科学假说整理

科学假说——科学理论形成的重要一环

字面上看“科学假说”，自然是对科学做出的大胆的揣摩和猜测，想要形成科学理论，这显然是至关重要的一环，即使说它是核心也并不为过，这样的猜测能极大地开阔人们的眼界，冲破狭隘的思维“牢笼”。科学理论的发展过程，是科学假说连续更替和假说的内容不断精确化、深刻化的过程。科学假说会产生巨大的说明性和前瞻性的效应，我想就一些物理学研究中的假定性问题形成科学理论的这一过程，浅谈有关科学假说的几个维度。

一、科学假说的含义及意义

所谓科学假说是根据已有的科学知识和新的科学事实对所研究的问题做出的猜测性说明和尝试性解答。它绝不同于那些毫无根据的臆造和迷信思想，这同时也表明了科学假说的一个重要特点，那便是科学性与猜测性的统一。

二、形成科学假说的方法

每个假说的形成都有自己的独特方法和演化轨迹，相互之间存在着许多差别。但从方法论的角度对不同的假说进行分析，发现它们的形成方法有许多共同的地方，形成物理假说的具体方法主要有以下几种：

（1）归纳的方法。

归纳就是由个别到一般、由特殊到普遍的逻辑方法。就是从有限的、特殊的的事实中寻找规律性的东西，然后把它推广到普遍情况中去，以形成假说。

例如富兰克林详细地比较了天上闪电和莱顿瓶的放电现象后，得出了如下结论：电流跟闪电在这些特性方面是一致的：（1）发光；（2）光的颜色；（3）弯曲的方向；（4）快速运动；（5）被金属传导；（6）在爆炸时发出霹雳声或躁声；（7）在水中或冰中存在；（8）劈裂了它所通过的物体；（9）杀死动物；（10）溶化金属；（11）使易燃物着火；（12）含有硫磺气味。再此基础上，推广到普遍情况即电流与闪电在其它所有方面的特性都是相同的，由此提出了天电与地电是同一种电的假说。

（2）演绎的方法

演绎恰恰与归纳相反，是由一般到个别的逻辑方法。

例如，20世纪30年代，人们发现在放射性元素原子核的β衰变中出现了“能量亏损”的现象，即衰变放射出来的电子所携带的能量小于原子核因内部状态变化而失去的能量。物理学家曾提出过种种假说，但都无法解释这件怪事，甚至连当时著名的物理学家玻尔也悲观起来。他认为既然观察到放射电子，因而能量守恒定律在原子核运动中就不成立了（他认为能量守恒定律只在统计意义上成立）。但是，费米和泡利坚信一切物理变化和过程都遵循能量守恒定律的这个大前提，β衰变既然是物理现象和过程，它也应遵循能量守恒定律，进而提出了中微子假说。

（3）类比的方法

就是根据未知的物理事实和已知的物理事实之间，在某些方面相似或相同而推断出它们在其它方面也可能相似或相同的方法。这是由特殊到特殊的思维方法，也是提出假说的常用方法。类比的或然性较大，它是从相似性入手的一种方法。

例如多普勒根据声源走向观察者，感到声音频率增大，声源离开观察者，感到声音频率减小，就与光类比（都是波动），提出这样一个假说：光源走向观察者，光波振动频率增大，光源离开观察者，光波振动频率减小。普利斯特利通过电力与引力的类比，根据金属容器内表面上没有任何电荷，在内部也没有任何电力和早已做出的均匀球壳内万有引力为零的论

证，早在库仑定律提出18年前就提出了一个猜测：电的吸引力遵从与万有引力相同的规律，即与距离的平方成反比。

以上所说的几个方法是具有逻辑性的，是通过逻辑的方法实现的

（4）想象的方法

想象是在联想的基础之上，但是创造出了一个原来意向中没有的新的意向。

哥白尼的学说使人们正确地认识了太阳系的结构，那么，太阳系究竟是如何起源的呢？显然，要回答这一问题，无论在当时还是在今天，都需要具有丰富的想象力。1775年，康德提出了太阳系起源的星云假说。他认为：基本微粒构成的星云物质在引力作用下结合成团块，团块又吸引周围的微粒而逐渐变大，最后最大的团块演变成太阳，其他团块则形成行星；微粒被吸向中心团块时，有一种斥力使下落运动发生偏转而变成绕团块的旋转运动，这就使中心团块形成巨大的旋涡；在旋涡里，微粒在相互冲撞中达到平衡，并造成了行星彼此同向的运动；而在形成中的行星绕太阳运动时，跟在它们后面的微粒受吸引而从外侧加速落到它们上面，所产生的推力使行星自转且自转方向与公转相同。康德的星云假说对太阳系起源理论的研究具有重要的科学价值。在物理学研究尤其是近代物理学研究中，许多假说像法拉第的位移电流假说、玻尔的原子结构模型假说、德布罗意的物质波假说、狄拉克的正电子假说等都离不开科学想象。

（5）直觉的方法

直觉是对研究对象无长期思考，突然一下子领会事物本质的方法。

（6）灵感的方法

灵感是对研究对象长期思考后无进展，突然一下子领会事物本质的方法。

麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后，坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论"提供数学方法基础"的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。他在前人成就的基础上，对整个电磁现象作了系统、全面的研究，凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的三篇论文：《论法拉第的力线》、《论物理的力线》和《电磁场的动力学理论》。

1856年，麦克斯韦在剑桥发表了"电磁学三部曲"的第一篇论文--《法拉第的力线》，用矢量微分方程描述电场线，打响了数学与电学完美联姻的第一枪。麦克斯韦认识到"力线"和"场"概念的重要性；他意识到，法拉第的模型正是建立新的物理理论的重要基础。他决心以数学手段弥补法拉第的不足．把法拉第的天才观念以清晰准确的数学形式表示出来。 1873年，他在谈到自已的工作时说："主要是抱着给法拉第这些观念提供数学方法基础的希望，我承担了写作这部论著的工作。"他的工作，把法拉第的直观的物理学表述提高到理论的高度，使之具有了深刻性和普遍性。

《论法拉第的力线》采用一种几何学观点，为法拉第的力线概念作出了数学描绘，这种

观点承认中介空间的媒递作用，这种作用是通过力线实现的。他分析了法拉第关于力线的物理图象，并认识到，法拉第所提供的这一图象正适宜于运用数学的推导而抽象成理论体系。因为场的力线图象反映出空间各点的连续变化，每一点对应于一个矢量，矢量逐点的变化正好可以采用数学分柝中的矢量运算表出。

他在描述这些力线的构成时说："如果我们从任意一点开始画一条线，并且当我们沿这条线走时，线上任意一点的方向，总是和该点合力的方向重合，那么这条曲线就表示它所通过的各点的合力的方向，并且在这个意义上才称为力线。用同样的方式我们可以画出其他的力线，直到曲线充满整个空间以表示任一指定点的力的方向。"

为了对法拉第的观念作出精密的数学处理，把这一个物理图象表示为清晰的几何图象，麦克斯书采用了类比的思考方法，以不可压缩的流体稳定流动中的涡流线来对电场和磁场中的力线进行类比。因为流体场中的运动和能量都完全由这些涡流线的位置和强度决定，正如电场和磁场的状态由力线来决定一样。另外，流线不能中途消失，它必须要达到某个终点，或者形成闭合的曲线；而力线也不能终止于自由空间，它们只能源于和终止于电荷或磁极，或者形成闭合的曲线。既然力线和涡流线有这些相同的性质，那么就可以把研究流体中涡流线的某些数学结果应用于对力线的研究。在这方面，w．汤姆逊的研究给于了麦克斯韦以很大的启示。他考察了一块中间嵌有一个流体源的各向同性的无限大均匀介质，得出了介质中某一点的流体压力正比于单位时间通过包围流体源的任一封闭曲面的总流量的结论。这样，麦克斯韦就通过比较，总结出了矢量场的一个共同规律：场中的"力"可以用它的"通量"的线性关系表示出来。电场强度E、磁场强度H就是矢量场中的"力"，磁感

应强度B、电流密度，以及D则表示相应场中的"通量"。

在论文的第二部分，麦克斯韦讨论了法拉第关于"电紧张状态"观念的数学表述。法拉第设想，磁场中的媒质、特别是导体，处在一种特殊的"电紧张状态"，这种状态的改变，就会在导体中引起电动势。麦克斯韦想到，诺埃曼理论中的矢势A就是表示这种状态的函数。不过，在诺埃曼那里，函数A还缺乏物质性、空间性和运动性的内容，它是超距作用观点的产物。而现在，麦克斯韦却指出，电紧张状态是场的一种运动性质，应该把它作为一个物理真实接受下来。

在这篇论文的末尾，麦克斯韦总结了六个定律，为他以后建立的电磁场理论奠定了基础。麦克斯韦卓越地运用了类比的方法，但是这种方法也带来了它的局限性。因为，这种方法只强调事物的共性而忽视了事物的个性，这使他只注意了各种矢量场的共同性而忽略了电磁场的特殊性，所以，在这篇论文中不可能提出位移电流的概念，更不可能从理论上预见到电磁波的存在以及它和光波的一致性。

1862年，麦克斯韦发表了《论物理力线》这篇重要论文。

麦克斯韦用模型来建立假说。他借用兰金（W.J. M.Rankine）的"分子涡流"假设，提出自己的模型。他假设在磁场作用下的介质中，有规则地排列着许多分子涡旋，绕磁力线旋转，旋转角速度与磁场强度成正比，涡旋物质的密度正比于介质的磁导率。从这里可以看出，麦克斯韦实际上已经把磁和涡旋运动等同起来。

在磁现象的分子涡旋理论中，麦克斯韦通过他所提出的分子涡旋假设讨论了磁场作用在磁极上，作用在磁感应物质上以及作用在电流上的力。

麦克斯韦把磁旋转这一概念与法拉第的力线思想相联系。按照法拉第的力线思想，力管倾向于纵向收缩和横向膨胀。他想，如果假设每个力管所包含的流体是处在绕它的管轴的转动中，这样一种倾向就可以归因于离心力。于是他设想了一个"分子涡旋"模型，假设涡旋绕磁力线旋转，即从S极到N极沿磁力线看去，涡旋在顺时针方向旋转，由于旋转引起