你有多清晰的物理图景?

如果要说对物理问题思考的直观、对物理直觉的追求,赵凯华老先生可以算是国内物理学家中首屈一指的,简直可以算是中国版的费恩曼。
国内的物理教材,大多秉持苏联风格,其最大的缺憾就是不强调物理直观。这本书的精髓部分,对广大物理学子最有用处,私以为是2、3两部分(量纲分析、数量级估计),第1部分可能因为赵凯华自己是做涌现现象的,所以特重阐述了一些。
似乎很多物理学大牛(如徐一鸿、费恩曼等),都非常擅长用量纲进行物理量的估算,这种技能的培养对于物理直观实在是太重要。作为天体物理方向的学生,面对星系、宇宙的一些问题,对距离的尺度、发生率的高低的把握,估算能力更是重中之重。
物理学本身就是为解释自然现象而诞生的学科,其本质是:面对某一现象,进行定量的测量后,用数学的语言进行描述,这个过程称为“建模”。在建模完成后,与实际测量/观测结果进行对比、验证,从而具备预言能力。
因此,“量纲”是在描述物理现实前必须的一环,换言之,这是所有物理定理的起步。
我们日常生活会遭遇到的物理现象的基本量纲,只需要M, L, T就足够描述了。而如果将牛顿的万有引力定律和库仑定律视作基本法则,就可以将质量M(准确而言,引力质量)用L和T表示,同时Q也可以用L和T表示(来自Maxwell的论述)。这不蕴含了朴素的质量来自时空的观念吗?这是否有暗示了电磁力也可以几何化来表示呢?
但在大部分量纲的推演中,我们并不把M和Q替换为L和T,而是相应地,将引力常数G设为有量纲量,并引入电荷e作为基本物理量。这是一个对量纲体系的选择问题。因为质量M本身是相当优良的可观测量,在大多数情况下,将其保留在量纲分析之中,大大方便了结果的获得。
从这一点也能看出,物理学无论如何都是观测、现象导向的学科,一味地脱离观测、追求数学上的优美,是不会有出路的。伟大如爱因斯坦,晚年沉沦在数学美感的幻想之中,向大统一场论一去不复返,最终的结果只是空无。除去理论本身重大进展之外,物理学关心的一个重要问题,就是如何将理论模型与可观测量关联起来。
所以,熟练地掌握量纲,就像我们的五官熟练地体验世界。掌握对世界简明直观的量纲理解,抛去冗杂繁芜的具体定量公式描述,才能解放大脑,让物理学成为能为我们所用的思考世界的哲学。
说到哲学,牛顿的《自然哲学的数学原理》发表已有近400年,物理学的高度数学化已经让其负担太重;掌握了量纲分析,追求直观的物理图像,是再一次拨开其面纱,回归400年前初诞生的本来模样。换种说法,物理学很小,而生活很大,学习物理学,更重要的是让其成为一种“思维模式”,整体地改造人认识世界的方式。
正像费恩曼所吐槽的某些物理学家总是“shut up and calculate”,那是一群实干者、工程师式的物理学家;自己做实际科研的时候也发现,这是最快出成果的思维方式。但要想走向更高层次的路上,就得花费一些时间,“drop the pen and contemplate”.
毕竟,学而不思与思而不学,同样是有害的。