什么是物理学 为什么要学物理——物理学的过去、现在和未来

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。