物理的文化

　　從物理老師的心得方案中小編從中分析物理的廣泛知識(shí)及運(yùn)用。

　　先給出如下的物理定義：物理是物理學(xué)家采用實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法對(duì)整個(gè)自然界的客觀對(duì)象進(jìn)行有效認(rèn)知的積累，這些認(rèn)知至少要符合可證偽性的要求。物理按照研究對(duì)象區(qū)分為廣義物理和狹義物理。廣義物理的研究對(duì)象為自然界中的任何客觀物質(zhì)，其實(shí)廣義物理就是自然科學(xué)。狹義物理的研究對(duì)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?zhuān)榇伺Α?/p>

　　下面給出詳細(xì)解釋。

　　物理起源于人對(duì)自然的探索，其認(rèn)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(shuō)法是“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”。當(dāng)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(shí)，不作具體討論。

　　物理認(rèn)知的主要過(guò)程是觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，構(gòu)建理論體系，再用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論是否錯(cuò)誤，即證偽。觀察實(shí)驗(yàn)就是用人所能有的各種感官，或者各種探測(cè)儀器去了解研究對(duì)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(jiǎn)單的模型和盡量簡(jiǎn)化的邏輯體系去解釋對(duì)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(gè)預(yù)言，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。從邏輯上來(lái)說(shuō)，如果實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)與理論預(yù)言不符合，理論的確是錯(cuò)的，或者有缺陷，但是實(shí)驗(yàn)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(shí)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(méi)錯(cuò)的理論。這看起來(lái)有點(diǎn)令人沮喪，因?yàn)榭茖W(xué)理論沒(méi)有辦法證明自己的正確性，科學(xué)理論只是暫時(shí)有效的理論，但是換個(gè)角度看，可證偽性保證了錯(cuò)誤的理論一定會(huì)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(rèn)知帶來(lái)的一個(gè)好處是人的認(rèn)知始終是開(kāi)放的，因?yàn)殡S時(shí)可能被推翻重來(lái)，這與不可證偽認(rèn)知的封閉性完全不同，在封閉體系里永遠(yuǎn)沒(méi)有新的認(rèn)知，一切都已完美。歷史上，人類(lèi)對(duì)這兩種認(rèn)知方式都選擇過(guò)，封閉性認(rèn)知給歐洲帶來(lái)一千多年黑暗的中世紀(jì)，而開(kāi)放性認(rèn)知造就了現(xiàn)代文明。

　　仰望星空的人追求的是對(duì)整個(gè)自然界的理解，這從牛頓的書(shū)名“自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理”中就可以看出來(lái)，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(lái)說(shuō)物理的研究對(duì)象是自然界存在的一切客觀物體。從“黑洞的時(shí)空結(jié)構(gòu)”到“啄木鳥(niǎo)為什么不得腦震蕩”都是物理研究的對(duì)象，瀏覽任意學(xué)校物理專(zhuān)業(yè)的主頁(yè)，在研究方向一欄里總能看到以研究對(duì)象命名的各種學(xué)科。需要注意的是物理的研究對(duì)象其實(shí)無(wú)法包含一切，實(shí)際上物理學(xué)不研究認(rèn)知者的意識(shí)，這是因?yàn)橐庾R(shí)是認(rèn)知的主體和載體，我們甚至不知道意識(shí)是不是客觀存在的實(shí)體，物理認(rèn)知默認(rèn)這不是被研究的對(duì)象。事實(shí)上當(dāng)你想研究自己的意識(shí)時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)相當(dāng)困難，無(wú)法直接探測(cè)到它。通常的做法是對(duì)其他人的意識(shí)進(jìn)行研究，然后作為自我意識(shí)的參考，用核磁共振、腦磁圖、腦電圖等方法探測(cè)到的也只是間接信號(hào)，并不是意識(shí)本身。未來(lái)人工智能的研究也許能給我們帶來(lái)更深刻的理解。

　　然而研究自然界的萬(wàn)物幾乎是不可能的事情，所以物理學(xué)家根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)采取了“還原論”的思想，即把萬(wàn)物拆解成基本粒子，并假設(shè)可以通過(guò)相互作用再組裝出整個(gè)宇宙，所以通常說(shuō)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(gè)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(duì)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(guò)程中尤其清晰，當(dāng)然最終的目標(biāo)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(rèn)識(shí)整個(gè)宇宙，物理學(xué)家還要將這些基本組分組裝回去，然而離開(kāi)組分間的相互作用是沒(méi)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?jī)?nèi)容，我們現(xiàn)在知道有四類(lèi)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?yàn)槲锢韺W(xué)家受到了類(lèi)似于力學(xué)質(zhì)點(diǎn)模型成功案例的鼓勵(lì)，至少拆解后研究對(duì)象可能會(huì)變得更簡(jiǎn)單，而對(duì)簡(jiǎn)單對(duì)象的研究可能會(huì)非常的深刻，而一旦對(duì)簡(jiǎn)單對(duì)象有了認(rèn)知，這種認(rèn)知有可能就會(huì)拓展到復(fù)雜對(duì)象上。當(dāng)然嚴(yán)格來(lái)講，沒(méi)有辦法能保證這條道路一定能幫物理學(xué)家們找到對(duì)整個(gè)自然界的理解。實(shí)際上還有一種“演生論”的說(shuō)法，認(rèn)為多就是不一樣，即組裝的時(shí)候可能會(huì)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(lèi)比笛卡爾的哲學(xué)樹(shù)[9]，將自然科學(xué)比喻為一棵大樹(shù)，物理是樹(shù)干，其他自然科學(xué)是分支，數(shù)學(xué)是生命。從研究對(duì)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(gè)宇宙的理解，而其他學(xué)科追求的是某個(gè)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(yù)為哲學(xué)樹(shù)的生命，因?yàn)榇髽?shù)的成長(zhǎng)靠數(shù)學(xué)的邏輯，這同樣部分適用于自然科學(xué)樹(shù)。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(dāng)成一門(mén)專(zhuān)業(yè)，一種技術(shù)，自然科學(xué)的一個(gè)分支，一個(gè)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(gè)宇宙，并且取得了相當(dāng)矚目的成功，然而在實(shí)現(xiàn)大統(tǒng)一理論之前，沒(méi)有辦法能夠證明這個(gè)世界確實(shí)存在一種統(tǒng)一的解釋?zhuān)瑩Q種說(shuō)法，物理學(xué)家只不過(guò)是信仰這個(gè)世界可能存在一種統(tǒng)一的認(rèn)知，并執(zhí)著地為此努力。假設(shè)物理學(xué)家們沒(méi)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(shí)際上現(xiàn)有的物理學(xué)只給出了對(duì)很少一部分物理世界的認(rèn)知，而這種認(rèn)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(lái)，物理學(xué)家其實(shí)是一批有著堅(jiān)定物理信仰的“奇葩”群體，讓人想起大戰(zhàn)風(fēng)車(chē)的堂吉訶德。這大概就是愛(ài)因斯坦發(fā)出這樣感慨的原因，“The eternal mystery of the world is its comprehensibility”(這個(gè)世界最不可理解的是它竟然是可理解的)。

　　在這個(gè)定義中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)其核心是人要對(duì)自然建立起自己的理解，這是物理認(rèn)知的起點(diǎn)，而人的認(rèn)知特征和對(duì)象的客觀特性決定了物理認(rèn)知的架構(gòu)。有關(guān)物理的一切都需要從這個(gè)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(duì)自然的探索，從這個(gè)意義上說(shuō)，物理教育應(yīng)該在國(guó)民教育體系中代表自然科學(xué)教育，而不是只作為一個(gè)專(zhuān)業(yè)選修、選考!

　　2

　　什么是物理的認(rèn)知過(guò)程

　　物理的核心是人要建立對(duì)自然的認(rèn)知，但物理認(rèn)知是如何建立的呢?

　　人會(huì)從人的角度“不擇手段”地認(rèn)知研究對(duì)象，以積極的態(tài)度窮盡所有可能的方法來(lái)認(rèn)知研究對(duì)象，之所以可以這么做，就是因?yàn)榭勺C偽性保證了錯(cuò)誤的認(rèn)知一定會(huì)被淘汰掉，這與數(shù)學(xué)僅靠邏輯嚴(yán)密來(lái)保證正確是不同的。從這個(gè)角度看，似乎并不存在什么認(rèn)知規(guī)律，也許認(rèn)知過(guò)程本身是個(gè)隨機(jī)的過(guò)程，充滿(mǎn)了偶然和幸運(yùn)，就像很多物理軼事里描述的那樣。

　　是否存在一個(gè)有規(guī)律的物理認(rèn)知過(guò)程呢?我們沒(méi)有辦法先驗(yàn)地知道一定存在，但請(qǐng)記住物理學(xué)家是積極樂(lè)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(rèn)知過(guò)程作為研究對(duì)象，盡力通過(guò)大量的物理探索過(guò)程來(lái)總結(jié)一個(gè)基本可靠的認(rèn)知過(guò)程。如果存在這樣一個(gè)過(guò)程，就可以簡(jiǎn)化我們對(duì)大量物理知識(shí)的理解，并借鑒到其他對(duì)象的研究過(guò)程中。而這種總結(jié)是否正確可以在新對(duì)象的認(rèn)知探索中得以檢驗(yàn)。

　　注： 圖1是一個(gè)完整的物理認(rèn)知流程，可以簡(jiǎn)化為實(shí)驗(yàn)物理、理論物理、應(yīng)用物理，還可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為科學(xué)探索、技術(shù)應(yīng)用。通過(guò)這個(gè)流程可以清晰地理解實(shí)驗(yàn)、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(duì)未知領(lǐng)域的科學(xué)探索中。

　　圖1建立物理認(rèn)知的關(guān)鍵步驟

　　圖1詳細(xì)列出了建立物理認(rèn)知的關(guān)鍵步驟，形成了一個(gè)認(rèn)知流程，當(dāng)然這個(gè)流程適合的是人類(lèi)毫無(wú)所知的全新的研究對(duì)象。

　　讓我們用這個(gè)認(rèn)知流程回顧一下牛頓力學(xué)體系中天體運(yùn)行理論建立的過(guò)程[10]。

　　(1) 無(wú)論古代中國(guó)人還是古希臘人都很早就開(kāi)始關(guān)注天體這個(gè)研究對(duì)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(yùn)動(dòng)等。

　　(2) 不同天體的特性當(dāng)然有所不同，其中行星的運(yùn)動(dòng)受到的關(guān)注較多，因?yàn)橄鄳?yīng)的現(xiàn)象更奇特有趣，比如順行，逆行，行星被選為重點(diǎn)的研究對(duì)象。

　　(3) 行星運(yùn)動(dòng)問(wèn)題成了研究的焦點(diǎn)。

　　(4) 其中量化描述和觀測(cè)是研究的重大突破，大量行星運(yùn)動(dòng)的特性被仔細(xì)觀察并記錄，最著名的就是第谷的大量精確觀測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄了行星時(shí)間，位置，周期等信息，甚至還觀測(cè)到了彗星運(yùn)行的數(shù)據(jù)。

　　(5) 之后開(kāi)普勒的出現(xiàn)將研究引向?qū)ふ疫@些量之間的關(guān)系，即開(kāi)普勒三大定律的發(fā)現(xiàn)，這是實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)化成了質(zhì)點(diǎn)模型。

　　(7) 將萬(wàn)有引力的假設(shè)和牛頓三大定律作為公理，天體運(yùn)行可以有完美的理論體系解釋?zhuān)嘈排ｎD理解了整個(gè)宇宙的運(yùn)行規(guī)律時(shí)，那種豁然開(kāi)朗的愉悅是無(wú)與倫比的。

　　(8) 而后來(lái)“筆尖上發(fā)現(xiàn)”的海王星更加堅(jiān)定了人們對(duì)牛頓理論的信心，對(duì)牛頓理論的運(yùn)用甚至讓人們相信機(jī)械的決定論思想。直到水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的偏差，以及相對(duì)論和量子力學(xué)的建立才打破對(duì)牛頓理論的“迷信”。

　　(9) 在沒(méi)被證偽之前，牛頓理論對(duì)行星運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jì)與制造，甚至幫助人類(lèi)登上了月球。

　　讓我們從上述認(rèn)知舉例再來(lái)簡(jiǎn)要闡述圖1：一個(gè)完整的認(rèn)知流程可以簡(jiǎn)化為如下3個(gè)階段。

　　①實(shí)驗(yàn)物理(流程的1~5步)

　?、诶碚撐锢?流程的6~8步)

　　③應(yīng)用物理(流程的第9~11步)

　　再簡(jiǎn)化一點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)物理和理論物理對(duì)應(yīng)科學(xué)探索，將應(yīng)用物理對(duì)應(yīng)技術(shù)應(yīng)用，從這個(gè)角度我們可以更好地理解科學(xué)與技術(shù)這兩個(gè)概念。

　　從這個(gè)流程中我們可以清晰地看到物理學(xué)怎樣從實(shí)驗(yàn)走向理論，以及理論和實(shí)驗(yàn)的關(guān)系，即實(shí)驗(yàn)探索為理論構(gòu)建提供靈感，并證偽錯(cuò)誤理論，而理論則預(yù)言實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。著名的物理學(xué)家費(fèi)米正是沿著這個(gè)認(rèn)知過(guò)程從實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家變成了理論物理學(xué)家。

　　從這個(gè)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(jìn)步反過(guò)來(lái)拓展了科學(xué)探索的認(rèn)知能力。典型的案例是望遠(yuǎn)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(gè)認(rèn)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(dāng)物理學(xué)家積累了足夠的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)之后，在面對(duì)下一個(gè)研究對(duì)象時(shí)，往往會(huì)在認(rèn)知流程上有跳躍，有時(shí)甚至理論走在前面，實(shí)驗(yàn)變成了驗(yàn)證理論的工具。即使出現(xiàn)了這種情況，遵循以上的認(rèn)知流程仍然有助于我們的認(rèn)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(qiáng)調(diào)物理方法，但一般對(duì)物理方法的理解往往是片面的，常常局限在嚴(yán)謹(jǐn)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(duì)中學(xué)甚至大學(xué)的物理教育都產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，為了能夠回到正確的教育上來(lái)，就有必要對(duì)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(rèn)知的方法，簡(jiǎn)單說(shuō)就是物理學(xué)家怎么“做事”。物理學(xué)家們?cè)谡J(rèn)知世界的過(guò)程中采用和發(fā)明了大量的有效方法，不同認(rèn)知階段采用的方法不同，從猜想到嚴(yán)格的數(shù)理邏輯都有成功的案例，甚至可以說(shuō)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?yàn)橛袑?shí)驗(yàn)的證偽保證。從這個(gè)角度看，其實(shí)沒(méi)有必要研究哪些方法是物理的方法。但是從積極樂(lè)觀的態(tài)度出發(fā)，可以從一個(gè)完整認(rèn)知過(guò)程中總結(jié)出一些常用的方法，來(lái)體會(huì)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(shí)地培訓(xùn)物理方法，則可以有效培養(yǎng)學(xué)生的物理認(rèn)知能力。圖2列出了與認(rèn)知過(guò)程相對(duì)應(yīng)的部分物理方法。

　　與認(rèn)知流程對(duì)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(lái)保證的

　　觀察物理現(xiàn)象時(shí)常用分類(lèi)法。人在觀察世界時(shí)，如果真的像人工智能一樣，靠大數(shù)據(jù)認(rèn)知就累死了，不可能對(duì)每個(gè)對(duì)象都建立一套詳細(xì)認(rèn)知，然后記住所有的對(duì)象，這是人的生理特點(diǎn)決定了的。當(dāng)然不排除有人記憶能力超強(qiáng)，像江蘇衛(wèi)視《最強(qiáng)大腦》所展示的那樣，但即使是他們，大量的記憶過(guò)程也是很艱苦的。所以人發(fā)明出了一套簡(jiǎn)單的類(lèi)比機(jī)制來(lái)簡(jiǎn)化認(rèn)知，這就是分類(lèi)法的來(lái)源。稍微了解一點(diǎn)科學(xué)史的人都知道，分類(lèi)法在自然科學(xué)認(rèn)知中有廣泛的應(yīng)用，比如博物學(xué)家的系統(tǒng)分類(lèi)法。分類(lèi)法的好處在于，同一類(lèi)的對(duì)象可能有共同的規(guī)律，所謂規(guī)律是不變的性質(zhì)，當(dāng)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(niǎo)類(lèi)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(shuō)法。然而即使是同一類(lèi)，比如同為鳥(niǎo)類(lèi)的麻雀和孔雀，其性質(zhì)畢竟有所不同，如果關(guān)心細(xì)節(jié)，仍然要分別研究。無(wú)論如何，分類(lèi)法簡(jiǎn)化了對(duì)同一類(lèi)對(duì)象的共同性質(zhì)的認(rèn)知，讓我們有可能從同一類(lèi)對(duì)象中挑選最簡(jiǎn)單的那一個(gè)進(jìn)行研究，然后將認(rèn)知推廣到同類(lèi)其他對(duì)象。牛頓之所以對(duì)“蘋(píng)果會(huì)下落，月亮卻不下落”感到驚奇，就是因?yàn)樘O(píng)果和月亮都是同被地球吸引的同一類(lèi)對(duì)象，性質(zhì)卻看起來(lái)完全不同。

　　挑選研究對(duì)象時(shí)常用極端簡(jiǎn)化法、還原論方法。在對(duì)同一類(lèi)研究對(duì)象研究時(shí)，為了抓住共同本質(zhì)，最有效的辦法當(dāng)然是挑最簡(jiǎn)單的研究對(duì)象，往往極端條件下的最簡(jiǎn)單。比如研究天體運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果天體和一個(gè)小鐵球是同一類(lèi)對(duì)象，顯然一個(gè)小鐵球是更簡(jiǎn)單的，研究小鐵球更容易獲得有效的認(rèn)知，而這個(gè)認(rèn)知可以用來(lái)猜測(cè)天體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。在牛頓的理論中，極端法用到了極致，研究對(duì)象直接被簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，這其實(shí)也是理想模型法。如果不得不研究一個(gè)復(fù)雜對(duì)象，但是沒(méi)有最簡(jiǎn)化的案例代表，那么可以采用還原論的方法，將復(fù)雜物體拆成簡(jiǎn)單對(duì)象的組合，這種方法在整個(gè)西方科學(xué)體系中是最廣為人知的了，物理研究對(duì)象最徹底，從最大的宇宙一直拆到最小的夸克、輕子等基本粒子。當(dāng)然這不是說(shuō)非拆不可，中國(guó)文化中的整體系統(tǒng)研究方法也一樣有成功的案例。

　　明確研究問(wèn)題時(shí)常用主次法，就是常說(shuō)的抓主要矛盾。挑選到簡(jiǎn)單的研究對(duì)象后，其物理性質(zhì)往往是非常豐富的，一個(gè)最簡(jiǎn)單的質(zhì)點(diǎn)，其最基本屬性是運(yùn)動(dòng)，以及由于運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量等屬性，這個(gè)質(zhì)點(diǎn)有可能還帶電，這樣又涉及電性質(zhì)，而帶電電荷運(yùn)動(dòng)還涉及磁性質(zhì)，如果質(zhì)點(diǎn)再碰上光子散射，可能又涉及光性質(zhì)，質(zhì)點(diǎn)在流體中運(yùn)動(dòng)，又有流體問(wèn)題。所以在研究時(shí)不得不明確自己的研究問(wèn)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(diǎn)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，那么就不要把電、磁、光、流體等其他性質(zhì)牽扯進(jìn)來(lái)，通常情況下這種性質(zhì)也是同一類(lèi)物體的共同性質(zhì)。這樣的方法可以簡(jiǎn)單地稱(chēng)為主次法，這種方法一方面簡(jiǎn)化了問(wèn)題的復(fù)雜度，另一方面不可避免地會(huì)帶來(lái)近似，因?yàn)闀簳r(shí)丟棄了一些次要因素。

　　量化描述時(shí)常用類(lèi)比法、轉(zhuǎn)換法。觀察實(shí)驗(yàn)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(cè)物理量，這是物理認(rèn)知走向精確量化、公理化的關(guān)鍵一步。比如觀察小球運(yùn)動(dòng)，為了描述平動(dòng)性質(zhì)，需要定義時(shí)間、位移、速度、加速度;為了描述平動(dòng)狀態(tài)的改變，定義了慣性質(zhì)量、動(dòng)量、力;為了描述轉(zhuǎn)動(dòng)，定義了周期、角度、角速度、角加速度;為了描述轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的改變，定義了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角動(dòng)量、力矩。給出這些定義時(shí)，經(jīng)常用類(lèi)比的方法，比如位移的概念直接類(lèi)比人的視覺(jué)感受，位移大小可以類(lèi)比人腳的特征長(zhǎng)度;時(shí)間的長(zhǎng)短可以類(lèi)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(dòng)的物理量，可以直接類(lèi)比平動(dòng)的物理量，當(dāng)然定義細(xì)節(jié)上肯定會(huì)有差異。而有些物理量無(wú)法直接類(lèi)比，就可以用轉(zhuǎn)換的方法變成可直接測(cè)量的，比如溫度的概念可以直接類(lèi)比人的冷暖感受，可是溫度大小的測(cè)量在水銀溫度計(jì)中就不得不轉(zhuǎn)換為水銀長(zhǎng)度的測(cè)量?，F(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(xì)去考察其定義，有不少都用了類(lèi)比法、轉(zhuǎn)換法。

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

　　為了探索實(shí)驗(yàn)規(guī)律，就要用各種方法折騰研究對(duì)象，觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比如小球運(yùn)動(dòng)，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(wèn)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(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有摩擦力的極限條件下運(yùn)動(dòng)會(huì)如何?牛頓在地球表面平拋小球?qū)嶒?yàn)中，讓小球的速度越來(lái)越大，推到極限會(huì)如何?極端低溫下測(cè)量水銀電阻會(huì)如何?極端低溫下測(cè)量液氦會(huì)如何?將宇宙壓縮回極端高溫會(huì)如何?兩個(gè)質(zhì)子在極端高速下相撞會(huì)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(shí)際上是將某個(gè)因素推到極限，壓制其他因素，從而凸顯該因素對(duì)所研究問(wèn)題的影響。從另一個(gè)角度說(shuō)，極端條件往往也是認(rèn)知的邊界，突破這個(gè)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(jìn)步。

　　尋求物理量之間關(guān)系時(shí)，如果只有兩個(gè)物理量當(dāng)然是簡(jiǎn)單的，但實(shí)際上常常涉及兩個(gè)以上變量，這時(shí)就常常用控制變量法，即控制一部分獨(dú)立變量不變，只研究?jī)蓚€(gè)變量之間的關(guān)系。比如熱學(xué)中氣體三定律，其實(shí)就是分別控制壓強(qiáng)、體積、溫度不變時(shí)得到的規(guī)律?？刂谱兞糠▽?shí)際上對(duì)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(gè)物理量之間的關(guān)系，這時(shí)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(yàn)規(guī)律的數(shù)量也會(huì)急劇減少，即認(rèn)知會(huì)簡(jiǎn)化許多。

　　人的認(rèn)知并不滿(mǎn)足于只得到一系列經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，盡管經(jīng)驗(yàn)規(guī)律可以有許多應(yīng)用。實(shí)際上由于經(jīng)驗(yàn)規(guī)律往往很多，這對(duì)于人的認(rèn)知來(lái)說(shuō)不夠簡(jiǎn)單、系統(tǒng)，這時(shí)物理學(xué)家開(kāi)始探索這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律背后更簡(jiǎn)單的原因，即追求公理化認(rèn)知系統(tǒng)，這種認(rèn)知系統(tǒng)實(shí)際上是從數(shù)學(xué)認(rèn)知系統(tǒng)借鑒的。如果能從經(jīng)驗(yàn)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(yàn)規(guī)律，這將是物理認(rèn)知系統(tǒng)極大的簡(jiǎn)化與進(jìn)步，特別是這讓我們看起來(lái)找到了萬(wàn)物的規(guī)律，或者說(shuō)找到了變化多端的各種現(xiàn)象背后的原因。

　　為了建立這個(gè)理論，第一步要做的事情是建立模型，此時(shí)常用理想模型法。常見(jiàn)的如質(zhì)點(diǎn)、理想氣體、點(diǎn)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(shí)際并不存在，是同一類(lèi)研究對(duì)象中最能體現(xiàn)共同本質(zhì)，而又最簡(jiǎn)單的代表，或者是采用還原論的想法，人為構(gòu)造出來(lái)的理想對(duì)象，顯然，理想模型法是對(duì)實(shí)際對(duì)象的一種近似法。比如理想氣體假設(shè)分子間沒(méi)有相互作用，只有無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，這顯然是研究熱現(xiàn)象的最理想對(duì)象，而電流元、夸克是用還原論的方法構(gòu)造的理想模型。當(dāng)然構(gòu)造模型時(shí)除了用極端簡(jiǎn)單的理想條件，一定還會(huì)有其他如類(lèi)比、抽象等方法。

　　建立公理化認(rèn)知時(shí)常用數(shù)理邏輯法、簡(jiǎn)單歸納法、猜想法。一旦建立了模型，就可以圍繞這個(gè)模型建立公理化認(rèn)知體系了。顯然這時(shí)要求模型在邏輯上是嚴(yán)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(shí)際上整套公理化認(rèn)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)體系看起來(lái)截然不同，當(dāng)然物理量定義不同也會(huì)影響公理化體系，選擇的一個(gè)常用標(biāo)準(zhǔn)是要使得整套公理化體系盡量簡(jiǎn)化優(yōu)美。公理可以從已有的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律中簡(jiǎn)單歸納，比如熱力學(xué)第一定律可以看成是經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)，這種簡(jiǎn)單歸納顯然不是數(shù)學(xué)中的完全歸納法，只是簡(jiǎn)單推廣。當(dāng)然公理也可以用相對(duì)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法分析得出，比如牛頓是根據(jù)開(kāi)普勒第三定律反推出了引力平方反比律。但簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，公理都只是一個(gè)猜想，猜想法其實(shí)往往是基于研究者以往的經(jīng)驗(yàn)積累和現(xiàn)有研究對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的，無(wú)論怎么產(chǎn)生出來(lái)，我們都假設(shè)這是一個(gè)公理，然后將其推廣適用于同一類(lèi)的研究對(duì)象，其正確與否是和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)相關(guān)聯(lián)的，如果是錯(cuò)的，一定會(huì)被證偽，所以猜想法只是一種有效思維方式，但并不是嚴(yán)格正確的數(shù)學(xué)邏輯。有趣的是，這種不怎么嚴(yán)格的簡(jiǎn)單歸納法、猜想法給我們帶來(lái)很多認(rèn)知上的突破，數(shù)學(xué)中也有很多類(lèi)似的案例，比如著名的黎曼猜想、龐加萊猜想等。

　　實(shí)驗(yàn)證偽時(shí)常用特例法。模型和公理化體系建立后，原則上該研究對(duì)象的某一類(lèi)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(duì)象的所有相關(guān)性質(zhì)，這樣一來(lái)就可以對(duì)研究對(duì)象的行為進(jìn)行預(yù)言了，而這些預(yù)言可以用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。受限于實(shí)驗(yàn)條件或者理論推導(dǎo)的困難程度，這些預(yù)言往往是針對(duì)一些極端的特例，比如廣義相對(duì)論預(yù)言日食時(shí)星光偏轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)物理預(yù)言低溫時(shí)玻色愛(ài)因斯坦凝聚等等。盡管只是特例，但只要實(shí)驗(yàn)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?yàn)橥ǔ](méi)有辦法窮盡所有可能的驗(yàn)證，所以特例法證偽是物理認(rèn)知不得不采用的一種有效認(rèn)知方法。

　　而在應(yīng)用物理中，無(wú)論是解釋以前發(fā)生過(guò)的現(xiàn)象，還是預(yù)言將會(huì)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(lèi)比、邏輯推理等方法。一旦理論被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)過(guò)，暫時(shí)還沒(méi)錯(cuò)，那么就可以應(yīng)用了，其實(shí)即使沒(méi)有明確的理論，只有實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的情況下，也是可以直接應(yīng)用的。而應(yīng)用時(shí)常用的方法就是類(lèi)比，找到一個(gè)差不多的研究對(duì)象就套上去試試，有時(shí)類(lèi)比不是那么直接，那就需要做一點(diǎn)邏輯推理。在做技術(shù)應(yīng)用時(shí)，需要做的類(lèi)比就更多，要將不同研究對(duì)象的特性都類(lèi)比應(yīng)用到同一個(gè)對(duì)象上，比如手機(jī)的功能就集成了相機(jī)、電腦、電話等各種功能，再本質(zhì)一點(diǎn)，需要類(lèi)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(rèn)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(rèn)知過(guò)程展開(kāi)的，不遵循這個(gè)規(guī)律，就會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題。例如，部分學(xué)校的高中物理教育基本忽略了認(rèn)知過(guò)程，直接跳到認(rèn)知應(yīng)用階段，其實(shí)大量訓(xùn)練的就是認(rèn)知應(yīng)用方法，因?yàn)椴簧倮蠋熣J(rèn)為為了應(yīng)付高考，就需要大量做習(xí)題訓(xùn)練來(lái)提高答題能力，而做題的過(guò)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(chǎng)景中，這其實(shí)就是應(yīng)用思維訓(xùn)練。這顯然是不對(duì)的，是非常片面的，不利于學(xué)生整體認(rèn)知方法的訓(xùn)練，事實(shí)上，按照整個(gè)認(rèn)知流程來(lái)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(huì)更好，早期的物理題目實(shí)際上就是簡(jiǎn)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(qiáng)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(shí)際上，沒(méi)有前面的認(rèn)知教育，創(chuàng)新教育就是無(wú)根之樹(shù)。

　　需要注意的是，物理的認(rèn)知方法，有的被反復(fù)地使用，具有普適性，稱(chēng)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(duì)象，稱(chēng)為非常規(guī)方法。常規(guī)方法是可以通過(guò)物理教育訓(xùn)練的，非常規(guī)方法需要做物理認(rèn)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(guò)大班教學(xué)、小班討論等方式訓(xùn)練常規(guī)物理方法，同時(shí)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(rèn)知過(guò)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(rèn)知比一般學(xué)科的認(rèn)知更完整，所以物理教育事實(shí)上能訓(xùn)練人的全面認(rèn)知能力，也就是常說(shuō)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(gè)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(gè)概念已經(jīng)被上升到哲學(xué)層面，過(guò)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(kāi)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(shí)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(shí)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(rèn)知過(guò)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(rèn)知過(guò)程中形成的獨(dú)立人格精神，簡(jiǎn)單說(shuō)就是物理學(xué)家如何“做人”。物理學(xué)家們?cè)谡J(rèn)知世界的過(guò)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(duì)世界的認(rèn)知，而認(rèn)知的過(guò)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(rèn)知者會(huì)反省自身，形成對(duì)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(lèi)的發(fā)展進(jìn)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(rèn)知而發(fā)展起來(lái)的，而隨著認(rèn)知的不斷深入，物理精神也衍生出了層級(jí)結(jié)構(gòu)，這里我們力圖簡(jiǎn)化處理這些問(wèn)題，所以只討論了比較重要的一些物理精神，有不嚴(yán)謹(jǐn)之處。圖3給出了一個(gè)示意圖，追求真理、積極樂(lè)觀、協(xié)作精神是在認(rèn)知過(guò)程中隨著認(rèn)知的發(fā)展而逐漸建立起來(lái)的第一層級(jí)的精神，而每一種精神又會(huì)繼續(xù)衍生出新的精神。

　　追求真理、積極樂(lè)觀、協(xié)作精神是第一層級(jí)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(rèn)知的目的就是形成盡可能準(zhǔn)確的系統(tǒng)化理論，特別是對(duì)整個(gè)世界的一個(gè)統(tǒng)一解釋。在認(rèn)知的各個(gè)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(huì)衍生出其他精神

　　客觀的實(shí)事求是精神。這是客觀研究對(duì)象的性質(zhì)決定的，對(duì)自己不誠(chéng)實(shí)、對(duì)研究對(duì)象觀察、描述、研究的不誠(chéng)實(shí)都會(huì)被實(shí)驗(yàn)無(wú)情地證偽。

　　獨(dú)立思考與懷疑的精神。這是因?yàn)槿颂焐懈鞣N缺陷，可能會(huì)犯各種錯(cuò)，再加上物理認(rèn)知是可證偽認(rèn)知，所以為了建立自己的認(rèn)知，不得不堅(jiān)持獨(dú)立思考與懷疑，懷疑是為了更好的思考，修正錯(cuò)誤，突破認(rèn)知邊界，逐漸逼近真理。之所以每個(gè)人都可以獨(dú)立思考和懷疑，是因?yàn)檠芯繉?duì)象的客觀性決定了不同人的獨(dú)立思考可以相互參考、達(dá)成共識(shí)，這與人文領(lǐng)域是有所不同的?，F(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(duì)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?yàn)槿绻Ｖ箲岩?，就?huì)停止思考。事實(shí)上，懷疑是非常積極的思考方式，可以從各個(gè)角度激發(fā)新的認(rèn)知，刺激探索的欲望，拓展認(rèn)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(rèn)知，那不是真正的懷疑精神。

　　嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鼍瘛＿@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(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鼍袷潜厝坏摹?/p>

　　尋根究底的精神。由于物理認(rèn)知追求的是整個(gè)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(huì)停留在現(xiàn)象的表面，而是會(huì)不斷挖掘現(xiàn)象背后更本質(zhì)的原因，比如對(duì)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(wèn)“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(rèn)知其實(shí)是艱難的，簡(jiǎn)單回顧一下物理學(xué)史，就知道對(duì)一個(gè)研究對(duì)象建立認(rèn)知的過(guò)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(shí)間，沒(méi)有執(zhí)著的鍥而不舍的精神是無(wú)法完成這樣的成就的。簡(jiǎn)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(shí)間，就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們幾乎就是勤奮的代名詞，他們?cè)谧约貉芯款I(lǐng)域的堅(jiān)持，才完成了物理認(rèn)知的不斷積累。

　　4.2

　　積極樂(lè)觀的精神

　　物理學(xué)家盡管追求的是終極真理，但事實(shí)上由于各種限制，物理認(rèn)知只是有效認(rèn)知，這就讓物理學(xué)家們發(fā)展出了積極樂(lè)觀主義精神，由此又衍生出了一系列精神，如圖5所示。對(duì)于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，積極樂(lè)觀就是想法設(shè)法向真理邁進(jìn)一步。比如選擇相信這個(gè)世界可能會(huì)有大統(tǒng)一理論，因?yàn)槿绻幌嘈?，就不?huì)付出努力，也就沒(méi)有結(jié)果，這其實(shí)是一種積極樂(lè)觀精神。其實(shí)懷疑的精神也可看作是一種積極樂(lè)觀精神，因?yàn)槿绻粦岩?，就?huì)停止思考，從而也無(wú)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(jiǎn)單的盲目樂(lè)觀主義，而是要在樂(lè)觀的態(tài)度下積極想辦法前進(jìn)。

　　積極樂(lè)觀的精神會(huì)衍生出其他精神

　　不怕失敗、勇于嘗試的探索精神。從物理認(rèn)知的歷史可以發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知過(guò)程中常常伴隨著大量的失敗，正是積極樂(lè)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(duì)受控核聚變的研究，即使國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)遭受了挫折，物理學(xué)家們也不會(huì)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(yàn)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(rèn)知的道路是不斷積累成功的案例，模仿成功的經(jīng)驗(yàn)，取得認(rèn)知的突破。

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

　　包容的開(kāi)放精神。物理是對(duì)未知的探索，未知充滿(mǎn)各種可能，包容的開(kāi)放精神讓我們有可能抓到通往真理的線索，當(dāng)然還需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鼍裉蕹裏o(wú)效的線索。另一方面，物理認(rèn)知的探索又是非常艱難的，充滿(mǎn)不確定性，應(yīng)該包容失敗，采取開(kāi)放的態(tài)度對(duì)待探索中的各種問(wèn)題。

　　小目標(biāo)精神。物理認(rèn)知的終極目標(biāo)是宏偉的，然而現(xiàn)實(shí)是每個(gè)人的能力是有限的，對(duì)于每個(gè)人來(lái)講，目標(biāo)定的過(guò)于遠(yuǎn)大，實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)，這時(shí)就需要改變策略，定一個(gè)通過(guò)適當(dāng)努力就可以實(shí)現(xiàn)的小目標(biāo)，不斷實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)，積累下來(lái)就是大的進(jìn)步，這實(shí)際上也是積極樂(lè)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(huì)給物理學(xué)家?guī)?lái)強(qiáng)烈的自信和成就感，從而成為重要的認(rèn)知驅(qū)動(dòng)。

　　4.3

　　協(xié)作精神

　　物理學(xué)家在認(rèn)知過(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)自身認(rèn)知能力有限，這時(shí)就需要不斷和他人合作，這時(shí)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(rèn)知上的可證偽保證，相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較有效的。

　　協(xié)作精神會(huì)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(píng)價(jià)和尊重他人的認(rèn)知貢獻(xiàn)。事實(shí)上，沒(méi)有這一點(diǎn)就無(wú)法建立人和人之間的信任，也就無(wú)法合作。物理論文引用系統(tǒng)的建立，同行評(píng)議機(jī)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(wèn)題的，這時(shí)民主精神相對(duì)是最有效的。至少各種可能的意見(jiàn)都可以平等地表達(dá)出來(lái)，大家有知情權(quán)和選擇權(quán)。對(duì)于一個(gè)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(huì)制度等等。但對(duì)于進(jìn)入一個(gè)全新認(rèn)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(méi)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(rèn)知過(guò)程中，逐漸發(fā)展出來(lái)的對(duì)做人的要求，這和做事的要求一樣，都是為了建立起一個(gè)人對(duì)世界的有效認(rèn)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(duì)世界進(jìn)行認(rèn)知給我們帶來(lái)的精神財(cái)富。

　　需要注意的是以上列出的是相對(duì)普適性較強(qiáng)的物理精神，學(xué)生可以通過(guò)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(gè)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(gè)愛(ài)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(ài)因斯坦們，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者們會(huì)自己長(zhǎng)出來(lái)。

　　5

　　總結(jié)

　　綜上可以看出，從物理認(rèn)知的起點(diǎn)出發(fā)，就能理解什么是物理，物理認(rèn)知是如何建立的，物理方法、物理精神是如何在認(rèn)知過(guò)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(guó)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(wèn)題，原則上由此出發(fā)去思考會(huì)有助于找到解決問(wèn)題的方法。

　　物理文化的核心是建立有效認(rèn)知，物理教學(xué)與研究實(shí)際上都是完整認(rèn)知過(guò)程的訓(xùn)練，需要經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)物理、理論物理、應(yīng)用物理，這個(gè)過(guò)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(gè)角度說(shuō)，物理教育實(shí)際上代表了自然科學(xué)教育，應(yīng)該在國(guó)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(wèn)題是只進(jìn)行應(yīng)用物理的思維訓(xùn)練，忽略了實(shí)驗(yàn)物理、理論物理中探索創(chuàng)新思維的訓(xùn)練。對(duì)于著名的錢(qián)學(xué)森之問(wèn)：“為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才?”盡管可能有各種其他的因素，但從物理認(rèn)知規(guī)律的角度來(lái)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(rèn)知的起點(diǎn)出發(fā)，有意識(shí)地遵循認(rèn)知過(guò)程的規(guī)律，相信對(duì)人才培養(yǎng)和科學(xué)研究都會(huì)起到有益的推動(dòng)作用。

　　另一方面，物理教育的價(jià)值還在于，一旦學(xué)生通過(guò)物理教育具備了認(rèn)知能力，就可以對(duì)世界認(rèn)知，形成世界觀，對(duì)人生認(rèn)知，形成人生觀，對(duì)什么是重要的認(rèn)知，形成價(jià)值觀。一旦有了獨(dú)立的認(rèn)知，就不再會(huì)輕信他人，這時(shí)就具備了懷疑和批判的能力，會(huì)了解自己想做什么，能做什么，會(huì)獨(dú)立選擇該做什么，不該做什么，只有這樣才能稱(chēng)為有獨(dú)立的人格。這正是蔡元培先生說(shuō)的“人格”教育的基礎(chǔ)，沒(méi)有認(rèn)知能力，不可能奢談人格。因?yàn)檫@些認(rèn)知能力，人才具備了基本尊嚴(yán)。為什么要用物理的認(rèn)知方式?因?yàn)檫@是迄今為止人類(lèi)最有效的認(rèn)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(hù)物理文化，在國(guó)民大眾中普及物理文化。