推荐《夜行指南：培养物理学的直觉》_风闻

著名华裔物理学家、科普作家徐一鸿（A. Zee）教授所著《夜行指南：培养物理学的直觉》(Fly by Night Physics: How Physicists Use the Backs of Envelopes)一书，2020年由普林斯顿大学出版社出版。中国科学院半导体研究所姬扬教授撰写书评文章予以推介。

撰文 | 姬扬 (中国科学院半导体研究所)

20世纪是物理学的时代，以相对论和量子力学为代表的新物理学不仅带来了物理学的革命，更是开辟了科学技术改造自然界和人类社会的新战场，其中影响最大的可能就是半导体科技带来的信息技术革命了。

然而，现在已经是21世纪了，时间改变了一切。仅仅40年前，中国教育流行的口号还是“学好数理化，走遍天下都不怕”，而现在已经有很多地方想把物理踢出高考了。从中学到大学，物理课的教学是每况愈下。环球同此凉热，美国也好不到哪里去。人工智能和大数据能回答一切问题，干嘛要搞物理呢？

物理的发展不再突飞猛进，物理学的前沿研究越来越困难，而物理教学的阻力却越来越大。现在的物理应该怎么教呢？应该怎么学呢？更重要的是，应该怎么用呢？徐一鸿 (A. Zee) 教授的新作《夜行指南：培养物理学的直觉》 (Fly by Night Physics: How Physicists Use the Backs ofEnvelopes) 试图回答这些问题。

徐一鸿教授是美国著名的华裔物理学家、科普作家和教科书作者。他把自己几十年来的科研、教学和科普经验，应用到最近几年讲授的本科生专题课程“夜行物理学” (Special Topics Course on Fly by Night Physics)，最终总结为《夜行指南》这本书，2020年由普林斯顿大学出版社出版 (图1) 。

图1 徐一鸿（A. Zee）教授所著Fly by Night Physics: How Physicists Use the Backs of Envelopes，2020年由普林斯顿大学出版社出版

什么叫“Fly by Night Physics”呢？徐老师在这本书的序言里解释说，这就是信封背面的物理学和骑马思考时的物理学的现代版。我们都听说过一些大科学家的小故事，他们在信封的背面画个草图，做上寥寥几行的计算，甚至骑在马背上只是用手比划比划，用嘴嘟囔嘟囔，就可以揭示复杂事物背后的奥秘。比如说，原子弹爆炸有多大的威力啦，北京城里有多少外卖小哥啦，流浪气球到底值多少钱啦，等等。现在时代变了，物理学家们既不写信也不骑马了，但是还要思考问题，在红眼航班上或者夜行大巴里，你仍然只能动脑、动嘴，也许还能用手比划，但是无论如何也不可能做详细计算的。在这种环境下思考问题、抓住主线的方法，就是“Fly by Night Physics”。其实这就是我们经常说的定性和半定量物理学，或者更常见的说法：物理学的直觉。

物理的教学很重要。教科书通常写得很详细，内容丰富、条分缕析；老师讲课通常很负责，字斟句酌、有条有理；学生上课、做题和考试通常很认真，因为这关系着高考的分数或者本科的绩点。但是，这样的学习模式并不一定能得到良好的效果，即使最优秀的学生也不一定适合从事物理研究，或者解决现实世界中的问题。很多学生似乎认为，物理就是一些定义明确的问题，都可以通过严格的推导来解决。其实完全不是这样的。物理学就是要抓住主要矛盾，物理学特别是物理学的研究实践里多是各种各样的估算、猜测和开脑洞。重要的是解决问题，而不是炫耀解决问题的工具有多么高端、多么巧妙。

物理学的教学里有太多的按部就班和循规蹈矩，有意无意间让许多学生 (甚至包括一些老师) 认为物理就是考试，刷题才能成为王者。这就是“Fly by Day Physics”。不是说它不好，徐老师自己就做着标准的研究工作，发过许多正规的科研文章，写过几本标准的物理教科书，也长期讲授物理学课程，但是他知道，科学成果发表和教学时的一板一眼只是体现了演绎的逻辑，并不代表很多发现过程中四处摸索、各种试探的归纳逻辑。在黑暗中摸索更需要依靠的是物理直觉，简单的估算和大胆的猜测比米上雕花甚至画蛇添足更重要得多。这就是徐老师说的“Fly by Night Physics”。

这本书大概有400页，主要讲如何培养物理学的直觉。序言介绍了为什么要开这门课，为什么要写这本书，告诉大家说，考试、写作业跟真正的物理研究完全不是一回事儿。徐老师写过几本非常畅销的科普书 (包括“阿热”《可怕的对称》)，出版过几本深受好评的教科书 (包括《量子场论》《群论》和《广义相对论》)，他体验过“斯普尼克”卫星在美国引起的教学改革热潮，也经历过粒子物理的黄金年代，给我们讲物理学的“夜行术” (如何靠物理直觉在黑暗中摸索) 是再合适不过的了。他还高兴地说：“以前有人抱怨我写的教科书不够严谨 (但是专家们可是称赞我写得很好)，可是我现在这本书追求的就是不严谨！”我用现在流行的话替他解释一下就是：差不多得了！

正文分9个部分 (大概有40多章吧) 。第一部分当然要讲量纲分析和数量级估计，但是他这本书的志向可不仅在此。量纲分析很简单的：物理量不仅仅是数字，还有单位；物理学公式的两端必须有相同的单位。他说，这不都是显而易见的吗？什么叫白金汉定理 (量纲分析的一个基本定理) ？我以前从来没有听说过，有什么必要讲他二三十页呢？丢不起那个人！接下来的几个部分就是从电磁学、量子力学、引力学 (这里有霍金辐射啊)、热力学统计物理学、宇宙学、流体力学乃至基本粒子物理学等方面的一个个专题来传授如何培养物理学的直觉，起到“夜行指南”的作用，有时也不忘调侃一下那些“光天化日、朗朗乾坤”里的行为。每一部分大概有5章，每一章基本都是一个独立的课题 (但是同一部分里的各章大致都有联系)，像是一堂课的内容，读起来也感觉像是课堂录音的整理稿，但是也有开场白 (一般是名人名言或者小故事)、脚注、练习和尾注，读起来也是很有趣的。最后是十几个附录(正文中还有3个数学小插曲)，简要复习了一些必要的物理和数学知识。

这本书的基础是徐一鸿教授在美国加州大学圣巴巴拉分校讲授的物理专门课程，用来帮助学生更加深入地理解他们学习的物理课，培养并应用物理学的直觉来解决实际问题 (或者说前人没有解决的问题，不能在教科书和科学期刊里找到答案的问题)。他说效果还不错，我也觉得这本书写得挺好，虽然我认为有个别章节还是太难了一些，一些基本粒子物理学的内容也不一定适合每个人的口味。

《夜行指南》适合物理系高年级本科生或任何想要熟练运用物理学的人，读者需要了解大学《普通物理学》的基本内容，更重要的是有用物理学解决现实问题的决心和愿望，而不是想读书在人前炫耀或者靠刷题考高分来获取保研资格。

现在是人工智能和大数据的时代，超级计算机不仅能战胜围棋世界冠军，还能解决更大更重要的问题。但是，他们往往需要巨大的计算资源，动用巨量参数的大模型。例如，据说Deepmind公司的Chinchilla有700亿个参数，OpenAI的GPT-3有1750亿个参数，而Google的PaLM有5400亿个参数。对于我们普通人来说，这些超级模型威力巨大，但是更像个黑盒子，我们不知道他怎么能得到这些神奇的结果。著名物理学家泡利曾经说过：“给我4个参数，我就能画一头大象，再多给我一个参数，我还能让大象的鼻子动起来。”从5到5000亿，有11个数量级的变化。如果泡利再世，他会是什么反应？他又会如何面对这个美丽新世界呢？我觉得，他也只能是更多地依赖于物理直觉了吧。

2022年12月，徐一鸿教授在网络讲座“物理直觉是如何养成的？”专门介绍了这本书。他说，思考比计算要困难得多，“重要的是要帮助学生培养更多的物理直觉，这也是我写这本书的原因之一。”徐老师说的对，学习物理重要的不是学很多的知识，而是要培养物理学的直觉。这也是很多物理学工作者的共识。《夜行指南：培养物理学的直觉》这本书能够帮助我们更快地实现这个目标，更好地适应当前这个时代。

本文经授权转载自微信公众号“自然撷英”，载于《自然杂志》2023年第2期。

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