《物理学咬文嚼字》（中）

 

 

 

数学是人类社会演化出来的自然的语言，而物理学是我们对自然中的声、光、电、磁、刮风、下雨等现象的认识和思考。对于这些认识，我们先用日常语言来表达，当日常语言不够的时候，再用抽象但是鲜活的物理的语言和数学的语言，把它表达出来。

 

 

我之所以写《物理学咬文嚼字》，一个原因实际上是本身我认识到，在我们物理学的发展过程中，其实语言本身也是在起着非常重要的作用的。一个很奇怪的现象是，许多著名的物理学家都是了不起的语言学家，这点是非常有趣的。比方说，提出热力学第二定律的第三种表述或第四种表述的这样一位希腊人叫卡拉泰奥多里（Caratheodory），这个人就是一个了不起的语言学家。他用德语写的物理学论文竟然是德语语言的典范。

 

另外的著名的物理学家，像我们的物理学有个概念叫哈密顿量，哈密顿量整个就是贯穿我们物理学里面的一个关键词。哈密顿这个人本身就是一个了不起的语言学家。他能到什么程度？据说他12岁的时候就能够学会了整个印欧语系的所有语言，相当于从他们家的英语，从欧洲大陆的法语、德语、意大利语，以及到我们亚洲西北部的波斯语和印度语，这个人他12、3岁的时候这些东西已经都会了。

 

另外，物理学家本身是语言学家的一个重要例子就是我们光学里面，我们会常提到一个概念叫双缝干涉。双缝干涉的解释就是一位英国人叫托马斯·杨，他给解释的。但是托马斯•杨是一位物理学家，他的职业是一位医生，但是他最大的成就应该说是语言学成就。据说他那个时代的《大英百科全书》语言的条目是他写的，而且据说他在当时那个版本中用到了400种语言。后来英国本身的这些所谓的占领者们，从埃及某个地方挖出了一块石碑，叫罗塞塔石碑。罗塞塔石碑上面有三段是古希腊古埃及的文字，有三段不同的文字，谁破译的？托马斯•杨。

 

所以这一点是怎么说呢？就是说，西方的那些著名的物理学家非常在意语言学习，应该说也是形成了一个传统。爱因斯坦在给牛顿的新版光学书写序的时候，就赞扬牛顿不仅是伟大的思想家，一个伟大的技师，意思是说牛顿这个人手上非常有活会干活。还赞扬说，牛顿是一个非常了不起的语言学家。

 

近代的物理学家里面，别人我不太清楚，大家可以读读杨振宁先生的中文和英文的近些年的问题，你就会发现，杨先生本身对中文和英文的运用也到了应该说是炉火纯青的地步，我觉得这个,和他对英文和中文这两种语言本身的把握，和他对物理学本身思想的把握，应该说是一致的。

 

其实我们中国的许多前贤早期也有这样的字，有一句话叫读书先识字，你连字都不认得，怎么可能会理解里面的思想。所以这也是我愿意在这个过程中努力去学会认一些字，然后通过认字去看他那些物理学思想本身是怎么被提出的，以及在人家的文化里面是怎么慢慢演化的这样一个原因，应该说，在这个过程中，受益最多的还是我自己。

 

人类语言本身的演化，应该说它也是人类演化出了专门的语言能力，对人类本身的进化是一个非常重要的侧面。但是我对这方面没有任何研究。近些年来，可能注意到一个非常有趣的现象就是说，人们不再把语言学当做所谓我们意义上说文科的范畴了。他会研究语言发展的结构，发展语言本身和我们人身体本身解剖学之间的关系。所以为此前些年，Nature杂志竟然有一期专刊，就是谈语言本身和我们人类生活环境，和我们人类本身的口腔和喉结这一部分，解剖学意义上演化之间的关系，都没有重要，当然语言本身对这一个社会文化和科技的发展的影响，也是非常重要的。

 

比方说，我们大家可以见一个例子，当初矩阵引入到我们中国的时候，我们大家知道一个3x3的矩阵，你求它矩阵值，有一个表达式是六项。那么你会发现我们的老祖宗把这个东西引进来的时候，把每一项底下用甲乙丙丁来表示的时候，你看那个公式你就没法记。你如果用那个阿拉伯数字的a1、a2、a3……这个就好记得多。这也应该说，语言对某些文化成果的表达可能是更有利的，但对另一些文化成果的表达可能就是更加不利的，这个可能是我们不得不注意的一个现象。

 

而一个很有趣的现象我是注意到，关于科技的发展，比方说近代物理学的发展，早期意大利人贡献很多，有伽利略，往北奥地利，德国人使用的德语，再往西北侧就是法国人，法国人的数学、物理对世界数学、物理贡献非常多的，他用的是法语。你会发现，旁边还有一个国家，就是西班牙，西班牙北面就是法国，东面是意大利。它距离很近的，而且法国、意大利几乎算同根同种的，很奇怪，就是法国人、意大利人对世界的数学和物理的贡献很多，可是西班牙语几乎没有。这个原因到底是什么，我想不通，但是我相信这中间一定有某种原因。

 

这个书到目前为止写了70多篇，每篇可能涉及一个或几个概念。在这中间，有些例子本身，我可以举几个例子谈论一下它对我们理解物理的概念有多么重要。一个概念可能是大家都听说过，但又觉得这个比较难以理解的概念。现在这个概念叫熵。熵很多人现在甚至把它引入到信息领域，叫信息熵，甚至我们现在用它来谈论社会现象，几乎好像是人人都用熵谈论问题。但其实对于我们学物理的人来说，我们都知道熵是一个非常让人头疼的概念，甚至一个伤脑筋的概念。

 

熵这个概念如果我们从中文的物理学的角度来理解的话，我们会发现，它是个火字旁加上一个商，商我们意思就是除法。从这个字面上就会让你觉得这是一个热力学里面的概念并且和除法有关。那么我们看我们的热力学教科书里面也确实是这么说的，就是说用热量除以温度，所以说在1925年前后的时候，这个熵本身还就叫热温熵。什么叫热温熵，就是热量除以温度。那么很多人就是用这样的一个想法来理解熵这个概念。就是说，热量除以温度，然后来表示熵的。

 

在某些语境里面，很小的一个小范围里面，这个理解有它的道理，但是如果我们从这个理解出发去理解熵对应的熵这个概念的时候，我们就走偏了。为什么呢？是因为我们知道，对于一个热力学体系，什么样的热力学体系它都应该有熵这个物理量。但是你如果把它理解成热量除以温度T的话，这会带来很大的误解。为什么呢？首先这个熵是这个体系本身的概念，我们这杯咖啡有熵，它就有熵。但是热量这个事情是说它和外界之间的热量交换。你看这来个物理图象就不一样了。因为我们说熵本身就这杯咖啡自身的事情。可是如果你理解成热量除以温度，首先热量是热量和外界交换必须要和外界的关系。

 

第二，它必须有温度这个概念，否则你怎么除以这个温度，但是恰恰不是每个东西都有温度的概念。一个热力学体系它有冷热，但不一定有温度。因为温度只是说对一个热力学平衡态我们才能赋予它一个温度的量。你把一盆热水有温度，一盆冷水也有温度。但是你把一盆热水和冷水混到一起的时候，它这时候没有温度，但是它有熵。所以说，从这个概念理解它就是错的。

 

不仅从中文这个角度概念去理解这个是错的，另外就是我们不知道人家本来在说什么。西文的熵，本身这个概念是德国人克劳修斯在1850年前后这几年，差不多是1850到1856年之间，通过他的研究引入工作，它叫Entropy前面那个词是能量，后面这个词tropy就叫转向，或者变换这样的一个意思。人家这个字面，就是人家西方人学Entropy这个词的时候，他从字上，就是不管物理上讲什么，他光看这个字，他就已经知道这是一个概念，这个概念是再来谈论能量转换过程里面的一个物理量。

 

这一点对他理解热力学就非常重要。又回到热力学这个词了。比如说我们中国人管这门学问叫热力学，它本身就会引起很重要的误解。热=力学，甚至我们国家许多人把它归为所谓的大学生一定要学的四大力学，包括热力学，把热力学理解成力学，就完全是错的不着边。因为这里面热力学这个词本身，西方叫thermodynamics，这是开尔文爵士当初引进这个词的时候，它中间有一杠，叫thermo—dynamics，而这个dynamics希腊语本身就是早先我们日常生活立一个词，和力，和功有关系，其实它的关键意思是热功学，是说热我就加热烧水，核能做功你驱动机械做功，这两者之间的关系是热，热力学谈论的是热功之间的关系，而不是热和力之间的关系，所以热力学翻译本身就让我们已经理解错了。

 

再回到熵这个概念。西方人本来就是说Entropy这个词，它本身是给你谈论能量转换过程，我会涉及到一个量，这个量是一个你在热量和功这个层面看不出来的一个量。这个词又要牵扯到西方。因为它是德国人引进的，德国人引进的一个重要的词叫等价或者叫补偿。我们的热力学概念里常常会说，有热力学第二定律，有的说法够说热量不能自发地从一个低温的地方跑到高温的地方去，这个现象对不对？是对的。

 

但是人家引入熵这个概念本身还是研究热机的，就是说怎么从高处吸收热量做功，然后在低温的地方释放热量，这样一个叫卡诺循环这个概念。人家研究这样的一个关于能量转换的过程中，是怎么提出来这个熵的概念？有重要的词叫补偿。它说的什么意思？就是说你这个东西是个循环，就是绕一圈，你注意这时候他们就是一种哲学上的思考。就是说，你绕一圈意思是什么？

 

大家想一想，我们如果在操场上，400米的跑道比方你跑一圈，意思是什么？你跑400米，你肯定也累了，你说明也出汗了，这些效果都是不可磨除的。就是说，你累了就是累了，你出汗就是出汗了，但是有一个东西，如果你要是说跑一个圈叫循环的话，你记住一定有一个量是零，比方你绕跑道跑一圈的时候，你的位移一定是零，因为你回到原点，相当于你的位置这么移动。所以说人家就看我现在个热机工作一圈了，就相当于我们发动机里面的四冲程似的，就是说你工作一圈回到原点了，那么一定有一个量，这个量等于零，否则什么叫回到原点，或者你说原点，到底什么的原点。

 

克劳修斯就考虑这个问题，我这个热机工作一圈，就相当于人在跑道上跑一圈，到底是什么东西，等于零了。那么他发现什么等于零？就是所谓那个热量变化除以温度，绕这一圈加起来是零了，而这才是他引入的描述这样的一个能量转换过程重要的量，这个量就是我们现在学的熵，Entropy。当然你从这样的一个带平衡态的东西引得出来的这样一个概念，后来你认识到它是关于热力学体系本身的一个广延量，跟它是不是热平衡态就没关系了。

 

当然了，关于它的理解我们就会慢慢地深入，但是如果  你把它理解死了，理解成汉语，叫火商，就说是热量除以温度T的话，那么你的热力学知识再想往前提高，那大概就费劲了，因为你从一开始理解概念上已经理解歪了，理解错了。当然了，就是说，这样一个概念引入中国，有它本身的局限性，是没办法的事情，因为这个熵的概念其实它的引入还有一个非常有趣的故事。是一个叫普兰克的低温制冷技术之父，一个叫Rudolf Plank的德国教授，他1925年到南京的中央大学来做关于热力学的报告，当时是胡刚复先生现场给他翻译，现场翻译就有这个公式，就是热量或者热量变化除以T，应该说，胡刚复先生的脑袋转得非常快，很了不起的。就直接把它翻成热量和温度的商，就有热温熵这个概念，才有了我们这个概念。所以这个概念在中国的出现，非常清楚，是出现在1925年5月23号。

 

但是后来这个故事就淹没在文献里面，就不知道了，甚至把普兰克这个人在我们中文的许多文献里，老先生的文献，包括南京大学冯端先生的书里面，以及北京大学沈克琦先生和赵凯华先生， 他的文献里面都拿不准，可能都误以为是量子力学的奠基人之一普兰克了。这个事情就是一笔糊涂账，后来我、刘寄星老师和赵凯华我们就谈起这个问题，觉得这个糊涂账好像应该要把它弄清楚。

 

结果我们科学室所的方在庆老师他出了一个非常聪明的主意，他把德国的电话簿黄本拿过来，他去找所有姓普兰克，跟普兰克音差不多的姓名都给找出来，到底有哪几种发音近似是普朗克或者普兰克的音，把这几个名字找出来以后，他再找里面谁是物理学家，找出谁是物理学家，再看这个人本身做的工作和热力学有没有关系，结果就找出了这位低温制冷之父鲁道夫普兰克(Rudolf Plank)。

 

然后我又在2011年的低温制冷的德文杂志里面又找到了关于这位普兰克教授的纪念文章，说他20年代的时候，上世纪30年代的时候，把他的关系就建立到了中国，白纸黑字一句话就是说，和中国建立关系，那么这样的话，我们就把这样一个概念，就是如何传入中国的，就把科学史上相当于一个断层给弥补回来了。

 

这个过程，我觉得非常高兴的，就是这样的一个咬文嚼字的过程，本身让我对熵本身的概念，让我对德语哲学里面常谈到的一个补偿或者叫等价的概念，因为我们大家学政治经济学的话，就会记得马克思有一句很有名的话，叫货币是一般等价物，对这个概念的理解就加深了。这个本身当然除了让我自己理解深刻以后，反过来我经过这样的一些咬文嚼字，包括是阅读他的经典文献的过程，反过来我去国科大自己教热力学的时候，发现它本身是个比较轻松比较享受的事情了。所以我也相信那一班的学生，应该说他们对这些概念的理解，可能就会比用一些错误的教科书理解可能会正确一点。