《三体》中，杨冬说过一句经典：“物理学，不存在了”。
Netflix版《三体》的上映，让这部备受期待的改编剧也备受争议，槽点云集，然而能够带来这么大的讨论度，可见这部小说的生命力远不会止步于此。
或许刘慈欣天马行空般的思路而借由杨冬说出的这句话给无数人一击当头棒喝，基于一切自然科学的基础，轰然崩塌，无数人的信念也随之崩溃。作为小说而言，堪称经典；而对于对物理史略显生疏的我们而言，或许有一些云里雾里。
而北京大学元培学院物理学、密西根大学高能理论物理博士赵智沉的《什么是物理：用物理学的视角看世界》一书，从经典物理到近代物理，用生动通俗的语言描述了搭建物理学大厦的每一步，或许可以给你带来一点”啸啸“的震撼。
来源 | 《什么是物理：用物理学的视角看世界》（套装两册）
作者 | 赵智沉
文章 | 什么是物理学
孩子们总是充满好奇心，盯着大人问“为什么”。有些问题会让大人哑口无言，因为他们自己也解释不清楚。大人不再追问“为什么”，不是因为他们什么都懂，而是因为时间长了，见怪不怪，不再求索。
但是，有这么一批“大孩子”，弄不清楚“为什么”，就会寝食难安。他们非得解释宇宙万物，弄清楚背后的规律和原理。这些“大孩子”，就是物理学家。
你是否思考过：
● 为什么雨后会出现彩虹？彩虹的颜色从何而来？
● 火箭和热气球没有翅膀，为什么会飞？
● 针可以浮在水面上吗？
● 为什么有热胀冷缩现象？
● 如何在不敲碎蛋壳的情况下辨别生鸡蛋和熟鸡蛋？
● 为什么镜子里的自己左右相反，但上下不颠倒？
● 为什么火车经过时，汽笛音调会突然降低？
● 怎么折纸飞机才能飞得远？
● 时间有开端吗？有的话，时间开始之前又是什么？
● 宇宙有边界吗？
● 光有重量吗？
如果你对这些问题感到困惑和好奇，那么你一定会喜欢上物理学，因为物理学恰恰是探索这些问题的学科。
到底什么是物理学？我们很难给出严格的定义——或许读完本书后，你会给出自己的回答。在开篇，我们通过另外两个问题来探寻物理学的边界和内涵。
1第一个问题：什么不是物理学？数学不是物理学。数学研究的是抽象的数、图形、逻辑之间的关系，与我们观察到的世界没有必然联系。无论苹果是掉到地上还是飞到天上，无论是热胀冷缩还是热缩冷胀，一加一都等于二。
尽管物理学非常依赖数学来表述它的理论，但数学是一门不依赖感官经验的学科。
政治学、社会学、心理学、生理学、生物学……都不是物理学。这些学科通常与人有着非常紧密的关系，它们研究人和社会是怎么运作的。
人是非常复杂的生物，而生物又是非常复杂的自然现象，研究它们的方法和物理学差别很大。它们不在物理学研究的范围里，但与物理学紧密相关。
神话传说不是物理学。中国古代用雷公电母解释打雷和闪电，用女娲补天解释世界起源；古希腊神话中有智慧之神、时间之神等。这些神话传说通常用来解释各种自然现象，但它们都不是物理学。
物理学不仅要解释为什么会有打雷和闪电的现象，还要用同样的理论准确预测明天会不会打雷闪电。雷公电母只能解释现象，无法预测未来。
宗教信仰不是物理学。《圣经》、佛经等都有一套世界体系和运行逻辑，但这些解释依赖许多超出人类感官范围的概念，比如来世、今生、上帝、天堂、地狱等。这些概念既无法被感知，也无法提供精准的预言。
值得一提的是，在物理学理论的发展过程中，人们总会构造一些超出当时观测能力的，甚至原则上无法被直接观测到的概念和模型（如基本粒子、量子力学里的波函数）。不同于宗教中的超世概念，这些模型作为理论的内核，服务于可以被实验所验证的预言。
下面讲一个关于引力波的故事。2015 年 9 月 14 日，人类第一次探测到引力波。引力波是广义相对论预言的一种现象。该理论认为，万有引力不是静止的，而是会像水一样波动。两个巨大的天体碰撞，引力场会发生振荡，就像把一颗石头扔到水里，产生的涟漪会一圈一圈地向四周扩散。
但是，这个效应非常非常微弱，需要极其灵敏的仪器和强大的计算机才能观测到。早在十几亿年前，两个巨大的黑洞在万有引力的作用下靠近、剧烈碰撞，引发了巨大的引力波。这个时空涟漪旅行了十几亿年后抵达地球，被横跨美国的两个探测器几乎同时观测到。
这一消息让全世界的物理学家沸腾，因为它非常精确地验证了爱因斯坦在 100 年前构建的理论。
物理学不仅要解释已经发生过的现象，还要对暂时没有被观察到的现象做出预测。检验物理理论是否正确，需要在未来漫长的时间里不断通过实验和观测去验证理论做出的预测。
2 第二个问题：物理学的研究对象有哪些？物理学研究运动和力，研究物体之间的相互作用力如何影响物体的形态和运动轨迹。
力学研究地球如何自转和公转，研究物体碰撞之后的运动轨迹，研究水波如何扩散，研究潮汐现象。力学还研究大楼应该如何设计，选用什么材料才能使大楼在风雨中屹立不倒。除了这些地面上的运动，物理学还研究天上的运动，包括行星的运动规律，发生日食、月食的时间，人造卫星的轨道，等等。
物理学研究光。地球之所以有白天和黑夜，是因为光从太阳照射到地面。光是怎么运动的？它有没有重量？光为什么有不同颜色？彩虹的颜色为什么是这样的顺序？有没有看不见的光？ X -光、激光是怎么回事？这些都属于光学现象。
物理学研究声音。人之所以能在手机上听到别人发来的语音留言，是因为声音从一个人的嘴里传到麦克风，以一种方式被记录下来，传到网上存储起来。当你接听语音留言时，手机会从网上下载并播放录音文件，声音从喇叭传到你的耳朵里。
在这个过程中，声音是如何产生、存储和传播的？为什么乐器会演奏出高低不同的声音？不同的乐器在演奏同一个音阶时，为什么有不同的音色之分？这些都属于声学现象。
物理学研究热。为什么夏天热、冬天冷？为什么摩擦双手可以让手变热？为什么站在熊熊燃烧的篝火旁边会感受到热？热是如何产生、如何扩散的？为什么有热胀冷缩现象？这些都是热学的研究内容。
物理学研究电。自然界中有很多关于电的现象，比如闪电，又比如冬天脱毛衣会听到噼里啪啦的声音，再比如在干燥的冬天摸金属表面时手会被电一下——这些都属于电现象。
电已经是日常生活最不可或缺的基本资源，也是现代文明的“血液”。如果一座城市没有预兆地发生大规模停电，那么恐怕整座城市都会陷入混乱。
物理学研究磁。磁铁同极相斥、异极相吸。指南针的一头总会指向地球的南极。指南针的工作原理是什么？为什么两块磁铁不接触也会产生巨大的吸引力或排斥力？这些都属于磁现象。
自然界中还有一大类现象，属于物质之间的转化，比如木材燃烧成灰烬，铁生锈，强酸腐蚀金属，死去的动植物腐烂等。
早在古希腊时期，这些现象与其他物理现象的理论界限比较模糊；随着经典物理大厦的建立，炼金术主导了这类现象的研究，形成一种与机械宇宙观分庭抗礼的世界图景。
随着原子理论的完善，人们掌握了这类现象背后的物理原理，现代化学、医学、微生物学建立起来，这类现象就在现代科学体系中找到了自己的位置。此时，这些现象已经不再基本，也就不属于物理学的研究范围。
在物理学家看来，世界由很多客观现象构成。物理学家的工作，首先是搜集这些现象，从中归纳出最基本的现象，寻找它们之间的关联。
这好比玩拼图游戏，第一步是把所有散乱的拼图块放在一起，按照相似的颜色、形状归类整理。之后，物理学家通过一些简单的原则寻找关联，然后进一步寻找更深层次的联系——就像在拼图时把小片连成大片，最后把大片连在一起。物理学家的终极梦想，是对世界有完整且统一的认识。
说到物理学家，也许你的脑子里会冒出一些人名。艾萨克·牛顿（Isaac Newton）可能是最有名的物理学家。他最广为人知的故事是：有一天他坐在院子里休息，看到一颗苹果从树上掉到地上，然后发现了著名的万有引力定律。其实事实远没有这么简单。
目前科学史研究更倾向于认为苹果树的故事是后人杜撰的。但可以确定的是，牛顿长期思考了很多关于天体运动的问题：地球、火星、金星、水星、土星为什么绕着太阳转？月球又为什么绕着地球转？各个行星绕太阳转的速度为什么不一样？而且，牛顿相信，支配地面重力的规律，和支配天体运行的规律，其实是一回事。
经过计算和推导，他在旷世名著《自然哲学的数学原理》（MathematicalPrinciples of Natural Philosophy）中阐述了万有引力定律，并以此为基础计算出行星轨道。
万有引力定律是伟大的发现。它不仅精确地描述了引力的大小与物体质量和距离的关系，还揭示了一个惊人的事实：整个宇宙中的事物，小到苹果，大到星球，它们背后的规律竟然是一样的。在牛顿看来，上帝用同一种语言来书写宇宙，这是物理学最令人震惊的地方。
物理学是一座大厦，大厦的居民是自然界中的一切物理现象。这些居民不是杂乱无章地分布在大厦里，而是被物理学家分门别类地安排在每个房间里。这座大厦的地基是力学，在此基础上发展出声学、光学、热学和电磁学。大厦结构严密、稳固，能经受来自实验的各种考验。这座大厦被称为“经典物理学”。
在经典物理学大厦即将完工之时，一些细心的建造者发现了一些问题：大厦出现了两条难以弥补的裂缝。在这里修复好了，裂缝就会在另一个地方冒出来。无论怎么修复，都无法彻底弥补这两条裂缝。但是，物理学大厦是容不得丝毫裂缝的，物理学家都是苛求完美的建筑师。
物理学家做了各种尝试了，最终悲哀地发现这两条裂缝来自地基深处。只有将牛顿奠定的地基打掉重建，才可能构建新的、完美的物理学大厦。
这就是发生在一百多年前的物理学革命。物理学家发现牛顿经典力学是有局限的，它只能解释速度不太快、尺寸不太小的现象，比如星体、人、苹果等。高速世界和微观世界受另一套规律支配着。
在经典物理面临危机之时，包括爱因斯坦在内的一大批青年豪杰前赴后继地提出新颖奇特的理论来重塑物理学大厦的地基，从而催生了相对论、量子力学和量子场论。
狭义相对论揭示了接近光速的运动规律；量子力学展示了接近原子尺寸的微观世界图景；量子场论将两者结合了起来。除此之外，广义相对论取代了牛顿的万有引力定律，成为描述引力的基础理论。
今天，新的物理学大厦还在建造和完善中，仍存在不少瑕疵，不过所幸没有发现致命缺陷。我们的世界处于比较统一的图景之中。不论运动速度快慢，不论尺寸大小，我们总能找到一个相应的理论来解释它们，这些理论通过数学联系起来，成为一幅完整的大拼图。
不过拼图的比喻有三个值得探讨的问题：第一，物理学探讨的是世界的真实样貌，而不仅仅是对感官现象的整理和预测；第二，似乎物理学研究的现象本身就静静地躺在大厦的某个隐蔽角落里，等待人们去发现；第三，物理学的工作似乎有尽头，也就是拼图拼完的那一刻。
仔细品味引力波的故事，我们会发现，很多所谓“新现象”是依赖于既定理论的，甚至是由理论衍生出来的。引力波是广义相对论的预言，如果没有后者，人们就没有“引力波”这个概念，更不会想到去探测它。今天的新物理学现象，都是在已有的理论基础上向外拓展，而不是朴素、纯粹的“原初感知”。
如果有一个古希腊先贤穿越到今天，他会觉得“氢原子的吸收光谱是离散的”这种事情是天方夜谭，而不会觉得“这真是一个有趣的现象啊”。于是，为了解释现象，人们构造新理论，而新理论本身又有催生新现象的潜力。物理学不是一个被动发现的过程，而是在和世界的交互过程中不断生长的过程。
此外，世界的“真实样貌”对物理学理论而言是不是合理和必要的，这个问题在量子力学诞生后引发了激烈的讨论。这些问题多少超出了物理学的范畴，触及了科学哲学。
转自图灵新知，节选自《什么是物理》，【遇见数学】已获转发许可。
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作者：赵智沉
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