科学家的科学思想方法

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1、科学家的科学思想方法 .1伽利略的科学思想方法 .1开普勒的科学思想方法 .2牛顿的科学思想方法 .2爱因斯坦的科学思想方法 .5科学家的科学思想方法伽利略的科学思想方法伽利略对运动的研究，创造了一套对近代科学的发展很有效、很具体的程序。这个程序由下列环节构成：对现象的一般观察提出假设运用数学和逻辑的手段得出推论通过物理的或思想的实验对推论进行检验对假设进行修正和推广等等。例如在自由落体运动的研究中，开始，他提出速度增量正比于通过距离的假设，经过简单的推理就否定了这一假设。然后又提出速度增量正比于时间间隔的假设，因为无法用实验直接检验这一假设，因此他由这一假设推导出距离与时间的关系，再用实验来

2、验证这个关系，最后把由斜面实验证实了的这一结论推广到自由下落的情形。伽利略实质上使用了把实验和理论和谐地结合起来的方法，从而有力地推进了人类科学认识活动的发展。伽利略充分认识到这个研究方法的价值。他在两门新科学中写道：“我们可以说，大门已经向新方法打开，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里会博得许多人的重视。” 值得注意的是，在一些物理教科书和科普读物中广为流传着这样一种观点：伽利略靠在比萨塔上所做的落体实验奠定了运动学的基础。这个传说不仅违反了历史事实，而且是对伽利略研究方法的错误认识。事实表明，在整个研究过程中，逻辑推理、抽象分析、数学演绎、科学假设、理想实验等理性思维方法起了决

3、定性的作用。特别是理想实验方法在伽利略手中成了科学创造的一个奇妙的工具。他用“落体佯谬”的理想实验，从亚里士多德的“重物的下落比轻物为快”的原理导出了“重物的下落比轻物为慢”的悖论。他用“对接斜面”的理想实验推翻了亚里士多德关于“外力是物体维持其运动的原因”的教条，提出了“惯性原理”。可以这样说，这些理性思维的方法是他从对运动现象的观察通向发现运动规律的途径。爱因斯坦在为伽利略的关于两个世界体系的对话英译本写的序言里，曾经特别指出：“常听人说，伽利略之所以成为近代科学之父，是由于他以经验的、实验的方法来代替思辨的、演绎的方法。但我认为，这种理解是经不起严格审查的，任何一种经验方法都有其思辨概念

4、和思辨体系；而且任何一种思辨思维，它的概念经过比较仔细的考察之后，都会显露出它们所赖以产生的经验材料。把经验的态度同演绎的态度截然对立起来，那是错误的，而且也不代表伽利略的思想况且，伽利略所掌握的实验方法是很不完备的，只有最大胆的思辨才有可能把经验材料之间的空隙弥补起来。”总而言之，伽利略的方法是理论和实验相结合的方法。我们看到，伽利略在运动学和动力学上所作的工作，无论在历史上、科学上还是方法论方面都获得了伟大的成就。他在两门新科学中谦逊地说：“我认为更重要的是一门博大精深的科学已经出现，我的工作仅是一个开端，头脑比我敏锐的人们将开辟更多的途径和方法，以探知它深邃的奥秘。”对于伽利略所做出的奠

5、基性的重要贡献，霍布斯(Hobbes)评价说：“他是第一个给我们打开通向整个物理领域的门的人。”爱因斯坦和英费尔德(Infeld)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。”摘自向义和编著大学物理导论上册p3435开普勒的科学思想方法开普勒关于天文学研究方法的特点，表现在尊重观察到的事实这种客观的态度上。起初他坚持把5种正多面体作为解释行星轨道大小的主要工具，后来改为依据第谷的观测数据讨论行星的轨道，在先验的圆形轨道模型与观测数据不一致时，他就抛弃了这一模型，采用了与观测数据吻合的椭圆轨道模型。他在哥白尼天文学

6、概要一书中指出，对假说的唯一限制是这些假说必须是合理的。他认为提出假说的主要目的是“说明现象，及其在日常生活中的用途。”如果一个假说明显违背观察到的事实，决不允许用一些方便的假设去掩盖这一矛盾。在这个意义上，开普勒的科学属于现代科学，他比任何前人更加恭顺地服从准确而定量的观测证据。开普勒的另一个特点是他企图以几何和代数的语言即以数学公式来表达物理定律并获得成功。开普勒定律的表述是在科学史上物理定律应用于物体运动的第一个例子，也是运动物体动力学和数学紧密联系的第一个例子。自从开普勒的时代起，方程就作为物理定律的数学表示式自然地发展起来。开普勒的第三个特点是他不仅从事运动学的研究，而且还从事天体动

7、力学的研究。他有这样的正确看法：尽管太阳不在几何学的中心点上，但是依然是物理学意义上的中心。在开普勒看来，支配着行星的力在太阳上，这种力就像光一样从太阳发出。1605年，开普勒在给一个朋友的信中写道：“我的目的在于证明：天上的机械不是一种神圣的，有生命的东西，而是一种像钟表那样的机械，正如一座钟的所有运动都是由一个简单的摆锤造成的那样，几乎所有的多重运动都是由一个最简单的，磁力的和物质的动力造成的。我也要证明，何以应当用数字和几何来表达这些物理原因。”这一设想虽然是错误的但是开普勒把可观察的实验现象作为出发点，从事实本身去寻求运动原因，这标志着近代物理学的主要特征之一。开普勒定律不仅使得人们有

8、可能比较详细地进一步研究行星运动的“运动学”问题，而且还有利于研究行星运动的“动力学”问题。它与伽利略对地上运动的研究一起为牛顿定律及其世界体系的建立奠定了基础。摘自向义和编著大学物理导论上册p116117牛顿的科学思想方法牛 顿 定 律 及 其 世 界 体 系 的 建 立 ， 是 人 类认 识 客 观 世 界 过 程 中 的 一 次 飞 跃 。 美 国 科 学史 家 Kuhn把 它 称 为 科 学 革 命 。 如 果 日 心 说 是第 一 次 科 学 革 命 ， 牛 顿 力 学 就 是 第 二 次 科 学革 命 。 科 学 革 命 是 技 术 革 命 的 先 导 ， 在 牛 顿的 科 学 革

9、 命 之 后 大 约 一 百 年 ， 出 现 了 18世 纪末19世纪初的工业革命或产业革命。 牛 顿 在 原 理 中 提 出 了 力 学 的 三 大 定律 和 万 有 引 力 定 律 ， 把 地 面 上 物 体 的 运 动 和太 阳 系 内 的 行 星 的 运 动 统 一 在 相 同 的 物 理 定律 之 中 ， 从 而 完 成 了 人 类 文 明 史 上 第 一 次 自然 科 学 的 大 综 合 。 它 不 仅标志了16， 17世纪科学革命的顶点， 也是人类文明、 进步的划时代 标 志 。 它 不 仅 总 结 和 发 展 了 牛 顿 之 前 物理 学 的 几 乎 全 部 重 要 成 果 ，

10、 而 且 也 是 后 来 所有 科 学 著 作 和 科 学 方 法 的 楷 模 。 牛 顿 的 科 学思 想 和 科 学 方 法 对 他 以 后 三 百 年 来 自 然 科 学的 发 展 产 生 了 极 其 深 远 的影响。牛 顿 的 科 学 观 是 因 果 决 定 论 的 科 学 观 。他 认 为 天 体 运 动 的 原 因 就 是 万 有 引 力 ， 行 星运 动 的 规 律 是 由 万 有 引 力 定 律 决 定 的 。 他 根据 万 有 引 力 定 律 成 功 地 解 释 了 行 星 、 卫 星 和彗 星 的 运 动 ， 直 至 最 微 小 的 细 节 ， 同 样 也 解释 了 潮 汐

11、 和 地 球 的 进 动 。 在 牛 顿 力 学 中 只 要知 道 质 点 在 初 始 时 刻 的 位 移 和 速 度 ， 根 据 牛顿 定 律 就 可 以 预 言 其 后 时刻的运动情况，这是典型的因果描写。但 是 ， 在 牛 顿 以 前 往 往 并 不 用 因 果 论 来解 释 自 然 现 象 ， 而 用 目 的 论 来 解 释 自 然 现 象 ，即 按 照 某 种 目 的 或 结 果 来 解 释 运 动 现 象 ， 而不 是 用 力 的 原 因 作 解 释 。 牛 顿 采 用 因 果 性 的解 释 在 物 理 学 的 发 展 中是重要的一步。 爱因斯坦指出： “在牛顿以前还没有实际的科学

12、成果来支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。 ”牛顿建立了物理因果性的完整体系，从而揭示了物理世界的深刻特征。在决定论科学观的基础上， 牛顿确立了他的物理框架， 所谓物理 框 架 就 是 对 物 理 现象 解 释 的 一 种 标 准 。 牛顿框架的核心是力和力 所 决 定 的 因 果 性 ， 认 为 找 到 了 力 的 规 律 就是找到了对运动现象的解释。然而， 在牛顿以前并不使用力的框架，而是 “和谐性” 的框架。 在 哥 白 尼 一 开 普 勒时 期 ， 他 们 追 求 的 是 和 谐性，即寻找运动的和谐， 认为找到了和谐就找到了解释， 这种思想在这一时期发展到了顶峰。 哥白尼之所以怀

13、疑托勒密体系， 主要是他认为托勒密体系很不和谐， 在托勒密体系中行星有时逆行。如果将中心从地球移到太阳， 则行星的运动更加和谐。 正如哥白尼说的显示了 “令人欣赏的对称性”和“清晰的和谐性”。到了牛顿一代， 不再采用和谐性框架，不再认为寻找 “和谐” 就是 寻 找 对 运 动 现 象原 因 的 解 释 ， 牛 顿 认 为 找到了力才是找到了对运动现象的解释。 以后的物理学家主要依据力的框架进行工作。 爱因斯坦指出： “直到19世纪末， 它一直是理论物理学领域中每个工作 者 的 纲 领 。 这 个 物 理 学 框 架 在 将 近二 百年中给予科学以稳定性和思想指导。 ”沿用牛顿的框架发展到顶峰的

14、是麦克斯韦，麦克斯韦坚持牛顿的力的框架， 他建立了电磁学的力学模型， 企图用以太中的力来解释电磁现象， 发展电磁理论， 后来， 他不再采用力学模型，而是用电磁场的概念来分析问题，这反映出框架的变化。牛 顿 在 科 学 研 究 中 坚 持 以 经 验 为 基础，他认为在没有从观察和 实 验 中 发 现 引 力 之 原因 时 ， 决 不 杜 撰 假 设。牛顿的“不杜撰假设”具有方法论的意义， 这种方法论与他同时代的大多数人所遵循的 方 法 迥 然 不 同 。 牛 顿 的同 时 代 人 都 追 随 笛卡儿探索自然现象的原因，构筑引力的机制。 而牛顿则不然， 他所关心的不是引力 “为什么” 会起作用，

15、 而是 “如何”在起作用。 他的目的是寻求引力所遵从的规律，提出准确的数学描述，证明行星系统如何依赖于引力定律。但是，牛顿的认识路线也不同于受经验主义影响很深的胡克的认识路线。 胡克强调从实验上去探求引力定律， 忽视数学推理 的必要性。 他的表述停留在定性认识上， 缺乏定量的成分。 他没有认识到当时更需要的是数学推理， 而不是实验， 因为所有行星运动的 实验资料都已总结在开普勒定律之中， 而胡克面对实验事实， 迟 迟 不能提出物理模型，进行数学推导， 从而确立力的定律。 这是他在方法论上不如牛顿的地方。牛顿所遵循的认识途径是从实验观察到的运动现象去探讨力的规律， 然后用这些规律去解释自然现象。 正如他在 原理 一 书 的前言中写道： “我奉献这一作品， 作为哲学的数学原理， 因为哲 学 的 全部责任似乎在于从运动的现象去研究自然界中的力，然后从这些力去说明其它自然现象。 ”爱因斯坦对牛顿的科学认识道 路 给予了高度的评价。他在 自述 一文中写道： “你(指牛顿)所发明的道路， 在你那个时代， 是一位具有最高思维能力和创造力的人 所 能发现的唯一的道路。”牛 顿 的 科 学 认 识 道 路 对 以 后 物 理 学 的 发展 产 生 了 深 刻 的 影 响，许多物理学家都沿着牛顿的