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学物理太难了,其实你需要建立鲜活的“物理直觉”

第一财经 2020-06-13 11:05:52

作者:周思益    责编:李刚

《六极物理》就是从极快、极大、极重、极小、极热、极冷六个方面,帮大家建立“物理直觉”。这些“极”,都是超出我们日常生活所能直接接触到的事物的。

记得读中学时,班上很多同学对物理有非常浓厚的兴趣,但后来,很少人真会去学物理。原因之一,是大家逐渐有了各自更感兴趣的领域,但另一部分,是因为他们被大学物理书上一堆一堆的公式弄怕了,觉得自己很可能学不好。

那么真正做科研,需要会算公式吗?有的领域肯定需要,比如建造粒子物理对撞机,当然要计算各种费曼图。有的领域不需要,比如李奥纳特·苏士侃做的一些工作。作为一个不是物理专业的人来说,能理解这些工作是怎么回事,就很开心了。而理解这些工作,并不需要真正像做科研一样,把所有公式都理解然后熟练运用。那怎样才能在不看到很多公式的情况下理解这些内容呢?当然就需要一个理解了这些公式的领路人。严伯钧老师这本《六极物理》,就可以帮大家建立起“物理直觉”,在不需要公式的情况下理解物理的精髓。

“物理直觉”一直都很重要。很多人能学好牛顿力学,但到后面就不行了,因为牛顿力学跟大家的生活息息相关。我们研究单摆,自己拿绳子系一个球就可以在家里玩。但现在物理学的发展越来越尖端,人类对世界的认识越来越深入,很多东西,大家不可能拿到实体在家里玩,自然也就想象不出来这个东西是什么样子。科学家研究这些东西,把结果写成了公式。很多人就算拿着这些公式能够算出结果来,直觉上可能也没有理解。甚至于做科研,有的人做了一大堆的计算,可是这个领域最顶尖的人,可能有时候一眼就看出计算的毛病,这靠的就是“物理直觉”。

《六极物理》就是从极快、极大、极重、极小、极热、极冷六个方面,帮大家建立“物理直觉”。这些“极”,都是超出我们日常生活所能直接接触到的事物的,我们没法把它们拿到家里做实验。但看了这本书,就好像我们真能看到这些东西一样。

比如“极快篇”,就通过普朗克和爱因斯坦的火车实验,来阐明狭义相对论的一些原理。爱因斯坦坐在火车上以接近光速运行,普朗克在地面上看他。两人测量的光速是一样的,但普朗克觉得爱因斯坦时间慢了,爱因斯坦则觉得普朗克时间慢了。这说明了“钟慢效应”,后面又用同样的例子说明了“尺缩效应”,即同时的相对性和刚体悖论。在现实生活中,我们远远达不到这么高的让我们能感受到相对论效应的速度。但跟着严老师这本书,我们好像身临其境,真的能跟普朗克交流,普朗克告诉我们:“你看呐,爱因斯坦那边的时间怎么过得那么慢呢?”渐渐的,读者的心中就能培养出这样的“物理直觉”。虽然我们没法坐上宇宙飞船去宇宙遨游一圈再回来,可是当我们闭上眼睛,真的就可以想象出,在未来,也许我们的朋友坐上了这样的飞船,我们和他们所看到的空间、体会到的时间会是什么样子。

再比如“极重篇”里面讲“等效原理”时,也有爱因斯坦和普朗克扔苹果的例子。在日常经验中,我们也许玩过蹦极,知道自由落体下落是什么感觉。但很少有人到过太空,也不知道在太空身处没有重力的环境是什么感觉。严老师就带着我们,好像跟普朗克一起,在一个电梯里面醒来,然后面面相觑,不知道自己在地球上,还是已经被人拐卖到宇宙中而没有重力了,只不过让电梯加速运动来给我们造成还在地球上的错觉。这时候,无论我们怎样扔苹果,都不能判断我们身处何方,到底我们是在加速还是我们仍在地球上。读者可以想象,在太空中的感觉其实也就跟我们蹦极时的感觉是一样的。

类似这样充满“物理直觉”的例子,同样也可以在“极重”“极小”“极热”“极冷”诸篇中找到生动的例子。读者好像可以在自己的大脑中建立这样的实验室,一闭眼,就可以把整个宇宙想象出来;可以把自己缩小成蚁人那么小,看看原子长什么样;可以像超人一样,进入太阳的中心,看看核聚变是怎么发生的。这可能是我们从小的梦想:我们想看看,这样的世界到底是什么样子。

这样的“物理直觉”对物理学习非常非常重要。因为只有眼前出现了这样的物理场景,能够看到发生了什么,后面才知道该用什么样的公式去形容眼前出现的场景。从这个角度说,《六极物理》不仅对于非物理专业的物理爱好者或有志于学习物理的高中生有着非常重要的意义,即便对于物理专业的本科生来说,也有一定的帮助。虽然很多内容物理专业的本科生已经学过了,但是其实相当一部分人也还是停留在会背书上的公式、会套公式在考试中算对的层次上。而在这个层次上,并不会有身临其境的感觉,因而难以在物理学的领悟上更进一步。

《六极物理》

严伯钧 著

接力出版社 2020年4月版

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