朱邦芬什么是物理学 为什么要学物理物理学的过去现在和未来36页Word格式.docx

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朱邦芬中国科学院数理学部院士

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今天我很荣幸有机会跟大家一起来谈谈我自己对物理学的一些看法。

最近社会上对学物理学有很多议论，很多人都觉得物理学是个很难学的科目，那么到底物理学该不该学？

所以我就准备了这个报告，谈谈什么是物理学。

我主要从下面三方面来谈谈我自己的看法，不一定正确，我们可以讨论。

第一部分，我要讲讲物理是什么。

物理学到底包含哪些核心内容，它反映的是一种什么精神，它提倡的是一种什么方法。

这是首先我想简单地介绍的——物理学的发展概貌。

第二部分，我想着重讲讲为什么要学物理学。

你如果和我一样是专业学物理的，那当然要学；

还有很多其他理工科专业的，比如机械、航空、力学，那应该学物理学。

但是还有很多人是学文科的，那么这些人为什么要学物理学？

我觉得，物理学实际上包含两方面的内容，物理学不光是知识，它更重要的是一种文化，而这种文化是我们中国文化历来比较缺乏的要素。

所以，从提高全民素质这个角度来讲，即使不学物理、不学理工科的人，也应该学点物理。

另外，我还想强调一下，物理会影响一个人的基本素质。

我很欣赏的一位科学家说过，我们很多人将来不会当作家，那你为什么要看小说，为什么要去欣赏莎士比亚的剧作？

我将来不会当音乐家，那为什么我要去听贝多芬，去理解各种音乐？

实际上，学物理跟你将来当不当物理学家是没关系的。

物理实际上是反映了一种文化，反映了你对自然的理解和认识；

反过来，物理也可以使一个人的素质全面得到提高。

第三部分我想谈谈物理学的未来。

我简单地讲讲我自己认为的物理学最有发展前景的几个分支领域。

另外，我想对青少年学生说，物理学的希望、物理学的未来在青年、在少年。

所以我特别想强调一下高中物理教育、大学物理教育怎么来改革，更好地适应我们这个时代的要求。

一、什么是物理学

（一）我自己理解的物理学

首先，我来谈谈我自己理解的物理学是什么。

上面几张图片都是一些自然现象，这些自然现象实际上也都是物理现象，比如第一张是彩虹。

我们很多人都有生活经验，下过雨后，在适当的条件下，特别是在傍晚的时候，天空会出现彩虹。

第二张是激光，激光有功率大的、有功率小的，激光也有很多指标，我们平时在很多情况下都会碰到激光。

这里是一个实验室里的激光装置。

潘建伟做量子通信，用的就是激光作为载体，利用量子比特来传输信息。

第三张是热气球，我们给空气加热以后，热气球会上升，这里面实际上是个物理道理。

热气球下面这张是个陀螺，为什么这个陀螺会一直转而不倒，这也是一种物理现象。

陀螺下面这张图大家一看就明白，是汽车碰撞，撞坏了。

这种碰撞我们把它叫做非弹性碰撞，也就是说它最后形变了，跟原来的形状完全不一样了，这也是一个物理过程。

汽车碰撞左边这张图是一个氢原子的外面，氢原子中间有一个质子，周围有个电子，电子是绕着质子在旋转运动的。

根据量子力学，电子云的分布取决于电子能量是多少，处在哪个能级。

这也是个物理问题。

最后一排最左边这张图大家一看就知道，是原子弹、氢弹爆炸，这是个核反应过程，这也是个物理现象。

第二排第一张图是闪电，这是个放电过程。

中心这张图现在城市里不容易看到了，我记得我小时候夏天晚上乘凉，一抬头看天空就有很多星星。

现在大城市里不太容易看到星空，要看星空的话可能要到比较偏远的地方，到那去看可能就会看得比较清楚。

这些都是些物理现象。

也就是说，物理是什么呢？

物理就是关于自然的知识，物理学是一门研究大自然的的学科。

它主要研究物质和它的运动。

世界上的万物都是在运动的，没有绝对静止的东西。

比如鼠标是静止的，但是鼠标的材料是由很多原子构成的，这些原子和它的电子时时刻刻都在运动。

所以物理学研究什么呢？

就是研究物质。

物质有大有小，大的就像银河系，小的比如分子、原子、原子核、质子、电子、夸克等，目前为止我们知道最小的粒子就是夸克。

当然，讲起运动，那就离不开空间和时间。

所谓运动，就是在不同的时间物体的位置改变了。

运动是在空间的运动。

运动不能离开空间与时间。

所以，物理学是研究物质和它在空间与时间里面的运动。

这里面又涉及物质在运动的时候，要受到各种作用力，以及物质都是有能量的（严格来讲，能量也是一种物质）。

所以，物理学归根到底是研究物质和它的运动方式，这里面涉及到能量和作用力，这是物理学关心的问题。

所以，物理学的一个基本任务是什么？

就是理解我们的宇宙，理解我们周围的世界是怎么样的。

理解了以后，我们就利用物理规律来改造我们的生活，改进我们的环境，保卫我们的国家，这是物理学的基本作用。

（二）物理学的发展简史

下面我简单介绍一下物理学的发展历史。

物理学是最古老的学科之一，如果我们把天文也作为物理的一部分，那么，物理学就是最古老的学科，没有之一。

为什么说物理是最古老的学科呢？

我们每天抬头都可以看到星星，看到太阳升起落下，看到月亮。

最早的人类当时是把各种星、太阳、月亮作为神来对待，但随着社会的发展，人们开始思考太阳、月亮以及各种星（金星、火星、水星等）的运动有什么规律，慢慢就开始做天文观测，看天空有什么，各种星的星座是怎么排列的，它们一年四季是怎么变化的，这样就产生了天文学。

我们制造工具的时候要用力，比如用石头做把斧或刀，怎样才能使它比较锋利；

提一桶水，怎样才省力，这些都涉及到力学知识。

另外，不管是看自然的太阳光，还是后来可以自己点个火堆，人们可以看到光从一个小孔里透过来，这涉及到光的传播，这就有了光学。

所以，最早的时候，人们就要研究很多自然现象，这样就慢慢形成了一门最古老的学科——物理。

物理这门古老的学科一直在发展，其发展经过了几个阶段。

第一个阶段：

在2000多年以前就产生了当时的物理学，主要是古希腊的一些哲学家，他们在思考自然的时候，找到了很多基本的经验和规律，这是物理发展的第一个阶段。

在第一个阶段，物理和化学、生物以及一部分数学，都没有完全分开，统一叫做自然哲学。

当时的很多科学家既是物理学家，又是数学家、生物学家、化学家，甚至还是文学家，精通很多领域。

而在中国古代，物理实际上就是格物致知。

古时候有很多儒家的哲学家，他看到一样东西就会想这里面蕴含什么道理，从而从这里面获得新知识。

所以，从古希腊的哲学开始，在将近两千年里，物理没有成为一门独立的学科，而是跟其他自然科学一起，作为自然哲学的部分。

物理学以及其他自然科学都经过了一个比较漫长、缓慢的发展过程。

第二个阶段：

从17世纪科学革命开始，物理学开始与其他自然科学分支脱离而成为一个独立的学科。

同样的，化学、生物也都成为一个独立学科。

这个阶段是物理学的蓬勃发展阶段，我们可以把它叫做经典物理的阶段。

这个阶段有几个最主要的代表人物。

一个是牛顿。

牛顿是经典物理的一个祖师爷，他发现了万有引力定律，发明了微积分等。

另外，在这个阶段还出现了伽利略、麦克斯韦等一大批伟大的物理学家，他们的研究和贡献导致了产业革命。

蒸汽机、电动机、发电机、电能的大力推广利用，都是跟经典物理的成就分不开的。

第三个阶段：

到了20世纪初，一些物理学家感觉很好，觉得什么事情都可以用物理知识来解释，但是当时还有两个问题没有解决，然而当时一些大物理学家认为这只是“天空上两朵乌云”，但是这“两朵乌云”后来的解决导致了近代物理的诞生。

而近代物理的标志就是相对论和量子论。

以量子论、相对论为代表，20世纪初开启了近代物理的阶段。

近代物理更快地推进了高科技的发展，比如核武器、雷达、集成电路、计算机、光纤通信、量子信息等。

我们研究的高能的天体物理、宇宙、黑洞，研究宇宙大爆炸，这些都是近代物理带来的。

所以，物理学的发展大致经过了这么几个阶段：

有文明开始，人类就对周围的物理现象感兴趣，然后在古希腊的时候，一些哲学家对物理做出了很重要的贡献；

到了十七世纪，开始进入经典物理阶段；

上个世纪初，开始进入近代物理阶段。

当然，下面就是物理学怎么继续往前走。

物理与其他学科交叉，形成了很多跨学科的研究领域，比如物理跟生物交叉就形成了生物物理。

再比如，物理与化学的结合，有物理化学，这是以物理为基础结合了化学；

也有化学物理，这是以化学为主跟物理交叉的。

而当量子力学产生以后，我们用量子力学来研究很多化学过程，这就产生了量子化学。

物理学的新概念常用来解释其他学科的基本机理，从而开辟新领域。

（三）物理学的发展过程

下面我们看看物理学的发展过程。

最初，物理主要看到的是一些跟天文学、力学、光学知识有关的。

我们从一些埃及神庙、纪念碑里可以看到，在那时候就有很多物理的观测。

然后到了公元前五六百年，这时候就产生了自然哲学。

自然哲学有几个代表人物，这些代表人物基本都是希腊的哲学家。

当时哲学家一般都是比较有钱的，有了钱、有了闲就开始仰望星空，开始思考周围的很多现象到底是怎么回事。

当时有很多迷信，比如太阳升起来了，太阳下降了，都是因为有个太阳神。

太阳升起来就是太阳神驾着马车出来了，太阳下山就是太阳神驾着马车回去了。

最早的时候，很多人把天上某颗星看成是自己的星辰，我是属于哪个星座的，就决定了我的命运。

公元前五六百年，有一批哲学家开始思考并提出很多假设，然后看这个假设能不能被其他事物证实，慢慢地，就提出了各种学说。

这些学说有的是被证实了的，还有很大一部分是没有被证实的，即使被证实的也是很粗糙的，只是一种定性的证实。

这里面有几个特别突出的古希腊哲学家，其中一位叫泰勒斯，他最突出的是什么呢？

他明确声明自己拒绝用各种非自然的因素来解释自然现象，认为所有自然现象都有自己的原因。

这是泰勒斯最早宣称的，也就是说，他试图用一些基本的规则来解释自然现象。

他最了不起的一点是什么呢？

他预言了公元前585年5月28日那天会发生日全食。

这在当时是很了不起的，因为一直到很后面，还有很多人迷信日全食是因为天上有个“天狗”把太阳吃掉了。

然后人们还在拼命敲锣打鼓，要把那个“天狗”杀了，然后让它把太阳吐出来。

但是这个泰勒斯当时就已经弄清楚太阳、地球、月亮运行的规律，并在掌握了这个规律以后，在公元前585年预言了日全食。

还有一个人的名字大家可能都听说过，叫亚里士多德，亚里士多德写了第一本名叫《物理学》（Physics）的书。

亚里士多德这本物理学的书中，绝大多数都是一些经验，没有什么定量的概念，很多是直觉的。

比如亚里士多德就认为，在天上的天体结构中，地球是中心，太阳和很多其他的星都是绕着地球在做圆周运动。

又比如亚里士多德认为，一个物体如果你不去用力作用它，它是不会动的。

亚里士多德这本书里还有一点很高明，当时他就知道地球是圆的，月亮是圆的。

月亮是圆的当然可以直截了当看到，地球为什么是圆的呢？

他是根据月食的时候，月亮上的影子是圆的来判断的，而他知道月食是地球跑到月亮和太阳中间，也就是说，这时候反映了出现的月食的边缘是圆弧状的。

由此他就知道地球是圆的。

亚里士多德根据这些推理，找到了很多关于自然的规律。

尽管他的思考有些对有些不对，他仍然很了不起的。

还有一位了不起的希腊科学家，叫阿利斯塔克（Aristarchus）。

比如有一次我考我们的学生，假定你把原来老师教你的书本知识全都忘了，只知道一些简单的几何知识，一点点最基本的物理知识，没有其他东西，你能不能来计算一下太阳的半径有多大，地球到太阳距离是多少，地球到月亮距离是多少。

这对我们现在的大学生、研究生，都不是太容易的。

这位古希腊哲学家有两个了不起的事情，第一个是他首先提出是地球绕太阳转，而不是太阳绕地球转，也就是否定了地心学说，而建立了日心学说。

哥白尼在他的书里提到，太阳是地球运动的中心，这个日心运动的理论最早是