费曼谈物理教学

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费曼谈物理教学

    你们可能会问,在讲授欧几里德几何时先是陈述公理,然后作出各种各样的推论,那为什么在讲授物理学时不能先直截了当地列出基本定律,然后再就一切可能的情况说明定律的应用呢?(这样一来,如果你不满足于要花四年时间来学习物理,那你是否打算在4分钟内学完它?)
    我们不能这样做是由于两个理由。第一,我们还不知道所有的基本定律:未知领域的边界在不断地扩展。第二,正确地叙述物理定律要涉及到一些非常陌生的概念,而叙述这些概念又要用到高等数学。因此,即使为了知道词的含义,也需要大量的预备性的训练。的确,那样做是行不通的,我们只能一步一步地来。
    大自然整体的每一部分始终只不过是对于整个真理——或者说,对于我们至今所了解的整个真理——的逼近。实际上,人们知道的每件事都只是某种近似,因为我们懂得,到目前为止,我们确实还不知道所有的定律。因此,我们之所以需要学习一些东西,正是为了要抛弃以前的谬见,或者更可能的是为了改正以前的谬见。
    科学的原则——或者简直可称为科学的定义为:实验是一切知识的试金石。实验是科学“真理”的唯一鉴定者。但是什么是知识的源泉呢?那些要检验的定律又是从何而来的呢?从某种意义上说,实验为我们提供了种种线索,因此可以说是实验本身促成了这些定律的产生。
    但是,要从这些线索中作出重大的判断,还需要有丰富的想象力去对蕴藏在所有这些线索后面的令人惊讶、简单、而又非常奇特的图象进行猜测,然后,再用实验来验证我们的猜测究竟对不对。这个想象过程是很艰难的,因此在物理学中有所分工,理论物理学家进行想象、推演和猜测新的定律,但并不做实验;而实验物理学家则进行实验、想象、推演和猜测。
    我们说过,自然的定律是近似的:起先我们找到的是“错”的定律,然后才发现“对”的定律。那么一个实验怎么可能是“错误”的呢?首先通常是:仪器上有些毛病,而你又没有注意,但是这种问题是容易确定的,你可以反复检查。如果不去纠缠在这种次要的问题上,那么实验的结果怎么可能是错误的呢?这只可能是由于不够精确罢了。
    例如,一个物体的质量似乎是从来不变的:转动的陀螺与静止的陀螺一样重。结果就发现了一条“定律”:质量是个常数,与速率无关。然而现在发现这条“定律”却是不正确的。质量实际上随着速度的加大而增加,但是要速度接近于光速才会显着增加。
    正确的定律是:如果一个物体的速率小于100海里/秒,那么它的质量的变化不超过百万分之一。在这种近似形式下,这就是一条正确的定律。因此,人们可能认为新的定律实际上并没有什么有意义的差别。当然,这可以说对,也可以说不对。对于一般的速率我们当然可以忘掉它,而用简单的质量守恒定律作为一种很好的近似。但是对于高速情况这就不正确了:速率越高,就越不正确。
    最后,最有趣的是,就哲学上而言,使用近似的定律是完全错误的。纵然质量的变化只是一点点,我们的整个世界图景也得改变。这是有关在定律后面的哲学或基本观念的一件十分特殊的事,即使是极小的效应有时在我们的观念上也要引起深刻的变化。
    那么,我们应该首先教什么呢?是否应先教那些正确的、陌生的定律以及有关的奇特而困难的观念,例如相对论、四维时空等等之类?还是应先教简单的“质量守恒”定律,即那条虽然只是近似的,但并不包含那种困难的观念的定律?
    前一条定律比较引人入胜,比较奇特和比较有趣,但是后一条定律在开始时比较容易掌握,它是真正理解前一种观念的第一步。这个问题在物理教学中会一再出现,在不同的时候,我们将要用不同的方式去解决它。但是在每个阶段都值得去弄明白:我们现在所知道的是什么,它的正确性如何,它怎样适应其他各种事情,以及当我们进一步学习后它会有怎样的变化。
    让我们按照我们所理解的当代科学(特别是物理学,但是也包括周围有关的其他科学)的轮廓继续讲下去,这样,当我们以后专门注意某些特殊问题时,就会对于背景情况有所了解——为什么这些特殊问题是有趣的,它们又是怎样适应整体结构的。