北京大学：自然哲学与物理学（笔记讲义）natural philosophy and physics

自然哲学与物理学李新征北京大学物理学院

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前言在同龄科研人员中，笔者算是比较喜欢写书的。这只是笔者自己的习惯，并非由于自己对物理学有特别的认识与理解。笔者的职业是大学教师。在教学过程中，笔者习惯于把学生当成是曾经的自己。在面对学生讲解某门课程的时候，笔者会针对自己当年在学习一些具体课程以及在学习物理学这个整体学科的时候的有过的困惑，给出一些能力范围内的解答或者读书建议。这些年，笔者主讲或参与建设过一些课程。由于在北京大学上课时面临的由所谓的学霸们组成的听众群体会给授课人带来巨大的压力，笔者会强迫自己在课下进行比较多的阅读。不夸张地讲，自入职以来，笔者花在教学相关工作上的时间是远远大于笔者花在科研上的时间的。这在同龄科研人员中并不多见。这些阅读所形成的内容无从发泄。逐渐地，笔者就养成了过几年接一门新课，然后总结出版一本教材的习惯了。至今，笔者完成了两本类似书籍的出版【李新征，2014】【李新征，2024]，其中的一本还出了第二版。这两本教材的写作秉承的是“针对自己曾经遇到的困惑进行详细解答”的原则。因此，表述方面的最大特点就是“不追求多么漂亮的表述，而是以大白话为主来展开讨论”。这样写的好处是对于遇到了和笔者当年类似问题的同学，相对好理解一些。但是对于已经入门，或者没有遇到笔者类似问题的同学，就会显得啰嗪，甚至逻辑混乱。对于后一部分读者，笔者表示歉意，并建议这部分同学老师选择其它教材。笔者退休前，上面提到的几年接一门课并总结出一本讲义的习惯应该会继续。目的只是为了增加我们中文教材的多样性，无意获得太多人的肯定或者什么所谓的荣誉。笔者坚信这样可以为我们的物理学教育的进步尽到一

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些绵薄之力。如果身体情况允许，这个习惯还会一直继续。本书名为《自然哲学与物理学》。它的内容，来自笔者近几年在北京大学讲授的一门叫做《今日物理》的本科生通识核心课。应该说，《今日物理》这门课在我们国家大学的本科教育中，并不是传统的、已成型的课程。但是在北京大学物理学院，它的开设已经有了一段比较长的历史。早在上世纪九十年代，该课程就由我院理论物理研究所的高崇寿先生在全校范围内作为公选课开设。这个时间节点，不光远远早于笔者将其课程内容整理成书这个时间节点，还远远早于北京大学提倡通识教育这个时间节点2。高先生退休后，《今日物理》长期由物理学院凝聚态物理与材料物理研究所的张老师主讲3。2020-2021学年的春季学期，笔者接过。在第一年的课程准备过程中，笔者开始的时候认为可以参考之前两位主讲教师的教程来开展讲解，重点是今天物理学的整体介绍【高崇寿、谢柏青，2004】【赵凯华，2005】【张礼，2009】【张，2021】。但随着备课的进行，以及这些年的积累，笔者越来越清晰地认识到为了理解今天的物理学，我们首先要把物理学的昨天看清。换句话说，我们需要梳理物理学史（如图0.1所示）【郭奕玲、沈慧君，2005】。这样的话，才可以让选课的学生在进行完课程的学习后脑子里面当时物理学院还叫物理系。现在，物理学院下属的理论物理研究所对应的是当时的理论物理教研室。高崇寿先生也与谢柏青先生一起写过一本《今日物理》【高崇寿、谢柏青，2004】。感兴趣的读者，在看本书的过程中，可以参考学习。2北京大学开始大规模提倡通识教育，已经是进入本世纪的第二个十年之后的事情了（林建华先生担任校长期间）。3基于课程的讲义，张耐老师也出版了一本书，名为《没步物理世界》【张耐，2021】。感兴趣的读者，在看本书的过程中，也可以参考学习。2

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有一副“关于物理学的画卷”。这幅花卷对于我们理解物理学是非常重要的！而在梳理物理学史的过程中，笔者每时每刻又都能体会到物理学的哲学属性在物理学的发展过程中扮演的重要角色【廖玮，2021】【朱守华，2024】。比如，如果不了解从弗朗西斯：培根（FrancisBacon，1561－1626年）开始，经历了笛卡尔（ReneDescartes，1596-1650年）、斯宾诺莎（Baruch/BenedictSpinoza，1632-1677年）、洛克（JohnLocke，1632-1704年）、莱布尼茨（GottfriedWilhelmLeibniz，1646-1716年）、休谟（DavidHume，1711-1776年），到康德（ImmanuelKant，1724-1804年）、黑格尔（GeorgWilhelmFriedrichHegel，1770-1831年）的关于科学的哲学层面的思考，或许我们很难体会二十世纪初以爱因斯坦（AlbertEinstein，1879-1955年）、玻尔（NielsHenrikDavidBohr，1885-1962年）、玻恩（MaxBorn，1882-1970年）、德布罗意（LouisVictordeBroglie，1892-1987年）、海森堡（WernerHeisenberg，1901-1976年）为代表的那些欧洲特别是德国物理学家们在产生革命性的物理学理论的过程中的纠结与选择4。4从物理学的贡献上来说，像狄拉克（PaulDirac，1902一1984）、薛定（ErwinSchrodinger，1887一1961年）这样的人物肯定也非常重要。但笔者这里强调的是在哲学层面对当时量子理论应该向哪个方向发展的思考。从这个角度，笔者认为这五个人更具代表性。其中，爱因斯坦、玻尔、玻恩年长一些。在上世纪的20年代，爱因斯坦和玻尔充当的更多的是导师的角色。玻恩既是导师，也在一线工作。海森堡和德布罗意是年轻的学生，代表着活力。这种活力对于量子理论完成从量子论到量子力学的转变至关重要

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科学革命文艺复兴中世纪轴心时代物理学革命英国古罗马意大利古希腊德国法国美国阿拉伯世界日本COu Kan图0.1物理学史示意图。在笔者看来，物理学在我们的眼里应该是一副画卷。当我们缓缓展开这副画卷的时候，物理学的历史、历史中人物、人物身上以及人物之间发生的故事，应该在我们的眼前棚棚如生地、缓缓地展现出来。这样，我们才能深刻地理解物理学。物理学在我们的眼里，也才能是鲜活的。当然，这个图里有很多数学家、哲学家。这与物理学的自然哲学属性密切相关，后面我们会详细解释。基于这个考虑，笔者将课程拟覆盖的内容分三个方面来展开。第一，是对物理学发展史的总结与陈述；第二，是对物理学这门学科的哲学属性的思考；第三，是对已经成熟的物理学知识体系的讲解以及对一些现代物理学前沿领域的讲解。在这三方面的内容中，考虑到我们物理学专业教育的特点（我们很注重具体的专业知识的传授），笔者认为对学生和多数读者而言前两个方面（物理学史、物理学的哲学属性）而非第三个方面（今天的物理学）反而会更重要一些。在这前两个方面里面，物理学史在我们的现有教材中比较缺乏。幸运的是，最近几年很多大学的物理老师对其重要性也都有了比较清楚的认识。很多学校也在企图开设《物理学史》的本科生课程。但对于第二个方面（物理学的哲学属性），笔者身边的同行关注的就相对少了很多。S

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应该说，这与科学革命后科学脱离哲学进而专门化，科学内部的分支各自成熟，进而我们的科研人员会不自主地关注非常具体的问题这样一个历史潮流是密切相关的。毕竞，哲学的内容既不那么具体，也不那么科学’。在我们的学科分类中，很多时候哲学更是被当作了文科。但是这些年随着笔者年纪的增长以及科研工作的积累，笔者越来越能体会到在进行一些具体的科研工作时，充分了解物理学史与物理学的哲学属性是非常重要的。在学习哲学的过程中，笔者又进一步认识到它确实是万科之母。自然哲学是哲学中的重要组成部分。因此，从根儿上说，哲学有很强的理学属性。基于这个理解，在整理这本书的时候，笔者希望对这两点内容（物理学史、物理学的哲学属性）进行一个强调7，既针对物理学专业的学生，也针对其它专业的学生。2021年7月，笔者开始整理书稿。几经周折，笔者在2024年12月将书名定为《自然哲学与物理学》"。5人类历史上，特别是从科学革命开始到十九世纪中叶前这段时间，很多哲学家进行过将哲学做成科学的尝试，最终都失败了。这种失败应该说也是哲学的胜利，这也是我们希望在本书强调的一个内容。6高考时，多数哲学系应该是从文科招生的。这个很重要！举个例子，不少物理系的老师在讲《量子力学》的时候，甚至直接跟学生说你不要跟我讨论那些概念背后的哲学，我告诉你怎么算就可以了。这样培养出来的，是技工，不是学者。当然，笔者承认会算是第一步，但大学课程的追求应该高于这个。同时，笔者也承认要把概念讲清楚很难。这个只能说是讲到讲授者的能力范国的上限。后面的深入理解，是学生的事情。但不讲，定不合适。8这里特别感谢刘玉鑫老师！本书的命名过程经历了好几个版本，《自然哲学与物理学》之前的版本是《自然哲学之物理学》。再之前，是《今日物理》、《物理学史》等题目。笔者开始更喜欢《自然哲学之物理学》，但笔者可以想象这个名字会引起很大的歧义。2024年12月16日，在一次北京大学物理学院关于教学的会议讨论中，笔者讲述了自己的各种考虑之后。与会的吴飘老师、曹庆宏老师、李湘庆老师、林熙老师、檀时钠老师、孟策老师都提出了一些很有帮助的意见，一定程度上可以反映出本书出版后可能产生的读者反馈。最后，笔者听取了刘玉鑫老师关于书名的建议。下面，笔者会详细解释自己为什么一定要在书名中体现“自然哲学

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基于如上介绍，我们的前言将按：1）从《今日物理》到《自然哲学的物理学》的题目转变，2）本书的构架，3）读者应放低对本书期待的一些说明，以及4）本书内容的目录与致谢，共四部分展开。从《今日物理》到《自然哲学与物理学》书名的转变我们先从书名的多次转变说起。前面提到的笔者在授课过程中对课程认识的改变对于笔者而言是作为结果出现的。促成这种改变的原因，笔者认为与自己学习物理的过程中的很多困惑是相关的。对《今日物理》课程的准备，对于笔者消除这些困惑起到了至关重要的作用。而这个过程中，就物理学的哲学属性这一点的认识最为关键！出于这个考虑，我们把本书命名为《自然哲学与物理学》。下面，笔者把这个过程分享出来供读者体会。从1996年高中毕业进入武汉大学物理系学习算起，笔者从事物理学专业的学习和研究已经有超过二十八年的时间了。2012年的春天，笔者有幸在王恩哥老师、田光善老师等前辈的帮助下来到北京大学物理学院这个梦想中的平台开始预聘考核（tenure track）阶段的工作。因为早期遇到的几个学生都很优秀，大约在2016年，笔者感觉自己的考核从硬件指标上来讲应该不会有太大问题。相应的，在科研上也就产生了一种懈息，乃至困惑。主要的问题，是笔者对自己在科研过程中所产生的成果的重要性认识地并不充分。当时，虽然笔者总拿普林斯顿高研院创始人弗菜克斯纳（AbrahamFlexner，1866-1959年）提倡的对“无用知识”的追求的精神去鼓励自己。但不得不说，9我们的tenure是有固定标准的。实际上，所有应试的东西，都有标准。这个对于我们中国人都不难。难的是没有标准的事情。在第六章，讲到康德的时候，读者应该会有体会。6

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自己对物理学这门学科以及对哲学的认识距离弗莱克斯纳所面对的那些顶尖科学家们相差实在太远了1°。因此，对这句话的理解流于表面。作为一个结果，在笔者感觉自己预聘考核基本可以完成后，对科研的兴趣是有所丧失的。这种状况持续了好几年。在这几年间，笔者将很多精力放在教学与公共服务上，因为当时的笔者觉得这些事情更有意义。2020-2021学年的春季学期，笔者开始主讲《今日物理》。同样在这段时间，笔者课题组有几项纯理论工作先后完成或先后起步【Ye,2021][Ye,2023I[Ouyang，2024]。因为准备课程讲义过程中对物理学史的了解，笔者有了一定的能力把这些工作放到学科发展的历史中去体会其意义1。如果对其价值从学科发展的角度判断给出的答案是肯定的，那么就说服学生以一种不求结果的心态去开展研究12。而令笔者惊喜的，是这样做的一个直接的结果就是笔者可以在很大程度上消除了10他/她们那代物理学家不光物理学与数学的素养好，哲学素养也往往也很高。他们除了介绍物理学史并出版关于物理学的哲学属性的专著，在介绍物理学的具体内容的时候，往往也会融入很多哲学的思考。大家可以从文献【玻恩，2015】、【劳厄，1978】【马赫，2014】、【马赫，2016】、【爱因斯坦，2015】获得一定的体会。具体到普林斯顿高研院，据说爱因斯坦（AlbertEinstein，1879-1955年）对于这个工作很感兴趣，除了薪酬，另一个原因就是他觉得可以与哥德尔（KurtFricdrichGodel，1906-1978年）一起散步回家。再举一个例子，也可以体现哲学在这里的受重视程度。冯·诺伊受（JohnvonNeumann，1903-1957年）与魏格纳（EugenePaulWigner，1902-1995年）是一对从高中开始就建立了深厚友谊的好友。他们在上世纪30年代初一起到普林斯顿工作。在续聘的环节，冯·诺依受得到了更快的认可。这肯定不是因为魏格纳不优秀（实际上他已经优秀地不能再优秀了）。唯一笔者能想到的原因是来自对比，毕竞前者的工作更能体现哲学（比如逻辑学）的一些特质。而后者的成就多为“具体的知识”，也就是科学上的成果。关于这句话，读者可随着针对本教材的阅读的进行慢慢有体会。当然，在后者短暂离开后，校方很快意识到了这个错误，并重新将其邀请回普林斯顿。笔者从这些历史，感受到的也是普林斯顿高研中心对科学背后的哲学的重视。1教和学是分不开的。教学肯定会占用科研时间，从短期来讲会影响论文产出。但是教学过程中对学科内容的体会，是会在长一点的时间周期内反哺科研的。这是笔者进入北京大学工作12年后的一个切身体会。12很庆幸笔者的学生基本也都是这样的人，没有给笔者太多现实的压力，裹心感谢他/她们！

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之前的困惑了13。比如，笔者企图研究一个统计物理方面的问题，或者一个电子结构计算方面的问题。笔者在上这门课之前，对统计物理与固体物理的发展史了解的不多，因此并没有这种判断力。而在上了这门课之后，由于备课过程中会很自然地接触此类内容，进行这个判断就容易了很多。本书中，我们当然不会讲地太细，但还是会对讲义的准备过程中形成的一些对物理学的认识，进行一个相对系统的总结。分享的对象，在笔者的脑海中，既是本书的读者，也是少年时代的那个立志学习物理学之后在某个阶段丧失了一些科研兴趣的自己。基于这个梳理与总结，笔者在上课过程中还可以进一步体会到物理学背后一些哲学内容。对物理学的哲学属性的理解，毫不夸张地讲，让笔者重新认识了物理学。基于这个体会，让笔者会在安排我们的课程地时候除了物理学史，刻意地包含一些关于科学的哲学属性的讨论。此外，在阅读这哲学方面的书籍与文献的时候，笔者还发现如果对照科学整体而不只是针对物理学这个一级学科，物理学史与物理学的哲学属性这两点也是有对应的（科学技术史与科学技术哲学）。具体而言，在我国的学科分类目录中，存在科学技术史（简称科技史）与科学技术哲学（简称科学哲学）两个学科。科技史在我国属于一个独立的理学一级学科。科学哲学，则是哲学这个一级学科下属的二级学科，以前叫自然辩证法。它们在严格意义上是属于不同的学科领域的。13这里可以稍微展开讲一下。具体而言，标准就两个。第一，是基于自已对学科发展的历史的了解，针对学科现状的现状，去判断这个工作是否为这个学科增加新的人们感兴趣的知识？这个知识当然要是科学的、确定性的知识，要可以被证实的。第二，就是看这个工作是否存在可能的实用价值？当然，在两个标准的内部，也有级别的判断。比如，第一个里面的知识，也有深度与适用范围的问题；第二个判据里面实用价值的大小与实用性的大小，也有层级。笔者从事基础研究，主要依赖第一个判据。当我们比较好的理解物理学发展史后，再基于这两点（无其是第一点）进行判断，就比较容易了。80

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但就像二十世纪颇具影响的一名数学家与科学哲学家拉卡托斯（Lakatos Imre，1922-1974年）所讲的“没有科学史的科学哲学是空洞的，没有科学哲学的科学史是盲目的”，这两个学科实际上也是无法分隔的。把这种关系对应到《今日物理》这门课程的教学上，笔者会发现我们也需要总体对“物理学的哲学属性”以及“物理学史”进行把握，并且将它们的联系讲出来，才能让学生更好地理解我们物理学。最后，考虑到我们的《今日物理》这个课程名字里面毕竞有“今日”这个关键词，我们还要详细地介绍对今天的大学生而言需要知道的那些物理学常识（包含目前成熟的物理学知识以及前沿研究的一些关键领域的新内容)。换句话来说，我们需要在物理学的哲学属性、物理学史、以及今天的物理学之间寻求一种相对平衡，并且对前面两部分内容（物理学的哲学属性、物理学史）进行一定程度上的强调。基于这个出发点，笔者把《今日物理》课程的讲义命名为《自然哲学与物理学》，并希望其出版进而为对物理学感兴趣的学生与年轻教师提供一些帮助的方式来开展写作。题目看起来很不谦虚，但却是来自上面所讲的那个朴素的考虑4。另外，我们还需要说明的是这里的“学生与年轻教师群体”既包括物理学专业的学生与年轻教师，也包含对物理学感兴趣的非物理学专业的学生与年轻教师。其中，包含前者是因为上面提到的笔者经历的挣扎，笔者认为课程内容对物理专业的学生与年轻教师应该是有用的15。包含后者则是因为《今日物理》课是一门14重复一下，这个考虑就是：自己当年学习物理和从事物理学研究的过程中的困惑，以及上课时对课程需要涵盖的内容的理解。15笔者通过自身的教育经历，整体上对我们物理学教育的弊端的总结就是：1）我们的基础课程过于强调一些难的题以及解题方法，而忽略了这些基础知识产生的历史过程与它们在暂学层面的涵义（这使得我们并不能很好的理解物理学的学科属性）；2）我们的高级课程不能将课程与前沿研究建立联系，学生学完后往往会觉得没用马上忘择（这使得我们学完还不会做科研）。笔者

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