浅论物理学的“基因”与“特质”.ppt

朱建廉,南京市 金陵中学,2016年9月19日在江苏省物理名师培训活动中讲座,浅论物理学的“基因”与“特质”,摘要：本文在把“物理学”看作是鲜活的生命体的基础上，理性的梳理了“物理学”在其孕育和生长的过程当中在表现其“学科特质”方面而起到了关键性作用的“遗传基因”，并将“物理学”内隐的诸如“生活”、“数学”、“逻辑”、“哲学”等各种“基因要素”与其外显的“实验特质”之间建立起了自然的关联，进而形成了基于“物理学”的外显“实验特质”的相应认识，即：由于物理学是“生活”的，所以才会是“实验”的；由于物理学是“数学”的，所以才会是“实验”的；由于物理学是“逻辑”的，所以才会是“实验”的；由于物理学是“哲学”的，所以才会是“实验”的。,关键词：生活；数学；逻辑；哲学；实验；基因；特质,关于实验的理性思考,伽利略把实验引入物理学的研究,从而便标志了物理学的真正开端,因为 物理学 是 生活 的,所以才会是 实验 的,因为 物理学 是 数学 的,所以才会是 实验 的,因为 物理学 是 逻辑 的,所以才会是 实验 的,因为 物理学 是 哲学 的,所以才会是 实验 的,都知道物理学具备着实验的特质,故实验不会是物理学的核心内容,物理学是有生命的，有生命的物理学在其孕育、生长、发育的过程中必将会遵从遗传规律由其内隐的“基因”之影响与制约而最终显现出其独有的外显“特质”。,说到物理学所独有之外显“特质”，可能没有人不知道这样的一句话，即：物理学是以实验为其基本“特质”的基础性学科。,著名的物理学家爱因斯坦曾说过：自从伽利略把实验延引入物理学的研究，物理学才有了一个真正的开端。,本文在把物理学作为一个生命体看待的基础上，沿着其孕育、生长、发育的过程，简要的剖析其“遗传基因”，并通过对物理学实施所谓的“遗传基因”剖析，进而阐述物理学之所以会表现出“实验特质”的根本缘由。,由于物理学是“生活”的， 所以它才会是“实验”的。,生活其实就是实验,“生活实验”的实验室,宇宙,“生活实验”的实验员,上帝,亚里士多德通过“生活实验”而得出：,力是使物体运动的原因。,较重的物体将会先着地。,如是之观点统治人类认知近两千年！,在中学阶段的物理学科教学活动当中，古希腊的先贤亚里士多德（公元前384322年）往往是在被动的状态下扮演着一个遭受批评、甚至是遭到嘲弄的角色：,初中阶段的物理教学中往往会批评其“力是使物体运动的原因”的错误观点；,而高中阶段的物理课堂上则又往往会嘲弄其“较重的物体先落地”的错误判断。,事实上，亚里士多德的这两个错误观点自提出后便统治了人类而认知长达2000年左右，直到意大利物理学家伽利略（公元15641642年）的出现才得以更正。,如是之错误观点居然会有如此顽强的生命力，这是我们应该冷静下来而作理性思考的一件极为有趣和极具价值的事情。,笔者认为：所以能够支撑起亚氏错误观点的顽强生命力，实际上应该被认为是形成如是观点的过程的合乎情理而极具迷惑性所致。,亚里士多德率先介入运动问题的研究，其实走的是一条以“生活现象”为基础的研究思路。,由于“推物便动而不推则停”的一类现象充斥于人们的“生活”而让人们司空见惯，所以亚里士多德才会抽象概括出“力是使物体运动的原因”的相应观点；,由于“生活”当中总是看到“石块比树叶先落地”，所以亚里士多德才会极其自信的得出“较重的物体先落地”的相应判断。,在概括观点和形成判断时，尽管亚里士多德遗憾的误把“物体由静止变为运动”简单的指认为是“运动”、误把“物体由运动变为静止”含糊的当作为是“静止”，也尽管在“力”的概念尚未形成的那个年代亚里士多德没能够关注到石块和树叶下落过程中所受到的“阻力”，但他的这种从“生活”当中发掘出“物理学”的研究思路与研究方法却极具说服力和极具可信度，同时也把所谓“生活”的“基因”先天性的引进了“物理学”的生命体。,既然物理学在萌芽状态中便是自“生活现象”的研究起步，既然亚里士多德把“生活”作为物理学的遗传基因而赋予物理学的生命体，那么我们便应该进一步的考察内隐的“生活基因”究竟会给物理学带来怎样的外显“特质”。,笔者认为：“生活”，其实就是“实验”、其实就是作为实验员的“上帝”在作为实验室的“宇宙”内设计并实施的一个“实验”。,做出如是之认定的相应解释如次：我们既然把“人为创设某些特定环境和特定条件而在人力掌控下再现某种特定过程”的相应操作称作为“实验”，那么只要把这其中的“人”改换为无所不能的“上帝”、把这其中的“环境和条件”加上“自然”以代，“生活”的任意一个片段便自然成了作为实验员的“上帝”在所谓的“自然环境和自然条件”下所完成的一次具体“实验”了。,亚里士多德如是之观点的提出，原来只是代替“上帝”所做出的“实验”结论，这就难怪因为亚里士多德的“疏忽”而把结论搞错竟然也还能够“迷惑”人类如此之久了！,上述分析表明：由于“物理学”是“生活”的，而“生活”其实就是“实验”，所以“物理学”才会是“实验”的。,由于物理学是“数学”的， 所以它才会是“实验”的。,数学其实也是实验,毕达哥拉斯依据“数的和谐”而判断：,和谐的音频必成整数比。,第一个定量的物理规律。,毕氏的判断其实是实验意蕴的猜测！,“1 + 1=2”的一级运算在结绳记事年代经反复实验被确认,“11=1”的二级运算在本质层面讲必须经过实验方确定,另有一位距离我们更为久远一些的古希腊先哲毕达哥拉斯（公元前约570500年），他在意大利的南部创立了以自己的名字而冠名的学派（又称“南意大利学派”）。,毕达哥拉斯学派信奉的是所谓“数的和谐”的哲学理念，他们认为：数是万物的本原，事物的性质取决于事物的数量关系，万物按一定的数量比例而构成相互关联的体系，体系的和谐程度与其间数量比例的简单和复杂程度相关，数量比例越简单则事物体系就越和谐。,根据“数的和谐”的基本理念，毕达哥拉斯学派发现了被俄裔美籍物理学家、物理学史家、兼著名的科普作家伽莫夫（公元19041968年）认定为是人类文明史上第一个定量表达的物理规律琴弦定律（即所谓：和谐的乐音对应着简单的整数比）。,毕达哥拉斯学派对人类文明的这一贡献，使得物理学在其后近200年的萌芽阶段（即：亚里士多德率先研究运动问题而启动的物理学的“萌芽”阶段）和其后约2100年的开端时期（即：伽利略把实验延引入物理学研究而构成了物理学的真正“开端”）之前，便与“数学”结下了不解之缘，直到约2400年后的、对诸多门类的自然科学都颇有见地的著名哲学家恩格斯（公元18201895年）才在理性的层面上概括性的总结出“数学”基于其他学科的一般性意义，他说：其他的任何一门学科（当然也应该包括物理学），只有在完美的运用“数学”时，才能够称得上是成熟（大意如此，原文待考）。这就是说：在“物理学”的“血管”里，流淌着的是“数学”的“血液”。,既然业已认定物理学在萌芽阶段之前而寄居于哲学的大厦内时便与数学结下了不解之缘，既然透过这不解的“缘分”而意识到了“物理学”其实也是“数学”的，那么欲在“物理学”的生命体征当中从“数学”的“基因”出发去探寻“实验”的影子，则就需要在“数学”和“实验”之间建立起某种必然的关联。,笔者发现：“数学”与“实验”之间的关联其实也是一种先天性的客观存在。入职之初，笔者为了能够较为科学和较为合理的履行“教”的相应职责，曾潜心研究过与“教”相对立的“学”的系列行为之本质，其中有一项研究成果就涉及到对“数学”中的数字运算操作行为本质的探究。,在标题为猜数字运算操作的本质（参见附录）的一篇文章当中，笔者针对作为“二级运算”的除法运算操作中的“试商”这一环节而作基于操作行为的本质探究，从而将其认定为是一种带有浓郁的“实验”意蕴的“猜”。,继而我们可以、甚至是应该合乎情理的联想到：就连最为简单的“1+1=2”的“一级运算”的相应结论判断，在人类进化发展到“结绳记事”的那个阶段，都一定会是经过无数次借“结绳”操作的“实验”验证方能够被最终确认。,可见，在“数学”发展的初期阶段，基于数字运算的操作行为其本质就是先天性带有浓郁的“实验”意蕴的“猜”。因此我们便可以认定：“数学”其实也是“实验”。,上述分析表明：由于“物理学”是“数学”的，而“数学”其实也是“实验”，所以“物理学”才会是“实验”的。,由于物理学是“逻辑”的， 所以它才会是“实验”的。,逻辑则更需要实验,伽利略智慧运用“逻辑推理”而判断：,并不是较重物体先着地。,而是轻重物体同时着地。,伽氏的判断还得用实验来进行验证！,有了逻辑的支撑实验才能够趋于理性,有了实验的验证逻辑才能够更为可信,若细数伽利略对物理学发展所做出的重大贡献的具体项目，则其用于推翻亚里士多德的“落体规律”的那个著名的“逻辑悖论”当列其间，笔者甚至有意将这“逻辑悖论”列在伽利略对物理学发展所做出的包括“把实验延引入物理学研究”在内的诸多贡献项目之前而排在首位。,当然，爱因斯坦（公元18791955年）极为推崇伽利略“把实验延引入物理学的研究”而使得物理学有了一个“真正开端”，这样的评价固然有他的道理，但笔者总觉得伽利略的这一项贡献其实就是沿用了亚里士多德的“生活实验”方法。,只是，伽利略把相应的“生活实验”代换为设计更为精巧、思考更为周密的“物理实验”而已。,至于说到伽利略的那个著名的“逻辑悖论”，仅仅是寥寥数语便把统治了人类认知长达2000年的“较重的物体先落地”的错误观点修正为“轻重物体同时落地”的正确表述。,伽利略向率先研究物理学的权威亚里士多德挑战、尤其是向逻辑学的开山鼻祖亚里士多德叫板的那个可以在人类思想史上熠熠生辉的经典“逻辑智慧”片段是这样表述的：,假设“较重的物体先落地”的观点是正确的，那么8磅的重物就应该比2磅的重物下落更快些；,但如果把两物连接为一体，则一方面由于其重增加为10磅而应该下落的更快，另一方面又由于快与慢的相互牵扯而使得其下落的快慢程度介于快与慢之间；,假设正确的基础上却推出了如是之矛盾，只能说明迷惑人类2000年之久的所谓“较重的物体先落地”的观点是错误的。,其实，我们还可以用“重”与“轻”、“快”与“慢”的相互代换而把伽利略的“逻辑智慧”再向前推进一步，即：,既然“较重的物体先落地”和“较轻的物体先落地”都是错误的，所以我们就只能认同“轻重物体同时落地”的相应观点了。,假设“较轻的物体先落地”，那么8磅的重物就应该比2磅的重物下落更慢些；,但如果把两物连接为一体，则一方面由于其重增加为10磅而应该下落的更慢，另一方面又由于慢与快的相互牵扯而使得其下落的快慢程度介于慢与快之间；,假设正确的基础上却推出了如是之矛盾，只能说明所谓“较轻的物体先落地”的观点是错误的。,实际上，“物理学”研究的是“物”、探寻的是“理”。即可用如下述表达式来简约的表示，即,而基于“理”的追究与探寻，却只能落实在“逻辑”之上，即以“逻辑”的运作而推出所追究和所探寻的“理”。,可见：“物理学”应该是“逻辑”的。这样，更为看好伽利略的那个澄清了千年误解的“逻辑悖论”的相应观点，也便具有了一定程度的合理性。,那么，“实验”在物理学研究中的地位与作用又如何呢？认识的一般性规律表明：认识从感知起步，“实验”在研究“物”的基础上而感知到“物”的表象，将感知到的表象输入大脑作为“逻辑”加工的原材料，最终形成“逻辑”运作的产品便是基于“物”所探寻而得到的“理”，而为了保证其“理”的可靠和可信，基于“理”采用“实验”手段的验证则往往又成为一种必要和必须。,也就是说：在“逻辑”运作之前需要“实验”提供运作之原材料，在“逻辑”运作之后又需要“实验”对其产品做检验。这就是“实验”在物理学研究中地位与作用的相应理解，归结为一句话那就是：“实验”，直接涉及的是“物理”当中的“物”；“逻辑”，追究探寻的是“物理”当中的“理”。方法。,上述分析表明：由于“物理学”是“逻辑”的，而“逻辑”却离不开“实验”，所以“物理学”才会是“实验”的。,由于物理学是“哲学”的， 所以它才会是“实验”的。,哲学先天蕴含实验,牛顿时期“自然哲学”相应提法说明：,物理其实是脱胎于哲学。,所以哲学先天蕴含实验。,牛氏名著 = 物理概念 + 数学推演 + 哲学思辨,哲学 极具包容性而先天性蕴含 实验,哲学 自然哲学 物理学 实验,笔者在阅读亚里士多德的物理学时，胸中一直存有疑虑与困惑：在亚里士多德的年代，诸如“力”、“质量”等物理学概念、甚至是“物理学”的学科名称等都还没有来得及形成，但在所阅读的翻译文本当中，相关的语词都是以汉字的形式赫然在目。,这就让人难以想象亚里士多德在用希腊文（也可能是拉丁语）究竟是怎样来表述如是之概念的了。,但是有一点却是毫无悬念和绝无疑惑的，那就是：在阅读亚氏的物理学著作时，是将其当作哲学论著来读而绝不是当作自然科学论著来读的。,因为，其时的“物理学”还是隶属于“哲学”的一个组成部分而尚未独立的从“哲学”的体系中分离出来，直到“物理学”寄生于“哲学”之中、甚至是“物理学”的受精卵在“哲学”的子宫内着床、孕育、生长而沿革了2000多年到了牛顿（公元16431727年）的年代，还被称作为是“哲学”的分支“自然哲学”。,笔者在阅读牛顿的那部经典物理学的经典名著自然哲学的数学原理时，有一个切切实实的阅读感悟，即：所读到的除了少量诸如“力”、“质量”、“惯性”等“物理学”概念的定义外，大量的阅读内容其实都是一些“数学”的推演和“哲学”的思辨。,行文至此，关于“物理学原本就是哲学的”的相应指认与判断就已经不需要再多说什么了，剩下的问题就只是如何在“哲学”与“实验”之间建立起关联的相应思考了。,其实，欲在“哲学”和“实验”之间建立起某种关联，应该被认为是一件极为简单的事情。首先，“哲学”的包罗万象、尤其是早期的“哲学”简直是无所不包的相应属性，决定着由“哲学”来把“实验”收入囊中是应该能够被预料和应该能够被认同的；其次，“哲学”思辨所得到的结论又需要实践层面上的检验，而这所谓的“实践层面”，显然应该包括人为而设计和人力所掌控的“实验”在内。,上述分析表明：由于“物理学”是“哲学”的，而“哲学”却蕴含着“实验”，所以“物理学”才会是“实验”的。,物理学 的 基因 与 特质,物理学内隐的遗传基因,基于生活的物理学,萌芽,亚里士多德,基于数学的物理学,首创,毕达哥拉斯,基于逻辑的物理学,突破,伽利略揭穿,基于哲学的物理学,沿革,牛顿的年代,