當(dāng)一個完全不懂物理的人問你：“什么是物理？” 我想即便是一位物理學(xué)家也很難立即就給出一個漂亮的答案,。

也許你會回答道：“物理是一門研究宇宙中最小的事物到最大的事物的特性和規(guī)律的科學(xué),。” 但是,，如果我們越仔細(xì)思考這個問題,，就會越覺得它復(fù)雜。物理不僅僅只是關(guān)乎很小或很大的東西,。

又或者我們可以說：“物理是一門研究支配宇宙的基礎(chǔ)定律的科學(xué)分支,。” 這是一個廣泛的,、全面的定義,，它涵蓋了一系列神奇的事物。有許多人認(rèn)為物理學(xué)是一門比任何其他科學(xué)覆蓋面更廣的的科學(xué),。

我聽到過一個最抖機靈卻又無懈可擊的總結(jié)是：“物理學(xué)是物理學(xué)家在研究的東西,。”那么,，物理學(xué)家都研究什么東西呢,？

 “大大小小”的物理學(xué) 

我們先從最小的尺度開始，即普朗克長度：

△ 普朗克長度：?是普朗克常數(shù),，c是光速,，G是萬有引力常數(shù)。

在普朗克尺度下,，時空中的量子漲落就變得重要起來,，而且很有可能，我們現(xiàn)在所知道的一切物質(zhì)都是由這個尺度下的弦或者或其他奇怪的東西所構(gòu)成。但這在目前只是猜測,。

現(xiàn)在,，我們直接上升17個數(shù)量級，進(jìn)入粒子物理學(xué)的領(lǐng)域,，它關(guān)注的是構(gòu)成我們所看到的一切的最基本的粒子：六種類型的夸克（上,、下、粲,、奇,、頂和底）和六種類型的輕子（電子、μ子,、τ子和它們相應(yīng)的中微子）以及它們之間的相互作用力,。

△ 費米子：左邊是三代夸克上(u)、下(d),、粲(c),、奇(s)、頂(t)及底(b),；右邊是三代輕子：電子(e)、μ介子和τ介子,，以及它們相應(yīng)的中微子(ν),。（圖片來源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）

如果我們將尺度向上調(diào)一點點（10^-15米左右），就進(jìn)入到了核物理學(xué)領(lǐng)域,，它要應(yīng)對的是由更大數(shù)量的夸克結(jié)合在一起成為質(zhì)子和中子,。這個領(lǐng)域研究的是原子核內(nèi)的粒子組織，和它們是如何如產(chǎn)生我們能觀測到的那些性質(zhì),，如質(zhì)量,、自旋、穩(wěn)定性等,，以及研究原子核本身,。

將尺度再往上調(diào)就到了原子和分子物理學(xué)（約為10^-10米的大小范圍），它們研究的對象是整個原子和分子,，并會涉及到電子在原子核周圍的排列問題,，以及它們在分子中的原子之間是如何共享的。

△ 一個原子包含了質(zhì)子（proton）,、中子（Neutron）和電子云（Electron cloud）,。（圖片來源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）

凝聚態(tài)物理學(xué)本身的研究范圍就涵蓋了許多內(nèi)容，小到納米粒子(10^-9米),，大到肉眼可見的宏觀粒子都有它們的研究對象,。凝聚態(tài)物理學(xué)所涉及的是固體或液體中大量粒子結(jié)合在一起的行為，這也是物理學(xué)中最大的一條分支，主要是因為這是半導(dǎo)體工業(yè)的領(lǐng)域,，通過對硅的固體特性的掌控,，值數(shù)萬億美元的微型晶體管得以生產(chǎn)。相比其它領(lǐng)域的研究而言,，該領(lǐng)域相關(guān)的研究要出現(xiàn)在頭條新聞的可能性要低的多了,，但是對日常生活卻有著深遠(yuǎn)的影響。

如果你在高中或大學(xué)有選修物理,，那么你接觸到的物理大多與日常生活相關(guān),，例如宏觀物體的運動（比如車或籃球），以及電路和磁鐵的相關(guān)知識,。這是物理科學(xué)開始的地方,，雖然這些領(lǐng)域的不再是現(xiàn)代物理學(xué)的研究熱點，但這與人類生活和工作息息相關(guān),，也是學(xué)術(shù)教學(xué)的中心,，因此它在物理教育研究中起著重要的作用。

△ 太陽系,。（圖片來源：illustrydom)

繼續(xù)往上到地球物理學(xué)和行星科學(xué)就能遇到那些真正的“大家伙”了,，它們研究的是行星或至少是小行星們參與的物理過程，大小從數(shù)公里到數(shù)千公里不等,。比這尺度更大的情況下,，我們最好不再用米為單位，而改成光傳播所需要的時間,。天體物理學(xué)研究的對象為大小為幾光時的太陽系,、成千上萬光年的星系。

最后,，宇宙學(xué)是將宇宙作為一個整體來研究的科學(xué)領(lǐng)域,，它追溯數(shù)十億光年遠(yuǎn)的事件。宇宙學(xué)關(guān)心的是整個宇宙的起源和最終命運,，它將整個宇宙打包壓縮回最初的模樣,，緊跟著大爆炸的之后出現(xiàn)的事物都需依賴于粒子物理學(xué)來解答。

△ 可觀測宇宙的大小,。在那之外,，可能有更多的宇宙不斷在真空中被創(chuàng)造出來，但沒有人知道它們是否真實存在,。這里舉一個大小的例子：我們知道一個質(zhì)子是非常小的,，但是質(zhì)子比普朗克長度大約1億再乘以1萬億倍。這是一個什么樣的比例,？如果我們把質(zhì)子的大小按比例放大到可觀測宇宙的大小,，那么普朗克長度就是東京到芝加哥的距離,。雖然14小時的飛行對我們來說已經(jīng)夠長了，但是相對于宇宙的尺度來說,，這實在是微不足道,。

從這些范圍來看，你可能會想——一切都是物理,，因為日常生活中我們所接觸到的每一件事物每一條生命都由最基礎(chǔ)的粒子組成,，并居住在這個大爆炸后產(chǎn)生的宇宙。也因為這種說法,，使許多物理學(xué)家背上了傲慢的名聲,，尤其不受化學(xué)家和生物學(xué)家待見。

雖然從某種狹隘的層面上你或許可以認(rèn)為物理學(xué)涵蓋了所有的化學(xué)和生物學(xué),，但這并不是什么驚世駭俗的真理,，因為不同科學(xué)的運作方式實在太不一樣了。即使在與化學(xué)和生物很相近的分子物理學(xué)和凝聚態(tài)上,，物理學(xué)的研究方式也非常不同,。在很多方面，物理學(xué)最好的定義不是由它所研究的事物給出的,，而是它給了我們理解世界的方法,。

 球形的奶牛 

在科學(xué)界流傳著一個古老的笑話，故事講述的是一個奶農(nóng)因無法從奶牛身上得到足夠的牛奶而煩惱,，他咨詢了各種專家,，沒人能解決他的問題。于是他在絕望之下找了一個認(rèn)識的理論物理學(xué)家來幫忙(一種只在在笑話中的絕望),，理論物理學(xué)家說“讓我想一想?！睅滋旌?，物理學(xué)家打電話給奶農(nóng)說他已經(jīng)找到了一個解決方案。奶農(nóng)聽了立刻趕到大學(xué),，在一個會議室里見到了物理學(xué)家,。

物理學(xué)家清清嗓子，在黑板上畫一個圓圈,，說：“首先,，我們需要假設(shè)這個牛是球形的......” 腦中是不是浮現(xiàn)了謝耳朵的畫面？

像所有以“職業(yè)”為基礎(chǔ)的幽默,，這是有“趣”的,，至少在很大程度上是有趣的，因為它是真的,。雖然這個結(jié)局很荒謬,，但卻準(zhǔn)確地描述了物理學(xué)家理解世界的方式——牛顯然不是球行的,，但要將牛想象為一個球正是物理學(xué)家會做的事。

物理學(xué)家在理解這個世界時,，采取的基本的原則就是簡化復(fù)雜的事物,。物理學(xué)家想從復(fù)雜的現(xiàn)實世界中，取其精華的建立簡潔清晰的模型,。這通常意味著他們可能會忽略一些真實存在卻又不那么重要的細(xì)節(jié),，例如“球形牛”的腿,、尾巴和頭部,。對于某些問題來說這些細(xì)節(jié)也確實可以被忽略，比如你若問 “牛與地球間的引力是什么,？” ,，那么牛的確切形狀對正確答案不會有什么大的影響，而把牛作為一個球體來考慮反而更加方便,。

即使在復(fù)雜的凝聚態(tài)等領(lǐng)域,，涉及到巨大數(shù)量的粒子，而其目標(biāo)也就是實現(xiàn)一種簡化,。這需通過抽象的數(shù)學(xué)過程實現(xiàn),，將大量離散粒子的運動納入到能譜帶和聲子譜。這聽上去似乎把問題弄得更難了,，因為要這樣做必須運用到高深的數(shù)學(xué),。但是，一旦知曉其中的數(shù)學(xué),，就會發(fā)現(xiàn)這個方法是非常簡單有力的,。

這種現(xiàn)象在物理學(xué)中很常見，例如“費米問題”,。物理學(xué)家恩里科·費米有這么一個習(xí)慣：要求人們對那些看似無法回答的問題進(jìn)行估計,。有個經(jīng)典費米問題是“芝加哥有多少鋼琴調(diào)音師？” 問這個問題時是20世紀(jì)的50年代,，那時擁有鋼琴的人很多,，卻沒有人有一個能谷歌的智能手機。你或許并不認(rèn)為自己可以給出一個合理的答案,，但實際上你可以通過只做數(shù)量級估計,、不考慮確切數(shù)字而得到很接近答案的結(jié)果。

首先,，你可以估計那時芝加哥地區(qū)的人口大約是一千萬人,，即肯定超過一百萬但不到一億的值。接著也許100人中有一個人有一架鋼琴,，或許多一點也或許少一點,，但它是十分之一或一千分之一的可能性很小,，因此你得到芝加哥約有十多萬架需要調(diào)音的鋼琴這個結(jié)果。之后,，你可以估計鋼琴需要調(diào)音的頻率,，調(diào)一次需要多長時間，最終你會得到一個關(guān)于芝加哥地區(qū)需要多少鋼琴調(diào)音師才能保證城市里的鋼琴音律悅耳的數(shù)字,。

費米曾經(jīng)常和他的學(xué)生和同事一起玩這個游戲,，只要從這個數(shù)量級推理出發(fā)，他們可以得到的預(yù)估數(shù)值在實際結(jié)果的2倍誤差內(nèi)（即實際值的一半到兩倍間）,。這是一個很“物理學(xué)家”的游戲,，在其他科學(xué)家中并不那么流行。所以也有一種說法,，物理學(xué)家們在日常中似乎更習(xí)慣用大概估計的數(shù)值,，而化學(xué)家和生物學(xué)家更愛使用確切數(shù)字。

所以,，物理學(xué)的另一種定義就是它是那種將奶牛當(dāng)作球體來研究的自然科學(xué),，這是一個力求精簡的科學(xué)領(lǐng)域，以不妨礙得到“足夠好”為前提,，剝離出一些抽象的細(xì)節(jié),，讓最簡單最重要的普世特性和原則顯現(xiàn)出來。

這也為什么有人把經(jīng)濟(jì)學(xué)稱為“社會科學(xué)中的物理學(xué)”時所描述的兩者間的相似之處,。在調(diào)侃經(jīng)濟(jì)學(xué)家的笑話里,，有一個與“球形牛”一樣古老的故事：幾個學(xué)者被困在一個荒島上,，沒有辦法打開密封的救生口糧罐,，他們每個人都試圖尋找自己職業(yè)思維中能借助的工具來打開罐頭，但是經(jīng)濟(jì)學(xué)家的辦法卻是從“假設(shè)我們有一個開罐器”開始??

擴展閱讀：《一張通往物理世界的地圖》

參考鏈接：

【1】https://www./sites/chadorzel/2015/03/30/what-we-talk-about-when-we-talk-about-physics/2/

【2】http://backreaction./2017/01/what-is-physics-video.html