太陽質量的黑洞則遠超當前宇宙年齡下的合并能力極限，預示新物理規律的存在。而若發現遠小于太陽質量的黑洞，則必源于宇宙大爆炸而非恒星坍縮。

地外行星上存在生命嗎？關于此問題的爭議同樣引人深思。湯大衛教授談到，多數物理學家從概率角度認為，宇宙中應當存在外星生命，畢竟銀河系有百億顆恒星，全宇宙有千億個星系，且類太陽系的結構普遍存在。但生物學家往往持反對意見，他們認為生命形成需要一連串極低概率的巧合事件。

張朝陽補充，計算生命存在的概率時，需假定宇宙在大尺度上是均勻的，就像“流體”般連貫。地球存在生命，意味著其他星球也可能有生命，但這種均勻性只體現在百萬光年的尺度上，因此外星生命與我們的距離必然極其遙遠。二人一致認為，外星人或UFO抵達地球的可能性微乎其微，時空尺度的限制讓這種星際造訪幾乎不可能實現。

談科學推廣：科學教育必須注入嚴謹的數學思維

基礎科學推廣的意義是什么？做科普的動機是什么？湯大衛教授的講義因清晰易懂在個人網站上收獲百萬點擊量，對此他笑稱自己沒特意運營，“我整理講義20年，只是想讓學生有更多免費資源，沒想到成了科普內容。”但他強調，分享講義與教學物理存在本質區別，科普比教學更具挑戰性，因為科普必須使用比喻，有的比喻很準確，有的不盡如人意，而物理是數學的語言。

同時，湯大衛教授還以霍金為例進一步闡述，物理需要用硬核方程式解釋。他指出，“霍金在《時間簡史》里放了一個公式E=MC2，有人警告這會讓銷量減半，但他堅持了，結果成了暢銷書。”

“科普不必回避公式和深度。” 張朝陽的觀點直指核心，他主張科學的本質是數學與計算的結合，而非 “薛定諤的貓” 式的玄學解讀，科學教育必須注入嚴謹的數學思維。這一理念也在他的實踐中得到了充分體現：近四年來，《張朝陽的物理課》始終以硬核推導為特色，用數理公式研算萬物規律，不僅成為火爆全網獨樹一幟的知識 IP，也讓大眾了解到物理學習和研究的意義與價值。

在社交媒體時代，硬核科普的可能性被進一步放大。張朝陽認為，未來物理學家們或許會選擇在個人社交平臺發布自己的研究成果，利用互聯網作為公共教育工具，讓大眾參與討論與交流，“互聯網讓知識傳播更平等，建議年輕人更多參與社交，成為關鍵意見領袖。”