1、1论物理学的思想方法郭伟贵（浙江理工大学应用物理学专业 2011 级 2 班，学号：2011326690211）摘要：本文主要是对物理学的各主要领域的一些有意思的思想难关或是重要突破，和物理研究过程中经常用到的各种研究方法的意义作一个小型的讨论。从这样的一次论文学习中，了解历史上物理学家所遇到的一些指导性的理论难关，退究其之所以成为难关的原因所在，得出如下结论：物理研究在历史发展变化的过程中，总会遇到一些难以解决的新问题。这些新问题有很大一部分并不是问题本身很难，而是由于这些问题中有许多是与人们的直觉或是已有的权威不一致的。正是人们难以排除直觉或是权威的干扰，才使得这些问题成为真正滞迟物理学进
2、步的原因。关键词：物理学思想，物理学方法，直观，因果观， 引言：什么是方法方法，就是为了解决某一种具体的问题，在实践和理论层面所采取的一般思维方式和操作方法的总和。方法与理论的关系理论是过去研究过程所产生的成果，是一种对已知事物的认识；而方法则是对未来事物的一种研究手段，所涉及的是未知事物的领域。一旦一种理论被证实了，那么它便可以在一定的知识领域内作为一种重要的出发点和条件，这实际上也起到了方法的作用。什么是物理科学方法所谓的物理科学方法，就是研究和描述物理现象，进行物理实验，总结和检验物理规律所应用的各种手段和操作。它要求在严格的科学条件之下，进行严密的科学观察，逻辑推理，从而由表及里，层层
3、深入，找到事物本质以及它与外部环境的相互联系与作用，形成规律性的知识。问题的提出在人类物理学的发展中，难免会遇到一系列的物理难关。除去外在的因素，如科学被神学利用，科学进入漫漫长夜以外，物理学本身是否有其内在的难以解决的问题的存在？这些问题的产生的原因究竟是什么？有没有办法家少甚至避免这些问题的产生？物理学家们对于这些问题回答的好坏，影响着今后物理学发展道路的坎坷与否。1 物理学各领域的主要思想1.1 力学古希腊的提问面对千姿百态的世界，早从我们的祖先开始，就已经不断地在探索力学的奥秘。古希腊人提出了这样的问题：物体究竟为什么运动？它又遵循这怎样的规律？亚里士多德通过2对周围事物的认真观察，把
4、物体的各种与动分成了“自然运动”和“强迫运动” 。所谓“自然运动”就是物体能够自己维持自己的运动，例如，石块在空中下落，水往低处流，火苗向上跳动等等。除“自然运动”以外的物体的运动都是“强迫运动” 。亚里士多德的观点与人们的直观感受很相符，所以和容易被人们所接受。因果观因果观认为，这要找到引起任何事物运动的因就必然可以由此而推知它未来的运动情况，而且任何事物的运动的“结果”都是有“原因”的。荷兰哲学家斯宾诺莎提出， “如果有确定的原因，那么就会有确定的结果相随；反之，如果没有确定的原因，则绝无结果相随。 ”与因果观相对立的是“偶然性” 。很显然，因果观正是反对这种偶然性的存在。这对后人的认识有
5、着极其深远的影响。牛顿三定律的公理性在牛顿的自然哲学的数学原理一书中，牛顿三大定律是以公理的形式给出的，也就是说，这三大定律是不可证明的。那么为什么人们愿意相信牛顿的理论呢？物理学的成功不仅需要严谨的逻辑，更需要多次反复的实验和观察的肯定才能被世人所公认。而牛顿的三大定律正式这样的一个例子。我们相信牛顿的理论是因为这些定律给出的预言与测量结果是相符的，它能与事实较好地相符， 。所以，即使无法证明它逻辑上的正确，但是我们仍然可以认为它是正确的科学理论。从质点到刚体质点是指由质量，没有质量的一个“点” ；而刚体由质量，也有形状和大小，是一个“体” 。质点模型是物理学中为了分析物体运动而引进的一个理
6、想化模型，是对实物的一种近似，给物理研究带来了可行性。然而，对于较为复杂的事物的分析，如门的开和关，显然没办法进行研究。刚体模型的引入解决了这一难题，也使得研究对象更加接近于实际物体。12 热学系统论与概率论与力学相比，热学具有与其不同的知识体系和研究方法，渗透了许多全新的物理思维。所以，理解渗透在热学始终的系统论和概率论思想尤为重要。由于分子的无规则运动，这一思想与因果观有着很大的不同，是物理研究方法的一次很大的突破。热力学的平衡态一个孤立的热力学系统，不管原来处于什么状态，经过一段之后，总会趋向于一个不随时间改变的宏观态，这个宏观太就是平衡态3与力学的平衡态不同，热力学的平衡态“静中有动”
7、 ，在微观角度上看，系统内的大量分子和原子还在不停地运动着，并不处于力学平衡状态。这种平衡态是动与静的辩证统一3。温度的定义在热学建立的初期并没有给出温度与热量的区别，一度认为热量在热交换中存在某种守恒，这就是“热质说”对温度的定义。后来由戴维德冰块摩擦实验否定了热质说，人们才“热量”和“温度”这两个物理量区分开来，重建了热学的理论。热力学第一定律热力学第一定律是对能量守恒及其转化定律认识的一种深化。改变热力学状态的方式有两种，做功和热传递。正是从热力学第一定律开始，科学家的关于能量守恒的研究才开始涉及两种不同的能量形式，这使能量在物理学中的地位开始凸现。否定式的因果观热力学第一定律的一种表述
8、是“第一类永动机是不可能制成的” 。而热力学第二定律的表述类似的是“第二类永动机不可能实现” 。物理学的定律可以分成肯定式和否定式两大类。显然，这两大定律的该表述属于后者。否定式的物理定律给物理学，尤其是热学注入了一股新鲜的血液。1.3 电磁学牛顿的发现早在牛顿时期，就有了不同于万有引力的发现。1704 年，牛顿说：“在自然界中存在着一种力，它使物体的粒子吸引在一起。找到这种力正是实验哲学的任务。 ”显然，这种力不是万有引力。但牛顿认为，找到一种普遍的力，就可以对万事万物的运动作出最终的彻底的解释。不论这样的观点是否正确，但也说明了电磁力与万有引力的区别。静电学的建立方式力学的建立是基于力的研
9、究,进而关注对运动与变化的分析,从而建立起一个完整的理论体系.与力学的建立方式不同，静电力学并没有自己的一套公理系统，而是直接讨论静电力的表现和对和静电场的描述,建立一个与万有引力截然不同的电磁力的新一套理论.可以说,电磁学的研究是从零开始的.但是静电学中又经常用到力学的受力分析的方法,其中点电荷间的相互作用力与万有引力的表达式的形式有极其相似.所以,从某种意义上讲,静电学是力学在另一个领域的发展.“场”的认识在场的概念提出之前,万有引力理论提出,物体间存在着一种“超距作用”,不需要介质做媒介,只与两物体的相对位置有关.但人们不断发现,超距作用理论是很不自然的.知道“场“的理论建立以后,才解决
10、了这一矛盾.4场的概念是由法拉第于 1837 年提出的.法拉第指出,场是表示发生电作用的场地,是一种无处不在,没有重量的介质弹性“以太”.电荷的相互作用是通过“电场”传递的,而不是所谓的“超距作用” 。场成了电磁学的一条主线。事实上，场就在生活的每一个角落，于是场也成了现代物理学的“主角” 。1.4 波动与光学简谐运动一切复杂的震动都可以看作是由许多的简谐运动合成的。这使得简谐运动成了机械震动研究的基础。与质点模型不同，提出物理实在基本构成的假设性构型，而简谐运动是一种设定物理实在的假设性的力学模型。前者回答了物体究竟如何构成和运动，后者回答了物体运动和变化是如何发生的。后者是在前者的基础上发
11、展而形成的，比前者要高出一个层次，更接近与现实情况，有了更为具体的现实意义。线性波叠加原理线性波的叠加原理在波动学中起到了极其重要的作用。两列波相遇后就好像没有相遇一样，继续朝着原来的方向运动，不想干扰。物理学中的叠加原理都存在这样的一条“潜规则” ，部分与部分之间没有相互作用，每一个部分产生的结果不受其他部分的影响。力学的受力分析，运动合成无不透露出这种思维方式。多普勒效应由于波源与的相对运动使得观察者接收到的频率与波源的频率不同的现象叫做多普勒现象。这给出了一种与运动学方法迥然不同的物体运动速度判断的新方法。应用多普勒效应判断波速时，力学相对性原理还是成立的，只是接收到的频率不仅与波源与观
12、察者的相对速度有关，而且还与波在介质中的传播速度有关。多普勒效应作为对运动的另一种诠释，可以用来测量行车速度，液体的流速，研究星球的谱线红移，丰富了人们对运动的认识。1.5 相对论时空观的陷阱一个学生在学习运动学时，会被灌输以一维运动，二维运动，三维空间运动等思想，似乎物体的机械运动可以分为这三大类。但是，一维的运动需要二维空间才能表现出来，二维的运动需要三维空间才能得以体现。同样的，为了完整地描述质点的运动，必须采用时间和空间的坐标系。这就是时间和空间的一种内在联系。但是经典物理学将这样的两个物理量分隔开来，符合人们的直观感受的同时，也远离了客观事实。时间和空间的相对统一爱因斯坦在狭义相对论
13、中提出，物理规律对于所有的惯性系都是一样的，不存在特殊的惯性系。而这又意味着，在任何惯性系下，光在真空中的传播速度都相等。这样的理论是革命性的，动摇了经典力学的根基，更与人们的直观感受不相符，很难为人所接受。对此，爱因斯坦有着自己的看法：“只要之间的绝对性后同时性的绝对性这条公里不知不觉5地停留在潜意识里，那么任何想要令人满意地陈庆这个悖论的尝试都是注定要失败的。 ”即使还未能弄懂相对论真正的内涵，这样的话还是值得深思的。弯曲空间在一个参考系下观察到的物体的运动时直线运动，那么在另一个参考系下观察，有可能时一个曲线运动。爱因斯坦在广义相对论中用几何学代替了重力，这是惯性系和非惯性系不再有物理上
14、的实质性区别，而只有几何上的区别。这成功地揭示了火星偏离惯性运动的情况，与用重力做出的解释是相符的。黎曼几何的美在爱因斯坦的手中发挥地淋漓尽致。1.6 量子力学“量子化”思想同为支起现代物理学大厦的两根巨柱，量子力学对大自然的重新诠释比相对论所开拓的场面要开阔得多，为此引发的物理学发展史上的理论体系矛盾也经过了一段更长的时间才得以解决。自量子力学的创立者普朗克提出普朗克常量起，一代又一代年轻的思维活跃的物理学家共同描绘出了量子力学的宏图。少了普朗克常量，后续的工作无从谈起。但推其根本，只是将连续的观点转变成了不连续的，仅此而已。哲学的思想方法的一小步的选择所带来的重大转变不得不令人赞叹不已。“
15、光量子”假说光电效应使得光的波动性出现了危机，许多的物理学家由于笃信斯韦的波动理论，没能找到一个合适的理由来解释这一现象背后的原因。然而，爱因斯坦床创造性地提出了光量子的概念，成功地解释了一现象。为此，他获得了诺贝尔物理学奖。但是很多人并不理解，为什么能量可以使量子化的？为什么普朗克常数要去这样的一个值？一切似乎只是个人的主观想象，没有任何的事实根据，犹如空中楼阁。为此，他也收到了许多物理学家的职责和不支持，但真理终究是真理，爱因斯坦最终还是得到了应有的尊重。物质波当波粒二象性成为一个不争的事实时，大多数的物理学家还没有看出波粒二象性的本质。在看似矛盾与混乱的场面中，德布罗意率先注意到了物理学
16、的对称性思维，提出波既然具有粒子性，那么粒子也应该具有某种对称性。由此，他得出了德布罗意关系式，增强了人们对波粒二象性的认识。2.物理学的主要研究方法物理学主要的研究方法有:观察法，实验法，分类与比较，分析与综合，归纳与演绎，理想化方法，类比法，假说法，数学方法等。2.1 观察法可以说，观察贯穿于物理学研究的始终，是一种极其重要的研究方法。哥白尼为了提出天体运行的模式，用了 30 年的时间检出天文观测，取得大量的天体运行资料，这才有了天体运行论这一伟大的里程碑式的书籍的诞生。62.2 实验法物理是一门以实验为基础的学科，实验对物理的重要性是不言而喻的。物理实验促进了人们不断发现物理规律，建立起
17、一个个完整的物理理论系统，而且对于一经完善了的物理系统也可以起着检验的作用。经典物理晴朗太空上的“两朵乌云”和三大发现就是很好的实例，它们发现了经典力学下所隐藏的问题，并最终形成了性的理论，很好地解决了这个问题。2.3 分类与比较随着现代物理的迅猛发展，悦来愈多的物理学分支产生了，即使是同一个分支学科的理论，也需要进行仔细的区分和比较，发现各自的联系与区别，才能真正研究透这门学问，使知识更加条理化、清晰化，这也使得物理知识的教学更加方便。2.4 分析与综合分析法使得人们对事物的认识精细化、本质化，对于物理的学习者而言，分析法使用的好坏是他们能否领会到新知识内涵的重要环节。没有细致的分析，就没有
18、透悟的可能。当物理学家对某方面的认识积累到一定程度时，就有了统观全局的能力，进行综合性的研究，从而得出重大的物理理论、假说或是物理发现。牛顿总结了前人的大量宝贵研究成果，完成了力学的一次大综合，使力学蓬勃发展，充分展现了综合法对物理学发展的推动作用。2.5 归纳与演绎归纳法使物理学家从大量的实验和观察结果中发现客观存在的普遍规律。一个简洁的F=ma 足以诠释动力学的许多内涵，而这样的普遍规律正是一代代物理学家所向往和追寻的目标所在。而归纳得出的普遍规律，又可以通过演绎法对未曾探索的问题进行逻辑推理，得到一个正确的结论，从而为人们所用。可以看出，演绎必须以归纳为基础，而归纳则要以演绎为指导，二者
19、是相互渗透，相互联系的。2.6 理想化方法理想化模型是物理概念得以形成的基础。没有了理想化的模型，如质点模型，就很难对物体进行研究。并且，由于忽略了次要因素的印象，一个理性化模型的提出，也使得物理规律有了更强的普适性，可以对一类的食物进行科学化、规范化的研究。2.7 类比法类比法是新旧知识的桥梁，是解决疑难问题的钥匙。当有了万有引力的表达式时，形式类似的库伦定律的提出被降低了不少的难度。新旧知识的类比，给予研究者一条铺好的康庄大道，不必自己费尽心思去开辟一条新路，这无疑大大加快了科学研究的进程。2.8 假说法假说具有鲜明的预见性和待证性。牛顿的三大定律和万有引力定律在未被正是之前，就是一种科学
20、假说，正是这样的一种独创性的假说给予宏观机械运动合理的解释，又能成功地预见了哈雷彗星的到来。但由于不能保证假说对未知领域的预见总是正确的，所以假7说的预见必须接受显示的考证。即使如此，假说作为一种理论而具有的指导作用使其有着不可替代的作用。以单价说呗正是，新的理论也就正是形成了。2.9 数学方法一个较为成熟的物理理论体系，是依靠数学为工具从而得以形成的。无力的定理和理论绝大多数是以方程的形式给出的。在普通物理学中，采用的是微积分和矢量代数的语言。自 19 世纪以来，数学分析和抽象代数等数学语言分支的高速发展，使得物理中度数学语言的应用更加普遍，没有一本物理教材不出现大量的数学符号和数学运算。二
21、物理系统的分析又要建立起大量的数学模型进行支撑。这也从一个侧面说明了为什么把理学推向前进方向的 70 多位伟大的力学家中有 50 多位同时又是杰出的数学家。3.关于启示人类在探索物理学奥秘的历程中，由于人类本身受到直觉的干扰，在一些问题的解释上的解释出现了难以察觉的偏差，直到有一个开创性的物理思维打破了这种僵局，解决了这样的一个思想方法的难关，才使得物理学得以继续健康地发展。一个物理系统性理论的建立，总是要基于一种无法被逻辑上证明的公理上才有可能。这样一种开创性的假说，是人类聪明才智的体现。当然，要将一种假说真正发展成为一门系统的科学，就必须经过事实的一次次的检验和考证。有些物理学的大难题本身
22、并不太难，而是难在对于传统理论的笃信的突破。量子化的思想与经典力学有很大的偏差，很少有物理学家敢于挑战牛顿和麦克斯韦的波动理论。但是自普朗克提出量子化思想之后，量子力学便逐渐冲破牢笼，茁壮成长。参考文献1肖峰.物理学哲学导论.人民出版社.2007 年 2 月：P1-370.2牛顿.自然哲学的数学原理.商务印书馆.2006 年 7 月：P1-673.3朱宏雄.物理学思想概论.清华大学出版社.2009 年 5 月：P1-192.4吴宗汉 周雨青.物理学史与物理学思想方法论.2007 年 10 月：P1-2925张宪魁 李晓林 阴瑞华.物理学方法论.2007 年 11 月：P1-153论文的声明 本人的论文是在教师的指导下独立完成。本人郑重申明：除文中已明确注明引用的内容外，本论文不会包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文是由本人亲自撰写，不会出现从他人文献中抄袭的现象。本人完全意识到本声明意味着本人撰写的论文的原创性，如经查证有抄袭事实，同意承担由此导致的一切后果。本人姓名：郭伟贵82011 年 11 月 26 日
