物理是什么

开场你口袋里装着整门课

把手机拿在手里。它大约两百克，可这门课七个单元里的每一个，都在这块玻璃和金属里留下了零件。

这张清单想说明一件事：物理不是课本里一堆和生活无关的公式。过去四百年里，几乎每一次物理学上的大发现，迟早都会变成一样东西、一个产业、一种武器或者一种看世界的新方式。这门课每一章都会问两个问题：人们是怎么想明白的，以及想明白之后，世界变成了什么样。

定义物理到底研究什么

一句话的定义：物理学研究物质、能量、运动、空间和时间，以及它们之间最基本的规律。“最基本”是关键。化学关心原子怎样组合成分子，生物学关心分子怎样组成会生长的东西；物理学往下再挖一层，问原子本身为什么稳定，能量为什么守恒，时间为什么只往一个方向走。

同一个现象，不同学科会问不同的问题。比如一个苹果从树上掉下来：

最后那个问题看起来跑题了，其实正是牛顿的问题。把地上的苹果和天上的月亮放进同一条规律，这种“把看似无关的事统一起来”的冲动，是整部物理学史的主线。你会在这门课里反复看到它：热和运动被统一成“能量”，电、磁和光被统一成“电磁波”，时间和空间被统一成“时空”。

• 左上角：彩虹。阳光在雨滴里折射、反射后分成了颜色，第 15 章牛顿会用棱镜把它拆开。
• 右上角的太阳，光线射向城墙上的几面镜子，再被集中反射到右边海面的战船上，船着了火。这是“阿基米德用镜子烧罗马战船”的传说，是否真有其事，学界普遍存疑。
• 画面下方中间，站在水里的人：代表折射。光从水里进入空气时会拐弯，所以水中的东西看起来位置不对。
• 右下角，有人手持镜子照着自己：反射。

“物理”这个词本身也有一段历史。英文 physics 来自希腊文 φύσις（physis），意思是“自然”。亚里士多德写过一部书就叫《物理学》2，但里面讨论的是变化、运动、无限、时间这些自然哲学问题，和今天的物理课很不一样。直到牛顿的时代，这门学问在欧洲还叫“自然哲学”，牛顿 1687 年的巨著，书名就是《自然哲学的数学原理》。

中文里，“物理”二字很早就有，意思是“万物的道理”。明末方以智从 1631 年起编写《物理小识》，1664 年由他的儿子整理刊行，内容从天文、医药到器物无所不包，这里的“物理”还是“事物之理”的意思。日本明治时期先用“穷理学”，后来改用“物理学”，1877 年东京大学理学部就设有物理学课程。1900—1903 年，江南制造局刊行了王季烈重编的日本教科书《物理学》，这个译名连同一批术语在中国逐渐固定下来，取代了此前常用的“格致”3。

方法物理学家的三件工具

物理学之所以能从“自然哲学”里独立出来，靠的是三件工具一起用。单拿出一件，古人都有；三件拧成一股，是 17 世纪的事。

第一件：测量

“球落得很快”不是物理；“球在第一秒走了 1 份距离，第二秒走了 3 份”才是。只有变成数字，两个人的观察才能比较，一个想法才能被证明是错的。这门课里你会一再看到，新物理常常始于一台更准的仪器：望远镜、温度计、摆钟、光谱仪、原子钟。

第二件：数学

测出一堆数字之后，要找出它们之间的关系，并写成方程。方程的厉害之处是它能算出还没见过的事。1846 年，天文学家根据天王星轨道的微小偏差，用牛顿力学算出了一颗未知行星应该在哪里，望远镜一指，海王星就在那儿。第 5 章会讲这个故事。

第三件：模型

真实世界太复杂，物理学家会故意把它简化。算地球绕太阳转时，可以把地球当成一个没有大小的点；算钟摆时，可以假装没有空气阻力。这种简化后的图景叫模型。模型不求“像”，只求“准”：它预测的数字和测量对得上，就是好模型；对不上，就修改或者换掉。

前 4 世纪 — 1665人类怎么学会做实验

今天我们觉得“想知道就去试一试”是常识。可在人类历史的大部分时间里，聪明人解决问题的主要办法是想：从看起来不证自明的原则出发，一步步推理。下面按时间看看，“实验”这件工具是怎么一点点被打磨出来的。

约前 4 世纪亚里士多德：靠观察和推理

亚里士多德是极其认真的观察者，他解剖过大量动物，记录得细致入微。对于运动，他也有一套和日常经验高度吻合的理论：石头往下落，是因为它要回到自己“自然的位置”；在同一种介质里，重的东西比轻的落得快，下落速度和重量成正比，和介质的“稠密程度”成反比4。

别急着笑他。你手里一块石头和一片羽毛同时松手，确实是石头先落地。他的理论能解释眼前的大部分现象，所以统治了欧洲和伊斯兰世界的学术将近两千年。物理学家罗韦利（Carlo Rovelli）专门写过论文指出：对于在水、空气这类流体里下落的物体，亚里士多德的规律其实是一个相当不错的近似5。它缺的是另一个动作：设计一个情境，专门去检验它。

约前 4—前 3 世纪《墨经》：把现象写下来

差不多同一时代的中国，墨家留下了一段关于光的记录。《墨子·经下》说：

景到，在午有端，与景长，说在端。《墨子·经下》。《墨经》大约成书于前 4 世纪末到前 3 世纪中叶6

“景”就是影像，“到”通“倒”，“午”是光线交叉的地方，“端”指一个很小的孔。前半句的意思是：像之所以是倒的，是因为光线在交叉处经过了一个小孔。对应的《经说下》解释得更具体：“足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。”人的脚挡住了从下面来的光，所以脚的像出现在上方；头挡住了从上面来的光，所以头的像出现在下方7。这是世界上最早关于小孔成像的文字记录之一。墨家已经看出光是沿直线走的，所以从上面来的光穿过小孔会落到下面。后半句怎么读，学者之间还有不同意见。

墨家对杠杆、浮力也有记录。不过这些成果没有形成一个持续追问的传统，墨家在秦汉以后就衰落了。第 13 章讲古代光学时，我们还会回到这段话。

前 3 世纪阿基米德：让数学进场

阿基米德做了一件别人没做过的事：他像证明几何定理一样证明物理规律。从几条公理出发，他严格推出了杠杆的平衡条件，以及浮在水里的物体排开多少水。“给我一个支点，我就能撬动地球”这句话未必是他的原话，但它准确地说出了数学的力量：知道了规律，就能算出远超日常经验的结果。

至于他在浴缸里大喊“尤里卡”、光着身子跑上街的故事，最早见于两百年后罗马建筑师维特鲁威的书，更像是后人讲的轶事。

11 世纪初伊本·海什木：遮一盏灯，看哪个光斑消失

真正把实验当成裁判的人里，伊本·海什木（Ibn al-Haytham，约 965—约 1040）是最早也最系统的一位。他在开罗写成七卷本的《光学书》（Kitāb al-Manāẓir）。传统说法是写于 1011—1021 年他被软禁期间，也有学者考证认为完成于 1028—1038 年间。联合国教科文组织把 2015 年定为“国际光年”，纪念的正是这部书大约一千周年8。当时有一种流行说法：我们之所以能看见东西，是因为眼睛向外发射光线。海什木不同意，他用实验来回答。

其中一个实验很像《墨经》的小孔：在暗室的墙上开个小孔，外面点几盏灯。暗室对面的墙上就出现几个光斑。遮住一盏灯，就只有一个光斑消失，而且灯、小孔、光斑总在一条直线上。你可以自己试试：

这个实验的逻辑，比它的结论更重要：只改变一样东西（遮住一盏灯），看结果哪里跟着变。今天每一个科学实验、每一次新药临床试验，用的都是这个思路，叫“控制变量”。顺便把孔调大试试：光斑会变大、变糊，最后糊成一片。这就是为什么小孔成像的孔必须小，也是照相机光圈背后的道理。

海什木的书最晚在 1200 年前后被译成拉丁文，1572 年由里斯纳在巴塞尔编印成上面那本《光学宝库》，和波兰学者维特罗的光学著作合为一册，欧洲学者读了几百年9。

13 世纪罗吉尔·培根：给“实验”起了名字

英国修士罗吉尔·培根读过海什木的光学，他在书里主张一种“实验科学”（scientia experimentalis）：用经验去检验推理得出的结论，写在他约 1266—1267 年献给教皇的《大著作》里10。他自己的实验并不多，但他把“实验”这个想法推到了台前。

约 1604—1638伽利略：把时间量出来

伽利略想知道：东西下落时，速度是怎样变大的？难点在于自由落体太快了，他那个年代没有秒表，一眨眼就落地了。他的办法是让球沿一块很缓的斜面滚下来。斜面把运动“放慢”，但规律不变。

他在 1638 年的书里借对话人物之口这样描述：一块约 12 肘尺（大约六七米）长的木条，开一道笔直的槽，槽里贴上光滑的羊皮纸，让一个坚硬光滑的铜球滚下去。计时用的是水：一只大水桶底部接一根细管，球一放手就开始接水，球到终点就停，然后把接到的水放在精确的天平上称。水的重量，就是时间的长短。书里说这样重复做了“整整一百次”11。这是一部对话体的书，历史学家没法确定伽利略本人是否完全照此操作过；不过他留下的手稿（佛罗伦萨国家中央图书馆，伽利略手稿第 72 卷，第 107 页背面）里确实记着一组斜面上的距离数据12。

结果是：球滚过的距离，和所用时间的平方成正比。换一种说法：第 1 段时间走 1 份，第 2 段时间走 3 份，第 3 段时间走 5 份……按奇数递增。这就是本课唯一的一个公式：

下面这个演示复原了一个后人常用来展示这条规律的办法：沿斜面挂几只小铃，球经过时铃就响。佛罗伦萨的伽利略博物馆里就有这样一件带铃铛的斜面，是 19 世纪初做的教学仪器13。如果铃挂在 1、4、9、16、25 的位置上，你会听到它们等间隔地响，像打拍子。

两种挂法各听一次，区别非常明显。等距离挂的时候，铃声越来越急，说明球越滚越快。改变倾角，总时间会变，但“1、4、9、16、25 等间隔”的规律不变。伽利略就是靠这种“规律不随条件改变”的特点，推断真正的自由落体也遵守同一条规律。

1620—1665从个人到制度：学会与期刊

伽利略之后，实验从少数天才的个人习惯，变成了一套集体制度。

• 1620英国的弗朗西斯·培根出版《新工具》，主张系统地收集事实、从事实中归纳规律，而不是从古书里的原则出发推演15。
• 1657伽利略的学生们在佛罗伦萨成立西芒托学院（Accademia del Cimento），格言是“试验再试验”（Provando e riprovando）。它只存在了十年，1667 年出版实验报告集后解散16。
• 1660伦敦成立皇家学会，格言是拉丁文 Nullius in verba，意思是“不轻信任何人的话”。权威说了不算，实验说了才算17。
• 16653 月 6 日，皇家学会的秘书奥尔登堡出版《哲学汇刊》第一期。同年 1 月巴黎已经有了《学者杂志》，但那是综合性的学术刊物；《哲学汇刊》则是世界上持续出版时间最长的科学期刊。从此，实验要写清楚步骤，公开发表，让别人可以重复、挑错18。

1791 — 2019把世界量准

测量是物理的第一件工具，可“1 米到底有多长”这个问题本身，也花了两百多年才回答好。米的定义史，是一部缩微版的物理学史：

• 1791法国大革命时期，米被定义为从北极到赤道的子午线长度的一千万分之一。要用整个地球当尺子19。
• 1799按测量结果造出一根铂制米尺，存放在巴黎的国家档案馆。
• 187517 个国家签署《米制公约》，成立国际计量局。中国于 1977 年 5 月 20 日成为成员国20。
• 1889启用铂铱合金（铂 90%、铱 10%）的“国际米原器”，截面做成 X 形，既省材料又不容易弯。同时造了约 30 根复制品分给各成员国21。
• 1960改用氪-86 原子发出的一条光谱线的波长来定义。尺子第一次从金属块变成了原子。
• 1983改用光速定义：光在真空中 1/299 792 458 秒内走过的距离就是 1 米22。
• 2019国际单位制全面改版，七个基本单位全部由自然常数来定义，连千克也不再依赖巴黎保险柜里的那块金属，而改用普朗克常数23。

影响物理改变世界的四种方式

这门课每章都有一个绿色的“它怎么改变了世界”框。为了让你读的时候心里有个分类，这里先把物理影响世界的方式归成四种：

全景课程地图：七条线，几次会师

这门课分七个单元，每个单元讲一个分支，单元内部严格按时间走。下面这张图把七条线并排放在同一根时间轴上。注意图左边那一小段被压缩了：公元 1500 年以前的两千年只占很窄的一条，因为物理学绝大部分的进展都挤在最近五百年里。

用法这门课怎么读

每章的结构

1. 时代速写：那时的人怎么生活，被什么问题困住。
2. 问题：哪个现象当时解释不了。
3. 关键实验或思想：谁、怎么做的、哪里出乎意料。能动手的地方会有演示。
4. 概念讲透：用生活里的例子讲，公式会逐个符号解释，就像上面那个 s = ½at²。
5. 它怎么改变了世界：绿色框，追到你今天手边的东西。
6. 常见误解：红色框，比如苹果、浴缸、斜塔这类故事可信到什么程度。
7. 承上启下、自测、参考来源。

公式怎么看

这门课公式很少，用到的不超过高中代数。读公式时只问三个问题：每个字母代表什么？哪个变大会让哪个变大？以及它能算出什么以前算不出的东西？你不需要会推导，只需要会“读”。

数量级：物理的尺子有多长

物理学覆盖的尺度跨度大得惊人。为了不被一长串零吓到，物理学家用 10 的几次方来写：10³ 是一千，10⁻³ 是千分之一。下面这把尺子每一格都比前一格大十倍：

开课之前先放下的四个误解

承上启下从这里出发

这一章看了物理学的三件工具，以及人类怎样花了两千年，才从“想”走到“试”。下一章回到起点：古希腊人和墨家各自怎样理解“运动”，阿基米德怎样用几何证明杠杆。你会看到，亚里士多德那套“和常识完全吻合”的理论到底说了什么，以及它为什么能在两千年里不被推翻。

参考来源本章依据

1. University of Oklahoma Libraries, History of Science Collections：Risner, Opticae thesaurus (1572) 扉页说明。https://galileo.ou.edu/node/1770.html ；Museo Galileo, Archimedes 展览图录相关条目。
2. Liddell–Scott–Jones 希腊语词典，φύσις、φυσικός 词条（Perseus Digital Library, Tufts University）。https://www.perseus.tufts.edu/hopper/text?doc=Perseus:text:1999.04.0057:entry=fu/sis
3. 清华大学校史馆：《物理学》（饭盛挺造编，王季烈重编，江南制造局 1900—1903）。https://xsg.tsinghua.edu.cn/info/1003/3493.htm ；《物理》杂志相关文章 https://wuli.iphy.ac.cn/article/id/31017 ；日本物理学会年表 https://www.jps.or.jp/activities/docs/nenpyo_2han.pdf
4. Stanford Encyclopedia of Philosophy, “Galileo Galilei”. https://plato.stanford.edu/entries/galileo/ ；University of Virginia, M. Fowler 物理史讲义（伽利略与加速运动）。https://galileoandeinstein.phys.virginia.edu/lectures/gal_accn96.htm
5. C. Rovelli, “Aristotle’s Physics: A Physicist’s Look”, Journal of the American Philosophical Association 1 (2015) 23–40. https://arxiv.org/abs/1312.4057
6. Stanford Encyclopedia of Philosophy, “Mohist Canons”. https://plato.stanford.edu/entries/mohist-canons/
7. 王渝生，《科技日报》2025 年 9 月 19 日第 15 版（引钱临照《释墨经中之光学力学诸条》，1943）。https://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjwzb/images/2025-09/19/15/KJWZB2025091915.pdf
8. UNESCO：International Year of Light: Ibn al-Haytham, pioneer of modern optics. https://www.unesco.org/en/articles/international-year-light-ibn-al-haytham-pioneer-modern-optics-celebrated-unesco ；UNESCO Courier, “Ibn al-Haytham’s scientific method”. https://courier.unesco.org/en/articles/ibn-al-haythams-scientific-method ；成书年代另说见 A. Mark Smith, Alhacen’s Theory of Visual Perception (American Philosophical Society, 2001)。
9. MacTutor History of Mathematics（University of St Andrews），Al-Haytham 传记。https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Al-Haytham/
10. Stanford Encyclopedia of Philosophy, “Roger Bacon”. https://plato.stanford.edu/entries/roger-bacon/
11. Galileo, Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze (Leiden, 1638)，第三天；J. D. Norton（University of Pittsburgh）关于伽利略落体实验的讲义。https://sites.pitt.edu/~jdnorton/papers/Galileo_fall_induction.pdf
12. Museo Galileo / Biblioteca Nazionale Centrale di Firenze, Ms. Gal. 72 数字版及文献目录；S. Drake, Isis 64 (1973)；S. Drake, Scientific American 232(6) (1975) 98–104。https://www.imss.fi.it/ms72/BIB/B1864.htm
13. Museo Galileo 藏品目录：Inclined plane, Inv. 1041. https://catalogue.museogalileo.it/object/InclinedPlane.html
14. Nature News (2005-06-13) 关于比萨斜塔实验的报道 https://www.nature.com/news/2005/050613/full/news050613-10.html ；Physics World, “The legend of the leaning tower”. https://physicsworld.com/a/the-legend-of-the-leaning-tower/
15. Stanford Encyclopedia of Philosophy, “Francis Bacon”. https://plato.stanford.edu/entries/francis-bacon/
16. Museo Galileo：Accademia del Cimento. https://catalogue.museogalileo.it/multimedia/AccademiaCimentoBis.html
17. The Royal Society, History. https://www.royalsociety.org/about-us/who-we-are/history/
18. A. Fyfe 等，Phil. Trans. R. Soc. A 350 周年评论（PMC4360094）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4360094/ ；Lister Institute / University of Oxford 关于《学者杂志》的介绍 https://lister.site.ox.ac.uk/le-journal-des-scavans
19. BIPM：History of the SI. https://www.bipm.org/en/history-si
20. BIPM：The Metre Convention https://www.bipm.org/en/metre-convention ；Member State: China https://www.bipm.org/en/countries/cn
21. NIST：Meter Bar 27. https://www.nist.gov/image/meter-bar-27 ；NIST Museum timeline.
22. BIPM：SI base unit: metre https://www.bipm.org/en/si-base-units/metre ；SI base unit: second https://www.bipm.org/en/si-base-units/second
23. NIST：SI Redefinition. https://www.nist.gov/si-redefinition/meter
24. Stanford Encyclopedia of Philosophy, “Karl Popper”. https://plato.stanford.edu/entries/popper/
25. R. Pogge（The Ohio State University），“Real-World Relativity: The GPS Navigation System”. https://www.astronomy.ohio-state.edu/pogge.1/Ast162/Unit5/gps.html ；N. Ashby, Living Reviews in Relativity 6 (2003) 1。
26. NIST CODATA 2022：proton rms charge radius https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rp ；Planck length https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?plkl ；NRAO：可观测宇宙的直径 https://public.nrao.edu/ask/inconsistency-between-the-age-and-diameter-of-the-universe-2/

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