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1、物理学家的思维特征作为自然科学重要基础学科的物理学在近现代科学发展史上起了重大作用，尤其在 20 世纪，物理学作为主导学科取得了一系列突破性成果，这充分体现了物理学家勇于探索、 不畏艰难的精神，创造性思维和正确科学方法的运用。在长期的科学研究生涯中，物理学家 形成了自己新颖独特的思维风格，笔者在此就物理学家的主要思维特征作一初步探讨。1、善于抓主要矛盾任何复杂事物，总包含着许多矛盾，但在一定条件下，必定有一个是主要的，其 它是次要的。物理学家在研究问题时，善于把主要矛盾突出出来，暂时去除次要矛盾，而不 是眉毛胡子一把抓。一旦弄清主要矛盾后，再考虑次要矛盾，如此一级级近似，就可能逼近 实际。玻尔
2、的原子模型，用三个基本假设便抓住了主要矛盾即电子与原子核的静电相互作用， 使原子结构的量子论研究取得了突破性进展。在那时并不知道，因而也不讨论电子自旋及其 与轨道运动的相互作用，即原子的“精细结构”，这是次要矛盾；更不会去讨论电子自旋与 原子核自旋的耦合，即“超精细结构”问题，它是更次要的矛盾（超精细相互作用引起的能 级分裂比精细结构还要小三个数量级）。我们知道，分子中有许多原子核和电子，它们都在 运动，情况十分复杂。但核与电子有很大区别，核的质量远大于电子的质量，由于这种质量 的差别，就使得运动产生了很大差别，电子运动得很快，核运动得很慢，而且两种运动之间 还有相互作用。玻恩和奥本海默抓住了
3、影响分子性质的主要因素即电子和核的运动，忽略了 电子运动与核运动的相互作用，而且把电子运动与核运动分开来处理，在讨论电子运动时， 把原子核近似看成不动。这就是所谓的玻恩奥本海默近似，事实上，整个光谱学都是建立 在玻恩奥本海默近似基础上的。物理学家不仅善于抓主要矛盾，而且抓法有其巧妙之处。 例如我国著名物理学家彭桓武有一个著名公式即所谓39，意思是比较两个因素，如果甲 /乙三3,这个3你可看成是无穷大，也就是乙可以忽略不计，集中精力先考虑甲，然后再考 虑乙作修正。但是，在不同的具体条件下，次要矛盾可以转化为主要矛盾。例如，从 1951 年起，天文上观测到来自银河系和河外星系的 21 厘米波长的射
4、电谱线，证明中性原子氢是 宇宙中丰度最高（占 3/4）的元素。在一个处于基态的氢原子中，当电子自旋与核（质子） 自旋“平行”时，由于电子自旋与核（质子）自旋磁矩相互作用所产生的附加能量将使基态 能级略有升高；反之，“反平行”时，所产生的附加能量使能级略有降低。这样，原来的一 条能级分裂成了两条，形成了所谓的超精细结构。由于相当电子在这两个超精细能级（“平 行态”与“反平行态”）之间跃迁，便会放出21 厘米的特征微波辐射。可见，测量氢原子在 宇宙中的丰度时，电子自旋与核（质子）自旋的相互作用就上升为主要矛盾了。研究分子的 结构问题，实质上是个多体问题，而多体是可以用统计平均来处理的。但托马斯、费
5、米在这 个问题上没有抓住主要矛盾，把电子运动的动能、库仑作用能和交换作用能都用统计平均办 法进行计算，得到 结果对原子还可以，对分子完全不行。要用这种统计平均办法进行计算， 原子只能是孤立的原子，都不能结合成稳定的分子，而实际情况并非如此。这就说明，托马斯费米的处理办法，零级近似办法，丢掉了主要矛盾，抓住的是次要矛盾。到了1951 年， 另一位物理学家斯雷特，把动能部分、库仑作用能部分作为主要矛盾，按照量子力学来处理， 而交换作用能部分作为次要矛盾用统计平均办法来处理，得到的结果很成功。物理学家往往先对所研究的问题作定性分析，几乎不用做任何计算就能得出所研 究问题中包含的各种量之间的粗略关系，
6、显示出该现象的物理景象，并且产生一个能得到预 期结果的方案。定性分析的主要目的就是分析问题时尽量将问题简化，抛开那些无关紧要的 非本质东西。量纲分析就是一种重要定性分析方法，用它去把握研究对象的本质，往往一针 见血，切中要害。拉普拉斯早在18世纪末就用这种方法抓做了质量m、光速c、万有引力 常数G,给出广义相对论所预言的黑洞大小尺度近似值：R Gm/c2。量纲分析是如何归 类（用什么尺子）的问题，而量级分析是如何比较（用多大的尺子）的问题。林家翘先生曾 经精辟地用抛体运动的例子阐明了这个道理。分析抛体运动，抛体的初速度影响抛体运动， 重力使抛体回到地面，抛体落地远近与地球大小有关，这样，忽略了
7、空气阻力、地球自转等 次要因素后，影响抛体运动的主要因素可能有：地球半径R、物体质量m、重力加速度g 和抛体初速度V。由于物体运动在时空进行，我们可抓住时间和空间（长度）这两个量纲。J（Mg）从量纲分析看，这四个量能组成三种以时间为量纲的组合即R/V、和V/g （m没有进入式子，说明真正控制抛体运动的参数只有R、V、g）,三种以时间为量纲的组合分别对应着三种以空间为量纲的组合即R、V和 。这样就可用三个不同的时间标尺和三个不同的空间标尺来度量抛体运动。具体用哪套尺子就需要作量级分析。对于地面上的抛体运动，抛体的高度与是相当的，所以只有第三套尺子才是恰当的，而前两套尺子 不是合适的尺子，用它们去
8、观察现象会导致错误的近似的结论；如果从地球外看问题，用第 二套尺子观察现象，这就相当于取了特征速度R/J仏虫），即巫，这个特征速度就是 第一宇宙速度。2、敢于大胆假设物理学家对事物的认识总是由初步的、探索性的猜测，逐步提高到对事物本质的 认识，在这过程中，科学假说对物理学理论的形成及发展起着十分重要作用。科学假说是在 已有知识和事实的基础上，对事物本质及其规律性作出的一种推测性说明（或解释）。 “科 学发现近于说故事，近于编造神话”，是大胆的猜测。著名科学哲学家波普尔认为，任何科 学理论实质上都是猜想，都是根据有限的事实材料大胆地跳跃到某种结论上，猜测性地对问 题进行解答，然后再去接受经验的检
9、验。杨振宁教授也认为，在所有物理和数学的最前沿的 研究工作，很大一部分力量要化在猜想上。“大胆假设，小心求证”是物理学家的一种重要 治学方法。哥白尼时期的观测工具，不可能提供任何具有决定意义的新材料，日心说的提出 只能是超越直觉经验的大胆猜想。从现代的观点看，安培的分子电流假说不尽正确，但在当 时能提出这样的假说，不能不说是十分大胆的，是一种创新，安培把一切电磁作用都简化为 电流之间的相互作用，开创了电动力学的新纪元。法拉第具有惊人的假说能力，他提出的科 学假说胆量之大、速度之快、数量之多都是惊人的，这也是他获得成功的原因之一。例如他 提出了“光可能是一种电磁振荡的传播”、“强磁场可能会改变光
10、源的波长”、“重力和电力是 有联系的”等一系列假说。位移电流的引入，是麦克斯韦理论思维的大胆创造，也是建立他 的电磁理论的关键一步。但由于位移电流的假说十分抽象，连威廉汤姆生都不能理解，说 它是“怪诞的、天才的但并非完全站得做脚的假说”。 麦克斯韦在机械论和超距作用统治下 的欧洲，能提出“位移电流”这一前所未有 的新概念和新假说，确实是非常大胆的。 1925 年，年龄还不到 25岁的两位荷兰学生，乌仑贝克与古兹米特根据一系列的实验事实提出了 大胆的假设：电子不是点电荷，它除了轨道角动量外，还有自旋运动，它具有固有的自旋角 动量s。提出任何电子都有相同的自旋角动量，而且它们在z方向的分量只取两个
11、数值，这 对经典物理是无法接受的。正因为这些概念上的困难，乌仑贝克古兹米特的假设一开始就 遭到很多人的反对（包括当时已闻名的泡利），以致乌仑贝克与古兹米特想把已写好的文章 收回。后来的事实却证明，电子的自旋概念是微观物理学最重要的概念。普朗克在发现用经 典物理学理论无法解释黑体辐射现象后，于 1900 年提出了能量量子化假说，为 20 世纪物理 学提出了一种崭新的观念。他这一假说与经典物理学理论完全背道而驰（在很长的时期内， 科学家们和哲学家们都认为一切自然过程都是连续的，并以此作为科学研究的一个基本理论 思想，正如莱布尼茨所说“自然界没有飞跃”。），是如此的大胆，以至于他认为他的假 说要么荒
12、唐无稽，要么可能是牛顿以来物理学最伟大的发现之一，他把他所做的事情叫做“孤 注一掷的行动”从普朗克能量量子化假说-爱因斯坦的光量子假说-玻尔的原子结构 模型假说-德布罗意的物质波假说，假说对量子力学理论的形成及发展起着十分重要的作 用。假说是否正确，必须由进一步的实验来验证。验证假说的实验往往是物理学发展史上十 分重要的、关键性的实验，如验证电子波性的电子衍射实验、验证光的粒子性的康普顿散射 实验等。狄拉克提出了对今天仍有巨大影响的两大假说，即磁单极假说和大数假说，迄今为 止物理学家寻找辞单极和验证大数定律的工作从未间断过。3、使自己的思想形象化尽管数学化了的物理学很抽象，但在进行物理学研究时
13、，仍然要借助于 形象思维。形象思维具有直观性，这种直观印象有时能透过事物的本质，诱使物 理学家作更深入的探讨。亚里士多德正是从月食时月球上的弧形，认识到地球是 球形的。伽利略用图表形象地体现出自己的思想，从而在科学上取得了革命性的 突破，而他同时代人使用的还是传统的数学方法和文字方法。例如，伽利略用图 象法证明：一个从静止状态开始均匀加速的物体，通过任意一段距离所需的时间， 等于该物体以其最高速度和恰好开始加速前的速度的平均值为速度匀速地通过 该段距离所需的时间，见图1。法拉第具有丰富而深刻的物理思想，他从广泛的 实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图象，通过力线图象，法拉第使许多 电磁现象
14、的定性解释变得十分简单、直观和形象。法拉第的力线思想是场概念的 先声，许多物理学家都给予极高的评价，汤姆孙（开尔文）推崇说：“在法拉第 许多贡献中，最伟大的一个就是力线概念了”。据说，麦克思韦养成了把每个问 题在头脑中构成形象的习惯。爱因斯坦认为，文字和数学在他的思维过程中发挥 的作用并不重要。他的思想是非常直观的；他运用直观和空间的方式思考，而不 是沿着纯数学或文字的推理方式思考。他具有丰富的想象力，是思想实验的大师， 他的“思想火车”和“思想升降机”两个实验创立了彪炳史册的狭义相对论和广 义相对论。狄拉克凭借高超的想象力，勾画出了一种新的真空图像真空并非 空无所有，而是由负能态所填满的电子
15、海洋。这种图像否决了原子论关于真空就 是一无所有的论断，是对旧以太论的扬弃。费曼是一位视觉化的大师，他的费曼 图把复杂的次原子事件，用一种视觉语言描述成简明的事件，如下图2。量子电 动力学中是一门高度精确的物理理论，电子与光子之间的几乎一切过程均可以用 它来精确处理。根据这个理论，一切过程均可以用叫做费曼图的图形来表示。费 曼图由线段和顶点组成，线段代表粒子，顶点代表作用。用费曼图对相互作用作 理论计算，十分方便。图1ee1eeeM+费曼/图24、寻求联系和统一物理学家善于把不同的对象放在一起进行比较，设法在一些常人看起来没有关联甚至是 风马牛不相及的事物之间寻求联系，使他们得以看到其他人看不
16、到的东西。牛顿把树上的苹 果与天上的月亮联系了起来，他想如果苹果树长得象月亮那么高，上面的苹果是否也会落地 呢？富兰克林将“天电”与“地电”联系了起来，卢瑟福把原子内部与太阳系联系了起来， 物理学家邓锡铭把 Q 开关高功率激光器与一个稍有漏水的抽水马桶建立起联系。除了氢之 外，在其它所有的原子核中，均有两个或两个以上的质子，而它们的距离非常近，根据库仑 定律，它们之间的排斥力应使原子核自行爆炸。但事实上，几乎所有的原子核是牢不可破的， 这一矛盾现象难倒了当时所有的物理学家。两个本性互相排斥的东西居然能够牢牢地粘在一 起而难以分开，其中的原因究竟何在呢？著名物理学家汤川秀树把这一现象与两条公狗在抢 一块肉骨头时的情形联系了起来，他将两个质子比作两条公狗，而肉骨头就是介子。在表面 上完全不同的事物之间寻找它们的内在联系，这永远是自然科学家的一个令人向往的主题。 追求物理学的内在“联系”与“统一”是物理学家的共同信念，一部物理学发展史，
