一念非凡：科學巨擘是怎樣煉成的(新版)（簡體書）

一部科學史，就是不多的幾位巨擘揮灑天才的歷史。《一念非凡——科學巨擘是怎樣煉成的》包含三十篇短文，其中前二十五篇大體上每篇介紹一位哲學、數學或者物理學領域中的巨擘取得偉大成就時的某個非凡一念；第二十六篇談論作為學者品格的高傲的孤獨；接下來的三篇分別講述一位中學老師、一位工廠學徒和一位農民是如何憑借非凡一念影響了科學進展的；蕞後一篇特別談談平凡人如何也能享受學習和參與科學創造的樂趣。本書在介紹一些偉大科學成就的同時，力求展示一些偉大科學創造過程中的腳手架遺跡，努力讓讀者們也能一窺科學創造的門徑。

曹則賢，1966年生，中國科技大學物理系本科，德國凱撒斯勞滕大學物理學博士，中國科學院物理研究所研究員，中國科協“典贊·2016科普中國”十大科學傳播人物，央視《加油！向未來》節目科學顧問，編譯著有《至美無相》，Thin Film Growth,《物理學咬文嚼字》四卷，《驚艷一擊》，《磅礴為一》，《量子力學-少年版》，《相對論-少年版》，《云端腳下》等。

作者曹則賢不僅是科研一線的研究人員，更是熱心科普的教育工作者。本書介紹了哲學、數學和物理學領域多位科學巨擘的偉大成就，著眼於重現大師們研究過程中靈光乍現的時刻，努力讓讀者了解他們是如何進行科學研究的：阿基米德在洗澡時發現了浮力的奧秘，牛頓在看到蘋果墜落時領悟了天體運行的規律，哈密頓在散步時突發靈感的事情更是銘刻在都柏林布魯厄姆橋的紀念碑上……
青少年需要盡早接受高水平教育和啟迪：只有見識過真正的偉大成就，才能避免被花裡胡哨的雜耍吸引；只有了解真正的科學大師，才不會盲目崇拜那些喧囂一時的小丑。也只有這樣，他們將來才有可能成為大師、創造偉業。

人類歷史是由少數英雄人物創造的觀點，曾遭遇過激烈的批評。但是，如果說科學的歷史是由少數英雄人物創造的，估計反對的人不會太多。因為，論及一些偉大的科學成就，別說敢腆著臉硬去爭功，一般人如筆者這樣資質的僅只是能弄懂只鱗片爪就足以自豪了。當然，我這裡說的科學指的是數學、物理這樣的已經形成足夠嚴謹、厚重體系的學科。
一部科學史，就是不多的幾位巨擘揮灑天才的歷史。有些人，像伽利略、哈密頓、歐拉、開爾文爵士，他們的思想能穿透存在之未知的迷霧，為人類帶來智識的啟迪。有些人，比如龐加萊，又比如伽莫夫，他們來到世上就是為了向世人展示這個世界是有天才存在的。每每讀到這些大師的思想，領略了點滴他們天才的成就，總讓人有莫名的興奮和感嘆——為什麼在這塊古老的、養育了人類之部分的土地上，不曾出現過這樣的科學巨擘呢？
也許並非我們生而平庸，而是在我們嗷嗷待哺的時候沒有見識過榜樣的力量，沒有高屋建瓴的智者予我們以醍醐灌頂式的洗禮？！那些科學巨擘，都是在少年時期就得到了充分的、高質量的教育和啟迪的。少年心中不知什麼才是真正偉大的思想成就，什麼樣的人才是真正的科學大師，自然也沒有成為大師的渴望與野心。那麼，從他們中間產生科學巨擘的可能又在哪裡呢？
不知從何時起，筆者一直有一個願望，希望能把自己理解的那些科學巨擘的思想與成就之點滴與朋友們，尤其是那些朝氣蓬勃的少年朋友分享。但是，正確理解和準確傳達這些科學大師的思想與創造性成果遠超筆者能力之外。抱著退而求其次的想法，筆者撰寫了這本小書，向讀者介紹那些科學巨擘成就其科學地位的非凡一念——也許只是一個偶然的念頭，但是後來演變成了科學史上的標志性事件，給科學，進一步地給人類文明，帶來了意想不到的推動。衷心希望這本小書能夠對年輕的朋友們——從中學生到剛踏入研究生涯的青年學者，有些許的幫助。
本書著眼的人與事，僅限於哲學、數學和物理三個領域。沒有別的原因，只是因為一些哲學、數學、物理領域裡的大師具有別樣的魅力，他們的成就在我的心中引起了特別的崇敬，按照康德的說法，就是“我對它們的思考越是經常和持久，它們就越是以嶄新的、不斷增長的驚奇和敬畏充滿我的心靈。”讀者將會注意到，本書提及的一些人可是“哲學家–數學家–物理學家”三位一體的，有人甚至還同時是語言學家或別的什麼學家。盡管可能不正確，我還是以為物理學，就心智努力的成分而言，多少遜於哲學和數學對智力的要求。不是數學家的物理學家，總是和物理學有那麼一層隔閡。一個不爭的事實是，哲學家和數學家裡幾乎沒有名不副實的人，遑論欺世盜名之徒。
本書包含30篇短文，其中前25篇大體上每篇介紹一位科學巨擘取得偉大成就時的某個非凡一念；第26篇談論作為學者品格的高傲的孤獨——寂寞中沉思的人才能瞥到黑暗中微弱的亮光；接下來的三篇分別講述一位中學老師、一位工廠學徒和一位農民是如何憑借一個非凡念頭影響了科學的；後一篇特別談談平凡人如何也能享受學習和參與科學創造的樂趣。內容上，我在保持通俗易懂的同時，仍然堅持加入一些深刻的東西，包括數學公式。有一種說法，每多一個公式，書的讀者就減少一半。按照這個說法，本書的讀者數將少於1。不過我不太相信這個說法。每一個健康的頭腦，都是喜歡挑戰的。數學公式之所以能嚇走讀者，可能是因為公式是以一種生硬的、唬人的方式出現的，如同有人把家常話般的德國哲學翻譯成晦澀難懂的文本一樣，問題出在作者或者譯者的不道德，而不是因為數學或者哲學的不隨和。本書中的數學公式，如果讀者不感興趣，不妨直接跳過去，絲毫不影響感受那些科學巨擘靈光一現時的奇思妙想。但是，我希望讀者能努力理解這些看似艱深的東西，不要有身入寶山空手回的遺憾。在一些篇章後面我會列出一些非常專業的參考文獻，我不認為在這樣的書中列出這些專業的內容是多餘的。雖然這些文獻可能是以一種你還不會的語言寫成的，或者它們的內容也不易理解，但是，設若這些內容在你的內心深處激起了成為科學大師的激情，那麼這些文獻可能就會成為你的墊腳石。會有那麼一天，你能讀懂它們的——說不定那時你還嫌它們淺顯呢。
這本小書是筆者的學習筆記、心得體會，也是筆者內心深處的一聲嘆息。因為作者功力鄙薄的原因，它雖然能為朋友們展示一些偉大學術創造過程中的腳手架的遺跡，卻不足以讓人們一窺科學創造的門徑。有志於科學事業的朋友，請早點兒嘗試閱讀科學巨擘們本人的著作，早日達成對大師之偉大成就的獨特視角下的理解。
理解了科學大師之人與成就的一個附帶好處是，它會讓你謙虛——發自內心地、由衷地。
本書的閱讀物件是任何一個對本書感興趣的人。筆者無意也無法把難度控制在某個層次上；實際上，筆者根本就不接受把知識劃分為中學生、大學生、研究生和教授能理解的不同層次的說法。倘若一本書能讓不同的讀者群都多多少少能有一些收獲，哪怕僅僅是閱讀時的會心一笑，那就是成功。再者說了，如果所讀之書沒有一點兒難度，那我們的進步又從何而來？
你一定注意到了，有很多來自偉大頭腦的靈光一現這裡沒有提及。沒有關係，這是一個開放的系列，稍待時日會有更多的內容在未來會被添加進來。
這個民族，這個我所屬的歷史上多災多難但一直生生不息的偉大民族，無論如何要對科學做出一點兒實質性的貢獻。而為此，我們要學會如何學習、如何創造。馬上向科學發起攻擊，“angreifen, sofort!”

作者序
阿基米德大喊“eureka”
留下負數的平方根
笛卡爾——蒼蠅與坐標系
伽利略——從粗糙觀察到精致定律
開普勒——行星運行定律與雪花模型
牛頓——二項式與蘋果
哈密頓——刻在橋上的公式
歐拉——柯尼斯堡的橋
克利福德——怪異的加法與乘法
波利亞——本老師不是變態
曼德爾布羅特——海岸線的長度
法拉第——氣體的液化
麥克斯韋——雞蛋的方程
麥克斯韋——位移電流
克勞修斯——傷人智商的熵
玻爾茲曼——不可以與不可幾
倫琴——不明射線X
普朗克的常數
愛因斯坦——能量量子
外爾——長度不可以也改變嗎？
諾特——對稱性與守恒律
泡利——中性的小家伙
薛定諤——量子力學是本征值問題
狄拉克——自出機杼的因式分解
楊——你要識字
高傲的孤獨
巴爾末老師的公式
夫瑯合費——光帶之上的暗線
本特利——給雪花照張相
平凡人的樂趣——二維點陣縮放對稱性
後記

阿基米德是一個時刻都在思考著的智者。傳說敘拉古的國王赫農（King Hiero II of Syracuse）要為寺廟獻上一個金冠，為此撥付了純金去打造。可是，國王赫農又懷疑金匠可能往裡面摻了銀子，於是把判斷金冠裡是否被摻了銀子的難題交給了阿基米德。想想兩千多年前社會的技術水平，又不可以損傷了金冠——這下可把阿基米德給難為壞了。愁思中的阿基米德要洗澡（古希臘的人們洗澡竟然是有澡盆的，也許是石頭鑿的）。阿基米德發現當他坐進澡盆後，澡盆裡的水面上升了。若是盛滿水的話，人坐進去會讓許多水溢出來。溢出來的水所占的體積是可以測量的——只要看看人起身後澡盆裡還剩多少水就行了。阿基米德於是有了判定金冠裡是否摻入銀子的辦法了：“找來同金冠等重的純金塊，將純金塊和金冠分別放入盛滿水的桶中，看它們各自排出的水的體積。無差別，金冠是純金的；若金冠的體積大，那是摻了銀了。”想到了這一點的阿基米德太興奮了，據說他大叫著“ε?ρηκα”就竄到了街上（圖2）。希臘語“ε?ρηκα”，英文轉寫為“eureka”，發音為“尤裡卡”，是“我找到了”的意思。阿基米德做出發現時的狂喜行為，西方人如今依然津津樂道，他們把那個狀態描述為“in maximum state of excitement and, unfortunately, in minimum state of clothing（喜至極而衣至少之態）”，倒也形象。阿基米德的這一發現，後來被上升為浮力原理。
阿基米德在發現浮力原理及其在化學分析中的應用那一時刻大喊的“eureka”，成了重大科學進展的崇高符號。歐洲開展過以“eureka”命名的重大科學研究計劃，漢譯為“尤裡卡計劃”。為自己的重大發現而歡欣鼓舞，覺得有必要喊出“eureka”的情景，後世出現過一次。1796年，當高斯證明了任何一個正整數可以寫成三個或少於三個的三角數之和時，他在餐巾上寫下了公式 N = Δ Δ Δ，並鄭重地寫下了“eureka!”其它的值得寫下“eureka”的重大發現的例子就沒聽說過了。當愛因斯坦歷經八年切磋磨礪終於找到引力的場方程時，按說他是有資格寫下“eureka”的，但他沒有那麼做。