ถ้าอยากเรียนฟิสิกส์ (2021)
(susanrigetti.com)- การเรียนฟิสิกส์ด้วยตนเอง หลังจากคณิตศาสตร์ระดับมัธยมปลายแล้ว ต้องค่อย ๆ เรียน วิชาแกนหลักระดับปริญญาตรี ตามลำดับ จึงจะก้าวพ้นการอ่านหนังสือวิทยาศาสตร์สำหรับคนทั่วไปแบบกระจัดกระจายไปสู่ความเข้าใจอย่างเป็นระบบ
- ฉบับพิมพ์ครั้งที่สองปี 2021 ได้อัปเดตฉบับของตำราและเสริม วิชาเลือกระดับปริญญาตรี·บัณฑิตศึกษา โดยสะท้อนฟีดแบ็กนับตั้งแต่ฉบับแรกปี 2015 และฉบับแรกมีผู้ใช้งานมากกว่า 600,000 คน
- หลักสูตรระดับปริญญาตรีเริ่มจากกลศาสตร์เบื้องต้น แล้วต่อไปยังแม่เหล็กไฟฟ้า กลศาสตร์ควอนตัม อุณหพลศาสตร์·กลศาสตร์สถิติ โดยในแต่ละขั้นจะเรียน คณิตศาสตร์ที่จำเป็น ควบคู่กันไป
- แค่อ่านตำราอย่างเดียวไม่พอ ต้องลองทำ โจทย์ปัญหา ของแต่ละบทด้วยตนเองหลายครั้ง จึงจะซึมซับแนวคิดฟิสิกส์ได้จริง
- ระดับบัณฑิตศึกษาขยายต่อไปถึงฟิสิกส์คณิตศาสตร์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และทฤษฎีสนามควอนตัม โดยมีเงื่อนไขว่าต้องชำนาญวิชาระดับปริญญาตรีทั้งหมดก่อน แต่ประสบการณ์วิจัย·การเขียนวิทยานิพนธ์ในระดับ PhD นั้นยากจะทดแทนได้ด้วยการเรียนด้วยตนเองเพียงอย่างเดียว
เป้าหมายและข้อจำกัดของหลักสูตรเรียนด้วยตนเอง
- หลักสูตรนี้เป็นเส้นทางการเรียนที่ออกแบบมาเพื่อให้ผู้ที่เรียนฟิสิกส์ในมหาวิทยาลัยอย่างเป็นทางการได้ยาก สามารถศึกษ า ฟิสิกส์จริง ๆ ได้อย่างเป็นลำดับ
- ฉบับแรกเขียนขึ้นในปี 2015 และฉบับพิมพ์ครั้งที่สองปี 2021 ได้รับการอัปเดตจากฟีดแบ็กทางอีเมลและคอมเมนต์ที่ได้รับตลอดราว 6 ปี
- อัปเดตฉบับของตำรา
- เพิ่มวิชาเลือกระดับปริญญาตรี
- เพิ่มส่วนวิชาเลือกระดับบัณฑิตศึกษา
- สะท้อนการเปลี่ยนแปลงย่อยอีกเล็กน้อย
- หากเรียนรายการตำราระดับปริญญาตรีจนจบและเชี่ยวชาญหัวข้อต่าง ๆ ก็จะมีความรู้ระดับปริญญาตรีที่สามารถทำคะแนนได้ดีใน Physics GRE
- หากเรียนต่อไปถึงตำราแกนหลักระดับบัณฑิตศึกษา ก็จะเข้าใกล้ความรู้ระดับปริญญาโททางฟิสิกส์
- ปริญญาเอกฟิสิกส์ต้องอาศัยไม่เพียงการเรียนรายวิชา แต่ยังต้องมีงานวิจัยและวิทยานิพนธ์หลายปี จึงยากที่จะได้ประสบการณ์ระดับปริญญาเอกอย่างอิสระครบถ้วน
การเตรียมตัวที่จำเป็นก่อนเริ่ม
- ก่อนเริ่มเรียนฟิสิกส์ มีเพียง คณิตศาสตร์ระดับมัธยมปลาย ก็เพียงพอ
- รวมถึง pre-algebra, algebra 1, geometry, algebra 2, trigonometry, pre-calculus
- ไม่จำเป็นต้องเรียนแคลคูลัสให้จบล่วงหน้า เพราะจะได้เรียนควบคู่กันในช่วงต้นของหลักสูตรปริญญาตรี
- สำหรับทบทวนคณิตศาสตร์ Khan Academy หมวดคณิตศาสตร์ และ Why Math? by R.D. Driver เป็นแหล่งที่เหมาะสม
- ชีววิทยาหรือเคมีไม่ใช่วิชาพื้นฐานบังคับ ไม่ว่าจะในระดับมัธยมปลายหรือมหาวิทยาลัย
- หากต้องการทบทวนวิทยาศาสตร์โดยรวม สามารถใช้ Khan Academy science
- หนังสือฟิสิกส์สำหรับคนทั่วไปช่วยให้ไม่หลง ภาพใหญ่ ระหว่างการฝึกทำโจทย์และการเรียนที่เน้นตำรา
- แม้จะเป็นหนังสือของนักฟิสิกส์ชื่อดัง ก็อาจมีเนื้อหาเชิงคาดเดาอยู่มาก จึงควรเลือกหนังสือที่ว่าด้วยฟิสิกส์ที่ได้รับการยืนยันแล้วจริง ๆ
- หนังสือของ Frank Close หรือ Richard Feynman ถือเป็นตัวเลือกที่ปลอดภัย
วิธีเรียน
- รูปแบบการเรียนต่างกันไปในแต่ละคน จึงต้องจัดโครงสร้างให้เหมาะกับตนเอง ไม่ว่าจะเป็นการอ่าน การจด การพูด วิดีโอ หรือการลงมือปฏิบัติ
- ไม่ว่าจะเลือกวิธีใด การทำโจทย์ปัญหา เป็นสิ่งจำเป็น
- วิธีสำคัญที่สุดในการเข้าใจฟิสิกส์คือการลงมือแก้ปัญหาด้วยตนเอง
- จะอ้างอิงคำอธิบายออนไลน์ก็ได้ แต่ควรพยายามเองหลายครั้งก่อน
- ตำราบางเล่มมีเฉลยสำหรับโจทย์ที่เลือกไว้ แต่บางครั้งไม่มีวิธีทำ หรือครอบคลุมเพียงบางข้อ
- ฟิสิกส์มีทั้งการทดลองและทฤษฎี แต่การศึกษาฟิสิกส์ส่วนใหญ่เกิดขึ้นผ่าน ตำรา·การบรรยาย·การบ้าน
- ระดับปริญญาตรีมีวิชาปฏิบัติการบางส่วน และนักศึกษาบางคนอาจได้เข้าร่วมงานวิจัย
- หลักสูตรบัณฑิตศึกษา M.A. และ PhD ก็มักกำหนดวิชาแกนหลัก 2 ปี
- สำหรับ PhD ยังต้องมีงานวิจัยหลายปี วิทยานิพนธ์ และในหลายหลักสูตรยังต้องมีการสอบเพื่อพิสูจน์ความชำนาญในหลักสูตรแกนหลักด้วย
มองภาพใหญ่ผ่านหนังสือฟิสิกส์สำหรับคนทั่วไป
- ระดับง่าย
- The First Three Minutes by Steven Weinberg: หนังสือว่าด้วยบิกแบง
- The Character of Physical Law by Richard Feynman: หนังสือสั้นว่าด้วยกฎของธรรมชาติ
- The Particle Odyssey by Frank Close: หนังสือแนะนำฟิสิกส์อนุภาคและประวัติของสาขานี้
- ระดับง่าย/กลาง
- Black Holes and Time Warps by Kip Thorne: หนังสือเกริ่นนำทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
- ระดับกลาง
- The Theoretical Minimum by Leonard Susskind and George Hrabovsky: หนังสือเกริ่นนำกลศาสตร์คลาสสิก เหมาะกับช่วงประมาณขั้นที่ 5 ของหลักสูตรปริญญาตรี
- The Feynman Lectures on Physics: จะเข้าใจได้ดีขึ้นตั้งแต่ช่วงประมาณขั้นที่ 5~6 ของระดับปริญญาตรี
- ระดับยาก
- Deep Down Things by Bruce Schumm: อธิบายแนวคิดยาก ๆ ของฟิสิกส์อนุภาคโดยไม่พึ่งพาการคาดเดา และเหมาะกับช่วงเริ่มต้นของขั้นที่ 7 ระดับปริญญาตรี
หลักสูตรฟิสิกส์ระดับปริญญาตรี
-
หลักสูตรระดับปริญญาตรีโดยทั่วไปจะเรียนตามลำดับด้านล่าง
- กลศาสตร์เบื้องต้น
- ไฟฟ้าสถิต
- คลื่นและการสั่น
- ฟิสิกส์สมัยใหม่
- กลศาสตร์คลาสสิก
- พลศาสตร์ไฟฟ้า
- กลศาสตร์ควอนตัม
- อุณหพลศาสตร์และกลศาสตร์สถิติ
- วิชาเลือกของระดับปริญญาตรี
-
1. กลศาสตร์เบื้องต้น
- เป็นวิชาแรกที่เริ่มมองการเคลื่อนที่ของวัตถุด้วยภาษาทางคณิตศาสตร์
- ครอบคลุมการเคลื่อนที่แนวเส้นตรง สองมิติ และสามมิติ, กฎของ Newton, งาน, พลังงานจลน์, พลังงานศักย์, การอนุรักษ์พลังงาน, โมเมนตัม, การชน, การหมุน, แรงโน้มถ่วง, การเคลื่อนที่แบบคาบ
- ตำราหลัก
- คณิตศาสตร์ที่เรียนควบคู่
- Thomas' Calculus หรือ Stewart's Calculus
- ถ้าแคลคูลัสยากเกินไป สามารถดู Khan Academy, คอร์สแคลคูลัสของ Robert Ghrist บน Coursera และ Calculus Made Easy ควบคู่กันได้
-
2. ไฟฟ้าสถิต
- เรียนเรื่องไฟฟ้าและแม่เหล็กในสภาวะที่ไม่มีการเคลื่อนที่ หรือก็คือสภาวะสถิตของแม่เหล็กไฟฟ้า
- ครอบคลุมประจุไฟฟ้า, สนามไฟฟ้า, แม่เหล็กและสนามแม่เหล็ก, กฎของ Gauss, ความจุไฟฟ้า, ความต้านทานและการนำไฟฟ้า, ความเหนี่ยวนำ, กระแสไฟฟ้า, วงจร
- ตำราหลัก
- บท Electromagnetism ของ University Physics with Modern Physics
- คณิตศาสตร์ที่เรียนควบคู่
- เรียนแคลคูลัสของ Thomas หรือ Stewart ต่อไป และควรเข้าใจพื้นฐานแคลคูลัสให้ได้ภายในช่วงจบขั้นนี้
-
3. คลื่นและการสั่น
- ในฐานะพื้นฐานสำคัญสำหรับการเรียนกลศาสตร์ควอนตัม จึงแยกกลศาสตร์ของการสั่นและคลื่นออกมาเป็นวิชาเฉพาะ
- เรียนเรื่องตัวแกว่งฮาร์มอนิกอย่างง่าย, ตัวแกว่งฮาร์มอนิกแบบมีแดมป์, การสั่นบังคับ, ตัวแกว่งแบบคู่ควบ, คลื่น, การแทรกสอด, การเลี้ยวเบน, การกระจายตัว
- ตำราหลัก
- คณิตศาสตร์ที่เรียนควบคู่
- เริ่ม Zill's Advanced Engineering Mathematics
- ครอบคลุมพีชคณิตเชิงเส้น, การวิเคราะห์เชิงซ้อน, การวิเคราะห์จริง, สมการเชิงอนุพันธ์ย่อย, สมการเชิงอนุพันธ์สามัญ เป็นต้น
-
4. ฟิสิกส์สมัยใหม่
- เป็นขั้นเกริ่นนำของหัวข้อขั้นสูงที่ภายหลังจะได้เรียนลึกยิ่งขึ้น
- ครอบคลุมพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์, ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ, กลศาสตร์ควอนตัม, ฟิสิกส์อะตอม, ฟิสิกส์นิวเคลียร์, ฟิสิกส์อนุภาค, จักรวาลวิทยา
- ตำราหลัก
- ส่วน Thermodynamics และ Modern Physics ของ University Physics with Modern Physics
- คณิตศาสตร์ที่เรียนควบคู่
- เรียนคณิตศาสตร์วิศวกรรมขั้นสูงของ Zill ต่อไป และถ้าชำนาญหัวข้อในหนังสือนี้ก็จะมีพื้นฐานคณิตศาสตร์ที่จำเป็นสำหรับฟิสิกส์ระดับปริญญาตรี
-
5. กลศาสตร์คลาสสิก
- เป็นการเรียนกลศาสตร์เบื้องต้นให้ลึกขึ้น และแก้ปัญหากลศาสตร์ด้วยรูปแบบ Lagrangian และรูปแบบ Hamiltonian
- ตำราหลัก
- ตำราเสริม
- หากยังเรียน Zill ไม่จบ ก็ควรชำนาญหัวข้อคณิตศาสตร์เหล่านั้นให้ได้ภายในช่วงจบกลศาสตร์คลาสสิก
-
6. พลศาสตร์ไฟฟ้า
- เริ่มจากทบทวนไฟฟ้าสถิตอีกครั้ง แล้วเรียนภาพรวมของไฟฟ้าและแม่เหล็กแบบคลาสสิกด้วยระดับคณิตศาสตร์ที่สูงขึ้น
- เรียนสมการ Laplace, การขยายแบบมัลติโพล, โพลาไรเซชัน, อิเล็กทริก, กฎแรง Lorentz, กฎ Biot-Savart, ศักย์เวกเตอร์แม่เหล็ก, แรงเคลื่อนไฟฟ้า, การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า, สมการ Maxwell, คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการแผ่รังสี, ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
- ตำราหลัก
- Griffith's Introduction to Electrodynamics: ตำราที่ควรทำโจทย์ทุกข้อ
- ตำราเสริม
-
7. กลศาสตร์ควอนตัม
- เรียนรู้ฟังก์ชันคลื่น สมการ Schrodinger ทฤษฎีการรบกวน หลักการแปรผัน การประมาณแบบ WKB การประมาณแบบแอดเดียแบติก และการกระเจิง
- ตำราหลัก
- Griffith's Introduction to Quantum Mechanics: เป็นตำราหลักของกลศาสตร์ควอนตัมระดับปริญญาตรี และโจทย์ทุกข้อก็คุ้มค่าที่จะทำ
-
8. อุณหพลศาสตร์และกลศาสตร์สถิติ
- อุณหพลศาสตร์ว่าด้วยพลวัตที่เกี่ยวข้องกับความร้อนและพลังงาน ส่วนกลศาสตร์สถิติว่าด้วยหลักการระดับจุลภาคของกฎอุณหพลศาสตร์
- เรียนรู้กฎอุณหพลศาสตร์ เอนโทรปี canonical ensemble การแจกแจงของ Maxwell การแจกแจงของ Planck สถิติ Fermi-Dirac สถิติ Bose-Einstein และการเปลี่ยนสถานะ
- เมื่อเรียนวิชานี้จบ จะถือว่าเชี่ยวชาญพื้นฐานฟิสิกส์ระดับปริญญาตรีครบถ้วนแล้ว
- ตำราหลัก
- ตำราเสริม
-
9. วิชาเลือกระดับปริญญาตรี
- หลังจากเรียนแกนหลักระดับปริญญาตรีจบแล้ว ก็สามารถศึกษาหัวข้อที่เฉพาะทางมากขึ้นได้
- วิชาเลือกและตำราที่แนะนำ
- ดาราศาสตร์: The Cosmic Perspective
- ฟิสิกส์ดาราศาสตร์: An Introduction to Modern Astrophysics by Carroll and Ostlie
- ชีวฟิสิกส์: Biophysics: An Introduction by Glaser
- จักรวาลวิทยา: Ryden's Introduction to Cosmology
- วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์: Basic Electronics for Scientists and Engineers by Eggleston
- ทัศนศาสตร์: Optics by Hecht
- ฟิสิกส์อนุภาค: Griffith's Introduction to Elementary Particles
- ทฤษฎีสตริง: A First Course in String Theory by Zwiebach
หลักสูตรฟิสิกส์ระดับบัณฑิตศึกษา
-
ฟิสิกส์ระดับบัณฑิตศึกษาถือว่าผู้เรียนเชี่ยวชาญทุกหัวข้อในหลักสูตรระดับปริญญาตรีแล้ว
-
แกนหลักของระดับบัณฑิตศึกษาประกอบด้วยฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์, ไฟฟ้าแม่เหล็กศาสตร์, กลศาสตร์ควอนตัม, กลศาสตร์สถิติ, ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป, ทฤษฎีสนามควอนตัม และวิชาเลือกบัณฑิตศึกษา
-
นักศึกษาบัณฑิตศึกษาจำนวนมากเรียนกลศาสตร์คลาสสิกเป็นวิชาหลัก แต่หากเชี่ยวชาญกลศาสตร์คลาสสิกระดับปริญญาตรีแล้ว หลักสูตรนี้จะไม่นับเป็นวิชาแยกต่างหาก
-
1. ฟิสิกส์เชิงคณิตศาสตร์
- หากต้องการเรียนไฟฟ้าแม่เหล็กศาสตร์, กลศาสตร์ควอนตัม และกลศาสตร์สถิติระดับบัณฑิตศึกษาให้ลึกยิ่งขึ้น จำเป็นต้องมี ความเคร่งครัดทางคณิตศาสตร์
- จะได้เรียน Fourier analysis, เทนเซอร์, สมการเชิงอนุพันธ์สามัญ, สมการเชิงอนุพันธ์ย่อย, real analysis, complex analysis, พีชคณิต, group theory ฯลฯ อย่างละเอียดมากขึ้น
- ตำราหลัก
- ตำราเสริม
- Tolstov's Fourier Series
- Complex Variables by Fisher
- Zee's Group Theory in a Nutshell for Physicists
-
2. ไฟฟ้าแม่เหล็กศาสตร์ระดับบัณฑิตศึกษา
- ครอบคลุมหัวข้อเดียวกับไฟฟ้าแม่เหล็กศาสตร์ระดับปริญญาตรี แต่มี ความเคร่งครัดทางคณิตศาสตร์ สูงกว่า
- ตำราหลัก
- Classical Electrodynamics by Jackson: เป็นตำราหลักของไฟฟ้าแม่เหล็กศาสตร์คลาสสิก และหากทำโจทย์ได้มากพอพร้อมทั้งเข้าใจเนื้อหาอย่างแตกฉาน ก็อาจถือได้ว่าเชี่ยวชาญไฟฟ้าแม่เหล็กศาสตร์แล้ว
-
3. กลศาสตร์ควอนตัมระดับบัณฑิตศึกษา
- มีความก้าวหน้ากว่ากลศาสตร์ควอนตัมระดับปริญญาตรีมาก และศึกษากลศาสตร์ควอนตัมอย่างลึกซึ้ง
- จะได้เรียนพลวัตควอนตัม, สมการ Schrodinger, Heisenberg picture, propagator, Feynman path integral, โมเมนตัมเชิงมุม, สมมาตรและกฎการอนุรักษ์, ทฤษฎีรบกวน, ทฤษฎีการกระเจิง, กลศาสตร์ควอนตัมเชิงสัมพัทธภาพ, decoherence, การตีความแบบ Copenhagen และการตีความแบบ Many-Worlds
- ตำราหลัก
- ตำราเสริม
-
4. กลศาสตร์สถิติระดับบัณฑิตศึกษา
- เริ่มต้นใหม่จากเนื้อหาหลังกลศาสตร์สถิติระดับปริญญาตรี บนพื้นฐานคณิตศาสตร์ที่แน่นขึ้นและความเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัม
- ทบทวนกฎของอุณหพลศาสตร์อีกครั้ง แล้วศึกษาต่อจากจุดที่กลศาสตร์สถิติระดับปริญญาตรีสิ้นสุดไว้
- ตำราหลัก
- Statistical Mechanics by Pathria and Beale: หากอ่านจนจบและทำโจทย์ได้เป็นส่วนใหญ่ จะช่วยยกระดับความเข้าใจกลศาสตร์สถิติได้มาก
- ตำราเสริม
-
5. ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
- ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีแรงโน้มถ่วง และนอกจากคณิตศาสตร์ที่เรียนมาก่อนหน้านี้แล้ว ยังต้องใช้ เรขาคณิตเชิงอนุพันธ์
- จะกลับไปเรียนทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและปริภูมิ-เวลาอีกครั้ง ก่อนศึกษาพื้นฐานของเรขาคณิตเชิงอนุพันธ์, ความโค้ง, แรงโน้มถ่วง, หลุมดำ และจักรวาลวิทยา
- ตำราหลัก
- Spacetime and Geometry by Carroll: ตำราที่แนะนำแก่นสำคัญของเรขาคณิตเชิงอนุพันธ์และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
- ตำราเสริม
-
6. ทฤษฎีสนามควอนตัม
- ทฤษฎีสนามควอนตัม (QFT) เป็นแกนกลางของฟิสิกส์พลังงานสูงสมัยใหม่ และ Standard Model ของฟิสิกส์อนุภาคก็เป็น QFT เช่นกัน
- แนวคิดหลักคือ นำกลศาสตร์ควอนตัมมาใช้กับสนามแบบคลาสสิก และเป็นขั้นที่ยากที่สุดขั้นหนึ่งร่วมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
- จะได้เรียนการควอนไทซ์สนาม, Feynman diagram, quantum electrodynamics (QED), การรีนอร์มัลไลเซชัน, non-Abelian gauge theory, quantum chromodynamics (QCD), Higgs mechanism, Glashow-Weinberg-Salam electroweak theory, สมมาตรในฟิสิกส์อนุภาค, การแตกหักของสมมาตรแบบเกิดขึ้นเอง
- ตำราหลัก
- ตำราเสริม
-
7. วิชาเลือกในระดับบัณฑิตศึกษา
- หลักสูตรบัณฑิตศึกษาแบ่งเป็นวิชาหลัก วิชาเฉพาะทางและวิชาเลือก และการวิจัย
- ควรเรียนวิชาหลักให้เสร็จก่อน แล้วจึงเลือกวิชาเฉพาะทางตามสาขาวิจัย
- วิชาเลือกและตำราที่แนะนำ
- ฟิสิกส์สสารควบแน่น: Lubensky’s Principles of Condensed Matter Physics
- จักรวาลวิทยา: TASI Lectures: Introduction to Cosmology, Steven Weinberg’s Cosmology
- วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์: The Art of Electronics by Horowitz and Hill
- ทัศนศาสตร์: Optics by Hecht
-
ฟิสิกส์อนุภาค: Quarks and Leptons by Halzen and Martin, Modern Particle Physics by Mark Thomson
- ควอนตัมคอมพิวติ้ง: Quantum Computation and Quantum Information by Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang
- ฟิสิกส์สสารควบแน่น: Solid-State Physics by Ashcroft and Mermin
- ทฤษฎีสตริง: String Theory Volume 1·2 ของ Joe Polchinski และ String Theory and M-Theory: A Modern Introduction
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นใน Hacker News
สิ่งที่ขาดไปเหมือนกับหลักสูตรปริญญาตรีของผมทุกประการคือ กลศาสตร์สสารต่อเนื่อง แค่รู้เรื่องพื้นฐานมาก ๆ อย่างความดันและความเร็วในระบบไม่สมดุลที่กำลังเคลื่อนที่ รวมถึงรู้วิธีแปลศัพท์ที่ต่างกันไปตามสาขาวิทยาศาสตร์/วิศวกรรม เช่น ความดันสถิต·ความดันรวม·ความดันความเร็ว·ความดันหยุดนิ่ง·ความดันไฮโดรสแตติก·ความดันไดนามิก·ความดันเฉย ๆ·เฮดน้ำ ให้เทียบกันได้ ก็มีประโยชน์มากแล้ว
ของไหลมีอยู่ทุกที่ เรื่องอย่างอ่างล้างหน้า โถส้วม ไส้กรองอากาศ ทั้งสองด้านของพัดลมเล็ก ๆ สเปกปั๊มสาธารณูปโภค หรือความแตกต่างระหว่างระลอกน้ำเมื่อโยนก้อนหินลงบ่อกับแอนิเมชัน “น้ำ WebGL” ที่พบได้ทั่วไป ล้วนเกี่ยวข้องทั้งนั้น
ถ้ามองกว้างขึ้น แบบจำลองจักรวาลวิทยาก็มักมองเอกภพเป็นของไหลต่อเนื่องที่เปลี่ยนไปตามอวกาศ และดาวฤกษ์ก็เป็นพลาสมาหรือของไหลที่แปลกยิ่งกว่านั้น แต่ในหลักสูตรฟิสิกส์พื้นฐานกลับขาดพื้นฐานนี้ไป และบางครั้งจะเห็นได้เล็กน้อยในภาควิศวกรรมเครื่องกลหรือในบรรยายของ Feynman
แน่นอนว่าต้องมีจุดเปลี่ยนผ่าน แต่พอถึงจุดหนึ่งมันก็กลายเป็นวิศวกรรม ไม่ใช่ฟิสิกส์แล้ว ทั้งยังขึ้นอยู่กับว่าภายในฟิสิกส์จะเลือกสาขาย่อยใด และเราไม่สามารถเชี่ยวชาญทุกอย่างได้
ความเค้นและความเครียดเป็น “เทนเซอร์อันดับ 2 ตัวอย่างหลัก” ที่เหมาะมาก และควรค่าแก่การอธิบายความหมายให้เต็มที่ เหมือนที่สอนให้นักศึกษาคิดถึงเวกเตอร์ว่าเป็น “สิ่งที่หน้าตาเหมือนการกระจัด/ความเร็ว”
ทฤษฎีสนามแบบคลาสสิกที่ไม่เป็นสัมพัทธภาพตอนนี้เป็นหัวข้อวิศวกรรมระดับปริญญาตรีแล้ว แต่วิศวกรควอนตัมยังมีไม่มาก หัวข้อที่ไม่ใช่ควอนตัมส่วนใหญ่ในหลักสูตรฟิสิกส์ปริญญาตรียุคใหม่ก็ท้ายที่สุดถูกใส่ไว้เพื่อเตรียมความพร้อมให้เข้าใจสิ่งอย่างอุณหพลศาสตร์ควอนตัม·ทฤษฎีสนาม·ทัศนศาสตร์
จุดที่ผู้เขียนเน้นได้ถูกต้องคือ “การแก้โจทย์เท่านั้นคือวิธีทำความเข้าใจฟิสิกส์ และไม่มีทางลัด” ประโยคนี้นำไปใช้กับสาขาอื่นได้ดีด้วย
ผมไม่อยากห้ามคนที่พยายามเรียนสาขายาก ๆ ด้วยตัวเอง แต่ปัญหาที่พบได้บ่อยมากและเห็นได้ทันทีในคนเรียนเองก็คือเรื่องนี้ ถ้าไม่เคยแก้โจทย์ที่ยากพอ ก็จะขาด สัญชาตญาณ ที่เชื่อมทฤษฎีเข้าด้วยกัน
ตอนนี้ผมให้สิ่งที่เป็นรูปธรรมมาก่อนทุกอย่าง ทฤษฎีมีคุณค่าเมื่อมันส่องให้เห็นว่าการปฏิบัติจริงทำงานได้อย่างไร ไม่อย่างนั้นก็เป็นแค่คำพูด
กรณีที่น่าหงุดหงิดที่สุดคือเวลาที่เพื่อน ๆ รู้สึกว่าเข้าใจหัวข้อที่ผมรู้ในฐานะผู้ปฏิบัติจริง ซึ่งมักเป็นเรื่องเทคโนโลยี/การเขียนโปรแกรม เพียงจากวิดีโอ YouTube หรือพอดแคสต์ พวกเขาฟังผู้เชี่ยวชาญพูดมาหลายชั่วโมงจึงรู้สึกว่าเข้าใจลึกซึ้ง แต่เป็นความรู้ที่ไม่เคยถูกนำไปใช้ในโลกจริง จึงเข้าใจผิดหลายอย่าง ขณะเดียวกันก็คิดว่าตัวเองรู้พอ ๆ กับผม
ไม่มีอะไรทดแทน การแก้โจทย์ ได้
ผมเป็นคนชอบเรียนเองมาก แต่ได้เรียนรู้ว่ากว่าจะบอกว่ารู้ได้ ก็ต่อเมื่อสามารถใช้เทคนิคนั้นแก้ปัญหาได้
ถ้าให้ปัญหายากก่อน นักศึกษาจะลองผิดลองถูกจนตระหนักว่า “ต้องมีอะไรสักอย่างมาช่วยเรื่องนี้” ตอนนั้นค่อยให้เครื่องมือที่จำเป็น
ตัวอย่างเช่น แคลคูลัสอาจเรียนได้ดีกว่าหลังจากลองใช้กฎแรง หรือทำการวิเคราะห์เชิงตัวเลขมาบ้างเล็กน้อย แบบนั้นจะเห็นว่าคำตอบแบบปิดรูปไม่ใช่งานทำซ้ำธรรมดา แต่เป็นเครื่องมือประหยัดแรงงานขนาดใหญ่ที่กำจัดการวิเคราะห์แบบแก้ขัดอันหนักหน่วงออกไป
ส่วนที่เป็นคณิตศาสตร์ของแคลคูลัส ผมก็จะเน้นน้อยลงในตอนแรกเช่นกัน ถ้าถามว่าท้ายที่สุดต้องเจาะลึกเรื่องความต่อเนื่องหรือทฤษฎีบทมูลฐานของแคลคูลัสไหม คำตอบคือใช่ แต่ไม่ใช่ตั้งแต่แรก การเขียนโปรแกรมก็ไม่ได้ต้องรู้ทฤษฎีภาษา ชนิดข้อมูลนามธรรม ทฤษฎีหมวดหมู่ หรือแลมบ์ดาแคลคูลัส เพื่อเขียนโปรแกรมแรกหรือโปรแกรมที่สอง เมื่อรู้สึกถึงความจำเป็นแล้วค่อยดึงความเข้าใจเหล่านั้นออกมาใช้ มันจึงจะผสานเข้ากับกล่องเครื่องมือได้ดี
เราอาจคิดว่าเข้าใจ 90% ของสิ่งที่อ่าน แต่จริง ๆ แล้วมีแนวโน้มว่าเข้าใจแค่ 20–30% การแก้โจทย์อย่างน้อยก็ทำให้รู้ว่าตัวเองยังไม่รู้อีกมาก จากนั้นเมื่อย้อนกลับไปอ่านหน้าก่อน ๆ อีกครั้ง ก็จะเห็นส่วนที่เคยอ่านผ่าน ๆ เพราะคิดไปเองว่าเข้าใจแล้ว หรือหนักกว่านั้นคือข้ามไปเลย
เคล็ดลับส่วนตัวคือเวลาอ่านตำรา ให้คอยตั้งคำถามในหัวอย่าง “ถ้าเป็นแบบนี้ล่ะ?” “แล้วอันนั้นล่ะ?” อยู่เสมอ แม้สิ่งนั้นจะยังไม่ได้อธิบายในหัวข้อนั้นก็ไม่เป็นไร ต้องเชื่อมสิ่งที่เพิ่งเรียนกับสิ่งที่รู้มาแล้วเมื่อไม่กี่วันก่อนหรือหลายปีก่อนอย่างต่อเนื่อง จงมีความอยากรู้อยากเห็น และตรวจสอบสิ่งที่คุณคิดว่าเข้าใจจริง ๆ
ในประเด็นที่ Classical Electrodynamics ของ Jackson ถูกเรียกว่า คัมภีร์ของอิเล็กโทรไดนามิกส์แบบคลาสสิก นั้น มีเส้นแบ่งชัดเจนระหว่างคนที่รักมันเหมือนผู้เขียน กับบรรดานักศึกษาปริญญาโท/เอกจำนวนมากที่ฝันร้ายกับมัน ผมชอบรีวิว Goodreads นี้ https://www.goodreads.com/review/show/1266180525
เป็นรีวิวทำนองว่า “คู่มือเทคนิคทำลายจิตวิญญาณที่เขียนโดยคนซาดิสต์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นพิธีผ่านวัยของปริญญาเอกฟิสิกส์มาตั้งแต่โบราณกาล อาจารย์ของผมทุกคนเรียนจากหนังสือเล่มนี้ และทุกคนเกลียดมันอย่างแรง…”
ส่วนตัวแล้ว ถ้าหนังสือเล่มนี้เป็นคัมภีร์ของกลศาสตร์คลาสสิกจริง ๆ ผมก็คงเป็นอเทวนิยม
ปัญหาคือ เพื่อให้หนังสือเล่มนี้มีประโยชน์ จริง ๆ แล้วคุณแทบต้องเข้าใจเนื้อหาอยู่แล้ว เขาประเมินว่ามันเป็นคู่มือเทคนิคที่อัดแน่น ซึ่งจะทรงพลังมากเมื่ออ่านคู่กับหนังสือที่เข้าใจง่ายกว่าอย่าง Griffiths
สำหรับคนที่ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยขั้นสูงง่ายเหมือนหัดพูด Jackson อาจรู้สึกเหมือนเดินเล่น ผู้เขียนเป็น outlier อย่างมหาศาลในทุกด้านของชีวิต และดูฉลาดเหนือจริงระดับ Witten หรือ Tao โดยทั่วไป Jackson ถือเป็นตำราที่ยากน่ากลัว
ชื่อเรื่องน่าจะเหมาะกว่าถ้าเป็น “ถ้าอย่างนั้นคุณอยากเรียน ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี สินะ”
แม้ในหมู่นักทฤษฎีสมัยใหม่และนักฟิสิกส์คณิตศาสตร์จะไม่ค่อยรู้จักหรือให้การยอมรับมากพอ แต่จริง ๆ แล้วฟิสิกส์เป็น วิทยาศาสตร์เชิงประจักษ์ รายการทั้งหมดในลิสต์ล้วนตั้งอยู่บนรากฐานของอุปกรณ์และการจัดวางการวัดที่หลากหลายและซับซ้อน หรือก็คือการทดลอง ไม่ทางตรงก็ทางอ้อม ความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจจักรวาลทางกายภาพก็มักมาจากการประดิษฐ์หัววัดที่ดีขึ้นและเปิดหน้าต่างการสังเกตใหม่ ๆ
ถ้าเปรียบความสัมพันธ์ระหว่างฟิสิกส์เชิงทฤษฎี/เชิงประจักษ์กับคอมพิวเตอร์ก็สนุกดี คุณอาจใช้แต่ซอฟต์แวร์ประยุกต์ไปตลอดชีวิตโดยไม่ต้องรู้ก็ได้ว่าจริง ๆ แล้วกำลังใช้อุปกรณ์ดิจิทัลแบบไหนอยู่ แต่ถ้าจะสร้างภาษาโปรแกรมใหม่ หรือก็คือทฤษฎีใหม่ ก็มีแนวโน้มสูงว่าจะต้องขุดลงไปถึงเรื่องอย่างโครงสร้างหน่วยความจำและแคช ถ้าจะเปิดหน้าต่างการสังเกตใหม่ที่เพิ่มความเร็วการคำนวณได้อย่างก้าวกระโดด ก็ต้องออกแบบชิปใหม่ และถ้าจะลงลึกกว่านั้นเพื่อสร้างแพราดายม์การประมวลผลแบบใหม่ ก็ต้องเรียนกลศาสตร์ควอนตัม
เพื่อความเป็นธรรม ช่วงท้ายของบทความมีประโยคหนึ่งพูดถึงสถานที่ประหลาดที่เรียกว่าห้องทดลองอยู่ อย่างไรก็ตาม ถ้าจะเป็นหนังสือปูพื้นฐานแบบครอบคลุมสำหรับฟิสิกส์เชิงทฤษฎี ผมแนะนำ The Road to Reality ของ Roger Penrose น่าเสียดายที่ไม่มีหนังสือเล่มไหนกวาดผ่านฟิสิกส์เชิงทดลองทั้งหมดได้ลึกเท่านั้น
อ่านบล็อกนี้แล้วรู้สึกอาย ผมเพิ่งจบมหาวิทยาลัย แต่การเรียนฟิสิกส์ตอนมัธยมปลายน่าเบื่อและเหนื่อยมาก จนช่วงหนึ่งถึงกับเกลียดฟิสิกส์ และเพราะอย่างนั้นจึงเลือกเรียนวิทยาการคอมพิวเตอร์แทนฟิสิกส์เป็นสาขาหลักในมหาวิทยาลัย
ต่อมาผมค่อย ๆ สนใจฟิสิกส์มากขึ้น แต่เพราะขาดนิสัยการเรียนที่ดี บรรยากาศ และความกล้า—พูดตรงกว่านั้นคือความกลัวกับความขี้เกียจ—จนถึงตอนนี้ก็ยังไม่ก้าวไปไหนเลย เป็นการตัดสินใจที่เสียใจที่สุดในชีวิต
ผมกำลังจะไปเรียนปริญญาโท CS ที่สหรัฐฯ และทรัพยากรการศึกษาที่นั่นน่าจะมีมากกว่า บางทีในเวลาว่างของหลักสูตร 2 ปี อาจได้เรียนฟิสิกส์บ้างก็ได้
เมื่อก่อนผมชอบคอมพิวเตอร์มากกว่าเล็กน้อยเลยเลิกเรียนฟิสิกส์ ตอนนี้ค่อนข้างเบื่อคอมพิวเตอร์แล้ว จึงอยากดึงหนามในใจตอนนั้นออกแล้วลองทำอะไรแบบนี้ดู
แต่เวลาผ่านไปนานมากจนดูเหมือนต้องเริ่มทบทวนตั้งแต่คณิตศาสตร์มัธยมปลาย และแค่คิดแบบนั้นก็ทำให้หมดแรงตั้งแต่ยังไม่เริ่ม
ถึงจะเป็นอสูรอยู่ดี แต่ผมมองว่ามันถูกขังอยู่ภายในกำแพงของตัวเอง หัวข้อที่ไม่เกี่ยวอย่างฟิสิกส์ควอนตัมหรือเรื่องอื่น ๆ สามารถข้ามได้ ผมสงสัยเหมือนกันว่าการโฟกัสเป้าหมายที่เล็กลงจะช่วยได้ไหม
ผมเองก็รู้สึกว่าไม่เคยเข้าใจพีชคณิตเชิงเส้นอย่างถูกต้อง จนกระทั่งนำไปใช้เรียนควอนตัมคอมพิวติ้ง
แทนที่จะอ่านหนังสือมากมาย 27 เล่มหรือกี่เล่มก็ตาม นักเรียนที่มีแรงจูงใจอาจลองใช้ A Unified Grand Tour Of Theoretical Physics ของ Ian D. Lawrie เพียงเล่มเดียวก็ได้
ยังมี “Snapshots of the Tour” ความยาว 18 หน้า ซึ่งอาจเป็นทริปย้อนความหลังสำหรับคนที่เคยเรียนฟิสิกส์มานานแล้ว แน่นอนว่าถ้าไม่เคยสัมผัสเนื้อหาส่วนใหญ่มาก่อนก็อาจเข้าใจยาก และผมก็ไม่เคยมีประสบการณ์สอนฟิสิกส์ด้วยหนังสือเล่มนี้
ก่อนอื่นต้องแก้โจทย์จำนวนมากในกลศาสตร์นิวตัน แม่เหล็กไฟฟ้า และอุณหพลศาสตร์ เพื่อสร้างฐานฟิสิกส์คลาสสิกที่แข็งแรง สาขานี้ไม่มีทางลัด และลิสต์ของ Susan คือหลักสูตรมาตรฐาน อีกทั้งแทบเป็นวิธีเดียวในการสร้างนักฟิสิกส์ขึ้นมา
อย่างไรก็ตาม สำหรับคนที่มีความรู้ฟิสิกส์ระดับบัณฑิตศึกษาแล้วและต้องการรื้อฟื้นความจำ หนังสือเล่มนี้ดูเหมือนจะยอดเยี่ยม
คู่มือนี้รวบรวมหนังสือที่มักได้รับการแนะนำในหลักสูตรมหาวิทยาลัย ดังนั้นหากจะเรียนให้เข้าใจจริง ๆ ต้องใช้เวลาและความพยายามไม่น้อย
หนึ่งในชุดหนังสือที่นักฟิสิกส์แทบจะยึดถือกันราวกับความเชื่อคือ Landau and Lifshitz แต่จากประสบการณ์ของผม มันจะมีคุณค่าก็ต่อเมื่อมีความเข้าใจพื้นฐานอยู่พอสมควรแล้วเท่านั้น
คุณภาพอาจไม่สม่ำเสมอ แต่ก็มีของยอดเยี่ยมอยู่มาก และสามารถเลือกอ่านโน้ตหลายชุดในหัวข้อเดียวกันได้ง่าย ๆ เพื่อเติมเต็มส่วนที่ยังไม่เข้าใจ
แปลกใจที่โน้ตควอนตัมฟิลด์ทฤษฎีของ Tong ไม่ถูกใส่ไว้ https://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/qft.html
โน้ตอื่น ๆ ของเขาก็ดีเยี่ยมเช่นกัน แต่สำหรับ ควอนตัมฟิลด์ทฤษฎี ระดับเริ่มต้น ผมมองว่านี่เป็นแหล่งข้อมูลที่ชัดเจนเพียงแห่งเดียว ส่วนควอนตัมฟิลด์ทฤษฎีขั้นสูงนั้น ผมเองก็ไม่มีแหล่งข้อมูลแบบนั้นเหมือนกัน แน่นอนว่าวิธีเดียวที่จะเรียนควอนตัมฟิลด์ทฤษฎีให้ได้จริง ๆ คือเรียนซ้ำหลายรอบจากหลายแหล่ง แต่โดยปกติหลังจากเรียนรอบแรกก็มักมีสอบ และโน้ตของ Tong อาจช่วยให้ผ่านการสอบนั้นได้
ดีใจที่เห็น Introduction to Electrodynamics ของ Griffiths ได้รับความรัก ผมรู้ว่ามีคำวิจารณ์ว่าไม่เคร่งครัดพอ แต่ผมไม่เคยอ่านตำราคณิตศาสตร์/วิทยาศาสตร์เล่มไหนที่ทำได้ดีเท่านี้ในการทำให้มือใหม่เข้าใจวิชานั้นอย่างแท้จริง