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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

摘要:对于普通人来说,物理是什么?是那门最难学的学科?是只有理性思维、拒绝主观情感的学科?是枯燥的理论和难解的题目的综合体?可是,在物理学者眼里,物理却是那样的迷人。中国科学院院士、清华大学物理系教授朱邦芬,围绕什么是物理学、为什么要学物理学、物理学的未来三个方面,分享他对物理的看法,带领你走进别样的物理世界。

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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)我自己理解物理学

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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。

责任编辑:叶其英校对:杨雪最后修改:
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