物理主要是研討物質的構成與根本活動的紀律，也包羅規定上能夠的使用
物理主要是研討物質的構成與根本活動的紀律，也包羅規定上能夠的使用。物理的根本紀律很少，最根本的紀律只要幾條。緣由是由於我們研討物理的時候，要捉住它最主要的工具。比如說牛頓第肯定律是在天體下總結出來的，由於天體根本沒有摩擦。有摩擦怎樣辦？有摩擦時再加，其他要素一點點參加。假如開始就把摩擦加進去，定律很難總結出來。因而要特出一些主要衝突和主要特點。並且主要特點都是比較直觀、比較簡單的，是條理清楚的。便是說研討什麼物理，就站在什麼條理上。比如說憂愁不慢、不大不小、未幾不少，大要是牛頓力學。太快了（與光速c比較），就到了相對論了，條理十分清晰。而這些條理都以很簡單的參數來描繪。因而如許的話，條理清楚，你可以推理，而且簡單、特出，因此就可以做定量的描繪。這是物理開展的一個最大的優勢。比如化學、生物開始的開展就以唯象為主，很難去完全定量描繪。固然，如今狀況差別了。同時，物理以觀察為根據、以實行為根底，因此物理學最根本的原理是少而精，同時條理清晰，又容易展現，可以定量描繪，還可以做實行判別，有十分好的科學體制，往後開展逐步越來越快、越來越大、越來越生動。因此可以簡單小結一下物理的根本特點：
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物理學是有條理的，有差別的紀律，簡單來說，差別條理、差別互作用的紀律，合到一同，便是我們如今的物理學。我們曉得電動力學是自然相對論的，電動力學惹起了標準場，假如你再擴展，廣義相對論是什麼意思？相對論述沿著活動的方向尺子要縮短，你想像一個輪盤在那邊轉，轉的特殊快，那麼沿著切線的方向發明尺子縮短，但是半徑與活動方向垂直，不縮短，這兩個一比，肯定是比2π要小，因而肯定不是平凡的多少。因而從狹義相對論走下去，肯定是紛亂的多少，其後就開展到廣義相對論和黎曼多少的使用。
如今量子力學跟統計力學聯合起來，便是量子統計。那麼把電動力學和量子力學聯合起來，就釀成量子電動力學。與狄拉克方程等聯合，進而開展成量子場論，然後冒死把這些內容去聯合，發生了好多好多分支，但最根本的頭腦就這麼點。廣義相對論可以思索天體、宇宙等等好多好多。綜合起來，物理的大廈都是一些最簡單、最根本的紀律去聚集，相互穿插而組成的。
20世紀是巨大的世紀，是物理學大廈形成的世紀。簡單說，物理在20世紀開始到20世紀60年月從前大要上曾經清晰，比如說最高的代表便是量子力學另有相對論，實行、理論和使用極為勝利。同時在20世紀的中下葉，包羅一些對物理的宏大推進。不能否認，戰爭是物理開展的一個強大動力。戰爭從某種意義上來說，也是打物理戰。如果細心想想，在第二次天下大戰的時候，最緊張的一些開展顯著是與戰爭、社會需求有關。比如說雷達、核能以致於在二戰時期盤算機的開展，最早便是從馮諾依曼、費米等在芝加哥大學用電子管弄的很笨重的盤算機開始，以及往後開展的激光、半導體。半導體是能帶論的結果，沒有能帶論，何來半導體呢？因此不能否認，求知是物理研討的推進力，但社會技能經濟尤其是戰爭的推進對物理學的要求越來越高，這也是一個理想。由於20世紀中葉往後，不像是當初麥克斯韋、開爾文爵士乃至是伽利略，他們可以闊別一些攪擾的情況，完端賴求知來開展物理。
二、新趨向
那麼新的世紀開展的趨向如何呢？我討教了不少人，包羅外洋聞名的學者，也包羅楊振寧老師。新世紀初楊老師本來贊同要寫21世紀開展的趨向，其後不寫了，我更不敢胡說。但大要上大眾都有一些共鳴。提的題目十分簡單，便是到了21世紀你是不是還想再發明一個新的麥克斯韋方程、薛定諤方程呢？我們出生太晚了，也沒這個本事，緊張的都讓人家發明了。因而你要盼望發明十分新的紀律，能夠性越來越少，同時，純物理研討方面所包容的人也是越來越少。要十分有悟性並且有十分好的時機才可以做這個事變。大部分人能夠要有新的思索。近況是物理如此勝利，我們要做什麼事？能夠起首主要是做物理差別分支的交融，這個十分緊張。我們的先輩像跑百米似的竭力開展某一個分支，很難有精神多思索差別分支的交融，是由於根本規定出來往後，大眾都爭著往前跑，誰探究出一些新的根本原理、推論、觀念，立刻就變得十分緊張。但是到了肯定水平，也便是說，如今分支間的交融浸透極為緊張。
同時，物理學科與其他學科的穿插和聯合十分緊張，就像量子力學與化學的聯合，物理和生物的聯合，物理在材料方面的使用等等。如許會發生好多新的學科分支。另有固有的概念，好像以為它老了，但細心看看，近十年來，緊張物理概念的一些推進，好多都屬於物理學的巨匠們早已有之，但是當時沒有條件開展；其後又發明，原來有嚴重的用處，並且是固有的概念的延伸，這也是一個趨向。
因此，21世紀的物理還需求思索實際需求的推進。在新情勢下，我們推進物理前進的動力，除了我們本人曾經習氣的求知之外，同時還要特殊留意物理學結論在技能方面的潛伏使用。所謂潛伏的使用，便是想個主見，它規定上能夠用就行了。如今工程界、技能界的人士十分智慧、能幹，他們理解這些原理後會極為奇妙地實現出來。
因此扼要地說，在新的世紀，我們不只以求知為目標看待物理，並且要主動接近國度嚴重需求，竭力把物理使用於各個範疇。如許活學活用物理，將會對我國進步創新力有很大協助。這點是我們和先進國度的主要差距。
別的值得留意的是把物理原有緊張頭腦翻新，以新的方法推行。與這些方式相應，我們物理的講授也要有新的思想，課本也要順應新世紀物理的特點。為了詳細闡明如何把原有物理頭腦翻新，並在講授中表現出來，以下就專門通過一個例子來闡明（由於我是教「電動力學」的，僅舉「電磁學」中的一個例子）。
三、舉例：電動力學的進展——電磁大氅理論
在1968年，一位前蘇聯學者在前蘇聯《物理成績》雜誌的一個講授研討欄，寫了一篇文章提出這個題目。我是在1977年有幸讀到的。n要是小於0，從圖看就叫左手材料。如今討論的多得不得了，專家也好多。那麼大於0小於1，怎樣辦？這是什麼物理？大眾看虞富春老師和鄭春開傳授的電動力學，這可以在等離子體實現。因而小於零，左手材料；大於零小於1，等離子體；大於1，是通俗的極化介質。不要鄙視這個簡單的題目，又可引申出來，假如由大於0變得越小，光芒折射角越大，但是小於0，你可以想到它往左邊走。那這闡明什麼題目。這闡明即是0，肯定極限不延續，中學生大學生都可以看出來。這個牽涉到電動力學的最本質的題目。便是嚴厲即是0能夠是個奇點，值得細心思索，它毀壞了幺正性，我們並不否定如今工程上把設為零，由於它是平均的。但是從理論上講，這是很嚴峻的題目。通過如許一個簡單的題目能看出來，原來物理書只只是通知我們一些根本概念，的確裡面藏著好多玄機。只只是我們沒有深化考慮，也沒有引導學生考慮。上述在等離子體介質是平均的，不依賴坐標，但是大於0小於1，假如是個張量，當調理到得當的水平，可以惹起反射消逝。可以想像外面的空氣是真空，界面有好多層，每一層差別的坐標，誰人ij的方向紛歧樣、數值紛歧樣，調理ij（r），把反射調沒，便是隱形。如要能做出這種材料來，就將隱身，固然，當邊條件紛亂時從理論和實踐的角度說都是應戰性課題，也許不是短時間能處理的。由於無反射，因而看不到。理論結果不依賴於頻率，什麼頻率都行。但是人工材料則依賴於頻率，也便是一個頻率看不到，變一個頻率就看到了。這是如今的最大困難，並且是規定困難，不是技能困難。因而要真正做到隱身衣，另有很長的路要走。下面是扼要的理論結果： 在介質外沿x軸入射：
在介質內：
則由介質中電磁場方程可以解出無反射（嚴厲解），光芒進入介質途徑的光芒方程為：
常數。
誰能做出真的材料，可不得了。像塑料膜一樣，把物體罩上（最好是對稱的），誰也看不見，像傘一樣收起來，就又看到了。大眾如今朝思暮想的便是做這種真材料。這可不容易，這個需求從量子力學的角度、從種種理論的角度做預備。理論物理只會說，還要材料專家竭力做。
這是2005、2006年開展起來的理論，實行很快2007年就做了。而從汗青上看，查一下汗青，大於0小於1，即是1，可以用等離子體實現，在20世紀就有好多研討了。更普通的概念早就出如今朗道·栗弗席茨的《經典場論》的兩道習題里。方才的rr（r），是跟r有關。實際上相稱於坐標變更。大眾曉得一個曲線坐標，坐標變更部分來說就相稱於引力，即出現度規。因此光在一個張量的介質里傳達，就相稱是一個光在引力場傳達，光子的「質量」為。在朗道一道習題里，它曾經明確說光在引力場里的傳達，引力場對光的作用就相稱於張量的介電常數和磁導率。另有一個很風趣的事，第一道題，中譯本有，英譯本也有。但是有關這個結論的第二道題，英文的第12版前很多版本沒有（我國翻印的第四版有）。除了朗道早就有這些概念之外，聽說愛因斯坦早就有一個頭腦，用來等價於引力。這是在《科學》雜誌上說的（Science， Vol. 323， 46），愛因斯坦藏在球裡面，別人看不見的。並且有的人還說愛因斯坦想過能不可以在ij如許一個非平均的張量電介質裡頭發生相稱於反引力的工具，也思索過將戰艦隱形的能夠。我們不需求很高深的數學，物理是一種直覺。在不毀壞物理根本紀律的條件下，可以輕易猖獗想，只需你對了勁，大約都是對的。固然相對不可以毀壞根本定律。比如你說能量不守恆，那就錯了。由於千千千萬事變證明，它是守恆的。我舉這個例子是說，假如學生問我們某些題目的時候，沒有把握，你萬萬不可以說他錯。就像介電常數這個題目。不可以在他有一個想像力的抽芽階段，就抹殺掉。
這個從原理上講，十分簡單，既然ij（r）相稱於部分引力。實際的引力是不可以屏蔽的，界限條件肯定是無窮大。但是介電常數存在於肯定地區內，因此在介電常數存在的地區，便是相似引力存在局域。我們直觀想像光在介質中傳達的題目，要是跟同窗們講，不需求很紛亂的數學。光子沒有靜止質量，但有活動的質量。它的能量便是hv，除上c2便是它的質量。依據慣本質量等價於引力質量，因此這個m也必然是引力質量。在引力場中，這個光子就跟這麼大質量的牛頓粒子一樣。假如介電常數ij便是跟描繪引力場的度規gij等效的話，光一進介質就像在引力場中一樣的曲折。調理ij，就相稱於調理了度規，乃至想讓光怎樣走就可以怎樣走。由此啟示，可以用上述人工材料模仿天體的一些景象，如黑洞等等
通過這個例子，我們可以看出，我們認為是很「通俗」的概念，能夠會引申出很緊張的開展，它給我們的講授有很大的啟示。
四、對物理講授的一些詳細題目的膚淺想法
1.培育的方向題目。如今的我國物理講授綱要好多題目都是20世紀50年月連續下來的，原來根本上按前蘇聯大學的藍本。當時以培育物理學家作為目標。當時候上大學的人少，學物理的更少。如今的狀況紛歧樣，如今學物理的大學生十分多。這種狀況下，客觀地說，能夠只是少部分人專門做純物理研討，而大部分人能夠是要觸及物理使用。
2.講授體制題目。我們要看法到講授體制和真正科學本身的體制是有差異的。但是這是沒辦法的事變。學工具，就得一塊一塊學，不可以同時學。但是沒辦法，還得想辦法，便是不要給學生形成一個印象，如今講授的分類就肯定是科學的分類，物理的分類便是按你所教的分類。楊振寧老師更認為天下上本無「四鼎力學」，「四鼎力學」為了學習而造出來的，我十分贊同這個觀念。真正的物理叫「活的物理」，「活的物理」是有血有肉的工具。因此，開始時，按如今的分類打好肯定根底，慢慢地就要竭力將所學知識彼此交融，從景象入手，盡能夠地進行典範而綜合的剖析，把很多物理弄到一塊去考慮、提出題目。別的我們在制定講授綱要的時候，全國是否提一個大要上的框架要求就可以了，每個學堂應該依據本人的特點來決議綱要和學時。實際上我們定綱要，便是經常找一些人，誰做什麼，就填上；沒有這方面的人，就沒有。最典範的便是我們以前物理綱要里沒有流力氣學。學堂差別，做物理差別，要供認差異。地方的一些學院，怎樣可以和北大一樣？完全不需求。
3.實行室不可以減弱。如今題目比較嚴峻的是實行講授的薄弱。我雖然是做理論的，但是對物理實行的講授大大減弱十分擔憂。我們曉得從大處來說，回想一下物理學的汗青，大學裡物理的競爭本質上是實行室的競爭。外洋的大實行室有幾代人的傳承。這些實行室像一個火爐子，有做實行的，有做理論的，進來的人就燒紅了，出去的人是火種，那便是更厲害了，也許有的人慢慢涼了，但是只需進來的就會燒紅了。像盧瑟福實行室，出了幾多諾貝爾獎。可我們卻沒有形成有長期傳統的聞名實行室。因而實行室建立十分要害，學生們在講堂里聽課，而相稱一部分時間是在實行室里實踐，從書籍獲取知識，從實踐獲取伶俐。不是說學理論多了，就肯定能做好物理。物理從某種意義上說是一種直覺。我曾問楊振寧老師：您怎樣寫一篇文章便是經典文章？您是怎樣推導的？他說：錯誤，我做這個之前，早就曉得是這個結果，是先猜的。好物理都是先猜出來的。也便是說，他的物理圖像十分清晰，早就曉得該做什麼，然後去推。問到陳省生老師，我說您怎樣弄出纖維叢？他說「我先有圖像」，但是寫文章要很嚴厲，不然宣布不了。
4.課本不要一致。關於課本題目，我認為課本不在多而在特徵。不少課本相同，有的材料大眾都有，有的大眾都沒有。能否不肯定要一致課本內容？我們要多編一些小冊子，把某些題目講得比較透。比如我方才講的電磁大氅的例子。要把實行的工具、理論的工具乃至包羅物理學史整合到一同，惹起學生的興味。我舉個簡單的例子。到如今為止，中國還沒有寫出一本物理教科書，闡明開普勒怎樣發明開普勒三定律的——不是用微積分算出來的，由於微積分是牛頓往後才有的，開普勒期間沒有微積分——是用多面體推出來的。這件事照舊聞名數學家、加州大學伯克利分校傳授項武義老師，花了相稱多的時間和精神，包羅去大英博物館查原文，寫了這本書，讀後我們才曉得原來是怎樣回事。教科書不是越全越好。我的教師段一士老師在莫斯科大學做過研討生，當時朗道教學理論物理。我問他，朗道出了這麼多本書，我很竭力才讀了四五本，有的還不求甚解，有的習題還沒做完。怎樣能講這麼多？他說：你錯了，朗道授課的講稿很薄，他講的經典場論頂多是那本書的1/10。其後我有幸見到栗弗席茨，他給的一個講稿，比段老師說的還薄，才20多頁。 5.引發學生的悟性。我們都想把學生教好，這是我們的責任。但是你細心想想，學生是學出來的，不是教出來的。假如不愛學，學的沒興味，再教也沒用。真恰好的學生，他就竭力本人學，你協助他，引導他走上準確的路途，並且教員的責任是因材施教，要害是發揚學生本身的優勢。陳省身老師說得更刀切斧砍：「勤學生不用教，差學生教也沒用。」這句話是真理。你細心想想，哪個學生學物理是手把手教出來的？他有學習的積極性，他來找你，你跟他討論，你協助他，他就學出來了。大眾回想77級、78級大學生，出現了在我國挑大樑的好多良好學者。當時候入學程度很低，整個教誨系統剛才規復，為什麼能學習好？當時候學生的學習熱情高漲，不讓他學，就彷彿不讓他活一樣。因此我進一步又問陳老師：「在您眼裡什麼叫勤學生？」他說：「勤學生不是指成果分高的學生，而是有悟性的學生。」學物理從某種意義上，不在於學得特殊多。多雖然好，年份長，竭力學的天然會多。「多」是每個人都可以做到。但是悟性不是每個人都可以做得好的。每一堂課，我們要鼓舞學生，能悟出些原理來，要提出題目，悟出點什麼，哪怕悟的很奇異也沒關聯。教員的責任便是引導他往準確的方向去感悟，協助學生使用、綜合所學知識，鼓舞、啟示他提出題目，養成習氣，程度較低時，處理提出的題目是個訓練，等他未來掌握工具多了，程度高了，便是研討。因而創新人才，不可以拔苗滋長，需求特性化培育，讓學生本人冒出來。
（3）假如靜電勢是，後果是什麼？
6.承繼根底上的啟示。誇大啟示式講授，這個沒有人反對，出發點是好的，但是搞欠好卻要誤人子弟。題目是什麼叫啟示式講授。是不是什麼都不承繼就啟示？我舉個簡單的例子。比如我們是不是要通過一些實行讓一個學生本人發明牛頓定律。你想想，牛頓定律得來談何容易。全天下這麼多人，只要牛頓一個人悟出來。你想通過地球上這些不完整的實行，讓一個孩子悟出來，最後的結果一定是得到一些概念含糊、四分五裂的知識，這是做學問的大忌。再比如電磁理論，你得先供認麥克斯韋方程，它是萬萬個實行證明的。在此根底上，「啟示」同窗考慮界限條件下的解，電磁波在紛亂介質中的傳達。在高年級還可以「啟示」同窗考慮經典電動力學的使用範圍，這才是正常的學習流程。如今有說法，事前不誇大學習曾經證明為勝利的理論知識，卻要孩子做這個實行，做誰人實行，結果很能夠讓他們本人得出一些不置能否的、含混不清的結論。學物理應該是概念明晰，一是一，二是二，其他的要素可以再加。因而我主張啟示要在肯定知識根底上啟示，必須是起首以供認前人效果為根底的啟示。我們物理之因而開展得好，是由於有定量形式，別人可以反覆。要系統承繼前人的效果，至於贊同差別意，以後怎樣開展，那是你的題目。不管你怎樣看，先接納下來。我們對學生的啟示式，要在承繼意義上，按照實際狀況去做啟示。而不是給他一個不置能否的、模糊不清的工具。物理的概念十分緊張，概念錯了，根上就錯了。因而教師授課概念要明晰。授課不肯定八面小巧，但是你教的都應是骨架，而不但是皮毛。如今的學生都愛聽時髦的名詞，但是真正通知他物理最本質的工具，這個才是緊張的事變，最好通過他有興味的工具吸引他慢慢地承受。
同時，學生應該在學習物理中悟出點工具，然後考慮它的潛伏作用；便是錯了，也沒有關聯，只需對1%，這便是效果，是創新的開始。西洋列國便是以這種形式培育了一大批人才，獲得了一大批效果。為什麼人家可以如許，我們就不可？我以為要供認學生有差異，有些人未來可以專做物理，有的人可以橫向開展，另有一些人向技能方面開展，但是每個人都該當有本人的專長。要想做到這點，就要吸取西洋的經歷，要敞開實行室，讓學生們在講堂上學工具，到實行室里錘鍊，到場項目，靈敏運用，詰問題目，使他們有明晰的概念。
7.物理不是八股。學習物理的流程是我們感知根本天然紀律的流程，它們共同如此奇妙，不可以不齰舌大天然的完滿，它計劃的幾乎比天主還妙。但是這種活生生的物理卻由於講堂講授，有慢慢釀成八股的趨向。主要表示是：
（1）不注意與景象的聯絡。物理是從觀察景象開始的，慢慢籠統出共同的紀律。我們承受勝利的理論，肯定要向詳細例子使用，發生感性的認知。
（2）過於誇大理論體制的緊密推導，使學生誤以為物理都是推出來的。的確活生生的物理才是實質，偶然物理在本條理是不講邏輯的。
（4）應該將如今新的開展與使用融入講授，惹起同窗興味。比如Maxwell方程，介質是最緊張的，真空時便是解數學物理方程。差別介質時巧妙的景象，包羅光的速率的定性討論（相速、群速、波印廷向量的速率）都是極為緊張，也容易惹起興味。如零點振動能的丈量，活動的球形原子間的范德瓦爾斯力正比於（），盤算這些經常是用量子電動力學，但是由於，用林納一維希勢就夠了。總之將新開展不是推到悠遠的未來去學，而是在大學課程中就可以明白。再如電動力學常用拉氏函數為E2–B2，但是另一種E·B也有大用處，便是數學上的陳省身類，物理上與拓撲有關。
（5）應該參加點物理學史內容。能不可以先在大學裡開設一些通俗一點的物理學史課？物理和天文中充溢了哲學，充溢了辯證唯心主義，在學生們宇宙觀形成中，實際起著緊張作用，也應是素質教誨的內容。但是遺憾的是，這方面的課本還太少，假如把它算做哲學課的一部分就更好了。
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