学物理，要学会正确地“猜”答案
学物理，要学会正确地“猜”答案
物理学研究中，如何在没有精确计算工具的情况下，依靠物理直觉和已有知识来解决问题？《物理夜航船：直觉与猜算》一书给出了答案。
《物理夜航船：直觉与猜算》，[美]徐一鸿著，姬扬译，世界图书出版公司2024年10月出版，定价：99元
什么是“物理夜航船”
这本书的英文书名是Fly by Night Physics: How Physicists Use the Backs of Envelopes，中文版书名最终定为《物理夜航船：直觉与猜算》，其灵感主要来源于明末清初文学家张岱所著的百科类图书——《夜航船》。
所谓“夜行法”，听起来是在黑夜中摸索前进的方法，这与科学家在探索前沿时所处状态有关。实际上，它指的是在不利于精确计算的情况下思考物理问题的方法。例如在颠簸的马背上，在红眼航班的不眠之夜里，手边没有用于写写画画的笔和纸，当然更没有电脑，你该如何找到问题的答案？此时的我们需要完全从物理直觉出发，依据已有的知识，通过量纲分析、对称性等强大的工具猜测可能正确的答案。
这种思考问题的能力为何如此重要？徐一鸿在书中解释说，在典型的物理课堂上，教育要求我们只告诉学生真实的、精确的和已经得到证实的东西。这往往会令他们认为物理学由明确定义的问题组成，可以通过严密的推理和合乎逻辑的步骤来解决。然而，在科学研究的过程中，处于物理学前沿时，勇敢的探索者经常会遇到假的、模糊的和令人难以置信的东西。因此，即使是最优秀的学生也会发现，自己完全没有准备好去应对实际研究中的挑战。在面对当前没有标准答案的问题时，我们必须学会如何正确地“猜”答案。而这往往就迈出了科学研究的第一步。
作业不等同于研究
在英文原版的序言中，徐一鸿提到：“在很多时候，作业只是有关大学生课本中刚刚讲过的章节的训练。找到一个看起来很有可能的方程，插入数字并得到精确的答案，几乎任何人都会做这种事。”
从实用性角度看，这本书介绍了物理学研究中需要用到的重要技巧——量纲分析、简单函数的假设，以及对称性。徐一鸿用量纲分析猜测简谐摆的周期，推导开普勒定律，估测水星进动的微小角度。通过简单函数的假设猜测出炮弹的射程，揭示了以前的物理学家能够得到国王和将军们青睐的原因。
本书除了物理方面的内容外，还包括三个有趣的数学小插曲。在第一个数学小插曲中，我们会看到一个漂亮的综合运用循环对称性、量纲分析和简单函数的假设推导海伦公式的例子。这个证明过程不需要复杂的计算，仅需要一点点直觉。由此可见，这些工具不仅在物理领域，在数学领域也发挥了重要的作用。掌握这些强大的工具就能够在我们脑海中沙盘推演出可能的答案，为科研之路助力。
从内容角度看，本书以生动的笔墨和有趣的文风描述了从霍金辐射到引力波、从量子场论到黑洞等广泛的物理知识。这些主题是作者在上大学时最想了解的知识，以及作者在几十年的教学生涯中了解到的大多数物理系大学生感兴趣的主题。因此，这更像是一本类似于《夜航船》的物理学小百科全书。
在这些讨论的内容中，徐一鸿始终把握学问本身，并不教大家怎样将数字代入公式中，而是告诉你公式是怎么来的。
值得一提的是，作者并不是不推崇精确计算下的物理。相反，物理中的精确计算极为重要。但是，若不能先通过物理推理的思考模式推出解题中可能的结果，或从纷繁复杂的数学计算中总结和提炼出主要的物理，以丰富自己脑海中的物理图像，那么这样的精确计算将毫无裨益。