物理学注重“用量来描述质”。对每一个我们关心的问题,物理学家首先要做的就是把关心的性质或行为用一组数量表示出来。对物理量本身的理解,正是让所学的物理更像欧内斯特·卢瑟福所说的“物理”而不是“集邮”的关键。文章尝试对物理量本身的思想基础、定义和测量等进行探讨,希望唤起读者对这一问题的重视,从而对物理有更深入的理解与思考。
物理学注重“用量来描述质”。对每一个我们关心的问题,比如物理的冷热、运动的快慢等等,物理学家首先要做的就是把关心的性质或行为用一组数量表示出来,如温度、速度等等。如果把完善和发展物理体系喻为修建一座摩天大楼,那么这些以数量的形式表达出的研究对象的性质和行为——物理量,就是构成大厦的最小“砖块”。
很多人在学习、使用、研究物理时,对各种物理量“砖块”只是拿来就用,很少认真思考过这些砖块的特点和共性。然而对物理量本身的理解,正是让所学的物理更像欧内斯特·卢瑟福所说的“物理”而不是“集邮”的关键。
伽利略对斜面和落地的研究推翻了亚里士多德的观点,但这并不意味着亚里士多德的体系对现代物理学没有影响。我们定义物理量的基本思想,还是要参考亚里士多德对“量”的范畴和“质的范畴的区分。
量的可加性,为测量奠定了基础。比如“物理学大厦”的体积,就是组成大厦的每一块砖体积相加的结果,我们可以把一个砖块的体积作为一个基准,通过数这整栋大楼由多少块砖,就完成了大楼体积的测量。
单位制基准的选择是可以因人而异的,对同一物理量的测量往往可以存在多个标准。从数学上看,单位制的建立可以看作所有物理量构成一个向量空间。确定单位制,本质上就是选定一组描述不同属性的物理量的单位作为基矢,则通过物理量之间的物理量的测量相关关系就可以把其他物理量用这一组基矢表示出来。
物理学通过定义各种物理量来描述对象的不同性质,最终的目的还是找到联系各种物理量之间的物理规律,并通过代数方程的方式表达出来。那么人们定义的各种物理量也就必然通过各种物理规律存在一些内在的联系,物理量的内在联系——量纲用数学语言表达就是物理量之间存在函数关系。
物理量的定义和计量,以及单位制、量纲等问题,都是物理学最基本也是最重要的问题,贯穿物理学的各个角落,其中蕴含着物理学的基本思想。然而在物理教育中,它们常常只被“拿来主义”地直接使用,少有深入地探讨,这对学习者和研究者而言都是很大的缺憾。本文尝试对这些问题做些探讨,希望唤起读者对这一问题的重视,因而对物理有更深入的思考。