彼岸学院物理讲义序言

序言

当我开始主持编写这本《彼岸学院物理书》的系列丛书时，我意识到直面我们的是一些长久以来未能很好解决的难题：作为彼岸学院一二年级学生共同的必修课参考书——一套有教科书性质的物理丛书，该如何做到既精确又充满启发性地把最纯正的自然科学呈现给学院里求知若渴的青年以及那些不远万里来此求学的外邦人们？我们又怎样能够在提升大多数受教育者基本科学修养的要求之下同时实现对那些有着各自不同学术天赋的年轻读者们的成长引导？在过去，我们以简单的分班制度和略显粗暴的精英集训队模式来处理这样的问题，结果发现，当学生们结束前两年的生活进入各自研究领域时，他们对于自己学术根本问题的认识甚为肤浅——即使他们看起来有着良好的专业素养，并掌握着不少分析和解问的技巧，这对于学术的蓬勃发展当然是不够的。如今我们已经明白，设计的受众群体相对更大的科学教材和教学模式不仅将真正的科学知识和哲学思想惠及了更多的学生，对于出色的专业学习者本身也大有裨益——因为这使书籍更加侧重于讲述知识的实质内涵，从一种更加利于整体感知的角度去理解自然科学——而不像侧重知识内容普及的通识班教育和只着眼于学术固定程式的所谓“精英集训”，显然，后两者都并不适合刚刚跨入彼岸学院冀望着能更深层次认识世界的求学者们。由此我们也可以明白为什么许多伟大的物理学家也是一个相当杰出的科普作家和教育家，因为他们总是能从最天真的眼光出发，在繁杂的数学形式中一语道破问题的实质——这正是我们所试图做到的。但是毫无疑问，这是一项极其艰巨的任务。

幸运的是，在长期的教学过程中我们已经掌握了一些有用技巧和经验。我们冷静地意识到，作为一门看似揭露世界根本真相且实用威力巨大的学科，物理学实质上并非位于学术金字塔的顶尖。某种程度上说，他只是一门寻找关联性的学科。数学像是一群不事生产的空想家们没日没夜制造的各种各样的思想的“药”（或来自理性猜想本身，或来自对自然的抽象，但这都是一切学术的根本，是我们对自然的所有“知识”），而物理则是在研究所发现的哪些自然现象的“疾病”该使用哪一种“药物”去“治疗”（即理论解释，这往往来自偶然的天赋甚至是哲学的启发）。在物理研究的过程中，实验、演绎推理和合情猜想各有用途，这使得不同的学术人才在自然探索的前线都可以寻找到自己独特的价值所在。但是有一点是毋庸置疑的，即要成为一名了不起的物理研究者乃至任何一个学术领域的大家，依旧需要具备三样事物：“丰厚的从基础到前沿的学科知识”、“具体分析的耐心、毅力和能力”以及“对知识与众不同的整体感知和看待方式”。有了他们，作出一定的贡献就只剩下时间的充沛和上帝赐予的运气了。而也主要是基于他们以及改革学院传统教学模式的需要，我们参照《彼岸学院教育思想》，设计出了这一系列的物理学丛书。

伟大的物理学家、教育家爱因斯坦曾说：“理论物理的工作无非两种：发现公理和推出定理”。而纵观历史，每一次“推出定理”式工作的进展，几乎都是由实实在在的问题引导而生，因而在每一章甚至每一节的开始，我们需要告诉学生我们已经知道的是什么、渴望知道的或者说好奇的又是什么。这样学生会有一个总体把握：知识本质讲的是什么、知识演化关系可以抽象为什么。而由已知推导未知的科学方法、严谨的思维习惯，对于学生也至关重要。这就是为什么我们会研读甚至展示理论相关的初始文件——那些大师们真实的划时代的论文，并在书籍编写中尽可能地引用他们的原文和思路。我们需要把学生们带到学术探索的现场，去看看一切复杂宏伟的理论是如何构建在简单的构想和基本的又严谨的操作方法之上。这样他们也能树立起探索的自信，敢于从基石耐心地构筑自己的大厦。玻尔兹曼分布的导出就是一个典型的例子，即使最终的形式十分复杂，然而解构之后，学生们就发现每一步的物理思想和数学操作都清晰、严谨而简洁，但需要的扎实的基本功、巨大的耐心和准确的理解，这恰是这些聪明的孩子们该努力的方向。

对于爱因斯坦所说的“发现公理”，则往往来自爱思考的灵魂对于既有理论自恰性的反思。这一点我们深信，即使教科书总是试图展现理论的全部面貌，不同的思维方式依旧会冒出各种各样的问题和想法。所以一方面，我们会另加章节陈列学生可能产生的理论本身理解的困惑，比如对于不确定性原理，总会有各种困惑——知道测量的光子的能量和残余的能量不就知道被测量量的改变了吗？再如对于洛伦兹变换——尺缩为何只在运动方向？经典物理中不同观察者所观察描述的世界本来就不是一样的啊，“相对”论指的是什么呢……每一种困惑都含着很多知识基础和理解方式的不同，做到道理阐述的多元性才能真正助于全面的理解；另一方面，对于这些充满创造力的大脑所可能产生的对知识的新的看法，我们也会适当讲述每个理论诞生时“被暂时杀死的”别的理论以及他们的成功和缺陷，极力鼓励一些新的自恰理论的产生。比如说讲到牛顿的三定律，事实上我们通过对于亚里士多德“力维持物体运动”的适当改造，也可以产生与牛顿力学同等地位的新力学（这一点具体内容会在相关章节里体现），而我们会拿出许多节探讨这些令传统模式下的学习者耳目一新的东西——那也是属于我们编者的东西……在我们看来，每一本科学书都是一些有个性有独立思想的人而不是上帝写的，因而他应当呈现出作者对于知识的不同的思考和体会，否则编写科学教材就应当是一件一劳永逸的事情了。

我们也关注物理学的最终指向——数学的教育。但是并不把他作为一个简单的枯燥的工具去指导实用的方式，我们着眼于数学简史，因为知道每一个重要的数学结论在思想上的来龙去脉将极大地助于学生理解在物理学中他们所充当的作用。比如对于级数，数学课兴许会告诉学生们如何用他、结论是什么，而我们则侧重从牛顿、伯努利等人的工作里告诉学生们“为什么要使用他”，这样当学习质速关系、物质波包等问题的时候，他们就不会对这些信手拈来的数学操作感到惊讶，因而在每一章中，我们会加入相关的数学内容。

然而数学只在一些关键的节点处呈现出不可忽视的作用来，而我们更多做的，是向学生们区别哪些关乎物理本身的“理解”——那些自然规律一语概括的内核，哪些只是数学形式的变形表达。比如归一化波函数处理就是一种“具体的操作细节”，并不再值得我们花费许多笔墨去讲述——显然，那是习题册该做的事。我们也不会把对一个物理原理不同坐标的公式表达都洋洋洒洒地写进去——因为那些对于理解物理实质而言实在不那么重要。

从实践感知知识是重要的——让一个学生从内心接受某个自然理论的实在性往往是通过实践来完成的，尤其是具体的实验室操作分析，当然也包括我们的思想实验。偶尔，一些好的习题可以帮助我们完成“思想实践”，因而我们并不反对在教材中插入一些题目。我们也希望让受教育者从情感上体会到：物理不只是一种活跃在草稿纸上的概念玩具，他是真实的，他实实在在地支配着宇宙万物的运作演化。所以在一个知识结论讲解完后，我们也会简要地说明他可以解决哪些问题——尤其是当代的科技前沿问题。比如介绍玻尔兹曼分布可以被用在求出离子的周围不同距离的被吸引的粒子数密度——而这些问题本来看起来是无从下手的。这种应用，足以使我们深刻领会物理理论的高度普适性。

“知识题外话”同样是教材有机构成的一份子。在每一章的讨论之中，可以随机应变地阐述教育者对于做学问、教学、哲学甚至社会思潮的观点，比如爱因斯坦忽发感概写道“提出问题比解决问题更重要”，又比如在费曼在量子力学讲课之时会和学生们聊一聊相关的自由意志等哲学问题。而一如我们初始的原则：“灵感+分析+知识”——丰厚的课外知识同样重要。因而我们也会向学习者梳理其他学术研究的主要历史进展，普及尽可能多的知识。比如在电与磁一章以及广义相对论一章之后，我们都概述了现代物理理论的进展过程——这本是我们硬性计划之外的。我们有理由相信，那些对物理学充满兴趣的学生们兴许会认真地阅读他，而他也会激发他们在课后去更加辽阔的知识海洋拾取理想的贝壳。