解密“物理大厦”根基张朝阳对话理论物理学家汤大卫

科学教育 2025年07月24日 01:45 2 aaron

　　近日，一场横跨经典与前沿的物理对话在搜狐创始人、物理学博士张朝阳与剑桥大学教授、英国皇家科学院院士汤大卫（David Tong）之间展开。这场近三小时的交流，带领大家穿越牛顿力学的历史长廊，深入量子场论的神秘世界，同时对飞机飞行原理、黑洞合并、地外生命等话题进行了探讨。

　　经典物理作为人类认识自然的重要基石，是本次对话的起点。汤大卫教授提到，他在剑桥的办公室能看到牛顿当年工作的地方，牛顿家门口那棵400年的苹果树仍在结果。鲜为人知的是，牛顿差点错过经典力学创立者的身份。17世纪，胡克、雷恩和哈雷在伦敦咖啡厅得出引力平方反比律，却无法解释行星椭圆轨道。而牛顿虽早已完成运动定律与万有引力定律推导，却将成果尘封20年，直到哈雷拜访，这些理论才得以公布，实现物理学首次理论统一。张朝阳指出，牛顿第二定理是关键，它整合开普勒定律，揭示引力普适性。

　　在流体力学方面，飞机起飞原理的讨论十分精彩。汤大卫教授称，1903年莱特兄弟试飞成功前，纳维-斯托克斯方程曾让人们误以为飞机无法飞行，因为忽略粘性项后，理论上飞机无升力和阻力。1905年普朗特发现粘性项不可忽略，其产生的边界层内湍流和梯度效应叠加，使升力成为可能。张朝阳总结，很多人认为飞机升力源于机翼形状，实则粘性项才是核心，汤大卫教授对此深表赞同，并提出夸克-胶子等离子体运动也可用流体力学描述，强调流体力学应与量子力学同样重要。

　　电磁学发展堪称理论突破典范。14岁辍学的法拉第提出“场”概念，用力线描述电磁场，之后麦克斯韦整合方程，预言光速恒定，挑战伽利略相对论，为爱因斯坦相对论奠基。汤大卫教授表示，麦克斯韦方程组历经百年未变，仍是电磁学基石，4条方程加上洛伦兹力方程，可描述电磁场与电荷相互作用，相对论进一步阐述了洛伦兹力中电场与磁场项的转换关系。

　　量子力学的诞生同样具有颠覆性。1925年海森堡在花粉热隔离期间开创量子力学框架，当时他不懂矩阵运算却写出矩阵力学，成为量子力学主流表述之一。今年7月29日是海森堡发表论文百年纪念日，汤大卫教授认为其论文更具奠基意义。张朝阳也指出，量子力学精髓是离散性，即束缚态的分立能级，而非一些出圈词汇。

　　量子场论发展历程同样艰难。汤大卫教授介绍，该领域曾面临两大难题：一是处理场间无穷大相互作用，这一困境曾让玻尔想推翻能量守恒定律，海森堡考虑打破空间连续性，直到二战后才被新一代理论学家攻克；二是缪子的反常磁矩问题，去年科学家借助大型计算机进行格点量子色动力学计算，结果与实验值在小数点后第9位仍完美吻合。

　　谈及广义相对论，汤大卫教授认为任一时空点小邻域可近似为平直时空，张朝阳补充可近似为匀加速时空，二者观点均源于等效原理。汤大卫教授强调，广义相对论创新之处在于相邻点加速度可能不同，无法全局调整将引力变为加速度。

　　2015年引力波的发现被汤大卫教授视为本世纪最伟大科学突破之一，首次探测到的引力波源于两个约30倍太阳质量黑洞的合并。他指出，黑洞合并需数十亿年，靠引力波消耗能量，该过程可解释部分黑洞成因，但发现数百倍太阳质量黑洞或远小于太阳质量黑洞，将预示新物理规律。

　　关于地外生命是否存在，汤大卫教授称多数物理学家从概率角度认为宇宙中应有外星生命，因为银河系有百亿颗恒星，全宇宙有千亿个星系，类太阳系结构普遍存在；而生物学家则认为生命形成需一连串低概率巧合事件，持反对意见。张朝阳补充，计算生命存在概率需假定宇宙大尺度均匀，像“流体”一样连贯，地球有生命意味着其他星球可能也有，但这种均匀性只在百万光年尺度体现，所以外星生命与我们距离遥远，二人一致认为外星人或UFO抵达地球可能性微乎其微。

　　基础科学推广的意义是什么？做科普的动机是什么？汤大卫教授的讲义因清晰易懂在个人网站上收获百万点击量，对此他笑称自己没特意运营，“我整理讲义20年，只是想让学生有更多免费资源，没想到成了科普内容。”但他强调，分享讲义与教学物理存在本质区别，科普比教学更具挑战性，因为科普必须使用比喻，有的比喻很准确，有的不尽如人意，而物理是数学的语言。

　　同时，汤大卫还以霍金为例进一步阐述，物理需要用硬核方程式解释。他指出，“霍金在《时间简史》里放了一个公式E=MC²，有人警告这会让销量减半，但他坚持了，结果成了畅销书。”

　　“科普不必回避公式和深度。”张朝阳的观点直指核心，他主张科学的本质是数学与计算的结合，而非“薛定谔的猫”式的玄学解读，科学教育必须注入严谨的数学思维。（主办方供图）

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