穆良柱

(北京大學(xué)物理學(xué)院，北京 100871)

學(xué)物理，教物理，研究物理，制定與物理有關(guān)的政策，首先都要明白什么是物理。然而查找各種教材，百科全書[1,2]，網(wǎng)絡(luò)搜索[3]，給出的定義并不相同，不少定義都似是而非，并不能讓人清楚地明白物理是什么，甚至讓人誤以為物理與化學(xué)、生物一樣，只是一門特殊的專業(yè)學(xué)科。

正是基于片面的理解，部分物理課被教成了應(yīng)用數(shù)學(xué)課，學(xué)物理、教物理過程中還出現(xiàn)了過度應(yīng)試教育等問題。物理教育在國民教育體系中的地位也不斷下降，甚至成為選考內(nèi)容[4]，部分中學(xué)物理老師被迫改教其他課程。而在物理研究中，也出現(xiàn)了錢學(xué)森之問，難以出現(xiàn)真正的大師。有關(guān)物理政策的制定則同樣由于誤解而出現(xiàn)了偏差，如物理人才評價體系和人事制度過度借鑒了企業(yè)競爭模式。

這些問題很多已經(jīng)得到關(guān)注[5]，并在尋求解決方案，如果能對“什么是物理”這樣根本的問題能有清楚的認識，也許對解決這些問題會有幫助。因此，有必要回到物理認知的起點來分析，什么是物理[6]？物理認知是如何建立的[6]？物理人做事的方式，即物理方法[7]是什么？物理人做人的方式，即物理精神[8]是什么？什么樣的物理文化才能保障和促進物理學(xué)的健康與長遠發(fā)展？本文嘗試對這些問題給出一些回答，希望能起到一些有益的參考作用。

1 什么是物理

先給出如下的物理定義：物理是物理學(xué)家采用實驗和理論相結(jié)合的方法對整個自然界的客觀對象進行有效認知的積累，這些認知至少要符合可證偽性的要求。物理按照研究對象區(qū)分為廣義物理和狹義物理。廣義物理的研究對象為自然界中的任何客觀物質(zhì)，其實廣義物理就是自然科學(xué)。狹義物理的研究對象為自然界的基本組分和基本相互作用。物理學(xué)家信仰世間自然界內(nèi)部存在普遍聯(lián)系，可以由統(tǒng)一的物理模型和理論加以解釋，并為此努力。

下面給出詳細解釋。

物理起源于人對自然的探索，其認知的積累形成了相應(yīng)的學(xué)科，這里特別需要關(guān)注的是有效性，最基本的有效性要求是可證偽性，換種說法是“實踐是檢驗真理的唯一標準”。當然其他保證有效性要求的還有客觀、邏輯自洽、量化等，這些是常識，不作具體討論。

物理認知的主要過程是觀察實驗現(xiàn)象，構(gòu)建理論體系，再用實驗檢驗理論是否錯誤，即證偽。觀察實驗就是用人所能有的各種感官，或者各種探測儀器去了解研究對象所具有的物理性質(zhì)，并探索各種性質(zhì)之間的相互聯(lián)系。而構(gòu)建理論體系則是人用盡量簡單的模型和盡量簡化的邏輯體系去解釋對象所具有的性質(zhì)和聯(lián)系。理論是否正確呢？常用的方法是從理論推導(dǎo)出一個預(yù)言，通過實驗檢驗。從邏輯上來說，如果實驗檢驗與理論預(yù)言不符合，理論的確是錯的，或者有缺陷，但是實驗結(jié)果符合理論預(yù)言卻不能證明理論一定是正確的，這就是理論的可證偽性。事實上所有自然科學(xué)理論都是可證偽的理論，也即到現(xiàn)在為止還沒錯的理論。這看起來有點令人沮喪，因為科學(xué)理論沒有辦法證明自己的正確性，科學(xué)理論只是暫時有效的理論，但是換個角度看，可證偽性保證了錯誤的理論一定會被剔除掉，這是為什么可證偽性是保證科學(xué)理論有效性的必要條件。

可證偽性認知帶來的一個好處是人的認知始終是開放的，因為隨時可能被推翻重來，這與不可證偽認知的封閉性完全不同，在封閉體系里永遠沒有新的認知，一切都已完美。歷史上，人類對這兩種認知方式都選擇過，封閉性認知給歐洲帶來一千多年黑暗的中世紀，而開放性認知造就了現(xiàn)代文明。

仰望星空的人追求的是對整個自然界的理解，這從牛頓的書名“自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理”中就可以看出來，所以物理早期的代名詞就是自然哲學(xué)，即今天的自然科學(xué)，所以廣義來說物理的研究對象是自然界存在的一切客觀物體。從“黑洞的時空結(jié)構(gòu)”到“啄木鳥為什么不得腦震蕩”都是物理研究的對象，瀏覽任意學(xué)校物理專業(yè)的主頁，在研究方向一欄里總能看到以研究對象命名的各種學(xué)科。需要注意的是物理的研究對象其實無法包含一切，實際上物理學(xué)不研究認知者的意識，這是因為意識是認知的主體和載體，我們甚至不知道意識是不是客觀存在的實體，物理認知默認這不是被研究的對象。事實上當你想研究自己的意識時，你會發(fā)現(xiàn)相當困難，無法直接探測到它。通常的做法是對其他人的意識進行研究，然后作為自我意識的參考，用核磁共振、腦磁圖、腦電圖等方法探測到的也只是間接信號，并不是意識本身。未來人工智能的研究也許能給我們帶來更深刻的理解。

然而研究自然界的萬物幾乎是不可能的事情，所以物理學(xué)家根據(jù)實踐經(jīng)驗采取了“還原論”的思想，即把萬物拆解成基本粒子，并假設(shè)可以通過相互作用再組裝出整個宇宙，所以通常說的物理，即狹義物理，就是研究基本結(jié)構(gòu)和基本相互作用的科學(xué)。物理學(xué)家將整個宇宙拆解成星系、天體、分子、原子、原子核、核子、夸克、輕子等一系列基本組分，這些研究對象構(gòu)成了物理學(xué)研究的主線，從物理學(xué)發(fā)展史中可以清楚地看到這條主線，近代物理發(fā)展過程中尤其清晰，當然最終的目標是找到最基本的粒子，也許超弦是最終的基本結(jié)構(gòu)。為了認識整個宇宙，物理學(xué)家還要將這些基本組分組裝回去，然而離開組分間的相互作用是沒有辦法組裝的，所以必然的，各種組分之間的基本相互作用也成了物理學(xué)的重要研究內(nèi)容，我們現(xiàn)在知道有四類基本相互作用，而物理學(xué)家期待的是這四種相互作用能統(tǒng)一為一種，電弱相互作用的統(tǒng)一讓物理學(xué)家們看到了希望并不斷嘗試。之所以采取“還原論”的思想，是因為物理學(xué)家受到了類似于力學(xué)質(zhì)點模型成功案例的鼓勵，至少拆解后研究對象可能會變得更簡單，而對簡單對象的研究可能會非常的深刻，而一旦對簡單對象有了認知，這種認知有可能就會拓展到復(fù)雜對象上。當然嚴格來講，沒有辦法能保證這條道路一定能幫物理學(xué)家們找到對整個自然界的理解。實際上還有一種“演生論”的說法，認為多就是不一樣，即組裝的時候可能會出現(xiàn)新的規(guī)律。

現(xiàn)代自然科學(xué)包括許多學(xué)科，如化學(xué)、生命科學(xué)等，物理與其他學(xué)科之間是什么關(guān)系呢？這可以類比笛卡爾的哲學(xué)樹[9]，將自然科學(xué)比喻為一棵大樹，物理是樹干，其他自然科學(xué)是分支，數(shù)學(xué)是生命。從研究對象的角度立即就可以看出物理與其他自然科學(xué)之間的關(guān)系，物理追求的是整個宇宙的理解，而其他學(xué)科追求的是某個領(lǐng)域內(nèi)的研究，如化學(xué)研究原子、分子如何相互作用組成有序結(jié)構(gòu)；生命科學(xué)研究生物分子如何形成有生命功能的結(jié)構(gòu)。笛卡爾鐘情的是數(shù)學(xué)，他將數(shù)學(xué)譽為哲學(xué)樹的生命，因為大樹的成長靠數(shù)學(xué)的邏輯，這同樣部分適用于自然科學(xué)樹。這樣我們就可以理解為什么物理和數(shù)學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科。很多人把物理當成一門專業(yè)，一種技術(shù)，自然科學(xué)的一個分支，一個職業(yè)，這顯然不是物理的本質(zhì)屬性。

盡管物理學(xué)家做了各種嘗試，試圖用最基本的結(jié)構(gòu)組裝出整個宇宙，并且取得了相當矚目的成功，然而在實現(xiàn)大統(tǒng)一理論之前，沒有辦法能夠證明這個世界確實存在一種統(tǒng)一的解釋，換種說法，物理學(xué)家只不過是信仰這個世界可能存在一種統(tǒng)一的認知，并執(zhí)著地為此努力。假設(shè)物理學(xué)家們沒有這種信仰，這世上可能也就不存在物理學(xué)了。如果存在暗物質(zhì)、暗能量，那么實際上現(xiàn)有的物理學(xué)只給出了對很少一部分物理世界的認知，而這種認知也僅是可證偽的到現(xiàn)在為止近似正確的理解而已。這樣看起來，物理學(xué)家其實是一批有著堅定物理信仰的“奇葩”群體，讓人想起大戰(zhàn)風(fēng)車的堂吉訶德。這大概就是愛因斯坦發(fā)出這樣感慨的原因，“The eternal mystery of the world is its comprehensibility”(這個世界最不可理解的是它竟然是可理解的)。

在這個定義中，我們會發(fā)現(xiàn)其核心是人要對自然建立起自己的理解，這是物理認知的起點，而人的認知特征和對象的客觀特性決定了物理認知的架構(gòu)。有關(guān)物理的一切都需要從這個核心出發(fā)去理解。

從物理的定義中我們能看到，物理是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，其代表的就是自然科學(xué)，與數(shù)學(xué)注重邏輯不同，物理更注重的是對自然的探索，從這個意義上說，物理教育應(yīng)該在國民教育體系中代表自然科學(xué)教育，而不是只作為一個專業(yè)選修、選考。

2 什么是物理的認知過程

物理的核心是人要建立對自然的認知，但物理認知是如何建立的呢？

人會從人的角度“不擇手段”地認知研究對象，以積極的態(tài)度窮盡所有可能的方法來認知研究對象，之所以可以這么做，就是因為可證偽性保證了錯誤的認知一定會被淘汰掉，這與數(shù)學(xué)僅靠邏輯嚴密來保證正確是不同的。從這個角度看，似乎并不存在什么認知規(guī)律，也許認知過程本身是個隨機的過程，充滿了偶然和幸運，就像很多物理軼事里描述的那樣。

是否存在一個有規(guī)律的物理認知過程呢？我們沒有辦法先驗地知道一定存在，但請記住物理學(xué)家是積極樂觀，“不擇手段”的，讓我們也采取這種積極的態(tài)度，假設(shè)存在這種可能，將物理研究的認知過程作為研究對象，盡力通過大量的物理探索過程來總結(jié)一個基本可靠的認知過程。如果存在這樣一個過程，就可以簡化我們對大量物理知識的理解，并借鑒到其他對象的研究過程中。而這種總結(jié)是否正確可以在新對象的認知探索中得以檢驗。

圖1 建立物理認知的關(guān)鍵步驟注： 圖1是一個完整的物理認知流程，可以簡化為實驗物理、理論物理、應(yīng)用物理，還可以進一步簡化為科學(xué)探索、技術(shù)應(yīng)用。通過這個流程可以清晰地理解實驗、理論、應(yīng)用之間的關(guān)系，以及科學(xué)探索和技術(shù)應(yīng)用之間的聯(lián)系，真正的創(chuàng)新只可能發(fā)生在對未知領(lǐng)域的科學(xué)探索中。

圖1詳細列出了建立物理認知的關(guān)鍵步驟，形成了一個認知流程，當然這個流程適合的是人類毫無所知的全新的研究對象。

讓我們用這個認知流程回顧一下牛頓力學(xué)體系中天體運行理論建立的過程[10]。

(1) 無論古代中國人還是古希臘人都很早就開始關(guān)注天體這個研究對象了，早期的觀察是定性和半定量的，天體有很多吸引人的物理特性，比如亮度，顏色，大小，運動等。

(2) 不同天體的特性當然有所不同，其中行星的運動受到的關(guān)注較多，因為相應(yīng)的現(xiàn)象更奇特有趣，比如順行，逆行，行星被選為重點的研究對象。

(3) 行星運動問題成了研究的焦點。

(4) 其中量化描述和觀測是研究的重大突破，大量行星運動的特性被仔細觀察并記錄，最著名的就是第谷的大量精確觀測數(shù)據(jù)，詳細記錄了行星時間，位置，周期等信息，甚至還觀測到了彗星運行的數(shù)據(jù)。

(5) 之后開普勒的出現(xiàn)將研究引向?qū)ふ疫@些量之間的關(guān)系，即開普勒三大定律的發(fā)現(xiàn)，這是實驗物理的巨大成功。

(6) 而牛頓的出現(xiàn)則將研究導(dǎo)向了理論物理的方向。在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里，天體被簡化成了質(zhì)點模型。

(7) 將萬有引力的假設(shè)和牛頓三大定律作為公理，天體運行可以有完美的理論體系解釋，相信牛頓理解了整個宇宙的運行規(guī)律時，那種豁然開朗的愉悅是無與倫比的。

(8) 而后來“筆尖上發(fā)現(xiàn)”的海王星更加堅定了人們對牛頓理論的信心，對牛頓理論的運用甚至讓人們相信機械的決定論思想。直到水星近日點進動的偏差，以及相對論和量子力學(xué)的建立才打破對牛頓理論的“迷信”。

(9) 在沒被證偽之前，牛頓理論對行星運動過去發(fā)生的現(xiàn)象基本都給出了解釋。

(10) 用牛頓理論也可以預(yù)言日食月食等現(xiàn)象。

(11) 牛頓理論指導(dǎo)了很多探空飛行器的設(shè)計與制造，甚至幫助人類登上了月球。

讓我們從上述認知舉例再來簡要闡述圖1：一個完整的認知流程可以簡化為實驗物理(流程的1～5步)、理論物理(流程的6～8步)、應(yīng)用物理(流程的第9～11步)3個階段，再簡化一點，可以將實驗物理和理論物理對應(yīng)科學(xué)探索，將應(yīng)用物理對應(yīng)技術(shù)應(yīng)用，從這個角度我們可以更好地理解科學(xué)與技術(shù)這兩個概念。

從這個流程中我們可以清晰地看到物理學(xué)怎樣從實驗走向理論，以及理論和實驗的關(guān)系，即實驗探索為理論構(gòu)建提供靈感，并證偽錯誤理論，而理論則預(yù)言實驗，指導(dǎo)實驗。著名的物理學(xué)家費米正是沿著這個認知過程從實驗物理學(xué)家變成了理論物理學(xué)家。

從這個流程中我們也可以很好地理解科學(xué)探索與技術(shù)應(yīng)用的關(guān)系，科學(xué)探索為技術(shù)應(yīng)用提供靈感和理論支撐，技術(shù)應(yīng)用的進步反過來拓展了科學(xué)探索的認知能力。典型的案例是望遠鏡、顯微鏡、電子顯微鏡、粒子加速器等技術(shù)在科學(xué)探索中的應(yīng)用。

物理學(xué)史上有很多符合這個認知流程的案例，比如熱力學(xué)，電磁學(xué)等理論的建立，需要注意的是當物理學(xué)家積累了足夠的認知經(jīng)驗之后，在面對下一個研究對象時，往往會在認知流程上有跳躍，有時甚至理論走在前面，實驗變成了驗證理論的工具。即使出現(xiàn)了這種情況，遵循以上的認知流程仍然有助于我們的認知理解。

3 什么是物理方法

在物理的教學(xué)和科研中，常常強調(diào)物理方法，但一般對物理方法的理解往往是片面的，常常局限在嚴謹推理、分析等數(shù)理邏輯方法，很多人甚至由此誤解物理的理性思維就是數(shù)學(xué)的邏輯思維，這種片面理解對中學(xué)甚至大學(xué)的物理教育都產(chǎn)生了嚴重影響，為了能夠回到正確的教育上來，就有必要對物理方法有本質(zhì)的了解。

那么什么是物理的方法？物理方法就是物理學(xué)家認知的方法，簡單說就是物理學(xué)家怎么“做事”。物理學(xué)家們在認知世界的過程中采用和發(fā)明了大量的有效方法，不同認知階段采用的方法不同，從猜想到嚴格的數(shù)理邏輯都有成功的案例，甚至可以說物理學(xué)家“不擇手段”地使用各種方法，之所以可以這么做是因為有實驗的證偽保證。從這個角度看，其實沒有必要研究哪些方法是物理的方法。但是從積極樂觀的態(tài)度出發(fā)，可以從一個完整認知過程中總結(jié)出一些常用的方法，來體會一下物理學(xué)家的思維方法，特別是有別于數(shù)學(xué)邏輯的一些思維，這樣不僅能為新的研究提供一些借鑒，而且有助于物理教學(xué)。如果在物理教學(xué)中有意識地培訓(xùn)物理方法，則可以有效培養(yǎng)學(xué)生的物理認知能力。圖2列出了與認知過程相對應(yīng)的部分物理方法。

圖2 與認知流程對應(yīng)的“不擇手段”的物理方法，注意之所以可以這樣靈活，是靠可證偽性來保證的

觀察物理現(xiàn)象時常用分類法。人在觀察世界時，如果真的像人工智能一樣，靠大數(shù)據(jù)認知就累死了，不可能對每個對象都建立一套詳細認知，然后記住所有的對象，這是人的生理特點決定了的。當然不排除有人記憶能力超強，像江蘇衛(wèi)視《最強大腦》所展示的那樣，但即使是他們，大量的記憶過程也是很艱苦的。所以人發(fā)明出了一套簡單的類比機制來簡化認知，這就是分類法的來源。稍微了解一點科學(xué)史的人都知道，分類法在自然科學(xué)認知中有廣泛的應(yīng)用，比如博物學(xué)家的系統(tǒng)分類法。分類法的好處在于，同一類的對象可能有共同的規(guī)律，所謂規(guī)律是不變的性質(zhì)，當你解剖一只麻雀了解其結(jié)構(gòu)之后，你就可以猜想所有的鳥類可能都與麻雀的結(jié)構(gòu)差不多，所以有“麻雀雖小，五臟俱全”的說法。然而即使是同一類，比如同為鳥類的麻雀和孔雀，其性質(zhì)畢竟有所不同，如果關(guān)心細節(jié)，仍然要分別研究。無論如何，分類法簡化了對同一類對象的共同性質(zhì)的認知，讓我們有可能從同一類對象中挑選最簡單的那一個進行研究，然后將認知推廣到同類其他對象。牛頓之所以對“蘋果會下落，月亮卻不下落”感到驚奇，就是因為蘋果和月亮都是同被地球吸引的同一類對象，性質(zhì)卻看起來完全不同。

明確研究問題時常用主次法，就是常說的抓主要矛盾。挑選到簡單的研究對象后，其物理性質(zhì)往往是非常豐富的，一個最簡單的質(zhì)點，其最基本屬性是運動，以及由于運動帶來的能量、動量、角動量等屬性，這個質(zhì)點有可能還帶電，這樣又涉及電性質(zhì)，而帶電電荷運動還涉及磁性質(zhì)，如果質(zhì)點再碰上光子散射，可能又涉及光性質(zhì)，質(zhì)點在流體中運動，又有流體問題。所以在研究時不得不明確自己的研究問題，即挑選出最想研究的性質(zhì)，比如如果我們只關(guān)心質(zhì)點的運動性質(zhì)，那么就不要把電、磁、光、流體等其他性質(zhì)牽扯進來，通常情況下這種性質(zhì)也是同一類物體的共同性質(zhì)。這樣的方法可以簡單地稱為主次法，這種方法一方面簡化了問題的復(fù)雜度，另一方面不可避免地會帶來近似，因為暫時丟棄了一些次要因素。

量化描述時常用類比法、轉(zhuǎn)換法。觀察實驗現(xiàn)象后，接著要做的就是將觀察到的物理性質(zhì)量化描述，就是定義和觀測物理量，這是物理認知走向精確量化、公理化的關(guān)鍵一步。比如觀察小球運動，為了描述平動性質(zhì)，需要定義時間、位移、速度、加速度；為了描述平動狀態(tài)的改變，定義了慣性質(zhì)量、動量、力；為了描述轉(zhuǎn)動，定義了周期、角度、角速度、角加速度；為了描述轉(zhuǎn)動狀態(tài)的改變，定義了轉(zhuǎn)動慣量、角動量、力矩。給出這些定義時，經(jīng)常用類比的方法，比如位移的概念直接類比人的視覺感受，位移大小可以類比人腳的特征長度；時間的長短可以類比地球自轉(zhuǎn)周期(日)、月球公轉(zhuǎn)周期(月)、地球公轉(zhuǎn)周期(年)；而描述轉(zhuǎn)動的物理量，可以直接類比平動的物理量，當然定義細節(jié)上肯定會有差異。而有些物理量無法直接類比，就可以用轉(zhuǎn)換的方法變成可直接測量的，比如溫度的概念可以直接類比人的冷暖感受，可是溫度大小的測量在水銀溫度計中就不得不轉(zhuǎn)換為水銀長度的測量。現(xiàn)代生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)中也大量使用了量化描述，比如人的血糖高低、疼痛程度、疲倦程度、聰明程度等都有了量化的方法，仔細去考察其定義，有不少都用了類比法、轉(zhuǎn)換法。

在定義測量了各種物理量之后，接下來希望做的是找到這些量之間的關(guān)系，即經(jīng)驗規(guī)律，而尋找這些實驗規(guī)律時常用極端條件法、控制變量法。

為了探索實驗規(guī)律，就要用各種方法折騰研究對象，觀察記錄實驗現(xiàn)象，比如小球運動，勻速直線、自由落體、斜面下滑、平拋、斜拋。然而，為了找出和需要研究的問題有關(guān)的各種因素，往往需要用極端條件。著名的伽利略理想斜面實驗中，沒有摩擦力的極限條件下運動會如何?牛頓在地球表面平拋小球?qū)嶒炛?，讓小球的速度越來越大，推到極限會如何?極端低溫下測量水銀電阻會如何?極端低溫下測量液氦會如何?將宇宙壓縮回極端高溫會如何?兩個質(zhì)子在極端高速下相撞會如何？很多神奇的物理現(xiàn)象都是在極端條件下發(fā)現(xiàn)的。為什么要用極端條件法呢？極端條件實際上是將某個因素推到極限，壓制其他因素，從而凸顯該因素對所研究問題的影響。從另一個角度說，極端條件往往也是認知的邊界，突破這個邊界自然可能有驚喜。極端條件往往也伴隨著極端的技術(shù)進步。

尋求物理量之間關(guān)系時，如果只有兩個物理量當然是簡單的，但實際上常常涉及兩個以上變量，這時就常常用控制變量法，即控制一部分獨立變量不變，只研究兩個變量之間的關(guān)系。比如熱學(xué)中氣體三定律，其實就是分別控制壓強、體積、溫度不變時得到的規(guī)律?？刂谱兞糠▽嶋H上對應(yīng)數(shù)學(xué)分析中的偏微分。需要注意的是由于得到的是偏微分，所以得到的規(guī)律往往很多，而且并不能全面反映各個物理量之間的關(guān)系，這時就需要用數(shù)學(xué)分析的方法根據(jù)偏微分列出全微分方程，然后得到各物理量之間的系統(tǒng)化關(guān)系，這樣經(jīng)驗規(guī)律的數(shù)量也會急劇減少，即認知會簡化許多。

人的認知并不滿足于只得到一系列經(jīng)驗規(guī)律，盡管經(jīng)驗規(guī)律可以有許多應(yīng)用。實際上由于經(jīng)驗規(guī)律往往很多，這對于人的認知來說不夠簡單、系統(tǒng)，這時物理學(xué)家開始探索這些經(jīng)驗規(guī)律背后更簡單的原因，即追求公理化認知系統(tǒng)，這種認知系統(tǒng)實際上是從數(shù)學(xué)認知系統(tǒng)借鑒的。如果能從經(jīng)驗規(guī)律中找到基本公理，或者假設(shè)基本公理，并能只用數(shù)理邏輯系統(tǒng)化推導(dǎo)出所有的經(jīng)驗規(guī)律，這將是物理認知系統(tǒng)極大的簡化與進步，特別是這讓我們看起來找到了萬物的規(guī)律，或者說找到了變化多端的各種現(xiàn)象背后的原因。

為了建立這個理論，第一步要做的事情是建立模型，此時常用理想模型法。常見的如質(zhì)點、理想氣體、點電荷、電流元、理想流體、夸克等等。顯然這些模型都是極端理想化的，往往實際并不存在，是同一類研究對象中最能體現(xiàn)共同本質(zhì)，而又最簡單的代表，或者是采用還原論的想法，人為構(gòu)造出來的理想對象，顯然，理想模型法是對實際對象的一種近似法。比如理想氣體假設(shè)分子間沒有相互作用，只有無規(guī)則熱運動，這顯然是研究熱現(xiàn)象的最理想對象，而電流元、夸克是用還原論的方法構(gòu)造的理想模型。當然構(gòu)造模型時除了用極端簡單的理想條件，一定還會有其他如類比、抽象等方法。

建立公理化認知時常用數(shù)理邏輯法、簡單歸納法、猜想法。一旦建立了模型，就可以圍繞這個模型建立公理化認知體系了。顯然這時要求模型在邏輯上是嚴格的，必然要使用基本的數(shù)理邏輯方法，比如分析法、綜合法、反證法、歸納法等，實際上整套公理化認知都是數(shù)理邏輯。公理化體系中，公理選擇并不是唯一的，如何選是非常重要的，不同的公理選擇可能會導(dǎo)致整個體系看起來截然不同，當然物理量定義不同也會影響公理化體系，選擇的一個常用標準是要使得整套公理化體系盡量簡化優(yōu)美。公理可以從已有的經(jīng)驗規(guī)律中簡單歸納，比如熱力學(xué)第一定律可以看成是經(jīng)驗規(guī)律的總結(jié)，這種簡單歸納顯然不是數(shù)學(xué)中的完全歸納法，只是簡單推廣。當然公理也可以用相對嚴格的數(shù)學(xué)方法分析得出，比如牛頓是根據(jù)開普勒第三定律反推出了引力平方反比律。但簡單來說，公理都只是一個猜想，猜想法其實往往是基于研究者以往的經(jīng)驗積累和現(xiàn)有研究對象之間的關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的，無論怎么產(chǎn)生出來，我們都假設(shè)這是一個公理，然后將其推廣適用于同一類的研究對象，其正確與否是和實驗檢驗相關(guān)聯(lián)的，如果是錯的，一定會被證偽，所以猜想法只是一種有效思維方式，但并不是嚴格正確的數(shù)學(xué)邏輯。有趣的是，這種不怎么嚴格的簡單歸納法、猜想法給我們帶來很多認知上的突破，數(shù)學(xué)中也有很多類似的案例，比如著名的黎曼猜想、龐加萊猜想等。

實驗證偽時常用特例法。模型和公理化體系建立后，原則上該研究對象的某一類性質(zhì)都可以由公理化體系完備自洽描述。自洽性是邏輯的自然要求，而完備性則是能推導(dǎo)出該研究對象的所有相關(guān)性質(zhì)，這樣一來就可以對研究對象的行為進行預(yù)言了，而這些預(yù)言可以用實驗來檢驗。受限于實驗條件或者理論推導(dǎo)的困難程度，這些預(yù)言往往是針對一些極端的特例，比如廣義相對論預(yù)言日食時星光偏轉(zhuǎn)，統(tǒng)計物理預(yù)言低溫時玻色愛因斯坦凝聚等等。盡管只是特例，但只要實驗與理論不符合，就可以直接證偽理論，這正是自然科學(xué)理論需要有可證偽性的原因。因為通常沒有辦法窮盡所有可能的驗證，所以特例法證偽是物理認知不得不采用的一種有效認知方法。

為提高施工技術(shù)水平，除了做好前期勘察工作和施工技術(shù)的規(guī)范，還應(yīng)注重提高管理人員的素質(zhì)。在民用建筑施工過程中，應(yīng)提高施工人員的素質(zhì)和專業(yè)技能，以確保其更好地掌握施工操作規(guī)范。例如，可通過崗前培訓(xùn)的方式，提高施工人員的素質(zhì)。另外，為進一步提高相關(guān)人員的素質(zhì)，還可通過人才引進等方式，壯大人才隊伍，以提高施工技術(shù)人員的施工水平和施工質(zhì)量。最后，還應(yīng)加大關(guān)于民用建筑施工安全的宣傳，以促使現(xiàn)場施工作業(yè)人員更加注重施工安全，并不斷提高自身的安全意識水平，以為施工質(zhì)量奠定思想基礎(chǔ)。

而在應(yīng)用物理中，無論是解釋以前發(fā)生過的現(xiàn)象，還是預(yù)言將會發(fā)生的現(xiàn)象，甚至包括技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造，其常用的方法都是類比、邏輯推理等方法。一旦理論被實驗檢驗過，暫時還沒錯，那么就可以應(yīng)用了，其實即使沒有明確的理論，只有實驗經(jīng)驗規(guī)律的情況下，也是可以直接應(yīng)用的。而應(yīng)用時常用的方法就是類比，找到一個差不多的研究對象就套上去試試，有時類比不是那么直接，那就需要做一點邏輯推理。在做技術(shù)應(yīng)用時，需要做的類比就更多，要將不同研究對象的特性都類比應(yīng)用到同一個對象上，比如手機的功能就集成了相機、電腦、電話等各種功能，再本質(zhì)一點，需要類比應(yīng)用力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子力學(xué)等理論。

理解了物理的認知方法及其產(chǎn)生的背景，我們就應(yīng)該明白物理方法的訓(xùn)練一定是結(jié)合認知過程展開的，不遵循這個規(guī)律，就會產(chǎn)生許多問題。例如，部分學(xué)校的高中物理教育基本忽略了認知過程，直接跳到認知應(yīng)用階段，其實大量訓(xùn)練的就是認知應(yīng)用方法，因為不少老師認為為了應(yīng)付高考，就需要大量做習(xí)題訓(xùn)練來提高答題能力，而做題的過程就是記住已有的公理化理論，然后反復(fù)應(yīng)用到題目設(shè)定的場景中，這其實就是應(yīng)用思維訓(xùn)練。這顯然是不對的，是非常片面的，不利于學(xué)生整體認知方法的訓(xùn)練，事實上，按照整個認知流程來訓(xùn)練，解題需要的方法和能力都已經(jīng)包含其中，考試自然會更好，早期的物理題目實際上就是簡化了的物理研究，今天這樣的題目已經(jīng)很少了。

而現(xiàn)在流行的創(chuàng)新教育，其強調(diào)的也是應(yīng)用思維教育，比如創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，指的都是應(yīng)用，但實際上，沒有前面的認知教育，創(chuàng)新教育就是無根之樹。

需要注意的是，物理的認知方法，有的被反復(fù)地使用，具有普適性，稱為常規(guī)方法，有些方法只有特定的人采用，或者適用特定的研究對象，稱為非常規(guī)方法。常規(guī)方法是可以通過物理教育訓(xùn)練的，非常規(guī)方法需要做物理認知的人自我訓(xùn)練和不斷發(fā)展新的有效方法。所以在物理教育中，既要通過大班教學(xué)、小班討論等方式訓(xùn)練常規(guī)物理方法，同時又要給學(xué)生充分自由的環(huán)境發(fā)展其特有的非常規(guī)方法。

理解了物理認知過程中的物理方法，就能明白物理教育的重要性，一方面物理方法比數(shù)學(xué)的抽象邏輯方法更靈活，另一方面物理認知比一般學(xué)科的認知更完整，所以物理教育事實上能訓(xùn)練人的全面認知能力，也就是常說的科學(xué)方法、科學(xué)素養(yǎng)。

4 什么是物理精神

什么是物理精神？這個概念并不是很普及，一般更容易想到的是科學(xué)精神，由于這個概念已經(jīng)被上升到哲學(xué)層面，過于復(fù)雜，所以盡管物理精神和科學(xué)精神有很多共同之處，這里僅限于討論物理精神，而不涉及其他領(lǐng)域。最近開始流行批判精神、懷疑精神等所謂科學(xué)精神，甚至一些高校的本科通識教育改革中要求在課程中講授批判懷疑精神。然而什么是批判懷疑精神？大家真的理解嗎？是懷疑了，批判了就有這種精神了嗎？現(xiàn)實中不少人為了批判而批判，為了懷疑而懷疑，最后演變成了人身攻擊。如何正確地理解像批判精神這樣的物理精神？這需要回到物理的本源，即物理認知過程上，去尋求一些理解。

什么是物理精神?物理精神就是物理學(xué)家在認知過程中形成的獨立人格精神，簡單說就是物理學(xué)家如何“做人”。物理學(xué)家們在認知世界的過程中發(fā)明了大量有效的方法，形成了物理方法，利用這些物理方法，物理學(xué)家構(gòu)建了對世界的認知，而認知的過程和結(jié)果又深刻影響了物理學(xué)家自身的行為和思想，認知者會反省自身，形成對自身的約束和要求，形成了物理精神，物理方法和物理精神構(gòu)成了物理文化，這深深影響了人類的發(fā)展進程。

物理精神可以例舉出許多，然而這些精神并不是孤立存在的，是有關(guān)聯(lián)、有層次的。物理精神的建立都是圍繞如何更好地建立物理認知而發(fā)展起來的，而隨著認知的不斷深入，物理精神也衍生出了層級結(jié)構(gòu)，這里我們力圖簡化處理這些問題，所以只討論了比較重要的一些物理精神，有不嚴謹之處。圖3給出了一個示意圖，追求真理、積極樂觀、協(xié)作精神是在認知過程中隨著認知的發(fā)展而逐漸建立起來的第一層級的精神，而每一種精神又會繼續(xù)衍生出新的精神。

圖3 追求真理、積極樂觀、協(xié)作精神是第一層級的物理精神

4.1 追求真理的精神

最基本的物理精神是追求真理的精神，這是物理學(xué)家的基本信仰。從物理的定義中能看出物理認知的目的就是形成盡可能準確的系統(tǒng)化理論，特別是對整個世界的一個統(tǒng)一解釋。在認知的各個環(huán)節(jié)中，都體現(xiàn)了物理學(xué)家的這種追求，求真的精神衍生出了一系列精神，如圖4所示。

圖4 追求真理的精神會衍生出其他精神

客觀的實事求是精神。這是客觀研究對象的性質(zhì)決定的，對自己不誠實、對研究對象觀察、描述、研究的不誠實都會被實驗無情地證偽。

獨立思考與懷疑的精神。這是因為人天生有各種缺陷，可能會犯各種錯，再加上物理認知是可證偽認知，所以為了建立自己的認知，不得不堅持獨立思考與懷疑，懷疑是為了更好的思考，修正錯誤，突破認知邊界，逐漸逼近真理。之所以每個人都可以獨立思考和懷疑，是因為研究對象的客觀性決定了不同人的獨立思考可以相互參考、達成共識，這與人文領(lǐng)域是有所不同的。現(xiàn)在有些人誤解了懷疑精神，將其片面地理解為批判精神，凡事必批判，還演變成了對人的攻擊，這是非常不合適的。物理中的懷疑精神僅是為了更好的思考，因為如果停止懷疑，就會停止思考。事實上，懷疑是非常積極的思考方式，可以從各個角度激發(fā)新的認知，刺激探索的欲望，拓展認知的邊界，如果僅僅為了批判而批判，懷疑而懷疑，而不能提供新的認知，那不是真正的懷疑精神。

嚴謹?shù)姆治鼍?。這是大家熟悉的精神，是與數(shù)理邏輯相關(guān)聯(lián)的，在使用分析法、綜合法、反證法、歸納法等數(shù)理邏輯時，嚴謹?shù)姆治鼍袷潜厝坏摹?/p>

尋根究底的精神。由于物理認知追求的是整個宇宙的本質(zhì)規(guī)律，這就決定了物理學(xué)家的思想絕不會停留在現(xiàn)象的表面，而是會不斷挖掘現(xiàn)象背后更本質(zhì)的原因，比如對于四大基本相互作用，物理學(xué)家的終極追求就是大統(tǒng)一理論。這種思維習(xí)慣讓物理學(xué)家養(yǎng)成不停追問“為什么”的習(xí)慣，形成了尋根究底的精神。

鍥而不舍的精神。物理認知其實是艱難的，簡單回顧一下物理學(xué)史，就知道對一個研究對象建立認知的過程往往需要多代人的努力，牛頓力學(xué)體系經(jīng)歷了上千年的積累才完成，量子力學(xué)的建立也用了近百年的時間，沒有執(zhí)著的鍥而不舍的精神是無法完成這樣的成就的。簡單調(diào)查一下物理學(xué)前輩以及現(xiàn)在的物理學(xué)家們的工作習(xí)慣和工作時間，就會發(fā)現(xiàn)他們幾乎就是勤奮的代名詞，他們在自己研究領(lǐng)域的堅持，才完成了物理認知的不斷積累。

4.2 積極樂觀的精神

物理學(xué)家盡管追求的是終極真理，但事實上由于各種限制，物理認知只是有效認知，這就讓物理學(xué)家們發(fā)展出了積極樂觀主義精神，由此又衍生出了一系列精神，如圖5所示。對于物理學(xué)家來說，積極樂觀就是想法設(shè)法向真理邁進一步。比如選擇相信這個世界可能會有大統(tǒng)一理論，因為如果不相信，就不會付出努力，也就沒有結(jié)果，這其實是一種積極樂觀精神。其實懷疑的精神也可看作是一種積極樂觀精神，因為如果不懷疑，就會停止思考，從而也無法有新的發(fā)現(xiàn)，選擇懷疑就是選擇了更積極的做法。需要注意的是，這不是簡單的盲目樂觀主義，而是要在樂觀的態(tài)度下積極想辦法前進。

圖5 積極樂觀的精神會衍生出其他精神

不怕失敗、勇于嘗試的探索精神。從物理認知的歷史可以發(fā)現(xiàn)，認知過程中常常伴隨著大量的失敗，正是積極樂觀的精神，讓物理學(xué)家們不怕失敗，勇于嘗試，不斷探索物理的未知領(lǐng)域。比如對受控核聚變的研究，即使國家點火裝置(NIF)遭受了挫折，物理學(xué)家們也不會停止探索的步伐。這里需要注意的是，失敗不是成功之母，成功才是成功之母，失敗的經(jīng)驗是知道這樣做不可能成功，而成功則是知道這樣做可能成功，認知的道路是不斷積累成功的案例，模仿成功的經(jīng)驗，取得認知的突破。

可證偽的實證主義精神。物理學(xué)家追求的是真理，但有趣的是無論從認知規(guī)律上，還是從認知邏輯上，都不能確保認知的結(jié)果是真理，用悲觀的觀點看，物理的研究從根本上說無意義，但物理學(xué)家采用了積極樂觀的精神，退一步尋求有效理論，來不斷逼近真理，并用可證偽的實證方法來檢驗認知的有效性，這就讓物理學(xué)家們養(yǎng)成了實證主義精神。然而正是這樣一種積極樂觀退而求其次的實證主義精神幫助人類在物理認知上取得了巨大的進步，以至于不少人誤解物理是真理，甚至迷信物理，或者說迷信科學(xué)。

包容的開放精神。物理是對未知的探索，未知充滿各種可能，包容的開放精神讓我們有可能抓到通往真理的線索，當然還需要嚴謹?shù)姆治鼍裉蕹裏o效的線索。另一方面，物理認知的探索又是非常艱難的，充滿不確定性，應(yīng)該包容失敗，采取開放的態(tài)度對待探索中的各種問題。

小目標精神。物理認知的終極目標是宏偉的，然而現(xiàn)實是每個人的能力是有限的，對于每個人來講，目標定的過于遠大，實際上不可能實現(xiàn)，這時就需要改變策略，定一個通過適當努力就可以實現(xiàn)的小目標，不斷實現(xiàn)小目標，積累下來就是大的進步，這實際上也是積極樂觀主義精神的一種體現(xiàn)，更重要的是這種不斷成功的正反饋會給物理學(xué)家?guī)韽娏业淖孕藕统删透?，從而成為重要的認知驅(qū)動。

4.3 協(xié)作精神

物理學(xué)家在認知過程中，會發(fā)現(xiàn)自身認知能力有限，這時就需要不斷和他人合作，這時又發(fā)展出了協(xié)作精神。協(xié)作精神又可以衍生出許多精神，如圖6所示。協(xié)作精神不是物理人特有的，其他學(xué)科也需要協(xié)作精神，但物理的協(xié)作精神由于有了認知上的可證偽保證，相對來說是比較有效的。

圖6 協(xié)作精神會衍生出其他精神，最重要的是公正精神

協(xié)作精神中最重要的一條是公正精神，就是客觀公正地評價和尊重他人的認知貢獻。事實上，沒有這一點就無法建立人和人之間的信任，也就無法合作。物理論文引用系統(tǒng)的建立，同行評議機制的建立等等，都是公正精神的具體體現(xiàn)。

在協(xié)作中是需要協(xié)商決策問題的，這時民主精神相對是最有效的。至少各種可能的意見都可以平等地表達出來，大家有知情權(quán)和選擇權(quán)。對于一個成熟的物理人社區(qū)，民主方式往往是最有效的，例如教授治校的教授會制度等等。但對于進入一個全新認知領(lǐng)域的協(xié)作，或者不成熟的物理人社區(qū)協(xié)作，則要小心民主陷阱。

這里并沒有給出所有的物理精神，只是列舉了一些重要的典型的物理精神，這些精神都是在物理認知過程中，逐漸發(fā)展出來的對做人的要求，這和做事的要求一樣，都是為了建立起一個人對世界的有效認知，物理精神和物理方法一起構(gòu)成了物理文化，這正是物理學(xué)家對世界進行認知給我們帶來的精神財富。

需要注意的是以上列出的是相對普適性較強的物理精神，學(xué)生可以通過接受物理教育而具備這些精神，而有些精神則取決于特定的文化背景和個人特質(zhì)。這就是為什么我們可以培養(yǎng)物理學(xué)工作者，但是不能直接培養(yǎng)出一個愛因斯坦的原因。但是一旦有了物理方法和精神形成的物理文化環(huán)境，愛因斯坦們，諾貝爾獎獲得者們會自己長出來。

5 總結(jié)

綜上可以看出，從物理認知的起點出發(fā)，就能理解什么是物理，物理認知是如何建立的，物理方法、物理精神是如何在認知過程中形成的，即物理學(xué)家是如何做事、做人的，而這些構(gòu)成了物理文化的核心。物理學(xué)家們正是在這樣的文化基礎(chǔ)上組成了物理社區(qū)，形成了物理學(xué)家的共同體，這種共同體甚至是跨越國界的。關(guān)于物理的學(xué)習(xí)、教育、研究、政策制定等相關(guān)的問題，原則上由此出發(fā)去思考會有助于找到解決問題的方法。

物理文化的核心是建立有效認知，物理教學(xué)與研究實際上都是完整認知過程的訓(xùn)練，需要經(jīng)歷實驗物理、理論物理、應(yīng)用物理，這個過程中不僅能學(xué)習(xí)有效的物理方法，還能養(yǎng)成物理精神。從這個角度說，物理教育實際上代表了自然科學(xué)教育，應(yīng)該在國民教育體系中占有更重要的地位，而不是變成選考科目。應(yīng)試教育最大的問題是只進行應(yīng)用物理的思維訓(xùn)練，忽略了實驗物理、理論物理中探索創(chuàng)新思維的訓(xùn)練。對于著名的錢學(xué)森之問：“為什么我們的學(xué)校總是培養(yǎng)不出杰出人才？”盡管可能有各種其他的因素，但從物理認知規(guī)律的角度來看，我們也許可以知道答案了。如果能在物理教學(xué)和研究中回到物理定義的本質(zhì)，從認知的起點出發(fā)，有意識地遵循認知過程的規(guī)律，相信對人才培養(yǎng)和科學(xué)研究都會起到有益的推動作用。

另一方面，物理教育的價值還在于，一旦學(xué)生通過物理教育具備了認知能力，就可以對世界認知，形成世界觀，對人生認知，形成人生觀，對什么是重要的認知，形成價值觀。一旦有了獨立的認知，就不再會輕信他人，這時就具備了懷疑和批判的能力，會了解自己想做什么，能做什么，會獨立選擇該做什么，不該做什么，只有這樣才能稱為有獨立的人格。這正是蔡元培先生說的“人格”教育的基礎(chǔ)，沒有認知能力，不可能奢談人格。因為這些認知能力，人才具備了基本尊嚴。為什么要用物理的認知方式？因為這是迄今為止人類最有效的認知方式。

希望能有更多的人理解什么是物理及物理文化，從而在物理教學(xué)中傳遞物理文化，在物理研究中發(fā)展物理文化，在政策制定中保護物理文化，在國民大眾中普及物理文化。