所以你想学物理（第二版，2021）

# 物理学 —— Susan Rigetti 来源：https://www.susanrigetti.com/physics ## 那么，你想学习物理学…… #### *第二版* ### **第二版导言** *2021年4月20日* 大约六年前，我坐在书桌前，为任何想自学物理学的人敲出了一份详细的指南。当时，我完全不知道会有多少人阅读并使用它——我唯一的目标就是以一种清晰直接的方式把这些信息呈现出来，让任何想学物理的人都能找到他们需要的自学课程。从那以后，已有超过六十万人通过这份指南来学习物理。 根据读者发来的邮件，许多人遵循这份指南的课程后，继续攻读物理学本科学位（有些人甚至现在正在读研！），但更多收藏并跟随这份指南的人——甚至一路坚持到最后！——纯粹是出于好奇心，以及为了理解我们所处的这个不可思议宇宙的纯粹快乐。 我相信，这份指南的成功证明了两个事实。 第一，你能做的最有影响力的事情之一，就是与他人分享你所知的东西，即使它看起来并不多。我没能成为专业的物理学家，但我*确实*利用自己对本科和研究生物理学的知识，编写了一份全面且易于理解的课程，帮助了数十万人学习物理。这相当了不起。如果你在思考自己能给世界带来什么，我希望你能想起这份指南，并想想你所知的东西中，有哪些可以分享给他人。 第二，世界上有太多人想理解物理学，却因各种原因无法在大学里正式学习。这些人对学习物理非常认真，并非出于职业目的，而仅仅是想理解宇宙。然而，他们长期以来一直被学术物理界（因为他们不在大学学习而不把他们当回事）和当代及流行物理学书籍的作者及出版商（他们大多只卖给他们一些假设大多数读者永远无法真正理解物理的书）严重忽视和低估。当我撰写这份指南的第一版时，我相当确定，真正想学习物理——*真正的*物理——的人，远比学术物理学家和出版商所认为的要多，而这些人正是我想帮助的。事实证明，你们的人数甚至远超我的想象！ 好吧，差不多六年后，在收集了大量读者反馈后，我决定是时候对这个指南进行一次（轻微的）更新了。我回顾了这些年收到的邮件和评论，然后列出了最受欢迎的需求清单。我浏览了课程中的所有书籍以及一些新书。我更新了教材版本，增加了更多本科水平的选修课，增加了一个研究生水平的选修课部分，还做了一些其他小改动——所有这些都是希望这个新版本能比第一版更有用。 正如我在第一版中所写：“记住，任何人都能学习物理……无论你把它当成爱好还是事业，理解我们周围宇宙的纯粹快乐，是你在人生中能拥有的最美妙的体验之一。” 祝好运！ *你仍然可以在我的旧网站上找到第一版：*https://www.susanjfowler.com/blog/2016/8/13/so-you-want-to-learn-physics ### **第一版导言** *2015年8月13日* 在过去几年里，自从我写了一篇题为“如果苏珊能学物理，你也能”的博文后，我收到了来自不同背景的人的来信，他们受到激励并想学习物理，但不知道从哪里开始，学什么，读什么，以及如何安排学习。我和单身母亲聊过，她们想重返校园学习物理；和终身哲学教授聊过，他们想学习物理，以便为物理哲学做出有意义的、基于知识的贡献；和高中生聊过，他们想知道应该读些什么来为本科物理教育做准备；还有来自数十种不同职业的人，他们想真正地、*真正地*学习和理解物理，仅仅是为了其中的乐趣。 这篇文章是我多年来发送给联系我的人的内容的浓缩版，概述了每个人为了真正理解物理而需要学习的东西。 美国大学的一般物理教育分为本科阶段和研究生阶段，我也以类似的方式划分了我的列表。因为每个主题都建立在前一个主题之上，并且数学内容会变得更加复杂和困难，所以按照下面给出的顺序学习每个主题非常重要。 如果你完成了这篇文章“本科物理”列表中的所有教材，并掌握了每个主题，你将获得相当于物理学学士学位的知识（并且能在物理GRE中取得好成绩）。如果你完成了“研究生物理”部分的研究生核心教材，你将获得相当于物理学硕士学位的知识。物理学博士学位需要研究生课程以及数年的研究和一篇论文，而博士所涉及的经验无法独立于博士项目之外获得。 记住，任何人都能学习物理。这和学习编程、学习乐器、阅读伟大文学作品没什么不同。无论你把它当成爱好还是事业，理解我们周围宇宙的纯粹快乐，是你在人生中能拥有的最美妙的体验之一。 ### **开始之前** #### **物理学科普书籍** 当你解决问题、钻研教材、深入每个主题的细节时，很容易只见树木不见森林，忘记当初是什么激励你学习物理。这时，那些非常棒（且非推测性）的物理学科普书就能派上用场：它们启发你，鼓励你，并帮助你保持整体观。 一个大问题是，许多流行的物理书籍（尤其是那些由著名物理学家写的）都极其具有推测性，并常常呈现一种不切实际的物理学学习图景。当你学习物理时，最好避免这些类型的推测性书籍，而坚持读那些谈论我们所知真实物理的书籍（一般来说，Frank Close或Richard Feynman的书是安全的选择！）。 以下是我最喜欢的一些物理学科普书，按难度排序： - 《最初三分钟》 by Steven Weinberg（**难度：容易**）。有史以来最杰出的物理学家之一对大爆炸的阐述。 - 《物理定律的本性》 by Richard Feynman（**难度：容易**）。一本关于自然法则的精彩、鼓舞人心的小书。 - 《粒子奥德赛》 by Frank Close（**难度：容易**）。一本精彩的粒子物理学及其历史的科普入门书，配有精美的插图和照片。（不幸的是，目前在网上有点难找到，但如果你找到一本，应该尽快买下！） - 《黑洞与时间弯曲》 by Kip Thorne（**难度：容易/中等**）。我最喜欢的关于广义相对论的科普入门书。 - 《理论最小值》 by Leonard Susskind 和 George Hrabovsky（**难度：中等**）。一本扎实的经典力学入门书。最好在本科课程的第5级左右阅读。 - 《费曼物理学讲义》（套装版）和《费曼物理学讲义》（Kindle版）（**难度：中等**）。费曼的讲义是所有对物理感兴趣的人的必读之作，你会在每位业余和专业物理学家的书架上找到一本。正是这些讲义让我爱上了物理：我的天文学教授让我读读看是否喜欢物理——它们改变了我的人生！如果你刚开始学习，这些讲义可能有些难懂，但当你达到本科课程的第5级和第6级时，它们会变得越来越清晰。 - 《深层奥秘：粒子物理的惊人之美》 by Bruce Schumm（**难度：困难**）。关于粒子物理最好的科普书——它清晰地解释了最困难的概念，而不诉诸推测。（我曾有幸与Bruce一起在ATLAS探测器中寻找超对称性。）这本书在你开始本科课程第7级时 是一本很好的读物。 #### **数学与科学预备知识** 在你开始学习物理并通读以下各节的主题之前，你需要熟悉一些基础数学。高中教育——应包括初等代数、代数 I、几何、代数 II、三角学和微积分预备——就足够了。如果你需要复习，我建议你通过Khan Academy数学课程或书籍《Why Math?》by R.D. Driver来学习。在开始之前不需要熟悉微积分，因为你将在学习本科课程的过程中学习它。 本课程不需要科学方面的先修知识。为了理解物理，你不需要熟悉高中或大学水平的生物学或化学，尽管在旁边做一些学习也无妨。Khan Academy有一些很棒的高中科学复习课程，非常适合这个目的。 #### **如何学习** 每个人的学习方法都截然不同，了解自己的学习风格很重要：你是通过阅读、记笔记、交谈、观看、实践，还是这些方式的结合来学习？例如，我通过阅读和记笔记来学习，所以我非常仔细地通读教材，做大量笔记，并在进入新概念之前用自己的话总结每个概念。在开始之前思考这一点，这样你就会知道如何安排你的学习。 无论你的学习风格如何，你仍然需要解决每本教材中的物理问题。**解决问题是理解物理的唯一途径。**没有其他办法。尽管有时会感到乏味，但没有什么比解决一个真正困难的物理问题，并意识到你完全靠自己弄明白了更令人有成就感了！ 自学的一个难点是你可能不知道自己的解题是否正确。下面列出的一些教材在书末附有部分习题的答案，但这些答案往往不够充分，原因有二：（1）它们通常只显示问题的解答，而不显示解题步骤；（2）完成*所有*习题比只做选定的几道要好得多。好消息是，许多习题的解答（以及逐步的解题方法）可以通过简单的谷歌搜索在网上找到。然而，如果你要谷歌答案，*请先尽力自己解题，并尝试多次*（你不是在学校追求完美分数——你是在努力学习和理解）。 最后，关于实验室学习与教材学习的一点说明。物理既是实验科学也是理论科学，虽然研究发生在实验室、黑板和计算机上，但物理*教育*的大部分并不发生在实验室，而是在通过教材授课的课堂中，以及布置教材中的作业。是的，有一些实验课（通常在最入门的级别，其唯一目的是展示：哦，看，牛顿定律在现实世界中确实有效），还有一些——*一些*——本科生被允许参与辅助研究，但物理主要是通过教材、讲课和作业来教授的。不信吗？看看任何提供物理专业的大学的本科物理课程。物理研究生项目也大致相同——无论是物理硕士还是博士项目，都需要两年的核心课程——但有一个关键区别：要获得博士学位，学生需要完成数年的研究、一篇论文，并且在许多项目中，需要通过一项考试来证明他们掌握了研究生核心课程。研究生核心课程全是教材、讲课和作业。我在下面课程中所列的教材，正是世界上顶尖的本科和研究生物理项目所使用的教材。学习它们将给予你与这些项目之一相同的教育——无需那些令人极度恼火的、带有愚蠢小组项目的入门力学实验课。 ### **本科物理** #### **概述** 每个本科物理项目的课程都涵盖以下主题（以及各种主题的一些选修课），并且通常按以下顺序进行： 1. 入门