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1、理论物理基础课外阅读报告关于理论物理基础的学习报告读嬉皮士救了物理学、可畏的对称、上帝掷骰子吗学生： 学院： 学号： 电话： 日期：2014.11.5摘录 “我想要知道上帝是如何创造这个世界的。我对这个或那个现象，这个或那个元素的能谱不感兴趣。我要知道的是他的思想。其他的都是细节”阿尔伯特爱因斯坦 “你不问我，我很清楚。你问我，我反而糊涂了。” 奥古斯丁对时空哲学的回答。 “在自然哲学观上，量子论带给了我们前所未有的冲击和震动，甚至改变了整个物理世界的基本思想。它的观念是如此地革命，乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。”上帝掷骰子吗 “量子论的故事，更像一个传奇，由一个不起眼的

2、线索开始，曲径通幽，渐渐地落英缤纷，乱花迷眼。正在没个头绪处，突然间峰回路转，天地开阔，如河出伏流，一泄汪洋。然而还未来得及一览美景，转眼又大起大落，误入白云深处不知归路量子力学的发展史是物理学上最激动人心的篇章之一，我们会看到物理大厦在狂风暴雨下轰然坍塌，却又在熊熊烈焰中得到了洗礼和重生。我们会看到最革命的思潮席卷大地，带来了让人惊骇的电闪雷鸣，同时却又展现出震撼人心的美丽。我们会看到科学如何在荆棘和沼泽中艰难地走来，更加坚定了对胜利的信念。”上帝掷骰子吗写在前面与物理结缘 物理之美，物理学不是一个严肃的高山，让人畏惧和高不可攀；第一次从物理学获得的感动源自初中物理课本，章节末尾处的几行小字

3、，简略介绍物理学家的出生于一个怎样的小城市，小时候多么的不合群（爱独自思考），发现了什么现象、提出了什么定理我沉迷于物理学家的成长小故事、传记，读的时候心里面都是对世界的好奇、幻想着我的身边有那么一群奇葩的天才 随后我对世界的认知也受到了很大的冲击，我固执的大脑迟迟不肯接受惯性的概念，老师在课后作业里给我打了很多红叉叉，但我还是坚持认为“飘在我们上空的气球可以“自己环游地球”因为气球不动而地球在自转我花了很长时间才真正理解惯性的概念，当时心里最大的感受是我可以把自己独立于地球之外，看地球的自转，这种看世界的宏大崭新的视角令我兴奋。 初次系统性地直面量子物理，是在大一，时间与空间、平行时空、量子

4、加密、概率存在一系列新的概念涌入头脑，只觉得对之高山仰止。 现在，很庆幸我选修了杨善武老师的理论物理基础课程，听老师如数家珍讲各种理论的提出、争议、被证明中间穿插着带有“哲学性”的话语我被精彩的物理故事所吸引，才发现原来我对物理学“旧情未了”。我想，如果我当初理想主义一点、如果可以借个时光机器，也许我可以回到高三假期。我一定愿意放弃我的狭隘、我的现实、选择去追寻上帝的思想，选择在思想上追随爱因斯坦、与边缘的奇葩嬉皮士相交，为各种悖论战死好多脑细胞愿意选择物理专业，去做个生活简单、思想伟大的人 然而，绕不过去的现实来了我的数学、物理的理论基础不扎实；我本科选了材料学专业；我现在在吕昭平老师的非晶

5、体队里做研究生；我要做的可能就是炒菜式的加点这个或那个元素，熟练地完成配料、熔炼与凝固，然后流程是似的再转到各类功能强大的电镜上进行扫描、透射等的分析也许可以发现一个令人惊喜的成分配比但是创新性的思想在哪呢，和书中的“物理实验家”的杰出工作，创新、巧妙地实验设计相比，逊色了不止一点点，心里怅怅然 庆幸开学以来我听了很多学术报告，原来机会一直都在。虽然研究人员可以借助各种电子、射线、高能粒子去了解物质，虽然他们强大到分清几纳米头发的几万分之一的尺度，依然看不到材料的真实面貌；而且随着研究尺度的越来越微观化，粒子的量子效应已经不可忽视了听材料前言讲座，教授们提到现在的模型、理论帮派繁多，但多只能部

6、分解释某些现象，更多的机制、机理尚不明确，各种思想有待统一我代入了一下武林盟主一统天下的意气风发，脑海中立马浮现牛顿在19世纪一统经典物理学的场景，想到了爱因斯坦为追寻自然的和谐美做出了毕生的努力后知后觉，原来材料学和物理学是想通的，材料设计方法涉及到的物理学知识够我消化很多年，物质世界中太多的东西有待深入的去研究、去挖掘 现在，我做好了准备，愿意放弃自己的狭隘，不在意是否能做出多大的贡献，就是用我心中的热情和单纯的对知识的敬畏，像嬉皮士那样、像物理发展长河里甚至没有掀起哪怕一小朵浪花的人，像无数真心热爱物理的业余人员一样，卑微而又伟大地和物理结缘一辈子也许我也会像众多痴迷于永动机设计的人一样

7、在被后来证明是毫无意义的事情上固执的纠缠很久，也许会失败会死磕；但也许我坚守的是属于少数人才的真理呢我愿意像嬉皮士一样把自己的兴趣发扬光大 坦诚的说，我现在对物理、对量子知之甚少，所以我的学习报告更多的不是从专业知识的角度，而是侧重物理带给我的思想上的东西物理是一种哲学美。1 析万物之理，判天地之美 翻开物理学的篇章，可以发现到处都跳动着美的音符，人们对美的追求与创造跃然纸上。可以说，远到宇宙深处，近到咫尺之间，大到广袤苍穹，小到分子原子，都是物理学的研究范畴。1.1 物理思想的大碰撞和大一统 物理学描绘了物质世界的一幅完整的图象，它揭示出各种运动形态的相互联系与相互转化，充分体现了世界的物质

8、性与物质世界的统一性。法拉第、爱因斯坦对自然力的统一性怀有坚强的信念，他们一生始终不渝地为证实各种现象之间的普遍联系而努力。 物理学的发展历史又充满了思想的碰撞，革命性的新观点一经提出，对传统理论深信不疑的我们就会本能的排斥新理论。例如普朗克的能量子假设，由于突破了“能量连续变化”的传统观念，而遭到当时物理学界的反对。普朗克本人也由于受到传统观念的束缚，在他提出能量子假设后多年，长期惴惴不安，一直徘徊不前，总想回到经典物理的立场。由此，新的物理概念、物理观念的提出者要勇于冲破旧的传统观念的束缚，坚信真理往往是掌握在少数人手里的。1.2 物理是技术的先导 物理学知识构成了物质世界的完整图象，所以

9、它也是科学的世界观和方法论赖以建立的基础。 物理学对当代以及未来高新技术的发展也提供推动力。一般说来，物理学与技术的关系存在两种模式：一是由于生产实践的需要而创建了技术；其二是先在实验室中揭示了基本规律，建立比较完整的理论，然后再在生产中发展成为一种全新的技术。19世纪电磁学的发展，提供了第二种模式的范例。在法拉第发现电磁感应和麦克斯韦确立了电磁场方程组的基础上，产生了今日的发电机、电动机、电报、电视、雷达，创建了现代的电力工程与无线电技术。在当今，第二种模式的重要性更为显著，物理学已成为现代高技术发展的先导与基础学科。1.3 物理是智慧与哲学 物理学是其他自然学科的带头学科，是科学的世界观和

10、方法论的基础。它崇尚理性，重视逻辑推理。诚如玻恩所言：“与其说是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础。”物理学之所以被人们公认为一门重要的科学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景；这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域里获得了成功。反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。

11、2 量子神秘的少女，复杂而又难解的谜题 在物理学中，真正给我带来思想上的震撼的是量子理论，初识量子，我开始发现原来对物理学某个现象的阐述并不唯一，直接冲击了我的根深蒂固的对真理、定理的坚信。 当代物理学正朝着两个相反的研究方向延伸：最宏大的宇宙和最微小的粒子。令人感到惊奇的是，随着研究的深入，它们两者并非是分道扬、越走越远的，反倒显示出不少殊途同归、相反相成的迹象。例如，粒子物理学的一些研究成果常被天体物理学家所借鉴，用来探寻宇宙早期演化的图像；反过来，宇宙物理学的研究也为粒子物理学家提供了丰富的信息与印证。于是，物理学中两个截然相反的分支，就这般奇妙地衔接在了一起，犹如一条怪蟒咬住了自己的尾

12、巴。2.1两朵小乌云 19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。物理学发展的历史表明，正是这两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴。 第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发。第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。 2.2量子理论的

13、发展历程 普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入能量子概念；爱因斯坦提出光量子假说、运用能量子概念使量子理论得到进一步发展；玻尔、德布罗意、薛定谔、玻恩、狄拉克等人为解决量子理论遇到的困难，进行了开创性的工作，先后提出电子自旋概念，创立矩阵力学、波动力学，诠释波函数进行物理以及提出测不准原理和互补原理。终于在1925年到1928年形成了完整的量子力学理论，与爱因斯坦的相对论并肩形成现代物理学的两大理论支柱。2.3 读嬉皮士救了物理学 在这里，我想插一段处于量子发展史边缘的故事，故事发生在二战以及之后的岁月（1939年-1991年）： 量子加密、平行世界且听这些高达上的词语；大麻、炼

14、金术、神学、超心理且看这些“不入流”的东西然而，就有那么一群行为古怪的年轻科学家，挑战传统、改变了物理学面貌，在那段特殊的岁月里，孤独地坚持着对量子的讨论。在上世纪70年代的不景气年份，基础物理学小组的这些年轻的嬉皮士物理学家不得不自己开辟一条新路，寻找他们自己的赞助人、开拓论坛和交流渠道。就在他们的小组逐渐停止活动之际，物理学开始时来运转。从一定程度上说，现代理论物理学的生存在一定程度上要归功于上世纪六七十年代的反主流文化运动。 从阿尔贝特爱因斯坦不墨守成规的青年时代开始，我们已经开始知道，致力于量子力学的才智人士与我们其余人相距甚远。坦率地说，许多物理学家似乎乐于以远离人群、古怪和沉湎于其

15、他星球的迷乱云雾之中的公开形象示人。 戴维凯泽的新书嬉皮士救了物理学描绘了一幅带着狂欢气氛的迷幻图画。凯泽记述了一代物理学家当代圣徒爱因斯坦、尼尔斯玻尔、埃尔温薛定谔和其他相信黑洞、时间旅行和量子纠缠概念的人。他们在取得最辉煌成果的同时与蒂莫西利里、艾伦金斯伯格和肯凯西这些沉迷于毒品幻觉的同代人纠缠在一起。 想象一下理论物理学领域的少壮派激进分子。他们为当今的一些概念，比如弦理论和纳米技术奠定了基础。他们在思考最深奥的数学方程式的同时大谈超感知觉和不明飞行物。想象一下高智商但邋遢的天才和叛逆者。对，这是真实的情形。让这本书具有离心力的人是基本上以旧金山为大本营的基础物理学小组的古怪成员。就在他

16、们中的另外一些人试图用迷幻药和东方神秘主义突破头脑局限的时候，他们则一头扎进了贝尔定理的悖论。这个定理的基本内容是，为了解宇宙的真实情况就必须承认，我们所了解的事实远不及我们能够看到和了解的事实。 整本书阐述了随心所欲自由思考的重要性，特别是在当下高等教育机构受围困之际。2.4 新探险 量子力学从创立到现在已经一个世纪了，我们至今生活在这个伟大理论的“阴影”中，即全球科学家并没有真正超越它，而且现在也看不出有实质突破的迹象。“从常识的观点来看，量子电动力学描述自然的理论是荒唐的。但它与实验非常符合。”我们生活在量子时代，量子力学的应用无处不在。但这并不意味着大家都真正理解了量子力学理论，极端的

17、说法是量子力学压根儿是不可理解的。关于量子力学的哲学诠释，早已经五花八门（有严肃的、不严肃的甚至伪学术、超心理学的诠释）；通常人们会用它来做计算，但不知道为什么。量子力学接下来的路一定会充满曲折，但是相信拨开云雾见日出的时候一旦到来，一定又是物理学发展史上革命的一幕。3 物理学给我带来的思想上的指引 李政道说“21世纪，将会是以物理为基础的各学科交融的世纪。”而材料无疑是和物理学联系最紧密的学科。3.1 物理学中渗透的哲学思想： 物理学除了材料的研究提供坚实的理论基础、研究方法，更重要的是为做科研的人提供哲学基础。3.1.1 世界是物质的 生活中常见有形物体以及看不到摸不着的无形的“场”都是客

18、观存在。微观的分子原子虽然肉眼看不见，电场、磁场虽然是无形而看不见，但都是客观存在的，不因人眼看不见而消失。3.1.2 事物存在普遍性联系 万有引力定律是自然界普遍适用的规律，它揭示了宇宙间一切有质量的物体间普遍存在相互吸引力，体现了物质间相互联系的普遍性和客观性。能量转化和守恒定律指出能量可以从一个物体转移到另一个物体，从一种形式转化为另一种形式，这建立起了不同物体间、不同运动间的普遍联系。磁能生电，电亦能生磁，体现了电磁存在相互联系。力是产生加速度的原因，以牛顿第二定律为纽带把物体受力与运动联系在一起。3.1.3 量变引起质变 光电效应实验中，当入射光的频率小于金属的极限频率时电效应不会发

19、生，只有人射光的频率增加到大于极限频率时，才会发生光电效应，量变引起质变，且随着入射光频率的增加，产生的光电流越大，开始新的量变。3.1.4 内因与外因的辩证关系 物体的加速度与内因(质量)、外因(受力)都有关，是由内因和外因共同作用的结果。质量坍是惯性大小的唯一量度，物体要保持原来的运动状态，力F是改变物体运动状态的原因，力作用在物体上物体运动状态必然要发生改变。牛顿第二定律阐释了物体内因与外因之间的辩证关系。3.1.5 矛盾的斗争和同一性辩证关系原理 矛盾是事物发展的动力源泉，楞次定律中感应电流产生的磁场总是阻碍(产生感应电流)的原磁场磁通量的变化。感应电流产生的磁场与原磁场相互矛盾，即矛

20、盾的斗争性。没有原磁场的变化就没有感应电流，也没有感应电流产生的磁场，阻碍最终又将影响大感应电流及其产生的磁场，感应电流产生的磁场与原磁场之间相互联系，即矛盾的统一性。此外，电荷有正负，正电子等反物质的存在也都说明了矛盾的对立统一。3.1.6 真理的条件性和具体性原理 列宁所说“只要再多走一小步，哪怕是向着原来方向上的一小步，真理就会变成错误。”经典力学只适用于宏观低速的物体，不适用于微观高速的物体。此外物理规律、物理公式特定的适用条件，如机械能守恒定律只是用于只有动能和势能之间相互转化的情况，动量守恒定理使用条件为物体系统不受力或者合外力为零，等等。3.1.7 发展与守恒的观点 能量守恒定律

21、、电荷守恒定律都是自然界普遍适用的定律，能量、电荷不能凭空产生也不能凭空消失。总可以找到一个系统，使能量、电荷守恒。3.2 物理学发现中创造性的思维方法 在实际的科学发现中，不存在严格的逻辑通道，科学的创造常常是由于科学家们独特的创造性思维的结果。学习在科学探索中的方法，正如法国物理学家拉普拉斯所说：“认识一位巨人的研究方法，对于科学的进步并不比发现本身更少用处，科学研究的方法通常是极富兴趣的部分。”现把科学研究中常用的方法列举如下。3.2.1 物理模型 物理模型是为了便于研究而建立的高度抽象的反映事物本质特征的理想物体。人们运用物理模型便于计算推理，探索物质运动的规律，建立物理方程。在构造物

22、理模型时，要对复杂事物加以抽象简化，突出研究对象的主要特征。例如，牛顿在发现万有引力定律的过程中，就使用了抽象简化建立理想模型的方法：从圆运动到椭圆运动，从质点到球体，从单体问题到两体问题。他将理想模型与实际事物比较，再适当加以修正，最后使物理模型与物理世界基本符合。 物理学中有许多通过物理模型建立物理方程的实例，比如克劳修斯提出理想气体模型，推导出气体压强公式；范德瓦尔斯分子模型的提出，导致真实气体方程的建立；卡诺提出理想热机模型和理想循环过程，导致卡诺定理的确立；安培提出分子电流模型，对物质磁性的本质作了解释；麦克斯韦用分子涡旋的力学模型，导出了磁力公式、磁能公式，解释了电磁感应现象。物理

23、学中还有质点、刚体、单摆、点电荷、绝对黑体以及各种原子模型都是物理模型。分析前人在研究过程中建立模型的根据和思路，有助于增进对科学思想的理解。3.2.2 理想实验 理想实验是一种按照实验的模型展开的思想推理过程，是逻辑推理的一种方法和形式。它避免了现实实验中的许多困难，为揭露旧理论的缺陷、探索新的理论提供了简便的方法。例如伽利略为说明惯性原理提出的球沿光滑斜面下滑又上升的理论实验，牛顿为揭示天体运动与地上运动的统一性而构思的在山巅上作平抛运动的理想实验等等。物理学发展史上，在一些重大概念产生的过程中，或者新旧理论交替的重要时刻，理想实验都起着重要作用。例如，爱因斯坦为说明同时性相对性的“火车”

24、，为说明等加速力场与引力场等价、惯性质量与引力质量等价的“升降机”，以及为说明热力学规律是统计性规律的“麦克斯韦妖”等等。这些理想实验都形象、生动、具体，使人们更便于接受新的物理思想，更容易理解新的物理概念。3.2.3 物理类比 物理类比方法是利用一种科学定律和另一种科学定律之间的部分相似性，用它们中的一个去说明另一个。类比是建立在两类定律在数学形式上相似的基础上。类比可以沟通不同领域的研究方法，可以在解析的抽象形式和假设之间提供媒介，还可以启发新的物理思想，帮助人们去认识和发展一些尚待研究的物理过程和规律。例如，麦克斯韦通过把力线和不可压缩流体的流线加以类比，找到了法拉第力线的数学描述；德布

25、罗意通过力学和光学类比，引进了波粒二象性概念，提出了“物质波”假设；薛定谔通过力学与光学类比，创立了波动力学；普利斯特利通过电力与引力的类比，根据金属容器内表面上没有任何电荷，在内部也没有任何电力和早已做出的均匀球壳内万有引力为零的论证，早在库仑定律提出18年前，就提出了一个机智的猜测：电的吸引力遵从万有引力相同的规律，即与距离的平方成反比。3.2.4 物理假说 假说是根据一定的科学事实和科学理论对研究中的问题所提出的假定性的看法和说明。假说在科学发展过程中具有十分重要的作用。恩格斯在自然辩证法中明确指出：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”假说既是科学研究的主要方法，又是科学认识

26、发展的必要环节。例如麦克斯韦为了解释在变化磁场中的导体回路上所产生的感应电流的现象，提出了感生电场的假说；为了解决安培环路定律在传导电流不连续时所遇到的困难，提出了位移电流的假说。这两个假说在电磁场理论的建立过程中起着极为重要的作用。又如20世纪初物理学上一系列重大发现：X射线、放射性、电子的发现等，与原子不可分的学说发生冲突，于是产生了各种原子结构的假说。又如普朗克为了解释他导出的与实验结果完全一致的辐射公式提出了能量量子化的假说。又如爱因斯坦解释光电效应实验提出的光量子假说。德布罗意从X射线所表现出来的波和粒子的双重特性出发，在光的波粒二象性思想的启示下，提出了物质波的假说。 物理学的研究

27、方法还有佯谬法，如爱因斯坦的追光悖论，伽利略的落体佯谬，还有科学想象、试探猜测以及科学直觉等创造性的思维方法，它们在物理原理的建立中都起了重要作用。3.3 物理学家的品味与信仰 物理学家坚信美的事物，并由于事物的对称美，物理学家产生了探索这种美的渴望，从而发现物理结构的和谐统一美。3.3.1 数学的重要性；物理学家的数学功底是必须的，在学物理的过程中，很多公式的推导都要运用高等数学的知识，而且对此要求很高，微积分，傅立叶级数，洛朗级数，解常微方程.但物理学家并不需要数学家的水平，因为物理重要的在于对物理的理解而不是纠缠于具体的数学计算。3.3.2 物理学家的品味与信仰崇尚简单、相信美的事物；先

28、说物理学家对艺术的品味，在爱因斯坦和玻尔的时代，物理学家也是文化的传承者，读康德，诵歌德，听莫扎特。简单美是物理学的重要标志，历代物理学家无不崇尚。牛顿说过:“自然界喜欢简单，而不爱以什么多余的原因以夸耀自己。”的确，尽管我们面前的物理世界看似纷繁复杂，但它们所遵循的规律却是简单的，物理学家则无不力求用简单的语言来描述它，而物理学也在对简单的追求中逐步发展起来，这样的例子在物理学发展史中不胜枚举。3.3.3 实验物理学的重要性 创造性的实验设计，努力捕捉来自大自然的、来自宇宙的讯息、定理。 物理学是理论和实验紧密结合的科学。实验是理论的基础，理论的正确与否要接受实验的检验。华裔著名实验物理学家

29、丁肇中的学术思想的特点是，在科学研究中非常重视实验，他认为，物理学是在实验与理论紧密相互作用的基础上发展起来的，理论进展的基础在于理论能够解释现有的实验事实，并且还能够预言可以由实验证实的新现象。当物理学中一个实验结果与理论预言相矛盾时，就会发生物理学的革命，并且导致新理论的产生。他根据近四分之一世纪以来物理学的历史和他亲身的经验指出，许多重要实验，例如K介子衰变中电荷共轭宇称与宇称复合对称性(CP)不守恒的发现，J粒子的发现，以及高温超导体的发现，开辟了物理学中新的研究领域，但这些实验发现都是预先在理论上并没有兴趣的情况下作出的。又如高能加速器实验近年来作出的有关粒子物理的基本发现，除W粒子

30、和Z粒子外，几乎都是在加速器开始建造时未曾预言过的。他强调，没有一个理论能够驳斥实验的结果，反之，如果一个理论与实验观察的事实不符合，那么这个理论就不能存在。他重视科学实验的观点，对科学工作者是很有教益的。3.3.4 运气偶尔也是很关键的物理中的意外之美1896年，当时x射线刚被发现不久，有人提出太阳光照射荧光物质能够产生x射线，于是贝克勒尔对此展开了研究，他选了一种铀的氧化物作为荧光物质，乌云一连几天遮蔽了太阳，耐不住性子等待的贝克勒尔就把照片洗了出来：底片上面的花纹甚至比强烈阳光下都要清晰。这是一个历史性的时刻，元素的放射性第一次被人们发现了，虽然是在一个戏剧性的场合下。 物理学的发展史中，有很多伟大的意外实验。这些意外，为科学史添加了一份绚丽的传奇色彩，也使人们对神秘的自然更加兴致勃勃。除此之外，物理学家还有很多思维特征，可以作为我做科研的心灵鸡汤：善于抓住主要矛盾、敢于大胆假设、使自己的思维形象化、寻求联系和统一、多角度考虑问题、极端思维、类比思维阅读书目：理论物理基础上帝掷骰子吗：量子物理史话嬉皮士救了物理学读心、禅和量子可畏的对称探寻现代物理学的美丽火星上的人类学家