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如何自学物理?绝世武功的目录在此|科技袁理

袁岚峰 风云之声 2023-05-21


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本视频于2022年10月18日发布于西瓜视频,观看量5.6w


业余爱好者能不能自学成为物理学家?几年前,有朋友给我介绍了一位他的女性朋友,说这位同学是文科出身,但特别热爱物理学,想来问我能不能自学成才。我首先赞扬了她对科学的热情,告诉她这是完全可能的,例如著名理论物理学家、超弦理论的代表人物、菲尔兹奖获得者Edward Witten,就是历史学本科毕业后,从头开始学物理的。


Edward Witten

然后我告诉她,有一个资料是专门为自学者准备的,这就是1999年诺贝尔奖获得者、荷兰物理学家Gerard 't Hooft的网页《如何成为一个好的理论物理学家》(HOW to BECOME a GOOD THEORETICAL PHYSICIST)。下面,我们来介绍一下't Hooft的这篇长文。


Gerard 't Hooft


此文开头就是雷击:

我经常收到业余物理学家的动机良好但完全无用的邮件,他们相信自己解释了世界。他们相信这一点,只是因为他们对现代物理学解决问题的真正方法一无所知。如果你真的想对我们对物理定律的理论理解有所贡献——如果你成功了,这是一种令人激动的体验!——那么有许多事是你需要知道的。首先,要严肃地对待它……



我可以评论一句,我和't Hooft至少有一个共同体验,就是经常收到民科的来信,有发email的,有发微信的,甚至还有寄包裹的。't Hooft对这些人的本质也一针见血:他们对现代物理学解决问题的真正方法一无所知。民科一般都已经陷在自己的幻想中出不来了,不过对于真正想学习的人,该怎么办呢?在下一段,'t Hooft给他们指出一条生路:


在当今时代,从网络上收集所有你需要的知识应该是可能的。然而问题在于,在网上有如此多的垃圾。是否有可能从中挑选出那些非常少有的真正有用的网页?我精确地知道哪些知识应该被教给初学者。那些绝对必需的课程的名字和主题容易列出来,这正是我在下面做的。我有意识地在网上搜索了哪里有真正有用的论文和书籍,最好是可下载的。这样,成为一个理论物理学家的成本应该不会大大超过一台联网的计算机、一台打印机以及许多的纸和笔。不幸的是,我仍然不得不推荐买一些教材,但在这里提这个建议比较困难,可能放到将来的一个网页。让我们首先把自己限制在绝对的最低需求。下面列出的主题必须被学习。任何遗漏都会受到失败的惩罚。



我来评论一下。苏联物理学家、1962年诺贝尔奖获得者朗道(Lev Davidovich Landau,1908 - 1968)有一个考核要求,叫做“理论物理最低标准”,通过这个最低标准考试的人才有资格成为他的学生。名字叫最低标准,其实是个极高的标准。



Lev Davidovich Landau



“理论物理最低标准”考核
从朗道1935年开始发布标准到他1962年出车祸,27年中只有40多人通过了这个最低标准的考试,其中包括中国学者卓益忠、郝柏林。

通过考试者名单

中国学者卓益忠、郝柏林

许多尝试者折戟沉沙,被朗道通知说不适合从事理论物理研究。向考生解释这种不愉快决定的活总是由朗道自己去干。所以看到't Hooft这句“让我们首先把自己限制在绝对的最低需求”,我首先就想到了朗道的最低标准!


继续往下看:

请正确地理解我:你不需要像信仰一样相信你读到的任何东西——检验它。尝试另外的途径,越多越好。你将会一再发现,这些人做的真的就是有可能做的最聪明的事。



我来评论一下。我在教学中经常让同学们把我们代入历史上那些科学家的位置,设想自己面临着他们当时面临的问题,手头有的只是他们当时的工具。好比你就是玻尔兹曼,你就是爱因斯坦,你面对着统计力学的问题或者运动物体电动力学的问题,你该怎么办?如果你认真做了思考,你就会做出他们当时所做的推导,得到他们当时得到的结论。你就会发现,他们做的就是当时条件下最好的。这样,你才深入理解了一个理论,以后面对新的问题时才会提出新的理论,这就是创造力的来源。


继续往下看:

奇妙的是,最好的教材都带着习题。做这些习题,确认你能理解所有事情。尝试达到这样的阶段,你能找出大量的印刷错误、小的错误以及重要的错误,并且设想你如何能以一种更聪明的方法写这些教材。



看到这里我笑了,这绝对是专业人士的经验之谈。无论多好的书,在认真研究的内行看来都会找出大量的错误,这也正是内行的标志之一。许多出版社经常找我推荐书,我每次都认真研读,而且每次都给出版社提出大量的修订意见,以至于有些书干脆把我写成了“特约审校”!



还有最后那句“设想你如何能以一种更聪明的方法写这些教材”,我在写《量子信息简话》的时候也深有体会。


《量子信息简话》

量子信息的教材和科普书都已经有不少了,但普通读者往往在开头就读不下去,讲述的顺序就是原因之一。通过几年来四处做报告、跟听众交流的体会,我决定在《量子信息简话》中大幅度改变常规的顺序,把最容易理解的量子精密测量放在前面,然后讲量子力学的原理,然后讲量子计算,最后才讲量子通信中的量子密码。


这是因为理解量子密码所需的基础知识是最多的,不仅包括量子力学原理,甚至还包括传统密码学。量子密码在媒体上出现的频率最高,因为中国在这个领域取得了很多成果,但如果不讲清楚这些前置知识,对量子密码的介绍就永远是语焉不详,甚至让人越看越糊涂,许多人干脆认为它是伪科学了。因此,我在书中把量子密码放在最后,在前面甚至还专门用一章介绍了传统密码学。只有这样,读者才能明白量子密码是什么,它解决了什么问题,它为什么能解决这个问题。相信任何人循序渐进地看下来,都会透彻地理解这个领域。



让我们来看't Hooft的第三段:

我可以告诉你我自己的经验。我有一个巨大的幸运,就是在身边有许多优秀的教师。这有助于防止误入歧途。这帮助我一路赢得诺贝尔奖。但我那时没有网络。现在我努力尝试作你的教师。这是一个令人望而生畏的任务。我在请求学生们、同事们和教师们帮助我改进这个网站。它目前是为那些希望成为理论物理学家的人设置的,不是普通的理论物理学家,而是最好的,那些完全决心赢得自己的诺贝尔奖的人……



再来看第四段:

理论物理学就像一座摩天大厦。它有坚实的基础,在初等数学和经典(二十世纪前)物理的概念。不要认为二十世纪前的物理学是“无关的”,因为现在我们多了那么多。在那些日子里,为我们现在享受的知识铺下了坚实的基础。不要尝试构筑你的摩天大厦,在你首先重新构筑这些基础之前。我们的摩天大厦最下面的几层包括高等的数学形式,它们把经典物理理论变成它们自己的美丽。它们是必需的,如果你希望走到更高。所以,然后就是下面列出的许多其他主题。最后,如果你足够疯狂,想解决那些极其令人迷惑的问题如调和引力物理与量子世界,你最终就会研究广义相对论、超弦理论、M-理论、卡拉比-丘成桐紧致化等等。这是当前这栋摩天大厦的顶端。还有其他的顶峰,如玻色-爱因斯坦凝聚、分数量子霍尔效应,以及更多……



从这些介绍中,可以一窥理论物理体系的宏大。下面,'t Hooft开始按照逻辑顺序介绍具体的领域。这些领域包括:语言、初等数学、经典力学、光学、统计力学和热力学、电子学、电磁学、量子力学、原子分子、固态物理、核物理、等离子体物理、高等数学、狭义相对论、高等量子力学、唯象学、广义相对论、量子场论、超弦理论。大家顺着这个网页看下去,就能看到每一个领域的知识点和推荐教材。

让人想起电影《鹿鼎记》里陈近南的台词:“这一本只不过是绝世武功的目录,那一堆才是绝世武功的秘籍。”陈近南后面那句也很适合:“看了就九死一生,不看就十死无生。”



电影《鹿鼎记》台词


介绍完't Hooft的绝世武功目录,最后让我们回到最初来问我如何自学的那位女同学。过了一段时间,我问她学得怎么样了。她的回答是:物理太难了,不过我找了个学物理的男朋友!我不禁大笑,说:这样也好,效率说不定更高!


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■ 作者简介

袁岚峰

中国科学院科学传播研究中心副主任
中国科学技术大学科技传播系副主任
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员
科技与战略风云学会会长



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