四个问题在线视频

下面我们讨论第二部分的内容

讨论四个问题

这是学电动力学的人

总会有疑问的 一个是电磁学

和电动力学的关系的问题

因为学电动力学的人

往往在这个之前

都学了大学物理

或者是普通物理的电磁学

那么自然就会有疑问

就是这里所讲的

电动力学中的物理

实际上在电磁学中全都讲过

我们为什么还要费那么大的劲

再讲一遍 那么简单的回答

就是说电磁学里讲的电磁场

是普通物理

我们讲的是理论物理

那么这个相当于是没有回答

进一步的会问说

是理论物理又怎么样

是不是理论物理

有什么特别的高大上的地方

我们就详细的给大家说一下

首先我们的理论物理

特别是电动力学

包含了大量的数学

这是普通物理

或者电磁学里面所没有的

而且我们的描述都非常的形式化

所谓的形式化

就是有很多的数学公式

然后所谓的推导

都要求近似到数学上的

严格的这个程度

我们画图画的很少

我们的理论是公理化的理论

有几个最开始的假设

或者是实验作为假设的结果

输入到理论

然后一步一步的推导

为什么电动力学里面

有那么多的数学

有人说这个世界上

伟大的物理学家

都有一颗数学的心

比如举个例子 我们大家熟知的

牛顿 爱因斯坦 麦克斯韦

像杨先生也非常强调这个数学

我们也知道在这个电磁学里面

起非常重要的作用的法拉第

他的数学是很不好的

他是典型的物理非常好

数学不好的一个伟大的物理学家

杨先生是数学很好

据说是做实验很不行

这是形成对照

我们的物理先辈

伽利略也曾经说过

所谓的自然的法则

是用数学的语言写下的

这也是我们来理解

为什么当我们进入到

描述电磁相互作用的

比较深入的阶段的时候

我们要用大量的数学

现在也有人说的更极端一点

这个所谓的泰格马克

他最近刚有一本《平行宇宙》

多宇宙的书出版

最近刚翻译成中文

他说的更极端

他说物理世界不仅被数学描述

而且它就是数学本身

我们人类本身

只是这个巨大的数学体中

有自我意识的那一部分

也就是因为我们有自我意识

所以我们可以在这来谈电动力学

谈这个世界的描述

那么我们这个电动力学

相比于普通物理

它在基本的相互作用的理论上

实际上更简单 而且更系统

它不像普通物理那样

或者像电磁学那样非常琐碎

一块一块一块的

我们是从一个最基本的方程出发

然后推出所有的那些琐碎的东西

那么因为它的完整性

所以能够体现出

整个这个理论构架的抽象的美

也就是因为这个原因

所以甚至是 不是专门学物理的人

也能够感受到这个理论构架的美

所以我们说很多在这个世界上

不管国内外有很多民间的科学家

他们虽然没经过

系统的科学的训练

但是他们也能感到

这种理论框架的美

所以他们非常喜欢

讨论我们的这个理论物理

包括麦克斯方程组等等

再有我们在这个

电动力学的课程里面

我们会推导理论的

各种不同的表达形式

也就是同一个理论

我们会化来化去 化成这个样子

化成那个样子

那么这个理论显示成不同的样子

你从不同的样子里面

你就会看到对这个理论

有不同的感受

在这里我们说它展示了

这个理论的不同的侧面

实际上有时候我在想

也许控制这个自然界的

我们说叫造物主也好

就叫自然界也好

他可能也有一种

他来理解这个自然界的方式

我们这个理论

也许化在某一个形式

就和它能够碰得上

再有一条我们这个理论物理

和实验有一个很重要的差别

就是我们的理论

可以有独立于实验的预言

和判断能力

也就是说我们不需要

完全的依靠实验

可以人凭自己的抽象思维

理论性思维来去做一些预言

那么我们都在说

物理学是实验的学科

但是近年来也有

过度强调实验的这个倾向

什么东西全都在等着实验

这样的话理论家

就缺少了自己的独立的思考

比如说我们举两个例子

一个是爱因斯坦大家可能知道

当初他提出的广义相对论

最开始的预言

和天文观测是不一样的

当时他就能大胆的说出

他为上帝感到遗憾

这样的著名的话

那么还有一个著名的科学家

现在经常提的外尔费米子

他对理论的判断也是

不是以它和实验相对照来去判断

他是判断这个理论是否优美

来去判断是不是

该是自然界的理论

这是一些比较极端的理论家

对理论的看法

回到我们的电动力学

电动力学是我们物理学科

理论物理课四大力学里面

一个最难学的课程

我们在这里说

它是物理学科本科阶段

必须要修的

这是学过电动力学

很多人都这么说最虐人的课程

也就是说所谓说它虐人

就是因为你要花很大很大的力气

投入产出是不成比例的

但是学过电动力学的

这是我们很多学过电动力学

而且参加工作很多年的人

回来跟我们说

被电动力学虐过以后

走遍天下都不怕

就和当年说学好数理化

走遍天下都不怕是一样的

就是因为你经过这锻炼以后

你会发觉学所有的其他的学问

都是非常容易的

有人说现在的基础物理

自身发展越来越缓慢

现在体现为基础物理

主要被作为工具来使用

所谓被消费

那么需要对基础物理需要重新的

从不同的角度进行审视

在这种意义上

我们重新的去学一遍电动力学

去看一遍电动力学

对理解这个自然界的基本理论

也是有好处的

再有一个著名的物理学家

戴森写过

人类看世界有两个不同的视角

一个是所谓的蚂蚁的视角

一个是上帝的视角

那么如果把电动力学和电磁学

对这个电磁相互作用的描述

用这两个视角来去看

这个电磁学看这个电磁相互作用

就相当于是用蚂蚁的视角来去看

就是你得摸着石头过河

看到什么说什么

而理论物理就是所谓的

从上往下的俯视

所谓的上帝的视角

这个就是我说的

泰格马克的他的书名叫

《穿越平行宇宙》

你看它这个里面

是微波背景辐射的图

你看这里面说

直接就写是我们的数学宇宙

他强调数学

在我们描述自然界的作用

这是第一个问题

第二个问题是讨论

我们的电动力学是讲多一点好

讲柔一点好

这里面我引用北京大学的

一个资深的教授俞允强先生

他在北大讲了很多年的电动力学

也在清华讲了很多年的电动力学

他写了一本著名的

《电动力学简明教程》

我把他在这个简明教程里边的

写的序言摘给大家一部分

代表一个典型的

对电动力学是该讲多一点

讲少一点的看法

我念一下摘出来的这段话

他说80年代中

胡宁先生曾在系里强烈地呼吁过

削减四大力学

这四大力学就是其中

我们说最难的就是电动力学

剩下的还有这个分析力学

统计力学 量子力学

他一辈子从事理论研究

但他依然感到

没有必要为学生

做这么多理论准备

就不需要学那么多

偏高的教学要求

对学生应付考试是有利的

要在研究中用到大学教科书里

现成的公式

或求解方法的机会是很小的

想在大学里

过多地为学生事先准备好

可能遇到的细节知识

是难以行之有效的

基础理论课应保留的

主要是理论的系统性

和基本概念的清晰性

在这个基础上的引申是次要的

应适可而止

物理学在近半个世纪内

有很大的发展 学好四大力学

已不能算为研究各前沿领域

做好了理论准备

对于成熟的知识

我们在教学中只能摘取

其很少的精华部分

基础课与前沿课题距离在拉大

若基础课过多的吸引了

学生的精力

势必影响学生对前沿问题的兴趣

若教学状况造成

学生对前沿课题不了解

甚至不感兴趣

这应该被认为是最大的偏差

仔细去看

俞允强先生的这段话

他的一个核心的论点是

要讲的少一点

这是他为什么编的是简明教程

他的简明教程

就是把电动力学

哪些是必须要讲的

最少的留着 剩下的全都不讲了

那么你仔细看他的

这一段的他的论据

实际上就是因为我这里划出来的

基础课与前沿课题的差距在拉大

因为是差距越来越大

所以你讲的多了

前沿的内容就会没时间了就少了

所以你干脆就应该压缩

而去把时间留给讲前沿的内容

这是他的看法

那么这也就提到

如果我们的电动力学课

和前沿是非常脱节的

那就应该按这个俞允强先生

这个做法你就少讲

就把那个最经典的弄出来

那么他也提出来

当你讨论电动力学

是讲少一点 还是讲多一点

直接和这个课

和前沿是不是连在一起

是有关系的

这就是为什么我们要把电动力学

和前沿科研的关系

在这里一块来讨论

那么和这个相关的

就是这个电动力学本来是电磁学

我们刚才提过

是电磁学的后继的课程

那么因为我们谈到麦克斯方程组

在上百年之前就被提出来了

所以呢学电动力学的人

经常去垢病它

说这个课程内容太老掉牙了

没有新意

我们现在同学都喜欢追新的东西

对不对 新出来的

所以讲这么一个老古董

大家提不起兴趣

那么在这个课里面

我们将去证明说经典电动力学

对很多的物理学前沿的问题

是可以不去依赖于

电动力学之外的东西

就靠我们经典电动力学

直接可以走到我们现在

科学研究的最前沿

我们会穿插着讲一些例子

就用经典电动力学就可以理解

因此如果是这样能够做成功

那就意味着我们的基础课

和前沿的距离不是在拉大

实际上就是在一块的

如果是这样

你也就没有必要去讲的很少

因为它本身就是讲前沿的内容

我们这个课里面

就会把很多很复杂的

前沿的这个结果

实际上前沿的科研的结果

很多都涉及到量子力学

有很多的量子效应

但是我们尽量把那些去掉

我们会发觉

它的很多最核心的东西

实际上来自我们经典的电动力学

那么这个本身

不光是让我们在学电动力学的人

能了解前沿

还有更深层次的科学上的含义

在这里我就不再更深入讨论

这是第二个问题

第三个问题是学电动力学的人

学过的人都知道

电动力学是长篇长篇的推导

那么我们物理学

你要学普通物理

或者学大学物理都会告诉你

我们直觉非常非常重要

那么这种长篇的数学的推导

和直觉是什么关系

我只希望引一个

现在大家知道的

世界上最著名的华裔的数学家

陶哲轩的一段话

这是他给出来的所谓的职业建议

就是给学科学的人求职的

一些建议

其中涉及到严格推导

和这个直觉的关系

因为我们通常想

你做了很复杂的推导

可能就没有直觉了

全是公式来回

字母之间来回的转换

那么直觉是要一看到

就有一个图象 有一个感觉

我念一下他的这段话

希望大家能够从中来理解

做科学研究做的最好的人

他们对这个严格的推导

和模糊的直觉是

相互之间的联系是怎么看的

知道如何严密的思考

当然极其重要

因为这给了你避免

很多常犯错误的规范

同时消除很多的误解

不幸的是这无意中

使得模糊的或直觉的思考

因为非严格而遭到轻视

人们时常最终放弃开始的直觉

而只能从正式的层面上处理数学

严格的要点

并非要消灭全部的直觉

而是应该被用来消灭有害的直觉

同时澄清和提高好的直觉

这个是他最重要的观点

就是说严格并不是

和直觉是冲突的

而是要消灭那些有害的直觉

来澄清和提高好的直觉

只有结合严格的形式化

和好的直觉

人们才可以处理复杂的数学问题

人们需要前者来正确的处理细节

就是指这个严格的推导

后者来正确处理大的图象

就是用这个模糊的直觉

来处理这个大的图象

缺乏其中之一者

你将费尽时间 踉跄于黑暗之中

所以当你完全适应了

严格的数学思维

你应该重新尝试

在这个问题上使用直觉

并且使用新的思维技能

来测试和提炼这些直觉

而不是抛弃它们

我理解他的这个含义

就是说你应该先去学这些

用这些数学 学这些数学

然后在这些都掌握了以后

在新的这个层次上

再进一步发挥你的新的这些直觉

那时候的直觉就是像他说的是

已经消灭了有害的直觉

而澄清和提高好的直觉

这样的话你就会更有洞察力

最后是谈我们所谓的

超越感知的图象

也是用一个外国人写的一本书

这本书的第一章叫做实在不可见

因为我们电动力学

涉及的最主要是电磁场

电磁场是一个看不见

摸不着的东西 所谓反直觉的

那么这种超越我们的日常的

这种感知的这种东西

到底在我们这个理论中

和在我们理解这个自然界里面

是一个什么地位 起什么作用

听别人是怎么说的

这个是物理所的曹则贤翻译的

他说所有的时代

所有文化的神秘高人

都坚持高层次真理的参悟

无需任何可感知的图象

作为必要条件

相应地人们也普遍的认为

精神和艺术事务方面

真正的智慧得自可洞察

一般视觉不可见的事物

即用心去看见的能力

这一点也不令人奇怪

诗歌 哲学和宗教

是人类思想最古老的表达

最古老在这种情况下

也意味着最年轻

因为他们三者会从那些

对世界所知甚少

但却天然地相信

不可见事物之实在性的

年轻人心中强有力地

同时迸发出来

另一方面鲜有人会自发的

把不可见的实在的想法

与科学相联系

就科学而言

据信人类思想是时代的产物

我们放弃孩童时代感性的

情绪性的认知方法

进入理性与客观的范畴

这位严峻的女神

用时钟 天平 绝对直的尺子

还有冷冰冰的数学方程和公式

去探究自然

其所到之处只有能够

清晰地定义和测量的

才有存在的权利

她用冷酷 自负的目光审视我们

怪不得大多数人无法喜爱上她

底下的就不念了

基本上是想说真正的自然界

你要研究到深入到一定的程度

一定会到那些超越感知的部分

一定是那种反直觉的东西

这也是为我们现在的

物理学的研究越来越深入的

好多的结果所证实

所以大家怎么说呢

在后面的学习和讨论中

不要怕那些和你自己的直觉

不一样的东西

要学着慢慢适应它

只有这样才能够比较深入的

了解这个自然界

好 这四个问题就讨论完了

在这四个问题最后

我们把大师的结论

给大家展示一下

一个是杨振宁先生

在大师谈大美的学术讲坛上

是在中国美术馆做的一个

美在科学与艺术中的异同中

最后给的一个结论

他把我们的物理

分成了这么几个结构

一个是实验 一个是唯象理论

还有理论架构 还有数学

而我们现在的电动力学

基本上就处在这个阶段

电动力学相当于是这个层级

那么我们清华物理系的

陈难先院士

也很注重这个理论架构

他就提到说在现在超级计算

和大数据被滥用的今天

理论架构的研究犹显珍贵和重要

也就是说我们现在

到处都谈大数据 谈超级计算

我们人类似乎是越来越强烈的

依赖于计算机

但在这种情况下实际上

像我们学这个电动力学

或做理论物理研究

那些抽象的理论架构

实际上有它不能为人工智能

不能为计算机所能替代的

独一无二的作用