——2006年美国全国物理教师协会“密立根奖”
阿特·霍布森(Art Hobson)（阿肯色大学物理系美国)
受奖演讲原文《Millikan Award Lecture,2006:Physics For All》发表在2006年的《美国物理杂志》(Am.J.Phys.74,1048)上.感谢霍布森教授惠赠手稿并授权翻译成中文.
4“现代”物理
当我写到现代物理时，经常在“现代”上加引号.从这个世纪初开始，这就是个对物理学来说令人困惑的称呼.也许它现在仍然有用，但20世纪和21世纪的物理学被一线的物理学家简单地称为“物理”，而不是“现代物理”.
我非常惊讶地发现，虽然相对论和量子物理成为我们了解宇宙的基本原理已经超过了一个世纪，但多数物理学入门课程仍然排斥现代物理.因此，不仅多数文科生，就连多数理科学生都从来没有学过关于时间、空间、物质、放射、粒子、场、能量、因果律、定域性、宇宙的基本成分或宇宙起源、结构和发展的当代观点.
当然，不朽的经典定律，例如牛顿第一定律、守恒定律和热力学定律，应该包含在普通物理课程中.其他的主要经典定律，如牛顿第二、第三定律，和日常情形很接近，也应归入众多普通物理课程中，特别是那些适合实际应用的定律.但为什么过分地专注所有经典的东西而排斥现代和当代物理，特别在广泛的介绍性课程中更是如此？物理应是对真正的物理世界的研究.利用当前最好的知识所揭示的东西，难道不是我们应该教的吗？
我们不教对学生有如此鼓舞、而且通常被称为“好素材”的现代物理，这尤其可笑.像《优雅的宇宙》、《加速的宇宙》、《时间简史》和莉萨·兰德尔最近的新书《弯曲的旅行》等著作的流行，都证实现代物理对许多非科学专业人员来说也是极具魅力的.
即使这整个演说当中你都在打瞌睡，我希望你能仔细地听下一个由莉萨·兰德尔所做的演说.你将能获得一些她关于宇宙中隐藏维数的观点，带给你的理科和非理科学生.
有时候有人问我：在阿肯色大学给非理科生上课时（直到1999年退休），我如何把经典物理和现代物理中的重要问题都涵盖在一个学期的课程内.答案在1990年左右一个AAPT会议的名称中得到了很好的阐述：“给大象消肿.”通过减掉经典物理内容的“肥油”，使入门性物理课程和教科书“消肿”.难道在入门课程中学生真的需要了解几何光学、声学、直流交流电路的详细内容，而以损失广义相对论、量子纠缠和当代宇宙论的内容为代价吗？聚焦重要的定理而不是小细节，省却过多的数学，省却多余的习题.在一个学期的入门课程里，我至少将50%的时间投入在现代和当代物理中，没有人抱怨课上得太快，或抱怨课程“有一千米宽但只有一毫米深”.
学生需要知道狭义相对论.他们不应该错过像时间的相对性这样的奇迹，它暗示着通向未来的单向时间的流逝是可能的；也不应该错过质量和能量的等价性，这些被认为是爱因斯坦狭义相对论中最重要的推论.待会儿我会再回到这个话题.
学生需要了解一部分广义相对论的知识，作为理解当代物理学和天文学的巅峰成就——新宇宙学的基础.我们正生活在宇宙论的黄金时期.它的研究从1992年宇宙背景探测器（COBE）的使用开始.几千年以来，人类一直在问：宇宙从哪来？地球从哪来？宇宙由什么组成？宇宙的结构是什么？人类适合在哪生存？对于这些问题，如今我们前所未有地找到了有据可依的回答；而这些答案与物理学的关联不比其与天文学的关联少.我们又怎么能忽视由这一发现所引发的教学机会呢？学生应该分享这些发现带给我们的兴奋.我推荐由宇宙学家、物理学家约尔·普里马克和作家南茜·艾伦·艾布拉姆斯共同创作的《来自宇宙中心的观点：发现我们在宇宙中的奇特位置》，作为了解新宇宙学及其意义的入门读物.
学生需要知道量子物理的基本原理.量子物理是牛顿的力学世界和后牛顿的非力学世界的哲学划分的核心.现在，当科学如此影响我们的文明时，每个人都需要了解这个差异.所有的学生都需要了解量子物理革命性的结果，量子不确定性和非定域性.学生还需要至少学习量子场论的基本观点、大多数基本的和经过很好验证的物理理论，以及粒子和相互作用的标准模型.同时，在这个核能和核武器的时代，我们也不能忽视核物理（这是一个在多数入门课程中已经覆盖的主题）.
广义相对论、量子物理、量子场论和标准模型乍一听很难，是因为我们通常用抽象的、数学化的术语考虑它们.但如果你理解了这些观点，就可以用平常的语言来展现.虽然它们不是简单的观点，但是牛顿第二定律也不是一个简单观点，表述却通俗易懂.
下面是一个现代物理中“质量能量等价原理”的例子.我们使用“同侪教学( Peer Instruction )”的方法来学习这一理论.这是由物理教育家埃里克·马素推荐的，即使在大班教学中也能促进积极学习的教学方法.这里有一对磁铁，摆放在桌子上，并且相互吸引在一起［7］.现在我准备（用力）将它们拉开，然后把它们分开放回桌面.问题是：这两个磁铁组成的系统（包括它们的场）在哪种状态下具有更多的能量，分开以前还是分开以后？还是前后没有变化？请和你的邻座一起讨论，然后我们将进行表决.
好的！多少人认为这个系统在分开以前具有更多的能量？多少人认为是分开以后具有更多的能量？多少人认为分开前后没有变化？
很多人都没有举手.我要看到有90%的人举了手，才会下课.因此再和你的邻座讨论一下.我们再来试一次：多少人认为“分开之前能量大”？多少人认为“分开之后能量大”？多少人认为“没有变化”？
非常好！答案是“分开之后能量大”.因为我需要对磁铁做功才能使它们分开，而热力学第二定律告诉我们做功可以转化能量.下一个问题是：这个磁铁系统在哪种状态下具有更多的质量？是分开前还是分开后？还是没有变化？请和你的邻座讨论一下，然后我们再来表决.很正确！答案是“分开以后”.因为爱因斯坦说能量总是具有质量，同时质量总是具有能量.这就是E=mc2的思想.和物理中所有的公式一样，E=mc2首先是一个、也是最重要的一个可以用语言来表达的思想［8］.接下来我们思考下面的问题：这个系统分开以后，增加的质量在哪里？分布在哪里？它存在于磁铁之间所谓“空”的空间中，在电磁场中.“空”的空间也具有质量！E=mc2是简单的，同时也是令人惊讶的——就像所有伟大的物理定律一样.还有：许多物理学家通常相信，两块磁铁之间的“场物质”占据了所有的质量.假如这样的话，那就真正是“空”的空间.约翰·惠勒把这称做是“没有质量的质量".
我们来看看惠勒和其他人是怎么讨论的.在“粒子与相互作用的标准模型”一章中都能找到的夸克，你注意过它的质量吗？你会发现上夸克和下夸克的质量分别占质子质量的0.3%和0.6%.但是一个质子只由两个上夸克和一个下夸克组成.因此组成质子材料的所有质量只占整个质子质量的1%左右［9］.中子也是同样的情况.另外99%的质量在哪里？答案是存在于夸克之间强大的电磁场之中！但是几乎所有普通物质的质量都来自于质子和中子.所以大多数普通物质的质量是场质量，就像这些磁铁之间的磁场质量一样.
这里还有更多需要讨论的：看起来很奇怪，大多数普通物质的质量来自于场，然而夸克和电子等粒子的质量是真质量（正式名称为“裸质量”）即不是来自于场.为什么质量有两种不同的来源呢？根据彼得·希格斯1964年提出的观点，基本粒子的质量也可能来自于场.根据这个假设（至今仍没有实验证据来支持这种观点），整个宇宙都充满了“希格斯场”.大量的基本粒子，如夸克和电子，和这个场发生相互作用；同时，没有质量的基本粒子，如光子和胶子，却没有和场发生作用.来自这种相互作用的能量除以c2就是粒子的质量.因此，夸克等粒子通过与希格斯场的相互作用就有了质量（惯性）［10］.
如果是这样的话，所有的质量都来自于场.在这个意义上，物质完全是“空”的，就像这些磁铁之间“空”的空间一样.正如诗人格特鲁德·斯坦在不同的场合所说，那里是一个空无一物的地方.这就是E=mc2的最终含义.希格斯场的标志将是这个场的量子——“希格斯玻色子”.希格斯玻色子仍然有机会在位于芝加哥附近的费米实验室被发现［11］.如果没找到，而希格斯场的确又存在的话，那么，它很有可能会在位于瑞士的欧洲核子研究中心建设中的、能量更高的“巨型强子对撞机”中被发现.稍后我们再谈这个问题.很多人发现这种基本粒子非常让人着迷.多数学生也这样认为.这就是很棒的物理.我们一直在谈论爱因斯坦的质能关系、场、场质量、裸质量、夸克、希格斯场和希格斯玻色子.真的不是那么难！和非理科专业的学生谈当代物理是可能的，也是有用的.
从上面的例子中你可以看出，“场”是所有现代物理的核心概念.尽管仍然有一些物理学家似乎认为场是简单而有用的数学虚构物，但从麦克斯韦开始，几乎所有的大物理学家都认为场是真实存在的.如果你相信能量是守恒的，那么你就已经相信了场是真实存在的.这里有个问题可以说明这一点：地球上一个电子向月球发送一个信号，信号在一秒钟后到达月球，但是信号也将能量传递给了月球.那一秒钟内能量在哪里？就在地球与月球之间——电磁场中！因此，只要你相信物质具有能量是真的，也就是相信物质具有质量是真的（因为能量和质量是等价的），你就相信了场是真实存在的.史蒂文·温伯格说：“量子场是宇宙中最基本的成分，粒子仅仅是场的能量束和动量束.”［12］现代物理可以不需要数学知识，但是没有场你就没有办法讲授.对物理教师来说，我们需要确保学生真正理解场