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【闲聊】非专业物理爱好者养成指南

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【前言】
这是一个我想开坑许久的问题了。
事实上无论是在知乎贴吧还是一些科学论坛上,总会出现如下的问题:
1、我是一个高中生/初中生/非物理数学专业/在职工作很多年的人,我想要学习和了解物理学,我该怎么做?
2、我对相对论/量子力学的好多新奇现象非常好奇,请问我要怎么去了解更多?
而对于这些问题的解答,我觉得首先要依赖于我提出的这两个问题:
1、你想学物理到什么程度?
2、对于你来说,物理学是什么?你想知道些什么?
这两个问题是非常重要的,它们会直接影响到你的进阶路径。
如果说你的最终目标是想成为一名物理学(在这里尤其指理论物理)的研究者,换句话说你的最终目的是做自己的研究,那么我的建议是,请你务必搜出来t'Hooft所写的文章《如何成为一名优秀的理论物理学家》。我在这里援引一下他的话:
“理论物理好比一座摩天大厦,它最基础的部分就是基础数学和经典的(20世纪之前的)物理学内容。不要认为因为我们已经懂得很多,从而20世纪之前的物理学就是无关紧要的了。在那些日子里,有了这些坚实的基础才有了我们现在享用的知识。在你没有亲自建好地基之前,不要妄想去建立你的摩天大厦。我们摩天大厦的最初几层是由高等数学公式构成,它们是由经典物理学理论变成的漂亮公式。如果你想更进一层,它们是必须要走的。接着,就是后面所列的许多课题。最终,如果你足够疯狂,你希望解决那些量子世界里的 Reconciling Gravitational 物理中异常繁难的问题,你就需要学习广义相对论、超弦理论、M-理论、 Calabi-Yau compactification ,等等。这是目前摩天大厦的顶端。还有一些其它的顶端,比如玻色-爱因斯坦凝聚、分数量子霍尔效应等等。根据过去这些年的证明,这些也同时是非常好的诺贝尔奖级别的课题。给你一个忠告:即使你非常聪明,你仍然会在某处陷入困境。自己在网上冲浪吧,尽情找吧。告诉我你发现了什么。如果此站点帮助了某些正准备进入大学学习的人,或者激励了某些人,或者替某些人引了路,帮助他或她在科学的道路上走得更顺当,那些,我认为此站点是成功的。请回馈给我。”
当然,我不可能给出比t'Hooft更好的建议,我写文章的目的也不是为了教别人如何成为一名理论物理的学者。我的文章的对象是想针对于以下的几类人的:
1、关心物理学的现象,但是没有精力去学习物理学的基本框架的;
2、对物理学有很多脑洞,想去写科幻小说的;
3、不想做具体的物理学研究,但是关心物理学的大体的思想,以及它们背后可能牵扯到的哲学的;
4、不想止步于简单的科普,但是又不想去一本本啃课本的。
那么这类人群在我这里命名为“专业物理爱好者”,或者叫“进阶物理发烧友”。我这篇文章的受众也就锁定在这一批人。我希望通过我接下来的一些建议,能够让你实现上面列的这些诉求。


1楼2021-04-25 22:52回复
    先顶啊~


    IP属地:上海来自Android客户端2楼2021-04-25 23:02
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      【关于可能需要的数学】
      当然,我的第一个part可能就是会劝退一些人的题目,就是人见人怕的数学。
      但是我并不想绕过这个话题。要知道,物理学之所以会保有跟其他自然科学如此大的差异,数学工具在其中起到了至关重要的作用。我们需要依靠数学做定量计算,有时也需要依托数学修订我们对物理概念的理解与认知。所以如果说作为一个专业物理爱好者却仍然逃避必要的数学工具,我觉得是说不过去的。
      不过好在,我觉得做到这一点需要的数学也没有非常多,毕竟不可能要求所有对物理感兴趣的人数学底子都能打到精通代数拓扑或者几何分析的程度。而以下这些数学基础,我觉得是不管怎么样,最好都能掌握的:
      1、高中数学。你对高中数学知识的掌握应该起码保证能够做对目前主流数学课本简单课后题的程度。如果按照高考数学里,简单题的难度占比接近65%,那你应该能拥有考150分的数学卷子能到95分及以上的能力。
      2、微积分的基本思想。我们不能要求每个人都会高数,但是高中数学里导数与定积分的概念是一定要有的。这不是一个计算的要求,但是这是一个思路上的要求。换句话说,高中的数学课本里,讲微积分的那一本你得要认真看完,至少不要对微分,积分,导数这样的概念感到陌生。
      而如果在此基础上,你还能拥有高等数学和线性代数的基础那就更好了,会更加方便。而如果还能会一些微分方程,那就完全足以应付这个层面里的几乎所有问题了。当然这些没有也不要紧,但我们重点指出的两条是一定要具备的。


      来自Android客户端3楼2021-04-25 23:13
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        【关于你的物理知识积累】
        说完了数学,然后我们再说物理。对于物理学的基础,这里仍然也需要一些基本的要求。这里是因为你要首先能够起码掌握一些物理学作为基石的术语,还有一些在经典物理学里常见的模型。否则的话你跟别人去谈论其他的物理学的时候一定会觉得异常费劲——对于你来说,你会发现大家可能不理会你的问题,而对于他人来说,看懂你的问题都十分费劲。为了避免这种双向折磨,掌握一些基本的物理知识我觉得是应该的。比如说:
        1、运动学。位移,位矢,速度,加速度这些概念是入门整个物理学的第一步,我希望你的能力起码可以做到,做高一上册的课本的运动学习题能做对,能够清楚的理解速度和加速度的不同,能够理解位移、速度、加速度都是有大小有方向的量,能够理解平均速度、瞬时速度、平均加速度、瞬时加速度他们的区别与联系。
        2、牛顿力学。知道牛顿力学三大定律,知道什么叫力,什么叫质量,什么叫重力,什么叫弹力。能够知道受力平衡的概念,同时也能处理简单的受力分析问题,比如说经典的固定光滑斜面上的滑块受力的问题。
        3、守恒定律。机械能守恒定律、能量守恒定律需要知道,而动量守恒和角动量守恒的话你需要知道有这么个事,但可以暂时没有其他定律知道的这么熟悉。这个可以靠日后的学习补充。
        4、基本的电磁现象与热现象。鉴于电磁学不管怎么说都是门场论,难度天然会比力学高一截,所以我们不能奢求大家都能成功做出课后题。但是最起码的现象,像是电磁感应,毛细现象,表面张力什么的要知道。
        这些是我个人认为你最好能拥有的最低的基础。如果做不到的话,那恐怕难以实现一个专业物理爱好者可能的诉求。


        来自Android客户端4楼2021-04-25 23:32
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          【一项重要的能力:单位与数量级估计】
          讲完了知识储备,接下来我们就要讲一些基本的能力与意识了。而我要讲的第一个,也是最重要的,就是学会做数量级的估计。
          也许你会好奇,数量级不就是10的多少次方吗,有什么厉害的。但我可以说,一个专业物理爱好者和一个普通的靠物理找点乐子的人最大的区别,就在于会不会比对不同物理量的大小。这一点要求哪怕对专业的物理工作者也是一样的,而且要求可能还更高,那就是要对量纲分析十分熟悉。
          这是为什么呢?这是因为,学会比较两个物理量的大小,认清他们的数量级差距,会让你找出来在一个物理过程里,究竟哪一项才是最主要的。我们一般认为,同时影响整个物理过程且单位一致的两个物理量,一旦二者的数量级的差大于2,那么我们就可以认为较小的那一项在这个过程里可以把他省略到,也即他不占主导地位。
          这件事情是非常重要的,掌握了这一点,你对很多物理里的问题也就能迎刃而解。比如说某个物理过程里为什么有些效应没有体现之类的问题,大多都可以用这个方式给你答案。
          最后在强调一点,如果你不希望掌握很多的数学和理论物理框架而理解物理学,你对物理学的理解就一定是建立在模型的基础上。而所谓的模型无非就是一些简单的物理过程。真实的世界往往错综复杂,那为了能正确的给出他的解释,学会做近似是一件必不可少的事。而做近似的最重要的一环,就是学会估计数量级。所以这一点我要非常用力的强调,请无论如何都要有这个意识。


          来自Android客户端5楼2021-04-25 23:49
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            【可以推荐的书目】
            接下来我们就可以列举一些常见的资料了。虽然我们如今已是发达的信息时代,知识获取的手段层出不穷,但我依然觉得阅读是一件更加重要的事情。阅读不仅能让你掌握基本的知识,同时也能让你具有良好的阅读和交流能力,使得你对科学问题的表述和交流更加流畅。
            当然,我们有很多很好的科普书,比如说第一推动的书,霍金的书,伽莫夫的书,还有我们国内无数优秀的科普作家们的作品,还有那些出色的科学杂志。这些我想不需要我来推荐,第一是不想给人以我在帮人卖东西的感觉,第二就是我觉得很多科普书替代品很多,没有必要一定要去看哪个。
            但我在这里有本书,我是真的希望如果你想更进一步,最好能够拿出来精读,他能让你拥有很好的物理的感觉:
            《定性与半定量物理学》,作者:赵凯华。
            这本书我强烈建议你可以下一个电子版或者干脆买一本回来看,这也是我唯一一个会推荐给非专业人士看的物理学书籍。或许可能会问,为什么不去推荐费曼的物理学讲义什么的呢,我的理由是,这些书他们其实更适合你去复习物理,而不是第一次去接触。而其他的物理学课本都有很多的细节,我认为如果你有这个需求,可以自己找一本比较受好评的大学物理课本来看。但唯独赵老师的这本书,我真的希望你能够认认真真的读完,他能让你事半功倍的了解其他的物理学效应。


            来自Android客户端6楼2021-04-26 00:08
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              【关于科学哲学】
              我知道有很多物理学爱好者都希望从物理的发展里找出许多哲学观点。但是我想说以下两点:
              1、科学哲学本身是一个非常严肃的学术领域,在这里曾经出过很多伟大的大哲学家。事实上,哪怕很多科学哲学家的研究对象只限定在20世纪之前,科学哲学也已经具有可怖的深度。哲学的学习成本在我看来是比学自然科学还要高的,所以如果你对这个有兴趣,我也希望你可以冷静下来,查阅一些科学哲学家的观点和认识,不要让自己的观点成为无根浮萍。
              2、坦率的说,对20世纪之后的物理学,想要不依靠物理学本身的内容,仅进行纯粹的哲学思辨来得到一些结果,本身是相当困难的。要知道20世纪以后物理学的进展都是非常反直觉的,都是物理学家们的经验惨遭大自然无数次无情打脸以后,经过多年的磨合而建立的。所以当代比较靠谱的研究20世纪物理的哲学的工作者,一般都具有一定程度的物理或数学专业背景。所以如果你对相对论或者量子力学的哲学有浓厚兴趣,我的建议是,你其实可以考虑先找一些要求比较高的科普著作仔细阅读,或者找出来像怀特海、库恩的哲学专著看一看,用来获得一些灵感。
              当然还有一个小贴士。其实如果对这方面很感兴趣的话,不如去买爱因斯坦,海森堡,玻尔和玻恩的文集看一看。这也不失为一条有趣的路径。


              来自Android客户端8楼2021-04-26 00:35
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                【关于科幻】
                科幻文学、作品和游戏都是非常有趣的,这也是很多人想要了解物理学,进一步学习物理学的起源。但是我们也要知道,科幻是无法避免出现一些科学层面上的错误的。当然这不是坏事,更不是对科幻的批判,这是非常正常的事情而已。但是我仍然希望科幻文学或者电影的爱好者们能够明确知道,有些情节或者现象是不能当真的。而接下来则是对想要走向科幻的人,甚至成为科幻作家的朋友一些可以进一步了解相关知识的方向。我的建议是,比起像量子引力和弦论这样更难理解的事物,我更希望你可以试着去理解这样几个物理的领域:
                1、平衡态热力学与非平衡态热力学
                2、狭义相对论
                3、广义相对论
                4、量子力学
                5、宇宙学


                来自Android客户端9楼2021-04-26 00:37
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                  目前想到的就那么多,如果还有问题的话也可以随时来提问和补充。谢谢大家。


                  来自Android客户端10楼2021-04-26 00:39
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                    辛苦了。我很佩服楼主的学识和对知识普及的热心。我谈一个细节: 我的确看过一些科普书,霍金写的几本我都略略读过,觉得霍金写得实在太意识流了,行文内容很随意。读文集实在是好主意,商务印书馆有爱氏文集三本,但玻耳的好像就更大部头一点,其他人没读过。关于初步入门,我觉得fundamentals of physics,是一个叫walker编的,很不错,好像是他们(高中)经典教材,内容丰富,解释通俗,大部头,国内应该有新版了,译名是物理学基础。


                    IP属地:河南来自Android客户端11楼2021-04-26 02:15
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                      另外,想了解前沿的,可以看看10000个科学难题,主要对前沿问题进行综述。这个有包涵很多学科,一个学科一本。对应找物理卷,里面不仅有相关问题较详细的文字介绍,也可以通过引文快速查找具体计算,我觉得很有益处。不过书装帧好,比较贵。


                      IP属地:河南来自Android客户端12楼2021-04-26 02:23
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                        【除了具体的知识,你更应该了解什么】
                        对于并不想浅尝辄止的专业物理爱好者,我想他们并不想让自己对物理学的认知停留在知道黑洞、量子纠缠的名词和能玩“遇事不决量子力学”的老梗。那么如果在此基础之上还能做些什么,我觉得有一点是非常重要的,那就是需要掌握和运用物理学家思考和处理问题的方式。
                        为什么他非常重要呢?这是因为,所有的自然科学都不仅仅是一系列知识按一定方式的组合,还有他们对待自然现象时分析和思考的一整套方法论。知道某些现象是一件很轻松的事情,然而知道他们的来源,以及为什么会有相应的解释,则是一件必须要开动脑筋去想明白的事情。
                        那么物理学家们是如何进行工作和思考的?如何在尽量不接触到更为艰深的知识和工具的前提下获得这方面的内容呢?这里我们就要请出来科学史这个重要的门类了。科学史里包含了很多物理学概念演化的过程,也包含了很多科学家们从事科学研究时所采取的研究方法。可以说这也是一条有趣的路径。自然,对科学史的了解并不能取代正规的科学学习流程,但他却足够给你一些启示,使得在你自己日常的工作和学习中发挥出作用。


                        来自Android客户端13楼2021-04-26 14:33
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                          【如何选择适合自己的读物与科普媒介】
                          在了解相关知识的时候,我们总需要选择一个合适的了解相关知识的窗口。如上面所说,很多科普书大家都是可以相互替代的,而且每个人的兴趣点与性格不同,他会驱使你选择不用风格的媒介。文章,自媒体视频,短视频,纪录片,付费课程,电台等等都是可以选择的对象。仅就传播方式而言,我个人认为,他们是没有什么优劣之分的。选一个你喜欢的就好。
                          但一旦我们涉及到具体内容时,科普内容的好坏就变成一个至关重要的问题。首先,你不能想着去看一些完全错误的科普。一旦你记住了错误的知识,再想改过来那就十分痛苦。其次,你也一定要看自己可以接受的知识。这就好像一个长久没有体育锻炼的人强迫他跑一场马拉松就足够要命一样,学不合适个人能力的东西不止效率底下,而且还可能会让你丧失很多对科学的热情。
                          那么这里就可以提供一些小建议,供大家参考:
                          1、一个不确定性关系: 公式-准确度不确定性关系。一个科普资料里如果一个公式没有,那么他的概念就很有可能会出现模糊,但可能会让你感觉容易理解。一个科普资料里如果公式越多,他的概念与论述就会更加清晰与准确,但阅读门槛也会急剧增加。如何选择取舍,那就看个人能力与喜好了。
                          2、科普名作往往在经历几十年后仍然可以阅读。久经时间考验的作品可以让人更放心的欣赏。
                          3、如果一个科普作者本人并非科班出身,但他却在科普目前正在研究的热点问题,那么他大概率会出现很多错误。我们以本科生所学习的物理知识作为边界,一个博主如果本身没有在读物理学博士的经历,但却在科普超出以下内容的知识:
                          经典力学,电磁场,热学,几何光学,波动光学基础,原子理论,狭义相对论,广义相对论的基础知识,量子力学基础知识,统计物理
                          那就请加倍小心,哪怕他看上去很吸引人,但也有可能包含着很多错误。


                          来自Android客户端14楼2021-04-26 14:55
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                            好贴。


                            IP属地:上海15楼2021-04-26 19:07
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                              受教了


                              IP属地:新疆24楼2021-05-30 21:36
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