为什么要学习物理？
人类为什么需要呼吸？因为维持生命需要吸入氧气并呼出二氧化碳。为什么不吸入二氧化碳并呼出氧气呢？因为氧气在体内与葡萄糖反应释放能量，供人体利用。为什么氧化反应会释放能量？为什么地球上有如此丰富的氧气？为什么宇宙中可以形成氧气……？事实上，在所有这些“为什么”背后，还有无数个“为什么”。
关于自然，几乎每个人都怀着永不满足的求知欲，不断地追问“为什么”。为了找到答案，有时求助于医学，有时求助于生物学，有时求助于化学。然而，正如1979年诺贝尔物理学奖得主温伯格所说，物理学与其他学科的不同之处在于，如果你在得到答案后仍然继续追问“为什么”，经过多次尝试，你最终必然会将问题引入物理学的范畴，因为物理学是一门研究物质基本结构和运动规律的基础学科。从原始生活和刀耕火种的农业到太空旅行和宇宙探索，人类文明进步的每一步都深深地烙印着物理学的印记。
一位物理学家曾开玩笑说，如果让他研究鸡的特征，他首先会考虑真空中的球形鸡。这是因为物理学喜欢从令人眼花缭乱的现象中提炼出核心要素，将复杂的问题转化为简单的模型。例如，物理学家不断地分解物质，细致地分析最小的基本粒子；他们也不断地扩展观测范围，从宏观视角研究浩瀚的时空。物理学运用这种独特的研究方法，涵盖了物质结构及其运动规律的各个层面。
在物理学家眼中，整个已知世界可以简化为几个基本要素：时间、空间、物质（场、粒子）和能量。它们之间的所有相互作用都可以简化为引力、电磁力、弱力（在放射性衰变中发挥作用）和强力（在核反应中发挥作用）的相互作用。这些基本要素和基本相互作用就像计算机中的“0”和“1”以及一些基本指令。通过无数种排列组合，它们可以呈现固态、液态、气态或等离子态；可以成为导体、绝缘体、半导体或超导体；可以产生声音、光、热或电；甚至可以生长、繁殖、拥有思想，并提出“为什么”的问题。
物理学是一门高度融合数学、理论和实验的学科。它能将看似毫不相关的现象归入同一理论框架，用抽象的数学语言构建理论框架，并通过实验和观察严格检验理论预测，从而为我们提供对自然规律的深刻见解。例如，苹果的下落和月球的自转都可以用万有引力来解释；基于牛顿万有引力定律，海王星的存在被预测并最终被发现。在物理学中，这三者相辅相成，不可或缺。没有理论和实验，数学就如同空中楼阁；没有数学和实验，理论就如同空谈；没有数学和理论，实验就如同徒劳。只有将这三者结合起来，人类才能有效地制定战略并预测未来。
基础物理学已经渗透到生活的方方面面；可以说，物理原理无处不在。经典物理学在热力学、电学、电磁波和流体动力学方面的研究催生了蒸汽机、各种电器、通讯工具以及飞机的发明，成为现代人类文明的基石。至于现代物理学，仅从诺贝尔奖获奖研究就可以看出，一系列由物理原理应用驱动的技术创新极大地改善了人类的生活方式。例如，对原子核放射性和磁共振的研究催生了CT扫描（X射线计算机断层扫描）、PET扫描（正电子发射断层扫描）以及医院中一系列其他现代诊断和治疗方法；对晶体管、巨磁阻和光纤的研究催生了大规模集成电路、大容量硬盘和互联网；对激光、无线电、原子钟和相对论的研究已经催生了工业控制、无线通信和卫星定位系统……可以预见，石墨烯、高温超导、量子操控、量子计算和量子通信——这些新兴且正在进行的尖端物理探索——可能会给人类生活带来令人欣喜的革命性变化。
物理学的求知永无止境，因为每当我们解决一个旧问题，就会产生一系列新问题。尽管我们对世界的基本结构和运动规律有了初步的了解，但我们距离穷尽所有可能的物质形态还很遥远，距离理解这些规律的根本含义也相去甚远，更遑论构成宇宙很大一部分的暗物质和暗能量了。问题依然存在：基本粒子还能进一步细分吗？时间和空间是连续的吗？宇宙的最终命运是什么？为什么我们的宇宙是现在的样子？为什么不能存在另一个宇宙，拥有不同的外观，甚至遵循一套全新的物理定律？更根本的问题依然存在：我们是谁？我们从哪里来？我们要到哪里去……光学物理学中的“为什么”的数量似乎远远超过十万个，而且我们可以永远追问下去。