武陵观察网 科技 物理直觉是如何养成的?徐一鸿:思考比计算要困难得多

物理直觉是如何养成的?徐一鸿:思考比计算要困难得多

·“重要的是要帮助学生培养更多的物理直觉,这也是我写这本书的原因之一。如何培养物理直觉?我在书里提到了两种可能性:天生就拥有物理直觉,或者通过不断练习发展物理直觉。”

徐一鸿教授。

“你应该先思考。思考比计算要困难得多,大多数人都可以坐下来计算,但不计算就思考问题,这是极其困难的。”

12月13日,美国加州大学圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)物理系教授徐一鸿(Anthony Zee)在线上参加了由普林斯顿大学出版社主办以“物理直觉是如何养成的?”为主题的讲座。会上,徐一鸿围绕他的新作“Fly by Night Physics: How Physicists Use the Backs of Envelopes”进行了分享,并作了上述发言。清华大学物理系教授楼宇庆主持活动,并与上海交通大学李政道研究所物理与天文学院教授何红建一起,与徐一鸿对话。

徐一鸿是美籍华裔物理学家、作家,籍贯上海,出生于昆明,后移民到巴西,现任美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理系教授。据“普林斯顿读书汇”公众号介绍,徐一鸿的研究领域十分广泛,涉及高能物理学、场论、宇宙学、生物物理学、凝聚态物理学、数学物理学等诸多领域。据悉,徐一鸿已发表200多篇论文及一些科普著作,代表作有《可畏的对称》,《爱因斯坦的宇宙》》(原名《老人的玩具》),《吞云》,《力的统一》等。

会上,徐一鸿首先分享了他大学时期的经历。在上大学的第一周,徐一鸿的老师——著名理论物理学家 John Wheeler 对班上的同学们说:“除非你已经知道答案,否则永远不要计算!”同学们都觉得很震惊,因为他们在高中学到的是,物理学的核心是尽可能多的计算,“计算到耳朵冒烟”。

“这句话意味着你应该先思考。思考比计算要困难得多,大多数人都可以坐下来计算,但不计算就思考问题,这是极其困难的。”徐一鸿说。

在多年的教学生涯中,徐一鸿观察到一个明显矛盾的现象:很多学生在课程上表现出色,在考试中表现得很好,但他们的研究很平庸。“这是因为做作业、考试和做研究是不一样的。因为大家在做作业、考试时有一种在课程中学到的方法,可以应用于解决问题。但是做研究通常没有方法。”他说。

他记得,三四十年前,一位博士后熬了一夜,做了大约60页的复杂计算。徐一鸿看到后说,结果与他的直觉不太一致。并且,这位博士后不能用文字解释他的结果。徐一鸿总是希望人们用文字解释物理,而不是写下大量的方程式。在那60页纸中,他们最后发现了一个复制错误,意味着其余的计算都是错误的。“这是一种盲目的计算,不用直觉来考虑问题。”徐一鸿说。

其实,这位博士后看过很多书,在和他讨论物理时,他总是告诉徐一鸿,书里有答案,可以查一查。最后,徐一鸿告诉他,把这些书都放进纸箱里,不要再看任何书。40年后,这位博士后非常感激他,认为徐一鸿当时的建议十分正确。

因此,徐一鸿认为要帮助学生培养更多的物理直觉,这也是他写作“Fly by Night Physics: How physicists Use the Backs of Envelopes”的原因之一。他在书里提到物理直觉的两种可能性,一是天生就拥有这种直觉,二是通过不断的练习去培养这种直觉。例如,通过做大量的计算,就有可能发展出物理直觉。

受John Wheeler 的启发,徐一鸿在美国加州大学圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)开设了一门关于“物理夜航学”的专题课程,在课堂上要求学生每次做计算时都先思考答案。徐一鸿在“Fly by Night Physics”前言中介绍,“物理夜航学”是指在长途汽车或者飞机上的不眠之夜,没有可供计算的笔和纸,一样可以解决问题。因此在徐一鸿的课上,学生们被要求把计算记在脑子里。“没有笔和纸很有趣,你可能被迫专注于基本物理学的要点,而不是担心工具、眼睛和各种事物的顺序。”徐一鸿说。

但徐一鸿也并不是不喜欢日航式物理(fly by day physics,意即严谨计算的物理)。正如他在书中前言所写,“如果你能的话,当然应该做精确的计算!但即使你要这么做,也要先随手拿张纸做个粗算,把关键点搞清楚,这将指导你准确而深入的思考,并对你的答案进行实在的检验。等你一丝不苟地计算完,你还应该看看是否能回忆起每一个数值因子2和π是怎么来的。这种做法可以赋予你第六感,使你之后在夜航般做物理时也能放进一些数值因子2和π”。

徐一鸿表示,他的书强调如何基于物理直觉和理解来猜测答案。而这通常需要掌握基本的物理知识,知道什么是相关的、什么是不相关的。他还强调物理学的乐趣。他在前言中写道,“我意识到物理学能够描述真实的世界!本书强调的是乐趣,是理解的乐趣,而不是技术上的掌握,当然更不是乘除的能力。”

楼宇庆表示,徐一鸿告诉大家一种思考物理的方式:当进行非常复杂的计算时,应该回想一下出发点是什么,哪几步是最重要的。此外,从事前沿物理工作的人,在得出重要结果时,常常需要大胆的猜测,即需要一种勇敢尝试的精神。

何红建则表示,他在清华大学和上海交通大学教授多年的量子场论课程,一贯反对当堂的闭卷考试。因为在量子场论领域,强调考试是没有意义的。而中国的高考制度下,学生们在中学所受的训练都是为了解决一个已经知道答案的问题,因此对于不知道答案的做研究的方法,学生们可能需要更多感觉。此外他还认为,数学家和物理学家都有直觉,只是两者的直觉不同。数学家只需把问题证明出来,而物理学经常不知道问题在哪。

据“普林斯顿读书汇”介绍,在典型的物理课堂中,学生们试图掌握大量的数学方法以应对物理中的精确计算。因此,学生们常常产生一种印象,认为物理学由定义明确的方程式组成,必须通过严密推理和逻辑步骤来解决。标准化的教科书练习也强化了这种印象。但徐一鸿教授指出,这种标准的教学方式忽略了对“物理直觉”的训练。在现实中,物理学充满了粗略的估计、数量级的猜测,以及各种逻辑上的“跳步骤”。即便是最优秀的学生,在开始进行物理研究时,也会发现自己对所面临的挑战毫无准备。

在“Fly by Night Physics”一书中,徐一鸿介绍了如何使用物理推导和合理估算来解决问题,以帮助学生们转换思维,走出课堂“刷题”模式,进入真正的物理研究殿堂。从霍金辐射到引力波,该书涵盖了物理学中所有令人兴奋的前沿话题,它将帮助学生更深入地理解他们所学到的知识,开始用直觉思考物理,以获取他们所寻求的答案。

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