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，我想着重来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。

　　（二）物理学的发展简史

　　下面我简单介绍一下物理学的发展历史。物理学是最古老的学科之一，如果我们把天文也作为物理的一部分，那么，物理学就是最古老的学科，没有之一。为什么说物理是最古老的学科呢？我们每天抬头都可以看到星星，看到太阳升起落下，看到月亮。最早的人类当时是把各种星、太阳、月亮作为神来对待，但随着社会的发展，人们开始思考太阳、月亮以及各种星（金星、火星、水星等）的运动有什么规律，慢慢就开始做天文观测，看天空有什么，各种星的星座是怎么排列的，它们一年四季是怎么变化的，这样就产生了天文学。我们制造工具的时候要用力，比如用石头做把斧或刀，怎样才能使它比较锋利；提一桶水，怎样才省力，这些都涉及到力学知识。另外，不管是看自然的太阳光，还是后来可以自己点个火堆，人们可以看到光从一个小孔里透过来，这涉及到光的传播，这就有了光学。所以，最早的时候，人们就要研究很多自然现象，这样就慢慢形成了一门最古老的学科——物理。物理这门古老的学科一直在发展，其发展经过了几个阶段。

　　第一个阶段：在2000多年以前就产生了当时的物理学，主要是古希腊的一些哲学家，他们在思考自然的时候，找到了很多基本的经验和规律，这是物理发展的第一个阶段。在第一个阶段，物理和化学、生物以及一部分数学，都没有完全分开，统一叫做自然哲学。当时的很多科学家既是物理学家，又是数学家、生物学家、化学家，甚至还是文学家，精通很多领域。而在中国古代，物理实际上就是格物致知。古时候有很多儒家的哲学家，他看到一样东西就会想这里面蕴含什么道理，从而从这里面获得新知识。所以，从古希腊的哲学开始，在将近两千年里，物理没有成为一门独立的学科，而是跟其他自然科学一起，作为自然哲学的部分。物理学以及其他自然科学都经过了一个比较漫长、缓慢的发展过程。

　　第二个阶段：从17世纪科学革命开始，物理学开始与其他自然科学分支脱离而成为一个独立的学科。同样的，化学、生物也都成为一个独立学科。这个阶段是物理学的蓬勃发展阶段，我们可以把它叫做经典物理的阶段。这个阶段有几个最主要的代表人物。一个是牛顿。牛顿是经典物理的一个祖师爷，他发现了万有引力定律，发明了微积分等。另外，在这个阶段还出现了伽利略、麦克斯韦等一大批伟大的物理学家，他们的研究和贡献导致了产业革命。蒸汽机、电动机、发电机、电能的大力推广利用，都是跟经典物理的成就分不开的。

　　第三个阶段：到了20世纪初，一些物理学家感觉很好，觉得什么事情都可以用物理知识来解释，但是当时还有两个问题没有解决，然而当时一些大物理学家认为这只是“天空上两朵乌云”，但是这“两朵乌云”后来的解决导致了近代物理的诞生。而近代物理的标志就是相对论和量子论。以量子论、相对论为代表，20世纪初开启了近代物理的阶段。近代物理更快地推进了高科技的发展，比如核武器、雷达等、集成电路、计算机、光纤通信、量子信息，以及我们研究的高能的天体物理，研究宇宙、黑洞，研究宇宙大爆炸。这些都是近代物理带来的。

　　所以，物理学的发展大致经过了这么几个阶段：有文明开始，人类就对周围的物理现象感兴趣，然后在古希腊的时候，一些哲学家对物理做出了很重要的贡献；到了十七世纪，开始进入经典物理阶段；上个世纪初，开始进入近代物理阶段。当然，下面就是物理学怎么继续往前走。物理与其他学科交叉，形成了很多跨学科的研究领域，比如物理跟生物交叉就形成了生物物理。再比如，物理与化学的结合，有物理化学，这是以物理为基础结合了化学；也有化学物理，这是以化学为主跟物理交叉的。而当量子力学产生以后，我们用量子力学来研究很多化学过程，这就产生了量子化学。物理学的新概念常用来解释其他学科的基本机理，从而开辟新领域。

　　（三）物理学的发展过程

　　下面我们看看物理学的发展过程。最初，物理主要看到的是一些跟天文学、力学、光学知识有关的。我们从一些埃及神庙、纪念碑里可以看到，在那时候就有很多物理的观测。然后到了公元前五六百年，这时候就产生了自然哲学。自然哲学有几个代表人物，这些代表人物基本都是希腊的哲学家。当时哲学家一般都是比较有钱的，有了钱、有了闲就开始仰望星空，开始思考周围的很多现象到底是怎么回事。当时有很多迷信，比如太阳升起来了，太阳下降了，都是因为有个太阳神。太阳升起来就是太阳神驾着马车出来了，太阳下山就是太阳神驾着马车回去了。最早的时候，很多人把天上某颗星看成是自己的星辰，我是属于哪个星座的，就决定了我的命运。

　　公元前五六百年，有一批哲学家开始思考并提出很多假设，然后看这个假设能不能被其他事物证实，慢慢地，就提出了各种学说。这些学说有的是被证实了的，还有很大一部分是没有被证实的，即使被证实的也是很粗糙的，只是一种定性的证实。这里面有几个特别突出的古希腊哲学家，其中一位叫泰勒斯，他最突出的是什么呢？他明确声明自己拒绝用各种非自然的因素来解释自然现象，认为所有自然现象都有自己的原因。这是泰勒斯最早宣称的，也就是说，他试图用一些基本的规则来解释自然现象。他最了不起的一点是什么呢？他预言了公元前585年5月28日那天会发生日全食。这在当时是很了不起的，因为一直到很后面，还有很多人迷信日全食是因为天上有个“天狗”把太阳吃掉了。然后人们还在拼命敲锣打鼓，要把那个“天狗”杀了，然后让它把太阳吐出来。但是这个泰勒斯当时就已经弄清楚太阳、地球、月亮运行的规律，并在掌握了这个规律以后，在公元前585年预言了日全食。

　　还有一个人的名字大家可能都听说过，叫亚里士多德，亚里士多德写了第一本名叫《物理学》（Physics）的书。亚里士多德这本物理学的书中，绝大多数都是一些经验，没有什么定量的概念，很多是直觉的。比如亚里士多德就认为，在天上的天体结构中，地球是中心，太阳和很多其他的星都是绕着地球在做圆周运动。又比如亚里士多德认为，一个物体如果你不去用力作用它，它是不会动的。亚里士多德这本书里还有一点很高明，当时他就知道地球是圆的，月亮是圆的。月亮是圆的当然可以直截了当看到，地球为什么是圆的呢？他是根据月食的时候，月亮上的影子是圆的来判断的，而他知道月食是地球跑到月亮和太阳中间，也就是说，这时候反映了出现的月食的边缘是圆弧状的。由此他就知道地球是圆的。亚里士多德根据这些推理，找到了很多关于自然的规律。尽管他的思考有些对有些不对，他仍然很了不起的。

　　还有一位了不起的希腊科学家，叫阿利斯塔克（Aristarchus）。比如有一次我考我们的学生，假定你把原来老师教你的书本知识全都忘了，只知道一些简单的几何知识，一点点最基本的物理知识，没有其他东西，你能不能来计算一下太阳的半径有多大，地球到太阳距离是多少，地球到月亮距离是多少。这对我们现在的大学生、研究生，都不是太容易的。这位古希腊哲学家有两个了不起的事情，第一个是他首先提出是地球绕太阳转，而不是太阳绕地球转，也就是否定了地心学说，而建立了日心学说。

　　哥白尼在他的书里提到，太阳是地球运动的中心，这个日心运动的理论最早是在萨莫斯（Samos）这个地方由阿利斯塔克（Aristarchus）提出来的，这是很了不起的一点。第二个，阿利斯塔克在当时测量了从地球到太阳有多远，地球有多大，太阳有多大，这也是一个很了不起的成就。

　　他怎么来测量的呢？他的测量实际上是三步走。第一步，假如这个是太阳，这是地球，这是月亮，我们知道月亮发光都是反射的太阳光，太阳光照到月亮，然后我们地球上的人就看到了，因此被照到的是亮的，背面是黑的。所以月亮正好亮一半的时候，地球跟月亮、太阳正好形成了一个直角。形成了直角，如果你能把这个角度测量出来，那我们就知道月亮到地球的距离之比和太阳到地球的距离之比。根据我们的几何知识，只要把这个角量出来了以后，我们就知道月亮与地球之间的大概距离，以及太阳与地球之间的距离的两个比值。所以当时阿利斯塔克测量了这个角度。当然，他量得不够准确，当时他量的角度是87度，实际上这个角度是89.5度。这是当时他做的第一步，量了这个角度。第二步，他根据月全食来推算出月球的直径与地球的直径之比。第三步是另外一个人做的。第三步的原理是什么呢？我们讲它的基本原理，我们如果是“独眼龙”，那么我们是很难分辨我们与一个物体的距离是多远，但是我们有两只眼睛，两只眼睛看向同一个目标，左眼和右眼之间有个视角差，利用这个视角差我们可以判断我到那里的距离是多少。当然，我们到太阳、月亮的距离太远了，而人的两只眼睛之间的距离太近了，所以是分不清的。那怎么办呢？利用地球上很远的两个地点。通过夏至的时候，太阳正好照在北回归线，在夏至这一天到正午时刻，我们在北回归线上来测量太阳偏南的角度，以及这点与北回归线的距离，来得到一个地球的半径。通过这个办法，最后把太阳大小、地球到太阳的距离、月亮到地球的距离都测量出来。尽管他测出来的数值不是太准，但是他的基本原理是对的。这是古希腊的这位物理学家、数学家、几何学家、哲学家，当时苦思冥想得到的一些结果。

　　画像中的人叫阿基米德，阿基米德是力学家，也是个数学家，他发明了很多东西。比如：阿基米德发现一个物体浸在水里，这时它排除一部分水的体积实际上就是浮力。我们人为什么可以在水面上游，而不沉下去，主要是有浮力。阿基米德发现了杠杆的原理，他有句名言：“如果给我一个支点，我可以把地球撬起来。”关于阿基米德还有很多其他故事，有的真、有的假，也没法考证了。据说，他曾经用很多镜子来聚焦太阳光，然后反射出去，想把进攻的敌人的帆船给点燃。这件事情的真假已经无法考证了。总之，阿基米德是一位自然哲学家、物理学家、力学家等等。

　　公元前六百年到公元前两三百年，这段时间我们基本上认为是自然哲学的阶段，在这个阶段，物理与其他学科没有分开，主要是一些哲学家在思考自然界万物运行的基本原理。这个阶段以后，整个自然哲学就停滞不前了，欧洲进入了一个相对发展缓慢甚至倒退的时期。

　　而这个时期的物理主要在一些阿拉伯国家得到了发展，比如海什木，这位阿拉伯物理学家写了本书，书名就叫《光学》，他在这本书里记载了小孔成像，还记载了很多光学现象。所以那段时间的一些科学发展是转移到了中东地区。2015年是世界光学年，当时联合国教科文组织、国际物理联合会，都把他作为一个最早研究光学的物理学家。

　　中国古代的墨子有本书叫《墨经》，《墨经》上面也记载了小孔成像。但是我们中国的书记载得比较简单，而且不太容易懂。比如他说：“景到，在午有端，与景长。说在端。”当时我们有一些研究古代科学史的学者对此进行了解释。古人很多字是借用的，“景到”的“到”实际上就是“倒”，也就是说，小孔成像最后成的“像”与它原来的“像”是颠倒的。“午”是指两束光线在正中交叉的意思。“端”在古汉语中有“终极”“微点”的意思。“在午有端”指光线的交叉点，即针孔。物体的投影之所以会出现倒像，是因为光线为直线传播，在针孔的地方，不同方向射来的光束互相交叉而形成倒影。当然，《墨经》上面不光是这几句，一共有八段，讲八个光学现象。所以，墨子当时也研究了一些几何光学的规律。但是，这里面缺乏比较仔细的描述，也缺乏图片参考，不是太容易理解。

　　中国最早出现“物理”这两个字是在西汉的时候。当时古人用“物理”这个词是想说明万物的一些道理。但是在古代，物理学对应的词叫格致学或者格物学。古人把从自然现象里面悟出的道理叫格物致知。格物致知在中国古代就对应自然哲学这一学科。

　　北宋时，苏颂画了世界上第一张星图）。在李约瑟所著的《中国科技史》第三卷里面有这张图。

　　这张图叫《浑象南极图》，也是苏颂所画。就是用浑象仪朝南天空看，这时看到的星座是什么样的。也就是说，古人当时也对很多自然现象做了观测，做了思考，但是这方面的记录比较少。

　　所以，总的来看，从17世纪往前2000多年，这段时间基本上是自然哲学，物理没有单独作为一门学科，而且物理是跟其他自然学科没有分开。分工不是太仔细，研究不是太精细。实际上在12世纪的时候，当时拜占廷和西班牙的一些伊斯兰学者，继承了亚里士多德、欧几里得、托勒密等古希腊哲学家的研究。后来在文艺复兴时期，原来在希腊的一些东西失传了，反而是从阿拉伯世界得到了那些古典记载。随后，欧洲重新开始对自然哲学、对自然科学有兴趣了。

　　到了17世纪，物理真正地从自然哲学里面脱离开来，成为一门独立的学科，这是经典物理。

　　经典物理有两个标志。原来古希腊的很多哲学家，当时想象了很多理论，然而这些理论往往不跟实验相结合。也就是说，他们有很多仅仅是思考，动脑跟动手没有结合起来。到了伽利略年代，这时经典物理的第一个显著标志就是把理论与实验结合起来了。他们思考自然现象，提出一种假设或理论，然后通过实验来看实际与原来的理论或假设是不是一致。如果一致，那就初步证实了这个理论是可以接受的，然后继续发展，到某天又发现另外一个实验与这个理论不符。这时，我们就要修改这个理论，然后使这两者相符。所以，经典物理学的第一个标志就是理论与实验开始结合起来，不断地来验证理论的正确性。

　　第二点，古希腊的时候，物理学是一种定性的，而从十七世纪开始，经典物理学开始用定量的方法、用数学的办法来研究物理现象。所以经典物理两个最主要的标志，一个是用实验的方法，一个是用定量的方法。其中用实验方法最有名的是伽利略。伽利略提出了惯性定律。他认为，一个物体在运动的时候，它不需要外力也会保持原来的状态，之所以原来在运动的物体会减速，是由于它受到了空气的阻力、地面的阻力，最后阻止了它运动。所以他提出了惯性定律，一个物体在没有外力的情况下，它会保持原来的状态，原来它是静止的继续静止，原来它是在运动的继续运动。

　　伽利略高明的地方，不光是他动脑，他还动手。1609年，他自己制作了一架望远镜，这个望远镜一开始可以放大八到九倍，后来可以放大到二十倍。他用望远镜看天上的星星，发现了很多东西。首先，他发现月亮的表面并不是很光滑的，而是有高有低，毛毛糙糙的。第二，他发现有很多地方肉眼看上去没有星星，但是用望远镜看这些地方仍然有很多星星，然后他发现银河是由很多星星构成的。第三，他发现了天上的行星，像金星、水星、火星、土星、木星，这些也都是圆的。第四，他还发现木星竟然有四颗卫星，就像地球有卫星月亮一样。伽利略的这些发现实际上是对“地心说”的否定，而对“日心说”是一个很大的支持。所以，他的实验实际上是支持了哥白尼当时“地球绕太阳转”的学说。1610年9月，伽利略还发现了金星还有各种位相，这进一步证明了“地心说”的错误，而“日心说”正确。

　　当然，伽利略不光是做了天文观测，他还做了很多实验，比如传说中他在比萨斜塔上面扔下两个物体，一个重、一个轻，看到底它们下坠的速度是不是一样的。所以，伽利略首先把实验与理论结合起来，用实验去证明一个理论或假说的对错，这是经典物理或者说现代科学的开始。现代科学有一点很重要的，就是通过提出很多理论、假设，然后再做各种实验来验证这些理论、假说的对错。理论和实验符合，至少这两者暂时是一致的，表明这个理论是对的。如果以后发现有新的实验跟它不符了，这时就要修改理论、假设。这是一个科学的方法，这个科学方法实际上是从伽利略开始的。

　　经典物理的几个最主要的物理学家代表，除了伽利略，还有哪些呢？一个是哥白尼，哥白尼提出地球是绕太阳转的，而不是太阳绕地球转的，这在当时是离经叛道的，是一个很重大的革命。还有一个是开普勒，开普勒是做天文观测的，他提出了开普勒定律。

　　经典物理学中最重要的一位科学家是牛顿，牛顿总结了力学的三大定律，叫牛顿三大定律。牛顿第一定律是惯性定律，是说一个物体如果不受外力作用，应该保持原来的运动状态，是静止的会继续静止，原来在做运动的会做匀速直线运动。牛顿第二定律的常见表述是：在加速度和质量一定的情况下，物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比。牛顿第三定律就是作用力等于反作用力，这个大家也都知道。

　　牛顿不光是有三大定律，他还发现了万有引力。一个重物为什么会掉在地上？实际上是地球对它的吸引力，使得这个物体掉下来。然后再进一步，他知道了太阳、地球、月亮的作用力都是万有引力。所以，牛顿奠定了经典物理的基础，这是牛顿对物理学的一个很重要的贡献。

　　牛顿还有一个很重要的贡献，就是他发明了微积分。我刚才说过，经典物理有两个标志，一个是理论跟实验结合，一个是用定量的方法，用数学的方法来研究物质的运动，而微积分就是里面很重要的一步，这是牛顿跟莱布尼兹分别独立发现的。所以，17世纪时，以上这一系列的辉煌成绩，奠定了经典物理的开始。

　　有位叫蒲柏的诗人曾经有这么一首诗：“自然和自然律隐没在黑暗中：上帝说，让牛顿去吧！万物遂成光明。”也就是说，原来我们对万物的道理是不理解、不了解的，然后牛顿出来把这些东西都解释清楚了。

　　经典物理进一步发展，又有了很多新的发现，比如热力学第一定律，其推广和本质就是著名的能量守恒定律。热力学的第二定律，如果把一杯冷水跟热水倒在一起，最后两杯水的温度就会变得一样，但是你不可能把这杯混合过的水分离成热水和冷水。热力学引进了一个熵的概念，也就是说它是从商增加的。再进一步，很多统计力学的概念也是经典物理发展的一部分。

　　经典物理的另外一个发展就是电磁学，形成了麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。

　　所以，物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。然而，经典物理仍然有两个问题没法解决，被称为“晴空上漂浮着的两朵乌云”。“第一朵乌云”出现在光的波动理论上，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；“第二朵乌云”出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。一开始人们觉得这是不起眼的两个小问题，我们用经典物理是可以解决的。但是后来发现不是这么回事，仅从经典物理的框架来解释黑体辐射里面的一些问题是无能为力的，你必须要假定它的能量是量子化的。所谓的量子化，就是一份一份的，不是连续的。在原来人们的概念里，吸收能量和发出能量时，能量都是连续改变的。而所谓的量子论就认为，吸收能量和发射能量时，能量不是连续的，而是一份一份的，每一份就是一个最小的能量单位，即量子。这个理论是由普朗克最先提出来的。这是量子论的开始。

　　而爱因斯坦提出相对论的时候，就解决了一些高速运动的物体相关的很多问题。这里面最关键的是什么呢？他提出了一个基本假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的。他根据这两个假设，最后提出了狭义相对论。当然，狭义相对论并不完全是爱因斯坦一个人的功劳，他前面还有洛仑兹、马赫等人。爱因斯坦把洛仑兹和马赫这两个结合起来，然后提出了狭义相对论。所以，近代物理的开端是狭义相对论和量子论。爱因斯坦在量子论方面也做出过重要贡献，他认为光子在散射过程中，光子的能量也是量子化的，也就是说它是一份一份的。

　　1927年，第五届索尔维会议召开，这也是最著名的一次索尔维会议，这上面是很多大科学家的合影，这些人奠定了近代物理的基础。照片上很多人都是赫赫有名的。这时候爱因斯的相对论已经不光是狭义相对论，他还提出了广义相对论，广义相对论基本上是爱因斯坦一个人的发展。照片上还有居里夫人，她发现了具有放射性的元素镭。还有一位是普朗克，1927年已经从量子论进到量子力学，量子力学基本已经建立起来了。也就是说，近代物理的标志：一个是量子力学，一个是狭义相对论、广义相对论，到1927年，近代物理的基本框架已经基本都完备了。

　　这张图表明了近代物理与经典物理之间的关系。有了近代物理，并不表明经典物理是没用了。经典物理在什么时候有用呢？长方形方框内是物理学的几个分支领域：经典力学、相对论力学、量子力学、量子场论是。横坐标表示运动速度，如果运动的速度比光速差得很远，比如骑自行车、开汽车、喷气式飞机等，这个时候我们适用的是经典力学。纵坐标表示物体的大小，如果研究的物体的尺度小到纳米尺度了，这时候经典力学就不适用了，我们就要用量子力学。也就是说，通常在日常生活里面，我们平时能接触最小的是微米。一米有一百万微米，一个微米的大小我们实际上是感觉不到的，有些有经验的人可以感觉到有几十微米的差度。一般平时接触的事物我们叫宏观世界，所以一般在宏观世界、低速世界里（当然这个低速世界并不低了，包括每小时一千公里的喷气式飞机），我们的经典物理都还是非常准确的。只有到接近光速的时候，我们要用到爱因斯坦的相对论。然后非常小的时候，我们要用量子力学，比如我们要研究氢原子里的电子怎么运动、两个氢原子跟一个氧原子怎么结合形成水分子，这时候我们要用量子力学才能算得清楚。而如果是很大的物体，比如我们要研究一块晶体，这时候一般我们用经典力学就可以研究得不错；但是如果你要研究一块晶体内部的运动过程，这时候我们就要用量子力学了。也就是说，我们的研究对象如果不是做构象，我们用经典物理就很好了。如果又是高速，又很小，那这时候要用量子场论了，比如说我们在一个大对撞机里，两个质子对撞，两个电子对撞，它们之间的散射，这个时候我们就要用量子场论了。

　　所以我们可以看，近代物理诞生以后，并不是经典物理就没用了。我们对经典物理是扬弃的，在很多场合经典物理还是非常好用的，算出的东西是很精确的，只是在一些高速场合、一些特别微观的时候，我们要对经典物理进行修正，这时候是量子论、相对论在起作用。我们现在还是从经典物理开始学，从力学、电磁学、光学这些开始。

　　（四）对物理发展史的感悟

　　我们从物理的发展历史可以悟出点什么东西来呢？整个物理的发展过程，可以悟出一种科学方法、科学精神。物理学的发展一方面是知识在发展，另一方面它也建立了科学方法。

　　物理的科学方法是什么呢？其实就是经典物理最基本的特征：一是理论与实验结合，理论提出来以后要得到实验的检验，然后不断地修正，两者互相促进、互相推动，促进科学发展。实践是检验真理的唯一标准，任何理论如果没有被实验证明，那只是假设；如果被实验证明是不符合的，那这个理论就要修正。第二，所谓的科学方法不光是理论与实验符合，要定性，还要定量。也就是说，我们要用数学模型来说明物理问题，然后用数学来解释很多物理上的现象。当然，这里的数学是广义的。首先是逻辑，我们原来学几何最重要的一个收获就是掌握了逻辑，你要大前提、小前提，从大前提出发，推小前提符合，最后来证明一个结论是对的，这是逻辑的关系。另外一个是定量，有很多数学理论用到科学里面去。

　　科学精神最基本的点，一是理论与实验结合，二是很多事情不是“差不多”“八九不离十”就行了，还要进一步定量地去证明它。有的时候定性正确，定量不正确，可能就是这里面还有一些因素是你没有掌握和理解的。这可以进一步来推动我们对自然界的认识。

　　对这段经典物理的科学发展过程，爱因斯坦写了这么一段话：“纯粹的逻辑思维不能使我们得到有关经验世界的任何知识，所有真实的知识都是从经验开始,又归结于经验。用纯粹逻辑方法所得到的命题，对于实在来说是完全空洞的。正是由于伽利略看清了这一点，特别是因为他将此引入科学界，他成了近代物理学之父——实际上，也是整个近代科学之父。”爱因斯坦这段话实际上是说明了物理和数学的区别在哪里。而理论跟实验结合，再加上一个逻辑，这实际上是现代物理、现代科学的开始。也就是说，科学的两个基本点，一是理论跟实验要结合，互相要对照；二是要用定量的方法。

　　二、为什么要学物理学

　　为什么要学物理学，特别是如果我们的工作跟理科没关系，我为什么还要学物理学，作为一个普通公民为什么要学物理学？

　　我这里借用一张复旦大学金晓峰教授的图片，他说物理学不光是知识，物理学还是一种文化。物理学知识不止对相关的专业工作者有用，对普通大众更有用。那些比较高深的物理知识，普通大众不需要了解很深的，比如量子力学，但是我们要稍微有一点量子物理的概念，这样我看新闻就知道量子计算机、量子通讯是怎么回事。但是作为一个文化，物理学的科学文化以及科学精神，不光是对专业工作者有用，对普通大众也特别有用。所以金晓峰教授说，应该有两种物理学：一种讲文化背景，是主要传授物理知识的，把知识与文化相结合；另外一种是我们特别要强调的，对普通大众来讲物理反映了一种怎样的科学精神、科学文化，这更多地是从人文角度来理解物理。我很欣赏这么一种说法。

　　我们的前辈们都认为物理反映的是一种什么文化呢？实际上是从古希腊开始的一种文化。古希腊文化最主要的是逻辑推理，欧几里德的《几何原理》是古希腊科学成就的典型代表，它严谨的逻辑推理的科学方法对近代科学的发展也有着十分重大的影响。另外一个古希腊文化是说自然现象都是有规律可循的，都是独立在人的意识之外的。从我们中国传统文化来讲，我们也认为有很多“道”是客观存在的，这是一种自然规律的客观性。中国古代的很多先贤也都具有这种文化，但是我们的逻辑推理没有发展起来的。所以物理文化比较多的是被古希腊文化继承下来的。

　　梁启超先生曾经写过这么一段文字：“中国人因为始终没有懂得‘科学’这个字的意义，所以五十年前很有人奖励学制船学制炮，却没有人奖励科学。近十几年（当时是1922年）学校都教的数学、几何、化学、物理，但总不见教会人做科学；或者说只有理工科的人们才要科学，我不打算当工程师，不打算当理化教习，何必要科学？中国人对科学的看法大率如此。”梁启超将近一百年前指出的问题现在还没有完全纠正。

　　有位学者叫Olenick，他说从牛顿定律出发，反过来再来得到开普勒三大定律，这不是学过中学物理、大学物理就能够解答出来的。所以他认为开普勒问题是我们的文化的遗产。他说开普勒问题的解答是西方思想的一个成就，这是我们文化遗产的一部分，就像贝多芬的交响乐、莎士比亚的戏剧，或者就像罗马西斯廷教堂里面的那个画一样，这都是我们的文化遗产。他在这里面把物理里面的一个问题——开普勒问题，认为是西方文化的遗产。也就是说，它不光是一个具体的知识，它这里面还反映了一种精神，一种传承，一种素质，他认为这是属于文化范畴的。

　　诺贝尔物理奖获得者库珀提出这么一个问题：如果我不想当一个科学家，为什么要去学科学？他说，为什么一个律师、一个商人、一个艺术家要学科学？我们也可以这么来提出问题：为什么我们要读科Kemal、Kaya，甚至我们要读莎士比亚？我们不拍电视为什么要看电视，我们不做啤酒为什么要喝啤酒？所以库帕说了：我想提一下我的观点，我们学科学是因为科学会给我们带来乐趣。我们很多人都记得在高中的时候物理是最难学的。这个我要说的是什么呢？这是现在我们一个最大的不幸之一。对我来讲，科学除了它的很多实际的用处以外，当我们科学适当地来认识它、理解它后，它像音乐、文学一样，代表了我们人类文明的一部分。如果掌握了这部分人类文明，我们对很多事情的认识，我们精神的境界就完全不一样了，到了一个新的高度。这不仅是一个智力上的知识，而且它确实是可以给人一种乐趣，它反映了一个人对世界认识的高度。

　　我是1965年进清华大学学习的，我一进学校的时候，给我印象最深的是什么呢？当时清华大学工程物理系有一个1958年毕业的学生。他说，我在理发店里看见理发师傅给我理发，灯光透过理发师梳子的时候，我突然想到，这个理发师没有学过量子力学，不知道波粒二象性，这个人生是多遗憾！也就是说，当时他觉得自己学了物理，学了量子力学，对很多的微观世界有一种全新的认识，这是一种享受。但是如果这个人没学过，他觉得很遗憾。我觉得，某种意义上他这种想法有点像库帕说的，学了物理以后，给人一种新的精神境界。

　　比如天上的彩虹是非常美的，这是雨过天晴出现的彩虹，我们仔细看看，上面还有一道光，这道光是什么？是霓。我们常讲霓虹灯，“虹”跟“霓”有相似的地方，也有不同的地方，但都是一个很美的自然现象。我们看看“虹”与“霓”有什么区别：“虹”是赤橙黄绿青蓝紫，红颜色在上面，紫色在下面。“霓”首先比“虹”要淡很多，“虹”的光比较强，“霓”的光是比较弱的。“霓”与“虹”另外一个不同的地方是它的里面是红色，外面是紫色。当然，是我们每个人都可以看到虹霓现象，但是学过物理以后，你会对这个现象有更深的认识。如果我们学过中学物理，我们知道，太阳光我们看起来是白光，实际上里面是包含了各种颜色。也就是说，太阳光是个光谱，是很多光混在一起变成了白光。所以白光并不是单色光，它是很多光连在一起的。我们学过中学物理也知道，红光的波长是比较长的，蓝光、紫光的波长比较短。波长比较短的光频率比较高，波长比较长的光频率比较低。如果中学大家学过光学，我们还可以知道更多一点，我们会知道有个叫折射定律，也叫做斯涅尔定律。

　　所以“虹”是怎么产生的呢？太阳光里面含有红色光、绿色光、蓝色光、紫色光等，不同颜色的光波长不一样，能量不一样。太阳光沿中的方向射入空中的一小水滴时，由于折射而进入到水滴中且同时发生色散，然后经过一次反射再从水滴射出。最后白光散开变成了七种不同颜色的光，实际上不只七种。由于红光在水珠中的折射率最小，使其出射光线与入射光线成42度，而紫光在水珠中的折射率最大，使其折射光线与入射光线成40度。人眼按直线追溯射入眼中的光线射来的方向，看到偏折较小的红光在上，出现在“虹”的最外侧，而折射率最大的紫光出现在“虹”的内侧。这是物理告诉我们的。

　　物理又告诉我们“虹”跟“霓”是什么区别呢？“虹”就是光在水滴里只散射一次就折线回来了。“霓”是它在里面要反射两次，在水滴的一面反射了，然后到水滴的另外一面再反射一次，最后再折射出来。一个是反射一次，一个是反射两次，反射一次就有一部分光要损耗，所以“霓”就变得很弱了。第二，“虹”最后红颜色的光散射角度大，这时候它就比较宽，而紫色光散射角度小，它就比较窄，所以最后我们看到“虹”的太阳光是红颜色在上面。而对于散射两次的“霓”来讲，最后变成了红色光在下面，两个次序正好是相反的。所以，我们学了中学物理以后，对光的散射、折射了解以后，我们就对“虹”与“霓”虹有更多的认识了。

　　如果大家学了大学物理，这时候就会对事物有更进一步的认识了。比如麦克斯韦的电磁学，他把电磁现象统一了，提出了这四个方程，叫麦克斯韦方程。麦克斯韦把电场强度、磁场强度之间的关系，用四个关系式表示出来。如果我们学了麦克斯韦方程，我们就可以把反射定律都用电磁场里面的电场表达出来。这个时候，我们就把光看成是个电磁波，然后看它的电场在两种介质里面折射、反射，会是什么现象。这时候我们对一些问题会有更深的认识。当然，我的认识也就到这个地步，杨振宁先生的认识比我更深一步。杨振宁先生是做规范场理论的，他提出了杨-米尔斯场理论。他觉得麦克斯韦方程的数学结构与微分几何里的纤维丛的数学结构是一样的，所以他的认识更深一步。这时候他得到的乐趣就更不一样了。也就是说，你懂得越多，站得越高，就看得越远，看得越深入。所以，如果你多学一点科学知识，可能对很多事情的看法会不一样，对很多事情的理解会更深入一点。

　　比如，如果你原来没有学过近代物理，对广义相对论也不好理解，那么我讲引力波是两个黑洞碰撞，最后产生引力波，你也会觉得不可思议。但是，如果你学过物理，知道爱因斯坦的广义相对论，就知道在爱因斯坦的广义相对论里面，物质与空间是连在一起的。物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动，物质与空间是不可分离的。这时候你就会对很多现象有新的理解了。所以，我们不需要知道广义相对论的很多具体细节，也不需要去计算，我们只需要知道一点点广义相对论，知道物质跟空间是不能分离的，物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。这时候你对很多事情的看法可能就会不一样。也就是说，在爱因斯坦的时空观里，空气、时间、物质这些都是不可分离的。这时你对很多世界的理解就进入到更高一个层次：这个世界并不是一个绝对的静止的世界，这个世界实际上是在运动的，运动是跟物质连在一起的，空间跟物质也是连在一起的。

　　三、物理学的未来

　　下面我讲讲物理学的未来。以我自己的观点来看，物理学最有希望发展的几个分支领域，首先还是凝聚态物理。什么是凝聚态，实际上我们平时接触的基本都是凝聚态物理，它最早叫固体物理，但后来又把液体、液晶加进去了，这样就把固体、液体、液晶都加在一起，起个名字叫凝聚态。我觉得凝聚态物理是比较有发展前景的。物理学家原来总是认为，我们把最基本的东西弄清楚，其他的事情就很简单了。无非是，如果我们把基本粒子弄清楚了，基本粒子怎么来构成原子，原子怎么构成分子，分子怎么来构成凝聚态，这些都只不过是数量更多、更复杂一点。这是原来很多物理学家的概念，包括爱因斯坦也有这个概念。但是这个概念实际上是不完全准确的，并不是说你对夸克怎么运动清楚了，你对一个生命体里蛋白质怎么折叠、对DNA分裂就清楚了；也不完全是你对夸克弄清楚了，你对一块半导体里面的电子是怎么导电就清楚了。我们原来学过辩证法，三大定律其中有一个叫“量变会引起质变”，你的粒子多到一定程度以后，它会产生新的规律，这个新的规律跟原来的少数几个粒子的规律是不一样的。所以，一方面物理是基础，但是另一方面物理学家不是包打天下，并不是说会解量子力学，知道了广义相对论，就对化学里所有的问题都清楚了，对生命物理的过程也清楚了。每个层次都有自己特殊的问题。

　　那么，凝聚态物理的特殊问题是什么呢？粒子数一多，电子如果到10的23次方，甚至更多，这时候它会出现很多很复杂的集体现象。这么多的电子之间的相互作用，完全是个新的领域。所以，这实际上是物理的一个很重要的分支领域，而这个分支领域很多问题是基本的。比如相变怎么发生的，比如相互作用到一定的程度以后，特别是相互作用很强的关联的时候会怎么样，这是一方面。另一方面，凝聚态物理当然跟应用最有关系，我们很多日常的应用，不管是信息科学、能源科学还是材料科学，基本上它的基础都是凝聚态物理。所以凝聚态物理当然是很有前景的。

　　美国物理学会在前几年提出下一个十年最有挑战的六个问题，其中包括未来的能源需求，下一代能源到底怎么来解决，这里面涉及到怎么节能、怎么储能、怎么开发可再生新能源，这都是跟物理密切相关的。

　　再比如信息技术，现在集成电路的芯片集成度越来越高了，未来的集成电路到底应该走哪条路，是电子作为一个信息载体，还是用电子的自旋作为信息载体，或者根本不是用电子的电荷与自旋作为信息载体，而是用电子的量子态作为信息载体？这样将来就是用量子态叠加量子比特，作为未来信息技术的基础。这个问题是很重要的问题。

　　再比如说，我们现在讲的纳米，当物质小到一定程度，这时候更多是量子力学在起作用，这里面到底有什么新的东西，这是值得我们研究的。

　　又比如说，我们生命的过程很复杂，它里面的物理基础到底是什么？一些复杂现象到底是怎么从最简单的成分发展起来的？我们平时物理上对平衡态研究得比较清楚，但有很多远离平衡态的物质过程是什么？这些问题都是凝聚态物理要回答、要解决的问题。这里面有大量的科学问题，也有大量的应用的实际问题，它会引起很多高技术的根本改变，所以我觉得这个领域非常有前景。

　　第二个领域当然是现在讲得比较多的量子物理。量子物理最重要的一块是什么呢？所谓的凝聚态物理，实际上都是以量子力学为基础的，它本质上都是量子物理。但是量子物理并不限于是凝聚态，它可以是原子、分子，也可以是光；可以作为一个信息载体，也可以研究量子现象。所以，量子物理与凝聚态物理既有交叉，又有不同的地方。对现在来讲，量子物理最重要的是与信息技术密切相关。所以我觉得量子物理也是非常有发展前景的，特别是现在的量子计算机，可以算得非常快。当然，要真的实现一般的计算，这条路可能还很长。但是一些特殊的应用，可能会比较快地出现，比如某种算法，所以这是比较有应用前景的。

　　第三个领域是所谓的冷原子领域。冷原子领域是原子、分子、光物理里面的一个分支领域，这涉及到爱因斯坦讲的波色-爱因斯坦凝聚，这里面有很多的新现象，特别是它跟精密测量有关系。我们有很多全球定位系统、精密测量，都是要靠冷原子物理。我们的钟要做得越来越准确、精密，也是冷原子物理方面的应用。

　　第四个领域是天体物理和宇宙学。这涉及到宇宙到底是怎么起源的？宇宙中的“暗物质”是什么东西？这些现在还不清楚。这里面有很多吸引人的地方，这些问题解决了也许会有革命性的改变，就像上世纪“两朵乌云”一样。

　　另外，粒子物理涉及到一个基本的大统一理论。我们的作用力有四种：强相互作用力、弱相互作用力、电磁作用力、引力。现在我们把前三种力都可以给它统一起来了，这是粒子物理的标准模型，但是怎么把前面三种作用力跟引力给统一起来？粒子物理学家的一个野心当然就是想把这四种力给统一起来，这样也许对大自然会有更进一步的认识。但是这里面涉及到一个困难，就是说我们原来通过加速器把粒子的能量给加大，然后让两个粒子来对撞，但是现在加速器的能量越大，造价越来越贵，而且要超出标准模型需要的加速器的能量不是几倍的增强，而是几个数量级的增加，这样实验就会有比较大的困难。当然，粒子物理也可以开辟其他途径，比如可以跟天体物理结合。

　　最后一个最广泛的领域就是应用物理，怎么把物理应用到各种高科技，应用到国防、民生，这里面有大量的做不完的工作。

　　谢谢大家！