物理学是什么？

城市一隅 · 发表于物理海洋学专业 2022-12-22 00:55:05

什么是物理学？这几乎是所有物理教材在绪言中（或在其他相应部位中）必须回答的问题。下面是三册大学物理教材（其中一册是国外教材）和三册中学物理教材（其中一册是国外教材）对这一问题的回答：

赵凯华和罗蔚茵，《新概念物理教程力学》：“物理学是探讨物质的结构和运动基本规律的学科。”

许方官，《四元数物理学》：“物理学是研究物质、能量以及它们之间相互作用的科学。”

美国Francis W．Sears，《大学物理学》第一册:“物理学是一门测量科学。”

张维善，《普通高中课程标准实验教科书·物理（必修1）》：“物理学是一门自然科学。……物理学研究物质存在的基本形式，以及它们的性质和运动规律。物理学还研究物质的内部结构，在不同层次上认识物质的各种组成部分及其相互作用，以及它们运动和相互转化的规律……物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的科学……”

廖伯琴，《普通高中课程标准实验教科书·物理（必修1）》：“物理学就是探究物质的结构和基本运动规律的科学。”

美国Paul W．Zitzewitz，《物理：原理与问题》：“物理学研究的是物质、能量以及它们间的相互关系。”

纵观以上对“物理学是什么？”的回答可以看出，教材编者都从物理学的研究对象这个角度来回答。然而，他们的回答具有较大的不一致性：有的认为物理学是研究物质的，有的认为是研究物质的性质的；有的提到物质的结构和运动，有的提到相互作用、能量；还有一本书提到了物理学的研究方法——物理量的测量。

可见，“物理学是什么？”这个问题还没有一个统一的答案，但是我们可以隐隐约约地感觉到，所有的答案都在慢慢指向同一个目的地，下面我们就来一起探讨，并在此过程中自行体会“物理学是什么？”的答案。

一、物理学概念的由来

（一）物理学概念的西方源起

“物理学”（即英语里的“physics”），最早始见于古希腊亚里士多德的《物理学》一书，该书的中文译者张竹明先生指出：“这本《物理学》是一门以自然界为特定对象的哲学。它不同于我们现在的物理学，它不仅包括了现在的物理学，也包括化学、生物学、天文学、地学等等在内。总之，涉及整个自然科学，它只研究自然界的总原理，是自然哲学”。鉴于亚里士多德的《物理学》中有许多物理方面的错误结论，所以1949年因提出了宇宙起源的大爆炸学说而声名大震的美籍前苏联物理学家乔治·伽莫夫曾指出：“亚里士多德在物理学领域中最重要的贡献也许只是创造了这门学科的名字。”这个词由古希腊“自然”一词推演而来。

（二）中文“物理学”一词的来源

1900年，日本人藤田丰八把饭盛挺造编写的《物理学》译成了中文，由当时上海江南制造局刊行。这本书是我国第一本具有现代“physics”内容的称为“物理学”的书。

如此说，并非1900年以前中国就没有“physics”。东方的，包括中国在内的近代科学都是从西方传进来的，实际情况是从西方传到中国远比传到日本还要早。不过1900年以前，我国译述西方物理学著作没有采用“物理学”的译法，而是多译为“格物学”或“格致学”。如1879年美国人林乐知将罗斯古编写的一本物理书翻译成汉语并命名为《格致启蒙》，其中第二卷为格物学；1883年美国传教士丁题良（丁匙良，英文名Martin，1888年曾来中国传教，接触中国古代文明后曾提出“丁题良猜测”：中国的“元气说”曾影响过笛卡尔提出“以太”漩涡说），同时也将一本物理书译为汉语，名字为《格物测算》。另外，国内1886年有译著《格致小引》，1889年又有《格物人门》出版。

大量史料表明：“格物学”或“格致学”就是“physics”的早期汉语意译，这两种译法是“格物致知”一词两种形式的缩写。“格物致知”一词源于儒家“致知在格物，格物而后知至”的思想。

应该强调的是，日本学者指出：“特别值得大书一笔的是，近世中国的汉译著述成为日本翻译西洋科学译字的依据。”日本早期物理学史研究者桑木或雄说：“在我国最初把‘phyiscs’称为‘穷理学’。明崇祯年间一本名叫《物理小识》的书，阐述的内容包括天文、气象、医药等方面。早在宋代，同样内容包含在《物类志》和《物类感应》等著述中，这些都是中国物理著作的渊源。”

2002年4月在北京召开了中国近现代科学技术回顾与展望国际学术研讨会，会上仍有学者认为将“physies”译为“物理”不如译为“格物”或“格致”更符合汉语文化。但是“物理学”一词毕竟被中国人所逐渐接受，1902年京师大学堂在格致科下设物理学课目，1912年改格致科为理科，下设物理门，同年金陵大学设物理学课目，1918年商务印书馆出版了由陈幌编写的《物理学》，这是第一本国人命名为《物理学》的“physies”著作。

二、物理学的研究范围

物理学的最基本部分是力学和场论，力学涉及质点或物体在给定力作用下的运动，场物理学则涉及万有引力场、电磁场、核力场以及其他力场的起源、本质和特性。力学和场论合在一起就构成了理解科学上所提出的自然现象的最基本途径，物理学的最终目的就是要通过这两个方面理解全部自然现象。

具体地说，按所研究的物质运动形态和具体对象，物理学涉及的范围包括：力学、声学、热学和分子物理学、电磁学、光学、原子和原子核物理学、基本粒子物理学、固体物理学以及关于对气体和液体的研究等。物理学包括实验和理论两大部分，经过实践检验被证实为可靠的理论物理有：理论力学、热力学和统计物理学、电动力学、相对论、量子力学和量子场论。当然这些理论也只能是相对真理，有各自的局限性。基于人们将物理学的基本理论和实验方法运用于研究各种专门问题，使物理学中各种新的分支不断涌现并形成如流体力学、弹性力学、无线电电子学、金属物理学、半导体物理、电介质物理、超导体物理、等离子体物理、凝聚态物理、非平衡态统计物理、现代宇宙学、固体发光、液晶及激光等。一些边缘学科也随着物理学向其他科学的广泛渗透与交叉陆续形成如化学物理、生物物理、天体物理及海洋物理，等等。因此，物理学的发展就像宇宙演变一样永不止息。而作为这门久经考验的科学的伟大缔造者——物理学家，总是前赴后继、不为功利、呕心沥血、锲而不舍地进行潜身研究，运用高超的实验方法和精密的数学方法，尽可能严格地去揭示自然规律，这些实验方法和数学方法是永恒和普适的，就像物理学本身的规律一样。

足见，物理学的产生和发展渊源于“格物致知”，体现了“致知在格物，格物而后知至”的中国古代儒家的思想。海森伯（W.Heisenberg）的一席话可谓是与儒家的观点不谋而合，并将这个问题剖析得更加淋漓尽致，他指出：“在西方文化初期，古希腊人发现了原理与实践间的密切联系。”

物理学理论体系，是一个复杂的、规范化、系统化并经过反复充分论证和检验的知识体系，是知识的成熟形态。这当中还涉及一个将通过探索客观事物及其规律的活动，所获得的关于对自然的科学认识，正确地表达出来。其中包括：概念、定理、定律、数学模型、法则等的语言表述，即物理学假说或理论的语言表述，并以专题论文或学术专著等形式将其公布于世。因此物理学在体现了反映与创造的同时，也显现出认识与表达的统一。

三、物理学是以实验为本的科学

“物理学是以实验为本的科学”，这一精辟论述出自诺贝尔物理学获奖者、理论物理学家杨振宁教授之前的一则题词，它表达了物理学界的共同见解，抓住了物理学的根本特征，很多物理学先辈都有类似看法。在物理学的发展中，实验起过重要作用，现在正在起着、将来也还要起重要作用，这一点对于物理学家大概是没有争论的。

物理学在以前称为自然哲学，物理学涉及自然的某些方面，它们可以通过一种基本的途径，即依据一些基本原理和基本定律来加以理解。随着时间的推移，不同的特殊学科从物理学中分了出来，形成自己的研究领域。在此过程中，物理学保持着它的本来面目，即理解自然界的结构和解释自然现象。而物理学之所以能一直保持着它的本来面目，很大程度上是因为物理学拥有其独具特色的物理实验。

实验是理论的基础，但并不等于说理论可以直接从实验得到。例如，简单地把爱因斯坦相对论的产生归结于迈克尔孙一莫雷实验的直接结果，不但不符合历史的本来面目，也缺乏逻辑的说服力。理论的产生和发展不能用一个简单公式来表示，但它在发展过程中必须不断从实验得到事实的补充和航向的修正。理论源于实验，却高于实验，具有高度概括性和普遍性，但它不能违反直接经验，必须接受实验的检验。实验可以否定旧理论，支持新理论，对相互抗衡的理论作出判决。当物理学的现有理论与新的实验结果发生矛盾时，或者当建立在不同实验基础上的不同领域的理论相互冲突时，靠理论的演绎和修补往往不能解决问题，这时摆在物理学家面前的任务就是要审查理论的立足点，提出新的假设，建立新的理论体系，于是物理学就发展了。这种发展是跳跃式的，往往不能靠逻辑来说明。新的理论建立之后，最重要的事情是寻求实验的支持，以判定理论是否符合实际。实验—理论一实验，这就是物理学发展的基本模式。

四、假说是建立和发展物理学理论的桥梁

假说对于物理学理论的形成和发展，有着极为重要的意义。毋庸置疑，物理学研究的基础是观察和实验。但科学观察和实验总是带有目的性的，它必须在一定的动机支配下，按照某种预定的计划、方案、方法进行。这就需要假说。假说提供了实验的课题、任务、甚至方法。可以说，没有假说，就不会有系统的科学观察和实验。近代早期最重要的观测，当推第谷的天文观测。然而第谷的观测却是在地心体系的假说指导下进行的。他自己就说过，没有一个世界体系理论的指导，就无法进行观测。

假说拟定观测和实验的任务及途径，赋于观察和实验以明确的自觉性和高度的主动性。这一方面表现在为了证实假说而设计观察和实验；另一方面也表现在为了否定假说而设计观察和实验。著名的比萨斜塔落体实验，就是伽利略为了否定亚里士多德关于“重物自由下落较轻物快”的错误假说而设计进行的。实验结果推翻了流行12个世纪的错误假说，产生了全新的自由落体定律。

进行科学观察和实验需要假说，把观察和实验得到的资料上升为理论同样需要假说，物理学理论是对自然界客观规律的正确认识。但是由于受到各种各样的条件限制，人们不能一下子就达到对客观规律的真理性的认识，而往往要借助于假说这种研究方法，运用已知的科学原理和事实去探索未知规律，不断地积累实验材料，增加假说中的科学性的内容，减少假定性的成分，逐步地建立起正确反映客观规律的科学理论。随着实践的发展，又会出现原先的理论所不能解释的新现象，这就需要提出新的假说，建立新的理论。物理学就是沿着假说—理论、新的假说—新的理论… …这个途径愈来愈丰富和发展，愈来愈趋于完善。因此，有人将假说比作科学理论的胚胎，这是丝毫不过分的。比如，1905年爱因斯坦提出的“光量子”假说，孕育着量子论的诞生。即使是有些错误的假说，但依然能够为以后新假说的形成和新理论的创立提供科学材料和某些局部的正确原理、方法、公式、定律等。例如，地心假说是错误的，却为之后的哥白尼建立日心假说积累了大量材料。

还有些错误的假说，可以启迪人们的创造性思维，由此产生出新的假说、乃至新的物理学理论。这在物理学史上也是不乏其例的。众所周知，“以太”的假说是错误的，17世纪时它是作为一种特殊的物质被引进物理学的。然而，“以太”假说不仅在物理学思想的发展中起过重要的作用（使人们懂得了空间不可能是虚无的，物体之间不存在任何超距作用），而且它还为狭义相对论的诞生提供了思维的素材。因为人们为了确立以太的存在，曾企图观测“以太风”。这样,“以太漂移”的实验观测,从1728年的初期探索后，就被广泛地进行着。但是1887年7月迈克尔逊—莫雷实验却表明：静止以太的假说是不对的。于是，爱因斯坦就在彭加莱等人关于以太漂移“零结果”的卓越见解的启发下，彻底否定了“绝对空间”概念和“静止以太”假说的存在意义，运用“思想实验”，重新提出了两个基本假说——相对性原理和光速不变原理，并由此而创立了彪炳史册的狭义相对论。

结语

“物理学”概念的内涵己经且正在发生着演变，如果说物理学过去在物质和精神上曾很好地造福于人类，各种辉煌成就的取得与物理学家的打破常规的勇气和探索精神密不可分。那么，今天和明天的人们将进一步认识到物理学是一套获得、组织、运用和探求知识的有效方法，这是至关重要和更有意义的。这样的认识无论对学习物理的人还是教授物理的人都应成为其指导学习工作的原则，一旦物理学方法论思想真真实实地被人们所掌握，那么学习物理的人就不再会满足于背点概念公式做几道题，而是更注重在一定的基础上对物理思想、物理方法的领悟，并能在诸多领域得以应用。当然，物理方法不是空谈即能掌握的，它只能形成于良好的物理专业素质之上。这要求广大物理教育工作者必须致力于履行素质教育，良好的物理专业素质主要体现为清晰全面准确的物理思想、扎实的数学应用能力和较好的实验能力几个方面，简言之，即具备良好的理论素质及实验素质，且对学生打基础而言这二者同等重要，不可偏废。2002年6月20日丁肇中先生在CCTV的“东方之子”栏目中说得好:“在学校成绩好，就做理论；动手能力强，就做实验。这种观点是完全错误的。很多成功的实验物理学家都精通理论，做实验最重要的是找题目，动手能力、做法是次要的。”

另一方面，物理学发展史告诉我们，一流的理论物理学家往往也具有扎实的实验基础。牛顿做过许多著名的实验，爱因斯坦读大学时也曾用很大精力做实验，这对他后来获得巨大的理论成果至关重要。

“物理学是一门实实在在的科学，是一门久经考验的科学，是一门伟大而艰巨的科学，那些昙花一现的理论、学说和物理学是无可比拟的，那些在改革浪潮中用蛊惑人心的语言装饰起来的雕虫小技更是不值一提，物理学的发展就像宇宙演变一样永不止息。”

这话感情色彩较浓，但不无道理。

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《物理学的概念与文化素养》

作者：[ 美 ] 阿特·霍布森（Art Hobson）

译者：泰克诚，刘培森，周国荣

《物理学的概念与文化素养》的原书是一本在美国十分流行并广受好评的文科物理教材。作者Art Hobson三十多年来怀着提高公众科学素养的强烈使命感，孜孜以求，致力于对文科学生的科学素养教育。他主张教给学生最新的物理学，注重讲清楚物理概念和建立鲜明的物理图像，采用不用数学的概念式教学；他积极涉及社会生活中与物理学有关的诸多热点问题，如臭氧枯竭、全球变暖、技术风险、能源、核动力、核武器、伪科学等。作者由于本书和他提倡讲授与科学有关的社会论题，于2006年获得美国物理教师协会颁发的密立根奖。在美国有130多所学校采用这本书作为文科物理教材。

《物理学的概念与文化素养（第4版）（翻译版）》的译者和原作者是十多年的老友。在翻译过程中，译者严谨推敲，与作者配合默契，因此翻译质量堪称上乘。

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