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格万物而致穷理
澳门新萄京官方网站:2010-09-19文章来源:

 作者:罗会仟   新萄京科学院物理研究所

  什么是物理?百科书上定义:物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。中国宋明时代理学家有“格物致知、穷理明辨”的说法,Physics最初被翻译成“格致”便是由此而来。世间万物、宇宙纵横、古往今来、已知未知都是物理学涉及的领域,由此可谓物理就是格万物而致穷理的学科,是诸多自然科学的基础。为什么人们要去格物穷理?是因为人类对自身生存的这个世界充满了好奇心和求知欲,而物理正是满足人类好奇心和求知欲的手段和途径。在对未知了解越多的进程中,人类也试图利用获得的知识改进生产和生活,从而进一步推进对未知的了解。在对物理的学习和探求中,人们总是不断盼望得到好奇心的满足和对未知的解答。因此,物理之路应该是充满惊喜和愉悦的。遗憾的是,我们中学的教育往往把奇妙的物理变成一堆枯燥的公式,许多刚接触物理的同学往往对抽象的公式无所适从,于是物理成了许多同学厌恶甚至畏惧的学科。学习大学物理,我们最好从兴趣这个最好的导师开始,让物理从此变得有趣。

  大学的物理专业学习,主要分三部分:基础物理、近代物理和前沿物理。

  大学基础物理是基于中学物理的延伸和系统化,分力学、光学、热学、电磁学和原子物理学等基础理论课以及基础物理实验,基础理论课是采用近代数学中的微积分、矢量代数等工具对经典物理学中的知识进行系统化讲授,而相关的基础物理实验则是重复物理史上一些经典的实验同时掌握物理学中最基本的一些实验操作和数据处理分析等方法。学习基础物理是跨入物理学习的第一步,也是兴趣的起点。只有系统掌握了物理中常用的方式方法,培育物理的思维,才能体会物理的美妙之处。

  近代物理则是在基础物理知识的前提下,进一步介绍近代物理中更加深入和系统的知识。其中最为重要四门课又称“四大力学”,即经典力学、电动力学、量子力学和统计力学(又称热力学与统计物理)。这些理论都是目前已经非常成熟和相对完善的,“四大力学”是整个大学物理最关键也是最重要更是最难学的部分,是现代物理知识的基础和源泉。学好“四大力学”对今后继续深入学习物理前沿知识是非常重要的,也因为其“难学”而成了诸多本科生最痛苦的方面,各人的悟性和理解方式以及学习方式不同将会导致完全不一样的学习效果。大学一位教授常对我们说,“四大力学”学的好的同学足以给其他同学讲课了,学的不好的同学肯定会感到“痛不欲生”的。尤其是量子力学,“用经典的脑袋去理解量子的问题本来就是非常困难的”,“如果说你懂了量子力学,那你肯定不懂,因为世界上没有人懂得量子力学;如果你说还没学懂量子力学,那也许你是懂了一点点了”。为什么学习会令人感到痛苦?事实上,还是方式方法不对路。因为高中物理阶段大都是应试型的教育,学一个物理原理,不是为了理解它,而是记住它在什么情况下可以用,然后做题的时候套一套公式看能不能出来结果,把题目解答完了就行了。物理试题是可以无穷尽地编出来的,你永远都会有解答不完的题目。推导对物理原理的学习固然重要,但是如果忽略了对物理原理的理解,那你脑子里永远都是一堆枯燥的数学公式,无任何美妙可言,忘了也就忘了罢。如果沿用高中物理的学习方法,初始时候学习基础物理恐怕问题不大,但若到了近代物理,推导和计算都大大复杂了许多,定律和公式也不再一成不变,它们往往就受到不同物理背景的限制,常常就会使得自己无所适从甚至感到厌烦。所以,学习近代物理时,必须努力去体会物理定律和原理下的物理背景,让每个物理过程都能在脑海中形成清晰的物理图像,这时物理公式自然就会出来,而无需费尽脑汁去琢磨该用哪个公式。四大力学可以很复杂,系统化的知识架构和不同的应用环境会有许多衍生的物理原理出来。四大力学也可以很简单,简单到每个“力学”可以简化到几个方程:经典力学核心是哈密顿量和最小作用量原理,电动力学是麦克斯韦方程组,量子力学是薛定谔方程,热力学与统计物理是热力学四大定律(第零定律、第一定律、第二定律和第三定律)、配分函数和刘维方程。这些方程不只是简单的字母和符号组合,它们是有生命的,可以生出整个近代物理大厦!如果说要记公式,那么“四大力学”就这么几个公式需要记,因为其他公式都是它们的子孙。这就是物理学,既可以复杂困难,又可以简洁轻松。华罗庚常说读数学书要“从厚到薄,再从薄到厚”,学习物理也是如此。走进庞大的经典物理和近代物理大厦,你会感到茫然失措,等你看清它的整个支撑架构又是如此简洁时就会感到愉悦舒服,而从这些基本原理出发去体会整个大厦的艺术感时就是美感无穷。杨振宁说现代数学书分为两种:“一种是看了一页就看不下去的,另一种是看了一行就看不下去的。”学习近代物理我们也最好能多读一些经典名著,许多后期翻译或者国内重写的教材总是有各种各样的纰漏和误导,让人因看不懂而“看不下去”。推荐费曼的《费曼物理学讲义》和海森堡的《量子力学》等书,他们更多地从实际生活的物理现象和最简单的数学基础出发阐述物理原理,让读者有浓厚的欲望读下去。当然这些书最好是英文原版的,以便从语言习惯上更好地理解作者所要表达的意图,也是对科研的国际语言——英文的最好锻炼。

  

  

  插图选自清华大学物理系郭奕玲与沈慧君教授著《从宇观世界到微观世界》。

  在基础物理和近代物理学习之后,高年级本科生将开始接触现代前沿物理。也有不少高校早在大一就开设现代物理前沿的讲座课,如清华的杨振宁和北师大的黄祖洽先生都致力于把物理前沿介绍给新同学,目的在于激发新生的物理兴趣。我不敢妄自评价这类课效果如何,但有一点可以肯定,绝大部分人都是在大三大四时候才略微对这些前沿物理问题懂了点,除极少数天才外,其余的同学都是对这些课的内容不知所云。系统地学习基础物理和近代物理,则给出了认识现代前沿物理的一把钥匙。物理学发展到今天,已经有众多分支专业了,我们姑且不论力学、电子学、天文学等一些派生专业,单纯就物理学基础研究而言,也是琳琅满目的。做物理学基础研究的人员,约有八成又属于凝聚态物理专业,其研究的物理对象主要是晶体、非晶体、准晶体、液体、软物质(如生物大分子之类)等处于凝聚状态的物质,其研究的物理性质包括力学、磁学、光学、电学、热学等诸多方面,这些研究中面对的物理现象和物理过程非常丰富,如铁磁、反铁磁、亚铁磁、自旋玻璃、超导、超流、超固等等。还有其他物理领域,如等离子体物理、量子光学、激光物理、核物理、粒子物理与宇宙学。我们也可以用不同的长度尺度来划分现代物理学的研究领域,如图所示。学习现代前沿物理,若把精力放在那些更为复杂的公式上是要不得的,而应该注重对新概念的理解和体会这个物理概念是如何提出的。前沿物理的意思就是许多物理现象是新近发现而且尚未有完善的物理理论来解释,这就需要发展已有的物理概念,更多的是突破一些固有的思维障碍。现代物理学无论从研究手段还是研究方法上都有了巨大飞跃,对物理现象的认识也势必更加全面和深入,而面临的物理问题也更加复杂。一个物理问题的最终解决,往往很难通过个人的力量来实现,多学科合作和充分的学术交流已经是必不可少的。所以,我们就必须从多个角度来学习认识现代前沿物理。同一个物理现象,可能在多种实验测量手段上得到体现,也可以用多种理论来得到解释,而不存在谁对谁错的问题。这个阶段正是学生对某个物理领域产生更加浓厚兴趣的时候,这是大部分物理系本科生决定继续从事物理研究的主要动力。

  大学物理学习过程除了以上这些理论方面知识外,另一大部分就是物理实验了。可能物理实验课时比重并不到一半,但是物理学是以实验为基础的学科,要真正认识物理,就必须从实验开始。大学物理实验一般分为普通物理实验、近代物理实验、专题项目实验和其他选修实验。做实验是培养动手和观察能力的重要途径,也将培养你的认真、细心、严谨等科学态度。做实验前必须对你的实验原理和目的非常清楚,而观察和分析是第一位的。站在实验仪器面前,先是观察仪器的结构和原理,然后才是动手调节仪器设备,再是做实验测量并记录数据。不少同学一上来就着急摆弄仪器,结果折腾了三个多小时也没调出所要的东西来,而有的同学只需要站着观察五分钟,然后动手三分钟就可以调试好仪器的状态。倘若对实验原理和目的不清楚,那就根本不知道怎么摆弄了。对于实验数据也必须认真客观对待,实验数据永远都是反映的你实验过程的真实状态,但未必是你测量的物理现象的真实状态。在实验数据统计分析前提下,剔除一些极其不合理的实验数据是允许的,但是随意篡改实验数据就失去了实验本身的意义。国内许多高校的实验仪器都比较陈旧落后,有时总会出各种各样莫名其妙的错误数据,这是现实情况,可即使如此也不能随意捏造实验数据杜撰实验结果,这是做物理实验的基本原则。有了一些实验基础后,一般在大三大四阶段可以选择一个专题实验,也可以参与到某个课题组的某项前沿研究中去,以培养良好的综合实验素质。而大学阶段也有许多可选修的实验课,完全可以依据自己的兴趣选择。如电工学实验就可以教你如何制作电动机和红绿灯系统等,如电子电路实验可以教你制作简单的集成电路和微机控制电子仪器等。这些选修实验对实际生活还是很有帮助的,至少可以不让别人嘲笑你作为物理系大学生不会换灯泡不会修收音机了。

  学习完四年大学物理,即将面临毕业的选择。可以说物理系的就业前景是非常广阔的,许多著名的化学家、哲学家、经济学家、心理学家甚至文学家都曾表示对物理的学习对其事业非常有帮助,或者他们就是物理科班出身的。物理系四年的学习,会培养你严谨的数学头脑、深邃的物理思维、敏锐的观察力、灵巧的动手能力等,这些方面在如今几乎每个行业都是需要的。具体来说,物理专业的就业途径可以是如下几条:一是从事物理前沿研究,这些研究包括对基础物理问题的研究和对物理现象的应用研究;二是从事物理相关的领域研究或技术改进,如微纳电子学、通讯工程、机械制造和加工、自动化工程、生物、化学等;三是从事物理学的教学工作,向别人讲物理其实比学物理还要难,因为这必须保证你理解透了才能向别人讲清楚;四是从事和物理关系不大但却需要物理思维来增添活力的领域,比如经济学、哲学、心理学等,不要以为物理系的学生就做不了文科的行业,相反物理是理科和文科交流的最好的踏板。我所在的北师大就鼓励毕业保送研究生的同学跨系跨专业,我们同学保送到文学院、心理学院、管理学院和经济学院的也大有人在,可见物理系的同学也是兴趣广泛的。用老师的一句话说,物理系毕业的同学,除了一般不从事数学行业外,其他都没有问题。因为数学到了物理学里往往变得不那么严格,而是根据实际物理图像做出适当的近似,以使得模型更为理想化和简洁化,也更容易得出物理结论。有不少大数学家也是大物理学家,不过确实很少物理学家后来转行去做数学的,因为数学家常问:“你们怎么可以这么近似?”

  总而言之,学习大学物理是非常有用也是非常有价值的一件事情,通过对物理知识的学习可以塑造一个人灵活深邃的思维方法和严谨认真做事态度,这不正是我们在生活中所追求的么?当然,正确的物理学习方法很重要,如果仍然采用机械化推公式的中学物理学习方法的话,那整个大学物理的学习必将越来越痛苦,因为方程总是越来越复杂的。学习大学物理,必须从物理实验现象出发形成清晰的物理图像,然后才是构造物理模型和解释物理问题,这个过程的不断进行就是对物理兴趣的不断培养。要格万物而致穷理,没有好奇心带来的浓厚兴趣,终究是徒劳无益。

  

  【作者声明】本文发表在《大学指南》2010年第6期。


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