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北京大学：自然哲学与物理学（笔记讲义）natural philosophy and physics

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文档详细内容（约483页）

第一章物理学简介本章的目的，是要对“物理学是什么”这个问题做一个引入式的讨论。为了让读者针对本书进行阅读时有个抓手3，我们先把其总结为一段话。这段话中会出现物理学、自然哲学这两个关键词，这也是本书的题目中的两个关键词。本书的整体讨论，会围绕这两个关键词展开。之后，基于这段话，我们会展开一些关于比较基础的概念的讨论，以期将读者带入关于物理学的思考。之后，随着各个章节的进行，笔者期待这个关于物理学与自然哲学的图景会逐步展开。这段话比较浓缩，内容为：物理学是自然科学的一个分支，它起源于自然哲学，并可以在一定程度上代表自然暂学。物理学研究的是物质的本质”，包含物质的存在形式与运动规律；有时，人们也说物理学研究的是宇宙的运动原理。围绕这段话，我们的讨论将从五个方面进行。首先，是物理学的这个学科的基本特征与它主要研究的内容；其次，是物理学与哲学、自然哲学、科学、自然3笔者在第一次上《今日物理》课的时候，一直找不到思路来讲第一讲。一个偶然的机会，笔者看到吴从军老师写的一篇关于物理学简介的文章。吴老师现任西湖大学讲席教授，之前是美国加州大学圣地亚哥大学分校物理系教授。他曾获斯隆奖（SloanResearchFellowship，美国斯隆基金设立的一个针对职业生涯早期杰出青年学者的基金）、新基石研究员（我国腾讯公司出资设立的一个公益性的针对基础研究的项目）等重要奖项。在笔者看来，他是一位非常出色的理论物理学家。吴老师的这篇文章给了笔者一个抓手，也为笔者准备《今日物理》课程的一系列讲座起到了很重要的启发作用。本书整理过程中，在征得本人同意后，笔者将他的这篇文章的作为我们展开讨论的起点。这里，也特别感谢吴老师！3物质可以有物理学上的定义，也可以有哲学上的定义（相对于精神）。这里，我们采用的是其在物理学上的定义。在传统物理学的定义中，它指的是一个具有一定质量、占据一定体积的实体。在现代物理学中，它的定义获得了扩展，与能量可相互转换，两者总和不变。这里，我们说的物质可以按现代的方式理解，对应传统的实体物质加能量。32

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科学在学科属性上的相互关系3；第三，由于数学的发展与物理学的发展总是紧密相关的，我们需要花些笔墨来介绍物理学与数学的密切联系；第四，由于科学革命带来的一个结果是自然哲学演化为自然科学（物理学是其中一个分支）34，理解物理学与其它自然科学的分支之间的关系对于我们理解物理学也是有一定帮助的；最后，我们需要简单说明一下现代物理学研究中的典型领域划分、相互联系、及其它对其它学科可能起到的支撑作用。本章也会按这个思路，分五节来展开。1.1物理学的基本特征与主要研究内容我们先从物理学这个学科的基本特征上说起。我们可以用两个关键词来进行3这里，我们会企图把物理学这门学科在历史上的演化过程讲清楚。这个展开过程，要包含一些关于哲学、科学、神学之间的相互关系的讨论。34实际上在十九世纪上半叶之前，人们都很少用科学（Scicnce）这个词。当时常用的词是自然哲学（NaturalPhilosophy）。Science的词根是拉丁语的scientia，本意就是知识。在中世纪之前，人们追求scientia的领域包含了语法、逻辑、修辞、算术、几何等几乎所有传统哲学的领域。1833年，英国哲学家威惠尔（WilliamWhewell，1794-1866年）用Scientist来描述科学革命（这是一个时期，对人类历史非常重要，后面会讲）后涌现出来的专职从事由自然哲学演化出的各个可以用科学的手段研究的学科的研究的人【Ross，1962】，科学与科学家才有了现代意义上的定义。现在，人们说到科学，既可以指这种研究方法（伽利略提出的针对用实验来对理论假说进行证实或证伪的研究方法），也可以指人们利用这种方法所获取的知识。这些研究根据其关系的问题，可分为自然科学、形式科学、社会科学。这里的自然科学，与我们传统意义上说的自然哲学基本对应。从这个角度来看，科学与自然有个完全不同的侧重点。科学的词根来自拉丁语scicntia，它偏重于可以用科学方法验证的知识的集合。自然，词根则是拉丁语natura（或希腊语phusis），它有两个意思，一个是客观存在（比如物质世界），一个是这种客观存在背后的驱动力。而物理，早期的思路就是还原论，关注的就是客观存在中最基础的东西，以及这些东西的运动规律。后来，人们意识到客观存在有很多，比如化学、生物、地学、天气等，这些也都被当作自然来研究。综合这些，我们可以说自然更强调客观存在及其本质规律，而科学更强调可以被实验证实或证伪的知识。我们现在常提到的期刊Science和Nature虽说覆盖范围基本一致，从办刊思想上，应该还是有一点能反映其词根的区别的。这里笔者这些年基于投稿经验，总结出一些体会放在这里仅作分享。我们本书的核心physics，在希腊语（phusis）的意思就是我们现在说的nature。牛频之后，物理学才有了现代意义上的定义。我们后面会提到，这也是人们为什么总说物理学即自然哲学的一个原因。更多类似讨论请见1.2节

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