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什么是物理  

2018-06-08 11:07:45|  分类: 教研工作 |  标签: |举报 |字号 订阅

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我真的明白自己在学什么吗?本科毕业时我问了自己这个问题,令人惶恐的是我不明白!从初二开始学物理,到本科毕业,9年的学习过后,却对这个最基本的问题没有答案,那一刻人生的挫败感让人刻骨铭心.所有的努力似乎都是为了回答这一个问题.到今天,终于能静下心来,不再惶恐,因为对这个最基本的问题有了理解.什么是物理?这是物理认知的起点,让我们从这开始,了解物理.

这里先给出一个物理定义,之后再详细解释.

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.

物理学家信仰世间自然界内部存在普遍联系,可以由统一的物理模型和理论加以解释,并为此努力.


下面给出详细解释.

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”.当然其它保证有效性要求的还有客观、逻辑自洽、量化等,这些是常识,不作具体讨论.

物理认知的主要过程是观察实验现象,构建理论体系,再用实验检验理论是否错误,即证伪.观察实验就是用人所能有的各种感官,或者各种探测仪器去了解研究对象所具有的物理性质,并探索各种性质之间的相互联系.而构建理论体系则是人用尽量简单的模型,和尽量简化的逻辑体系去解释对象所具有的性质和联系.理论是否正确呢?常用的方法是从理论推导出一个预言,通过实验检验.从逻辑上来说,如果实验检验与理论预言不符合,理论的确是错的或者有缺陷,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,所以物理早期的代名词就是自然哲学,即今天的自然科学,所以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,浏览任意学校物理专业的主页,在研究方向一栏里总能看到以研究对象命名的各种学科.

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.未来人工智能的研究也许能给我们带来更深刻的理解.




然而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,即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.物理学家将整个宇宙拆解成星系、天体、分子、原子、原子核、夸克、轻子等一系列基本组分,这些研究对象构成了物理学研究的主线,从物理学发展史中可以清楚的看到这条主线,近代物理发展过程中尤其清晰,当然最终的目标是找到最基本的粒子,也许超弦是最终的基本结构.




为了认识整个宇宙,物理学家还要将这些基本组分组装回去,然而离开组分间的相互作用是没有办法组装的,所以必然的,各种组分之间的基本相互作用也成了物理学的重要研究内容,我们现在知道有四类基本相互作用,而物理学家期待的是这四种相互作用能统一为一种,电弱相互作用的统一让物理学家们看到了希望并不断尝试.

之所以采取“还原论”的思想,是因为物理学家受到了类似于力学质点模型成功案例的鼓励,至少拆解后研究对象可能会变得更简单,而对简单对象的研究可能会非常的深刻,而一旦对简单对象有了认知,这种认知有可能就会拓展到复杂对象上.当然严格来讲,没有办法能保证这条道路一定能帮物理学家们找到对整个自然界的理解.




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?这可以类比笛卡尔的哲学树,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.但是笛卡尔钟情的是数学,他将数学誉为自然科学树的生命,因为大树的成长是靠数学的逻辑.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,一个职业,这显然不是物理的本质属性.


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,并执着的为此努力.

假设物理学家们没有这种信仰,这世上可能也就不存在物理学了.如果存在暗物质、暗能量,那么实际上现有的物理学只给出了对很少一部分物理世界的认知,而这种认知也仅是可证伪的到现在为止近似正确的理解而已.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,让人想起大战风车的堂吉诃德.这大概就是爱因斯坦发出这样感慨的原因,“The eternal mystery of the world isits comprehensibility(这个世界最不可理解的是它竟然是可理解的).




在这个定义中,我们会发现其核心是人要对自然建立起自己的理解,这是物理知识的起点,而人的认知特征和对象的客观特性决定了物理的结构.有关物理的一切都需要从这个核心出发去理解.

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