什么是物理??

什么是物理 这是一个十分基础的问题。翻开任何一本物理教科书，都不难找到这样的定义：物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。但这只是对于物理这门科学在学术意义上的一种界定。而我们所面对的“物理”，它同时又是一门课程，于是就有必要从教育意义的层面上去进行一番再认识、再分析，以挖掘蕴含在其中的丰富内涵。 首先，物理是一门科学。 物理学是一门以实验为基础的自然科学，它是发展最成熟、高度定量化的精密科学，又是具有方法论性质、被人们公认为最重要的基础科学。物理学取得的成果极大地丰富了人们对物质世界的认识，有力地促进了人类文明的进步。正如国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会的决议《物理学对社会的重要性》指出的，物理学是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键性的作用：探索自然，驱动技术，改善生活以及培养人才。 上世纪初相对论和量子力学的建立，为物理学的飞速发展插上了双翅，取得了空前辉煌的成就，以致于人们将20世纪称誉为“物理学的世纪”。什么21世纪呢？有一种流行的说法：21世纪是生命科学的世纪。其实，这句话更确切的表述应该是：21世纪是物理科学全面介入生命科学的世纪。生命科学只有与物理相结合，才有可能取得更大的发展。 展望物理学的未来，充满着机遇与挑战。李政道先生在《物理的挑战》一文中，曾提出21世纪物理领域所面对的四大难题：为什么一些物理现象在理论上对称但实验结果不对称？为什么一半的基本粒子不能单独存在而且看不见？为什么全宇宙90%以上的物质是暗物质？为什么每个类星体的能量竟然是太阳能量的1015倍？这些问题极大地激励着人们不懈探索的勇气与热情。可以预见，一旦拨去这几朵笼罩在物理天空中的乌云，物理学将会展现出更加灿烂的前景。 其次，物理又是一种智能。 诚如诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩所言：“如其说是因为我发表的工作里包含了一高拿个自然现象的发现，倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础。”物理学之所以被人们公认为一门重要的科学，不型让仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。正因为如此，使得物理学当之无愧地成了人类智能的结晶，文明的瑰宝。 大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景；——这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域里获得了成功。——反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族! 当今，物理学的触角已经伸向众多领域，并取得了越来越大的成就，以至我们很难再用传统的眼光去界分什么是物理学了卜念局。1995年在我国厦门举行了第十九届国际统计物理学大会，会上交流论文的涉及面十分广泛，诸如植物的花序、DNA药物系统、交通的流量、文字的存储等等，光看这些篇目，似乎都不太象是物理。什么，究竟什么是物理呢？几年前，美国《今日物理》杂志，曾就此问题向读者广泛征求意见。最后，他们推崇的答案是：物理学家所做的就是物理学。这话乍听似觉偏颇，其实不无道理。因为在今天看来，物理学更多的是体现出一种智能，“代表着一套获取知识、组织和应用知识的有效步骤和方法，把这套方法用到什么问题上，这问题就变成了物理学。”（赵凯华语） 再次，物理还是一种文化。 从广义来说，文化指的是人类历史实践过程中创造的物质财富和精神财富的总和。它包括科学文化和人文文化。同样地，物理学家在长期科学实践中所创造的大量物质产品与精神产品，也就构成了物理文化。物理文化是科学文化的重要组成部分。 大家知道，物理学是以实验为基础的科学，它的基本研究方式就是实践，因而在客观性上表现为“真”；物理学创造的成果最终是为了造福于人类，它在目的性上体现出“善”；另外，物理学还在人的情感、意识等多方面反映了“美”。正因为物理学本身兼具真、善、美的三重属性，我们完全有理由说，物理不仅是一种文化，而且是一种高层次、高品位的文化。 物理学是求真的。物理最讲究实证，物理学家在科学研究活动中最基本的态度就是实事求是，坚守“实践是检验真理唯一标准”的原则。正如物理学家费曼所说：“不论你的想法有多美，不论你什么聪明，更不论你名气有多大，只要与实验不符便是错了，简简单单，这就是科学”。可以说，物理学的发展史，就是一部不断修正错误、不断逼近真理的“求真”史。 物理学是从善的。物理学致力于将人从自然中解放出来，从必然王国走向自由王国，帮助人们不断认识自己，促使人的生活趋于高尚。这是物理学的价值取向和终极目标，因而物理学的本质是从善的；另外，物理学家的行为也是从善的。爱因斯坦曾这样评价居里夫人和以她为代表的杰出物理学家：“第一流人物对时代和历史进程的意义，在其道德方面，也许比单纯的才智成就更大”。他们那种严谨求实的态度、献身科学的精神，热爱人民的情怀等等，对于后人无疑是一份尤为珍贵的人文财富。 物理学是至美的。德国物理学家海森伯说过：美是真理的光辉；罗马哲学家普洛丁又说过：善是美的本原。由此，物理学因真而美、因善而美就是十分自然的了。物理的美属于科学美，主要体现于简单、对称和统一；对称则统一，统一则简单，它们构成了物理学的基本美学准则。 翻开物理学的篇章，可以发现到处都跳动着美的音符，体现了人们对美的追求与创造。仅以统一性为例。当代物理学的发展，正朝着两个相反的研究方向延伸：最宏大的宇宙与最微小的粒子。令人感到惊讶的是，随着研究的深入，它们两者并非是分道扬镳、越走越远，反倒显示出不少殊途同归、相反相成的迹象。例如，粒子物理学的一些研究成果常被天体物理学家所借鉴，用来探寻宇宙早期演化的图象；(正由于此，粒子物理学在某种意义上也被称为“宇宙考古学”。) 反过来，宇宙物理学的研究也为粒子物理学家提供了丰实的信息与印证。于是，物理学中两个截然相反的分支，就这般奇妙地衔接在了一起——犹如一条怪蟒咬住了自己的尾巴。 又如，英国物理学家狭拉克首先发现，在自然界的某些物理量之间存在着下列引人注目的关系： 宇宙半径/电子半径≈1040，宇宙年龄/强衰变粒子寿命≈1040， 氢核与电子的电力/氢核与电子的引力≈1040，…… 在上述比数中，宇宙这个最大的系统，与基本粒子这个最小系统之间，竟然珠联璧合达到了如此完美的统一，让我们再次领略到了物理世界的美，一种动人心弦的壮丽的美。正是这许多美不胜收的事例，激发起人们对大自然由衷的赞叹与敬畏，难怪爱因斯坦会说：“宇宙间最不可理解的，就是宇宙是可以理解的”。 通过以上分析，我们对于物理有了一个较为全面的认识：它既是一门科学，又是一种智能，更是一种文化。作为一名物理教师，能对自己所任教的物理作一番全方位的审视与剖析，这是十分必要的。一方面可使我们看到，物理原来有着如此丰富的的内涵，从而会更自觉、有意识的去挖掘和开发它的育人功能，全面提升教学质量；另一方面又使我们看到，物理原来有着如此美好的禀性，从而会更加钟爱物理，更有激情地去从事物理教学。我以为，只有真正热爱物理的物理教师，才能做到不仅教会学生理解物理、应用物理，而且还进一步引导他们去感悟物理、欣赏物理。 二、为什么教物理 这是一个看似简单却又十分根本的问题，要正确回答并非易事。笔者对此问题的认识，就经历过从“知识本位”到“学科本位”，最后又回归到“学生本位”这样一个曲折渐进的过程。 有很长一段时期，我都把物理教学的目标锁定在知识层面上，认为教物理就是要把物理知识尽可能多地传授给学生，以供他们今后一生的受用。因为我信奉“知识就是力量”。然而令人困惑的是，我们授予学生什么多的物理知识，其中不乏象“F=ma”这类极其重要的知识，但在他们往后的生活和工作中，却很少显示出有什么直接的功用。以至过了若干年后，许多学生把所学的物理知识几乎忘得一干二净，用他们的话说，“全部都还给老师了”。我为此感到深深的失落；但每当我向他们提出“高中三年岂不白读了”的反诘时，这些离开学校多年的学生，却又都会异口同声地作出否定的回答，一致认为高中阶段的学习，对于他们的成长起到了重要的奠基作用，可又说不清究竟是哪些具体知识所起的作用。我想，这大概好比晚饭，谁都不会否认吃饭对于生存的意义，然而谁又都说不清楚，吃了这顿饭究竟是在身上的什么地方长了块肉。 一位毕业已有二十余年的学生，曾与笔者聊起他“印象最深”的一堂物理课。原来那堂课讲的是重力势能。当时为了说明重力势能的相对性，我曾向学生提出过这样的问题：有人站在五楼的窗台上要往下跳，你说危险吗？开始大家都认为这太玩命了，后来仔细一琢磨，又全都乐了：你别往窗外跳，往窗里跳不就没事了吗？这位学生觉得这个例子特有意思，于是经久不忘；但问他该例说明了什么物理知识时，他说忘了。正当我面露憾色时，他紧接着的一番话却令人宽慰，他说：“这个例子使我懂得凡事都是相对的，从不同角度看会有不同的结果”。尽管这堂课所传授的物理知识，这位学生已经遗忘殆尽，但通过有关知识的学习而凝炼成的思想、方法等，却在他的心里铭刻上深深的印记。从这个意义上说，二十多年前的这堂物理课，对他不也是极有价值的吗？学生从高中毕业后，他们中的大多数可能将告别物理，所学的物理知识终究会被忘记，到那时再回头审视一下：物理教学留给他们的还有些什么呢？如果在他们的身上，体现不出物理所给予的才智与启迪，那将是物理教学的失败。由此看来，具体的知识通常只是作为教学的载体，在知识的背后还有更多值得我们去追求的东西。正如我国资深科学家钱伟长教授说的：“我在大学里学的是物理学，……. 以物理学为对象我学到了调查研究，收集资料，分析资料和逻辑思维的能力，物理学的知识有时是很有用的，但通过物理学学到的这些能力，比物理学知识更有用。”钱老在读书时就是通过“物理学”这个载体，获得了很多比物理知识更重要的能力。所以，那种将物理教学等同于物理知识教学的看法是偏面的，而以“知识本位”来确立物理教学目标取向的做法同样是短视的。 随着教学实践的深入，教师一般都会对自己所任教的学科日臻熟悉，从而格外钟爱。可能是受了这种职业情感的影响，我还一度把物理教学的目标，定位于“将尽可能多的学生培养成为物理学家或物理工作者”。尤其是当我从农村普通中学调入重点高中，面对的是一个个聪颖好学的学生时，这种愿望愈显强烈。但我不久就发现，其它学科的教师大概也出于各自的职业偏好，都对学生有着与我类似的期望。这样一来，大家自扫门前雪，各唱各的调，没能将各学科的分力凝聚成一股合力，实际效果当然就差强人意了。尤其令我沮丧的是，班上那些物理学习优秀的“得意门生”，日后直接从事物理专业的竟然也少之又少。正当我陷于迷惘之时，复旦大学原校长杨福家先生的一则事例给了自己极大的启迪。当年复旦大学曾对核物理专业的毕业生的去向做过一次调查，结果发现，只有不到十分之一的学生毕业后从事与核物理有关的工作，其余的都纷纷改行，活跃在金融、企业或行政等岗位上。对此，多数人都断言这是物理系的失败，而杨福家却认为这正是“复旦”的成功。因为，通过这四年本科的物理教育，使学生具备了良好的素质，为他们今后的发展打下了坚实的基础，于是毕业后都能很快适应各种不同领域的工作。这也印证了赵凯华先生的话：“一个人学了物理之后干什么都可以，他的物理没有白学。在我看来，对于学物理的人无所谓‘改行’……。” 经过上述曲折的认识历程，使我逐渐看清了物理教学最终目标的聚焦点，既不在知识的本位上，也不在学科的本位上，而应该落实在我们的教育对象——学生的本位上。 对于“为什么教物理”这个问题，也可以反过来设问：“如果我们不教物理，学生不学物理，将会对他们今后的发展留下那些缺憾？”一种显而易见的回答是，学生将因此学不到许多重要的物理知识。这话没错，但不够全面。因为除此之外，学生还将失去更为重要的，有关科学方法、科学精神等方面的培养与熏陶，从而最终影响他们的科学素养的提高。当前，物理已经深入到社会的方方面面，成为每一位有教养的公民都必须懂得的知识。对于大多数学生来说，他今天学习物理的目的，恐怕不是为了明天去进一步研究物理，而是有助于他去面对或决策所遇到的大量非物理的问题，为他们今后一生的文明、健康，高质量的生活奠定基础。正如《面向全体美国人的科学》一书中所说的：“教育的最高目标是为了使人们能够过一个实现自我和负责任的生活作准备。” 据此，对于“为什么教物理”这个问题，最确切的答案就是：为提高全体学生的科学素养而教。——这应该成为我们的物理教学观。 众所周知，生物基因对于生物进化有着非同小可的作用，极其细微的基因差异，往往会导致生物之间的巨大差别。受此启发，有不少社会学者正致力于寻求在人类文化传承与发展过程中，有着哪些最为核心的要素，从而提出了“文化基因”的概念，并将其定义为人类文化系统中的“遗传密码”。文化基因的核心是思维方式和价值观念。人类的进化比一般的生物进化更为复杂，它具有双重进化机制，除了生物基因进化机制外，还有文化基因进化机制。教育正是推动文化基因机制的重要途径。学校教育的要义，不只是文化现象的展示与诠释，而在于文化基因的传承和发展。物理教育当然也不例外。什么，蕴含在物理教学中的“文化基因”究竟有些什么呢？笔者以为主要体现为三个方面，即科学知识、科学方法和科学精神，因为这三者是构成科学素养最基本的要素。如果将科学素养比拟为一座金字塔，什么科学知识犹如塔基，科学方法就是塔身，科学精神则是塔尖。物理教学的最高宗旨，就是为了构建这座宏伟的科学素养之塔而添砖加瓦。换言之，物理教学的核心价值就在于促进学生实现三个转化：一是把人类社会积累的知识转化为学生个体的知识，使他们知识世界是什么样的，成为一个客观的人；二是把前人从事智力活动的思想方法转化为学生认识能力，使他们明白世界为什么是这样的，成为一个理性的人；三是把蕴含在知识中的观念、态度等转化为学生的行为准则，使他们懂得怎样使世界更美好，成为一个创造的人