物理学的科学研究方法

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物理学的科学研究方法

伽利略是物理科学方法论的创始者，牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦等物理学家都对物理学的研究方法作出了重要贡献。目前，物理学已形成了许多新的分支，随之也出现了与之相应的新的研究方法。但是，就中学物理的内容来说，其主要内容还是经典物理学的基础知识，以及与之相适应的经典物理学的基本研究方法。一般说来，这种方法主要是以观察、实验为基础，经过科学抽象，运用数学工具，概括总结出经验定律，提出假说，进一步发展成为理论，再经实验的检验，循环往复，使之不断丰富，不断深化，不断完善。

从物理学的发展历史来看，随着物理学研究内容的变化，物理学的研究方法也在变化着，不断得到丰富和提高。在古代，人们主要是靠不充分的观察和简单的推理，直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性。随着近代自然科学的兴起，观察方法就从以自然观察为主发展为以仪器观测为主。科学实验和数学方法相结合，使精确的、定量的物理学研究有了很快的发展。整理事实材料的需要，也促进了分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展。这一时期科学方法的发展，使物理学作为一门实验科学的特点显著地呈现出来。十八世纪末到十九世纪末，实验方法、数学方法、假说方法和理论概括方法都有了显著的提高和发展，统计方法也被引进了物理学。二十世纪以来，科学实验在精密、快速和自动化方面达到了新的水平；物理学理论的公理化和数学化的特点更加突出；科学想象、理想实验、创造性思维等方法，对于现代物理学的发展起到了重要的作用。

(一)经典物理学的研究方法

我们以意大利物理学家和天文学家伽利略(1564-1642)的研究方法为典型例子，来说明经典物理学的研究方法。

伽利略关于运动理论的研究工作，采用了一个对近代科学的发展很有效的程序，即对现象的一般观察→提出工作假说→运用数学和逻辑的手段得出特殊推论→通过物理的或思想的实验对推论进行检验→对假说进行修正和推广。

伽利略是很重视观察的，因为从观察得到的感性经验会使人们认识到现象的特殊方面。在分析感性经验和借助于创造性想象的基础上，就可以提出工作假说。伽利略就是根据自然界单一效应的简单性的信念大胆假设自由落体是一种速度随时间成正比而增加的匀加速运动，他正是从假说入手讨论他所要研究的那种运动的定义和性质的。进而，在数学演绎阶段，从假设引出可检验的逻辑推论；在这里，数学成为他进行逻辑演绎和论证的有力工具。最后，通过特殊情况的实验，对由假设得出的结论进行检验。在完成上述步骤之后，就可以建立理论，并把它的成果向更大的广度和深度推进。

伽利略实质上使用了把实验和逻辑(数学)结合起来的方法，从而有力地推进了人类科学认识活动的进展。他所发现的许多最基本的定理，都是通过了实验和逻辑的双重证明的。值得指出的是，在伽利略的著作里所描述的实验都是理想化的，他所写出的实验数据都同理论结论精确的符合，这很可能是因为他对数据进行了筛选。这表明伽利略并没有被实验的表面现象所束缚，能够正确地对待和解释实验误差。在他看来，实验结果与理想的简单规则之间的偏差，只是某些次要因素干扰的结果。比如，在实际的下落实验中，重球与轻球并不是同时落地的，伽利略认为这是由空气的阻力造成的，所以不应该由于这点误差而对亚里士多德学说的重大谬误提出辩护。又如在单摆实验中，摆球并不能完全回到原来的高度，伽利略把这点微小的偏差也归因于空气和绳子的阻力。

由此可见，无论是在动力学基本原理上，还是在动力学研究方法上，伽利略都作出了奠基性的重要贡献。爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》中评论说：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端”。

(二)现代物理学的研究方法

现代物理学的研究方法，主要体现为下列一些新的特点。

随着工业和生产技术的巨大发展，二十世纪初以来为物理实验提供了电子显微镜、射电望远镜、高能加速器、电子计算机等大批大型、精密的实验装臵，光谱分析、质谱分析、X射线衍射等分析技术也得到很大的发展，从而使物理学实验在精密、高能、快速和自动化方面达到了新的水平，物理学观测的视野也得到很大的拓展。现代物理学实验除了能够用更有效的手段纯化实验条件和隔离实验因素之外，还发展了有效地施加外部干扰和使研究对象处于极限条件，在对象的激发状态或破坏状态下进行观测的实验方法。这就更加充分地发挥了实验的变革作用和控制作用，以更好地揭露物理现象中各种内在和外在的因素之间的相互联系。另外，现代物理实验由于实验的规模越来越大，它的集体化、社会化的程度也越来越高，许多实验是在较大规模的实验机构中进行的，有些实验需要组织全国甚至国际的力量才能完成。例如，现代高能物理实验，往往要在几千亿电子伏特的能量范围，上百万美元的费用，几十个人在几年的时间内才能完成；为了得到所需要的实验信息，物理学家们必须把大部分精力用于开发仪表和技术，实验的准备工作往往比实验本身困难得多。这样的实验是靠个人的力量所不能完成的。

由于现代物理学研究的内容远离实践经验的范围，理论体系高度抽象化和脱离直觉经验的特征无可避免地日益加强，这使通常的思维方式和机械论的观点愈来愈无能为力；创造性思维如抽象思维、科学想象、理想实验、试探猜测和大胆假设以及直觉、灵感等方法在建立新的物理学理论中的作用愈来愈突出了。人们愈来愈认识到，传统的归纳法和演绎法很难使人类思维成为真正创造性的根源。爱因斯坦认为，理论观念的产生固然是建立在经验的基础之上的，但是理论决不可能逻辑地从经验事实中导出，“在建立科学时，我们免不了要自由地创造概念”。他特别指出，物理学的概念是人类智力的自由创造，它不是单纯地由外在世界所决定的。

在近代科学发展的早期，人们曾以为认识可以在毫不改变客体本来面目的情况下实现；即使主体必须在变革客体的过程中认识客体，这种变革所产生的影响也是可以运用逻辑思维抽象掉的。但是到了二十世纪，随着科学实验的发展，特别是在微观物理学的研究领域中，由于微观物体的特殊本性以及观测仪器与被观测系统之间不可避免的干扰的存在，主体在认识过程中的巨大的能动作用已成为现代科学方法的一个基本特点。

经典物理学时期，也是科学注重于本体论的探索的时期，人们把“现象一规律一实体”作为把科学研究向纵深推进的基本线索。这无疑是一种有效的方法，今后也还会继续发挥其认识的作用。不过，在现代物理学的研究中，人们更注重于关系和模型，这是一个能动的认识论的时期。一些学者认为，把西方科学中重视实体，强调经验、分析和定量表述的方法与中国传统哲学中重视关系，强调整体、协调和转化的思想结合起来，将会导致一种更加符合我们时代的科学精神的新的自然观和科学认识方法。