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。

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，或者寻找、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。

由此可见，格物是一种方法，有了这种方法就可以获得知识。格就是去做那件事，放手去做。格就格斗猛兽之格，要想知道猛兽有多厉害，只有跟猛兽格斗，于是你就知道了知识。朱熹是一位深入观察各种自然现象的人，他的格物致知以“理一份殊”为基础。“理一”即是“总天地万物之理”的“太极”，但天地万物又各有本于“理一”且互不相同的理，这即是“分殊”。朱熹较多地强调“分殊”，他说：“圣人未尝言理一，多只言分殊。……不知万殊各有一理，而徒言理一，不知理一在何处。”且不论他如何能将自然之理与社会伦理道德之理总合为“理一”就强调“分殊”而言，他实际上承认自然之理的特殊性。就自然之理而言，朱熹不只是抽象地谈论自然界整体的一般的理，更多的是把自然界整体划分为部分和个别事物，讨论自然界各具体事物的理。他说：“天地中间，上是天，下是地，中间有许多日月星辰、山川草木、人物禽兽。此皆形而下之器也。然这形而下之器之中，便各自有个道理，此便是形而上之道。”又说：“天之生物，有血气知觉者，人兽是也；有无血气知觉而但有生气者，草木是也；有生气已绝而但有形质臭味者，枯槁是也。”在这里，朱熹对自然之物进行了大致的分类。朱熹还论及自然界中个别事物之理，他说：“虽草木亦有理存焉。一草一木，岂不可以格，如麻麦稻粱，甚时种，甚时收，地之肥，地之碗，厚薄不同，此宜植某物，亦皆有理。”可见，朱熹的理实际上也包含了具体自然规律的内容。朱熹的格物致知，就其目的而言，是为了达到“众物之表里精粗无不到，而吾心之全体大用无不明”；就其过程而言，必须去“理会那万理”，就是去研究具体事物之理。至于格物的具体内容，朱熹说：“上而无极、太极，下而至于一草、一木、一昆虫之微，亦各有理。一书不读，则阎了一书道理；一事不穷，则阙了一事道理；一物不格，则阕了一物道理。须著逐一件与他理会过。”可见，格物的内涵是非常广泛的。读书、应事、格自然之物等等均属格物之列。关于格物致知的方法，朱熹强调广泛深入地研究外部事物，“以事之详略言，理会一件又一件；以理之浅深言，理会一重又一重”。在归纳、类推的基础上，朱熹把创造性思维过程描述成“豁然贯通”，“不知不觉，自然醒悟。”对待前人的知识，朱熹主张要有疑，要见新意。“读书无疑者，须教有疑；有疑者却要无疑，到这里方是长进。”“学者不可只管守从前所见，须除了，方见新意。”必须指出的是，朱熹的格物致知所包含的格自然之物并非仅仅从整体上探讨自然界一般的理。还具有格具体的自然之物，对自然之物进行分门别类研究，把握具体自然事物之理的含义；同时，格物致知过程中还包含着归纳、类推、创造性思维的科学方法。体现出怀疑、创新的科学精神。可见，朱熹的格自然之物不仅是自然哲学的研究，也包括自然科学的研究。这样，朱熹实际上把科学研究纳入他的格物致知的范畴。

朱熹不仅在理论上把科学活动纳入他的格物致知的范畴，而且还身体力行，进行广泛的科学研究。朱熹的科学研究涉及天文学、地学和生物学等诸多领域。他的格物致知既有以下两个特点：

第一，深入观察各种自然现象。在天文观测方面，据《宋史·天文志》记载，朱熹家中有过浑天仪。他曾在讲论历法时说：“历法恐亦只可略论大概规模，盖欲其详，即须仰观俯察乃可验。今无其器，殆亦难尽穷也。”他也曾请人用竹尺以夏至日依古法立表以测其日中之影，细度其长短。在地理学研究上，朱熹通过亲身实地考察，指出地理学经典《山海经》、《禹贡》中的不少错误之处，并对后人盲目相信经典而没有实地考察验证，以讹传讹的做法声示不满。他认为，地理学研究必须重视实地考察，而不能仅凭书本。他非常重视地图的作用，并用胶泥自制立体地图模型。他还考察过高山上有牡颇壳化石的自然现象；亲自观察潮汐现象，观察风、云、雨、雾、露、霜、雪、雷、虹等自然现象的形成；亲自观察佛光；观察不同季节开的花凋谢的难易，等等，或以此验证以往的知识，或据以提出新的见解。

第二，运用类推，获取新知。朱熹在科学研究中经常运用“以类而推”的方法，用已知的东西对自然现象进行类推解释。在宇宙演化方面，朱熹说：“造化之运如磨，上面常转而不止。万物之生，似磨中撒出……天地之形，如人以两盟相合，贮水于内。以于常常掸开，则水在内不出，稍住手，则水漏矣。”从这一现象，朱熹推出：“天地初间只是阴阳之气。这一个气运行，磨来磨去，磨得急了，便锣许多渣滓；里面无处出，便结成个地在中央。”在地质形成上，朱熹说：“天地始初混沌未分时，想只有水火二者。水之滓脚便成地。今登高而望，群山皆为波浪之状，便是水泛如此。只不知因什么时凝了。初间极软，后来方凝得硬。”朱熹认为，大地形成后，处在不断的变迁中。他说：“常见高山有螺蚌壳，或生石中。此石即旧日之土，螺蚌即水中之物。下者却变而为高，柔者变而为刚。此事恩之至深，有可验者。”“今高山上多有石上贩壳之类，是低处成高。又贩须生于泥沙中，今乃在石上，则是柔化为刚。天地变迁，何常之有。”这是他用观察到的自然现象推得大地变迁的结论。在生物起源问题上，朱熹说：“天地之初，如何讨个人种？自是气蒸结成两个人后，方生许多万物。……那两个人，便如而今人身上虱，是自然变化出来。”此外，他还用类推方法解释其他许多自然现象。例如：他认为月中黑影“是地形倒去遮了他光耳，如镜子中被一物遮住其光，故不甚见也。”在解释雪花为什么呈六角形时，他说：“盖只是霸下，被猛风拍开，故成六出。如人掷一团烂泥于地，泥必额开成穆瓣也。又，六者阴数，太阴玄精石亦六稽，盖天地自然之数。”

朱熹格物中的“物”，是指一切事物，凡天地之间，无论是客观的物质实体，还是某些思维念虑在内。他强调：“格物须是到处求，博学之，审问之，谨思之，明辨之，皆格物之谓也。若只求诸己，亦恐有见错处，不可执一。”因而天下的事物莫不有理，无论是大小、轻重、贵贱等等，万事万物皆有理。事物的多样性引起格物方法的多样性，但是归结到底，就是要求把一切内格物之功合到“吾心之全体大用无不明”的道理境界上去。

陈来先生说朱熹的格物致知学说在重视人的道德修养的同时，强调外部事物的考察和知识的学习扩展。因而，朱熹的“格物致知”学说是求真和求善的结合。

从上可知，“格物”指努力穷就事物之理，当人们通晓事物之理后，人的知识也就完备彻底了；“致知”是作为认识过程中人所得知识的一个自然结果。所以，若没有“格物”，谈“致知”是无法办到的。“格物所以致知”即是“格物”和“致知”的关系，“格物”以“致知”为目的，“致知”在“格物”的过程中实现。也就是说，探索未知以获得知识为目的，而知识只能在对未知事物的不断探究中得到。对具体研究、学习者而言，应该从通过对外在对象的考究中把握义理，以达到引起内心的波动而达到致知。正如丁肇中所言：“我觉得真正的格物致知精神，不但在研究学术中不可缺少，而且在应付今天的世界环境中也是不可少的。在今天一般的教育里，我们需要培养实验的精神。就是说，不管研究自然科学，研究人文科学，或者在个人行动上，我们都要保留一个怀疑求真的态度，要靠实践来发现事物的真相。现在世界和社会的环境变化得很快。世界上不同文化的交流也越来越密切。我们不能盲目地接受过去认为的真理，也不能等待“学术权威”的指示。我们要自己有判断力。在环境激变的今天，我们应该重新体会到几千年前经书里说的格物致知真正的意义。这意义有两个方面：第一，寻求真理的惟一途径是对事物客观的探索；第二，探索的过程不是消极的袖手旁观，而是有想象力的有计划的探索。希望我们这一代对于格物和致知有新的认识和思考，使得实验精神真正地变成中国文化的一部分。管理者的存在价值，说穿了，就是因为他能破疑释惑，解读事象，从而为做具体工作的人在立场、观点、方法上提供亮点。”

综上所述，我们可以看到：物理学的精髓是培养实验精神和探索未知，对物理学的学习，需要通过正确的方法获得必要的知识。