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怀疑的权利和自由是历史上科学家与专制权威进行了长期斗争之后才逐渐赢得的，牢记和坚持这一点是“科学家对社会的责任”。
⑵
物理学的探索往往是从猜想开始，去对观察和实验事实进行归纳，得出普遍水平较低的理论，然后用演绎法加以检验，提出普遍水平更高的理论。
科学的客观性要求，使得物理学的每一个陈述都不可避免地保留着试探性，各个时期物理学家所创造的理论都不是终极理论，而只是对真理的持续的逼近和探求．只有与当时观察和实验相符合的理论才被接受，一旦发现理论与事实有矛盾，就得修正，甚至完全推翻，物理学家们总是不断地发现更深刻、更一般的新东西，不断地使试探性的答案愈来愈严密，愈来愈新颖，愈来愈经得起事实的检验。
时至今日，尽管物理物理学已建立了庞大的知识体系，物理学理论在工农业、医疗卫生各个技术领域的应用取得了惊人的成就，从根本上改变了人类的生产、生活方式。
然而物理学对于自然界的本质的认识还是具有明显的探索性和试探性．微观世界还有许多未知的东西，现有的一些理论是否完全正确仍难有定论，目前尚存在着一些悬而未决的问题，如目前认识到的基本作用有四种：
引力、电磁力、强作用力、弱作用力．虽然近20年来对电磁力、对弱作用力、强作用力的认识有了很大的进展，但是对引力的机制了解还很少，而且还存在若干问题：
夸克和轻子为什么有“代”的结构，是否还有更多的“代”；
顶夸克是否真的像理论需要的那样一定存在，除了上述四种相互作用力外，是否还有第五种相互作用力？
弱电作用已经统一了，强作用引力作用是否也能统一？
此外夸克、轻子和质量产生的机制也是一个不清楚的问题。
从宏观来看，天体物理和宇宙学还存在着不少未解决的问题，例如极早期宇宙问题；
星系、星团形成何题；
暗物质问题；
类星体、黑洞问题；
超新星爆发向题；
太阳中微子短缺问题等等，都没有解决，或没有很好地解决，仍处在探索之中。
对于物质运动的高级形态，直至生命的起源问题，已在许多方面进行着探索性的工作，如准晶和晶图案的结构形成，物理学中的自组织现象，非平衡耗散的动力学和翰运机制，漫长岁月的塑性问题，膜的渗流机制等方面取得了新的进展。
总之，人类对自然界已经作了千万年的观察、探索，已经取得了非常多的认识成果，对自然界我们已经懂得很多，已经能很好地利用自然来满足人类的需要。
但是我们在自然面前显得还很渺小，对自然界的许多现象的深层本质的理解还很少。
尽可能多、尽可能准确地理解自然界，对自然的强烈的好奇心，探索精神推动着世代物理学家前仆后继地工作；
因而形成了物理学界强烈的探索性的文化特征。
二、物理文化的实验特征
物理学是建立在实验基础上的科学。
实验使物理学家在主动和有利的条件下发现规律，同时实验又是检验科学理论的标准。
实验结果的可靠性是以客观性为基础的。
这就要求物理学家在研究过程的各个环节上都必须保持严肃认真的态度，如实地记录实验结果，对它们进行严格的审查，并且确信没有对它们进行曲解。
在科学中不能求助于任何权威来确定哪一种理论观点比其他想法更优越。
人们可以阅读权威人物的论著和听取他们的建议，但是必须分析他的观点是否具有合理性，检验他的想法是否正确。
如同诺贝尔物理学奖获得者费曼在其《费曼物理学讲义》中所说：
“如果要发现什么东西，那么去细致地做一些实验，要比冗长的哲学争辩好得多。
”⑶
早期的物理学理论研究，一直跳不出思辨的自然哲学的圈子，观察和实验手段极为简单，所得到的知识较为肤浅，零乱不成体系。
直到近代资本主义兴起，社会才为物理实验的提供了必要的条件，即复杂的实验技术装备，包括仪器、仪表、材料等。
利用实验手段，人们摆脱了古代物理研究中，那种表面的、被动的观察方法，而把大时空的自然现象在实验室里再现出来，把日常生活中不可能见到的现象人为地诱发出来，把次要的现象排除掉，而将主要现象突出出来，把自然界没有直接联系的现象人为地联系起来，从而在有利的条件下揭示自然界丰富多彩的运动规律。
在物理学史上首先把科学的实验方法引入到科学研究中来，从而使物理学真正走上科学道路的，是意大利物理学家伽利略．1589-1592年他在比萨大学任教期间进行了自由落体、抛体运动和物体的沿斜面运动等一系列的精密实验研究，其中蕴含了丰富的实验思想。
例如，在他所设计的斜面实验中，首先他有意识地忽略空气阻力的影响，以便抓住问题的主要方面，撇开一些次要的因素。
其次他变更一些实验条件（如改变斜面的倾角），观察实验结果的变化。
他选择斜面做实验，是为了延长物体在它上面下滑的时何，以适应当时的测量条件，这种实验构思极为巧妙，使原来自由落体中难以测量的量（时间）变得容易测量了。
再者，他在实验基础上还应用推理概括的方法得到了超越实验本身的更为普通的规律，即物体在光滑水平面上的运动是等速直线运动。
而过渡到垂直运动时，他推论出各种物体自由落下均作等加速直线运动，且它们的加速度相等。
伽利略在归纳实验成果的基础上，他把惯性原理、力的作用原理、运动迭加原理和相对性原理组成为力学基础的统一整体。
电磁学理论更是在实验的基础上发展起来的。
卡文迪许和库仑，率先试制出各种仪器来对静电现象进行定量的测量，从中总结出库仑定律。
此外，奥斯特发现的电流磁效应、安培定律、法拉第电磁感应定律等，都是从实验中直接总结出来的。
实验既是理论的起点，有时往往又向旧的理论提出挑战。
19世纪末，对黑体辐射的电磁能量的测量结果，与经典的电磁学理论相矛盾，这一强烈的挑战，困扰了当时物理学界，在维护已有理论和尊重实验事实这个两难选择中，普朗克大胆地选择了后者，打破传统的能量连续的观点，提出能量量子化的观点，从而圆满地解决了这一矛盾。
另外光电效应实验也使当时的电学和光学理论受到挑战，爱因斯坦大胆地提出光量子假说，得出光电效应方程，解决了这一难题。
普朗克和爱因斯坦的工作对后来量子力学的建立起到了推动作用。
理论的确立有赖于实验的检验，19世纪60年代麦克斯韦在已有电磁理论基础上，提出“涡旋电场”和“位移电流”假说，建立了统一的电磁学方程组，预言了电磁波的存在，并能以光速在空间传播。
但这一理论没有受到应有的重视。
直到20多年后赫兹以特制的谐振器接收到由莱顿瓶放电发出的电磁波，并作了电磁波的反射、折射和偏振实验后，证实电磁波的传播速度是光速，麦氏理论才得以普遍承认，并迅速投入应用。
再如华裔美籍物理学家杨振宁、李政道在解决粒子物理中著名的“τ—θ”之谜时，从理论上研究认为：
τ十和θ十是同一种粒子（K介子），从而提出弱相互作用下宇称不守恒的著名假说。
这一理论提出后没有立即得到物理学界的赞同，后来美籍物理学家吴健雄利用钻一60的原子核衰变实验证实这一假说的正确性后，他们很快获得了诺贝尔物理学奖。
⑷
笃信实验而不偏袒已有理论是物理学家群体共同创造的价值标准。
不断选择和开发新的实验，在实验基础上建造新的理论，又在理论的指导下进行实验，开拓人类认识视野，发现规律、应用规律，这是物理文化的又一基本特征。
三、物理文化的模型化特征
牛顿指出“自然哲学的的目的在于发现自然界的结构和作用，并尽可能把它们归结为一些普遍的法则和一般的规律——用观察和实验来建立这些法则，从而导出事物的原因和结果。
”⑷要发现物理规律，必须靠观察和实验，而人们观察到的现象通常是事物的外在形态，实验结果并不一定给人们清晰的物理实质，这就需要物理学家对物理现象和实验数据进行科学的抽象。
在物理学家眼里，自然界是和谐的，规律是可以发现的，而且逻辑上是简单的。
物理学家们在科学研究的实践中创造了一套行之有效的方法—建立物理模型．物理模型给人们以清晰的概括的物理图象，并通过物理量之间的数量关系，反映事物的本质与关系。
物理模型在经典物理学发展中起了非常重要的作用。
在漫长的物理学发展过程中，人类对星象进行了长期的观察记录，制定了历法，这是对天体运动规律的唯象认识。
直到17世纪初开普勒才给出了行星运动模型。
按照这个模型，行星围绕着太阳在椭圆轨道上运动，而且行星绕太阳运动的周期与行星离太阳距离的二分之三次方成反比。
牛顿正是在这个模型基础上建立万有引力理论的，这一实例说明物理模型是使物理学从唯象认识过渡到定量的力学理论的桥梁。
物理模型在近代物理学的发展中也起着非常重要的作用。
19世纪英国物理学家提出气体分子运动论，假定气体是由相互作弹性碰撞的自然运动的分子构成的，这个气体模型圆满地用牛顿力学解释了气体热力学结果．如前所述普朗克的能量量子模型、爱因斯坦光量子模型，导致物理学史上的一次危机的消解，为量子力学的创立作出了贡献。
在原子物理发展过中玻尔的氢原子模型的建立，成功地解释了光谱之谜．在认识原子内部结构的探索中，卢瑟福原子模型，具有重要的意义，这个模型告诉人们，原子是由带正电的原子核（质量很大，体积很小）和带负电的质量很小的电子构成。
本世纪60年代西方科学家提出的夸克模型和中国科学家提出的层子模型，都认为粒子是可分的，质子、中子、介子等并不是最原始的粒子，这样就把大类对物质微观结构的认识推向一个更深的层次。
独创性的物理模型，是物理观察和实验结果的成功概括和反映，往往在对物理模型进行数学求解时，还能对物理现象进行科学的预言。
如在牛顿建立的天体运行模型的指导下，通过计算预言了太阳系的“新行星”（1848年发现了海王星，1930年发现了冥王星），而麦克斯韦方程组（反映磁电规律的数学模型），预示了电磁波的存在。
模型化方法是物理学家群体共同创造的物理科学研究的重要方法，它不仅对物理学的研究、表达具有重要意义，而且对于物理学的传播和交流也具有重要的意义。
物理学理论体系中的众多模型，给人们勾画了自然界物理现象的深刻本质，这种方法影响了一代又一代的物理学家，具有强烈的群体文化色彩。
四、物理文化的数学化特征
物理学的发展源于观察和实验、因而物理学本质上是一种实验科学，但是物理学知识的表达，具有严格的逻辑性和明显的数学化倾向。
物理学的知识体系通常由一系列的概念、定律和定理组成。
而定律的表达通常选用数学形式，定理则是由定律出发通过巧妙的数学推理得以导出。
从物理学发展的历史看，近代物理的奠基人开普勒、伽利略和牛顿等，从思想方法上抛弃了传统的思辨哲学的方法，从偏爱定性表达，到追求定量表达。
牛顿在数学方面的造诣很深，他成为公认的徽积分的发明人之一。
用数学方法表达的牛顿力学的成功，引起了科学界的普遍关往，特别是一批数学天才加盟到力学的研究中来。
由拉格朗日、哈密顿、泊松等人创立的分析力学使牛顿的矢量力学更加数学化。
这一传统对物理学后来的发展起了直接的导向作用。
从功能的角度看，数学作为理论思维的一种有效形式，为物理学提供了简洁的形式化的请言表示方式。
物理学中用矢量表示力、电场强度、磁感应强度等物理量；
用变量和函数关系表达不同因素之间的依赖关系，如用
表示弹性限度内弹伸长和弹性力之间的关系，这种比例关系一目了然；
用
表示万有引力定律，也是非常简洁的；
用徽商表示各种变化率如
，用微分方程表示物理学中若干定律，如牛顿第二定律
，法拉第定律
等等。
总之应用数学符号进行推理和作为分析物理向题的工具，大大减化了推理过程，加速了思维速度。
而且借助数学的力量可能从为数不多的物理定律出发推出若干物理定理，丰富物理学知识体系，如，从牛顿第二定律出发推出了动量定理、动量矩定理、动能定理等等。
从数学模型的性质看，可以把数学公式分为几类：
反映实验规律的经验公式；
反映变量之间因果关系的公式；
反映物理现象统计规律的公式。
由实验得出的数据往往没有明显的规律，需要通过大量的分析研究找出它们的内在规律，如氢原子的谱线的经验公式就是非常著名的例证，由实验测出了氢原子可见光区域的四条光谱线，它们的波长分别为
这几条光谱线波长表面上毫无规律可言，巴尔末通过大量的计算分析找出了它们的关系；
得到反映氢原子光谱规律的一个经验公式：
其中B为一常数，其值为3645.6
（1
=
米）。
经验公式的计算值和观察值符合得很好。
巴尔末公式给出的一系列谱线称为巴尔末系。
物理学中反映因果关系数学公式通常为微分方程。
如简谐振动的微分方程为：
其解为：
式中当
确定后，
唯一地依赖于t，即
与t形成一种因果关系。
对于未知函数依赖于多干变量的情况，则导出的公式为偏微分方程，如平面简谐波的方程为：
依赖于时间t和位置
，当t、
就唯一确定。
许多物理现象，其变化发展往往具有几种不同的可能的结果，究竟出现那一种结果带有偶然性或随机性。
这类现象也有一定的规律，即统计的规律。
这种统计规律与归纳推理有本质的区别，统计规律的可靠性依赖于事件数目的大小，事物的数目越大，规律性就越明显，越可靠。
就是说当随机现象由大量成员构成，或者出现大量次数时，就能体现出统计平均规律，对这种“大数现象”运用概率描述，便能看出一种总体趋势，并能算出各种可能的现象。
例如，气体分子热运动的基本特征是气体不断地作无规则的热运动和相互碰撞，在某一时刻系统内部各个分子的运动是偶然的、杂乱的，具有各种速率的分子都有，但在一定温度下，系统中具有各种速率的分子在总分子数中所占的比例是确定的，它们遵从麦克斯韦速率分布规律，其中最可几速率为
，即是说，对应一定温度T，分子的速率分布是有规律的，在VP附近分布最为集中。
再如反映物理过程不可逆性的热力学第二定律表示为：
＞0
即系统经绝热不可逆过程，由初态到终态后熵将增加。
1877年玻耳兹曼从统计的观点出发提出如下著名公式：
其中K为玻耳兹曼常数,W为每个宏观状态所包含的微观状态数，或热力学几率，于是热力学第二定律得到了统计解释：
在孤立内系统发生的过程，总是从热力学几率小的状态过渡到热力学几率大的状态，即向系统的平衡态过渡，达到微观上最无序最混乱的状态。
因此可以说，数学化特征是物理文化发展中逐步形成，而又不断加强使之成为区别其它文化的显著特征之一。
五、物理文化的系统特征
物理文化作为人类文化的一个亚系统，它有系统的特征，物理文化系统由三个子系统构成，即知识系统、原理与方法系统、实物系统。
物理学研究物质运动的最一般规律和物质的基本结构，其研究的跨度很大，在尺寸标度上，从基本粒子的亚核世界到整个宇宙；
在时间标度上，研究范围从小于
秒的短寿命过程到整个宇宙纪元。
现代物理学知识系统可分为：
高能物理学。
它是探索微观物质世界的最前沿的科学。
现在已知的粒子有数百种之多，而且根据粒子的性质，将它们分为强子、轻子和媒介子。
目前对物质结构的认识已深入到粒子的内部结构探索。
核物理学。
作为基础学科的核物理学研究物质结构比分子、原子更进一步的层次——原子核的组成、结构、运动及核之间的相互作用的规律。
目前人们已经认识到：
原子核的线度要比原子小5个数量级，但原子绝大部分质量和全部正电荷都从属于原子核，原子核由质子、中子组成。
原子核既有壳层结构特性，又具有集体运动形态。
放射性核和非放射核在衰变时会发出多种射线．
原子、分子和光物理学。
光物理学和原子分子物理学是两个既有区别又有联系的学科，原子分子是物质结构的一个层次，因而原子分子物理是研究其它层次的基础，光学是研究光的性质、光的产生、传播、接受显示及其与物质相互作用的学科。
凝聚态物理学。
它研究固体、液体、液晶和无序态物质结构及其性质，所研究的对象包括：
金属、半导体、超导体、准晶体、电介质、磁性物质等等。
等粒子体物理学。
等粒子体是由带电粒子组成的具有集体运动性质的特殊物质形式，它是与物质三态并列的第四态。
等粒子体有天体空间等粒子体，聚变等粒子体和低温等粒子体，等粒子体物理学就是研究等粒子体的性质和规律的学科。
声学。
声音作为物质运动的一种基本形式，声与声、声与物质相互作用具有固有的特性，声学与其它学科的相互渗透，往往成为其它学科研究的重要手段。
声学具有自己的“波谱学”。
理论物理学。
理论物理学在物理学中具有特别的地位，而且在发展其它边缘学科和重大应用方面起着重要的作用。
它肩负着人类认识物理规律，实现从现象到本质的飞跃的艰巨任务。
从物质结构方面去认识物质的各种特性和运动规律；
从宏观、宇观探索宇宙的起源和演化问题；
从原子、分子到固体直到生物生命起源，向物质运动的复杂高级的方向认识物质的运动规律。
⑸
物理文化的原理系统和方法系统，虽然没有涉及具体的物理知识，但它从较高的层次上指导物理学研究。
物理学的原理系统包括：
简单性原理、统一性原理、对称原理、对应原理、守恒原理、互补原理、可观察性原理等。
方法系统包括：
实验方法、观察方法、理想化方法、归纳方法、类比方法、分类和综合方法、假说方法等等⑹
物理文化的实物系统，是物理学共同体为探索物质世界奥秘，而制成粒子加速器、正负粒子对撞机、云室、天文望远镜、迈克尔逊干涉仪、激光器、高能粒子加速器、射电天文望远镜等物理专门仪器、设备等，还有各种专门为学校进行物理教学所有的实验仪器等等。
六、物理文化的应用特征
物理文化是人类在主动认识自然、适应自然过程中，人为地创造出来的一种文化。
人类曾经提出过一些科学口号：
“征服自然”，“改造自然”，“征服太空”。
从这些口号中我们看到了明显的行为倾向性，即科学为人类服务的工具性。
物理学的一切研究成果，都毫不例外地被运用到生产技术和国防技术领域。
也就是说物理文化源于对自然的好奇心，又受生产需要、物质生活需要强烈地推动，有时也受政治和军事的需要推动。
早期对磁学规律的认识，为人类发明指南针提供了理论依据，而指南针的发明促进了航海业的发展；
对天体运行规律的认识和火箭的发明，为人类发射卫星提供了理论基础和必要的运载工具；
对热力学规律的认识推动了早期热机效率的提高，为人类进入工业化社会提供了动力；
对电磁统一规律的认识导致人类发明了发电机和电动机、电报、电话，使人类进入了电气化时代；
原子物理、原子核物理的研究成果，被用来制造核武器和建立核电站，这又使人类进入原子能时代；
现代光学理论成就、微电子学理论成就、半导体材料的发明为人类进入信息时代、互联网时代奠定了基础。
物理理论的工具性，不仅表现在技术应用方面，而且对相关学科的发展也起了推动作用。
进入近代社会以后，物理学成为自然科学的带头学科，热力学和量子力学理论，对化学、生物学学科的现代化，带去了革命性的因素。
当代在各门学科的边缘产生了众多的新学科群如量子生物学、量子化学、生物力学、生物物理学、结构化学、量子化学、物理化学等等。
“翻阅一下现在物理学的许多重要期刊,或看看许多国际物理学术会议的日程,就会发现,诸如蛋白质折叠、免疫网络、化学键断裂、水土流失、交通堵塞等,大量本不属于物理学内容的标题,赫然入目.人们不禁要问:
“什么是物理学?
”的确,今天再从研究对象来回答这个问题已很困难.我们的看法是,不管什么问题,当物理学家用物理学的方法去研究它时,就把它变成了物理问题.物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学.物理学中有一套最全面最有效的科学方法。
”⑺
另一方面，物理学的原理、方法、概念，对现代社会科学提供了重要的方法论启示，为两大科学的联盟，开了一个好的头。
七、物理文化的竞争性特征
在科学发端之初，科学活动是科学家个人爱好，是好奇心驱使的自娱自乐的消遣活动，没有竞争。
近代科学诞生以后，从牛顿时代开始了科学发明权的争论（牛顿行星之间相互作用的平方反比定律与胡克的争论，微积分与莱布尼兹的争论）和不同学派的学术观点之争（光的微粒说与波动说之争，）。
作为物理文化活的载体的科学家走出学术圈，进入社会以后,随着科学向物质生产的转化，科学的激烈竞争就突出地表现出来。
科学家成为一种职业，他们要么服务于国家的研究机构，要么服务于大学，要么服务于大公司，因而他们不可避免地进行着竞争。
“科学的激烈竞争，突出地表现在不同的科学家或科学家集团之间，不同的资本家或资本家集团组建的不同的研究机构或国际性的研究机构之间，在发明权、发现的优先权、专利权、优势权、控制权等许多方面的竞争上。
”⑻
物理学家们为了得到科学界的承认往往进行激烈的竞争。
科学活动在本质上首先是个人的思维活动，由好奇心驱使的独立自由的思考是科学家从事科学的最原始的动力。
科学又是人类的一种社会活动，是一个包括交流、合作与竞争的互动过程。
科学活动中既有合作也有竞争。
竞争是人类社会择优选择的必然现象，人类的科学活动，也始终存在竞争。
科学中最常见的一种竞争是各种不同的学术观点、各种不同的科学学派之间的争论。
在科学争论中，正确认识不断取代错误认识，全面普遍的认识不断取代片面局部的认识。
竞争是必需的，绝对必需的。
竞争是科学研究的动力，是科学家的骄傲所在，有时甚至是某些科学活动存在的目的。
在物理文化形成过程中，为了保证物理科学研究趋向真理，国际上发明了一种推动竞争的机制，就是对首创性的重视和建立维护首创权的制度。
维护“首创权”的知识产权制度，是18世纪逐步建立起来，20世纪得到全面发展的制度。
所谓知识产权，就是权利人对其在科技领域所创造的智力成果所享有的独占权的总称。
它一般包括：
著作（又称版权）权、专利权和商标权。
推动科学竞争的第二种机制是各种名目繁多的奖励制度，如国际性的“诺贝尔奖”，各个国家设立的科学奖项，如我国的“三大奖”（自然科学奖、科技进步奖、国家发明奖），各种国际和国家的学术团体设立的奖等等。
推动科学竞争的第三种机制是科学资源上的竞争激励——科学基金制度和科技产品开发的商业化，科学家从事科研的资金来源和课题来源趋于多样化，既有国家基金、非营利组织的基金，更有商业合同，这些东西把科学家的工作和其他组织捆绑在一起，对社会的其他组织依赖的增加意味着社会其他组织参与科学的竞争。
科学竞争除了以上说到的科学家个人的竞争，科学家组织和群体之间的竞争，还有国家之间的竞争。
第二次世界大战期间美国“曼哈顿计划”的最终目标是赶在德国之前造出原子弹，这是美英等国为了取得战争的主动权，进行的一场最大的科技竞争。
物理学家奥本海默凭着他的才能与智慧，以及他对于原子弹的深刻洞察力，领导在“曼哈顿工程区”工作的15万人经过艰苦努力，于1945年7月15日凌晨5点30分，成功地进行了世界上第一颗原子弹的爆炸试验。
美国抢先造成了原子弹，并于8月6日和9日，在日本的广岛和长崎分别投下了一颗原子弹。
随着苏联军队出兵我国东北，日本天皇于14日宣布无条件投降，第二次世界大战结束了。
20世纪80年代的美、日、中在高温超导研究上的竞争过程也是惊心动魄的。
在1986年底到1987年上半年不足一年的时间里，一会儿是美国超导小组获得了某某转变温度的超导体，一会儿是中国超导小组获得了某某转变温度的超导体，一会儿又
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