物理学发展中的类比法及其运用

在物理学发展中，人们利用因果类比、数学类比、概念类比和模型类比探索了许多未知的领域，是许多物理学中的疑难问题得到解决。

类比方法在物理学发展中起着极其重要的作用。

德国天文学家开普勒曾说过：“我珍视类比胜于任何别的东西，它是我最可信赖的老师，它能揭示自然的秘密。

”1类比法的涵义类比法是由两个（或两类）对性之间在某些属性上相同或者相似，推出他们在另一个属性也可能相同或者相似的一种逻辑思维方法。

类比推理可用下列公式表示：A对象具有属性a,b,c,d.B对象具有属性a,b,c.所以，B对象也具有属性d.类比推理所得的结论是不确定的，即它可能为真，也可能为假。

说它可能为真，是因为客观事物的属性之间是互相联系，既然A对象与B对象都有相同或相似的属性a,b,c,而A 对象的a,b,c能与d联系，那么B对象的a,b,c也可能与d有联系，这是事物同一性的反映；说它可能为假，是因为客观事物属性之间联系是极其复杂的，在A对象里，属性a,b,c能同属性d联系，而在B对象里，属性a,b,c却表现为不与d联系，这是事物间异性的反映，正因为事物的属性间有这种复杂关系，所以通过类推所得的结论就不一定是真的和完全可靠。

例如，关于“地球上有氦元素”和“火星上可能有生物”这两个结论，都是通过类比推理得出来的，前者是根据地球和太阳有一系列元素相同，而太阳上有氦，从而推出地球上也可能有氦。

这个结论经实践证明是真的，现在人类已经制造氦气；后者是根据火星同地球有一系列属性相同，而地球上有生物，从而推出火星上也有可能有生物。

然而，这个结论现在已被降落在火星上的宇宙探测器证明是假的。

这就说明，有类比推理推出来的结论是或然的，它必须通过实践去检验。

2物理发展中类比法的运用类比法立足于已有知识的基础之上，是进一步认识事物的一种有效的试探性方法。

由于物质性质的差异，类比推理预测的结果不一定真实可靠，尚待实验证实。

但是，它是探索新知识的先导，是科学家说的前提，是一种科学的思维方法。

许多伟大科学家的成就都是善于运用类比推理法，提出科学假说，进而获得巨大的成功。

在物理学的漫长发展过程中发挥了重要的作用。

众所周知的阿基米德沉浮定律，就是运用了类比的方法。

传说叙拉古的国王让工匠制造了一顶金王冠，制成后，国王请阿基米德来检验王冠是否用纯金制成。

为了解决这个难题，阿基米德苦思冥想不得要领。

有一次，他正在洗澡，注意到浴池中水面的高低与他是否在浴池中以及身体浸入水中的体积有关，顿时类比推理触发了他的灵感想到了识别王冠的方法。

回到王宫后，把王冠和同等重量的纯金放在盛满水的两个盆里，比较两个盆溢出来的水，发现放王冠的盆里溢出来的水比另一个盆的多，这就说明王冠的体积比纯金体积大，因为它们重量相同，所以证明了王冠里渗入了其他进一步实验，终于发现了浮力定律。

浮力定律的发现是阿基米德经过比较同一类事物得到的重要结论。

事物递进式的联系普遍为人们所重视。

而平行扩展式的联系比递进式的关系更广泛。

认识这种横向延展的联系，类比是一个很好的方法。

表面上不相关联的对象，通过类比这个中介环节可以建立联系，这就是异类类比法的应用。

例如：英国的化学家普利斯特利在研究有关电荷之间相互作用的规律时，于1755年重做了富兰克林的实验，用一根丝线把一个木块悬挂在带点的金属罐外的附近，发现小木块受到强烈的吸引，而悬挂在罐内时，木块在任何地方都不受电力的作用。

这个实验证明空心的带电体对其内的电荷确实没有力的作用。

聪明的普利斯特利立即从这一事实联系到牛顿的万有引力定律。

牛顿曾用数学方法证明过：如果平方反比定律有效，一个具有引力的物质构成的均匀球壳对其内部的物体没有引力作用，而且任何不满足反平方关系的力都不会有此结果。

于是普利斯特利便大胆地提出了自己的设想：电荷间的相互作用与万有引力一样，也遵循平方反比的规律。

尽管当时他本人对此未能给出严格的证明，但这种推理却有力地促进了其他科学探索者用实验验证它。

后来，法国科学家库伦曾注意到电荷之间的静电力与万有引力有许多类似之处，于是他大胆地假设静电力的规律与万有引力定律221r q q G F =。

静电力的规律和万有引力定律显然是相互独立的，将两者类比，使人对自然界隐含的奥秘，产生探求的欲望。

后来经过大量科学家实验的证实，于1785年确定了库伦定律：221kr q q F =。

从库伦定律的发现经过可以看到类比在科学研究中所起的作用。

如果不是万有引力定律的发现，单靠实验具体数据的积累，不知要到何年才能得到严格的库仑定律的表达式。

实际上，整个静电学的发展都是在借鉴和利用引力定律已有成果的基础上得到的。

从下面的年表中可看到概况。

现代宇宙学关于宇宙膨胀的假说也用了类比方法。

在声学中，当声源远离观察者运动时，声波的频率减少，这是多普勒效应。

天文观察发现，在一些天体化学元素的光谱中，光谱线同在地球上被观察到的这些元素的光谱线相比，移到了光谱的红端方面，这就是“红移”现象。

表明光波的频率减少了。

与声波的多普勒效应相比，就可以作出天体在远离我们而去的推论。

因为天文观察发现，从四面八方接收到的光波都有“红移”想象，于是作出了宇宙膨胀的假说。

类比推理法在物理学史上还有许多例子。

伽利略通过人脉搏的跳动类比空中摆动的油灯发现钟摆等时性、发明医用脉搏计、纠正亚里斯多德“摆幅小需时少”的说法；惠更斯通过光的传播类比声音的传播创立光的波动学说、推导出光的反射定律和折射定律、纠正了光的微粒学说这一片面理论；富兰克林通过闪电类比莱顿瓶放电把雷电与闪电统一起来发明了避雷针。

欧姆仿照水流的理论说明电流、电压和电阻的概念，获得了成功，进一步通过实验建立了欧姆定律。

法拉第从磁力线类比提出了电力线，提出了“场”的概念，成为电磁场理论的麦克斯韦仿照流体力学方程，建立了电磁场理论的麦克斯韦方程组。

他对类比法写到：“为了不运用物理理论而得到物理思想，就应当熟悉物理类比的存在。

所谓物理类比,是一种科学定律与另一种科学定律之间的部分相似性,它使得这两种科学可以互相说明。

这样,所有数学的科学都是建立在物理定律和数的定律的关系上,因而精密科学的目的就是要把自然问题简化为通过数的运算来确定各个量。

”“,当物理学深人到研究微观粒子时,新的现象使旧观念根深蒂固的人徘徊在科学大门之外:究竟是波动性? 还是粒子性? 薛定愕却能在物质波的基础上,用类比法得到了著名的薛定谬力程,奠定了量子力学大厦的基础。

使物质波的理论更为广泛的流传。

因此,可以说类比方法的运用贯穿于物理学发展的始终。

类比方法按对象来区分有三种：一是局部性质的类比，即某个概念或概念的某种性质的类比。

如水位与电位、力与电动势、容量与电量、质量与电量等等。

二是整体间的类比，如电学与磁学规律的类比。

三是体系之间的类比，如力学规律的类比。

3运用类比法应注意的问题类比法作为形式逻辑思维的一种方法，她既不用于从特殊到一般的归纳方法，也不用于从一般到特殊的演绎方法。

它因受到个例太少，缺乏足够的研究所限制，无法运用归纳方法或演绎方法，因此无法遵从“特殊到一般，一般到特殊”这个完整逻辑过程的一种简化。

他可以在归纳和演绎无能为力的情况下发挥其独特的作用。

尤其是在人们刚刚进行探索的科学前沿阵地和各门学科相邻的边缘领域里发挥其独特的作用。

类比法是以个别为依据 ，从个别到个别的推理，所得结论在科学上还只能是假说，有极大的不确定性。

“类”是类似，“比”是推断、比较，所有类比不是“等于”，不是肯定。

推断部署等于论证，只有当类比推理的结论得到实践证实后，假说才成为理论。

1895年法国天文学家勒维列发现水星轨道近日点的进动想象在所有的摄动影响都考虑进去后，仍由无法解释的偏移。

他根据自己过去从天王星摄动现象语言并发现海王星的成功经验，将水星轨道进动现象同天王星轨道摄动现象进行类比，认为水星与太阳之间一定有一颗不知名的行星。

有人提前给这颗不知名的行星取了名字叫“火神星”。

自此以后，世界上有很多人把天文望远镜对准“火神星”天区,为发现“火神星’日夜寻觅。

可是寻找了很多年也没有一个人能发现“火神星”的影子。

最后大家不得不承认,这一行星根本是不存在的。

爱因斯坦广义相对论建立以后,人们才知道水星轨道近日点的进动原来是一种广义相对论效应。

为了在物理研究中更好地运用类比法,应充分注意:在两个(或多个)对象进行类比时,所根据的相似属性越多,以此推测其他属性相似的可能性就越大;类比所根据的相似属性之间的联系越紧密,类比推理应用也就越有效,推理结论的可靠性程度也就越大;力戒表面相似却作肤浅的类比,应该以事物本质联系为依据,充分注意事物之间差异性,才能使新的假说有新的突破,才能有创造性的发展。

因此应当尽可能找到被比较对象之间本质的相似点:使比较的共同属性是这些对象最典型的属性,这些属性同需要研究对象的特殊属性密切联系;被选择来进行比较的特征应当具有多样性,并且应当是任意地、随机地选择出来的。

由类比得出的结论仅仅是一种推测,因此,在任何情况下通过类比得出的结论,其正确与否要由实验来检验。

实验证明了的才是正确的。

在科学前沿,由于已知理论与观测资料不足,无法归纳和演绎,这时利用类比能获得新的信息,形成新的认识。

因此,类比方法的作用决定了它是物理学研究中不可缺少的方法。

类比法是一种很有价值的思维方法,有着妙不可言的科学价值,正如德国哲学家康德所说的那样:“每当理智缺乏可靠论证的思路时,类比这个方法往往能指引我们前进。