曾 哲

(武鋼三中學(xué)科奧賽中心 湖北 武漢 430080)

諾貝爾獎是1900年6月根據(jù)瑞典著名化學(xué)家、硝化甘油炸藥發(fā)明人阿爾弗雷德·貝恩哈德·諾貝爾的部分遺產(chǎn)作為基金創(chuàng)立.在遺囑中他提出將部分遺產(chǎn)作為基金并以其利息分設(shè)物理、化學(xué)、生理或醫(yī)學(xué)、文學(xué)及和平(后添加了經(jīng)濟獎)5種獎金，授予世界各國在這些領(lǐng)域?qū)θ祟愖龀鲋卮筘暙I的學(xué)者.由瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)獎金，每年的獎項候選人由瑞典皇家自然科學(xué)院的瑞典或外國院士、諾貝爾物理和化學(xué)委員會的委員、曾被授予諾貝爾物理或化學(xué)獎金的科學(xué)家、在烏普薩拉、隆德、奧斯陸、哥本哈根、赫爾辛基大學(xué)、卡羅琳醫(yī)學(xué)院和皇家技術(shù)學(xué)院永久或臨時任職的物理和化學(xué)教授等科學(xué)家推薦.

諾貝爾物理學(xué)獎是物理學(xué)界的最高獎項，受主流物理學(xué)界廣泛認同，其獲獎記錄是近現(xiàn)代物理學(xué)史的縮影.很多情況下，其獲獎記錄是按不同的研究領(lǐng)域(粒子物理、核物理、原子分子光學(xué)物理、凝聚態(tài)物理、天文物理)進行分類[1].筆者嘗試從科學(xué)技術(shù)發(fā)展的全新角度對其進行分類統(tǒng)計.

筆者發(fā)現(xiàn)，從科學(xué)技術(shù)發(fā)展的角度諾貝爾物理學(xué)獎獲獎原因可以分為以下4類成就：

第1類,重要實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)；

第2類,重要理論概念提出;

第3類,重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明;

第4類,重大實驗技術(shù)改進.

以上4類成就基本可以覆蓋所有諾貝爾物理學(xué)獎獲獎原因.

1 4類成就的具體內(nèi)容

第1類:重要實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)

其主要內(nèi)容是發(fā)現(xiàn)了人類之前未知的實驗現(xiàn)象，對人類的原有理論認識存在重大沖擊.

例如：阿爾伯特·邁克耳孫發(fā)現(xiàn)光速在不同參考系中保持不變(1907年諾貝爾物理學(xué)獎).

第2類:重要理論提出

其主要內(nèi)容是基于現(xiàn)有實驗觀測，提出了替代原有理論的更符合實驗結(jié)果的新理論解釋.其理論預(yù)測成功被實驗發(fā)現(xiàn).

例如：維爾納·海森堡創(chuàng)立量子力學(xué)(1932年諾貝爾物理學(xué)獎).

第3類：重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明

其主要內(nèi)容是對實驗現(xiàn)象進行應(yīng)用，其應(yīng)用成果極大地改善了人類的生產(chǎn)生活.

例如：高錕在光纖通信上取得的成就(2009年諾貝爾物理學(xué)獎).

第4類:重大實驗技術(shù)改進

其主要內(nèi)容是發(fā)明了新的實驗器材,或提出了新的實驗方法，其勢必會導(dǎo)致新的實驗發(fā)現(xiàn).

第4類與第1類成就的區(qū)別是：第1類成就是指重要實驗現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，主要獲獎理由是發(fā)現(xiàn)某個現(xiàn)象這件事本身.而重大實驗技術(shù)改進類的獲獎理由是進行了實驗技術(shù)改進(發(fā)明了新的實驗器材、或提出了新的實驗方法)，為后續(xù)的實驗發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ).

例如：唐納德·格拉澤氣泡室的發(fā)明，對粒子物理的研究帶來巨大發(fā)展(1960年諾貝爾物理學(xué)獎).

2 1901-2019年諾貝爾物理學(xué)獎分類統(tǒng)計結(jié)果

諾貝爾物理學(xué)獎自獎項于1901年設(shè)立至2019年，一共被授予了113次，期間只有1916,1931,1934,1940,1941和1942這6個年份沒有頒發(fā).表1是筆者對1931-1940年諾貝爾物理學(xué)獎獲獎原因的分析與分類.

表1 1931-1940年諾貝爾物理學(xué)獎獲獎原因及分類

1901-2019年每10年諾貝爾物理學(xué)獎分類統(tǒng)計結(jié)果如表2所示.從統(tǒng)計結(jié)果可見因第1類重要實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)頒發(fā)共計70次，因第2類重要理論概念提出頒發(fā)共計32次，因第3類重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明頒發(fā)共計8次，因第4類重大實驗技術(shù)改進頒發(fā)共計31次，其他共計0次.

表2 諾貝爾物理學(xué)獎每10年獲獎原因總結(jié)分類

續(xù)表2

3 諾貝爾物理學(xué)獎分類統(tǒng)計結(jié)果的解讀

圖1對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程進行了總結(jié)概括[2].科學(xué)是對自然界人類未知現(xiàn)象的探索，基于實驗對未知現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和對發(fā)現(xiàn)的未知現(xiàn)象的應(yīng)用，由此而產(chǎn)生的發(fā)明不斷地推進人類文明的進步.在實驗獲取實驗現(xiàn)象(通過實驗獲得自然界是怎樣的)的同時，人類嘗試理解實驗現(xiàn)象(回答自然界為什么會有這樣的現(xiàn)象)而產(chǎn)生認知、生成理論.對較微觀的自然現(xiàn)象的獲得在有限程度上有助于理解相對宏觀的自然現(xiàn)象.而理論對實驗結(jié)果的解釋和預(yù)測作用進一步指導(dǎo)和輔助實驗和應(yīng)用的發(fā)展.包括物理學(xué)在內(nèi)的科學(xué)在不斷向著實驗測量更精確、理論計算更準確、應(yīng)用范圍更廣泛的方向發(fā)展.

圖1 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程

筆者發(fā)現(xiàn)其總結(jié)概括基本能對應(yīng)前3類成就，第1類重要實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)對應(yīng)圖1中實驗到實驗現(xiàn)象的箭頭，第2類重要理論概念提出對應(yīng)圖1中實驗現(xiàn)象與理論之間的2個箭頭，第3類重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明對應(yīng)圖1中從實驗現(xiàn)象到生產(chǎn)應(yīng)用的箭頭.

但筆者發(fā)現(xiàn)第4類重大實驗技術(shù)改進并不能反應(yīng)在圖1中，必須進行補充.第4類和第3類成就一樣，都屬于實驗現(xiàn)象的應(yīng)用，但區(qū)別是：第4類是新的實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，主要應(yīng)用于實驗，而不是應(yīng)用于人類的生產(chǎn)生活.新現(xiàn)象的應(yīng)用有助于實驗技術(shù)的提升.實驗技術(shù)的改進會進一步推進科學(xué)向著測量更精確的方向發(fā)展，為新的實驗發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ).

4 對物理教學(xué)、科研、科普與考試評價體系的啟發(fā)

基于對諾貝爾物理學(xué)獎獲獎原因的分類，筆者認為應(yīng)在使學(xué)生掌握好現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)之上，鼓勵學(xué)生自主思考自我生成，不拘泥于書本.在實驗上自主探索努力發(fā)現(xiàn)(對應(yīng)第1類重要實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn))，理論上不要視現(xiàn)有理論為“不變的真理”敢于質(zhì)疑(對應(yīng)第2類重要理論概念提出)，并且努力應(yīng)用實驗現(xiàn)象(對應(yīng)第3類重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明)，還要努力思考如何改善提高現(xiàn)有實驗精度(對應(yīng)第4類重大實驗技術(shù)改進).

從課程占比的角度，國內(nèi)本科教育理論課程占比偏多，應(yīng)進一步增大實驗課程的比例，4方面的創(chuàng)新能力均應(yīng)有所訓(xùn)練.在教學(xué)與科普上宣傳理論無所不能(如終極理論之夢)不可取.人類在有新的實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后會有更符合實驗的理論的提出.人類的認知都在不斷趨于客觀，理論并不是終極的，只能在有限精度范圍內(nèi)符合實驗現(xiàn)象.相對終極理論之夢的虛無縹緲，需要建立起圖1所示的正確科學(xué)觀，鼓勵年輕學(xué)者務(wù)實地推進人類科技進步.

具體在實際教學(xué)過程中，首先使學(xué)生掌握現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)手段(實驗技術(shù)和理論計算能力).在此基礎(chǔ)上應(yīng)留給學(xué)生自由實驗的空間，學(xué)生多自主進行開放式的實驗體驗，體會科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程(對應(yīng)第1類重要實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)).與此同時，需要啟發(fā)學(xué)生思考下列3個問題，從而進一步提升學(xué)生科技創(chuàng)新能力.

(1)對發(fā)現(xiàn)的實驗現(xiàn)象進行理論解釋，思考理論與實驗結(jié)果是否相符，理論是否需要修正，思考如何進一步提高理論計算準確度(對應(yīng)第2類重要理論概念提出).

(2)實驗現(xiàn)象對生產(chǎn)生活有什么應(yīng)用，如何進一步提高生產(chǎn)效率(對第3類重大生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)明).

(3)如何提高實驗測量精度改進實驗技術(shù)(對應(yīng)第4類重大實驗技術(shù)改進).

從而提升學(xué)生的科技創(chuàng)新意識.

在科學(xué)核心素養(yǎng)的評價體系上不應(yīng)只簡單地分為理論和實驗兩類考查方向，應(yīng)該注重學(xué)生實驗觀測、現(xiàn)象理解、理論預(yù)測、應(yīng)用發(fā)明4方面能力的培養(yǎng)[10]，除此之外還需考查第5方面實驗改進能力的培養(yǎng).