物理学知识对于很多人来说都是可望不可及的，感觉高深莫测。特别是看到现代物理学的知识体系时(图1)，感觉会很崩溃，即使尽力将其简化(图2)，也只是对名词有点印象而已。所以物理学家从小就是别人家的孩子。但是物理真有那么难吗？如果了解物理认知是如何一步步建立起来的，我们就不会觉得那么神秘了。
图1 一个相对完整的物理认知列表 图2 一个简化版的物理认知体系 物理学的核心是人要建立对自然的认知，人会从人的角度“不择手段”地认知研究对象，以积极的态度穷尽所有可能的方法来认知研究对象，之所以可以这么做，就是因为可证伪性保证了错误的认知一定会被淘汰掉，这与数学仅靠逻辑严密来保证正确是不同的。从这个角度看，似乎并不存在什么认知规律，也许认知过程本身是个随机的过程，充满了偶然和幸运，就像很多故事喜欢讲的物理轶事一样。 是否存在一个有规律的物理认知过程呢？我们没有办法先验的知道一定存在，但请记住物理学家是积极乐观、“不择手段”的，让我们也采取这种积极的态度，假设存在这种可能，将物理研究的认知过程作为研究对象，尽力通过大量的物理探索过程来总结一个基本可靠的认知过程。如果存在这样一个过程，就可以简化我们对大量物理知识的理解，并借鉴到其他对象的研究过程中。而这种总结是否正确可以在新对象的认知探索中得以检验。 下图详细列出了建立物理认知的关键步骤，形成了一个认知流程，当然这个流程适合的是人类毫无所知的全新的研究对象。 图3 一个完整的物理认知流程，可以简化为实验物理、理论物理、应用物理，还可以进一步简化为科学探索、技术应用，通过这个流程可以清晰的理解实验、理论、应用之间的关系，以及科学探索和技术应用之间的联系。 让我们用这个认知流程回顾一下牛顿力学体系中天体运行理论建立的过程。 1、无论古代中国人还是古希腊人都很早就开始关注天体这个研究对象了，早期的观察是定性和半定量的，天体有很多吸引人的物理特性，比如亮度、颜色、大小、运动等。 2、不同天体的特性当然有所不同，其中行星的运动受到的关注较多，因为相应的现象更奇特有趣，比如顺行、逆行。 3、行星运动问题成了研究的焦点。 4、大量行星运动的特性被仔细观察并记录。 5、其中量化描述和观测是研究的重大突破，最著名的就是第谷的大量精确观测数据，详细记录了行星时间、位置、周期等信息，甚至还观测到了彗星运行的数据。 6、之后开普勒的出现将研究引向寻找这些量之间的关系，即开普勒三定律的发现，这是实验物理的巨大成功。 7、而牛顿的出现则将研究导向了理论物理的方向。在《自然哲学的数学原理》里，天体被简化成了质点模型。 8、加上万有引力的假设和牛顿三定律，天体运行有了完美的理论体系解释，相信牛顿理解了整个宇宙的运行规律时，那种豁然开朗的愉悦是无与伦比的。 9、而后来“笔尖上发现”的海王星更加坚定了人们对牛顿理论的信心。 10、对牛顿理论的运用甚至让人们相信机械的决定论思想，直到相对论和量子力学的出现才打破对牛顿理论的“迷信”。 简单来说，一个完整的认知流程可以简化为实验物理（流程的1-6步）、理论物理（流程的7-9步）、应用物理（流程的第10步）三个阶段，再简化一点，可以将实验物理和理论物理对应科学探索，将应用物理对应技术应用，从这个角度我们可以更好的理解科学与技术这两个概念。 从这个流程中我们可以清晰的看到物理学怎样从实验走向理论，以及理论和实验的关系，即实验探索为理论构建提供灵感，并证伪错误理论，而理论则预言实验，指导实验。著名的物理学家费米正是沿着这个认知过程从实验物理学家变成了理论物理学家。 从这个流程中我们也可以很好的理解科学探索与技术应用的关系，科学探索为技术应用提供灵感和理论支撑，技术应用的进步反过来拓展了科学探索的认知能力。典型的案例是望远镜、显微镜、电子显微镜、粒子加速器等技术在科学探索中的应用。 物理学史上有很多符合这个认知流程的案例，比如热力学，电磁学等理论的建立，需要注意的是当物理学家积累了足够的认知经验之后，在面对下一个研究对象时，往往会在认知流程上有跳跃，有时甚至理论走在前面，实验变成了验证理论的工具。即使出现了这种情况，遵循以上的认知流程仍然有助于我们的认知理解。 从物理的定义中我们能看到，物理是自然科学的基础，其代表的就是自然科学，与数学注重逻辑不同，物理更注重的是对自然的探索，从这个意义上说，物理教育应该在国民教育体系中代表自然科学教育，而不是作为一个专业选修、选考。 在了解了物理的认知过程之后，我们就能理解科学精神和科学方法正是在物理认知过程中逐步培养起来的，如果只注重数学逻辑训练、应试训练，实际上只训练了认知过程中的最后一步，即认知应用，这显然是不利于国民的科学教育的。一个健全的国民教育体系应包含完整的物理认知过程训练。 对于著名的钱学森之问，“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”，尽管可能有各种其它的因素，但从物理认知过程的角度来看，我们也许可以知道答案了。如果能在物理教学和研究中回到物理定义的本质，从认知的起点出发，有意识的遵循认知过程的规律，相信对人才培养和科学研究都会起到有益的推动作用。 杨光 编辑 / 文馨 校对
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