“物理学及自然哲学”这种不太严格的表述经常出现的一个重要原因35。有了这样一个基本的印象，我们可以从历史发展的角度来初步地、近距离地体会一下物理学了。我们可以先从它的原始形态，自然哲学说起【赵敦华，2012】【阿里奥托，2011】【邓晓芒、赵林，2014】【Lloyd，2021】。早在古希腊时代，泰勒斯（ThalesofMiletus，约公元前620年代到540年代）就提出了具有鲜明的物理学特质的水本原说”。其蕴藏的哲学思想，代表了人们当时脱离神话对世间万物的本质的初步思考。比泰勒斯晚100多年，留基波（Leucippus，约公元前5世纪前期）与德谟克里特（Democritus，约公元前460年代到370年代）了原子论。在他们的世界观中，世界是由原子组成的，原子与原子之间是真空。这更是在一定程度上成为了2200年后由道尔顿（JohnDalton，1766-1844，其代表作《ANewSystemofChemicalPhilosophy》译作《化学哲学新体系》，于1808年第一次出版）所提倡的原子论的哲学基础。比德谟克里特再晚一点，亚里士多德（Aristotle，公元前384-332年）在建立其哲学体系时以《Physics》为起点“，建立了包括《Metaphysics（形而上学）》”当然还会有其它原因，比如我们下面要提到的对亚里士多德的著作《phusis》的翻译。科学革命后，因为科学脱离哲学独立存在，科学中各个分支在成熟后又开始关注非常专业与细节的问题，导致了从事科学研究的人开始越来越少地关注科学与哲学的关系。作为一个结果，类似“物理学及自然哲学”这种不太严谨的表述也开始越来越多的出现。笔者在《今日物理》这门课程的讲义的整理过程中，比较看重类似概念的澄清。3人们一般认为哲学起源于泰勒斯。这个时间，大概在公元前500多年。泰勒斯就是那个仰望星空，结果掉到坑里的人。现在我们说的“仰望星空”，也来自于此典故。37Physics的原词是Phusis。它是希腊语，意思与现在的nature比较像，强调本质、本源，并不是现代意义上的物理学的意思。《Phusis》所采取的形式是基于观察进行描述，进而思辨。其中，是没有实验的。同时，其关注内容除了牛顿、伽利略的物理学关注的内容，也包含一些生命现象。因此，不管是从研究方法还是关注内容上来讲，亚里士多德的《Physics》都与现代我们说的物理学存在很大差别。后面我们会讲到，把这本书叫做“亚里士多德的《Physics》”或许更合适
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《Logics（逻辑学）》、《Ethics（伦理学）》、《Aesthetics（美学）》、《Rhetoric（修辞学）》在内的一套哲学体系3。在《Physics》中，他建立的CelestialRealm（月上世界）与TerrestialRealm（月下世界）的概念以及其组成与运动规律的学说在很大程度上决定了科学革命前整个西方对物质世界的认识”。即使在科学革命之后、物理学革命之前40，其中的类似于以太的概念依然在影响着物理学4。比亚里士多德再晚一些，阿基米德所总结的静力学定律让人们对力有了最初的认识。这些研究传承的，是整个自然哲学中最核心的思考。其核心关注点，就是物质世界的组成与运动规律42。之后，经历了漫长的中世纪，在文艺复兴结束后、科学革命的初期，伽利略38为什么亚里士多德的哲学体系会包含这些内容，我们会在本章第二节解释。39其中，月上世界充满以太。月下世界是水、火、土、气这四种元素。40科学革命、物理学革命具体的定义，我们后面再解释。41在亚里士多德这里，月上世界充满了以太。在留基波和德谟克里特那里，原子之间是真空。因此，读者也可以感受到像以太，真空这样在近代与现代物理学中依然扮演者重要角色的概念，其根源可追溯至古希腊的哲学。42为防止误解，这里也说明一下，运动规律在这个时期体现为当时的物理学所描述的运动规律，更像运动学（kinematics），而不是我们现在说的由牛频确立的力学的形式（mcchanics）。虽说把数学当作是描述自然的语言这种习惯人们在古希腊时期就已经养成了，但是在当时，人们描述运动的时候使用的更多的是亚里士多德所提出的定性的运动规律，是不需要力的，因此不是mechanics。Mechanics，多应用于与机械应用相关的领域（实际上mechanics这个词的词根就和mechine相关）。举个例子，到开普勒那个时候，虽说描述行星运动规律用的是数学的语言，但其轨道的产生并不追求严格的力学的解释。这也是我们把牛顿的《自然哲学的数学原理》的出版当作科学革命的高潮的一个重要原因，它莫定了经典物理学的思维范式，将力与运动进行了数学上的结合。后面，在第八章，我们也会反复强调像“运动学（kinematics）”这样的概念在即使是量子力学这样的现代物理学理论中发挥的重要作用。这种结合，从根儿上讲，这都是“物理学关注物质的存在形式与运动规律”这样一个学科特质的体现。36
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（GalileoGalilei，1564-1642年）总结出用实验来验证理论假说的研究方法*。之后，比他晚三十多年出生的笛卡尔（ReneDescartes，1596-1650年）将解析几何引入力学问题的研究中44，此方法又被其学生惠更斯（ChristiaanHuygens，1629-1695年）进一步发展。再往后，以牛顿（IsaacNewton，1642-1727年）在1687年出版的《自然哲学的数学原理》为标志，人们在历史上首次掌握了一个严格定量化的科学理论体系。这是力学理论，用以描述物质运动与力之间的关系。自然哲学也完成了最为关键的一次蜕变4。蜕变后的理论就是我们现在说的物理学了，这种物理学的影响力也很快覆盖了自然哲学的其它领域“。我们可以说这是一次认知革命，它揭示了像太阳、月亮这样的天体与我们身边的日常事物遵循统一的力学规律，使得人们不再一味相信神力，进而对客观世界有了更为接近真理的认知。在物理学内部，牛顿力学的特质使得“力学”成为物理学研究中最核心的部4这个方法后来被人们称为是科学的方法，由其得到的确定性的知识也被称为科学知识。在伽利略这个时间点往前与往后，有一系列与科学相关的哲学思想的发展，我们会在第六章介绍。“笛卡尔有两个身份，一个是哲学大师，一个是数学大师。哲学上，他所创立的唯理论被很多人认为是近代西方哲学的开端。数学上，解析几何实现了代数与几何的第一次结合，为牛顿、莱布尼茨（GottfricdWilhclmLeibniz，1646一1716年）的微积分方法的提出进行了重要的铺垫45这里大家可以体会一下《自然哲学之数学原理》这个书名。用自然哲学是因为这个时候人们关注的还是哲学中的自然哲学，科学这个名词被人们广泛使用是19世纪初的事情。物理学在其数学原理被发现后，成为了“全新的自然哲学”进而演化为“自然科学”。4比如在这个时代，比牛顿甚至稍微早一些，波义耳（BobertBoyle，1627-1691）做的事情就是势力将化学从炼金术（Alchemy）中分离，像物理学那样使之纳入自然哲学的范畴。这个在其代表作《怀疑的化学家》（<TheSkepticalChymist>）中就有体现。牛顿去世后儿十年，拉瓦锡（AntoineLaurentdeLavoisier，1743-1794）出生。他更是采用物理学的研究方式，提出了氧化说与质量守恒定律，通过1789年的《化学基础论》（<ElementaryTreatiseonChemistry>）彻底建立的现代化学。做个略显随意的比喻，化学领域的波义耳与拉瓦锡，就有点像物理领域的伽利略与牛顿
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分7。牛顿力学后来也深刻影响到了法国的启蒙运动。伏尔泰（Voltaire，Francois-MarieArouet的笔名，1694-1778年）就是牛顿的一个忠实粉丝，我们现在总说的苹果落地促使牛顿思考万有引力这个故事，就来自于牛顿去世几十年后伏尔泰在英国生活时对牛顿侄女的采访。当时，很多人认为是可以基于牛顿力学去理解世间万物的。与之相应的哲学思想是机械论，来自于比牛顿更早一些的一个哲学家，叫霍布斯（ThomasHobbes，1588-1679年）48【邓晓芒、赵林，2014]。当然，再后来人们对热现象的研究使得人们认识到严格的机械论的应用范围是有边界的。但基于力学去描述物质的运动与变化这个基本思想，在物理学研究中依然被深度认可。遵循此思想，麦克斯韦（JamesClerkMaxwell，1831-1879年）将电与磁现象进行了统一；爱因斯坦揭示了时空、运动、物质之间不可分割的关系。这些都是物理学发展过程中最伟大成就的体现。后来，在人们研究热现象与微观世界的过程中，发现了几率性描述的重要性，统计力学与量子力学也相应建立。这些基础知识，构成了我们现在认识世间万物的最为基础的理论，也为自然哲学（在科学革命后，其主体已演化为自然科学）的其它分支提供了关键的理论支撑。以我们的兄弟学科化学为例，统计力学与量子力学的发展是典型的物理学成就。上世纪二十年代之后，以朗缪尔（IrvingLangmuir，1881-1957年）、路易斯47这里我们说的力学，包含kinematics、mechanics、kinctics、statics等一系列内容。在前言部分，我们讲到分子动力学是热学现象与力学规律之间的桥梁时，也强调过“力学”在物理学研究中的核心地位。这些内容，在第四章我们讲力学的时候，会进行更深入一些的说明。48他就生活年代与影响力而言，对牛顿应该是有影响的。我们在第六章，会有一些对他的哲学思想在科学史上的作用的介绍。49这个应该是进入十九世纪之后的事情了。38
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（GilbertNewtonLewis，1875-1946年）、鲍林（LinusPauling，1901-1994年）为代表的化学家将其成功地应用到化学分子的存在形式与反应机制的描述中。基于此，化学这门早期的完全基于实验尝试的学科被推向了一个拥有微观（原子、分子）层面严格的定量描述的科学【Laidler，1993】。在化学内部，物理化学也作为一个重要的学科分支诞生”。现在，人们更是努力地将这种成功（比如前面提到的分子动力学模拟手段）推广至生物体系，以期推动人们在分子水平认识生命科学。这些，应该说是物理学成就对相关兄弟学科影响的典型的例子。除了为兄弟学科的发展提供一些理论工具，在物理学内部，探索物质的存在形式与运动规律的认知边界依然是我们重点关心的问题。由于学科发展已经成熟到一定阶段，它必然会产生很多分支。当前，物理学的研究分支大致可分为六部分：高能物理学、核物理学、：天体物理学（宇宙学）、原子/分子物理学与光学(Atomic/MolecularPhysics andOptics，简称AMO)、凝聚态物理、生物物理学51。50当然，这里我们也不能忘记物理化学这个学科早期的一些莫基人，像范德霍夫（又译作范托夫，JacobusHenricusvan'tHoff，1852-1911年）、理查兹（TheodoreWilliamRichards，1868-1928年）能斯特（WaltherHermannNernst，1864-1941年）、哈伯（FritzHaber，1968-1934年），的贡献。在他们那个时候，人们依然是基于原子论在对化学反应的微观机理进行探索，量子力学还没有成熟。但他们对于物理化学学科的贡献，不容笔者在这里不提他们。5"这里的划分依据是对国际上主流大学的物理系师资配备的分析。北京大学物理学院2020-2021年进行学科规划时，笔者曾参与调研过国际上主流高校物理系的师资配置。这里的分析也是基于当时的一些数据。在我国目前的学科分类中，声学、无线电物理、等离子体物理也是物理学下属二级学科。但整体而言，从事类似研究的研究人员在国内外高校中的人员占比，比起前面提到的几个，还是要少一些。同时，理论物理也是物理学下属二级学科，但这个更像是一种研究方法而非方向或领域。前面提到的几个领域中（比如高能物理、凝聚态物理、AMO），人们都会用到理论物理的手段。统计物理这里没有提到，有两个原因。一是它在我们国内物理学的学科划分中并不是独立的二级学科；二是国际与国内物理学专业的师资配置中，相关老师都会被放在凝聚态物理或者生物物理这些方向，多数情况下并不独立组队。其中的第二点，与统计物理和凝聚态物理生物物理天然的紧密联系是密不可分的。我们这里需要强调一下统计物理非常的重要！在第九章，我们也会单独介绍。只是在这里，我们并不花过度的笔墨。天文学，严格意义上是独立于物理学的一级学科。但天文研究中的很多领域与物理也是很难分割的，中间有一些内容确实也是物理的
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