水煮物理-格万物而致穷理.docx

格万物而致穷理2010年09月19日　作者：罗会仟　　 中国科学院物理研究所　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