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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
2、一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
3、能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
4、内建立其他理论时，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
5、联系或者发生关系时，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
6、？,方法论是关于认识和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
7、不断的产生和发展的。,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
8、中的一个重要的、有代表性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
9、行科学的理论思维则贯串于物理学研究的始终。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
10、推动社会生产力的发展，促进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
11、别于生产实践，其直接成果不是为了生产物质产品，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
12、基础，也是一切技术科学的理论基础。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
13、理在发展的过程中，不仅积累了大量的物理知识，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
14、、众多部门表现出旺盛的生命力。从人们家中的灯具、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
15、电气工业的诞生，使人类进入应用电能的电气化时代，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
16、趋于完善。从1900年以后发展起来的近代物理学，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
