物理是什么
| 作者简介 |
穆良柱，男，北京大学物理学院副教授。
主要从事普物教学、物理认知研究等工作。
邮箱：muliangzhu@pku.edu.cn。
本文发表在《物理与工程》2019年·第29卷·第1期
“老虎物理系列 ”
编辑按
穆良柱老师现为北京大学物理学院副教授，长期从事基础物理教学、演示实验教学等工作，还担任过中学生物理奥赛集训队班主任、教练，以及国家队领队，对物理认知有较深刻的研究，其基于物理认知规律而建立的教学体系和方法深受北大学生欢迎，被学生评为北大十佳教师。因此本刊邀请穆良柱老师撰写“老虎物理系列”文章，从物理认知起点出发，介绍什么是物理，以及物理认知规律、物理方法、物理精神等系列内容，这些是物理文化的核心内容，希望对从事中学和大学物理教育的教师有所启发。之所以称为老虎物理系列，是因为穆老师希望接受过物理教育的学生，能站在认知的峰顶，像老虎一样有广阔的视野，强大的自信，独立的人格，享受一览众山小的认知快乐。本文的一些内容已经陆续发表在《大学物理》刊物上，此次作者重新整理完善，合成完整的一篇，作为老虎系列文章的起点。
学物理，教物理，研究物理，制定与物理有关的政策，首先都要明白什么是物理。然而查找各种教材，百科全书[1,2]，网络搜索[3]，给出的定义并不相同，不少定义都似是而非，并不能让人清楚地明白物理是什么，甚至让人误以为物理与化学、生物一样，只是一门特殊的专业学科。
正是基于片面的理解，部分物理课被教成了应用数学课，学物理、教物理过程中还出现了过度应试教育等问题。物理教育在国民教育体系中的地位也不断下降，甚至成为选考内容[4]，部分中学物理老师被迫改教其他课程。而在物理研究中，也出现了钱学森之问，难以出现真正的大师。有关物理政策的制定则同样由于误解而出现了偏差，如物理人才评价体系和人事制度过度借鉴了企业竞争模式。
这些问题很多已经得到关注[5]，并在寻求解决方案，如果能对“什么是物理”这样根本的问题能有清楚的认识，也许对解决这些问题会有帮助。因此，有必要回到物理认知的起点来分析，什么是物理[6]？物理认知是如何建立的[6]？物理人做事的方式，即物理方法[7]是什么？物理人做人的方式，即物理精神[8]是什么？什么样的物理文化才能保障和促进物理学的健康与长远发展？本文尝试对这些问题给出一些回答，希望能起到一些有益的参考作用。
1
什么是物理
先给出如下的物理定义：物理是物理学家采用实验和理论相结合的方法对整个自然界的客观对象进行有效认知的积累，这些认知至少要符合可证伪性的要求。物理按照研究对象区分为广义物理和狭义物理。广义物理的研究对象为自然界中的任何客观物质，其实广义物理就是自然科学。狭义物理的研究对象为自然界的基本组分和基本相互作用。物理学家信仰世间自然界内部存在普遍联系，可以由统一的物理模型和理论加以解释，并为此努力。
下面给出详细解释。
物理起源于人对自然的探索，其认知的积累形成了相应的学科，这里特别需要关注的是有效性，最基本的有效性要求是可证伪性，换种说法是“实践是检验真理的唯一标准”。当然其他保证有效性要求的还有客观、逻辑自洽、量化等，这些是常识，不作具体讨论。
物理认知的主要过程是观察实验现象，构建理论体系，再用实验检验理论是否错误，即证伪。观察实验就是用人所能有的各种感官，或者各种探测仪器去了解研究对象所具有的物理性质，并探索各种性质之间的相互联系。而构建理论体系则是人用尽量简单的模型和尽量简化的逻辑体系去解释对象所具有的性质和联系。理论是否正确呢？常用的方法是从理论推导出一个预言，通过实验检验。从逻辑上来说，如果实验检验与理论预言不符合，理论的确是错的，或者有缺陷，但是实验结果符合理论预言却不能证明理论一定是正确的，这就是理论的可证伪性。事实上所有自然科学理论都是可证伪的理论，也即到现在为止还没错的理论。这看起来有点令人沮丧，因为科学理论没有办法证明自己的正确性，科学理论只是暂时有效的理论，但是换个角度看，可证伪性保证了错误的理论一定会被剔除掉，这是为什么可证伪性是保证科学理论有效性的必要条件。
可证伪性认知带来的一个好处是人的认知始终是开放的，因为随时可能被推翻重来，这与不可证伪认知的封闭性完全不同，在封闭体系里永远没有新的认知，一切都已完美。历史上，人类对这两种认知方式都选择过，封闭性认知给欧洲带来一千多年黑暗的中世纪，而开放性认知造就了现代文明。
仰望星空的人追求的是对整个自然界的理解，这从牛顿的书名“自然哲学的数学原理”中就可以看出来，所以物理早期的代名词就是自然哲学，即今天的自然科学，所以广义来说物理的研究对象是自然界存在的一切客观物体。从“黑洞的时空结构”到“啄木鸟为什么不得脑震荡”都是物理研究的对象，浏览任意学校物理专业的主页，在研究方向一栏里总能看到以研究对象命名的各种学科。需要注意的是物理的研究对象其实无法包含一切，实际上物理学不研究认知者的意识，这是因为意识是认知的主体和载体，我们甚至不知道意识是不是客观存在的实体，物理认知默认这不是被研究的对象。事实上当你想研究自己的意识时，你会发现相当困难，无法直接探测到它。通常的做法是对其他人的意识进行研究，然后作为自我意识的参考，用核磁共振、脑磁图、脑电图等方法探测到的也只是间接信号，并不是意识本身。未来人工智能的研究也许能给我们带来更深刻的理解。
然而研究自然界的万物几乎是不可能的事情，所以物理学家根据实践经验采取了“还原论”的思想，即把万物拆解成基本粒子，并假设可以通过相互作用再组装出整个宇宙，所以通常说的物理，即狭义物理，就是研究基本结构和基本相互作用的科学。物理学家将整个宇宙拆解成星系、天体、分子、原子、原子核、核子、夸克、轻子等一系列基本组分，这些研究对象构成了物理学研究的主线，从物理学发展史中可以清楚地看到这条主线，近代物理发展过程中尤其清晰，当然最终的目标是找到最基本的粒子，也许超弦是最终的基本结构。为了认识整个宇宙，物理学家还要将这些基本组分组装回去，然而离开组分间的相互作用是没有办法组装的，所以必然的，各种组分之间的基本相互作用也成了物理学的重要研究内容，我们现在知道有四类基本相互作用，而物理学家期待的是这四种相互作用能统一为一种，电弱相互作用的统一让物理学家们看到了希望并不断尝试。之所以采取“还原论”的思想，是因为物理学家受到了类似于力学质点模型成功案例的鼓励，至少拆解后研究对象可能会变得更简单，而对简单对象的研究可能会非常的深刻，而一旦对简单对象有了认知，这种认知有可能就会拓展到复杂对象上。当然严格来讲，没有办法能保证这条道路一定能帮物理学家们找到对整个自然界的理解。实际上还有一种“演生论”的说法，认为多就是不一样，即组装的时候可能会出现新的规律。
现代自然科学包括许多学科，如化学、生命科学等，物理与其他学科之间是什么关系呢？这可以类比笛卡尔的哲学树[9]，将自然科学比喻为一棵大树，物理是树干，其他自然科学是分支，数学是生命。从研究对象的角度立即就可以看出物理与其他自然科学之间的关系，物理追求的是整个宇宙的理解，而其他学科追求的是某个领域内的研究，如化学研究原子、分子如何相互作用组成有序结构；生命科学研究生物分子如何形成有生命功能的结构。笛卡尔钟情的是数学，他将数学誉为哲学树的生命，因为大树的成长靠数学的逻辑，这同样部分适用于自然科学树。这样我们就可以理解为什么物理和数学是基础学科。很多人把物理当成一门专业，一种技术，自然科学的一个分支，一个职业，这显然不是物理的本质属性。
尽管物理学家做了各种尝试，试图用最基本的结构组装出整个宇宙，并且取得了相当瞩目的成功，然而在实现大统一理论之前，没有办法能够证明这个世界确实存在一种统一的解释，换种说法，物理学家只不过是信仰这个世界可能存在一种统一的认知，并执着地为此努力。假设物理学家们没有这种信仰，这世上可能也就不存在物理学了。如果存在暗物质、暗能量，那么实际上现有的物理学只给出了对很少一部分物理世界的认知，而这种认知也仅是可证伪的到现在为止近似正确的理解而已。这样看起来，物理学家其实是一批有着坚定物理信仰的“奇葩”群体，让人想起大战风车的堂吉诃德。这大概就是爱因斯坦发出这样感慨的原因，“The eternal mystery of the world is its comprehensibility”(这个世界最不可理解的是它竟然是可理解的)。
在这个定义中，我们会发现其核心是人要对自然建立起自己的理解，这是物理认知的起点，而人的认知特征和对象的客观特性决定了物理认知的架构。有关物理的一切都需要从这个核心出发去理解。
从物理的定义中我们能看到，物理是自然科学的基础，其代表的就是自然科学，与数学注重逻辑不同，物理更注重的是对自然的探索，从这个意义上说，物理教育应该在国民教育体系中代表自然科学教育，而不是只作为一个专业选修、选考！
2
什么是物理的认知过程
物理的核心是人要建立对自然的认知，但物理认知是如何建立的呢？
人会从人的角度“不择手段”地认知研究对象，以积极的态度穷尽所有可能的方法来认知研究对象，之所以可以这么做，就是因为可证伪性保证了错误的认知一定会被淘汰掉，这与数学仅靠逻辑严密来保证正确是不同的。从这个角度看，似乎并不存在什么认知规律，也许认知过程本身是个随机的过程，充满了偶然和幸运，就像很多物理轶事里描述的那样。
是否存在一个有规律的物理认知过程呢？我们没有办法先验地知道一定存在，但请记住物理学家是积极乐观，“不择手段”的，让我们也采取这种积极的态度，假设存在这种可能，将物理研究的认知过程作为研究对象，尽力通过大量的物理探索过程来总结一个基本可靠的认知过程。如果存在这样一个过程，就可以简化我们对大量物理知识的理解，并借鉴到其他对象的研究过程中。而这种总结是否正确可以在新对象的认知探索中得以检验。
注： 图1是一个完整的物理认知流程，可以简化为实验物理、理论物理、应用物理，还可以进一步简化为科学探索、技术应用。通过这个流程可以清晰地理解实验、理论、应用之间的关系，以及科学探索和技术应用之间的联系，真正的创新只可能发生在对未知领域的科学探索中。
图1建立物理认知的关键步骤
图1详细列出了建立物理认知的关键步骤，形成了一个认知流程，当然这个流程适合的是人类毫无所知的全新的研究对象。
让我们用这个认知流程回顾一下牛顿力学体系中天体运行理论建立的过程[10]。
（1） 无论古代中国人还是古希腊人都很早就开始关注天体这个研究对象了，早期的观察是定性和半定量的，天体有很多吸引人的物理特性，比如亮度，颜色，大小，运动等。
（2） 不同天体的特性当然有所不同，其中行星的运动受到的关注较多，因为相应的现象更奇特有趣，比如顺行，逆行，行星被选为重点的研究对象。
（3） 行星运动问题成了研究的焦点。
（4） 其中量化描述和观测是研究的重大突破，大量行星运动的特性被仔细观察并记录，最著名的就是第谷的大量精确观测数据，详细记录了行星时间，位置，周期等信息，甚至还观测到了彗星运行的数据。
（5） 之后开普勒的出现将研究引向寻找这些量之间的关系，即开普勒三大定律的发现，这是实验物理的巨大成功。
（6） 而牛顿的出现则将研究导向了理论物理的方向。在《自然哲学的数学原理》里，天体被简化成了质点模型。
（7） 将万有引力的假设和牛顿三大定律作为公理，天体运行可以有完美的理论体系解释，相信牛顿理解了整个宇宙的运行规律时，那种豁然开朗的愉悦是无与伦比的。
（8） 而后来“笔尖上发现”的海王星更加坚定了人们对牛顿理论的信心，对牛顿理论的运用甚至让人们相信机械的决定论思想。直到水星近日点进动的偏差，以及相对论和量子力学的建立才打破对牛顿理论的“迷信”。
（9） 在没被证伪之前，牛顿理论对行星运动过去发生的现象基本都给出了解释。
（10） 用牛顿理论也可以预言日食月食等现象。
（11）牛顿理论指导了很多探空飞行器的设计与制造，甚至帮助人类登上了月球。
让我们从上述认知举例再来简要阐述图1：一个完整的认知流程可以简化为如下3个阶段。
①实验物理（流程的1~5步）
②理论物理（流程的6~8步）
③应用物理（流程的第9~11步）
再简化一点：实验物理和理论物理对应科学探索，将应用物理对应技术应用，从这个角度我们可以更好地理解科学与技术这两个概念。
从这个流程中我们可以清晰地看到物理学怎样从实验走向理论，以及理论和实验的关系，即实验探索为理论构建提供灵感，并证伪错误理论，而理论则预言实验，指导实验。著名的物理学家费米正是沿着这个认知过程从实验物理学家变成了理论物理学家。
从这个流程中我们也可以很好地理解科学探索与技术应用的关系，科学探索为技术应用提供灵感和理论支撑，技术应用的进步反过来拓展了科学探索的认知能力。典型的案例是望远镜、显微镜、电子显微镜、粒子加速器等技术在科学探索中的应用。
物理学史上有很多符合这个认知流程的案例，比如热力学，电磁学等理论的建立，需要注意的是当物理学家积累了足够的认知经验之后，在面对下一个研究对象时，往往会在认知流程上有跳跃，有时甚至理论走在前面，实验变成了验证理论的工具。即使出现了这种情况，遵循以上的认知流程仍然有助于我们的认知理解。
3
什么是物理方法
在物理的教学和科研中，常常强调物理方法，但一般对物理方法的理解往往是片面的，常常局限在严谨推理、分析等数理逻辑方法，很多人甚至由此误解物理的理性思维就是数学的逻辑思维，这种片面理解对中学甚至大学的物理教育都产生了严重影响，为了能够回到正确的教育上来，就有必要对物理方法有本质的了解。
那么什么是物理的方法？物理方法就是物理学家认知的方法，简单说就是物理学家怎么“做事”。物理学家们在认知世界的过程中采用和发明了大量的有效方法，不同认知阶段采用的方法不同，从猜想到严格的数理逻辑都有成功的案例，甚至可以说物理学家“不择手段”地使用各种方法，之所以可以这么做是因为有实验的证伪保证。从这个角度看，其实没有必要研究哪些方法是物理的方法。但是从积极乐观的态度出发，可以从一个完整认知过程中总结出一些常用的方法，来体会一下物理学家的思维方法，特别是有别于数学逻辑的一些思维，这样不仅能为新的研究提供一些借鉴，而且有助于物理教学。如果在物理教学中有意识地培训物理方法，则可以有效培养学生的物理认知能力。图2列出了与认知过程相对应的部分物理方法。
图2与认知流程对应的“不择手段”的物理方法。
注意，之所以可以这样灵活，是靠可证伪性来保证的
观察物理现象时常用分类法。人在观察世界时，如果真的像人工智能一样，靠大数据认知就累死了，不可能对每个对象都建立一套详细认知，然后记住所有的对象，这是人的生理特点决定了的。当然不排除有人记忆能力超强，像江苏卫视《最强大脑》所展示的那样，但即使是他们，大量的记忆过程也是很艰苦的。所以人发明出了一套简单的类比机制来简化认知，这就是分类法的来源。稍微了解一点科学史的人都知道，分类法在自然科学认知中有广泛的应用，比如博物学家的系统分类法。分类法的好处在于，同一类的对象可能有共同的规律，所谓规律是不变的性质，当你解剖一只麻雀了解其结构之后，你就可以猜想所有的鸟类可能都与麻雀的结构差不多，所以有“麻雀虽小，五脏俱全”的说法。然而即使是同一类，比如同为鸟类的麻雀和孔雀，其性质毕竟有所不同，如果关心细节，仍然要分别研究。无论如何，分类法简化了对同一类对象的共同性质的认知，让我们有可能从同一类对象中挑选最简单的那一个进行研究，然后将认知推广到同类其他对象。牛顿之所以对“苹果会下落，月亮却不下落”感到惊奇，就是因为苹果和月亮都是同被地球吸引的同一类对象，性质却看起来完全不同。
挑选研究对象时常用极端简化法、还原论方法。在对同一类研究对象研究时，为了抓住共同本质，最有效的办法当然是挑最简单的研究对象，往往极端条件下的最简单。比如研究天体运动时，如果天体和一个小铁球是同一类对象，显然一个小铁球是更简单的，研究小铁球更容易获得有效的认知，而这个认知可以用来猜测天体运动的规律。在牛顿的理论中，极端法用到了极致，研究对象直接被简化为一个质点，这其实也是理想模型法。如果不得不研究一个复杂对象，但是没有最简化的案例代表，那么可以采用还原论的方法，将复杂物体拆成简单对象的组合，这种方法在整个西方科学体系中是最广为人知的了，物理研究对象最彻底，从最大的宇宙一直拆到最小的夸克、轻子等基本粒子。当然这不是说非拆不可，中国文化中的整体系统研究方法也一样有成功的案例。
明确研究问题时常用主次法，就是常说的抓主要矛盾。挑选到简单的研究对象后，其物理性质往往是非常丰富的，一个最简单的质点，其最基本属性是运动，以及由于运动带来的能量、动量、角动量等属性，这个质点有可能还带电，这样又涉及电性质，而带电电荷运动还涉及磁性质，如果质点再碰上光子散射，可能又涉及光性质，质点在流体中运动，又有流体问题。所以在研究时不得不明确自己的研究问题，即挑选出最想研究的性质，比如如果我们只关心质点的运动性质，那么就不要把电、磁、光、流体等其他性质牵扯进来，通常情况下这种性质也是同一类物体的共同性质。这样的方法可以简单地称为主次法，这种方法一方面简化了问题的复杂度，另一方面不可避免地会带来近似，因为暂时丢弃了一些次要因素。
量化描述时常用类比法、转换法。观察实验现象后，接着要做的就是将观察到的物理性质量化描述，就是定义和观测物理量，这是物理认知走向精确量化、公理化的关键一步。比如观察小球运动，为了描述平动性质，需要定义时间、位移、速度、加速度；为了描述平动状态的改变，定义了惯性质量、动量、力；为了描述转动，定义了周期、角度、角速度、角加速度；为了描述转动状态的改变，定义了转动惯量、角动量、力矩。给出这些定义时，经常用类比的方法，比如位移的概念直接类比人的视觉感受，位移大小可以类比人脚的特征长度；时间的长短可以类比地球自转周期（日）、月球公转周期（月）、地球公转周期（年）；而描述转动的物理量，可以直接类比平动的物理量，当然定义细节上肯定会有差异。而有些物理量无法直接类比，就可以用转换的方法变成可直接测量的，比如温度的概念可以直接类比人的冷暖感受，可是温度大小的测量在水银温度计中就不得不转换为水银长度的测量。现代生命科学、医学、心理学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、聪明程度等都有了量化的方法，仔细去考察其定义，有不少都用了类比法、转换法。
在定义测量了各种物理量之后，接下来希望做的是找到这些量之间的关系，即经验规律，而寻找这些实验规律时常用极端条件法、控制变量法。
为了探索实验规律，就要用各种方法折腾研究对象，观察记录实验现象，比如小球运动，匀速直线、自由落体、斜面下滑、平抛、斜抛。然而，为了找出和需要研究的问题有关的各种因素，往往需要用极端条件。著名的伽利略理想斜面实验中，没有摩擦力的极限条件下运动会如何?牛顿在地球表面平抛小球实验中，让小球的速度越来越大，推到极限会如何?极端低温下测量水银电阻会如何?极端低温下测量液氦会如何?将宇宙压缩回极端高温会如何?两个质子在极端高速下相撞会如何？很多神奇的物理现象都是在极端条件下发现的。为什么要用极端条件法呢？极端条件实际上是将某个因素推到极限，压制其他因素，从而凸显该因素对所研究问题的影响。从另一个角度说，极端条件往往也是认知的边界，突破这个边界自然可能有惊喜。极端条件往往也伴随着极端的技术进步。
寻求物理量之间关系时，如果只有两个物理量当然是简单的，但实际上常常涉及两个以上变量，这时就常常用控制变量法，即控制一部分独立变量不变，只研究两个变量之间的关系。比如热学中气体三定律，其实就是分别控制压强、体积、温度不变时得到的规律。控制变量法实际上对应数学分析中的偏微分。需要注意的是由于得到的是偏微分，所以得到的规律往往很多，而且并不能全面反映各个物理量之间的关系，这时就需要用数学分析的方法根据偏微分列出全微分方程，然后得到各物理量之间的系统化关系，这样经验规律的数量也会急剧减少，即认知会简化许多。
人的认知并不满足于只得到一系列经验规律，尽管经验规律可以有许多应用。实际上由于经验规律往往很多，这对于人的认知来说不够简单、系统，这时物理学家开始探索这些经验规律背后更简单的原因，即追求公理化认知系统，这种认知系统实际上是从数学认知系统借鉴的。如果能从经验规律中找到基本公理，或者假设基本公理，并能只用数理逻辑系统化推导出所有的经验规律，这将是物理认知系统极大的简化与进步，特别是这让我们看起来找到了万物的规律，或者说找到了变化多端的各种现象背后的原因。
为了建立这个理论，第一步要做的事情是建立模型，此时常用理想模型法。常见的如质点、理想气体、点电荷、电流元、理想流体、夸克等等。显然这些模型都是极端理想化的，往往实际并不存在，是同一类研究对象中最能体现共同本质，而又最简单的代表，或者是采用还原论的想法，人为构造出来的理想对象，显然，理想模型法是对实际对象的一种近似法。比如理想气体假设分子间没有相互作用，只有无规则热运动，这显然是研究热现象的最理想对象，而电流元、夸克是用还原论的方法构造的理想模型。当然构造模型时除了用极端简单的理想条件，一定还会有其他如类比、抽象等方法。
建立公理化认知时常用数理逻辑法、简单归纳法、猜想法。一旦建立了模型，就可以围绕这个模型建立公理化认知体系了。显然这时要求模型在逻辑上是严格的，必然要使用基本的数理逻辑方法，比如分析法、综合法、反证法、归纳法等，实际上整套公理化认知都是数理逻辑。公理化体系中，公理选择并不是唯一的，如何选是非常重要的，不同的公理选择可能会导致整个体系看起来截然不同，当然物理量定义不同也会影响公理化体系，选择的一个常用标准是要使得整套公理化体系尽量简化优美。公理可以从已有的经验规律中简单归纳，比如热力学第一定律可以看成是经验规律的总结，这种简单归纳显然不是数学中的完全归纳法，只是简单推广。当然公理也可以用相对严格的数学方法分析得出，比如牛顿是根据开普勒第三定律反推出了引力平方反比律。但简单来说，公理都只是一个猜想，猜想法其实往往是基于研究者以往的经验积累和现有研究对象之间的关联产生的，无论怎么产生出来，我们都假设这是一个公理，然后将其推广适用于同一类的研究对象，其正确与否是和实验检验相关联的，如果是错的，一定会被证伪，所以猜想法只是一种有效思维方式，但并不是严格正确的数学逻辑。有趣的是，这种不怎么严格的简单归纳法、猜想法给我们带来很多认知上的突破，数学中也有很多类似的案例，比如著名的黎曼猜想、庞加莱猜想等。
实验证伪时常用特例法。模型和公理化体系建立后，原则上该研究对象的某一类性质都可以由公理化体系完备自洽描述。自洽性是逻辑的自然要求，而完备性则是能推导出该研究对象的所有相关性质，这样一来就可以对研究对象的行为进行预言了，而这些预言可以用实验来检验。受限于实验条件或者理论推导的困难程度，这些预言往往是针对一些极端的特例，比如广义相对论预言日食时星光偏转，统计物理预言低温时玻色爱因斯坦凝聚等等。尽管只是特例，但只要实验与理论不符合，就可以直接证伪理论，这正是自然科学理论需要有可证伪性的原因。因为通常没有办法穷尽所有可能的验证，所以特例法证伪是物理认知不得不采用的一种有效认知方法。
而在应用物理中，无论是解释以前发生过的现象，还是预言将会发生的现象，甚至包括技术发明创造，其常用的方法都是类比、逻辑推理等方法。一旦理论被实验检验过，暂时还没错，那么就可以应用了，其实即使没有明确的理论，只有实验经验规律的情况下，也是可以直接应用的。而应用时常用的方法就是类比，找到一个差不多的研究对象就套上去试试，有时类比不是那么直接，那就需要做一点逻辑推理。在做技术应用时，需要做的类比就更多，要将不同研究对象的特性都类比应用到同一个对象上，比如手机的功能就集成了相机、电脑、电话等各种功能，再本质一点，需要类比应用力学、热学、电磁学、光学、量子力学等理论。
理解了物理的认知方法及其产生的背景，我们就应该明白物理方法的训练一定是结合认知过程展开的，不遵循这个规律，就会产生许多问题。例如，部分学校的高中物理教育基本忽略了认知过程，直接跳到认知应用阶段，其实大量训练的就是认知应用方法，因为不少老师认为为了应付高考，就需要大量做习题训练来提高答题能力，而做题的过程就是记住已有的公理化理论，然后反复应用到题目设定的场景中，这其实就是应用思维训练。这显然是不对的，是非常片面的，不利于学生整体认知方法的训练，事实上，按照整个认知流程来训练，解题需要的方法和能力都已经包含其中，考试自然会更好，早期的物理题目实际上就是简化了的物理研究，今天这样的题目已经很少了。
而现在流行的创新教育，其强调的也是应用思维教育，比如创新创业，指的都是应用，但实际上，没有前面的认知教育，创新教育就是无根之树。
需要注意的是，物理的认知方法，有的被反复地使用，具有普适性，称为常规方法，有些方法只有特定的人采用，或者适用特定的研究对象，称为非常规方法。常规方法是可以通过物理教育训练的，非常规方法需要做物理认知的人自我训练和不断发展新的有效方法。所以在物理教育中，既要通过大班教学、小班讨论等方式训练常规物理方法，同时又要给学生充分自由的环境发展其特有的非常规方法。
理解了物理认知过程中的物理方法，就能明白物理教育的重要性，一方面物理方法比数学的抽象逻辑方法更灵活，另一方面物理认知比一般学科的认知更完整，所以物理教育事实上能训练人的全面认知能力，也就是常说的科学方法、科学素养。
4
什么是物理精神
什么是物理精神？这个概念并不是很普及，一般更容易想到的是科学精神，由于这个概念已经被上升到哲学层面，过于复杂，所以尽管物理精神和科学精神有很多共同之处，这里仅限于讨论物理精神，而不涉及其他领域。最近开始流行批判精神、怀疑精神等所谓科学精神，甚至一些高校的本科通识教育改革中要求在课程中讲授批判怀疑精神。然而什么是批判怀疑精神？大家真的理解吗？是怀疑了，批判了就有这种精神了吗？现实中不少人为了批判而批判，为了怀疑而怀疑，最后演变成了人身攻击。如何正确地理解像批判精神这样的物理精神？这需要回到物理的本源，即物理认知过程上，去寻求一些理解。
什么是物理精神?物理精神就是物理学家在认知过程中形成的独立人格精神，简单说就是物理学家如何“做人”。物理学家们在认知世界的过程中发明了大量有效的方法，形成了物理方法，利用这些物理方法，物理学家构建了对世界的认知，而认知的过程和结果又深刻影响了物理学家自身的行为和思想，认知者会反省自身，形成对自身的约束和要求，形成了物理精神，物理方法和物理精神构成了物理文化，这深深影响了人类的发展进程。
物理精神可以例举出许多，然而这些精神并不是孤立存在的，是有关联、有层次的。物理精神的建立都是围绕如何更好地建立物理认知而发展起来的，而随着认知的不断深入，物理精神也衍生出了层级结构，这里我们力图简化处理这些问题，所以只讨论了比较重要的一些物理精神，有不严谨之处。图3给出了一个示意图，追求真理、积极乐观、协作精神是在认知过程中随着认知的发展而逐渐建立起来的第一层级的精神，而每一种精神又会继续衍生出新的精神。
图3追求真理、积极乐观、协作精神是第一层级的物理精神
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，这是物理学家的基本信仰。从物理的定义中能看出物理认知的目的就是形成尽可能准确的系统化理论，特别是对整个世界的一个统一解释。在认知的各个环节中，都体现了物理学家的这种追求，求真的精神衍生出了一系列精神，如图4所示。
图4追求真理的精神会衍生出其他精神
客观的实事求是精神。这是客观研究对象的性质决定的，对自己不诚实、对研究对象观察、描述、研究的不诚实都会被实验无情地证伪。
独立思考与怀疑的精神。这是因为人天生有各种缺陷，可能会犯各种错，再加上物理认知是可证伪认知，所以为了建立自己的认知，不得不坚持独立思考与怀疑，怀疑是为了更好的思考，修正错误，突破认知边界，逐渐逼近真理。之所以每个人都可以独立思考和怀疑，是因为研究对象的客观性决定了不同人的独立思考可以相互参考、达成共识，这与人文领域是有所不同的。现在有些人误解了怀疑精神，将其片面地理解为批判精神，凡事必批判，还演变成了对人的攻击，这是非常不合适的。物理中的怀疑精神仅是为了更好的思考，因为如果停止怀疑，就会停止思考。事实上，怀疑是非常积极的思考方式，可以从各个角度激发新的认知，刺激探索的欲望，拓展认知的边界，如果仅仅为了批判而批判，怀疑而怀疑，而不能提供新的认知，那不是真正的怀疑精神。
严谨的分析精神。这是大家熟悉的精神，是与数理逻辑相关联的，在使用分析法、综合法、反证法、归纳法等数理逻辑时，严谨的分析精神是必然的。
寻根究底的精神。由于物理认知追求的是整个宇宙的本质规律，这就决定了物理学家的思想绝不会停留在现象的表面，而是会不断挖掘现象背后更本质的原因，比如对于四大基本相互作用，物理学家的终极追求就是大统一理论。这种思维习惯让物理学家养成不停追问“为什么”的习惯，形成了寻根究底的精神。
锲而不舍的精神。物理认知其实是艰难的，简单回顾一下物理学史，就知道对一个研究对象建立认知的过程往往需要多代人的努力，牛顿力学体系经历了上千年的积累才完成，量子力学的建立也用了近百年的时间，没有执着的锲而不舍的精神是无法完成这样的成就的。简单调查一下物理学前辈以及现在的物理学家们的工作习惯和工作时间，就会发现他们几乎就是勤奋的代名词，他们在自己研究领域的坚持，才完成了物理认知的不断积累。
4.2
积极乐观的精神
物理学家尽管追求的是终极真理，但事实上由于各种限制，物理认知只是有效认知，这就让物理学家们发展出了积极乐观主义精神，由此又衍生出了一系列精神，如图5所示。对于物理学家来说，积极乐观就是想法设法向真理迈进一步。比如选择相信这个世界可能会有大统一理论，因为如果不相信，就不会付出努力，也就没有结果，这其实是一种积极乐观精神。其实怀疑的精神也可看作是一种积极乐观精神，因为如果不怀疑，就会停止思考，从而也无法有新的发现，选择怀疑就是选择了更积极的做法。需要注意的是，这不是简单的盲目乐观主义，而是要在乐观的态度下积极想办法前进。
图5积极乐观的精神会衍生出其他精神
不怕失败、勇于尝试的探索精神。从物理认知的历史可以发现，认知过程中常常伴随着大量的失败，正是积极乐观的精神，让物理学家们不怕失败，勇于尝试，不断探索物理的未知领域。比如对受控核聚变的研究，即使国家点火装置（NIF）遭受了挫折，物理学家们也不会停止探索的步伐。这里需要注意的是，失败不是成功之母，成功才是成功之母，失败的经验是知道这样做不可能成功，而成功则是知道这样做可能成功，认知的道路是不断积累成功的案例，模仿成功的经验，取得认知的突破。
可证伪的实证主义精神。物理学家追求的是真理，但有趣的是无论从认知规律上，还是从认知逻辑上，都不能确保认知的结果是真理，用悲观的观点看，物理的研究从根本上说无意义，但物理学家采用了积极乐观的精神，退一步寻求有效理论，来不断逼近真理，并用可证伪的实证方法来检验认知的有效性，这就让物理学家们养成了实证主义精神。然而正是这样一种积极乐观退而求其次的实证主义精神帮助人类在物理认知上取得了巨大的进步，以至于不少人误解物理是真理，甚至迷信物理，或者说迷信科学。
包容的开放精神。物理是对未知的探索，未知充满各种可能，包容的开放精神让我们有可能抓到通往真理的线索，当然还需要严谨的分析精神剔除无效的线索。另一方面，物理认知的探索又是非常艰难的，充满不确定性，应该包容失败，采取开放的态度对待探索中的各种问题。
小目标精神。物理认知的终极目标是宏伟的，然而现实是每个人的能力是有限的，对于每个人来讲，目标定的过于远大，实际上不可能实现，这时就需要改变策略，定一个通过适当努力就可以实现的小目标，不断实现小目标，积累下来就是大的进步，这实际上也是积极乐观主义精神的一种体现，更重要的是这种不断成功的正反馈会给物理学家带来强烈的自信和成就感，从而成为重要的认知驱动。
4.3
协作精神
物理学家在认知过程中，会发现自身认知能力有限，这时就需要不断和他人合作，这时又发展出了协作精神。协作精神又可以衍生出许多精神，如图6所示。协作精神不是物理人特有的，其他学科也需要协作精神，但物理的协作精神由于有了认知上的可证伪保证，相对来说是比较有效的。
图6协作精神会衍生出其他精神，最重要的是公正精神
协作精神中最重要的一条是公正精神，就是客观公正地评价和尊重他人的认知贡献。事实上，没有这一点就无法建立人和人之间的信任，也就无法合作。物理论文引用系统的建立，同行评议机制的建立等等，都是公正精神的具体体现。
在协作中是需要协商决策问题的，这时民主精神相对是最有效的。至少各种可能的意见都可以平等地表达出来，大家有知情权和选择权。对于一个成熟的物理人社区，民主方式往往是最有效的，例如教授治校的教授会制度等等。但对于进入一个全新认知领域的协作，或者不成熟的物理人社区协作，则要小心民主陷阱。
这里并没有给出所有的物理精神，只是列举了一些重要的典型的物理精神，这些精神都是在物理认知过程中，逐渐发展出来的对做人的要求，这和做事的要求一样，都是为了建立起一个人对世界的有效认知，物理精神和物理方法一起构成了物理文化，这正是物理学家对世界进行认知给我们带来的精神财富。
需要注意的是以上列出的是相对普适性较强的物理精神，学生可以通过接受物理教育而具备这些精神，而有些精神则取决于特定的文化背景和个人特质。这就是为什么我们可以培养物理学工作者，但是不能直接培养出一个爱因斯坦的原因。但是一旦有了物理方法和精神形成的物理文化环境，爱因斯坦们，诺贝尔奖获得者们会自己长出来。
5
总结
综上可以看出，从物理认知的起点出发，就能理解什么是物理，物理认知是如何建立的，物理方法、物理精神是如何在认知过程中形成的，即物理学家是如何做事、做人的，而这些构成了物理文化的核心。物理学家们正是在这样的文化基础上组成了物理社区，形成了物理学家的共同体，这种共同体甚至是跨越国界的。关于物理的学习、教育、研究、政策制定等相关的问题，原则上由此出发去思考会有助于找到解决问题的方法。
物理文化的核心是建立有效认知，物理教学与研究实际上都是完整认知过程的训练，需要经历实验物理、理论物理、应用物理，这个过程中不仅能学习有效的物理方法，还能养成物理精神。从这个角度说，物理教育实际上代表了自然科学教育，应该在国民教育体系中占有更重要的地位，而不是变成选考科目。应试教育最大的问题是只进行应用物理的思维训练，忽略了实验物理、理论物理中探索创新思维的训练。对于著名的钱学森之问：“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”尽管可能有各种其他的因素，但从物理认知规律的角度来看，我们也许可以知道答案了。如果能在物理教学和研究中回到物理定义的本质，从认知的起点出发，有意识地遵循认知过程的规律，相信对人才培养和科学研究都会起到有益的推动作用。
另一方面，物理教育的价值还在于，一旦学生通过物理教育具备了认知能力，就可以对世界认知，形成世界观，对人生认知，形成人生观，对什么是重要的认知，形成价值观。一旦有了独立的认知，就不再会轻信他人，这时就具备了怀疑和批判的能力，会了解自己想做什么，能做什么，会独立选择该做什么，不该做什么，只有这样才能称为有独立的人格。这正是蔡元培先生说的“人格”教育的基础，没有认知能力，不可能奢谈人格。因为这些认知能力，人才具备了基本尊严。为什么要用物理的认知方式？因为这是迄今为止人类最有效的认知方式。
希望能有更多的人理解什么是物理及物理文化，从而在物理教学中传递物理文化，在物理研究中发展物理文化，在政策制定中保护物理文化，在国民大众中普及物理文化。
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