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1、制作：刘金莲,2-1 物理学方法论的基本概念,在介绍物理方法论原理之前，首先简述有关物理学方法论的几个基本概念。,2-1-1 科学方法,1.什么是方法？,对方法这一概念有不完全相同的定义和理解。“方法”一词起源于希腊词“”(“沿着”、“顺着”的意思)和“”(“道路”的意思)，它的字面意义是沿着(正确的)道路运动。,所谓方法，意即为了解决某一具体问题从实践或理论上所采取的手段或方式的总和。方法起源于人类的实践活动。人类通过方法这种工具与客观发生关系，所以方法是属于主观范畴的。例如，日月运行，昼夜交替，这些客观存在的事实本身是无方法可言的，但是，我们要认识它们就要涉及方法。而且，不同的人去解决同一
2、问题往往会有不同的方法。例如，测一圆周的长，可以用绳子沿圆周绕一圈然后测绳长；也可用小滚轮沿圆周滚一周，用滚动的圈数乘以小滚轮的周长；还可以测出它的直径用计算的方法求出周长等。,什么是科学方法？在实践中，人们把符合客观规律、能达到预期效果的简单而又合理的方法称为科学方法。例如，美国试爆第一颗原子弹时，费来想亲自测试原子弹爆炸的威力。于是他将一把事先准备好的纸片抛向空中，然后根据自已离开爆炸中心的距离和纸片被冲击波吹过的距离，迅速推算出原子弹爆炸的威力，计算结果竟然和仪器测量的结果相差无几。当然，要是他缺乏有关的专业知识，就难以进行这样的计算。这也说明，目标相同，方法可以不同。只要潜心研究，就能
3、找到简单而合理的新方法。,又如“计算1，2，3，97，98，99，100等100个自然数之和”，可有以下几种形式，也就是有几种计算方法。,1+2+3+98+99+100=5050,50(1+100)=5050,100+50+49(1+99)=5050,此外，同一事物重组变序以获得不同的结果，也可称为方法。例如战国时田忌和齐威王赛马，分上、中、下三等一一对应比赛，由于田忌的马力不如齐威王的，因而连负三局。此时孙膑向田忌献策，以下等对其上等，宁负一局，然后以上对其中，以中对其下，连胜两局，终以二比一获胜。此法可谓妙哉！,再者被实践检验过的科学理论知识，当用来在其知识领域内或其他知识领域内建立其他理
4、论时，就其实质来说，也起着方法的作用。而且往往是抽象程度较高的知识对较为具体的知识发挥着方法的功能。所以，从这个意义上讲，一切知识都可以通过应用而转化为方法。例如，控制论在研究电子计算技术时就起着方法的作用，极限原本是数学中的基础知识，当用它来建立瞬时速度或瞬时加速度等概念时，就成为极限方法了。而方法一旦在往日的研究结果中形成，就会成为日后研究的出发点。,2.方法存在的形式,(1)对于同一事物，沿纵向或横发展过程中的转折过渡处必然存在有方法。例如，从部分电路欧姆定律出发研究全电路欧姆定律时，必然要用到实验归纳与理论演绎相结合的方法。,(2)不同事物之间(包括人与事物之间)建立联系或者发生关系时
5、，必然存在方法。例如，使闭合回路中的部分导体在磁场中作切割磁力线运动，或者使闭合回路的磁通量发生变化，运用上述方法都可以使磁与电两种事物建立起联系。,(3)理论用于实践以解决问题时，理论本身就具有了方法的意义。例如，研究一个物体从光滑斜面顶端下滑到底部所具有的速度，我们既可以用机械能守恒定律，亦可用牛顿第二定律与运动学公式相结合来求解。此时，上述理论实际上就成为解题方法了。,还应强调指出的是，当新的科学理论建立时，往往会引起科学思维的变革。例如量子力学的建立，就导致了以统计因果观为核心的思维方式取代了以严格决定论为核心的经典思维方式。,2-1-2 方法论,1.什么是方法论？,方法论是关于认识和
6、改造现实方法的学说理论。它既可以是某些规定和标准的形式，用以确定某些特定活动类型的内容和顺序(标准方法论)，也可以是实际已经完成的某一活动的描述形式(描述方法论)。,方法论不同于认识论，认识论研究的是整个认识活动的过程，首先是研究这一过程的内涵依据。而方法则是倾向于知识的内部结构，运动和组织的逻辑。认识过程中所总结出的较高层次的理论对于较具体的知识又具有方法论的功能。当然方法也不能脱离知识而存在。因为方法脱离了具体的科学知识，也就不能产生任何有益的结果了。运用方法在获取新的科学知识的同时往往就伴随产生新的方法。而新方法又成为获取新知识的工具，方法与知识就是这样在认识过程中不断的产生和发展的。,
7、2.方法论的分类,由于标准不同，方法论可以有许多不同的分类名称。为了叙述简便，这里我们按照方法论分析的不同层次或普遍性程度的高低来划分，它包括既相互联系又相互区别的三个层次。一是哲学方法论，也就是辩证法、认识论和辩证逻辑，它普遍适用于自然科学、社会科学和思维科学。比如一切从实际出发的方法、矛盾分析方法等。二是自然科学方法论，它是从自然科学的各门学科中概括出来的，诸如观察和实验的方法，抽象思维和形象思维的方法、数学方法等。三是各门学科中的一些具体方法，如初等数学中的数学归纳法，高等数学中的微分法、积分法，物理学中的光谱分析法，化学中的催化方法等。,本课程研究自然科学方法论中的一个重要的、有代表性
8、的分支物理学方法论。,2-1-3 物理学方法论,物理学研究的是一种高度复杂的实践与思维过程。随着研究的深入和广泛的应用，物理学已经形成了许多新的分支，并随着产生了许多特殊的研究方法。因此，系统全面地总结物理学家的研究方法，乃是一项十分艰巨困难的系统工程。但是与人们的认识论相一致，并为经典物理奠定基础的一般物理研究方法，仍具有普遍的方法意义。而且构成了如图2-1所示的物理学研究方法的“工字型”结构。,图2-1“工字型”结构,物理学是一门以实验为基础的定量科学。因此，观察与实验是物理学研究的基础，运用数学工具进行定量探讨，建立物理学的理论体系是物理学研究的核心与归宿。而进行科学的理论思维则贯串于物
9、理学研究的始终。当然科学思维的具体方法则随物理学的发展而日趋完善。,2-2 物理学发展的特点,物理学的发展有三大特点：它与哲学是同生共长的“连理树”，有哲学的高度概括性、抽象性。与高等数学是相互促进、共同发展的“并蒂莲”，具有高等数学的逻辑性、严密性。与实验是一母所生的“同胞兄弟”，具有实验的实践性、操作性。,物理学是人类最早发展起来的自然科学之一，它长期起着带头学科的作用。目前，物理学除了自身仍在不断完善和继续发展之外，还向其它领域渗透，与其它学科相结合而形成了众多的边缘学科、交叉学科，使得当今世界上的许多新发现、新发明、新创造都直接或间接与物理学有关。物理学不仅在推动社会生产力的发展，促进
10、人类的物质文明建设起着重大的作用。而且对于人才的智能开发、培养和发展也有着特殊的作用。,物理学具有如下显著的学科特点：,1.本源的实践性,丁肇中在1976年领取诺贝尔物理奖时明确指出：“自然科学理论不能离开实验的基础，特别是物理学，它是从实验中产生的。”物理学是一门以实验为基础的自然科学，它的每一个概念的确立，每一个定律、定理和原理的构建，都有着坚实的观察和实验基础。诚然，物理学家凭直觉以及运用逻辑推理的方法也提出过许多假说和预言，建立了一些新的规律和理论，但是，即使最严谨的理论也是通过实验检验，才最终得到证实和公认的。,物理实验的本质是人们特殊的认识实践活动，它有别于生产实践，其直接成果不是
11、为了生产物质产品，而是为了生产精神产品对物理概念和物理规律的认识。可以说，没有物理实验就没有坚实的物理理论，也就没有物理学。,2.理论的基础性,物理学研究自然界物质结构和最基本、最普遍的物质运动形式的自然科学。就人类发展迄今所达到的认识而言，运动基本形式有以下六种：机械运动、物理运动、化学运动、生物运动、社会运动、思维运动。这六种基本运动形式是按由低级到高级、由简单到复杂的顺序排列的。物理学所研究的机械运动、分子热运动、电磁运动、基本粒子运动等，属于这六种基本运动中的前两种，是基本中的基本。这无疑决定了物理学在整个科学体系中的基础地位。,物理学是其它自然科学的理论基础，也是一切技术科学的理论基
12、础。钱学森曾指出：“天文学、地学、生物学、化学这些基础自然科学，从现代科学技术体系的观点讲，都可以归结到物理学和数学。根本的基础学科，就是研究物质运动基本规律的物理，加上数学工具。”在化学理论中，特别是物理化学、结构化学、量子化学等理论，都以物理学的理论为基础。生物学可以说是研究具有生命的特殊物质运动变化规律的学科，物理学也是其主要的理论基础之一。其它如天文学、地理、地质等学科也莫不如此。,物理学与其它自然科学的关系，是共性与个性的关系，共性寓于个性之中。随着物理学和其它自然科学、技术科学发展，物理学理论的作用、影响及应用范围还在继续扩大。,3.方法的普适性,物理在发展的过程中，不仅积累了大量
13、的物理知识，而且总结出一系列行之有效的科学研究方法：观察和实验、科学抽象、比较和分类、类比和转换、归纳和演绎、分析和综合、假说和数学方法等等。物理研究方法不仅推动了物理学自身的发展，而且由于这些方法具有普遍的意义，为其它自然科学普遍借鉴和移植，从而得到迅速的发展。现代众多的新学科，如生物力学、量子化学、激光生命科学等等都是运用了物理学理论和物理学研究方法而建立和发展起来的。(本文将对物理方法作更详细论述),4.应用的广泛性,由于物理学研究的对象具有基本性，采用的方法具有普适性，因此物理学的应用必然具有广泛性。无论是经典物理学还是近代物理学都在国民经济的众多领域、众多部门表现出旺盛的生命力。从人
14、们家中的灯具、电话、电视机、录像机、微波炉到现代工程技术的能源科学、材料科学、海洋和科学、空间科学、生命科学等都可以看到物理学的存在。,“科学技术是第一生产力”，物理学作为一门带头的基础学科，作为各门自然科学和技术科学的理论基础，是推动社会生产力变革的巨大扛杆。从生产力的发展史上看，物理学的每一次重大进步，都促进新的技术科学的兴起。17、18世纪由于牛顿力学和热力学的建立和发展，出现了以蒸汽机和工作机为标志的机械工业，引发了第一次工业革命。19世纪物理学又取得了长足发展，能量守恒和转转换定律的发现以及法拉第麦克斯韦电磁理论的问世，促成了以电动机和发电机为标志的电气工业的诞生，使人类进入应用电能
15、的电气化时代，实现了第二次工业革命。,20世纪以来，物理学又取得了新的重大突破，以相对论和量子力学作为两大支柱的近代物理学的形成和发展，使人们实现了原子能的利用，直接促成了半导体、磁共振、激光等新兴技术的发明和许多边缘科学的建立。现在，物理学的各个分支又在一系列重大问题上孕育着新的突破。可以预料，如果在超导、可控热核反应、基本粒子以及其它领域实现了新的突破，势必给社会生产力和人类生活带来难以估量的巨大影响。,物理学从古到今，经过历代物理工作者的艰苦努力，已形成了系统、完整、严谨的理论体系。由牛顿、麦克斯韦、吉布斯等著名物理学家建立起来的经典物理学，在19世纪末趋于完善。从1900年以后发展起来
16、的近代物理学，使人类的视野深入到高速世界和微观领域，其基本理论在本世纪20年代已基本完成，形成了相对论和量子力学两大理论支柱，并产生了相对论力学、量子电动力学、量子统计学等众多分支物理理论，使物理学理论体系不断丰富和发展。,目前，物理学正向更小的、更大的和更复杂的领域发展，向微观世界深处发展是粒子物理学的研究；向宇观世界深处发展是宇宙物理学的研究；寻找自然界高度统一的理论是统一场论的研究。这三个方面的研究相互交叉、相互渗透，使得物理理论更加绚烂多彩，成果更加丰富诱人。,物理学所研究的范围无论在空间尺度上(小至1015米，大至200亿光年)，或在时间尺度上(小至1023秒)都是其它任何科学所无法
17、比拟的。更为可贵的是，在每一层次上，在每一尺度范围内，物理学都有相应的定性或定量理论，理论体系之完整和严谨也是其它自然科学不能相比的。,6.与哲学、数学的密切相关性,物理学还有一个显著特点，就是它是自然科学中与哲学、数学的关系最为密切的学科。物理学是哲学的重要基础之一，而哲学则对物理学具有重要的指导作用，它们相互依赖、相互影响、相互促进。随着物理学的发展，哲学经历了朴素唯物主义、机械唯物主义和辩证唯物主义这种带有根本性质的形式改变，因此学习和研究物理学有助于形成正确的世界观和方法论。,恩格斯研究了物理学等自然科学的进展，导致他的名著自然辩证法的诞生。列宁对20世纪初物理学的众多新发现进行了哲学
18、总结，产生了唯物主义和经验批判主义著名著作。可以预言，由于在相对论、量子力学的基础上，在宇宙尺度上的宇观领域和基本粒子尺度上微观领域内，以及在大统一理论研究上的不断发展，物理学必将大大地推动哲学向前发展。,另一方面，物理学又总是受哲学思想的支配和指导。正因为如此，历代物理学家都十分重视哲学的研究和探讨。著名物理学大师爱因斯坦生前十分重视对哲学的探索，并发表了大量的哲学论文，其数量之多甚至超过他在物理学方面的论文。,物理学与数学的密切关系也是其它学科所望尘莫及的。从古至今，物理学与数学都是相互影响、相互促进的。数学是专门研究形和量的科学，具有高度的抽象性和严密的逻辑性，它是物理学理论的最好表述形
19、式，既简洁又精确。一个数学表达式、方程式，概括了有关物理量之间复杂的相互作用、联系和变化，蕴涵着丰富的物理内容。例如麦克斯韦方程组就非常准确地表友谊述了经典电磁理论的全部基本定律。,在微观世界，可以用希尔伯特空间的矢量和算符表达量子力学的量的关系。如果不用数学，只靠日常的自然用语，恐怕连最简单的物理规律也难以表述清楚。数学也为物理学提供了数量分析和计算的方法。提供了抽象、推理的强有力工具。数学使物理成为自然科学中最定量化、最严谨的学科。麦克斯韦从他的方程组“推导出”电磁波，把人类社会带入了信息化的时代；爱因斯坦在狭义相对论中，用数学方法获得了质能关系式，大大深化了人类对质量和能量的认识。,数学
20、不仅是计算工具，更重要的是它独具推理和预见能力，可以帮助人们进入和把握超出感性经验以外的客观世界。简洁的数学符号，大大简化和加速了人的思维过程。爱因斯坦就是利用了曲面几何和张量分析，创立了广义相对论。马克思说过，一种科学只有在成功地运用数学时，才算达到真正完善的地步。物理学是最早，也是最全面、最成功地运用数学的自然科学，因此它是众多自然科学中最为成熟、发展得最快的学科。,此外，从方法论角度看，有三点值得研究和重视：(1)理论物理学的正确基础，必须符合数学里的传统；(2)正因为数学与物理学的生命线是交接在一起的，所以才为我们提供了一种研究物理学的“有力的新方法”；(3)对数学美的追求是值得重视和
21、深入研究的。,数学对物理学的发展起着重要的作用，反过来，物理学的发展也促进了数学的发展。牛顿创立微积分就是其中突出的例子。物理学对数学的重要作用还体现在为数学理论提供了实践的检验和实际的应用。,以上所述的物理学发展和学科特点，使得物理学带上明显的个性特色。这些特点，是形成物理学研究方法和物理学方法论原理的重要基础，是我们在研究物理方法论原理和应用物理方法时必须认真考虑的问题。,2-3 物理知识结构特征,物理学知识结构具有以下特征：整体性、稳定性、层次性、动态性。,1.物理学知识的整体性,物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本、最普遍的运动形式及规律的一门学科。物理学发展至今，已形成了
22、系统而严谨的理论体系。物理学的基本理论有：1、牛顿力学。2、热力学。3、经典统计物理学。4、电磁学和波动光学。5、相对论。6、量子力学。前四部分理论主要是在1900年以前建立起来的，所以又称经典物理学。后两部分理论是在1900年以后逐步发展起来的。所以又称为近代物理学。,随着物理学的发展，现在还有量子统计理论、凝聚态物理理论、原子物理理论、粒子物理理论等等。不管将来物理学还会发展出什么新的理论，作为研究物质基本结构、基本运动规律的内在特性，它们之间仍然是互相联系、彼此依赖的。这就是物理学知识的整体性。,2.物理学知识的稳定性,物理学是一门实验科学。它所形成的理论知识是无数科学家经过长期实践和研
23、究的结晶。物理学在发展过程中，新现象、新理论、新成果的出现，并没有根本上推翻旧理论。它们只是从更大的范围、更深的层次来认识世界。新的理论往往包含了旧理论，旧理论多数情况下成了新理论中的特例。比如相对论的出现，彻底改变了人们的时空观。但是，在宏观、低速的情况里，相对论的许多结论回到了牛顿力学中。牛顿力学的知识在处理地球上机械运动、建筑工程等问题时，仍然十分管用。类似的例子还有许多。由此可见，物理学知识在所有学习过物理的人的头脑中处于相对稳定状态，使得他们能在一个时期甚至终身收益。,3.物理学知识的层次性,层次性是由体系结构规律性和人的主观认识的尺度构成的。在知识体系中，层次性反映了知识中各组成部
24、分之间的纵向联系的客观规律。物理学知识从纵向来划分，可分为以下五个层次：第一层次，也就是最高层次，是物理学总体理论知识；第二层次是各分支学科知识，如牛顿力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、量子力学、相对论等等；第三层次是分支学科各研究领域知识；第四层次是基本规律知识；第五层次是相关的概念知识。,举一个例子说明：,第一层次物理学总体理论知识,第二层次牛顿力学、热学、电磁学、光学、原子物理学等,第三层次(热学为例)热力学、统计物理学等,第四层次(热力学为例)热力学第一定律、热力学第二定律等,第五层次(热力学第一定律为例)功、热量、内能等,物理知识结构从横向来分，可以分为四大类：物理理论知识、物理
25、实验知识、物理方法论知识、物理学史知识。,美国哈佛大学的著名物理学教授G.霍尔顿曾提出物理学三维结构模型。他认为物理学的任一部分基本内容的结构及其发展都可以分解为三种因素或三个坐标：X实验(事实)，Y物理思想(逻辑、方法论等)，Z数学(表达形式或计量公式)。,4.物理学知识的动态性,古代农牧业、建筑业、手工业、航海、水利工程等的发展推动了天文学、力学的发展。15、16世纪以后，资本主义生产关系的出现和形成，促进了近代自然科学的发展。牛顿在开普勒、伽利略等人研究成果的基础上，完成了物理学的第一次大综合，奠定了经典物理学的基础。18世纪中叶，随着资本主义工业的发展，为解决动力问题，英国工匠瓦特制成
26、了蒸汽机。为了提高蒸汽机的效率，推动了热学的研究，从而导致热力学理论的产生发展。随着能量转换和守恒定律的发现，完成了物理学的第二次综合。伏打电池的制成使物理学家获得稳定的直流电，之后，电流的磁效应和电磁感应的发现为电机的生产提供了理论基础，麦克斯韦集其大成，建立了完整的电磁理论，完成了物理学的第三次综合。,近代物理学的发展出现了超前现象，例如原子能的开发利用，首先在纯理论领域研究，然后才付诸实用。今天，人们正在不断综合运用已有的物理理论。不断探求新理论。例如综合运用经典物理理论和近代物理理论，产生了量子统计物理学理论；综合运用相对论和量子力学理论，诞生了相对论量子力学、相对论量子场论等理论。现
27、在，人类正向着微观世界的深处粒子的研究，向着宇观世界的深处宇宙学的研究，向着寻找自然界高度统一统一场论的研究方向发展。随着这些认识的不断深入，物理理论必定会有新的突破，更简明、更完美、更普遍的物理理论将出现在人们的面前。,综上所述，物理学的发展积累了丰富的知识。由于物理学是一门永无止境的探索的学科，决定了物理学知识动态的性质。,2-4 物理方法论原理,物理方法论的原理是介于哲学原理和物理研究方法之间的普遍原理，并充当二者的桥梁和纽带，它也是对物理学知识体系的某种规范，以特定的方式影响研究过程，使之朝着一个明确的目标发展，从而对科学创造过程起着调节和启示的作用。它对物理学理论的探索、建立和发展起
28、着指导作用，制约着物理学的一般方法和特殊方法。由前苏联著名哲学家凯德洛夫提出物理方法论原理主要有10条原理。,其中每一条原理都是对物理学发展史和物理学研究方法的哲学概括，又是物理学知识体系的某种规范，以特定的方式影响着研究过程，是一般哲学原理在物理学领域中的具体应用，使研究朝着一个明确的目标发展，从而对科学创造过程起着调节和启示的作用。这10条原理是：,1.解释原理,所谓解释，从广义上来说，其含义与“阐明”、“揭示”等相近；从狭义上来说，物理学的解释是指这样一种研究程序：把被解释的事实纳入到一定的物理学理论体系之中，并且从物理直观、数学形式和认识论的角度去说明这种纳入的合理性。,物理学解释有直
29、观解释和数学解释两种类型。直观解释是借助对被解释的现象进行形象的、可感触的模拟而进行的解释。例如，用几何光学来解释插入水中的筷子在视角上的弯折现象；用大量空气分子的无规则运动的统计理论来解释天空的蓝色等等。,数学解释是指对物理现象的数学模拟。它包括两部分：数学公式体系和数学公式与具体的物理情况相联系的法则。正如狄拉克所说的：“理论大概应当由某个方程组与应用和解释这些方程组的法则所组成。方程本身还不能构成物理理论。只有当它们伴随着怎样使用这些方程的法则时，我们才真正有了一个物理学理论”。数学模拟可以分为三类：(1)几何模拟，例如相对论中的闵可夫斯基空间，量子力学中的希尔伯特空间；(2)动力学模拟
30、，例如牛顿力学、电磁理论；(3)统计模拟，例如统计力学、量子力学等，此外，公理化方法和群论方法在数学解释中也起着重要作用。,2.简单性原理,科学研究的基本要求，一是正确性，即理论与实践一致，科学知识与经验事实一致；二是有效性和经济性，即“以简驭繁”、“以少做多”。这里所说的有效性和经济性，就是简单性原理的具体体现。,简单性原理还表现为以下几种形式：,(1)分析的简单性：这就是科学的抽象。只有当能够把研究的现象从它的联系中“分离”出来，抽取对于确定规律来说最为本质的特征或关系，而撇开在这种场合下“多余的”细节和详情时，科学的认识才成为可能。,(2)综合的简单性：对于已有的领域来说，寻找更简单的原
31、理来概括，或扩大已有原理的应用范围。,(3)理论的简单性：这也就是中世纪哲学家B.奥卡姆所提出的“剪刀原则”“不应当把本质增加到超过需要”，“能以较少者完成的事物若以较多者去做即是徒劳”。爱因斯坦在物理学和实在一文中说：“科学目的，一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系，另一方面是通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的”。,(4)启示的简单性：如何用最经济的办法获得正确的理论。科学发展史告诉我们正确的往往是简单的，但简单的不一定是正确的。因此，简单性原理并不能唯一地帮助我们找到正确的理论，但可以帮助我们直观地感受理论的正确。,(5)数学的简单性：这就是要应用最简洁的数学概
32、念或数学关系来表示科学理论。例如麦克斯韦方程组就是数学简单性的一个典型。,(6)选择的简单性：它表明在所有能解释经济事实的各种独立理论中，应选择其中最简单的理论。这一原则对于哥白尼的日心说体系战胜托勒密的地心说体系起了重要作用。,(7)发展的简单性：这是考虑到理论与实验的不断发展，提出的一种更加有效的简单性标准。根据发展的简单性原则，我们要选择等价理论中最少补充规定的理论。例如，在经典物理学中，光的波动说能根据自已的基本假说，完全自然地解释一个又一个新的经验事实，而光的微粒说在解释光的色散现象、光的干涉、衍射现象时，要补充许多新的假设，这就使得物理学家最终接受波动说而放弃微粒说。,3.统一性原
33、理,这条原理体现了人类认为自然现象的无限多样性是辩证统一的看法。相信自然界有着统一的规律，这是所有物理学家的共同信念：追求物理理论的统一性是物理学家奋斗目标。普朗克曾说过：“物理学从一开始就把各种各样的物理现象概括成统一体系，把可能归结为一个公式作为自已最伟大的目标”。,物理学知识的统一有两种主要方式：数学形式上的统一和物理内容上的统一。数学形式上的统一是通过经验材料联结起来的途径达到的。物理内容上的统一是指物理学世界图景的统一。物理学世界图景是指现象的本质图景。这种统一在物理学发展过程中，经历了几个阶段：机械论图景、电磁世界图景、唯能论图景和量子相对论图景。,机械论图景把一切物理现象完全归纳
34、为质点和物质元的运动，即把一切运动归结为力学。电磁世界图景认为基本的物理实在是电磁以太和带电粒子，自然界的一切规律可以归结为由麦克斯韦方程组所决定的的电磁规律。唯能论图景是以能量守恒原理为基础建立起来的，它认为不使用物质概念，仅仅从能量出发建立世界观是可能的：能量是时空存在的实体，可以用能量的概念取代物质的概念，能量是一切物理现象的本质。量子相对论图景是以相对论和量子力学为核心的新的世界图景。,但无论相对论还是量子力学，都不能保证具体世界图景的完备性，不能回答究竟哪些客体才应当存在，而仅仅指出它们应当怎样存在，应当服从哪些规律。目前，人们正在探索相对论图景和量子力学图景的综合问题，以及引力相互
35、作用、弱相互作用、强相互作用、电磁相互作用的统一问题，并且已经取得了可喜的进展。可见，物理学图景总是不断地向扩大统一性的方向发展的。,4.数学化原理,客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到它们的表现。数学的抽象和逻辑结构是模拟物理实在的有力工具，是揭示物质运动统一性的有效手段。在所有领域都在不断深化的数学化是物理学作为自然科学的带头学科的一个突出特征。,牛顿等物理学家在创造经典力学的过程中，一方面努力建立机械论的世界图景，另一方面努力寻找统一的数学工具。牛顿本人既是经典力学的创建者，又是微积分的发明者。,爱因斯坦用物理学“几何化”的方法来实现物理学的统一。从狭义相对论开始，爱因斯坦的理论就
36、与几何学结下了不解之缘，通过由三维欧几里德空间过渡到四维闵可夫斯基空间，把经典力学同电磁学综合起来。广义相对论利用黎曼空间，把经典力学同引力理论统一起来。爱因斯坦认为，一切物理学场论都有与它相适应的空间形式，亦即可以用相应的几何学来表达。虽然，爱因斯坦沿着这条道路统一相互作用的努力没有成功，但这并不意味着“几何化”已到尽头，而很可能是空间形式的变化不限于度量形式变化，还可能有空间拓扑结构的变化。,5.守恒原理,在谈到这条原理时，应区分三个概念：守恒观念、守恒定律和守恒原理。守恒观念是指思辩的一般哲学上的守恒思想；守恒定律是指定量的、可直接由实验检验的物理量之间的守恒关系；守恒原理是指对自然科学
37、理论体系提出确定要求的原则。还应区分三个守恒的领域；物质的守恒、运动的守恒和物质运动的守恒。物质的守恒有质量守恒、电荷守恒、量子数守恒、轻子数守恒等；运动的守恒有惯性定律、动量守恒、角动量守恒、能量守恒等；物质运动的守恒则包括各种相对论性的不变量。,守恒观念由来已久，古人已经知道，任何东西不能凭空产生，也不能化为乌有。人们为此寻找那些构成周围世界多样性的不可消灭的基本物质。古希腊的“原子论”是解决这个问题的多种尝试的总结，它认为原子是构成世界不变的基本物质。原子论的观点成为物理学的基础，并在研究机械运动中起着决定性的方法论作用。后来，人们继续寻找守恒性的量，发现了动量守恒、能量守恒等等。现代物
38、理学一系列新的守恒定律的发现，正要求人们进一步进行新的科学概括。,6.对称原理,对称原理是物理方法中一条极其重要的原理。自然界存在各种各样的对称性，使得人类自古以来就有了对称性观念，并与“美”、“和谐”等概念联系在一起，进而产生了对称性方法。例如，法拉第根据奥斯特发现的电流的磁效应，很快就联想到“磁也应当能够产生电”；汤姆逊发现电子后，狄拉克根据他的“空穴理论”预言正电子的存在；在发现正电子后，人们又推测其它微观粒子，如中子、质子等，也应该有相应对称的反粒子；德布洛意从对称性出发，提出了物质波的假设等等，根据对称性原理，这些预言和假设都得到了证实。,把对称性思想提高到原理地位，是爱因斯坦的一大
39、功劳。正是爱因斯坦在创建广义相对论的过程中，把电磁理论中的洛仑兹不变性提升为一条物理学基本原理(即变换不变性原理)。由于对称性方法和对称性原理的广泛应用，使得物理学在短短的几十年里取得了许多令人振奋的成果。当代物理学家无一不重视这一方法和原理。杨振宁曾指出，对称性原理在量了力学中的作用再怎么强调也不过份；狄拉克则把对称性方法誉为理论物理新方法的精华；海森堡更是盛赞对称性思想反映了当代自然科学时代的精神。,7.对应原理,这一原理体现了辩证的发展观，它既承认理论发展中的质变、飞跃和革命，又承认新理论和旧理论之间的继承关系。,物理学家玻尔是这一原理的倡导者，他在研究元素的线光谱的过程中，逐渐形成并提
40、出了这一原理。这一原理认为在大量子数极限下，量子理论分析的结果应与经典分析相符。对应原理成了他和当时许多物理学家研究原子光谱、分子光谱的强有力的指导原则和具体方法，是从经典理论通向旧量子论，又从旧量子论通向新量子力学的一座“桥梁”。,对于对应原理的哲学和方法论的含义，前苏联著名科学家库兹涅佐夫曾这样论述：“在最一般的形态上，对应原理可以这样表述；其正确性对于一定范围的现象来说已由实验所确定的理论，随着新的、更加普遍的理论的出现，并没有作为错误的东西被抛弃，而是作为新理论的极限形式和局部情况，在原来现象领域中保持自已的意义。在旧的经典理论正确的领域，新理论的结构过渡到经典的结论”。,8.互补原理
41、,这是玻尔为解释量子力学的理论而提出来的，是理解微观物理现象的一条方法论原理。它的基本思想是：要完整地描述量子力学的现象，必须使用两互相排斥而又互相补充的经典概念的集合，这些概念的总和能提供关于这些整体性现象的完全的信息。这个原理已经成为量子力学的哥本哈根学派理论上的核心。借助于这个原理，使微观客体的波粒二象性获得了解释。,玻尔提出互补原理的出发点是：一方面，“量子理论的特点是承认经典物理学概念运用于原子现象时的原则上的局限性”；另一方面，“经验材料的解释在本质上恰恰是基于经典概念的应用”。因此，经典概念在量子力学中也是必要的，但是它们不能在其全部意义上使用，对经典概念的使用必须加以限制。经典
42、概念之非经典应用，正是玻尔的一个重大贡献。,互补原理体现了微观客体波动性与粒子性的辩证统一，体现了连续性与间断性的辩证统一，对如何“在概念的逻辑中”表达“现实的矛盾”，树立了一个样板。,9.可观察性原理,对这条原理的广义理解是，要求理论与观察相符，即理论观念要有经验根据。,在说明理论与观察之间怎样才算相符，以及理论体系的哪些成分提出与观察相符的要求问题上，经典物理学家有过两种倾向。一种称为激进的可观察性原理，它要求理论的一切要素都可直接观察，完全抛弃一切假说；另一种称为温和的可观察性原理，它承认物理学有权建立现象的假设结构，只要求实验检验由假设推出的结果。,在相对论和量子力学形成时期，对理论结
43、构的可观察性要求表现得极为强烈，力图从理论中排除一切不可观察的量。如爱因斯坦在建立狭义相对论时，坚决排除不可观察的绝对空间、绝对时间和绝对同时性的概念；海森堡在建立量子力学时，坚决排除电子的轨道概念等。在这些理论的以后发展中，对可观察性的要求逐渐变得温和：对理论的基本公设得出的逻辑结果进行实验检验，容许在基本方程中出现“四维间隔”、波函数、算符等一些不能直接观察的量。,在物理学发展过程中，物理学家所信奉的原则，从“绝对不可观察的东西是没有意义的”，逐步演变成“理论结构中每一个物理量原则上都是可观察的”，这意味着不一定非得直接观察，但一定可以间接观察。如果在理论中发现有原则上不可观察的量，那么理
44、论就应该在新的基础上进行改造，以使得它在新的形式中不包含这些量。这一原理可成为新理论产生的契机。例如地球相对以太的速度这一概念，从经典物理学来看，这一速度应该是理论上观察得到的，但事实上，迈克尔逊实验中给出了否定的结果。把实验中所显示出的那种事实上的不可观察性上升为原理，这本身就标志着向新理论过渡的开端。,10.基元性原理,人们曾经认为物质大厦的基础是由绝对简单的、不可分割的、不变的原子所组成的。但是，19世纪末X射线、放射性和电子的发现冲垮了这一机械观，引起了物理学乃至整个自然科学的革命。列宁在唯物主义和经验批判主义一书中，指出这一革命的实质：并不是机械观基础上的原子被电子所代替，而是从根本
45、上摧毁了机械论的基本性概念，由形而上学的物质结构观过渡到辩证法的物质结构观。,列宁认为：“电子和原子一样，也是不可穷尽的，它们只是不断复杂化的和发展着的物质的种类和形式的无限链条中的有限环节”。20世纪以来，物理学的发展不断地为这种基本观点提供新的论据，逐渐破除了把基本粒子看成几何点的唯心主义、形而上学观点，并在此基础上形成从辩证关系与发展的观点上把握物质结构和物理学知识的基元性原理。,自然界、自然科学或人的思维的发展，可以认为是由许多“片断(基元)组成，每一片断都可以看作是由“细胞”A到“发育的机体”K的上升过程：AK。把相邻的片断连接起来，就可以看到上升过程展开的阶梯式序列。在相邻的两个片
46、断中，前者的“发育的机体”就是后者的“细胞”，作为后者的从属部分被包含在后者之中。于是，“细胞”A与“发育机体”K的划分便具有了相对性，都是发展总链条上相对独立的环节，于是整个发展便一环一环地连接起来了。,例如，基本粒子物理学研究的是从夸克到基本粒子环节；核物理学研究的是从基本粒子到原子核环节；原子物理学研究的是从原子核、电子到原子环节；化学研究的是从原子到分子环节；分子物理学研究的是从分子到凝聚态物质环节等等。由此可见，每门科学抓住的都是物质链条上一个确定的“片断”，而且同一实物粒子是前一个“片断”结束的一环和后一个“片断”开始的一环，它可以同时是两门科学研究的对象。与此相联系，还可以产生各
47、种边缘科学，以及把它们从不同角度联系起来的横断科学。,以上10条物理学方法论原理相互之间有着密切的联系，形成一个结构：包括物理学在内的任何一门科学，都不会满足于对现象的简单描述及对事实的记录，总要力求去解释它们，解释的要求产生了解释原理；但是对于同一组事实，无论是用不同的数学方法，还是根据本质上不同的内容假说，都可能得到解释。作为在相互竞争的解释间的选择标准，出现了简单性原理；由于解释中存在着两种形式数学解释和内容解释，于是出现了物理图景的统一性原理和知识的数学化原理。前者要求物理学在内容上统一，后者要求物理学在数学上统一。,它们都带有“整体的”性质，涉及到整个物理学；对称性原理从一个侧面，而
48、守恒原理从另一侧面，使得对物理学知识的统一要求进一步具体化。它们在建立单个物理学理论时起作用，以保证这个统一性的“局部的”性质。以上几个条原理既是经典物理学所固有的，也是现代物理学所固有的。对应原理原来曾是发展旧量子论的有力研究手段，它在两组事实及与之相应的解释的数学层次结构之间建立起联系。它要求在某个特征参量趋向极限时，对较大范围事实进行数学解释的新理论的方程就会过渡到旧理论的方程，后者对比较狭窄的经验范围还是正确的。,重要的是，新旧理论的这种吻合只是在数学层次上才能达到，但对事实进行内容解释的现象机制模型却还是始终势不两立，在解释的内容层次上不存在极限的过渡；可观察性原理在解释的内容层次上
49、的元素同相应范围的事实之间建立起联系。它要求：为解释某组现象的机制而由内容的假说引进的不可观察的客体，也要能解释与该组不同的其它各组现象，以及预言新的现象；,互补性原理在物理学知识体系的所有三个层次(事实知识的原始层次、数学规律性的认识层次和关于潜在的现象机制的知识层次)之间建立起联系；基元性原理与建立各门自然科学的体系结构总任务的提出相联系，并随着以后整个现代自然科学体系的形成，将这些单独的体系结构整理成一个相互之间逻辑联系的系列。,(本节主要取材自B.M.凯德洛夫、H.奥夫钦尼科夫主编的物理学的方法论原理。知识出版社，1990),思考题：,2.美国物理学教授霍尔顿提出的物理学三维结构模型反映了物理学知识结构具有哪些特征？,1.物理学的发展有哪些显著特点？它和其它自然科学学科有什么区别和联系？,?,?,4.(苏)凯德洛夫等主编物理学方法论原理提出了哪些物理学方法论的基本原理？,3.什么是物理学方法论原理？它对物理学理论的探索、建立和发展起什么样的作用？,?,
