物理中的理论概念

最近读了一本很有趣的书,《物理中的理论概念》[1],世图的影印版,质量还不错,价格也还行(卓越网86元,美国亚马逊75美元)。

导论中介绍了这本书的目标,作者致力于解决这样一个问题:物理的教学和实践严重脱钩,太多太多的大学生以优异成绩毕业,却仍然不懂物理。

然后,他用7个案例讲解物理学中的一些重要概念:

1、牛顿运动定律和万有引力原理(第2-4章,从托勒密、哥白尼、伽利略、第谷、开普勒一直讲到了牛顿)

2、麦克斯韦方程组(第5-6章,从吉尔伯特、富兰克林、伽伐尼、奥斯特讲到法拉第,特别是法拉第的直觉,mathematics without mathematics,接下来就是麦克斯韦及其方程组,光也是电磁波的伟大断言,最后是赫兹的实验验证)

3、(线性的和非线性的)力学和动力学(第7-8章,力学的各种等价描述,从牛顿运动定律、最小功原理、欧拉-拉格朗日方程知道哈密顿方程和泊松括号,接下来是量纲分析、混沌和自组织临界性)

4、热动力学和统计物理(第9-10章,热力学第一和第二原理,卡诺热机和熵增原理,接下来是气体运动论)

5、量子概念的起源(第11-15章,从普朗克以前的时代讲到黑体辐射实验和普朗克的理论及解释,再就是爱因斯坦的量子理论(光电效应、比热等),玻尔的原子模型,直到爱因斯坦1916年辐射的量子理论,当然也少不了第一届索尔维会议)

6、狭义相对论(第16章,这一章比较简单)

7、广义相对论和宇宙学(第17-19章,分别讲述了广义相对论的基本知识,宇宙学观测的重要技术,以及宇宙学)

最后,作者再次强调了物理直觉的重要性,而且,大师们的原始论文要比许多现代教材读起来容易得多。

当然,这是一本好书,但仅仅如此还不足以让我惊奇。让我吃惊的是这门课的教学效果。大约40年前(1977-1980,2000年左右,又上了几次。),这门课程在剑桥大学开课,给即将上四年级的大学生上课,关键是在暑假上课,而且不计学分。对于这样的课程,在80年左右,中国的老师和学生也许还能感些兴趣,90年代,就很难说了,现在就更是提也别提了。举个简单的例子吧:在某著名研究生院,小学期的某门课基本上只要点卯即可,所以注册学生爆满,300来人吧;另一门课程需要做个ppt,就只有个位数的学生,而且一多半是为了宝贵的学位课学分。实际上,与英国学生相比,中国学生可能面临着更大的困难:英国的大学生可能只是以优异成绩毕业,却仍然不懂物理;而许多中国的大学生则是以优异的成绩毕业,却根本就没有学到任何东西——太多的大学具有完备的课程体系,可实际上却根本没有讲授任何实质性内容。是的,他们不懂物理,但值得安慰的是,他们也没有打算从事物理研究,只是再花上几年时间混个文凭而已。

Longair教授还写了另一本书《物理中的量子概念》[2],应该也很有趣,可惜价格太贵了——也许哪天世图也会出影印版的。

我觉得,每一个对物理感兴趣的大学生,都应该读读这本书,以及赵凯华的《定性和半定量物理学》。

[1] 《物理中的理论概念》,第二版,世界图书出版公司,2014年

Malcom S. Longair, Theoretical Concepts in Physics: An Alternative View of Theoretical Reasoning in Physics, 2nd edition, Cambridge University Press, 2003

[2] Malcom S. Longair, Quantum Concepts in Physics: An Alternative Approach to the Understanding of Quantum Mechanics, Cambridge University Press,2013

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