力学讲义
电磁学讲义
光学讲义
热力学讲义

 

我在普通物理的教学中使用上述讲义。讲义涵盖的是我在实际课堂教学中所讲述的内容,因此不同于教材,而后者需要尽量做到面面俱到。物理系的课程中普通物理学最为关键。成功的普通物理教学需要帮助学生建立起一个融贯且自然的框架并获取大量用于思考的素材。这二者是形成良好的物理图像、物理直觉和品味的基础,会在大脑中产生永久记忆。普通物理学的这种作用无法由形式化理论的学习(通常由高级课程完成)所替代。在学习的过程中,学生需要“脚手架”的帮助。这些脚手架会随着学习的深入而逐渐被拆除。本讲义需要读者对于力学、电磁学和光学已经处于大致不再需要脚手架的阶段,因此更专注于从一些不同的视角来处理知识体系。而对于量子力学和热力学,讲义将尽量提供这些脚手架。

目前的这些讲义仍含有很多错误和不完善之处,需要在今后的很长时间里进行修正。非常希望和读者通过email(xc@mail.tsinghua.edu.cn)就讲义中的各种问题进行讨论,以便加快修改的进程。我仍然对力学讲义中关于基本假设(尤其是时间和空间测量)的叙述不够满意。光学讲义还需要补充大量内容。到目前为止我仍然没有想到一个令我满意的方式来呈现量子物理,因此这部分的讲义还不能提供给读者。期待若干年后一个完整和成熟的版本能够让后人了解到我们这一代以及之前很多代物理学家是怎样看待这个世界的。

这些讲义的写作开始于2008年秋季,这是我教学生涯的起点。当时的授课对象是清华物理系本科一年级刚入学的学生。课程内容是普通物理的力学和热学,共80个学时。这是一个25人的小班。我很快就熟悉了班中的每位成员(事实上我至今仍然记得所有人的名字)并很享受当时的课堂氛围。由于没有一本令我满意的教材,因此学期开始不久我就决定自己写讲义。这个第一版的讲义是手写的。每节课的内容经常是在当天临近上课时才修改完毕并马上复印发给学生。完全按照自己的想法写讲义需要花费大量的时间,因此这个学期的大部分精力都用在了教学上。但这个经历非常rewarding。这个班上的学生非常活跃,我们之间在课上和课下进行了大量富有成效的讨论。他们的意见使得这份讲义迅速得到改进。因此非常感谢这25位出色的学生的贡献以及他们的宽容。一份很不完善的手写讲义和首次上课的经验不足并没有让他们焦虑不安。甚至在期末由学生打分的教学评估中,第一次上课的我竟然进入了全校排名的前5%(很遗憾,之后这些年再也没有达到这个水平)。这个学期还使我意识到粉笔与黑板而不是投影仪才是教学更合适的工具。其原因有些微妙。当观众看到你在黑板上当场亲自将内容一步一步展现出来时,他们会更信任你。

特别需要感谢对这些讲义产生深刻影响的几本教材的作者。读者在讲义中会很容易发现他们的印记。

首先是E. M. Purcell著的伯克利物理学教程第二卷“电磁学”。这本书由南开大学翻译成中文并在1979年由科学出版社出版。1986年年初,我试图通过这本书更深入地学习电磁学。从中意识到电场与磁场在相对论意义下得到完美统一的那一瞬间所感受到的震撼力至今仍然记忆犹新。到大学后,又有幸聆听张三慧教授以这本书为教材讲授的电磁学(应该说这是我在大学生涯中很少几门听讲的课程之一)。在我的电磁学讲义中随处可见Purcell教授这本教材的影响。

临近大学入学前的那个暑假,我拜访了高三届的高中校友也是清华物理系系友的王标师兄(现在中科院大气物理所工作)。他向我推荐了D. Kleppner与R. Kolenkow合著的“An Introduction to Mechanics”。在大学第一年,我认真阅读了这本书,其风格无疑极大地引导了本讲义的写作。当时就曾有过这样一个冲动:如果有机会我也要写一本类似风格的教材。很荣幸2016年我有机会当面向Kleppner教授致谢并告诉他一本好的教材能够对读者产生多么大的影响。

1989年上半年的政治风波使得学校停课。我正好利用这段时间全心研读M. W. Zemansky著的“Heat and Thermodynamics”(第五版)。其中最为震撼的部分是Caratheodory的公理化体系(很遗憾从第七版开始这个体系被放弃),尤其是对不可逆过程的深刻见解。但是,尽管我自认为学到了这本书的精华,但仍感到对热力学不得要领,并决心一定要找个机会重新学习热力学。这个机会来的很迟,直到2008年的国庆节假期。当时正在讲授前面提到的课程中的力学部分并利用假期开始准备热力学的讲义。Zemansky的教材仍然令人困惑。于是找出H. B. Callen著的“Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics”。这本被誉为“the most frequently cited thermodynamic reference”的名著,我在研究生期间就收藏了,但一直没有时间阅读。这一次在经历了短暂的culture shock后,突然意识到这才是真正的热力学。我的热力学讲义就是以这本书为蓝本的。

最后一本书是N. W. Ashcroft与N. D. Mermin合著的"Solid State Physics"。这本书虽然与本讲义的内容没有关联,但它的品味和风格直接影响到讲义的各个角落。我把大学第三年中一个学期的大部分时间用于完整地学习这本书,并强烈地感受到一本教材就是应该写成这个样子。在本讲义的写作过程中,我也始终在向这个方向努力。很有幸在研究生期间曾短暂师从Ashcroft教授,而Mernin教授是我研究生Special Committee的成员之一。Cornell的A-exam(相当于研究生资格考试)只有口试。当时Mermin教授提的问题是低温下金属比热对温度的依赖关系。当时我能极其迅速地给出了解答过程,就是得益于这本书的学习。多年后与Ashcroft教授重逢,我告诉他自从学习了他与Mermin教授的教材后我就再也没有必要重新学习固体物理了。我想一本教材的一个很高境界就是当你认真学习了一遍之后就一辈子再也不需要复习了。这本"Solid State Physics"对于我就是这样,并成为了我写作的榜样。

在这些讲义中,我还希望体现以下目标:一、仔细解释和充分呈现每个环节和假设,而不是用“显而易见”来回避;二、详细讨论细节,包括实验的细节,提供思考的素材;三、在框架上更接近人的认知习惯。这些目标都需要在不断完善中得到更充分体现。

此外,我不希望在基础物理教学中刻意地引入所谓前沿知识。普通物理学习的是基本的想法。这些想法最好能在学习过程中简单、直接地呈现出来。绝大部分的前沿知识无法满足这个要求。所谓前沿常常指的是新发现的事实,并未超出那些基本的想法,正所谓“太阳底下无新事”。真正科学上创造性的突破主要来源于对于基本想法的本质认识。

实验是普通物理教学的一部分。如果未来有时间,我还会写一本实验讲义。物理学关注的内容有两个部分:人脑创造的基本原理(假设)和外部的真实世界。按照人的认知规律,有效的学习应该是一个不断用真实世界的素材来丰富对基本原理的理解的过程,而实验作为一种可以直观获取真实世界多种信息的途径是实现这个目标的必要手段之一。因此实验教学的核心目的既不是简单地验证规律也不是学习工具(包括器材和数据处理)的使用和培养所谓严谨的作风,而是让学生在与一个经过精心构造的真实(非虚拟)场景的接触过程中学习物理。正所谓“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”。但能有效达到这样目的的实验并不多见。若干年前,我曾经主持过一个实验的设计和搭建(American Journal of Physics 83, 389 (2015)),就是以此为目标。如果读者对实验有好的想法,非常欢迎联系我。