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作者：羅會(huì)仟　　 中國(guó)科學(xué)院物理研究所
什么是物理？百科書上定義：物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用、最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及所使用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法的自然科學(xué)。中國(guó)宋明時(shí)代理學(xué)家有“格物致知、窮理明辨”的說法，Physics最初被翻譯成“格致”便是由此而來。世間萬物、宇宙縱橫、古往今來、已知未知都是物理學(xué)涉及的領(lǐng)域，由此可謂物理就是格萬物而致窮理的學(xué)科，是諸多自然科學(xué)的基礎(chǔ)。為什么人們要去格物窮理？是因?yàn)槿祟悓?duì)自身生存的這個(gè)世界充滿了好奇心和求知欲，而物理正是滿足人類好奇心和求知欲的手段和途徑。在對(duì)未知了解越多的進(jìn)程中，人類也試圖利用獲得的知識(shí)改進(jìn)生產(chǎn)和生活，從而進(jìn)一步推進(jìn)對(duì)未知的了解。在對(duì)物理的學(xué)習(xí)和探求中，人們總是不斷盼望得到好奇心的滿足和對(duì)未知的解答。因此，物理之路應(yīng)該是充滿驚喜和愉悅的。遺憾的是，我們中學(xué)的教育往往把奇妙的物理變成一堆枯燥的公式，許多剛接觸物理的同學(xué)往往對(duì)抽象的公式無所適從，于是物理成了許多同學(xué)厭惡甚至畏懼的學(xué)科。學(xué)習(xí)大學(xué)物理，我們最好從興趣這個(gè)最好的導(dǎo)師開始，讓物理從此變得有趣。
大學(xué)的物理專業(yè)學(xué)習(xí)，主要分三部分：基礎(chǔ)物理、近代物理和前沿物理。
大學(xué)基礎(chǔ)物理是基于中學(xué)物理的延伸和系統(tǒng)化，分力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和原子物理學(xué)等基礎(chǔ)理論課以及基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，基礎(chǔ)理論課是采用近代數(shù)學(xué)中的微積分、矢量代數(shù)等工具對(duì)經(jīng)典物理學(xué)中的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化講授，而相關(guān)的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)則是重復(fù)物理史上一些經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)同時(shí)掌握物理學(xué)中最基本的一些實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理分析等方法。學(xué)習(xí)基礎(chǔ)物理是跨入物理學(xué)習(xí)的第一步，也是興趣的起點(diǎn)。只有系統(tǒng)掌握了物理中常用的方式方法，培育物理的思維，才能體會(huì)物理的美妙之處。
近代物理則是在基礎(chǔ)物理知識(shí)的前提下，進(jìn)一步介紹近代物理中更加深入和系統(tǒng)的知識(shí)。其中最為重要四門課又稱“四大力學(xué)”，即經(jīng)典力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)（又稱熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理）。這些理論都是目前已經(jīng)非常成熟和相對(duì)完善的，“四大力學(xué)”是整個(gè)大學(xué)物理最關(guān)鍵也是最重要更是最難學(xué)的部分，是現(xiàn)代物理知識(shí)的基礎(chǔ)和源泉。學(xué)好“四大力學(xué)”對(duì)今后繼續(xù)深入學(xué)習(xí)物理前沿知識(shí)是非常重要的，也因?yàn)槠洹半y學(xué)”而成了諸多本科生最痛苦的方面，各人的悟性和理解方式以及學(xué)習(xí)方式不同將會(huì)導(dǎo)致完全不一樣的學(xué)習(xí)效果。大學(xué)一位教授常對(duì)我們說，“四大力學(xué)”學(xué)的好的同學(xué)足以給其他同學(xué)講課了，學(xué)的不好的同學(xué)肯定會(huì)感到“痛不欲生”的。尤其是量子力學(xué)，“用經(jīng)典的腦袋去理解量子的問題本來就是非常困難的”，“如果說你懂了量子力學(xué)，那你肯定不懂，因?yàn)槭澜缟蠜]有人懂得量子力學(xué)；如果你說還沒學(xué)懂量子力學(xué)，那也許你是懂了一點(diǎn)點(diǎn)了”。為什么學(xué)習(xí)會(huì)令人感到痛苦？事實(shí)上，還是方式方法不對(duì)路。因?yàn)楦咧形锢黼A段大都是應(yīng)試型的教育，學(xué)一個(gè)物理原理，不是為了理解它，而是記住它在什么情況下可以用，然后做題的時(shí)候套一套公式看能不能出來結(jié)果，把題目解答完了就行了。物理試題是可以無窮盡地編出來的，你永遠(yuǎn)都會(huì)有解答不完的題目。推導(dǎo)對(duì)物理原理的學(xué)習(xí)固然重要，但是如果忽略了對(duì)物理原理的理解，那你腦子里永遠(yuǎn)都是一堆枯燥的數(shù)學(xué)公式，無任何美妙可言，忘了也就忘了罷。如果沿用高中物理的學(xué)習(xí)方法，初始時(shí)候?qū)W習(xí)基礎(chǔ)物理恐怕問題不大，但若到了近代物理，推導(dǎo)和計(jì)算都大大復(fù)雜了許多，定律和公式也不再一成不變，它們往往就受到不同物理背景的限制，常常就會(huì)使得自己無所適從甚至感到厭煩。所以，學(xué)習(xí)近代物理時(shí)，必須努力去體會(huì)物理定律和原理下的物理背景，讓每個(gè)物理過程都能在腦海中形成清晰的物理圖像，這時(shí)物理公式自然就會(huì)出來，而無需費(fèi)盡腦汁去琢磨該用哪個(gè)公式。四大力學(xué)可以很復(fù)雜，系統(tǒng)化的知識(shí)架構(gòu)和不同的應(yīng)用環(huán)境會(huì)有許多衍生的物理原理出來。四大力學(xué)也可以很簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單到每個(gè)“力學(xué)”可以簡(jiǎn)化到幾個(gè)方程：經(jīng)典力學(xué)核心是哈密頓量和最小作用量原理，電動(dòng)力學(xué)是麥克斯韋方程組，量子力學(xué)是薛定諤方程，熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理是熱力學(xué)四大定律（第零定律、第一定律、第二定律和第三定律）、配分函數(shù)和劉維方程。這些方程不只是簡(jiǎn)單的字母和符號(hào)組合，它們是有生命的，可以生出整個(gè)近代物理大廈！如果說要記公式，那么“四大力學(xué)”就這么幾個(gè)公式需要記，因?yàn)槠渌蕉际撬鼈兊淖訉O。這就是物理學(xué)，既可以復(fù)雜困難，又可以簡(jiǎn)潔輕松。華羅庚常說讀數(shù)學(xué)書要“從厚到薄，再?gòu)谋〉胶瘛?，學(xué)習(xí)物理也是如此。走進(jìn)龐大的經(jīng)典物理和近代物理大廈，你會(huì)感到茫然失措，等你看清它的整個(gè)支撐架構(gòu)又是如此簡(jiǎn)潔時(shí)就會(huì)感到愉悅舒服，而從這些基本原理出發(fā)去體會(huì)整個(gè)大廈的藝術(shù)感時(shí)就是美感無窮。楊振寧說現(xiàn)代數(shù)學(xué)書分為兩種：“一種是看了一頁就看不下去的，另一種是看了一行就看不下去的?！睂W(xué)習(xí)近代物理我們也最好能多讀一些經(jīng)典名著，許多后期翻譯或者國(guó)內(nèi)重寫的教材總是有各種各樣的紕漏和誤導(dǎo)，讓人因看不懂而“看不下去”。推薦費(fèi)曼的《費(fèi)曼物理學(xué)講義》和海森堡的《量子力學(xué)》等書，他們更多地從實(shí)際生活的物理現(xiàn)象和最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)出發(fā)闡述物理原理，讓讀者有濃厚的欲望讀下去。當(dāng)然這些書最好是英文原版的，以便從語言習(xí)慣上更好地理解作者所要表達(dá)的意圖，也是對(duì)科研的國(guó)際語言——英文的最好鍛煉。

插圖選自清華大學(xué)物理系郭奕玲與沈慧君教授著《從宇觀世界到微觀世界》。

在基礎(chǔ)物理和近代物理學(xué)習(xí)之后，高年級(jí)本科生將開始接觸現(xiàn)代前沿物理。也有不少高校早在大一就開設(shè)現(xiàn)代物理前沿的講座課，如清華的楊振寧和北師大的黃祖洽先生都致力于把物理前沿介紹給新同學(xué)，目的在于激發(fā)新生的物理興趣。我不敢妄自評(píng)價(jià)這類課效果如何，但有一點(diǎn)可以肯定，絕大部分人都是在大三大四時(shí)候才略微對(duì)這些前沿物理問題懂了點(diǎn)，除極少數(shù)天才外，其余的同學(xué)都是對(duì)這些課的內(nèi)容不知所云。系統(tǒng)地學(xué)習(xí)基礎(chǔ)物理和近代物理，則給出了認(rèn)識(shí)現(xiàn)代前沿物理的一把鑰匙。物理學(xué)發(fā)展到今天，已經(jīng)有眾多分支專業(yè)了，我們姑且不論力學(xué)、電子學(xué)、天文學(xué)等一些派生專業(yè)，單純就物理學(xué)基礎(chǔ)研究而言，也是琳瑯滿目的。做物理學(xué)基礎(chǔ)研究的人員，約有八成又屬于凝聚態(tài)物理專業(yè)，其研究的物理對(duì)象主要是晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體、液體、軟物質(zhì)（如生物大分子之類）等處于凝聚狀態(tài)的物質(zhì)，其研究的物理性質(zhì)包括力學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等諸多方面，這些研究中面對(duì)的物理現(xiàn)象和物理過程非常豐富，如鐵磁、反鐵磁、亞鐵磁、自旋玻璃、超導(dǎo)、超流、超固等等。還有其他物理領(lǐng)域，如等離子體物理、量子光學(xué)、激光物理、核物理、粒子物理與宇宙學(xué)。我們也可以用不同的長(zhǎng)度尺度來劃分現(xiàn)代物理學(xué)的研究領(lǐng)域，如圖所示。學(xué)習(xí)現(xiàn)代前沿物理，若把精力放在那些更為復(fù)雜的公式上是要不得的，而應(yīng)該注重對(duì)新概念的理解和體會(huì)這個(gè)物理概念是如何提出的。前沿物理的意思就是許多物理現(xiàn)象是新近發(fā)現(xiàn)而且尚未有完善的物理理論來解釋，這就需要發(fā)展已有的物理概念，更多的是突破一些固有的思維障礙。現(xiàn)代物理學(xué)無論從研究手段還是研究方法上都有了巨大飛躍，對(duì)物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)也勢(shì)必更加全面和深入，而面臨的物理問題也更加復(fù)雜。一個(gè)物理問題的最終解決，往往很難通過個(gè)人的力量來實(shí)現(xiàn)，多學(xué)科合作和充分的學(xué)術(shù)交流已經(jīng)是必不可少的。所以，我們就必須從多個(gè)角度來學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)現(xiàn)代前沿物理。同一個(gè)物理現(xiàn)象，可能在多種實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段上得到體現(xiàn)，也可以用多種理論來得到解釋，而不存在誰對(duì)誰錯(cuò)的問題。這個(gè)階段正是學(xué)生對(duì)某個(gè)物理領(lǐng)域產(chǎn)生更加濃厚興趣的時(shí)候，這是大部分物理系本科生決定繼續(xù)從事物理研究的主要?jiǎng)恿Α?
大學(xué)物理學(xué)習(xí)過程除了以上這些理論方面知識(shí)外，另一大部分就是物理實(shí)驗(yàn)了?？赡芪锢韺?shí)驗(yàn)課時(shí)比重并不到一半，但是物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，要真正認(rèn)識(shí)物理，就必須從實(shí)驗(yàn)開始。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)一般分為普通物理實(shí)驗(yàn)、近代物理實(shí)驗(yàn)、專題項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)和其他選修實(shí)驗(yàn)。做實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)動(dòng)手和觀察能力的重要途徑，也將培養(yǎng)你的認(rèn)真、細(xì)心、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)瓤茖W(xué)態(tài)度。做實(shí)驗(yàn)前必須對(duì)你的實(shí)驗(yàn)原理和目的非常清楚，而觀察和分析是第一位的。站在實(shí)驗(yàn)儀器面前，先是觀察儀器的結(jié)構(gòu)和原理，然后才是動(dòng)手調(diào)節(jié)儀器設(shè)備，再是做實(shí)驗(yàn)測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)。不少同學(xué)一上來就著急擺弄儀器，結(jié)果折騰了三個(gè)多小時(shí)也沒調(diào)出所要的東西來，而有的同學(xué)只需要站著觀察五分鐘，然后動(dòng)手三分鐘就可以調(diào)試好儀器的狀態(tài)。倘若對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和目的不清楚，那就根本不知道怎么擺弄了。對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也必須認(rèn)真客觀對(duì)待，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)都是反映的你實(shí)驗(yàn)過程的真實(shí)狀態(tài)，但未必是你測(cè)量的物理現(xiàn)象的真實(shí)狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析前提下，剔除一些極其不合理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是允許的，但是隨意篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就失去了實(shí)驗(yàn)本身的意義。國(guó)內(nèi)許多高校的實(shí)驗(yàn)儀器都比較陳舊落后，有時(shí)總會(huì)出各種各樣莫名其妙的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，這是現(xiàn)實(shí)情況，可即使如此也不能隨意捏造實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)杜撰實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是做物理實(shí)驗(yàn)的基本原則。有了一些實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)后，一般在大三大四階段可以選擇一個(gè)專題實(shí)驗(yàn)，也可以參與到某個(gè)課題組的某項(xiàng)前沿研究中去，以培養(yǎng)良好的綜合實(shí)驗(yàn)素質(zhì)。而大學(xué)階段也有許多可選修的實(shí)驗(yàn)課，完全可以依據(jù)自己的興趣選擇。如電工學(xué)實(shí)驗(yàn)就可以教你如何制作電動(dòng)機(jī)和紅綠燈系統(tǒng)等，如電子電路實(shí)驗(yàn)可以教你制作簡(jiǎn)單的集成電路和微機(jī)控制電子儀器等。這些選修實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際生活還是很有幫助的，至少可以不讓別人嘲笑你作為物理系大學(xué)生不會(huì)換燈泡不會(huì)修收音機(jī)了。
學(xué)習(xí)完四年大學(xué)物理，即將面臨畢業(yè)的選擇?？梢哉f物理系的就業(yè)前景是非常廣闊的，許多著名的化學(xué)家、哲學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、心理學(xué)家甚至文學(xué)家都曾表示對(duì)物理的學(xué)習(xí)對(duì)其事業(yè)非常有幫助，或者他們就是物理科班出身的。物理系四年的學(xué)習(xí)，會(huì)培養(yǎng)你嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)頭腦、深邃的物理思維、敏銳的觀察力、靈巧的動(dòng)手能力等，這些方面在如今幾乎每個(gè)行業(yè)都是需要的。具體來說，物理專業(yè)的就業(yè)途徑可以是如下幾條：一是從事物理前沿研究，這些研究包括對(duì)基礎(chǔ)物理問題的研究和對(duì)物理現(xiàn)象的應(yīng)用研究；二是從事物理相關(guān)的領(lǐng)域研究或技術(shù)改進(jìn)，如微納電子學(xué)、通訊工程、機(jī)械制造和加工、自動(dòng)化工程、生物、化學(xué)等；三是從事物理學(xué)的教學(xué)工作，向別人講物理其實(shí)比學(xué)物理還要難，因?yàn)檫@必須保證你理解透了才能向別人講清楚；四是從事和物理關(guān)系不大但卻需要物理思維來增添活力的領(lǐng)域，比如經(jīng)濟(jì)學(xué)、哲學(xué)、心理學(xué)等，不要以為物理系的學(xué)生就做不了文科的行業(yè)，相反物理是理科和文科交流的最好的踏板。我所在的北師大就鼓勵(lì)畢業(yè)保送研究生的同學(xué)跨系跨專業(yè)，我們同學(xué)保送到文學(xué)院、心理學(xué)院、管理學(xué)院和經(jīng)濟(jì)學(xué)院的也大有人在，可見物理系的同學(xué)也是興趣廣泛的。用老師的一句話說，物理系畢業(yè)的同學(xué)，除了一般不從事數(shù)學(xué)行業(yè)外，其他都沒有問題。因?yàn)閿?shù)學(xué)到了物理學(xué)里往往變得不那么嚴(yán)格，而是根據(jù)實(shí)際物理圖像做出適當(dāng)?shù)慕?，以使得模型更為理想化和?jiǎn)潔化，也更容易得出物理結(jié)論。有不少大數(shù)學(xué)家也是大物理學(xué)家，不過確實(shí)很少物理學(xué)家后來轉(zhuǎn)行去做數(shù)學(xué)的，因?yàn)閿?shù)學(xué)家常問：“你們?cè)趺纯梢赃@么近似？”
總而言之，學(xué)習(xí)大學(xué)物理是非常有用也是非常有價(jià)值的一件事情，通過對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)可以塑造一個(gè)人靈活深邃的思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真做事態(tài)度，這不正是我們?cè)谏钪兴非蟮拿?？?dāng)然，正確的物理學(xué)習(xí)方法很重要，如果仍然采用機(jī)械化推公式的中學(xué)物理學(xué)習(xí)方法的話，那整個(gè)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)必將越來越痛苦，因?yàn)榉匠炭偸窃絹碓綇?fù)雜的。學(xué)習(xí)大學(xué)物理，必須從物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)形成清晰的物理圖像，然后才是構(gòu)造物理模型和解釋物理問題，這個(gè)過程的不斷進(jìn)行就是對(duì)物理興趣的不斷培養(yǎng)。要格萬物而致窮理，沒有好奇心帶來的濃厚興趣，終究是徒勞無益。