怎么学习物理

业余爱好者能不能自学成为物理学家？几年前，有朋友给我介绍了一位他的女性朋友，说这位同学是文科出身，但特别热爱物理学，想来问我能不能自学成才。我首先赞扬了她对科学的热情，告诉她这是完全可能的，例如著名理论物理学家、超弦理论的代表人物、菲尔兹奖获得者Edward Witten，就是历史学本科毕业后，从头开始学物理的。

Edward Witten

然后我告诉她，有一个资料是专门为自学者准备的，这就是1999年诺贝尔奖获得者、荷兰物理学家Gerard t Hooft的网页《如何成为一个好的理论物理学家》（HOW to BECOME a GOOD THEORETICAL PHYSICIST）（https://webspace.science.uu.nl/~hooft101/theorist.html?continueFlag=e06d8bd431b1079a90b7e8c76174b396）。下面，我们来介绍一下t Hooft的这篇长文。

Gerard t Hooft

此文开头就是雷击：

我经常收到业余物理学家的动机良好但完全无用的邮件，他们相信自己解释了世界。他们相信这一点，只是因为他们对现代物理学解决问题的真正方法一无所知。如果你真的想对我们对物理定律的理论理解有所贡献——如果你成功了，这是一种令人激动的体验！——那么有许多事是你需要知道的。首先，要严肃地对待它……

我可以评论一句，我和t Hooft至少有一个共同体验，就是经常收到民科的来信，有发email的，有发微信的，甚至还有寄包裹的。t Hooft对这些人的本质也一针见血：他们对现代物理学解决问题的真正方法一无所知。民科一般都已经陷在自己的幻想中出不来了，不过对于真正想学习的人，该怎么办呢？在下一段，t Hooft给他们指出一条生路：

在当今时代，从网络上收集所有你需要的知识应该是可能的。然而问题在于，在网上有如此多的垃圾。是否有可能从中挑选出那些非常少有的真正有用的网页？我精确地知道哪些知识应该被教给初学者。那些绝对必需的课程的名字和主题容易列出来，这正是我在下面做的。我有意识地在网上搜索了哪里有真正有用的论文和书籍，最好是可下载的。这样，成为一个理论物理学家的成本应该不会大大超过一台联网的计算机、一台打印机以及许多的纸和笔。不幸的是，我仍然不得不推荐买一些教材，但在这里提这个建议比较困难，可能放到将来的一个网页。让我们首先把自己限制在绝对的最低需求。下面列出的主题必须被学习。任何遗漏都会受到失败的惩罚。

我来评论一下。苏联物理学家、1962年诺贝尔奖获得者朗道（Lev Davidovich Landau，1908 - 1968）有一个考核要求，叫做理论物理最低标准，通过这个最低标准考试的人才有资格成为他的学生。名字叫最低标准，其实是个极高的标准。

Lev Davidovich Landau

从朗道1935年开始发布标准到他1962年出车祸，27年中只有40多人通过了这个最低标准的考试，其中包括中国学者卓益忠、郝柏林。

卓益忠

郝柏林

许多尝试者折戟沉沙，被朗道通知说不适合从事理论物理研究。向考生解释这种不愉快决定的活总是由朗道自己去干（https://cbgc.scol.com.cn/news/2380058）。所以看到t Hooft这句让我们首先把自己限制在绝对的最低需求，我首先就想到了朗道的最低标准！

继续往下看：

请正确地理解我：你不需要像信仰一样相信你读到的任何东西——检验它。尝试另外的途径，越多越好。你将会一再发现，这些人做的真的就是有可能做的最聪明的事。

我来评论一下。我在教学中经常让同学们把我们代入历史上那些科学家的位置，设想自己面临着他们当时面临的问题，手头有的只是他们当时的工具。好比你就是玻尔兹曼，你就是爱因斯坦，你面对着统计力学的问题或者运动物体电动力学的问题，你该怎么办？如果你认真做了思考，你就会做出他们当时所做的推导，得到他们当时得到的结论。你就会发现，他们做的就是当时条件下最好的。这样，你才深入理解了一个理论，以后面对新的问题时才会提出新的理论，这就是创造力的来源。

继续往下看：

奇妙的是，最好的教材都带着习题。做这些习题，确认你能理解所有事情。尝试达到这样的阶段，你能找出大量的印刷错误、小的错误以及重要的错误，并且设想你如何能以一种更聪明的方法写这些教材。

看到这里我笑了，这绝对是专业人士的经验之谈。无论多好的书，在认真研究的内行看来都会找出大量的错误，这也正是内行的标志之一。许多出版社经常找我推荐书，我每次都认真研读，而且每次都给出版社提出大量的修订意见，以至于有些书干脆把我写成了特约审校！

《编程宇宙》

还有最后那句设想你如何能以一种更聪明的方法写这些教材，我在写《量子信息简话》的时候也深有体会。

《量子信息简话》

量子信息的教材和科普书都已经有不少了，但普通读者往往在开头就读不下去，讲述的顺序就是原因之一。通过几年来四处做报告、跟听众交流的体会，我决定在《量子信息简话》中大幅度改变常规的顺序，把最容易理解的量子精密测量放在前面，然后讲量子力学的原理，然后讲量子计算，最后才讲量子通信中的量子密码。

《量子信息简话》目录

这是因为理解量子密码所需的基础知识是最多的，不仅包括量子力学原理，甚至还包括传统密码学。量子密码在媒体上出现的频率最高，因为中国在这个领域取得了很多成果，但如果不讲清楚这些前置知识，对量子密码的介绍就永远是语焉不详，甚至让人越看越糊涂，许多人干脆认为它是伪科学了。因此，我在书中把量子密码放在最后，在前面甚至还专门用一章介绍了传统密码学。只有这样，读者才能明白量子密码是什么，它解决了什么问题，它为什么能解决这个问题。相信任何人循序渐进地看下来，都会透彻地理解这个领域。

让我们来看t Hooft的第三段：

我可以告诉你我自己的经验。我有一个巨大的幸运，就是在身边有许多优秀的教师。这有助于防止误入歧途。这帮助我一路赢得诺贝尔奖。但我那时没有网络。现在我努力尝试作你的教师。这是一个令人望而生畏的任务。我在请求学生们、同事们和教师们帮助我改进这个网站。它目前是为那些希望成为理论物理学家的人设置的，不是普通的理论物理学家，而是最好的，那些完全决心赢得自己的诺贝尔奖的人……

再来看第四段：

理论物理学就像一座摩天大厦。它有坚实的基础，在初等数学和经典（二十世纪前）物理的概念。不要认为二十世纪前的物理学是无关的，因为现在我们多了那么多。在那些日子里，为我们现在享受的知识铺下了坚实的基础。不要尝试构筑你的摩天大厦，在你首先重新构筑这些基础之前。我们的摩天大厦最下面的几层包括高等的数学形式，它们把经典物理理论变成它们自己的美丽。它们是必需的，如果你希望走到更高。所以，然后就是下面列出的许多其他主题。最后，如果你足够疯狂，想解决那些极其令人迷惑的问题如调和引力物理与量子世界，你最终就会研究广义相对论、超弦理论、M-理论、卡拉比-丘成桐紧致化等等。这是当前这栋摩天大厦的顶端。还有其他的顶峰，如玻色-爱因斯坦凝聚、分数量子霍尔效应，以及更多……

从这些介绍中，可以一窥理论物理体系的宏大。下面，t Hooft开始按照逻辑顺序介绍具体的领域。这些领域包括：语言、初等数学、经典力学、光学、统计力学和热力学、电子学、电磁学、量子力学、原子分子、固态物理、核物理、等离子体物理、高等数学、狭义相对论、高等量子力学、唯象学、广义相对论、量子场论、超弦理论。大家顺着这个网页看下去，就能看到每一个领域的知识点和推荐教材。

让人想起电影《鹿鼎记》里陈近南的台词：这一本只不过是绝世武功的目录，那一堆才是绝世武功的秘籍。陈近南后面那句也很适合：看了就九死一生，不看就十死无生。

介绍完t Hooft的绝世武功目录，最后让我们回到最初来问我如何自学的那位女同学。过了一段时间，我问她学得怎么样了。她的回答是：物理太难了，不过我找了个学物理的男朋友！我不禁大笑，说：这样也好，效率说不定更高！