张朝阳对话物理学家David Tong：谈经典物理、场论革命和宇宙密码

7月17日，搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、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）展开了一场物理对话。从牛顿力学的百年秘辛到量子场论的前沿探索，从飞机飞行原理的认知颠覆到黑洞合并的宇宙谜题，二人拆解硬核物理知识，并分享了物理学发展中的理论突破与有趣故事。

这场近三小时的对话内容横跨经典力学、电磁学、相对论、量子力学等领域，既揭秘了物理大厦的根基，也展望了前沿研究的突破。二人一致认为基础科学的传播非常重要。张朝阳表示，互联网时代对任何领域的人而言都是进行知识传播的绝佳机会，并建议物理学家利用互联网作为公共教育工具，让大众参与讨论与交流。

谈经典物理：从牛顿力学到流体力学的认知转变

经典物理是人类理性认识自然的第一次系统性突破与技术革命的基石。两人对话从经典物理切入，汤大卫教授提到，他在剑桥的办公室就能够看到牛顿当年工作的办公室，“而牛顿的家门口，那棵400年的苹果树还在结果”。更鲜为人知的是，在这个小屋里，牛顿差点错失了经典力学创立者的身份。

17世纪，在伦敦一所咖啡厅里，胡克（Hooke）、雷恩（Wren）和哈雷（Halley）三位天才已经得到了引力的平方反比律（1/r²），却始终无法解释行星轨道为何是椭圆的。彼时，牛顿早已完成运动定律与万有引力定律的推导，却决定将成果尘封，二十年未对外透露，直到哈雷登门拜访，椭圆轨道与引力定律的证明才得以面世，带来了物理学史上首次理论统一。“牛顿第二定理是关键”，张朝阳补充，牛顿定律不仅整合了开普勒定律，更通过方程两边质量相消揭示了引力的普适性。

流体力学揭示了飞机起飞的奥秘，这已是当今的常识。然而1903年莱特兄弟试飞成功前，“纳维-斯托克斯方程曾让我们误以为飞机不能飞。”汤大卫教授解释，忽略方程中的粘性项后，理论上飞机既无升力也无阻力，完全无法解释莱特兄弟的成功。直到1905年，普朗特终于发现关键。那个看似微小的粘性项其实并不可忽略，它会导致机翼附近存在微小的边界层，其内湍流和梯度效应的叠加让升力成为可能。

“很多人认为飞机升力来自机翼形状，其实粘性项才是核心。”张朝阳这一总结令汤大卫教授深表认同，他强调这是流体力学的迷人之处。他进一步提出，除了流水和空气，“夸克-胶子等离子体的运动居然也能用流体力学来描述，这方程简直是宇宙的通用语言。”他直言，英国物理系普遍忽视流体力学教学，这是巨大的遗憾，它应该和量子力学一样重要。

谈场论革命：从经典电磁场到量子场的重大突破

电磁学的发展堪称理论突破的典范。14岁辍学的装订工法拉第首次提出“场”的概念，他没有接受过基础教育，却率先用力线描述了电磁场。而后麦克斯韦在整合电磁场方程时意识到，“光就从里面跑出来了”。光速恒定的预言直接挑战了伽利略相对论，为爱因斯坦提出相对论铺平了道路。

汤大卫谈到，“麦克斯韦方程组历经百年未变，至今仍是电磁学的基石，这种理论的稳定性太罕见了。”他补充，麦克斯韦方程组的4条方程，加上1条洛伦兹力的方程，就能够描述电磁场和电荷之间所有的相互作用，相对论进一步阐述洛伦兹力中电荷乘电场的一项，与速度叉乘磁场的一项是可以相互转换的。

量子力学的建立则是物理学史上另一场颠覆性革命。1925年，海森堡在花粉热隔离期间开创了量子力学框架。当时他还不懂矩阵的运算，就写出了矩阵力学，这在后来成为量子力学的主流表述形式之一。汤大卫教授说道，今年7月29日是海森堡发表论文的百年纪念日，虽然后面还有薛定谔的波动力学，但海森堡的这篇论文更具有奠基意义。张朝阳也认为，“量子力学的精髓正是离散性，也就是束缚态的分立能级，而不在于那些出圈的词汇，比如‘薛定谔的猫’”。

与此同时，量子场论的发展历程也令人惊叹。汤大卫教授介绍，该领域曾面临两大难题：其一，如何处理场之间存在的无穷大相互作用。这一困境曾让玻尔设想推翻能量守恒定律，海森堡也考虑过打破空间连续性，直到二战后，新一代理论学家通过扎实工作才逐步攻克这一难关；其二是缪子的反常磁矩问题，而就在去年，这一谜题也取得重大进展。科学家借助大型计算机进行格点量子色动力学（QCD）计算，得出的结果与实验值在小数点后第9位仍能完美吻合。

谈宇宙之谜：从黑洞密码到地外生命的存在性

当聊到广义相对论时，汤大卫教授表示，任一个时空点的小邻域上都可以近似为平直时空。针对这一点，张朝阳做了补充，这些小邻域也能近似为匀加速时空。两人的观点都源自等效原理，不过汤大卫教授强调，广义相对论创新之处在于，两个相邻的朋友可能会感受到不同的加速度，这意味着我们无法通过全局的调整将引力变成加速度。

2015年引力波的发现，被汤大卫教授视作本世纪迄今为止最伟大的科学突破。他解释道，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，黑洞需绕行数十亿年、靠引力波消耗能量才可合并，该过程虽能解释部分黑洞成因，但若发现数百倍太阳质量的黑洞则远超当前宇宙年龄下的合并能力极限，预示新物理规律的存在。而若发现远小于太阳质量的黑洞，则必源于宇宙大爆炸而非恒星坍缩。

地外行星上存在生命吗？关于此问题的争议同样引人深思。汤大卫教授谈到，多数物理学家从概率角度认为，宇宙中应当存在外星生命，毕竟银河系有百亿颗恒星，全宇宙有千亿个星系，且类太阳系的结构普遍存在。但生物学家往往持反对意见，他们认为生命形成需要一连串极低概率的巧合事件。

张朝阳补充，计算生命存在的概率时，需假定宇宙在大尺度上是均匀的，就像“流体”般连贯。地球存在生命，意味着其他星球也可能有生命，但这种均匀性只体现在百万光年的尺度上，因此外星生命与我们的距离必然极其遥远。二人一致认为，外星人或UFO抵达地球的可能性微乎其微，时空尺度的限制让这种星际造访几乎不可能实现。

谈科学推广：科学教育必须注入严谨的数学思维

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，汤大卫教授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。这一理念也在他的实践中得到了充分体现：近四年来，《张朝阳的物理课》始终以硬核推导为特色，用数理公式研算万物规律，不仅成为火爆全网独树一帜的知识 IP，也让大众了解到物理学习和研究的意义与价值。

在社交媒体时代，硬核科普的可能性被进一步放大。张朝阳认为，未来物理学家们或许会选择在个人社交平台发布自己的研究成果，利用互联网作为公共教育工具，让大众参与讨论与交流，“互联网让知识传播更平等，建议年轻人更多参与社交，成为关键意见领袖。”（广告）