物理学是一种什么都想理解的渴望，
或曰野心。
在达成理解的基础上，
凭借物理学我们创造。
曹则贤· 中国科学院物理研究所研究员
格致论道第19期|2017年7月21日 北京
1978 年我读初二，那是我第一次接触到物理这个概念。四年之后我进入了大学，我的高考物理成绩在所有科目中是最低的，但我却去了中国科技大学的物理系。可以想象，之后的物理学习对我而言，并非是一件轻松的事情。
我读了博士且成为物理学教授之后，都未曾思考过这样一个问题：物理学究竟是什么？直至有一天，我读到了一本名为《What is Mathematics》的书，其作者是库朗。他当年在德国哥廷根大学担任讲师，之后前往美国，是美国现代数学的奠基者之一。
这位先生在这本书中未曾尝试去回答何为数学。然而，他凭借着最为浅显且最为深刻的语言，将他当时所掌握的现代数学几乎全部进行了讲解。他表示，倘若一个人能够坚持读完这本书，那么就应当对何为数学有属于自己的答案。
我认为，我们学习任何一门学问。倘若有一天能够构建出自己的答案，这在一定程度上是件不简单的事，同时也是件能让人从内心深处感到快乐的事。
我受到这本书的启发，突然有了一个想法。我是物理系毕业的，并且在物理研究所工作，按理来说应该思考一下什么是物理学。然而，我在网上进行查找，却没有发现有《什么是物理》这样的书。
但是我留意到存在其他“某事物是某事物”的书籍。例如有一本法语书籍叫做《什么是电影》。我认为各位或许都看过电影，大概未曾想到还会有一本专门的著作叫《什么是电影》。
有一天，我在网上看到了一个名为“什么是医学”的问题。我认为它的定义很棒，其定义为“医学是一门既包含不确定因素的科学，又包含各种可能性的艺术”。我觉得这个定义十分精准。医学确实是一门充满不确定性的科学，当人生病去医院时，很少有医生能确切地说出患者得的是什么病，以及这种病的病理究竟是什么，一切都充满不确定性。
我仿照这个俏皮且中肯的定义，对自己所学的物理知识进行了思考，接着给物理学下了一个定义：物理学是一种有着强烈渴望去理解一切的情感，亦或是一种宏大的野心。并且，物理学家在理解的基础之上，还会进行创造。
今天我们生活在一个社会，这个社会是高度发达的，且是由技术支撑起来的。而支撑我们这个社会的那些高度发达的技术，倘若仔细去检查一下，你就会发现，它们的基础大多都是物理学。
贪吃蛇模型
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为了认识什么是物理学，我们稍微看一下它的历史。
这是美剧《生活大爆炸》里的一段内容。Sheldon 博士向大家讲述，物理学起始于公元前 600 年的某个夜晚，且是仲夏时节。
公元前 600 年到底发生了什么呢？我猜测大概是这样一件事。古希腊弥勒斯岛上有一位智者叫泰勒斯。这位老先生有一天忽然领悟到，我们所生活的这个世界，是能够被理解的。
从那时候开始，人类开始对我们所在的世界产生理解。历经 2600 年，无数聪明才智不断积累。经过千辛万苦的努力，人类才走到了今天。在此基础上，物理学才成为一门多少带有一些科学味道的学科。
物理学是怎样的一种事业呢？“物理”这个词究竟所指为何？在西方的语言体系中，“physical”源自希腊语的“φυσις”，二者皆有“自然”的含义。这也就意味着，物理学是一门与自然相关的学科。
我们中国的小学设有自然课，此自然课可被视为物理课。唐朝的杜甫老师，我们的老祖宗，曾有明确的定义，即“物理即自然”。
物理学起始于我们为理解周围世界所做的努力。从物理学的志向方面来看，它与其他学科存在差异。例如，物理学的研究对象是什么呢？可以表述为，物理学的研究对象涵盖了所有的事物，凡是你能够想到的事情，大概都属于物理学的研究对象。
从空间尺度方面来看，你能够察觉到它的野心。它对研究范围涵盖了整个宇宙这么大的尺度，同时也深入到世界上最小的存在，即中子和质子里面的夸克结构这么小的尺度。
我们当前能实现的空间分辨率约为 10 - 11 米。前些年，有人称探测到了引力波，他们所声称能达到的空间分辨率竟高达 10 - 21 米。这个概念我不太理解，不过至少在物理学界有这样的宣称，即我们对空间的感知能力能小到 10 - 21 米。
在时间的范畴内，物理学一方面研究宇宙的全部历史，另一方面也研究在极短时间内发生的事件。例如生成一个氯化氢分子，是氯原子将氢原子的一个电子夺走了。这个事件发生的典型时间，大概在 10 到 15 秒之间，也被称作飞秒，你能否拍摄一个视频给大家展示呢？
这个工作物理学家现在能够完成。从激光方面来看，我们能够很容易地达成飞秒脉冲的激光。并且在实验中，我们会努力去做 10 - 18 秒的脉冲。
当然，理论物理学家会走得更远。他们把时间最小的尺度延伸到了 10-21 秒。我们甚至认为，在宇宙最宏大的尺度上所研究的物理，与在最小尺度上所研究的物理，竟然成为了一体。
这就是为何会存在关于物理学的那种类似贪吃蛇的模型。宇宙层面上的物理问题相当于贪吃蛇的蛇头；而基本粒子层面上的物理则如同贪吃蛇的蛇尾。
物理学的厉害之处究竟在哪里呢？它能为我们提供对宇宙的认知。然而，仅仅对已经存在的、能够被看见和触摸到的东西进行认知，这并不能称之为有本事。
物理学具备一个极为重要的能力，那就是能够进行预测。例如，英国的狄拉克先生创作了相对论量子力学方程。他把反粒子的概念引入其中，也就是正电子的概念。由于有了正电子的概念，人们才在对宇宙射线的观测过程中发现这个世界上确实存在反粒子。
奥地利物理学家泡利，他对中子裂变成一个质子加上一个电子的过程进行研究。凭借着对动量守恒定律和能量守恒定律的信念，他大胆地预测在这个世界上存在着中微子。
当然，仅靠这样一些理论去做预测，是不能体现物理学的能力的。物理学甚至仅仅凭借一个大的原则，就能够构建出一门严谨的学问，并且给我们带来一场工业革命。
我们知晓，第一次工业革命是以热机为代表的。与之相关联的学问是热力学。热力学的出发点竟然是法国人萨迪卡诺所总结出的一个简单原理，这个原理被称作“任何不以做功为目的的传热都是浪费”。就是这么一个简单的原理，构建起了一门严谨的学问。
物理学家的多重身份
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物理学究竟是怎样的一项事业呢？我们若要考察一个人，可先去考察他周围的人。物理学的兄弟学科有哪些呢？当年，人们将亚里士多德关于自然的思考汇总成了一本书，这本书的名字叫 Physics，也就是关于自然的学问。
他们将亚里士多德关于自然的一些看似不合理的思考，例如世界的真实性以及所使用公理的存在性和合理性等，放置于这本书的后面，因此它有了 Metaphysics 这个名字，也就是后物理学。
这个词在西方逐渐发展成为一门学问，而在中国被翻译为形而上学。康德对形而上学进行了处理，他抽去了形而上学理念中那些神学方面的内容，将其转化为一门接近自然科学的学问，也就是如今所说的 Philosophy——哲学。
我们能够察觉到，物理学与哲学之间存在着紧密的联系。可以说物理学本身就具备哲学的特质，优秀的物理学家本质上也应当是哲学家。当我们提及哲学和哲学家的时候，大家务必不要遗忘，康德首先是一位从事数学和物理教学工作的教授。
物理有一个表兄弟，那就是数学。实际上，数学并非我们汉语所翻译的“数学”。因为数学不但研究数，还研究形以及逻辑，其本意是聪明人所从事的事情。
数学对物理学家而言意味着什么呢？数学是物理学家所使用的语言，同时也是他们进行思考的工具。物理与数学之间存在着交互作用。物理的表述以及物理的思考都离不开数学。然而，在很多时候，是物理学的研究为数学提供了问题，并且物理学家会亲自去解决他所遇到的数学问题。
著名的数学家、哥廷根大学教授希尔伯特觉得物理学家很可怜。他认为一个物理学家不管在数学方面如何努力，都不可能像专业数学家那样掌握那么多高深的数学。因为物理学家确实难以理解物理学所遇到的那么多数学问题，所以他说了一句很有名的话：“物理对于物理学家来说，实在是太难了。”
但是我要反过来讲，对于数学公式中所蕴含的美，如果不研究数学所表征的那个实在世界，那么这些美是你无法理解的。所以，我们还可以对数学家说：“数学之美并非是数学家能够轻易理解的。”
物理学家是有能力用公式来表达和创造的人。这些就是我们在日常生活里、课本中以及工作中所碰到的那些对象，他们呈现出这样的形态。倘若你懂得这些数学公式，从普通物理到广义相对论都有所了解，大概就可以跟别人说自己学过物理了。
物理学家需要学好数学。比如大物理学家詹姆斯·麦克斯韦，他天生具备极强的数学思考能力。在他很小的时候，父亲送他去上画画课，而那堂画画课竟然是画蛋。
画蛋是一件难事，要是画不好的话，他就思考起来，要是自己能够先写出鸡蛋的方程，是不是就能够画好了呢？那就先从与鸡蛋长得较为相似的东西开始，从椭圆开始着手。
椭圆的方程表示两点的距离之和等于一个常数。他思考道，椭圆与鸡蛋的差异在于，椭圆的两头大小相同，而鸡蛋是一头大一头小。只要将到两点的距离加上不同的因子，即变成距离 L1 加上距离 L2，再乘上某个因子等于常数，这样就能画出鸡蛋的形状了。这是他 13 岁时所取得的成就。
一个人成年进入物理学研究领域时，你便能知晓他那杰出的数学能力对其研究物理而言是多么重要的。
人们知晓电磁感应定律，此定律的四个定律皆为左边一项对应右边一项。然而，当麦克斯韦将这四个方程整合在一起时，他便意识到该方程从数学本质层面来看是存在一些缺陷的。
他在第四个方程的右边加上了一项，此即所谓的位移电流。我们的高中老师讲位移电流时讲不清道理所在，大学老师亦是如此。前年，杨振宁先生专门写出一篇文章，探讨麦克斯韦究竟是如何想到要在方程的右侧加上这样一项的。
麦克斯韦改造的这个方程是一个波动方程，这让他意识到电磁还能够产生电磁波这一现象。此方程能够计算出波的传播速度，而这个传播速度与光的速度相近。于是麦克斯韦心想：“老天啊！难道光就是电磁波？”
刚才我们提到物理学家的任务是对这个世界进行理解。然而，在理解了这个世界之后，还需要将自己的理解传达给他人。因此，物理学家也应当是天生的语言学家。
有一位物理学家，他解释了水波或光波通过两个狭缝后，在后面的屏上会出现差不多等间距的明暗相间条纹这一现象，也就是所谓的波的双缝干涉现象。这位物理学家是英国的托马斯·杨。他还是《大英百科全书》某个条目的撰写人，在撰写语言这个条目的过程中，差不多运用了四百种语言。
法国人在埃及挖出一块黑色石碑，也就是罗塞塔石碑。当他们发现这块石碑上有三段谁都不认识的文字时，他们自然而然地明白，若要认出这些文字，就必须去找物理学家。
在英国的物理学家当中，有一个人，我觉得他的数学和物理知识甚至比牛顿还要强，这个人就是 William Rowan Hamilton。为何大家对这个人知晓得较少呢？那是因为他的学问极为渊博，我们难以对其进行介绍。他是整个经典力学以及经典光学的奠基人之一。
他在大约 13 岁时学完了欧洲的所有语言。接着，他将所学语言延伸到小亚细亚，然后一直往南学习阿拉伯语、波斯语，最后去学习印度语。学完这些后，他突然领悟到，欧洲语言的源头在印度。
他提出了语言学上的一个重要概念，名为印欧语系。要知道，只有学完众多语言，并且站在较高的层面上，才能够看到印欧语系这个概念。
物理学家是思想者。我们知晓，写出量子力学电极性方程即薛定谔方程的，是一个叫薛定谔的人。在 1943 年或 1944 年间的一次讲座中，当讲到我们与外面时空的差别时，薛定谔提出生命中存在着专门用于存储和表达信息的结构，且这是一个准周期的结构。
1957 年的诺贝尔生理奖被别人因这个信息载体的概念而获得；1984 年发现了准周期的结构，别人因之在 2011 年获得了诺贝尔化学奖。
物理学家是思想者，他不仅要回答问题，而且还要去制造问题。
一位美国的诺贝尔物理学奖得主提出了一个问题，他问道：“倘若我们所看到的这个宇宙是答案，那么谁能告诉我关于这个宇宙的问题究竟是什么呢？”大家思考一下，能够提出这样的问题，对这个世界的理解该是多么深刻啊？
物理学家如果仅仅只是作为思想家，那么他就会变成哲学家。而物理学家实际上还应该是进行实践的人。
我们都知晓电磁学存在屏蔽现象。然而，你是否有胆量穿着由金属制成的衣服，让人将你放置在 50 万高压之下，以至于浑身冒出火花呢？
物理学为我们带来了许多未曾预料到的事物。人类有对光明的需求，于是我们掌握了点灯的技能，直至发明了电灯。然而，白炽灯主要忙于发热，发光的情况较少，所以我们必须去研究它发热和发光的原理，进而有了黑体辐射。
我们拥有了黑体辐射后，就需要去研究黑体辐射的发光规律。在某一天，有人提出了这样一个公式，并且这个公式的基础表明，光的能量是具有量子的，这也就开启了对量子力学的研究。
物理学改变生活
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20 世纪 50 年代，量子力学被应用于固体领域。通过这一应用，我们得以理解导体和绝缘体的概念。理解了导体与绝缘体后，便引入了半导体的概念。正是基于这些理解和概念，有一天我们终于成功制造出了一个几乎只发光而不发热的冷光源，即发光二极管。
当我们的物理学家能够制造出蓝光发光二极管时，我们便具备了用蓝光二极管调配出各种波长光的能力，能够为特定的植物提供特定的光照，或许将来就会有城市农业的概念。
物理学对我们的生活产生了改变。伦琴最初观察到了一个不知名的射线，随后 X 射线迅速被转换成了医疗器械。如今在医院中见到的核磁共振以及 CT 扫描，都是从物理实验室中搬出来的。
物理改变生活的一个方面是通讯。以前人们只能依靠嗓子呼喊或者借助信鸽来保持通讯。当有了直线电路后，就有了电话。而当能够用电感、电容和线圈来进行振荡电路的操作时，就有了无线电。
我们发现无线电传输信息存在不足，其通量不够，还会有干涉。同时我们也发现光可以作为良好的信息载体，基于此，我们研制出了优质的光纤，能够将光传导到很远的地方，从而实现了光纤通讯。
物理实验室的工程师们开发出一种信息，这种信息可以用电信号传递数据并且能够自动解码，其目的是把粒子物理实验每天产生的大量数据送给理论物理学家处理。这种信息给我们带来了电子邮件，也带来了网络。网络被大量应用后，彻底改变了我们的世界。如今你看到满街各种颜色的自行车，其首要技术并非自行车技术，而是网络技术。
物理学使我们知晓远方。我们知晓，在感官之中，能让我们接触远方的唯一器官是眼睛，并且眼睛对光有响应。凭借对光的研究以及对光的探测，人类才能够知晓远方物质的存在以及远方物质的构成，正是光学让我们在真正意义上知晓什么是远方。
物理学存在另外一个侧面，这个侧面有可能让魔鬼和天使变得没有区别。
大家知道，通过对狭义相对论的理解，我们获得了质能方程 E=mc²。从这个方程中，我们看到了一个对能量应用的巨大潜能。
如果在核裂变以及核聚变的过程中出现大质量损失，那么我们就能够获得大的能量。这种能量既可以被用来制造毁灭人类的核武器，也可以被用于建造造福人类的核电厂。
许多人提到物理学时会感到头疼。我认为这是因为他们没有遇到好老师，也没有人向他们告知物理学究竟是何种框架。物理学具有其自身的组织原则，其中的参数或物理量是按照共轭的原则进行组织的。
什么叫共轭？有一种东西叫轭，它是套在牛脖子上的。当两头牛被同一个轭套在一起时，它们的用力能够朝着一个方向，它们之间就有了内在且比较强硬的关系，这就是共轭。
物理学除了关注一些具体物质及具体存在的细节之外，还为我们提供定律和原则，并且提供更多普世性的内容，以此来提升我们对世界认识的水平。
对称性原则方面，我们看到这张人脸很漂亮，原因是它比较对称。理解这样的一张脸所需的参数很少。倘若一张脸长得像我的脸那样，上面既有坑点，又有一些不同颜色的分布，要记住这样一张脸，就需要大量信息，这会让人感到烦恼，于是就匆匆忙忙地得出一个结论：这叫丑。
这张脸的对称性或许只是美的方面。然而，蜻蜓的两侧翅膀对不对称关乎其性命。因此，对称性是极为重要的原则。
有些人会到处宣扬，称物理学中存在这样或那样的革命。奥地利维也纳大学一位知名的哲学家马赫教授曾说：“倘若你在物理学领域看到了革命，那仅仅是因为你所知晓的知识太少。”
物理学宛如一条绵密细致的思想之河。它的每一个想法，在其之前必然有产生的基础，也有其思想的前身。因此，大家在学习物理时，不妨去追寻一下它产生的时代背景以及历史渊源。
物理学能够发现美，我们会凭借所掌握的物理知识去对它进行赞美，最为重要的是我们还能够将它再现出来。
关于晶体的研究方面。我们在大自然中寻找到了一些极为漂亮的石头，有一日我们得知这些石头是宝石。通过对其外形进行观察，我们留意到它具备保持夹角不变的特性，接着我们构建出了晶体理论，并且尝试着生长晶体。
今天在实验室里面生长的晶体，其质量比天然的晶体高很多。所以，物理学家不仅能够发现美，还能够再现美。
总为从前作诗苦
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物理学研究作为一种文化事业，最终塑造的必然是物理学家的人格。物理学就像哲学那样，是一门能够将人的境界提升到他人无法理解的层面的学科。
我们常说要仰望星空。丹麦的科学家第谷，他是一位将自己全身心奉献给宇宙与自然的真正的物理学家。他怀揣着造福人类的梦想，不懈地努力去探索自然的奥秘。他的内心必然有着仰望苍穹的那种心态。
爱因斯坦对于学物理的人而言是如同神一般的存在。然而，在他五六十岁的时候，却真的宛如一个小孩，始终将童心保持着。
再看这张照片，右边的这位是提出了量子力学第三种表述的人，他曾经被认为是最聪明的人之一，他就是费曼教授。对面的是一个比他还大牌的英国人，他是狄拉克教授。
我们来看这样两位物理学诺贝尔奖得主谈话的场景，这场景诠释了“不以物喜，不以己悲”的含义。他们脸上所呈现出的那种平静，确实不是我们普通人通过所谓的修行就能够获取到的。
物理学如同造物主所书写的诗篇。美剧《生活大爆炸》中的 Sheldon 教授在向女邻居阐释物理学的含义时讲道，倘若你掌握了物理学，那么“任何事情都是有可能的”。
物理学是以数学方程来呈现的一门学问，很遗憾的是它也是一门超过 80%的从业者都难以理解的学问。当大家在学习物理的过程中遇到困难时，千万不要灰心丧气。因为像我这样层面的物理学家，我们同样也不懂物理。
人类如今已步入 21 世纪。上世纪被视为革命性头脑风暴的量子力学、相对论等学问，在 21 世纪的今天，也应成为我们的常识。因此，在 21 世纪，物理学知识应是自称受过教育之人的标配。所以，你怎能不懂物理呢？
据说唐朝有李白和杜甫，他们是好朋友。李白曾对杜甫开玩笑，说了一句诗，“总为从前作诗苦”。
我觉得这句话很有深意。在写这句话时，我认为李白和杜甫两位老兄在写诗方面达到了极高的境界，旁人难以企及。他们已然感受到了作诗的快乐，所以才会有总为从前作诗而感到痛苦的感觉。
我认为物理学包含数学和哲学。当你在物理学的学习上达到一定程度时，这门学问能够给你带来内心的欢乐。
我上大学时，高考成绩中物理最差。即便如此，我还是选择了物理系。这导致我一直无法理解物理是什么。但如果有来生，我仍会毫不犹豫地选择物理系，因为我觉得物理确实给我带来了快乐。
美剧《生活大爆炸》中的 Sheldon 有一句很著名的台词，即“Quantum mechanics makes me happy（量子力学让我很高兴）”。这些年来，我一直在努力学习物理，并且希望把我学习物理的体会分享给大家。希望大家在今后学习物理的过程中，一定不要把学物理当作一件苦差事。
这些是我以往所写的书，其中包含《物理学咬文嚼字》三卷，通过从每一个字词的层面出发，将物理学的概念给大家讲解得清晰明了。
我们中国人凭借一些概念来学习物理，这些概念即便让别人或我们的前辈随意翻译，也无法准确传达。对于我们绝大多数人而言，学习物理是极为辛苦的。同时，也希望大家尽量去阅读物理学创造者们的作品，这样或许能让学习物理变得更轻松一些。
谢谢大家！
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