【物理·学术】什么是物理？

导言

学物理，首先要明白物理的定义。然而查找各种教材，百科全书，网络搜索，给出的定义并不相同，不少定义都似是而非，并不能让人清楚的明白物理是什么，甚至让人误以为物理只是一门特殊的专业学科，降低了物理教育在国民教育体系中的地位。而对于如何建立物理认知体系，更是没有资料能够系统化介绍。为此本文尝试给出物理的详细定义，并总结一个可能的物理认知过程，希望对物理教学和研究起到参考作用。

什么是物理

       物理是物理学家采用实验和理论相结合的方法对整个自然界的客观对象进行的有效认知的积累。这些认知至少要符合可证伪性的要求。 

       物理按照研究对象区分为广义物理和狭义物理。广义物理的研究对象为自然界中的任何客观物质，其实广义物理就是自然科学。狭义物理的研究对象为自然界的基本组分和基本相互作用。

       具体地说，物理起源于人对自然的探索，其认知的积累形成了相应的学科。这里特别需要关注的是有效性，最基本的有效性要求是可证伪，换种说法是“实践是检验真理的唯一标准”。

      如何判断某个物理学理论是否正确呢? 常用的方法是从理论推导出一个预言，然后通过实验检验。如果实验检验与理论预言不符合，理论一定是错的或者有缺陷，但是实验结果符合理论预言却不能证明理论一定是正确的，这就是理论的可证伪性。

       事实上，所有自然科学理论都是可证伪的理论，也即到现在为止还没错的理论。这看起来有点令人沮丧，因为科学理论没有办法证明自己的正确性，科学理论只是暂时有效的理论，但是换个角度看，可证伪性保证了错误的理论一定会被剔除掉，这也就是为什么可证伪性是保证科学理论有效性的必要条件。

       仰望星空的人追求的是对整个自然界的理解，这从牛顿的书名《自然哲学的数学原理》中就可以看出来。广义来说，物理的研究对象是自然界存在的一切客观物体。从“黑洞的时空结构”到“啄木鸟为什么不得脑震荡”都是物理研究的对象。

       但需要注意的是物理的研究对象其实无法包含一切，实际上物理学不研究认知者的意识，这是因为意识是认知的主体和载体，我们甚至不知道意识是不是客观存在的实体，物理认知默认这不是被研究的对象。事实上，当你想研究自己的意识时，你会发现相当困难，无法直接探测到它。通常的做法是对其他人的意识进行研究，然后作为自我意识的参考，但用核磁共振、脑磁图、脑电图等方法探测到的也只是间接信号，并不是意识本身。

        然而对于物理学家们而言，直接研究自然界的万物几乎是不可能的事情。所以物理学家根据实践经验，采取了“还原论”的思想：把万物拆解成基本粒子，并假设可以通过相互作用再组装出整个宇宙。

       所以，通常说的物理，即狭义物理，就是研究基本结构和基本相互作用的科学。

       尽管物理学家做了各种尝试，试图用最基本的结构组装出整个宇宙，并且取得了相当瞩目的成功，然而在实现大统一理论之前，没有办法能够证明这个世界确实存在一种统一的解释。换种说法，物理学家只不过是信仰这个世界可能存在一种统一的认知，并执着地为此努力。这样看起来，物理学家其实是一批有着坚定物理信仰的“奇葩”群体，让人不禁想起大战风车的堂吉诃德。

      现代自然科学包括许多学科，如化学、生命科学等，物理与其它学科之间是什么关系呢? 这可以类比笛卡儿的哲学树，将自然科学比喻为一棵大树，物理是树干，其它自然科学是分支，数学是生命。从研究对象的角度马上就可以看出物理与其他自然科学之间的关系，物理追求的是整个宇宙的理解，而其他学科追求的是某个领域内的研究，如化学研究原子、分子如何相互作用组成有序结构，生命科学研究生物分子如何形成有生命功能的结构。这样我们就可以理解，为什么物理和数学是基础学科。很多人把物理当成一门专业、一种技术、自然科学的一个分支，这显然不是物理的本质属性。

如何完成物理认知

       物理学的核心是人要建立对自然的认知。人会从人的角度“不择手段”地认知研究对象，以积极的态度穷尽所有可能的方法来认知研究对象。之所以可以这么做，就是因为可证伪性保证了错误的认知一定会被淘汰掉，这与数学仅靠逻辑严密来保证正确是不同的。从这个角度看，似乎并不存在什么认知规律，也许认知过程本身是个随机的过程，充满了偶然和幸运，就像很多故事喜欢讲的物理轶事一样。

       是否存在一个有规律的物理认知过程呢？如果存在这样一个过程，就可以简化我们对大量物理知识的理解，并借鉴到其他对象的研究过程中。而这种总结是否正确，可以在新对象的认知探索中得以检验。下图详细列出了建立物理认知的关键步骤，形成了一个认知流程，当然这个流程适合的是人类毫无所知的全新的研究对象。

       从这个流程中我们可以清晰的看到物理学怎样从实验走向理论，以及理论和实验的关系，即实验探索为理论构建提供灵感，并证伪错误理论，而理论则预言实验，指导实验。

       从这个流程中我们也可以很好的理解科学探索与技术应用的关系，科学探索为技术应用提供灵感和理论支撑，技术应用的进步反过来拓展了科学探索的认知能力。典型的案例是望远镜、显微镜、电子显微镜、粒子加速器等技术在科学探索中的应用。

       物理学史上有很多符合这个认知流程的案例，比如热力学、电磁学等理论的建立。需要注意的是当物理学家积累了足够的认知经验之后，在面对下一个研究对象时，往往会在认知流程上有跳跃，有时甚至理论走在前面，实验变成了验证理论的工具。即使出现了这种情况，遵循以上的认知流程仍然有助于我们的认知和理解。

图注：百年后被证实的引力波预言

结语

       从物理的定义中我们能看到，物理是自然科学的基础，其代表的就是自然科学。与数学注重逻辑不同，物理更注重的是对自然的探索。在了解了物理的认知过程之后，我们就能理解科学精神和科学方法正是在物理认知过程中逐步培养起来的。如果只注重数学逻辑训练、应试训练，实际上只训练了认知过程中的最后一步，即认知应用。一个健全的国民教育体系，应当包含完整的物理认知过程训练。

      对于著名的钱学森之问：“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”，尽管可能有各种其它的因素，但从物理认知过程的角度来看，我们也许可以知道答案了。如果能在物理教学和研究中回到物理定义的本质，从认知的起点出发，有意识地遵循认知过程的规律，相信对人才培养和科学研究都会起到有益的推动作用。

本推送主要内容节选自穆良柱教授论文

《什么是物理与物理的认知过程》

点击“阅读原文”即可查看完整论文

北京大学物院学生会

2018年5月1日