新时代@好老师 ｜段文山：物理学是接地气的

1978年是恢复高考的第一年。这年，风华正茂的段文山高中毕业参加高考，被西北师范大学（当时名为甘肃师范大学）物理系录取。

初中第一次接触物理，段文山就发现自己似乎与物理“心有灵犀”，他说：“每次都期盼物理课的到来，老师一在黑板上写下题目，我马上就能陷入思考。”日复一日，他对待物理的兴趣日益浓厚。

本科毕业后，段文山留校任教。当时，学校里科学研究氛围不浓。于是，他选择理论物理和等离子体物理为自己的研究方向，决定继续深造，以老师的身份到外面学习。1985年9月至1988年7月，段文山在北京市应用物理与计算数学研究所攻读硕士学位，获得流体力学专业硕士学位。1995年3月至1997年12月，在南京大学电子科学与信息工程系声学研究所攻读博士学位，获得声学专业博士学位。1999-2000年，在德国亚琛工业大学（Aachen Technology University）做流体力学数值计算的博士后工作。2000年-2001年获得英国皇家学会资助在英国Strathclyde大学数学系做连续介质力学课题组的数学物理理论研究（博士后）。

段文山自称是一个“多面”的人。“我这个人有的时候真的挺难懂的。”他笑言。

段老师的办公桌子，整齐地摆放着台灯、计算机、几大摞书，上课、读书、写论文，这就是段老师有规律的日常生活。旺盛的求知欲和活到老学到老的信念，让他时刻关注物理学界最前沿的研究动态，手机里下载了喜马拉雅APP，用来了解文史哲知识，每天坚持收听BBC。他经常登陆国际网站，查找物理学界有哪些高端领域被挖掘，以寻求新的学术研究灵感。教学中，他不仅承担了晦涩难懂的课程——《统计物理》的教学任务，还致力于将物理学科普化大众化，开设了物理学科普系列课程，并尝试将高深理论通过浅显易懂的语言讲述出来。

段老师的课余生活是丰富多彩的。在排球场上，他扣球的姿态和气势，堪比体育专业老师；他吉他也弹得很好，自弹自唱，悦耳动听。

段老师对我的生活、学习和科研各个方面产生了很重要的影响。让我明白，每个人都要培养自己的兴趣爱好。更重要的是，他手把手地教会我以一丝不苟的严谨科学态度完成科研课题。

——林麦麦（段文山学生、物理与电子工程学院副教授）

我对段文山教授治学严谨、一丝不苟的态度印象特别深刻，我们的专业课大多在早晨第一节课。不管天气如何，段老师每天都会早早来到教室，这点令我们特别敬佩。对于学生的疑问，他也总是耐心解答。

——高子义（大四学生）

成为段老师的学生，我感到很幸运。段老师总给人一种特别亲切、温暖、柔和的感觉。他的授课方式也是一样，从不强硬地灌输知识，而是如一位智者般将真理缓缓道来。记得有一堂课，他讲的是波尔与爱因斯坦的学术争论史。他当时活灵活现为我们一人分饰两角，用不同的口吻来模仿波尔与爱因斯坦，把他们的书信、见面的争执以及丰富的内心活动展现于课堂。让我们在了解科学家们严谨求真的学术精神的同时，掌握了应该学习的理论知识。

——王佳慧（大四学生）

在学生心中，您的形象是严肃认真、治学严谨、沉稳静默，极富人格魅力。您是一位对学生高标准要求的老师吗？

相对于要求，我对同学们更多的应该是期望。我对学生的期望不在口头上的条条框框，而在于正面言语激励、以身作则示范，这些潜移默化的过程。

首先是“教书”，这一方面应该三个层次：我希望同学们一是要有扎实的基础专业知识和宽广的知识面，各个学科都能与物理相联系，相融相通有利于物理课程的学习；第二个层次是学习能力，书本的知识很有限，每个人能看完的书本也很有限，同学们要有从不同渠道获取新知识的能力；更高的层次就是老师教授的学会，老师没讲到的能自学钻研，还有很多的未知是人类不知道的，这就需要去发现去创造，同学们要有探究创新能力。

然后是“育人”，希望同学们要有良好的心态，有正确的人生观价值观。有了这个前提，才能把学到的知识发挥应用，才能做出自己的贡献。

您从师36年，可以说桃李满天下。怎么才算是位好老师？

老师应该身正为范、以身作则。我觉得要达到好老师的标准应该包含两个方面。

一是教师必须严肃认真地将自身的修养与教书育人的使命紧密地结合起来。教师只有清楚地认识到自身的责任，教书育人工作才能做好。教师利用自身的思想、行为规范潜移默化地影响学生至关重要。所以，教师要不断提高个人素质，利用自身的思想、道德、行为影响、教育学生做人。第二方面是教师不仅要注重自身的修养，还要积极参与教育教学改革与创新工作，全身心地投入到教学和科研工作中，对自己所教授的课程内容及相关相近课程的内容要熟练掌握，认真准备每一次课。只有这样，教师才能在教学中真正传授给学生各种知识、技能，才能有效地培养学生多方面的能力，从而促进学生的智力和能力协调发展。

您致力于将物理学大众化科普化，想要更多的人认识、了解物理学。这里有两个同学们感兴趣的物理问题，请您解释一下。什么是暗物质？该怎么理解？

我举例分析来解释吧。地球与太阳具有吸引力，这叫万有引力。当地球围绕太阳旋转做近似的圆周运动时，圆周运动产生的离心力与太阳对于地球的万有引力达到平衡。这个结论可以推广到宇宙的所有天体。例如：在银河系的中心附近存在质量很大的黑洞，所有恒星在绕着黑洞旋转。通过万有引力可以测量出银河系的总质量。此外，由于任何物质都会发出电磁波（可见光是电磁波的一种），通过测量银河系发出的电磁波也可以得到银河系的总质量，然而，二者差别很大。通过万有引力测得的银河系质量是通过光学方法得到的银河系质量的几十倍甚至一百多倍。而这种具有万有引力但不发射电磁波的物质就是暗物质。目前为止，科学家还没有搞清楚暗物质到底是什么，暗物质就被称作物理学天空的“乌云”。

宇宙离我们那么遥远，人类在宇宙空间的活动范围仍是有限的。那科学家是怎么测算地球与各大行星、恒星的距离呢？

这个问题我们需要一步一步来解释。比如地球到太阳的距离我们都是知道的，甚至精确到了以米为单位。那地球到太阳的距离是怎么算出来的呢？从地球上发射电磁波到太阳，它不会把电磁波反射信号回来。所以科学家们就先在地球上发射电磁波到金星上，金星马上就能反射回来。由速度×时间=距离，我们就可以测量出地球到金星的距离。因为地球到太阳的距离与地球到金星的距离满足一个比例关系，这个比例关系由开普勒定律给出。所以，我们就能精确算出地球到太阳的距离了。用这样的方式，就可以测算地球到太阳系中其他行星的距离，这是第一种办法。第二个办法是用来测算地球与离地球更远的恒星的距离（黑体辐射方法）。比如说太阳发的光是一种偏黄的白光，这个光的颜色其实和恒星本身的质量有关。质量越大，颜色越偏蓝，质量越小，颜色越偏红。通过观察恒星的颜色就能精确知道它们的质量。质量大小不同，光的实际亮度就不同。质量越大，恒星发光的实际亮度就越大。实际观察到恒星的亮度取决于恒星离地球的距离和恒星实际发光的亮度。因为亮度和距离的平方成反比，即距离越远，实际观察到的恒星就越暗。打个比方：我们观察到的灯泡的亮度取决于灯泡的瓦数和灯泡离我们的距离。对于相同的距离，灯泡的瓦数越大，观察到灯泡的亮度就越大。对于相同瓦数的灯泡，距离越近，观察到灯泡的亮度就越大。恒星的颜色相当于灯泡的瓦数，恒星质量越大就相当于灯泡的瓦数越大。由恒星的颜色和观察到它的实际亮度就可以判断恒星离我们的实际距离。这就相当于知道了灯泡的瓦数（对应于恒星的颜色）和测得灯泡的实际亮度（测得恒星的实际亮度）就可以知道灯泡离我们的距离（就可以知道恒星离我们的实际距离）。这种方法可以测量几千光年左右的恒星。

再远一些的恒星用这个方法就不行了。对于更远的距离（一亿光年左右）可以通过测量1a型超新星的亮度来确定。1a型超新星的实际亮度是固定的，就相当于固定瓦数的灯泡。由于瓦数是固定的，通过测得的1a型超新星的亮度就可以知道1a型超新星的实际距离。对于更远的恒星可以通过哈勃定律给出。

再以太阳为例，太阳中发生的是核聚变反应，就像烧煤炭一样，核聚变的燃料物质是氢，由此可以发光。氢燃烧以后产生氦。如果恒星的质量比太阳质量大，就可能发生爆炸，恒星爆炸后有的变成黑洞，有的变成中子星。爆炸就称为“超新星爆炸”。超新星爆炸将会发出超强的光，有的比整个星系发出的光都要强。有一种特殊的超新星爆炸叫1a型超新星爆炸，1a型超新星的质量是固定的，发光强度是固定的，相当于灯泡的“瓦数”是固定的，当它在一亿光年以内爆炸发出强光时，我们在地球上可以观察得到。由于相当于知道1a型超新星的“瓦数”，又能观察到它的亮度，由此就可以测算它的距离了。这种方法是利用“1a型超新星爆炸”来测算距离。银河系平均几百年有一次超新星爆炸，但是在宇宙中像银河系这么大的星系有几千亿个，所以几乎每天都有超新星爆炸。

学生评价您：“段老师每次上课都会给我们科普科学定理背后物理学家的故事，让我们在了解科学家们严谨求实的学术精神的同时也掌握了理论知识。”在学生眼中，物理学是深奥难懂的，但是您本身却致力于将物理学科普化大众化，背后的原因是什么呢？

首先说一说我为什么在课堂上向同学们进行科普讲解。就像一本书，写得再好也不能针对每个人来写。我在讲授的时候，同学们听不懂我可以换个方式解释。但是书上的写法是固定的，理论书籍的难度也是有等级的、难易不同，太深奥难懂了就会看不进去。简单易懂的书也有，找起来耗时耗力，还不一定能找得到。课堂上的科普，我认为十分必要，是帮助同学们提高学习效率、激发学习兴趣的一种手段。

我想做物理学科普大众化首先是因为我本身感兴趣，很想把研究的结果、看过的书分享，但是只有自己理解了还不行啊。给学生讲的时候还要考虑怎么讲他们才能听得懂、讲什么内容他们爱听，所以就会常常思考如何把高深的理论简单化、形象化，也算是进行教学研究。还有，经常在作学术报告时要汇报自己的研究成果，但是听众有不同的层次，想要大家都能听得懂，就需要琢磨怎么将物理学科普化。科普化的过程也逼着我们去看更多系统化的资料，不断更新自己的知识体系。时间久了，也就乐在其中了。

您觉得物理学是高高在上的还是接地气的呢？

我觉得物理学是接地气的。就拿数学与物理相比较而言，数学是抽象的、绝对完美的，不存在误差。如解数学方程，一个方程可以代表很多实际科学问题，但是解方程完全可以是抽象的。

物理学是接地气、贴近生活的。地球为什么绕太阳转？日升日落又是怎么产生的？都涉及到物理学知识。可以说，物理是用来解释实际现象、自然规律的一门课程。物理是可以有误差的，比如要求误差范围是10%以内，在这10%以内的就是对的。虽然物理学规律复杂，但是都是围绕实际的问题，能与很多领域发生交叉。

您在师大的怀抱中学习成长这么多年，您对于师大情感是怎样的？见证了师大哪些变化呢？

我在西北师大生活、学习与工作了四十年，在师大的“摇篮”中成长，很有归属感，很荣幸地见证了师大一些大大小小的变化。从整体来说，我刚毕业那会，专业老师们教学认真，影响了我一生，但是科学研究却很薄弱。多年后的今天，我们的科学研究实力加强了，教学水平也提高了，涌现出许多优秀教师和优秀研究学者。

来源：《西北师大报》总第512期

采访：夏 晴

设计：兰永真

编辑：耿 琦