对物理学家来说,要有从不同观点去观察问题的能力。因为对实际物理问题的准确分析往往非常复杂,任何特定的物理情况都可能因过于复杂,以致不能直接通过解微分方程来进行分析。然而如果人们对于在不同情况下方程解的特性有某些了解,则对于一个系统的行为仍可以获得良好的概念。如场线、电容、电阻以及电感等概念,对此目的来说都是十分有用的。因此,我们将花不少时间对它们进行分析。通过分析,对于在不同电磁情况下会发生什么事情我们就会获得一种感觉。另一方面,例如像场线这类启发式模型,没有一种会对所有情况都是真正适用和准确的。只有一种表达定律的准确方式,那就是表示成微分方程。就我们所知微分方程具有两个优点,即它既是基本的,又是准确的。如果你已学习过那些微分方程,便可以经常复习查对,就不必重新学习了。
要了解在不同情况下会发生什么事情,将花费你一些时间。你不得不去求解方程。你每次解方程,都将对解的性质有所体会。为了把这些解牢记在心,利用场线及其他概念来研究解的意义也是有益的。这就是你将真正“理解”方程式的途径,也是数学和物理学的区别所在。数学家,或者很有数学头脑的人,在“研究”物理学的过程中往往由于看不见物理而误入歧途。他们说:“看,这些微分方程——麦克斯韦方程组——就是电动力学的一切;物理学家已经承认,没有什么东西不包含在这些方程式之内。这些方程尽管复杂,但毕竟仅是一些数学方程式,要是我能在数学上对它们彻底理解,那我对物理学也就理解透彻了。”事实却并非如此。大凡抱着这种观点研究物理的数学家——也有过不少这样的人——往往对物理学的贡献不大,而实际上对数学的贡献也很可怜。他们之所以失败,是由于在现实世界里实际的物理情况是如此复杂,需要对方程式具有更为充分的理解。
真正理解一个方程式——即不仅在严格的数学意义上——意味着什么,狄拉克对此早就有所评述。他说:“如果我没有实际解一个方程而对其解的特性已有一种估计办法,那我就懂得了该方程的意义。”因此,若我们无需实际解那个方程而对在给定情况下会发生什么便已有一种了解的办法,则我们便算“理解”了应用到这些情况上去的那个方程了。物理上的理解乃是一种完全非数学性、不精确和不严格的事,但对于一个物理学家来说却是绝对必需的。
通常,像这样一种课程是按照逐步阐明物理概念的方式——即从简单的情况开始逐渐过渡到越来越复杂的情况——来编排的。这就要求读者要不断忘记以前学过的东西——忘记在某些情况下正确、而在一般情况下却不正确的那些东西。例如,电力取决于距离的平方那一条“定律”就不是一贯 正确的。所以我们在本书中更喜欢相反的途径。我们宁愿一开始就采用那些完整 定律,然后回过头来把它们应用于一些简单情况,从而在前进过程中发展物理概念。这就是我们将要做的事情。
我们所采取的途径与历史的途径完全相反,人们在后一途径中通过实验获得知识,依靠实验来发展学科。但物理学这一学科在过去二百多年中是由一些非常有创造才能的人发展起来的,而当我们仅以有限时间去获得知识时,就不可能涉及他们曾经做过的每件事情。可惜,在这些讲课中可能会丢失的东西之一就是有关事件的历史及实验发展。希望某些不足在实验室中能够得到补偿。你也可以通过阅读《大英百科全书》来补充我们所不得不割爱的东西,那里载有很好关于电学及物理学其他部分历史的条目。你也会在有关电磁学的许多教科书中找到一些历史知识。