物理到底在干什么 物理不追问世界的本质

物理到底在干什么

物理不追问世界的本质，它只描述东西和东西之间的关系，以及它们怎么相互影响。苹果怎么落地，月亮怎么绕地球，电怎么让灯亮，这些可观测、可验证的联系，就是物理要描述的东西。

物理描述世界，翻来覆去就用两种说法：一种叫“力”，一种叫“场”。力好理解，推一下、拉一下、东西动起来，这就是力。场稍微绕一点，你就想温度：屋子里每一点都有个温度值，这就是温度场。电场、磁场也一样，空间每一点上有个值，东西放进去就受影响。

那力和场，最后归到哪儿呢？归到四种基本关系上：引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用。不是宇宙只有这四种东西，而是目前人类已知的所有相互作用，都能塞进这四个筐里。目前已知的就这四种，有没有第五种，物理还在找。

这四个筐，是几代人慢慢搭起来的：

引力这个筐，牛顿先搭了第一个，用万有引力一算就准，苹果落地、行星绕转都能算，但他没说这引力哪来的；爱因斯坦后来把这个筐换了个更大的，用广义相对论把引力解释成时空弯曲，东西顺着弯走，看起来像被吸过去。

电磁关系这个筐，库仑、奥斯特、法拉第先摸到边，麦克斯韦把它们装进一个框里，写出一组方程，预言了电磁波。光就是电磁波，这是经典电磁学给出的描述，电灯亮、磁铁吸铁，背后都是这个筐。

强相互作用这个筐，卢瑟福发现原子核后，大家发现质子都带正电却挤在一起没散架，汤川秀树提出核子之间有短程强力，后来盖尔曼等人把筐搭成量子色动力学，说夸克之间靠胶子传递强力，被牢牢绑在一起。夸克和胶子，就是强相互作用这个筐里的概念。

弱相互作用这个筐，费米最早搭了个框描述β衰变，李政道和杨振宁发现这个框左右不对称，吴健雄用实验证实，后来格拉肖、温伯格、萨拉姆把电磁力和弱力装进同一个框，叫电弱理论，预言了W和Z玻色子，后来被找到。杨振宁和李政道这一笔，是中国人参与写进物理基础框架里的。

讲完这四个筐，很多人会问：那量子力学呢？它怎么没在这四个筐里？其实量子力学不是第五种力，也不是和四种力并列的东西。量子力学是描述场的一种方法。它规定微观粒子怎么运动、场怎么一份一份地起作用。电磁、强、弱这三种相互作用，后来都用这套方法重新描述了一遍；引力还没能用这套方法描述，到现在还没成功。普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔这些人，建的就是这套方法本身。他们是做方法的人，不是某一个筐的专属人物。

这四个筐里，引力最特殊。另外三种力，你说是空间每一点上的场在起作用，行；只有引力，能被说成是时空本身弯了。场是场，时空弯曲是时空弯曲，别混。只有引力能被解释成时空几何，另外三种不是。

力和场，说到底是我们看世界的两种方式。力，靠的是三维空间里的直觉：苹果落地、行星绕转，都是我们在三维空间里看到的位置变化和时间变化，所以“力”这个说法，天然带着三维视角。

场，我们之所以觉得它抽象、说不清，很大程度上也是因为受限于三维。电场、磁场，还有描述强、弱关系的那些场，数学上写得很清楚，但我们在脑子里画不出来，因为我们的直觉只装得下三维的图。场不是画不出来就不存在，而是我们的直觉只装得下三维的图，画不出它，只好借助数学去把握它。场不是瞎猜的，它有一套清楚的数学写法，也有实验验证。真正还不知道的，是关系本身为什么是这种结构——为什么是这四种关系、这些关系的强度为什么是这些数、为什么时空是四维。这些还没答案的问题，不全是三维视角造成的，但三维直觉确实限制了我们的想象力，也限制了我们对场的把握。

力和场，说到底是我们看世界的两种方式。力，靠的是三维空间里的直觉；场，三维直觉不够用，得靠数学。我们不知道的那部分，不是场不存在，而是我们的直觉和当前理论都还没走到那儿。

那我们知道什么呢？我们知道这四种关系摆出来是什么样：苹果落地、光线拐弯、引力波、化学键、原子核绑在一起、有些粒子会衰变、粒子质量从哪来。这些现象我们都观测到了，也能算准。但我们不知道的是：为什么偏偏是这四种关系？为什么不是五种、六种？为什么这些关系的强度是这些数？为什么空间是三维、时间是单向的？这些没人知道。

这套东西，不是一上来就全讲。初中、高中、大学，是分三层往上走的。

初中先认识现象。苹果落地、摩擦生热、灯泡发光、磁铁吸铁，先知道这些现象存在，知道力有方向有大小，知道电和磁不是一回事但能相互影响。初中不讲场，不讲四种基本关系，先把“东西之间有关系”这个直觉建立起来。

高中开始把现象收进公式。牛顿三定律、万有引力定律、库仑定律、电场磁场的基本描述，都是把初中的现象用数学关系写出来。比如用万有引力算天体运动，用电场力算电荷受力。高中开始出现“场”这个词，电场线、磁感线，开始画图，但主要还是当工具用。高中知道“力”和“场”是两种描述方式，但还不深究它们背后是什么。

大学才把这些关系放到统一框架里。普通物理讲电磁学、热学、光学，理论物理讲分析力学、电动力学、量子力学、统计物理，到高年级才接触广义相对论、量子场论、规范场论。大学才真正把“场是关系函数”“引力是时空几何”“电磁、强、弱是规范场”这些讲清楚，比如麦克斯韦方程统一电和磁，量子场论把粒子看成场的激发。初中看到的现象、高中写出的公式，到大学才被放进同一个关系框架里理解。

所以初中是认现象，高中是写公式，大学是建框架。三层不是重复，是同一件事越挖越深。

还有一件事得说清楚：课本里那些最基本的词，很多不只是没学懂，整个物理学界到现在也没搞明白它“到底是什么”。

比如光。光到底是什么，物理目前没有回答，也找不到答案。物理能说的是光的行为：它会传播，会反射，会拐弯，会互相叠加或抵消，能照亮东西，也能被东西吸收或发出。后来量子力学进来，又说光还是一份一份的，叫光子。这些行为，物理描述得很清楚，也能算准。但它“是波”还是“是粒子”，取决于你怎么问、怎么测；它为什么会有这些行为，整个物理学界没有终极答案。

光速为什么恒定，也是一样。物理把它作为一个前提，作为一个常数，先接受下来。相对论就是从这条假设出发，推出时间膨胀、长度收缩、质能关系，实验也一再验证。但“为什么恒定”“为什么偏偏是这个速度”，相对论没有解释，它只是把这个事实当前提。目前看合理，不等于这个问题已经解决。

电荷也是，我们知道电荷有正负、同种相斥异种相吸，但电荷从哪里来、为什么存在电荷，整个物理学界没有终极答案。质量也一样，我们知道质量的大部分怎么产生，但质量的最终来源和引力的最终本质，仍是开放问题。

这不是初中没教好，而是物理这门学问本身就到这儿：它描述现象之间的关系，不承诺把“东西本身是什么”讲到底。

所以物理的第一句话就是：它不追问世界本质，只描述关系；力和场是两种说法，最后归到四种基本关系；量子力学是描述场的一种方法，不是第五个筐；连光、电荷、质量这些最基本的概念，物理也只描述它们的关系和行为，不保证说清它们本身是什么。这不是谁笨，这是物理到现在还没走到的地方。

以后碰到不知道的东西，先别怕，先问一句：它属于哪种关系？是力还是场？是已知的现象，还是关系本身还没搞清楚？知道往哪儿归类，就不会慌。我想这是学习物理前我们应该先明白的一些框架