測量是物理學的大問題，也是物理學與數學、哲學的本質區別。可以說物理學的發展與測量密不可分，那些只看過幾篇科普文章，從來沒做過實驗（測量），別說連基本的物理知識都難以掌握，更不可能理解量子力學和相對論。本文就從測量的角度，講述一下什麼叫做物理。
一、坐而論道的年代
從人類誕生以來，就一直在試圖認識和解釋這個世界。人類對於世界的早期認識充滿著想象，後來逐漸演化成了“宗教”以及被邊緣化的“巫術”。隨著人類的生產實踐，一些古人慢慢發現，這些早期認識不靠譜，獻上100個豬頭求雨還不如春哥管用。
早期的智慧人群都是從巫師轉化而來，他們只是在那裡拍著腦門想問題，比如人類是從哪裡來的啊，為什麼太陽東昇西落啊，如此種種。這種單純的思辨就慢慢變成了哲學。這種思考看上去很高大上，但並沒有什麼卵用。
有人說世界的基本組成是五行；也有人說是四元素。那麼到底誰說的對呢？難道不可以驗證一下嘛？還真不會。就比如托勒密的地心說，認為行星都是在一個標準的圓形軌道上運行，儘管已經通過觀察發現了這個軌道並不那麼圓，寧可再添加更多的本輪修正，也堅持認為其軌道就是圓形。
再比如亞里斯多德重的物體下落比輕的物體快等等，這些的錯誤觀念一堅持就是幾千年，從人類誕生一直到17世紀之前這個漫長的時間裡，人類就是這樣靠拍腦門來認識自然的。不能說這些人都是笨蛋，他們都是當時人類中的智者，只是限於時代的侷限而已。
科學不能在矇昧中一蹴而就，但卻在沉睡中慢慢等待條件適合的時候悄悄萌芽。
二、測量開啟了天文學與物理學的新紀元
第一個值得一提的傑出科學家是丹麥貴族第谷，他在自己的領地上建立了一座天文臺，耗時16年，對行星的運動做了精確的記錄，達到了目前為止肉眼觀星的極限精度。如果我們看他的儀器，實際上就是把窺管放在放大版的量角器上，分別測量水平偏角和高度角。
第谷的學生開普勒擁有高超的計算能力，他以第谷的精確觀測數據為基礎，成功計算出，行星軌道是一個橢圓，得到了開普勒行星三大定律。而開普勒所採用的以測量數據為依據，以數學計算為手段探索天體運動規律的方法正是現代物理學家們所採用的手段。
另一個與開普勒同時代的傑出人物伽利略則是第一個系統地用嚴密的邏輯和實驗來研究地表物體運動的人。伽利略在研究落體運動和拋射體運動的時候，測量的物理量是長度和時間。而第谷觀測行星軌道雖然是用的量角器，但角度值是弧長與半徑的比值，也可以看做是對長度和時間的測量。
正因為如此，長度和時間成為了現代科學的幾個基本物理量之一。第谷、開普勒和伽利略的工作為“科學”奠定了雛形。
三、測量成為了驗證理論的手段
牛頓在開普勒和伽利略成就的基礎之上，系統性地把數學作為一種工具引入到研究當中，並用數學來解釋實驗現象，終於使得科學從“哲學”中分離出來，揭開了經典物理學的序幕。他在《自然哲學的數學原理》一書中提出了萬有引力定律，就是因為這個定律導致了儘管該書在他39歲的時候就已經成稿，但直到6年後，他45歲才正式出版。
這是因為，牛頓利用當時科學家測量的地球直徑數據結合萬有引力定律計算月球軌道的時候，發現理論值與觀測值偏差很大，他一度懷疑萬有引力定律是錯誤的。後來有科學家對地球的直徑進行了重新測量，牛頓利用新數據再次計算，才得到了與觀測相符合的結果，這才出版了這本書。
牛頓這種根據理論提出預言，然後利用觀測對預言進行驗證的方法，成為物理學普遍採用的方式。一個理論在被驗證之前，只能稱為假說。並且，如果今後有新的測量數據與理論預言不符，那麼該理論就會被推翻，這被稱為科學的可證偽性。
四、測量的真實性問題
小夥子，身高多少？--175釐米。 怎麼知道的？--用尺子量的。 尺子準嗎？--已校準。怎麼校準？--用標準米原器。標準米原器怎麼來的？--法國人於1792～1799年，對法國敦刻爾克至西班牙的巴塞羅那進行了測量。1799年根據測量結果製成一根3.5毫米×25毫米短形截面的鉑金杆…………
其實我們都知道，無論如何都不可能通過一次測量就得到這個小夥子身高的真實數據，但如果我們通過利用不同的尺子，對小夥子的身高進行多次測量然後求平均值的話，只要這個小夥子不是在長身體階段，那麼這個數值就是可信的。
任何一個學過概率的人都知道，這就是概率中的大數定理。小夥子身高的多次測量平均值可以拿來當做真實值，這個值與真實身高的誤差會非常小，小到可以忽略不計。這就是我們說的經典物理學中的測量。在經典物理學統治世界的300年時間裡，沒有出現過絲毫差錯。
這也使得人們對經典物理學非常的信任。然而，學過概率的人也知道，利用多次測量求平均值的辦法出錯率非常低，但不等於沒有。這就是近代物理學上所謂的兩朵烏雲，一朵後來催生出了量子力學，另一朵則誕生了相對論。這兩個理論成為了現代物理學的支柱。
五、由測量問題引出的量子力學
20世紀初，伴隨著經典物理學的發展，人類進入到工業文明時代，鋼鐵工業開始崛起。為了冶煉更高質量的鋼鐵，產生了對爐溫進行精確測量和控制的需要，這種活當仁不讓地落到了物理學家們的身上。就像古代中國人發現爐火顏色與溫度之間存在著對應關係一樣，物理學家們的切入點同樣是從爐火的顏色入手。
搞過測量儀器研究的小夥伴們應該知道，其實這個過程就是標定，意思就是找出溫度與顏色之間的對應關係。而顏色嘛，對於物理學家來說，就是光的波長。檢測波長就容易了，只要讓光通過光柵或者稜鏡偏轉，就能利用偏轉角來得到這個波長的值。
然而就是這個標定過程中出現了問題，因為無論如何也找不到一個公式能夠符合爐火在全波段內的經驗公式，在短波符合的公式在長波處失效，而在長波處符合的公式則在短波處失效。這個時候普朗克出來打了個圓場——求平均值。
普朗克的方法其實跟我們計算一個班級同學的平均身高是一樣的，先求出男同學的平均身高，再求出女同學的平均身高，然後再求這二者的平均值。然而普朗克卻發現，只有假設能量是不連續的一份一份傳播的，他的公式才能與實驗測量結果完美符合。
這完全顛覆了人類對於世界的認知，因為這意味著，你不需要經過一樓可以直接跳到二樓，中間是可以沒有過渡值的。而另一邊的愛因斯坦受到了這個思路的啟發，在解釋光電效應的時候，也把光看做是一份一份的，並命名為光子，成功地解釋了光電效應，收穫了諾貝爾獎。
郎之萬的弟子德布羅意則在愛因斯坦的啟發之下，既然光可以同時具有波動性和粒子性，那麼任何有質量的物質也都應該具備波動性。兩年後，這個觀點被戴維遜及其助手革末用高速電子轟擊高純度的鎳單晶衍射實驗所證實，成功測量到電子的波長——與x射線差不多。
人們隨後發現，除了電子，其它微觀粒子，比如原子、中子、質子……都有這樣的特性，一門研究微觀粒子行為的物理學——量子力學從此誕生。然而直到今天，仍有很多人對微觀粒子這樣的波粒二象性行為無法相信，更不能理解。
寫到這裡我想說的是，您差的是沒去做個試驗，親自測量一下微觀粒子的物理量，坐而論道是不能得出真正的客觀結論的。
六、由測量問題引出的相對論
麥克斯韋方程組預言了光是電磁波，赫茲則用實驗對這個預言做出了證實。然而人們一直很疑惑，光是靠什麼來傳播的，因為在我們經驗中，波都是依靠介質來傳播的，就比如聲波在空氣中依靠空氣傳播一樣，為此物理學家們設計了大量的實驗來尋找光的介質。
其中最著名的一個是邁克爾遜-莫雷實驗。這個實驗利用了地球在公轉軌道上的運動速度，道理很簡單，如果這種介質是存在的，由於地球公轉運動，就會導致這種介質相對於地球公轉軌道的法向和徑向有不同的相對速度。
通過測量兩個不同方向上的光速差，就可以確定這種介質的存在。由於當時沒有電子技術，當然不能直接測量光速，不過這也難不倒物理學家，因為光速差可以用光的干涉條紋的移動來判斷。然而這個實驗不論怎麼改進都沒有看到干涉條紋的移動。測量不出不同方向上的光速差意味著什麼呢？
其實同時期還有很多測量光速的實驗，這些實驗都表明真空中的光速趨近於一個固定的值。而另外一個對於光速不變的證據是恆星的光行差，這個我在文章《 》有過介紹，有興趣的小夥伴們可以翻出來看一下。
愛因斯坦在這些實驗測量的基礎之上，把真空中光速不變提升到一個基本原理，並以此為前提，發表了著名的論文《論動體的電動力學》即狹義相對論。後來他又結合慣性質量與引力質量等效，進一步提出了廣義相對論。如今廣義相對論成為了我們認識宇宙的一個基本工具。
結束語
測量問題一直都是物理學發展中的重中之重，測量也是我們與這個世界交互的一種手段，是我們獲取物質運動經驗的來源。而物理學正是建立在測量的基礎之上，利用數學工具對規律的一種總結，或者說是人類的主觀表達。可以說，沒有測量就沒有物理，就沒有科學。
如今的物理學可以說是一種昂貴的奢侈品了，絕不是幾個民科拍幾下腦門用幾個簡單公式就能顛覆的。這是因為，今天的測量依靠更昂貴的測量工具，你沒看LHC和LIGO動輒幾十億的投入，更有那些位於巔峰的數學工具，也不是隨便一個普通人就能掌握的。
喜歡物理雖好，但請不要入魔。
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