爱因斯坦是怎样学习物理的？
资料来源:斯科特·杨(身份证:斯科特·杨)
我最近读完了沃尔特·艾萨克森的《爱因斯坦传》。这本传记不仅讨论了爱因斯坦的学术成就，还涵盖了他的反战活动、婚姻问题和伟大的声誉。然而，我只想分享我觉得最有趣的事情:爱因斯坦是如何学习的？
乍看之下，理解爱因斯坦是如何研究物理学似乎毫无意义，就像看着鸟儿，使劲摆动手臂不能让你展开翅膀飞翔一样。你如何模仿一个已经成为“天才”同义词的人？
尽管你和我可能没有智慧来改变物理学，但我认为他的研究仍然会激励我们。不管爱因斯坦在他的研究中做了什么，他显然做了一些“正确的”事情，所以我们有必要弄清楚它是什么。
爱因斯坦有多聪明？(他真的小学数学不及格吗？)
爱因斯坦最熟悉的故事之一是他小学数学不及格。我认为这种说法听起来太棒了，不管它是真是假，它都一定会传播开来。
不幸的是，这不是真的。爱因斯坦从小就非常擅长数学。他自己也承认:
“我从来没有数学不及格。我在15岁之前就已经掌握了微积分。”
尽管爱因斯坦显然不是一个“愚蠢的孩子”，但他也不是一个公认的天才。
在大学期间，爱因斯坦经常在数学上挣扎。他在物理课上得了5或6分(满分6分)，而在几乎所有的数学课上，他只得了4分(勉强及格)。他的数学教授和后来的合伙人赫尔曼·赫尔曼·闵可夫斯基称他为“懒鬼”。物理教授让·佩内特甚至在实验物理课上只给了爱因斯坦一分(不及格)。
大学毕业时，爱因斯坦不光彩地从全班倒数第一名毕业。
毫无疑问，爱因斯坦的困境部分是由于他独特的叛逆性格，这使得他很难与他的学术环境和谐共处。然而，这种情况伴随着他后来的学术生涯——他在大学里寻找教学职位经历了许多波折，甚至在完成为他赢得诺贝尔奖的工作后遇到了困难。
爱因斯坦在物理学上的发现无疑是革命性的，无论用什么标准衡量，他都配得上“天才”的称号。然而，早期的爱因斯坦比“天才”这个词丰富得多。所有这些都告诉我，事后很容易判断一个人是不是天才，但提前预测可能要困难得多。
爱因斯坦是如何学习数学和物理的？
鉴于爱因斯坦对物理学的巨大贡献，我认为有必要问问他现在是如何研究物理学的。
在阅读整个传记的过程中，每当他提到他研究和探索的方法时，我都会记笔记。然后，总结出一些方法和态度。正是这些方法和态度造就了爱因斯坦革命性的发现和对物理学的深刻理解。
1.学习来自解决难题，而不是上课
当阅读爱因斯坦早期的学习经历时，有一点是显而易见的:他讨厌死记硬背和上课。让·彭教授让爱因斯坦停课的一个重要原因是他经常逃课。正如爱因斯坦所说:“我经常翘课，在家带着虔诚的热情向理论物理大师学习。”
逃课集中精力在空闲时间解决难题是他叔叔雅各布·爱因斯坦养成的习惯，他把爱因斯坦引入了代数。那时，12岁的爱因斯坦已经喜欢解决复杂的算术问题。他的父母给他买了一本高等数学课本，供他在夏天学习。
爱因斯坦学习物理的方法不是遵循规则和上课，而是“玩”物理概念和方程。做问题而不是听是他学习物理的起点。
2.只有在你证明它之后，你才能真正理解它
你如何判断你是否真的理解你所学到的东西？爱因斯坦的方法是试图自己证明这个定理。这个习惯始于雅各布叔叔早年给他的挑战——证明毕达哥拉斯定理:
"经过努力，我根据三角形的相似性成功地证明了这个定理."爱因斯坦这样回忆道。
艾萨克森解释说，爱因斯坦“将在遇到新理论时亲自证明它们”。爱因斯坦学习物理的这种自然方式源于他对理解事物本质的强烈好奇心，以及他的“自然可以通过简单的数学结构来理解”的信念。
这里值得注意的是，他不仅通过证明命题来研究物理，而且研究物理的内在驱动力。显然，爱因斯坦的好奇心并不局限于*使用物理概念，而是希望形成深刻的理解和敏锐的直觉。
3.直觉比方程式更重要
与数学家相比，爱因斯坦在物理方面更有直觉。事实上，直到他试图构建广义相对论的那些年，他才倾向于使用数学的形式系统作为研究物理的方法。
艾伦·伯恩斯坦(Aaron Bernstein)早年读过的一套科学书籍对这种研究物理的直观方式产生了影响。这套书使用想象的图片来理解物理现象，例如，通过想象的太空之旅来理解电子信号，甚至讨论光速的恒定性，这是爱因斯坦后来发现的狭义相对论的基础。
爱因斯坦后来在瑞士阿劳的教育深受瑞士教育改革家约翰·亨利赫·裴斯泰洛齐哲学的影响。Pestalozzi声称“视觉理解是教授如何正确判断事物的必要和唯一正确的方法”，并补充说“数学和语言学习是次要的”。
是因为这些早期的影响，爱因斯坦倾向于以可视化的方式解决物理问题，还是因为他原本就是这样一种思维方式，而这些影响只是起到了推舟前进的作用？很难说清楚。然而，在这两种情况下，我认为可以说直觉思维的发展，尤其是图像直觉，在物理学中起着不可估量的作用。
如何培养这样的直觉？爱因斯坦本人认为“直觉只是先前知识和经验的产物”。爱因斯坦通过证明和解决难题的深刻理解无疑有助于他的形象化能力，并尽可能地从中受益。
4.思考需要安静的空间和高度的专注。
爱因斯坦是“深度工作”的大师。他有惊人的注意力。他的儿子提到:
“即使是最大的婴儿哭声也不会打扰他的父亲，”他补充道。"他完全可以在没有噪音的情况下继续工作。"
尽管他没能得到一个学术教学职位，但正是他在伯尔尼专利局的无聊工作让他有时间独自探索相对论的奥秘。爱因斯坦说过:
“我可以在两三个小时内完成一整天的工作。剩下的时间，我会解决一些我自己的猜想。”
爱因斯坦年轻时对解决问题的痴迷最终帮助他在四周的“疲惫和*”中解决了广义相对论的难题。这种高强度的工作有时会影响他的身体健康。在求解张量场方程的数学问题的压力下，他的胃病也越来越严重。
爱因斯坦专注的能力和对孤独的尊重使他能够完成他在物理学上最重要的贡献。即使他老了，他仍会在船上呆上几个小时，悠闲地推着舵，仿佛沉浸在自己的思绪中，然后突然停下来，在笔记本上写下潦草的方程式。
5.通过意识形态实验理解猜想
爱因斯坦最著名的学习和探索物理的方法必须是思想实验。
最著名的例子是他想象自己骑在一束光上。如果他和光束以同样的速度飞行，光束会发生什么变化？光束必须是静止的。这对爱因斯坦来说似乎是不可接受的，因为他相信麦克斯韦的电磁方程。但是如果光束不是静止的，会发生什么呢？
这些意识形态实验是基于他对物理学的直觉理解，而这又是基于解决难题的理论基础和经验。意识形态实验的优势在于，它们可以注意到那些物理现象中的矛盾和混乱，这些现象很容易被没有卓越直觉的物理学家所忽略。
爱因斯坦进行意识形态实验的能力发挥了作用，即使他判断物理原理是错误的。依靠这种意识形态的实验，他驳斥了当时对量子物理学的理解，在现在被称为“ERP悖论”的论文中，表明量子力学可以在瞬间产生系统的变化，这违反了光速。然而，爱因斯坦的直觉在这里是错误的——量子力学系统确实以如此奇怪的方式运动——这就是现在所说的量子纠缠。
6.用更多的常识来颠覆常识
狭义相对论和广义相对论因是历史上最深刻的科学发现而闻名。在他的狭义相对论中，爱因斯坦发现没有绝对的时间——当两个人以不同的速度运动时，他们感知的时间速度是不一样的——两者之间没有对错之分。在广义相对论中，爱因斯坦进一步解释了重力扭曲了空间和时间。
因此，我们很容易认为推翻这些符合常识的原则需要在某种程度上偏离常识。但是爱因斯坦的天才在于他能够通过放弃一个原则(空间和时间的绝对测量)来调和另外两个常识性原则——相对论和光速不变。
爱因斯坦的天赋还在于他有能力捍卫他认为最合理的想法，即使这意味着放弃已经被认可很久的想法。
这种依靠其他直觉来推翻常识的能力最终可能成为他不能接受量子力学的原因，量子力学是他帮助建立的一套被广泛接受的物理理论。他对严格决定论的直觉使他一生大部分时间都支持推翻量子力学的徒劳尝试。
爱因斯坦的方法还揭示了一种学习物理和数学中许多反直觉原理的方法——从建立不同的常识前提开始。
7.从和朋友散步中获得灵感
尽管孤独和专注是爱因斯坦研究物理的基本要素，但他与他人的对话经常会带来突破。
最著名的例子是和他的老朋友米歇尔·贝索散步。在他努力思考狭义相对论的过程中，有一天他和朋友们一起散步，试图向他们解释他的理论。令他非常沮丧的是，他宣布他将放弃继续研究这个理论。然而，突然间，他有了正确的理解，第二天，他告诉贝佐斯，他已经“完全解决了问题”。
大声地和别人交谈和分享想法可以把以前不相关的想法联系起来。爱因斯坦很好地利用了这种方法与朋友和同事讨论棘手的问题，尽管他们只能倾听，不能积极参与讨论。
8.叛逆精神
爱因斯坦从来都不是墨守成规的人。尽管他的叛逆精神可能影响了他早期的学术生涯，影响了他寻找物理教学职位的努力，但这也可能有助于他最重要的科学发现，并使他后来出名。
这种叛逆精神可能对他学习物理很有帮助，因为他拒绝接受他不同意的正统理论。艾萨克森在他的书中写道，他讨厌德国的教育体系:“这种机械训练和不容置疑的教学风格令人厌恶。”这种对传统教育方式的抵制促使他通过课本和练习自学物理。
后来，同样的叛逆精神在他引发物理革命的过程中至关重要。例如，他对光量子的研究首先被马克斯·普朗克发现。然而，与旧的普朗克不同，爱因斯坦认为光量子是一个物理实体——光子——而不是一个数学发明。他不同意当时占主导地位的理论，即光是以太中的波。
当许多学生愿意遵循主流教育体系和理论观点时，爱因斯坦只同意他认为正确的东西。
所有的知识都来自好奇心。
“好奇心有它的意义，”爱因斯坦解释道。“当我们思考永恒、生命和惊人的真实结构的奥秘时，我们不禁感到敬畏。”
除了他出众的智力，这种好奇心可能是爱因斯坦最具代表性的品质。他对物理的热爱始于他还是个小男孩的时候。当他拿着指南针，意识到指针会因为一种无形的力量而转动时，他被深深地吸引住了。
好奇心是他学习物理的动机。当爱因斯坦对一件事不感兴趣时，他会变得相当懒惰和固执，但他有强烈的理解事物本质的热情，“他从不把心思花在大人的琐事上”。在他自己看来，好奇心也是他取得巨大成就的最重要的原因。
爱因斯坦坚信“爱是比责任更好的老师”。热爱学习和知识可能是比自律更重要的能力，而自律需要好好培养。
像爱因斯坦一样学习
爱因斯坦的学习方法不能完全脱离他自己。他的极度专注是来自他的智力还是好奇心？他能轻松想象意识形态实验的能力是来自不同寻常的瑞士教育体系的培养，大量的实践还是天生的能力？他在物理学上的革命性成就是由于他的天赋、叛逆精神还是运气好？还是两者都有？我不确定这些问题是否有明确的答案。
然而，可以肯定的是爱因斯坦对自然的敬畏和他对研究对象的谦逊态度。他写道:
“宇宙法则揭示了一种精神，其能力远远超过人类。我们应该以普通的能力在它面前谦虚。”
因此，尽管我们大多数人可能无法与爱因斯坦的天才相提并论，但他的好奇心、谦逊和毅力仍值得效仿。