什么是科学？什么是物理学？什么是理论物理学？

 https://blog.sina.com.cn/s/blog_486d3cd80102w9bs.html (2015-08-23 02:30:37)  

（一）科学

       科学是认识事物的一种方法，这种方法的核心是：实验是检验认识正确与否的唯一标准。这一点我在前面的帖子里说过多次，当然也是现代科学认可的定义。那么什么是科学知识呢？那就是用这种科学方法得到的知识。比如万有引力定律。现代科学，即用实验推进对事物认识的方法，开始于伽利略。人的纯粹思辨的能力是极为有限的，完全会使人们走向或停留在错误的认知上，因此只有做实验才有可能约束、指引人们去得到正确的认识，新的认识又要被进一步的实验检验。这个方法开启了近代科学革命，有时伽利略也被说成是近代科学之父。人们从那时起才逐步得到了物理学、化学、生物学等系统的知识。

       其实人们用所谓纯粹思辨的方法得到的知识，如欧几里得几何学，或者数学公理、逻辑本身，其实也是来自经验，即也是实证的学问，只不过这种经验是正确的，经得起检验的。而人们的更多的经验直觉是错误的，比如上千年的时间里人们都以为物体在不受力的时候，倾向于静止状态。

       有时人们会争论谁是排名第一最伟大的科学家，是牛顿还是爱因斯坦？我觉得是伽利略，因为是方法是更重要的，有了实证方法，总有人会发现牛顿的东西。知识是死的，方法是活的。做个极端的假设，如果人类文明毁灭了科学知识都丢失了，但有一部分人活下来，那么他们用实证的方法，最终还会把丢失的科学知识重建起来。在其他星球上如果有高级文明的话，那里也应该出现过类似伽利略的外星人，标志其科学文明的产生。

       科学，即 science，在古希腊原意是知识，自然科学在古代就是关于自然界的知识。但是现代科学已经不是那么宽泛的定义，它是有所特指的，指的是已经用实验验证的知识，而且我认为它更强调得到知识的方法。科学研究的内容也是指能用实验检验的学问。

       科学还有更全面的定义，但那都并不是最实质性的。比如波普尔定义科学要求可证伪性。我觉得这个定义是针对那些跟科学捣乱的人的，如某些哲学家，或某些搞宗教迷信的人。

       科学的实证精神已经深入发展到人类生活的诸多方面，比如刑警破案，司法上一定要求取得证据。再如从事和社会相关工作的人也很强调社会实践。

（二）物理学

       物理学是实证科学的一个分支，它的特点是研究自然现象背后的数学结构。注意这里的数学并不是数学家意义上的数学，而是物理学家意义上的数学。比如万有引力的平方反比定律，包括欧几里得几何以及有关微积分的运用；麦克斯韦方程，及其相关的场概念的数学；广义相对论之于黎曼几何；规范对称性之于基本粒子物理，还有可能存在的超对称性，等等。复杂现象背后是否有简单的数学规律，或者说有某种漂亮的数学物理结构？找到现象背后的数学规律就是物理学研究要做的事情。

       和大家熟悉的不同，我不从研究对象定义学科。我认为学科的分类、定义来自该学科的研究特点。这样你就很好理解化学是一门实证科学的分支，但它不是物理，不属于物理。如果按照研究对象分类，化学、生物都属于物之理，即物理，特别是化学，研究原子分子，那不就是一二百年前的基本粒子物理么？为什么化学一直就是化学？原因就是化学的研究特点在于道尔顿的原子论，即原子是不变的，变化的是分子结构，即原子的不同组合，物质的性质由分子决定。化学研究基本没有数学，主要就是在原子论的框架下从实验中归纳知识。当然随着物理学的发展，在有了量子力学以后，化学的某些方面和物理学有了交集，但那只是化学的一小部分。

       物理学虽然以发现现象背后的数学规律为目的，但要做到这一点，实验研究是不能没有的，新实验会告诉我们旧理论完全没有预期到的结果，从而指引人们走向更加深入的研究。

       物理学家有很多名言，如费曼说科学最精华的知识是物质是由原子构成的，但我最欣赏的是伽利略的这句话，即自然界是用数学语言书写的。

（三）理论物理学

       理论物理学是物理学理论研究方面最核心、最精华的部分。物理学的发展使得人们对自然的认识走向越来越小的尺度，理论也展现出概念上和数学上越来越统一、简洁，这使得物理学里最基本、最前沿的理论研究成为专门的学科。因此不同的时代，理论物理研究的具体内容有所不同。现在它包含粒子物理（量子场论），引力（广义相对论）和宇宙学。具体来说既有对中微子、暗物质的理论研究，也有关于超对称、超弦的研究，还有黑洞和宇宙暴涨等等。

       除了基本性，理论物理学还有普适性和重要性。普适性是说物理学许多完全不同的研究方向都可能会用到的，比如统计物理，还有凝聚态物理之于量子场论，凝聚态物理现象会展现出简单漂亮的数学物理结构。重要性是指重要的问题，如果将来意识与脑的研究需要数学模型或物理理论的研究，这就属于重要的事情，是理论物理应该发展的研究内容。

       有人认为，理论物理学还应该包括有活跃性。这一点我很怀疑。所谓活跃性是指热门研究，比如以前流行的混沌研究，当下流行的量子通讯研究等。并不是任何物理学的理论研究都叫理论物理学，光学理论、量子化学理论就不算。普林斯顿的 institute 就没有这些研究内容。

        一个号称是基础理论研究的研究中心，都应该有上述我说的关于粒子物理和引力等基本物理的研究，即使这些研究进展缓慢甚至停滞不前。因为没有基本性方面的研究的研究所是没有必要存在的，没有基本性的理论研究不成为一个学科。

       最后说一下，好的理论物理研究论文必须包含漂亮的数学。你找到某种规律，但无法用数学表达，那你研究的就不算是物理，最起码不是好的物理。