你认为四大力学哪个最难学?

鉴于工科兄弟们不停地卖萌,现在解释一下什么是“物理专业的四大力学”: 经典力学(分析力学),主要指 哈密顿力学 和 拉格朗日力学 量子力学 电动力学 …
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个人认为是经典力学——需要一个数理基础好、非常懂得教学法、对科研前沿有所了解的老师来讲,才有可能讲好,而这种人几乎是不存在的。这课吧,讲好了能让人浑身舒畅如夏日饮冰水——“原来是这么回事!”,讲水了能让你感觉味同嚼蜡毫无收获——“这不就是普物力学加了点儿东西嘛”,讲烂了听起来就跟吃翔一样……

统计力学也很麻烦,往深了挖会包涵几乎一切物理…… 不过,由于特殊的原因,热力学和统计力学,我是学过三四遍的(特别地,在普物里头,我们得到过非常详细而良好的热力学教学,比四大力学时候好太多了)。所以等到在四大力学里头上统计时,我会觉得,在课程中遇到的问题,哪怕看上去再难办,至少在思路上也都是直接的。

再歪楼说点废话。

四大力学的并举,固然有其历史原因,但其实是一件挺奇怪的事儿。电动力学是一门具体的理论,是经典场论的导引,而剩下的三门都是思维方式:经典力学这门课大概是给人讲近代理论物理思维方式的发端的;统计力学和量子力学本身也各是一套处理问题的方法而非具体的理论。再具体地,经典力学其实是在介绍数学方法(哪怕你把辛几何弄进来,物理图像也还就是那么一些),统计力学是“新思路”,量子力学是“新图像”。

问题来了。

系领导打算把经典力学单独开一门课吗?不单独开,谁来讲蛤密顿和拉格朗日体系?单独开,经典力学的发展已逾三百年,该讲得东西多得不得了,到最后绝大多数学生却几乎不可能从事相关工作。而在其本身之内,物理系的学生又无法与专门做这个(多是应用数学专业的)的人竞争。后果便是,许多人把一大堆东西学了个半吊子。现在的教学中,经典力学的课程,又经常被讲成“如何在一知半解的情况下快速进行具有一定规模的计算”的样子,于是许多人其实是捏着鼻子学的。

量子力学的核心是态和希尔伯特空间,可现在市面上常见的书中,除了樱井纯(J. J. Sakurai)的《膜登量子力学》,其他的都挺堪忧的——而能讲得动这本书的人不多,通常还不如自学(况且这本书的最后几章——特别是散射理论部分——的“樱井味儿”相当地不足,还是掉进老一套了)。在后头的高量,有时还得肩负讲解群论的任务——何况现在的高量里头还经常塞进一堆直接解算狄拉克方程之类的“古老”内容,或是把一堆凝聚态的东西弄进来权充“二次量子化”的例子,也真是难为这门课了。

电动力学其实是本该是经典场论导引——于是它还肩负了“张量分析简介”、“PDE 应用简介”的事儿;但其实,电动力学课程的绝大多数时候都在通过一些计算上挺繁琐的事儿来拐弯抹角地折腾这俩,而没有拿出足够的诚意讲余下的内容。不过,难道经典场论不该好好弄上一阵子张量分析和几何,然后介绍场的拉格朗日和蛤密顿方法嘛——这才能够得上“经典场论入门”的地位(虽然经典场论原则上还有广义相对论,但是,好吧,能讲得动广义相对论的人实在不多)。现在,怎么成了一大堆(过多的)波导管、经典介质、电/磁流变液呢;我们搞这些东西哪里搞得过工科生啊…… 后续课程中涉及到的场论知识,现在讲法的电动力学根本覆盖不完;可是,大多数人意识到这种脱节,还是在开始学量子场论之后。

就不说傅里叶分析(以及,进一步地,小波分析等等)这个重要的东西了,这是完全值得开一门课的(像初等数论那样的小课就行了)。“在战争中学习战争”固然不错(这也是我整天安利的教学法),可是学生上“战场”前,不给重武器也罢了,起码得给他们一支手动装填的单发步枪啊;数学分析课里的那点儿傅里叶分析,拿到物理的“战场”上,顶多能叫做红缨枪吧……

所以这一切都指向一件事儿:“四大力学”的教学体系,是有改革余地的。最理想地,应当有物理系学生专用的数学课,这样才能把物理留给物理课。远的不说了(比如北大五十年代时候的事儿);当年,清华基科有门课,叫做“流形上的微积分”——真是一门神课,可惜后来不开了。

药丸啊。

四大力学 各有各的难 ,既然这是一个很主观的问题,我来说一说我当时学四大力学的心路历程吧。

一般来说物理系都是 理论力学(分析力学) 数理方法 放在 同一个学期 上的,所以这就会给人一种错觉, 好像理论力学没有多难 ,连数理方法里的微分方程的知识都用不到。当时我学的时候就是这种感觉,我就觉得 一切都是套路 ,各种 求偏导 ,欧拉-拉格朗日方程是求偏导,哈密顿正则方程是求偏导,泊松括号是求偏导,反正一路求到最后总能把问题求出来,当时我学完理论力学考完试之后,都 没觉得它有什么“物理” 的地方,感觉就是别的几门课的 数学工具 ,比如说 泊松括号 到了 量子力学 里就是 对易式 哈密顿量 到了 量子力学 里变成了 哈密顿算符 拉格朗日量 被用到了 电动力学 里, 勒让德变换 热力学 拿过去了,什么欧拉角,旋转群,协变张量,逆变张量又是个什么东西......大概就是这样的感受吧,不过后来就 真香 了。

然后接下来就是学的 电动力学 ,这是我第一次感觉到 被数学支配的恐惧 (当然后来发现那些数学其实不算什么), 矢量代数 的各种符号、各种等式快把人算秃头了。好不容易习惯了那套语言,解静电场静磁场的问题还好,后面还要算 电磁波、电磁辐射和运动电荷的电场 ,当时真的是深感无力,以至于我电动力学的期中考都没及格(当然后来因为期末考得好老师就网开一面了)。最要命的是,当我们好不容易习惯了 三维空间 的那些 矢量代数 ,我们就上到 狭义相对论 了,又花了好大的功夫习惯 四矢量和洛伦兹变换 ......电动力学让我在学四大力学的时候第一次感觉到难,真的难,难在一个 新的数学语言还有其复杂的计算 ,这对于当时的我是真的很难适应,我记得直到期末考试前,我才慢慢学会了矢量代数那一套,然后算是理清了电动力学的解题思路,成功应付过了考试。

下一门课是 量子力学 ,其实当时我没觉得量子力学有多难,因为当时我们上课用的教材是 Griffith 那本 《量子力学概论》 ,这本书本身就讲的很简单且通俗易懂,再加上当时我们的老师讲的特别好,推导极其清晰,在经过电动力学的摧残之后的我,对于这种 一维的薛定谔方程 三维球对称下的方程 的求解简直不要太得心应手,我当时真的是把这门课当作 数学简化版的电动力学 来上的,考试也是各种解微分方程的思路去做,以至于考完了也就觉得,量子力学不过尔尔。后来等到我真的需要学习后续的比如 固体物理 量子场论 这些课的时候,我发现我贫瘠的量子力学知识不够用了,这时候才跑去看了Sakurai的《现代量子力学》和费曼的《量子力学与路径积分》,真真正正地去了解了 量子力学的思维方式 ,这个时候我才明白,我们看量子世界的角度,和我们看经典世界的角度是不一样的,相当于要 重新接受一种思维方式 ,这才是量子力学最难的地方,它需要我们用一种反直觉的语言去处理物理体系,所以我真的觉得,理解量子力学是一种长期修炼的过程。

最后一门是 统计物理 ,我觉得统计物理 难在接受它的思想 ,但是一旦接受了这种思想,其实它的数学、物理部分都没有特别的难。我人生中有若干个最美的时刻,其中有一个就是,我自己按着玻尔兹曼的思路,用统计的方法推出了 玻尔兹曼分布 的时候,那个时候我真的觉得很震惊,原来这么 复杂的体系的规律 ,居然可以从一个这么 简单的假设(系统各个态出现的概率相等) 出发,通过 统计规律 导出,我震撼得无以复加。从此我明白了,统计物理的核心是 研究物理体系在统计规律主导的情况下其呈现出来的规律 ,在接受了这一套思维之后,不论是之后的 巨正则系综,量子统计, 还是 德拜T3律,相变理论 等等,都很易于理解,它们的数学不算难,物理也相对清晰。所以我个人认为,统计物理的难就在于接受它的基本思想,这在一开始会让人有点难以接受,因为很多时候我们都觉得,相互作用的基本规律导出以后,对于复杂的体系,不过是一个更复杂的计算的问题,不曾想, 复杂体系自己就会有自己的规律 ,这就是统计物理的核心与难点。

说完了我学四大力学时的感受,我稍微总结一下我觉得最难的是哪一门课吧,如果单从 上课和考试的角度 ,我觉得是 电动力学 ,因为它的 数学最复杂 ,考试难度也一般是最大的那一个。但如果是从 物理思维的角度 ,我觉得 理论力学 量子力学 平分秋色。量子力学的难,我之前已经讲过了,在于用一种新的思维方式去思考一个我们看不见的世界,而 理论力学 的难,在于 用一种高度公理化的方式来认知我们的现实世界 。我最近刚刚重温了一遍理论力学,用的是David Tong的理论力学的讲义,这一次我真的感受到了,理论力学它不是别的几门物理课的数学工具,它其实是在用一种数学的语言告诉我们一个 冥冥之中的天意 大自然从不做多余的事 ——不论是 最小作用量原理 ,还是 诺特定理 告诉我们的 一条守恒律对应一种对称性 ,又或者是 哈密顿正则方程 辛对称性 ,理论力学里的一点一滴都透露出了一种 宇宙的简洁和优美 ,这种纯粹有时候会让我们误以为了它是没用的,是一种工具,而实际上如果你真的深入去思考,会发现它其实代表了一种指导思想,一种 对宇宙本质的信仰 ,相信 宇宙的一切都是最高效最优美的 ,别的物理都是顺着这样的思想发展起来的,这才是理论力学真正在物理上难的地方。我真的难以想象,这是几百年前的那些物理学家比如拉格朗日,哈密顿他们在没有什么现代化技术的帮助下,通过自己的思想总结出来的,或许他们真的不只是物理学家,而是哲学家,他们或许真的看到了 宇宙的真谛

不管怎么说,四大力学都很难,也都很有用,都代表了一套思维方式,加油吧同学,学完了它们你会觉得自己 拥有了更多的力量 ,这是一种 对现实世界所遵循规律的理解给你带来的自信和坚定 ,相信你会爱上这种力量的,就像那么多人爱上了物理一样。