物理直觉是如何养成的？徐一鸿：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。如何培养物理直觉？我在书里提到了两种可能性：天生就拥有物理直觉，或者通过不断练习发展物理直觉。”

徐一鸿教授。

“你应该先思考。思考比计算要困难得多，大多数人都可以坐下来计算，但不计算就思考问题，这是极其困难的。”

12月13日，美国加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）物理系教授徐一鸿（Anthony Zee）在线上参加了由普林斯顿大学出版社主办以“物理直觉是如何养成的？”为主题的讲座。会上，徐一鸿围绕他的新作“Fly by Night Physics: How Physicists Use the Backs of Envelopes”进行了分享，并作了上述发言。清华大学物理系教授楼宇庆主持活动，并与上海交通大学李政道研究所物理与天文学院教授何红建一起，与徐一鸿对话。

《Fly by Night Physics: How Physicists Use the Backs of Envelopes》书封。图片来源：普林斯顿大学出版社。

徐一鸿是美籍华裔物理学家、作家，籍贯上海，出生于昆明，后移民到巴西，现任美国加州大学圣塔芭芭拉分校物理系教授。据“普林斯顿读书汇”公众号介绍，徐一鸿的研究领域十分广泛，涉及高能物理学、场论、宇宙学、生物物理学、凝聚态物理学、数学物理学等诸多领域。据悉，徐一鸿已发表200多篇论文及一些科普著作，代表作有《可畏的对称》，《爱因斯坦的宇宙》》（原名《老人的玩具》），《吞云》，《力的统一》等。

会上，徐一鸿首先分享了他大学时期的经历。在上大学的第一周，徐一鸿的老师——著名理论物理学家 John Wheeler 对班上的同学们说：“除非你已经知道答案，否则从来不要一开始就计算。”同学们都觉得很震惊，因为他们在高中学到的是，物理学的核心是尽可能多的计算，“计算到耳朵冒烟”。

“这句话意味着你应该先思考。思考比计算要困难得多，大多数人都可以坐下来计算，但不计算就思考问题，这是极其困难的。”徐一鸿说。

在多年的教学生涯中，徐一鸿观察到一个明显矛盾的现象：很多学生在课程上表现出色，在考试中表现得很好，但他们的研究很平庸。“这是因为做作业、考试和做研究是不一样的。因为大家在做作业、考试时有一种在课程中学到的方法，可以应用于解决问题。但是做研究通常没有方法。”他说。

他记得，三四十年前，一位博士后熬了一夜，做了大约60页的复杂计算。徐一鸿看到后说，结果与他的直觉不太一致。并且，这位博士后不能用文字解释他的结果。徐一鸿总是希望人们用文字解释物理，而不是写下大量的方程式。在那60页纸中，他们最后发现了一个复制错误，意味着其余的计算都是错误的。“这是一种盲目的计算，不用直觉来考虑问题。”徐一鸿说。

其实，这位博士后看过很多书，在和他讨论物理时，他总是告诉徐一鸿，书里有答案，可以查一查。最后，徐一鸿告诉他，把这些书都放进纸箱里，不要再看任何书。40年后，这位博士后非常感激他，认为徐一鸿当时的建议十分正确。

因此，徐一鸿认为要帮助学生培养更多的物理直觉，这也是他写作“Fly by Night Physics: How physicists Use the Backs of Envelopes”的原因之一。他在书里提到物理直觉的两种可能性，一是天生就拥有这种直觉，二是通过不断的练习去培养这种直觉。例如，通过做大量的计算，就有可能发展出物理直觉。

受John Wheeler 的启发，徐一鸿在美国加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）开设了一门关于“物理夜航学”的专题课程，在课堂上要求学生每次做计算时都先思考答案。徐一鸿在“Fly by Night Physics”前言中介绍，“物理夜航学”是指在长途汽车或者飞机上的不眠之夜，没有可供计算的笔和纸，一样可以解决问题。因此在徐一鸿的课上，学生们被要求把计算记在脑子里。“没有笔和纸很有趣，你可能被迫专注于基本物理学的要点，而不是担心工具、眼睛和各种事物的顺序。”徐一鸿说。

但徐一鸿也并不是不喜欢日航式物理（fly by day physics，意即严谨计算的物理）。正如他在书中前言所写，“如果你能的话，当然应该做精确的计算！但即使你要这么做，也要先随手拿张纸做个粗算，把关键点搞清楚，这将指导你准确而深入的思考，并对你的答案进行实在的检验。等你一丝不苟地计算完，你还应该看看是否能回忆起每一个数值因子2和π是怎么来的。这种做法可以赋予你第六感，使你之后在夜航般做物理时也能放进一些数值因子2和π”。

徐一鸿表示，他的书强调如何基于物理直觉和理解来猜测答案。而这通常需要掌握基本的物理知识，知道什么是相关的、什么是不相关的。他还强调物理学的乐趣。他在前言中写道，“我意识到物理学能够描述真实的世界！本书强调的是乐趣，是理解的乐趣，而不是技术上的掌握，当然更不是乘除的能力。”

楼宇庆表示，徐一鸿告诉大家一种思考物理的方式：当进行非常复杂的计算时，应该回想一下出发点是什么，哪几步是最重要的。此外，从事前沿物理工作的人，在得出重要结果时，常常需要大胆的猜测，即需要一种勇敢尝试的精神。

何红建则表示，他在清华大学和上海交通大学教授多年的量子场论课程，一贯反对当堂的闭卷考试。因为在量子场论领域，强调考试是没有意义的。而中国的高考制度下，学生们在中学所受的训练都是为了解决一个已经知道答案的问题，因此对于不知道答案的做研究的方法，学生们可能需要更多感觉。此外他还认为，数学家和物理学家都有直觉，只是两者的直觉不同。数学家只需把问题证明出来，而物理学经常不知道问题在哪。

据“普林斯顿读书汇”介绍，在典型的物理课堂中，学生们试图掌握大量的数学方法以应对物理中的精确计算。因此，学生们常常产生一种印象，认为物理学由定义明确的方程式组成，必须通过严密推理和逻辑步骤来解决。标准化的教科书练习也强化了这种印象。但徐一鸿教授指出，这种标准的教学方式忽略了对“物理直觉”的训练。在现实中，物理学充满了粗略的估计、数量级的猜测，以及各种逻辑上的“跳步骤”。即便是最优秀的学生，在开始进行物理研究时，也会发现自己对所面临的挑战毫无准备。

在“Fly by Night Physics”一书中，徐一鸿介绍了如何使用物理推导和合理估算来解决问题，以帮助学生们转换思维，走出课堂“刷题”模式，进入真正的物理研究殿堂。从霍金辐射到引力波，该书涵盖了物理学中所有令人兴奋的前沿话题，它将帮助学生更深入地理解他们所学到的知识，开始用直觉思考物理，以获取他们所寻求的答案。