李學潛 物理與工程 2019-07-20

物理學是科學，是關於自然界的科學。對這個定義似乎沒有任何疑義，是普遍接受的最清晰的概念。自從伽利略、牛頓等物理先賢將物理學推進到他們那個時代人類對自然界認識的最前沿，幾乎所有當時人類所關注的自然現象都得到了解釋，理論回答了最深奧的問題，並且得到了廣泛的應用，為社會作出無與倫比的貢獻，也奠定了後來物理學發展的基礎。自從牛頓將微積分引入到物理學開始，物理學已經超越了其他學科，成為理解自然界最合理的科學。事實上，物理學不僅要理解自然界，還要讓自然界為人類造福。特別是近年來，在基礎研究和廣泛應用中，我們清晰地看到物理學已超越了人類的直覺思維方式，進而成為在邏輯和創新方面的尖端科學。

然而，僅僅把物理學侷限於一項專門的學術領域是遠遠不夠的。

多年前，郝栢林院士在一次演講中（也許有多次，但作者只聽過一次）指出：“物理是一種文化”！這將我們對物理學的認識昇華到一個新的層次。

這句話對我來說是非常大的震撼！我從事物理教學和科研多年，模模糊糊地感覺到物理除了它的科學性，還存在某種深層次的東西。郝先生的話真如醍醐灌頂，振聾發聵，開啟了我對物理認識的新天地！

什麼是“文化”，他的確切定義是什麼？我在網上讀到一篇文章，該文作者給出一個明確，中肯的定義：“文化是什麼？是一個國家、一個民族的靈魂。文化自信是一個國家、一個民族發展中最基本、最持久的力量。”

我們是不是能把物理提得這麼高呢？我想答案是肯定的。在這篇短文中就讓我們來分析一下，為什麼物理的確是一種文化！

1 物理是一種文化

很多先賢都對這個問題給予了很大的關注。例如，陳佳洱先生在2005年物理通報［1］上發表的文章“物理與文化”中做了相關的論述。我們將在此文中在縱深方面繼續闡述這個有趣的話題。

北京大學的穆良柱以“什麼是物理及物理文化”為題，相當全面地論述了物理學研究的方方面面，他指出“物理學家信仰世界內部存在普遍聯絡”，而物理學就是研究這些關係的科學［2］。這種觀點雖然有些極端，但表達了物理學家的一種傾向。

最近北京大學物理學院院長高原寧教授給學生做了“什麼是物理”[3]的精彩演講，闡述了一個物理學家如何認知物理和物理學。

本文中，作者從自身多年來從事物理教學和科研的體會出發，談談我怎麼認知物理和物理學的。基本觀點就是物理不僅是一門自然科學，它已經昇華到指導探索自然界，乃至處理人生，造福社會全方位的“文化”。

大學物理教學不是旨在僅僅培養將來從事物理研究或物理教學的高階精英，而是培養對國家、對社會作貢獻的人才，不論他們的職業是什麼。

中國傳統文化是孔孟文化，它的核心是“克己復禮”，具體來說是忠於祖國，忠於人民，孝敬父母，愛護一切朋友，幫助弱者，約束自己的行為，自覺地為全人類做貢獻，將我們的國家建設成美好的樂園。

有點奇怪，很多出生在國外的年輕孩子（當然是地地道道中國血統）從來沒有讀過孔夫子的書，卻仍然在家庭和華人社會的影響下自然而然地遵從孔孟的教誨，孝敬老人，愛護家庭，尊敬傳統。因而我認為作為一種文化，是根深蒂固地至於華夏子孫的腦海中，也實質化地體現在他們的行動中。這就是文化的力量！

為什麼說物理是一種文化呢？物理不僅是知識而且是一種思維方式，是一種文化。這是因為如孔孟文化滲入華夏子孫的靈魂一樣，物理學的思想深入到每個物理學家的靈魂，指導他（她）在任何工作和思維中採取的立場和方式，這種指導是潛移默化的，你可能都感覺不到它的存在，而自覺或不自覺地遵循物理的法則來思考；甚至那些學過物理（認真學過和思考過，而不是敷衍了事）的學生，哪怕是中學生都會接受物理文化的影響。他們可能在隨後的一生中不再接受物理教學，不再記得學過的物理公式，也許連F=ma都不再記得，但這種思維方式是永生保持和受益的。

特別是當他們在老師的指導下，自己獨立地完成一些物理的“研究”工作，收穫就更大。

作者有一次和一位澳大利亞中學教師交談，他告訴我他輔導過一些學生做物理“研究”實驗，儘管是最初級和簡單的，也許對我們大學物理教師來講不值一曬，但他要求學生自己找參考書，自己設計實驗方案（當然不斷得到指導教師的幫助和建議），自己選擇合適的儀器和耗材，最後自己（幾個學生組成的小組）獨立完成實驗，並且做出誤差分析和得到結論。雖然這是很簡單的工作，但確是一個完整科學研究的雛形。最後這位教師總結說：你們（指做工作的學生）將來可能忘了我教給你們所有公式和概念的具體細節，甚至忘了我本人，但今天你們透過自己努力完成的實驗方面的點點滴滴，包括概念，方法和操作是終生不忘的。

物理就是透過老師講述，閱讀教科書和其他參考書，再透過做作業逐漸滲入到每個學生的腦海中，逐漸成為思維中固化的部分。終身受益。

正如孔孟文化既有“人之初性本善”， 又有透過學習得到的相關知識（語文，政治，哲學和科學）一起深入人心一樣，物理文化也是透過兩個不同渠道在潛移默化影響我們。其一是人類天生對自然的敬畏和好奇（這是先天的， 動物就沒有這種好奇心），其次才是通過後天的學習和思考。後天的教育是一個關鍵問題。我們在後面要專門討論這件事。

凡是學過物理學的人對世界萬物的看法都會或多或少地改變，表現出的特點就是對於不論是自然界的現象還是社會活動中出現的林林總總，都想要問一個為什麼是這樣的而不是那樣的。想要刨根問底，探索究竟就是自然而然的需要了。當然你也可以說，從沒接觸過物理學的人不是也會問個究竟嗎，那怎麼是受到物理的啟發呢？好， 這正是樸素的物理學，也正是這個樸素的物理學將開始使用工具的原始人帶到了人類今天的高度文明。勞動需要物理，進一步深入研究促進了物理學的發展。

物理規律是不變的，但物理學是向前發展的，物理學的發展帶來了我們今天對自然界的認知以及享受到的物質文明，然而，這和大自然的真實面目還差得很遠很遠。現在所達到的文明也許讓百年後的人類不值一笑，物理學確實以高速發展著。至於有沒有霍金等期望的萬物理論（theory of everything），是個沒有答案的問題，即使有，我們距離它還萬分遙遠。

2 物理學與自然界客觀規律的關係

物理學作為一門科學，並且昇華成特定的文化絕不是憑空得來的。科學是直接探索自然界的各種奧秘，而文化就是指導物理學家如何探索大自然的規律，將之總結成“理論”，以及如何繼續深入乃至如何應用它為人類造福。

當然，首先要正確認識客觀規律。這並非簡單，大自然就擺在你的面前，但能否認識到它的現象並正確地歸納，總結成規律絕不是人人能做到的“簡單”事。第谷在觀測了很多恆星和行星的軌道後，積累了大量的資料，但那只是資料，不是規律。只有當開普勒根據他老師積累的資料總結出開普勒三定律時，那些複雜和讓人迷亂的“數”才成為“規律”。而牛頓從這三條規律中提煉出支配它們運動的更深層次的“原則”，這就是我們今天熟悉的萬有引力定律。得到這個規律絕不是一件自然而然的事，你要大自然告訴你一些它的奧秘，你得做出巨大的努力而且時間跨度可能很長。為什麼牛頓（也許還有虎克）能發現這個規律，而不是其他的研究者呢？這說明牛頓的指導思想對，也就是在物理文化層面上超越了與他同時代的其他人。當然這也和他在數學上的成就有關（下面還要談到）。

一竅通，百竅通，文化絕不是僅僅束縛在一個局域中，物理是認識自然的客觀規律，而物理文化除了處理自然界還可以應用到其他領域。李斌是南開大學物理系畢業生，後來在美國取得博士學位，他自己創業，取得很不錯的業績，我邀請他給南開物理系學生做個學術講座（colloquium），在此基礎上，他根據自己的體會寫了一篇文章，發表在現代物理知識上，文章的題目就是“從牛頓炒股談起”，[4]具體地體現了物理從純自然科學到文化精神的昇華過程。

文化精神還表現在為人類社會服務的自覺性上面。著名的物理學家費曼在生命的最後時刻，克服癌症給他帶來的痛苦，作為專家參加了美國宇航局為挑戰者太空梭失敗所組成的特別小組。他用他敏銳的觀測分析能力和出色的物理知識發現挑戰者號失敗的原因就是一個密封圈在宇宙空間的低溫下失效造成的。這個發現為宇宙航行的安全提供了最寶貴的經驗。我們的前輩物理學家在兩彈一星研製中對我國的國防事業作出了不朽的貢獻。他們用自己的專業知識奠定了中國作為世界強國的基礎，不計名利，辛勤工作，充分體現出炎黃子孫用自己卓越的專業知識為國家作貢獻的精神，是我們這些後代的物理學工作者永遠的榜樣。

3 物理文化與數學文化[5]

物理與數學是科學界的兩隻奇葩，是互相促進的雙生兄弟。不同的是物理學是關於自然界的科學而數學是邏輯的科學。它們研究的物件不同，但是一旦它們間出現交集，就可能產生巨大的突破。歷史上眾多的例子正說明這一點。讓我們舉幾個大家熟知的粒子：牛頓將微積分引入力學，從此力學就不再是對現象的簡單描述而成為能精確計算和做出準確預言的科學了；愛因斯坦應用黎曼幾何寫出了廣義相對論方程，它在今天仍然是研究黑洞、宇宙演化和大天體行為的基本理論；海森堡應用線性代數建立了量子力學中和波動力學等價的矩陣力學。陳省身先生說目前數學和物理學只有10%的交疊，誠然，要能做到大師們達到的高度，我們不僅有很好的物理訓練，知識積累，還要掌握很複雜的數學知識。幾十年前數學物理方法（解偏微分方程和本徵值問題）還是很深奧的，但今天已經是大學的基本課程了。我們今天有很多物理問題（理論的）解決不了，很大程度上是我們掌握的數學工具不夠。

舉另外一個大家熟悉的例子：我們用牛頓力學（量子力學也有同樣的問題）可以很好地解決兩體問題，只要我們知道它們間的相互作用是什麼。但直到今天，我們仍不能找到三體問題的一般解。僅僅增加了一個組分，我們的數學知識就不夠用了，對四體，五體等（我們稱為少體問題）就更無能為力了。這就是為什麼今天我們仍無法真正理解原子間的作用，還有原子核在核子，核子內夸克間的作用，數學知識的欠缺阻礙了我們對物質結構達到深層次的理解。

實際上，我們今天只會用微擾論逐階計算一些物理量，這顯然不是最終的解，我們期望計算誤差越來越小，逼近真值，但誰也沒法保證一定是這樣的。為什麼我們不能直接得到精確解呢？也許需要某位數學家幫助我們解決。據說威滕（Witten）等人在這方面做出很大成績，但離我們的期望還很遙遠。

然而有趣的是，如果是對付1023這麼多的粒子，我們就可以用統計力學的方法來完美解決，這歸功於偉大的物理學家玻爾茲曼。這時我們不需要關於任何個體的確切資訊，而只需要對大量粒子整體的性質做完美的解釋。統計學現在已經在物理之外得到廣泛的應用。當然統計學是數學的重要分支，並非專為物理所設，但到了物理學家手中它成為宏觀世界和微觀世界間的一座橋樑，從而是我們認識到許多宏觀效應的根源，這種理解是數學和物理的完美結合典範之一。

我們相信數學文化和物理文化在不斷碰撞、融合，將來一定會超出陳省身先生的10% 的論斷，而產生出科學中更偉大的進步。

作者的一點猜想，很可能是荒謬：靠積累是不能達到大突破的，我們期待一個年輕的天才，用一種我們迄今不知道的原則或方法實現一個飛躍。歷史上阿貝爾創造了群論，從而解決了5 次方程沒有解析解的數學難題。如果我們就因循現有理論，循序漸進可能永遠也做不到真正的突破。

我寄希望於年輕並且有志的天才（也許我錯了）！

4 基礎物理與應用物理

物理是一種文化，那就不是侷限於對自然基本規律的探索，而要包括將這些已知的規律用來為人類造福，為人類文明作出貢獻。應用已經瞭解的基礎物理知識於創造的例子已經是不勝列舉了，但為了突出效果，讓我們用幾個例子來說明這種“文化”的深刻含義。上個世紀麥克斯韋理論預言了電磁波的存在，後來赫茲在實驗室中產生了電磁波，但當時他認為那麼弱的效應也許只有理論的意義。當然，我們今天知道，沒有電磁波的應用，電視、手機、網路都無從談起。量子力學是19世紀末誕生的，今天計算機的儲存能力完全是依賴量子力學的。量子通訊衛星“墨子”號開創了將量子力學糾纏態概念用於安全通訊的新領域；相對論指出能量和質量的根本關係和相互轉換的原則，利用這個原理，我們才可以應用核反應來發電（當然，這也是製造原子彈和氫彈所依據的原理）。今天人們在研究如何利用物理學的基本原理（核物理和量子場論）來處理核廢料。還有，受控核聚變是另一個分支。這些研究一旦成功，和平利用原子能將使我們有取之不盡的清潔能源。然而，正是因為我們對物理規律的理解不夠深同時技術水平也不夠高，還沒能實現受控核聚變，在我們面前的探索之路還很漫長。

再說一個大家都熟悉的事。如果你要問今年50歲左右的“老人”，他們會告訴你30年前，一卷彩色膠捲要30多元（那時的月工資也就是100元），而拍完後，要到專業照相館去衝、洗（化學方式），這需要30元左右，如果想放大（大約A紙的四分之一），那每張至少要5~10元，哇，36張照片要70元，超過了半個月的工資，還造成嚴重的重金屬汙染。現在你可以用一個單反相機無限制地拍攝你想要的景色和人物，畫素是過去膠片無法達到的。拍的照片如果滿意就儲存在隨身碟中，再轉到計算機上，不滿意，就只需動動手指刪掉即可，這一切都是零成本的，你不需要花一分錢。更進一步，隨著手機的普及和質量的提高，用手機拍出來的照片的質量已可以和過去高階相機相媲美了。這一切都應歸功於應用物理的進步。

物理學的進步促進了文明。

5 物理學的發展與技術的進步

這是互相依賴，互相促進的關係。物理學的發展離不開技術的支援。沒有CERN的大型加速器LHC的成功執行就不能找到所謂的上帝粒子“希格斯”。人類要探索大自然奧秘，必定要建造超大的望遠鏡，製造人造衛星以探測反物質（如AMS），製造宇宙飛船探測月球背面，探測引力波，建造比LHC更高能量的大型加速器去探尋超越標準模型的新物理，等等。正是由於各種新技術的出現才使這些大型裝置成為可能。

我們國家擬建的環形正負電子對撞機（CEPC）將執行在能量略大於希格斯質量和Z 粒子質量之和大約為 216GeV，在CEPC上我們可以對希格斯粒子做精確的檢驗（達到5% 的精度）。CEPC的周長將是100公里，使用大型超導磁鐵和各種新技術。在此基礎上，可以改進成SPPC （超大型質子質子對撞機），從而將能量提高到100TeV （是LHC能量14TeV的許多倍）。這麼高的能量是人類探索新物理，例如尋找超對稱粒子等，所必須的，也是人類夢寐以求的！

6 結語

物理學是實驗科學，它的一切歸根結底是來源於實驗觀測。但人們不會滿足於積累資料，要使之成為科學，就必須藉助數學的幫助上升到能解釋所有的實驗結果並且做出能在未來實驗中驗證的預言的普適理論。透過大量的理論與實驗的研究，更進一步，物理學已經昇華到指導我們思維和工作的一種文化了。凡是學過物理的人都潛移默化地運用物理思想去理解周圍的事物，去判斷周圍錯綜複雜的形形色色的真偽以採取最合理（自己認為最合理）的方式去處理，去改變（這和做物理預言類似）。整個過程是漫長的，從伽利略、牛頓，今天物理學的昇華過程是曲折的，是一步步穩定地發展起來的，是由物理學這種對自然界認知方式所必然出現和昇華的。

物理文化指導著所有學物理和用物理的學者、工程師、學生和廣大群眾。指導他們如何正確地思維和正確選擇解決問題的方法，指導他們如何克服困難向前進，無論是對尖端科學還是日常生活和工作。

物理文化的真諦在於：一，求真；二，溯本求源，什麼事都要搞清來龍去脈。

學好物理學主觀能動性很重要。很多中學生說物理好難，不願意學物理，實際上這是個誤區。只要你想學就可以學好。物理是關於自然的科學，因而是最講理的科學，只要你想講理，那怎麼會學不好物理呢？

再強調一下宇宙。自然界的物理規律不會變，但物理學在前進，世界由於物理學的發展變得更美好，人類的文明程度也會越來越高。讓我們共同創造美好的明天，實現中國的強國夢！

參考文獻

[1]陳佳洱,趙凱華,王殖東.面向21世紀,急待重建我國的工科物理教育[J].物理通報,2000(4):3-5.

A urgent needing to reconstruct engineering physics teaching for the 21st Century[J]. Physics Bulletin, 2000(4): 3-5.（in Chinese）

[2]穆良柱.什麼是物理及物理文化?[J].物理與工程,2019,29(1):15-24.

What is physics and its culture?[J]. Physics and Engineering, 2019, 29(1): 15-24. （in Chinese）

[3]高原寧.什麼是物理[EB/OL]. https://tech.sina.com.cn/d/i/2019-07-05/doc-ihytcitk9921581.shtml?cre=tianyi&mod=pctech&loc=15&r=25&rfunc=100&tj=none&tr=25[2019-07-05].

[4]李斌.從牛頓到金融危機——從物理、通訊技術和投資的關係談起[J].現代物理知識,2010,22(2):10-19.

LI B. From Newton to financial crisis[J]. Modern Physics, 2010, 22(2): 10-19. （in Chinese）

[5]顧沛.數學文化[M].北京：高等教育出版社，2008.

作者簡介: 李學潛，男，南開大學教授，主要研究方向為高能物理唯象學、粒子物理宇宙學、中微子物理，[email protected]。

引文格式: 李學潛. 物理是一種文化[J]. 物理與工程，2019，29（5）：優先出版.