当我们谈物理时，我们谈些什么
当一个完全不懂物理的人问你：“什么是物理？” 我想即便是一位物理学家也很难立即就给出一个漂亮的答案。
也许你会回答道：“物理是一门研究宇宙中最小的事物到最大的事物的特性和规律的科学。” 但是，如果我们越仔细思考这个问题，就会越觉得它复杂。物理不仅仅只是关乎很小或很大的东西。
又或者我们可以说：“物理是一门研究支配宇宙的基础定律的科学分支。” 这是一个广泛的、全面的定义，它涵盖了一系列神奇的事物。有许多人认为物理学是一门比任何其他科学覆盖面更广的的科学。
我听到过一个最抖机灵却又无懈可击的总结是：“物理学是物理学家在研究的东西。”那么，物理学家都研究什么东西呢？
“大大小小”的物理学
我们先从最小的尺度开始，即普朗克长度：
△ 普朗克长度：ℏ是普朗克常数，c是光速，G是万有引力常数。
在普朗克尺度下，时空中的量子涨落就变得重要起来，而且很有可能，我们现在所知道的一切物质都是由这个尺度下的弦或者或其他奇怪的东西所构成。但这在目前只是猜测。
现在，我们直接上升17个数量级，进入粒子物理学的领域，它关注的是构成我们所看到的一切的最基本的粒子：六种类型的夸克（上、下、粲、奇、顶和底）和六种类型的轻子（电子、μ子、τ子和它们相应的中微子）以及它们之间的相互作用力。
△ 费米子：左边是三代夸克上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、顶(t)及底(b)；右边是三代轻子：电子(e)、μ介子和τ介子，以及它们相应的中微子(ν)。（图片来源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
如果我们将尺度向上调一点点（10^-15米左右），就进入到了核物理学领域，它要应对的是由更大数量的夸克结合在一起成为质子和中子。这个领域研究的是原子核内的粒子组织，和它们是如何如产生我们能观测到的那些性质，如质量、自旋、稳定性等，以及研究原子核本身。
将尺度再往上调就到了原子和分子物理学（约为10^-10米的大小范围），它们研究的对象是整个原子和分子，并会涉及到电子在原子核周围的排列问题，以及它们在分子中的原子之间是如何共享的。
△ 一个原子包含了质子（proton）、中子（Neutron）和电子云（Electron cloud）。（图片来源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）
凝聚态物理学本身的研究范围就涵盖了许多内容，小到纳米粒子(10^-9米)，大到肉眼可见的宏观粒子都有它们的研究对象。凝聚态物理学所涉及的是固体或液体中大量粒子结合在一起的行为，这也是物理学中最大的一条分支，主要是因为这是半导体工业的领域，通过对硅的固体特性的掌控，值数万亿美元的微型晶体管得以生产。相比其它领域的研究而言，该领域相关的研究要出现在头条新闻的可能性要低的多了，但是对日常生活却有着深远的影响。
如果你在高中或大学选修过物理，那么你接触到的物理大多与日常生活相关，例如宏观物体的运动（比如车或篮球），以及电路和磁铁的相关知识。这是物理科学开始的地方，虽然这些领域不再是现代物理学的研究热点，但这与人类生活和工作息息相关，也是学术教学的中心，因此它在物理教育研究中起着重要的作用。
△ 太阳系。（图片来源：illustrydom)
继续往上到地球物理学和行星科学就能遇到那些真正的“大家伙”了，它们研究的是行星或至少是小行星们参与的物理过程，大小从数公里到数千公里不等。比这尺度更大的情况下，我们最好不再用米为单位，而改成光传播所需要的时间。天体物理学研究的对象为大小为几光时的太阳系、成千上万光年的星系。
最后，宇宙学是将宇宙作为一个整体来研究的科学领域，它追溯数十亿光年远的事件。宇宙学关心的是整个宇宙的起源和最终命运，它将整个宇宙打包压缩回最初的模样，紧跟着大爆炸的之后出现的事物都需依赖于粒子物理学来解答。
从这些范围来看，你可能会想——一切都是物理，因为日常生活中我们所接触到的每一件事物每一条生命都由最基础的粒子组成，并居住在这个大爆炸后产生的宇宙。也因为这种说法，使许多物理学家背上了傲慢的名声，尤其不受化学家和生物学家待见。
虽然从某种狭隘的层面上你或许可以认为物理学涵盖了所有的化学和生物学，但这并不是什么惊世骇俗的真理，因为不同科学的运作方式实在太不一样了。即使在与化学和生物很相近的分子物理学和凝聚态上，物理学的研究方式也非常不同。在很多方面，物理学最好的定义不是由它所研究的事物给出的，而是它给了我们理解世界的方法。
球形的奶牛
在科学界流传着一个古老的笑话，故事讲述的是一个奶农因无法从奶牛身上得到足够的牛奶而烦恼，他咨询了各种专家，没人能解决他的问题。于是他在绝望之下找了一个认识的理论物理学家来帮忙（一种只在笑话中的绝望），理论物理学家说“让我想一想。”几天后，物理学家打电话给奶农说他已经找到了一个解决方案。奶农听了立刻赶到大学，在一个会议室里见到了物理学家。
物理学家清清嗓子，在黑板上画一个圆圈，说：“首先，我们需要假设这个牛是球形的......” 脑中是不是浮现了谢耳朵的画面？
像所有以“职业”为基础的幽默，这是有“趣”的，至少在很大程度上是有趣的，因为它是真的。虽然这个结局很荒谬，但却准确地描述了物理学家理解世界的方式——牛显然不是球形的，但要将牛想象为一个球正是物理学家会做的事。
物理学家在理解这个世界时，采取的基本的原则就是简化复杂的事物。物理学家想从复杂的现实世界中，取其精华的建立简洁清晰的模型。这通常意味着他们可能会忽略一些真实存在却又不那么重要的细节，例如“球形牛”的腿、尾巴和头部。对于某些问题来说这些细节也确实可以被忽略，比如你若问 “牛与地球间的引力是什么？” ，那么牛的确切形状对正确答案不会有什么大的影响，而把牛作为一个球体来考虑反而更加方便。
即使在复杂的凝聚态等领域，涉及到巨大数量的粒子，而其目标也就是实现一种简化。这需通过抽象的数学过程实现，将大量离散粒子的运动纳入到能谱带和声子谱。这听上去似乎把问题弄得更难了，因为要这样做必须运用到高深的数学。但是，一旦知晓其中的数学，就会发现这个方法是非常简单有力的。
这种现象在物理学中很常见，例如“费米问题”。物理学家恩里科·费米有这么一个习惯：要求人们对那些看似无法回答的问题进行估计。有个经典费米问题是“芝加哥有多少钢琴调音师？” 问这个问题时是20世纪的50年代，那时拥有钢琴的人很多，却没有人有一个能谷歌的智能手机。你或许并不认为自己可以给出一个合理的答案，但实际上你可以通过只做数量级估计、不考虑确切数字而得到很接近答案的结果。
首先，你可以估计那时芝加哥地区的人口大约是一千万人，即肯定超过一百万但不到一亿的值。接着也许100人中有一个人有一架钢琴，或许多一点也或许少一点，但它是十分之一或一千分之一的可能性很小，因此你得到芝加哥约有十多万架需要调音的钢琴这个结果。之后，你可以估计钢琴需要调音的频率，调一次需要多长时间，最终你会得到一个关于芝加哥地区需要多少钢琴调音师才能保证城市里的钢琴音律悦耳的数字。
费米曾经常和他的学生和同事一起玩这个游戏，只要从这个数量级推理出发，他们可以得到的预估数值在实际结果的2倍误差内（即实际值的一半到两倍间）。这是一个很“物理学家”的游戏，在其他科学家中并不那么流行。所以也有一种说法，物理学家们在日常中似乎更习惯用大概估计的数值，而化学家和生物学家更爱使用确切数字。
所以，物理学的另一种定义就是它是那种将奶牛当作球体来研究的自然科学，这是一个力求精简的科学领域，以不妨碍得到“足够好”为前提，剥离出一些抽象的细节，让最简单最重要的普世特性和原则显现出来。
这也为什么有人把经济学称为“社会科学中的物理学”时所描述的两者间的相似之处。在调侃经济学家的笑话里，有一个与“球形牛”一样古老的故事：几个学者被困在一个荒岛上，没有办法打开密封的救生口粮罐，他们每个人都试图寻找自己职业思维中能借助的工具来打开罐头，但是经济学家的办法却是从“假设我们有一个开罐器”开始⋯⋯
参考链接：
【1】https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2015/03/30/what-we-talk-about-when-we-talk-about-physics/2/
【2】http://backreaction.blogspot.co.uk/2017/01/what-is-physics-video.html
本文经授权转载自原理微信公众号
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编辑：PXL
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