《物理学方法论》

现代物理学基础的思考之一————《物理学方法论》目录第一章:物理学方法论初探1.认识论与物理学关系初探2、现代物理学的认识论3、科学理论与实验（包括理想实验）的关系4、科学史与科学关系浅议5、科学难题与科学发展之间的关系6、物理学与美学7、基础科学研究应该提倡宽松的环境8、基础研究的批判性9、基础科学研究应该具有勇气第二章：现代物理学的辉煌成就与困难1、现代物理学的辉煌成就2、现代物理学难以解释的几个实验3、现代物理学中的几个疑难问题4、现代物理学的批判5、理论物理学发展方向一窥附录1：名言录第一章:物理学方法论初探1.现代物理学的认识论物理学是人类认识自然的手段和工具，是一种科学认识宇宙事物的方法论体系,其内容包括：1，逻辑方法；2 ,数学方法；3,哲学方法；4,观察试验方法.(一)还原论还原：把特殊形式的运动归之于机械运动.(相信自然界的规则是由少数有限规则构成).例如：能量守恒，各种形式的能量都可转化为机械能.机械运动：两种基本模型，质点的运动，连续介质的运动(波动).化学----原子论-----机械运动,热学-----分子运动论-----机械运动,声学------机械运动,光学------牛顿的微粒说/惠更斯的波动说------机械运动,电磁学------波动-------以太学说--------机械运动,生命------?------机械运动.描述机械运动的理论就是牛顿的经典力学，即把各种形式的运动还原为牛顿力学可以描述的机械运动. 玻耳兹曼1886年5月29日在皇家科学院的讲演中断然宣称：“如果你要问我，我们的世纪是钢铁世纪、蒸汽世纪，还是电气世纪，那么我会毫不犹豫地回答，我们的世纪是机械自然观的世纪……”美国华裔物理史学家和哲学家曹天元教授在《量子物理史话—上帝掷骰子吗》一书中说，“以往人们喜欢先用经典手段确定理论的大框架，然后再从细节上做量子论的修正，这可以称为“自大而小”的方法.……现在人们开始认识到，也许“自小而大”才是根本的解释宇宙的方法.”基本规律知道了，具体规律是不是就一定能够推出来？这个问题一直是有争议的.１９世纪有一种极端的意见，就是所谓实证论的观点，奥地利科学家、哲学家马赫认为物理学家只须追求宏观物体之间的规律，去搞清微观的规律似乎没有用处；而且微观是否存在，分子、原子是否存在，他一概采用否定的态度，显然这类观点过于极端.应该看到，实际上物质结构存在不同的层次，层次与层次之间是有关联的，有耦合的.因此，我们需要理解更深层次的一些规律，例如遗传问题——这当然不是纯粹物理学问题了，可以从生物现象上求规律.早在１９世纪１１德尔就总结了豌豆的遗传规律，这是个非常重要的基本规律，但为什么造成这个规律呢？显然跟遗传物质的结构有关.最关键的一步在于是１９５２年生物学家华森和晶体学家克里克在英国卡文迪什实验室把ＤＮＡ分子辨认了出来（在某种意义上是猜出来的）．这使我们晓得，遗传规律与ＤＮＡ分子结构中某些单元的排列顺序有关，也就是说在分子中有个密码存在，这个密码规定了遗传情况，如果密码改变，遗传情况也就改变了．由此可看到，分子结构与遗传物质这两个不同层次之间存在耦合，理解了分子层次的结构，就把遗传规律基本上搞清了．再如，固体的导电问题，牵涉到电子在固体中的行为问题，如果我们把电子在固体中的行为搞清楚了，那么对固体为什么导电、为什么有的是半导体、有的是超导体等问题就可以给出一个解释来.这就有利于推动我们去研究导电现象，以及利用这些现象做出晶体管、集成电路以及超导的约瑟夫森，来为人类服务.总而言之，层次与层次之间存在耦合现象.我们还应看到另一方面，层次与层次之间也存在脱耦现象，所谓脱耦现象，就是下一个层次与上一个层次未必有重要关系．举一个例子来讲，近年来粒子物理有一个重要的发现，就是三、四年前发现了顶夸克，这在粒子物理是件大事，因为理论设想的凡种夸克除顶夸克外均已发现，现在顶夸克也发现了，但是顶夸克的发现对凝聚态物理有没有可以观察到的影响呢？没有，到现在为止,似乎一点影响也没有.这表明，层次跟层次之间，在某些情况下，存在脱耦，我们说粒子物理的进一步发展，对本身，对理解粒子的性质具有极大的重要性，但是，它的发展，对理解相隔了好几个层次的物质就丧失了重要性.再如，原子核的结构对遗传有没有影响呢？一般说来看不出大大的影响，这就是层次之间既存在耦合，又存在脱耦，而且大量粒子构成的体系往往有新的规律.(二) 层创论所谓层创论的观点.这里是著名凝聚态理论学家安德森(P.W.Anderson)讲的一段话:“将一切事物还原成简单的基本规律的能力，并不意味着我们有能力从这些规律来重建宇宙，当面对尺度与复杂性的双重困难时，构筑论的假设就被破坏了.大量的复杂的基本粒子的集体，并不等于几个粒子性质的简单外推”.也就是说我们知道两三个或四五个粒子的规律，并不能说明 1020 或 1024 个粒子的集体的规律，在每一种复杂的层次上，会有完全新的性质出现，而且对这些新的性质的研究，其基本性并不亚于其他研究.也就是说物质结构存在不同的层次，而层次跟层次之间，往往到上一个层次就有新的规律出现，对这些新的规律的研究，本身也具有基本性.科学是关于“系统”的理论体系：通过描述系统的属性及属性之间的联系，到达认识自然的目的.所以系统对科学研究是一个核心概念，需要对其特征进行一些解释.“系统是具有某些稳定属性的事物”，如一个粒子、一个星系、一个星球、时间和空间等，他们都有某方面稳定的属性，可以通过定标来测量和记录.并且属性之间有一些确定的关系，如行星的位置与速度满足开普勒定律.系统概念和数学中的赋予一组相容性质的集合概念是对等的，如群，空间等概念.只是自然科学所指系统的属性是客观的，而数学系统的属性是定义的.与系统互补的概念是“环境”，也就是，“世界=系统+环境”.系统的概念也是不断进化和延伸的，原来看似不确定事物，由于测量技术的提高，也会变得可以认识的.所以科学总存在一些边缘和交叉.具体的事物一般具有极其丰富而复杂的属性，但这些属性并不是相互矛盾的，而是不同程度相互关联的.科学研究往往并不是对事物进行彻底完备的描述，而是对某方面的稳定属性用抽象和近似的模型来刻画.例如研究地球的整体力学运动，往往把地球看成一个刚体，最多精确到刚体加流体，但很少考虑磁场之类的影响.在这个意义上，科学研究的只是事物的属性，而非事物本身.基础物理只关心事物那些普适的属性及规律，它是建立在科学基本信念和还原论假设之上的.科学的基本信念是：“世界是按规律运行的，而规律是可以被认识的”.还原论假设认为：“时空的属性具有可度量性、连续性和均匀性，物质由某些具有简单属性的基本单元组成，而对单元的属性可进行定量和完备的描述”.通过一一对应，可把这些基本事物的属性映射到理论体系中来.物理学关于“系统”属性的描述一般都是定量的，并和数学结构直接对应.对物理学的发展历史进行透视，将有助于我们来理解其现状并进而展望其未来.亚里士多德认为天上物体的运动规律和地上物体的运动规律绝然不同；现代物理学认为微观粒子的运动规律和宏观物体的运动规律绝然不同.牛顿的《自然哲学的数学原理》把天上物体的运动规律和地上物体的运动规律统一了起来；科学研究来源于科学问题，科学问题产生于社会实践，社会实践的不断发展就会产生不断的科学问题，故尔科学的发展实际上也就是问题的产生和问题解决的过程，科学问题的提出、确认以及解决就构成了科学发展的内在动力.Francis Bacon〔1561-1626，文艺复兴时期的英国作者，演绎推理的创立者〕1605年启蒙运动中，将综合性科学的这个原则形象地预示为∶“没有一种完善的发现能够在一个平面或一个水平上做出∶如果你站在相同科学同一水平上而不是更高层的科学水平上，不可能发现任何科学更遥远或更深层次的部分.”早在1964～1965年间，张文裕、朱洪元、汪容、何祚庥等人曾经分析物理学发展的历史过程，指出在物理学的发展史上有三次大突破.第一次是宏观低速运动领域的大突破，这集中表现为牛顿力学以及牛顿力学基础上所建立的各种应用科学；第二次是在宏观高速运动领域的大突破，这就是法拉第和麦克斯韦的电磁方程式以及狭义相对论的建立，随之而是电和光的技术的发展和各方面的广泛应用；第三次大突破是在微观低速运动领域，这就是量子力学的建立，伴随而来的是原子物理、分子物理、各种凝聚态物理、原子核物理的建立，原子能、半导体、激光、电脑等技术的出现和它们的广泛的应用.霍金宣称：“我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点，人类未来的科学研究仅仅是如何应用这些知识的问题”. 宇宙向人类展现的是一幅无穷无尽的高深莫测的现实图案，人类认识世界的每一次新的发现、发明，都是人类智慧借助抽象的理性形式在实践中的间接反映，亦即理性美的表现.从物理学的发展历程来看，理论上的每一次进步都标志着人类对自然界认识中的一个里程碑；都是一次理论美的闪光.牛顿力学理论所概括的是宏观低速运动的规律；爱因斯坦在更高的层次上以真空光速不变和相对型原理为基础建立了狭义相对论，它反映了宏观高速运动的过程；量子力学揭示了微观低速运动现象，而现代量子场论、相对论量子力学则考察的是微观高速领域.这些严密优美的理论体系无疑具有真理的性质，又具有审美的意义. 回顾一下十七世纪以来物理学的历史，令人感到，其中自始至终贯穿着一个根深蒂固的观点.这就是这样一种认识世界的方法，首先要寻找这些要素，要阐明这些要素所服从的规则.即人们是站在这样的立场上来处理问题的，一旦建立起要素及其行为所遵从的定律，整个自然界作为这些要素的结合体，应该可以在构造上提供统一的说明.在不断反思形而上学而产生的非经验主义的客观原理的基础上，物理学理论可以用它自身的科学术语来判断,而不包依赖于它们可能从属于哲学学派的主张.在着手描述的物理性质中选择简单的性质，其它性质则是群聚的想象和组合.通过恰当的测量方法和数学技巧从而进一步认知事物的本来性质.实验选择后的数量存在某种对应关系.一种关系可以有多数实验与其对应，但一个实验不能对应多种关系.也就是说，一个规律可以体现在多个实验中，但多个实验不一定只反映一个规律.对于物理学来说理论预言与现实一致与否是真理的唯一判断标准.以从要素论观点来解释自然为目标而发展起来的物理学，在进入二十世纪后由于原子物理学的发展以及量子力学的建立，使人们抱有这样的期望，物理学终于接近了自己的目标.如今多数人都认为，用原子、分子概念从结构上来说明一切自然现象的目标迟早是一定要实现的.同时，可以认为这些带有普通性的想法进一步加快了现代物理学的研究.不用说这种蓬勃展开的研究是受到要素论观点指导的，但其发展的方向却可分为方向相反的两种流派.一种是从原子核推进到基本粒子的、即追求最终构成要素的研究，而另一种是通过原子、分子以及电子的结合及运动来说明物质的各种各样的宏观性质的研究——物质结构理论，它取得了极为广泛的发展.浙江工业大学教授吴忠超先生说：我们似乎处于科学新变革的前夜,人类花费了几千年，才从神话的朦胧走向理性的澄明：如牛顿的经典力学、法拉第-麦克斯韦电磁学、爱因斯坦相对论、量子论、弱电理论、色动力学、大爆炸模型、无边界设想、超引力、超弦，直至迄今惟一的终极理论候选者——M理论.但由于现代科学尤其是量子论的发展，哲学已不可能跟得上科学的脚步.费恩曼的量子论的历史求和表述与依赖模型的现实主义相协调，而与旧实在论相抵触.因为宇宙和万物的演化不只经历一个历史，它们经历所有可能的历史.M理论可以在无边界宇宙的框架中预言众多不同的宇宙及其表观定律，但只有极少数适合我们的存在.在观察者存在的条件下，寻求最大概率的无边界解便得到我们宇宙的历史.而正是因为这样，由我们的存在条件导出的结论和从表观定律导出的相一致.宇宙似乎特别宠爱观察者.（四）物理理论的建构方法物理理论的建构方法：主要有两种“模型法”和“公理法”.具体的理论建构中通常两者会并用，或以一种为主.相对论是以“公理法”为主.量子力学是“公理法”和“模型法”并用.模型构造法，首先对研究涉及的对象建立具体的物理模型，然后对模型中的物理量，根据实验建立定律，由定律组（方程组）形成理论体系.如牛顿力学中的质点力学、刚体力学、流体力学等，质点、刚体、流体都是模型.公理构造法，爱因斯坦又称为“原理理论”，是类比欧几里得几何理论的建构方法.这种方法首先建立几条公理，然后运用逻辑推理的方法，建构起整个理论体系，相对论就是这样建立起来的.经典理论大多数都是以模型法为主建构的，现代理论有以公理法为主建构理论的趋势.这两种物理理论的建构方法的特点是：模型法比较直观，易于理解；公理法理论深刻，并具有数学美.实践证明这两种方法都是成功的方法，各有优缺点，有时可以相互补充.3、科学理论与实验（包括理想实验）的关系量子论的建立也同“理想实验”密切相关．在量子力学中，海森堡用来推导测不准关系的所谓电子束的单缝衍射实验，也是一种“理想实验”．因为，中等速度的电子的波长约为10-8厘米左右，这跟原子之间的距离属于同一个数量级．因而，只要让电子束穿过原子之间的空隙，就会发生衍射．但是，要想制成能够使电子发生衍射的单缝，首先就必须做到把单缝周围的所有原子之间的空隙都给堵死．实际上这是做不到的．在实验中，人们只能做到电子的原子晶格衍射实验，而无法实现电子的单缝衍射实验．普朗克说过：“实验是我们掌握的唯一知识，其他全是诗意和想象。