沙龙纪实 | 穆良柱：物理学是什么？
博雅哥说
本文是本学期通识核心课程《演示物理学》的师生沙龙纪实。授课老师穆良柱老师与热心的同学们一起讨论了诸多关于物理学科与物理学方法的问题，比如：
● 物理学研究方法最基本的要求是什么？
● 物理学的研究对象与其它学科相比有何差异？
● 人类的认知结构如何为物理学划出边界？
● 对物理学课程的学习，对于未来不从事物理学研究工作的同学有何帮助？
希望老师和同学们对这些问题的讨论可以激起大家对物理学科的兴趣，希望大家可以进一步关注相关方面的通识课程。
Vol.697.2
博雅沙龙
沙龙纪实：演示物理学
2018年4月19日下午，通识核心课程《演示物理学》师生沙龙在北京大学地学楼召开。
授课教师穆良柱老师从物理学的研究认识过程入手，就“物理学是什么”这个主题为大家进行了一番分享。
图为穆良柱老师（左）在与同学们交流
穆老师谈到，各位同学在高中、大学的学习中，可能自己学习问题不多，但是给其他同学讲题时，却往往会有怎么也讲不明白的经历。这种“讲不明白”的感受，他本人也有过，而且一直从大学延续到研究生、博士生以后。而学习了很长时间之后才反过来明白了问题的根源在于对什么是物理以及物理认知规律的理解。
物理的一个基本特征是可证伪性。物理学中的“规律”、“体系”，是由人来完成的，它逃不开一些必然认知规律的限制：我们无法证明它们的绝对正确性。科学不是真理，科学承认自己是无知的。我们之所以相信“理论是对的”，是因为它们做出了正确的预言。例如，广义相对论对光线偏折作了预言，如果说我们观测到了如此这般的现象，就能证明广义相对论是对的吗？不能证明是对的，只能说暂时还没错。所以，科学的体系只能被证伪，不能证实。当然其它的基本要求还有自洽、完备等。
但是，物理学家是积极乐观的：我们不能有绝对正确的理论，但总可以由一个更为有效的理论。等到我们的认知和经验预期有矛盾的时候，我们再去寻找更完备的理论。
就这样的认知过程要求来看，其实很多学科都在做相同的事，而物理的特别之处在于它的研究对象是整个物质世界。比如说，像生物、化学等学科，研究对象就局限在分子结构上。而面对整个浩大的宇宙世界，物理学家采取的策略是“还原论”：把大的个体拆成小的个体，一直拆到最本质的东西：星系、星球，乃至分子、原子、夸克，甚至更微观的基本粒子。然后，再一步步地重新组装成整个宇宙。而在这个重新组装的过程中，不同的单位之间会需要有相互作用。所以，从还原论的角度来看，物理学的研究对象，就是基本粒子和基本相互作用。在这个拆分和还原的过程中，我们获得了不同层次上的研究对象，形成很多二级学科，比如宇宙学、天体物理、粒子物理等等。
就现在现在的物理学认识成果来看，穆老师认为，对于任何的可研究的对象，物理学基本都能说点什么了，并且相较于社会科学来说精度还算可以。
随后，在同学的提问中，穆老师以教师中玻璃透光而墙体不透光的现象为例，为大家简单模拟了物理学研究在现象中发现问题和解决问题的流程。
图为沙龙现场
在提问环节中，有同学问道：物理可以解释的东西是有边界的吗？比如说，引力可以用来解释物体下落之原因，但似乎我们并不知道引力存在的原因是什么。
穆老师认为，对背后原因的追问涉及一个问题：人类是如何认知的？怎样才算建立起了一套认知。在引力的认知中，如果在牛顿力学体系中，是假设其存在是公理，而在广义相对论中，引力则是时空弯曲的一种体现。关键是在什么认知体系中去理解。
从这一点谈开去，穆老师又和大家讨论了有关认知、人类认知的话题。
穆老师提到，所有的物理认识都是人来做的，避不开人的认知。而认知的公理化体系不唯一。比如说，人工智能的认识是怎么样的，我们并不知道。我们只能研究人的认知是怎么回事。穆老师认为，当我们把人类认知全部拆开，发现元认知过程就是两个环节：记忆和类比——记住外界给感官的刺激，下次再接触到相似的刺激，就可以进行类比了。比如，小朋友拿到球会往嘴里塞，是因为没有认知，需要全方位的尝试和刺激。之所以大学很多内容学起来很费劲，是因为要记的东西太多。没有记忆术也无法更好地记忆。
从人类认知的基本环节来看，穆老师认为，其实大家学理科，学的就是认知过程本身：找出研究对象、观测、总结规律、建立模型、提出预言、检验、应用……而这几个步骤分别对应实验物理、理论物理、应用物理。技术是应用物理的一部分，没有给认知带来新的东西的都叫应用物理，有用的组合叫技术。可见，相对于人类认知能力来说，物理学包含的认知过程是相当全面的。
穆老师指出，我们在高中考试做题是主要应用的训练，而没有实验和理论的训练。这些缺失的一课只能到了大学在大一、大二补上。实在不行，就只能到社会上去领悟。最终说“四十不惑”，就是说大多数人在这个年纪才解决了认知问题。
最后，有同学问道：物理系同学最后大多数“转行”，那么我们学这么多课的意义是什么？
穆老师认为，这些毕业的同学并非真正“转行”，因为物理的认识过程可以用在各种方面。就像之前所说，物理学习中接触到的认知案例更全面，受到了完整的认识训练。学物理学的是练物理方法：也就是做事情的方法（控制变量、极端法……）以及作为做人方法的物理精神（实事求是、怀疑主义、乐观态度）。物理方法加物理精神就等于是“物理文化”。这些东西学好了以后，无论换哪一个研究对象，都是可以基本适用的。
在提问环节中，穆老师和同学们还就量子力学与经典力学、宗教与科学、人文与理工认知的差异等话题进行了交流。
图为穆良柱老师与参与沙龙同学的合影
维阳 摄影 / 祁箫 编辑 / 秋阳 校对
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