悟物穷理——物理学的精髓在于实验的精神
悟物穷理——物理学的精髓在于实验的精神
悟物穷理——物理学的精髓在于实验的精神   
什么是物理学?考察“物理学”一词的来源可以发现,“物理学”最初叫做“格物学”、“格致学”.我国古人很早就掌握了物理知识,譬如用杠杆原理制秤,但这些原理始终停留在原始阶段,没能发展成一门学科.晚清开洋务,曾国藩在上海办江南办制造局,翻译此类书籍,当时称之为“格致”----即格物致知.“物理”一词大约于20世纪初由日本传入,早期的物理学者西学归来,中国才有了近代物理学.虽然“物理”一词的使用可以追溯到十分久远的年代,但作为学科的“物理学”一词的使用却是1900年才开始的.在正式使用“物理学”这个名词之前,晚清时期曾经一度使用“格致”或“格物”统称包括声、光、电在内的自然科学.“格致”或“格物”也就是所谓的“格物致知”,语出自中国传统教育里最重要的书---“四书”之一的《礼记·大学》,《大学》说:“致知在格物,物格而后知至.”这里的意思是:只有反复思考推究,才能明了“物之本末,事之始终”.
熟通人性,能够创造一种万众一心的氛围,开辟使人的潜能得到最大限度发挥的路径;通明事理,为理解纷纭复杂的事项提供亮点,可以不断发现更好的求解之道.《大学章句》释经一章说:“格,至也.物,犹事也.穷至事物之理,欲其极处无不到也.”后世对这句话虽有不同的解释,然而总的来欢乐颂经典台词
说是指穷尽事物的原理而获得知识.因此,从这个意义上来说,“格致”或“格物”与“物理”即“事物之理”的含义是相同的.但晚清使用的“格致”或“格物”则是专门指自然科学知识.后来化学从中分出去,于是“格物学”和“格致学”就进一步缩小了范围,专门代表近代科学意义上的物理学了.
1900年,上海江南制造局译刊《物理学》一书,书名袭用了日文名称即日文汉字而未作改变.该书原系日本物理学家饭盛挺造(1851-1916)编撰;中文译本由日本东洋学家藤田丰八(1870-1929)翻译,我国学者王季烈(1873-1952)重编.这是在我国首次正式使用“物理学”一词作为学科的名称.数年之后,在我国终于逐渐统一采用了具有近代学科含义的学科名称“物理学”.
但是传统的中国教育并不是重视真正的“格物”和“致知”.这可能是因为传统教育的目的并不是寻求新知识,而是适应一个固定的社会制度.《大学》本身就说,格物致知的目的,是使人能达到诚意、正心、修身、齐家、治国的田地,从而追求儒家的最高理想平天下. 格物致知的真正意义便被埋没了.
明朝的大理论家王阳明,他的思想可以代表传统儒家对实验的态度.有一次王阳明依照《大学》的指示,先从“格物”做起.他决定要“格”院子里的竹子.于是他搬了一条凳子坐在院子里,面
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对着竹子硬想了七天,结果因为头痛而宣告失败.这位先生明明是把观察外界误认为探讨自己.王阳明的观点,在当时的社会环境里是可以理解的.因为儒家传统的看法认为天下有不变的真理,而真理是“圣人”从内心领悟的.圣人知道真理以后,就传给一般人,所以经书上的道理是可“推之于四海,传之于万世”的.这种观点,经验告诉我们,是不能适用于现在的世界的.对“致知在格物，物格而后知至”真正意义的理解，宋·洪迈《容斋随笔旧序》有：“因命纹梓，播之方兴，以弘博雅之君子，而凡志于格物致知者，资之亦可以穷天下之理云。”严复《原强》曰：“顾彼西洋以格物致知为学问本始，中国非不尔云也，独何以民智之相越乃如此耶？”美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丁肇中先生说：“格：推究。致：获得。‘致知在格物，格物而后知至’意谓推究事物，方能获得事物的知识。一个人教育的出发点是‘格致’和‘致知’，就是说，从探察物体而得到知识。用这个名词描写现代学术发展是再适当也没有了。现代学术的基础就是实地的探索，就是我们现在所谓的实验。”格物致知，实际指明了物理学是一门以实验为主的一门学科。
丁肇中先生指出：实验精神在科学上是最为重要的。科学进展的历史告诉我们，新的知识只能通过实地实验而得到，不是由自我检讨或哲理的清淡就可求到的。实验的过程不是消极的观察，而是积极的、有计划的探测。比如，我们要知道竹子的性质，就要特别栽种竹
子，以研究它生长的过程，要把竹子切下来拿到显微镜下去观察，决不是袖手旁观就可以得到知识的。实验的过程不是毫无选择的测量，它需要有小心具体的计划。特别重要的，是要有一个适当的目标，以作为整个探索过程的向导。至于这目标怎样选定，就是要靠实验者的判断力和灵感。一个成功的实验需要的是眼光、勇气和毅力。
我们已经知道，物理学的特点具有以下五个方面：（1）物理学是一门实验的科学，它的根基是实验，一切理论都要以实验作为惟一的检验者。（2）物理学是一门严密的理论科学，它以物理概念为基石，以物理学定律为主干，建立了经典物理学与现代物理学及其各分支的严密的逻辑体系。（3）物理学是一门定量的精密科学，从物理概念转变为物理量开始，它利用种种数学表述手段为理论与实践（实验）开辟道路，使物理学的结论可随时加以严格检验。（4）物理学是一门研究物质运动形式的一般规律及其应用的十分广泛的基础学科，它是其他自然科学和各种工程技术、国民经济各生产部门特别是现代新技术革命的基础。（5）物理学从它的早期萌芽到近现代发展，都以它丰富的方法论、世界观等充满哲理的物理思想影响着人们的思想、观点和方法，影响着社会思潮和社会生活，因此，物理学曾被称为“自然哲学”，“科学方法论的典范”，“辩证唯物主义哲学的科学基础”，“现代科学哲学的支柱”等等。换句话说，物理学的学科结构中要有实验基础、逻辑体系、数学表达、思
想方法、应用价值五种基本成分。其中，一个十分重要的本质特征是，物理学的任何知识，不论是现象、事实、概念、物理量、定律、理论等，都必然涉及实验、物理思想（或逻辑方法）和数学（定量表述或数学公式）三个基本因素。
在物理学的五大特点中，物理实验在创建、检验和拓展物理理论中均具有重要作用。物理实验是物理理论建立的基础，任何物理理论都不可能脱离物理实验事实而建立起来。如物理学的几大理论中，牛顿力学是在伽利略、笛卡儿和惠更斯等人关于落体运动、碰撞、单摆以及圆周运动的研究基础上概括总结出来的；麦克斯韦的电磁理论是在库仑定律、安培定律和法拉第实验研究的基础上建立起来的；热现象的宏观理论是在大量实验事实支持的热力学基础上建立起来的；热现象的微观理论即统计物理则是在分子热运动的事实基础上建立起来的；量子力学是在微观粒子的波粒二象性以及原子现象的量子性等事实的基础上建立起来的；而狭义相对论虽然是爱因斯坦从物理学的时间空间等更基本的物理概念的和谐性考虑建立起来的，但是，当时各种相关理论关于以太的种种实验的解释呈现出相互矛盾的状况，而惟有爱因斯坦的狭义相对论得到所有实验的和谐支持，因而狭义相对论具有坚实的实验基础，从而被物理学界普遍接受。
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物理实验是物理理论的检验标准，物理理论是以演绎的方法用数学语言来表达的知识系统，在演绎过程中总还可能有某种难以预料的情况没有考虑到，以致凭借某种习惯的思想方法推演的某种理论，还需要经过实验进一步检验。那些与实验一致的理论将被存留，而那些被实验证伪的理论将被抛弃。例如，19世纪中叶，关于电磁理论有两种学派，它们都是以库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律为基础建立起来的。德国的韦伯和诺埃曼从超距作用观点出发，发展了超距作用电磁理论；英国的麦克斯韦从法拉第的场观念出发，发展了电磁理论。虽然韦伯和诺埃曼的超距作用理论是极为精巧的，在电磁学方面也取得了很大进展，但是没有预言什么新的结果；而麦克斯韦电磁场理论除了吸取韦伯理论的合理内容之外，还预言了电磁波。1887年赫兹的电磁波实验终于证明了麦克斯韦电磁场理论的正确性。可见，一个理论的合理性就在于基本理论是经过实验检验的，归根到底，新理论还是要受到实验的检验。
物理实验有助于开拓新的研究领域，由于物理实验开发性大，受逻辑思维的束缚较少，因此，它可以凭借某种直接联想，设计实验探索新现象或捕捉自然中偶然发生的新现象。在物理学发展史中这样的事例是很多的。奥斯特相信自然力的相互联系，他所做的电磁感应实验发现了电与磁之间的联系，从而开拓可电磁学研究的广泛领域；凭借敏锐的洞察力，
伦琴发现X射线，贝克勒尔发现放射性现象，都使物理学研究进入了崭新的领域；近代，半导体掺杂性能的发现和半导体器件的发明以及激光器的制成等等，都使物理学乃至科学技术有了突飞猛进的发展。在物理学发展过程中，常常出现这样的情况：某人的某个实验发现了某个新现象，立即有许多物理学家蜂拥而至，或者验证其现象的真实性，或者在其邻近的条件下再做实验试图发现更多的新现象，或者寻、建立新的理论来概括新现象，从而带来实验研究和理论研究的繁荣。1986年米勒（K.A.Muller）和贝德罗兹（J.G.Bednorz）关于高温超导体的发现，导致世界范围内出现研究超导体的热潮就是证明。
实验是启迪物理思想的源泉，有些物理思想原本没有，而是在解释物理实验的基础上涌现出来的。物理实验给物理理论工作者以重要启示，引导物理理论研究沿着正确的方向发展。例如，法拉第通过实验发现在带电体之间插入电介质会影响带电体之间的电力强度，以及导体在磁体附近运动可产生电磁感应现象，使他相信在带电体或电磁体周围附近存在某种特殊的状态，进而凝聚出关于场的概念，引导麦克斯韦建立电磁场理论；普朗克在解释黑体辐射实验规律中萌发出能量量子化的思想，引导了量子物理的诞生；乌伦贝克和哥德斯特为解释碱金属原子光谱的双线结构及反常塞曼效应，滋生出电子自旋概念，扩充了勃勃生机的意思
量子力学的内容，等等。照此看来，物理学的精髓在于培养实验精神。物理学是一门实验的学科，加强实验能力的培养和训练是一个科学工作者的“必修课”。从宋代理学家程颐开始，把格物致知作为认识论的重要问题，程颐认为格物就是就物而穷其理，格物的途径主要是读书讨论，应事接物之类。格物致知的过程，就是一个体认人所固有的理的过程。程颐还提出“格物致知”主要是“察之于身”、“反求诸身”，其弟子杨时进而提出格物即是“反身”之学。程颐认为自我本身已蕴含“天理”，须是通过“格物”而获得。程颐云：“致知在格物，非由外烁我也，我固有之也。因物有迁，迷而不知，则天理灭矣，故圣人欲格之。”“学贵于自得，得非外也，故曰自得。”“自得”即反身而求。通过自身的省察反思而明理。这种反思，主要是内在的体验。
朱熹是历史上一位有相当成就的自然科学家，他认为：“所谓致知在格物，就是即物穷理以致吾心固有之知。盖人心之灵莫不有知，而天下之物莫不有理，惟于理有未穷，故其知有不尽也。是以大学始教，必使学者即凡天下之物，莫不因其已知之理而益穷之，以求至乎其极。至于用力之久，而一旦豁然贯通焉，则众物之表里精粗无不到，而吾心之全体大用无不明矣。此谓物格，此谓知之至也。”在朱熹看来，格物包括三个要点，即“即物”、“穷理”、“至极”。在他的认识中，理是先于天地而存在的，是天地万物产生和存在的本源和根
据。所以穷理，就是要探求、穷索一切本源，于是三者的关系就是：格物的核心在穷理，穷理离不开居奇的事物，穷理就要穷至其极。也就是说，物理学的精髓在于探索未知。
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