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2022/09/05阅读:31主题:自定义主题1

物理学的目标与方法

All science is either physics or stamp collecting.

全部自然科学要么是物理,要么是集邮。——卢瑟福

世界由纷繁复杂的事物组成,无论我们走到哪里,大自然到处都呈现出错综复杂和变幻无穷的形式。好奇心驱使我们提出疑问:这些事物是否只是独立地存在着,彼此毫无关联?抑或它们之间有某种联系?也许它们是由若干种基本因素以多种方式组合的结果?……。对这些问题的最早的思考导致科学的兴起:探索隐藏在各种事物背后的、支配这个世界运作的基本规律。

当我们尝试逐步地分析所有已知的现象后,慢慢地就明白了一件事:那些乍一看起来完全不相同的和毫无关联的事物,其实是由几种最基本的实体以各种不同的方式进行相互作用的结果。这样的想法最终导致公元前 500 年在古希腊产生了一门以探索自然规律为目标的学问:自然哲学。两千年之后,牛顿把数学引入到自然哲学中,对自然规律做定量的研究,由此开启了对自然规律探索的新纪元:物理学纪元。 物理学研究物质存在的基本形式、性质、运动规律以及物质的基本结构和相互作用,是自然科学和实用技术各个领域的基础。物理学所涉及的范围极其广泛,从人们身边发生的各种物理现象,到大至天体的起源、运动、演化和消亡以及宇宙的过去、现在和未来,小至微观粒子的运动规律、基本特性和相互作用,都是物理学的研究对象。

有人说,物理学就是物理学家所干的事情。这样的说法乍一听好像毫无意义,但是如果仔细品味,这句话其实一点也不夸张。从某种意义上看,也许可以说,科学家研究问题时所使用的方法,在一定程度上决定了某一个学科是否属于物理学的范畴,正如著名物理学家卢瑟福说过的:All science is either physics or stamp collecting.(全部自然科学要么是物理,要么是集邮)。如果一门学科是从观测结果或基本规律出发,通过数学推导和逻辑论证的方法进行探索的,它就属于“物理”的范畴;如果一门学科只是通过收集数据并对事物进行分类的方式从事研究的,它就属于“集邮”的范畴。

物理学家做研究时所使用的方法是一种科学方法。两千多年前,古希腊人在尝试了解我们这个世界的时候,发明了这种能够解答我们的疑难的方法。这种方法在研究问题时大致上可以分为五个步骤:对大自然中我们感兴趣的事物做细致的观察;根据观察结果对事物的缘由推测(也许用“假设”这个词更为确切)一个答案;根据假设预言一些到目前为止还未被观察到的现象;设计并进行实验来验证这个预言;将被证实了的假设同已有的知识结合起来建立一种用来解释事物的理论。

当然,上述科学方法并非始终是解决问题的灵丹妙药。科学方法并不会像俗话所说的那样:“走完了第一步,再迈出第二步……。”科学研究每前进一步都是建立在科学发展的基础上的。有时候,科学方法的各个步骤之间并不一定是按部就班循序渐进的,它们常常会相互重叠,而且,假设和验证预言的基本思路贯穿于整个科学实践的每一个阶段。当一种理论被建立起来之后,它们并没有停滞不前。相反,一种理论常常会引出一些有待解决的新问题,由此又开始了新的循环。

当人们对大量的已知的事物做了细致的研究后,总是能够归纳总结出一些可以用来解释这些事物的规律,在此之后的一个相当长的时期,我们所认识的规律在解释事物的缘由方面能够很好地起作用。随着时间的流逝,不断地有新的规律被揭示出来。逐渐地,人们发现,原先被认为是孤立的各种事物和不同的规律,其实都是一个更大的世界图景的一部分。物理学研究的这种特征有点像拼图游戏,原先被散落在各处的一小片一小片的小卡片,最终会被拼成一个有意义的图形。当研究进展到这样一种状态时,人类对大自然的认识就达到了某种程度的综合。

历史上曾经出现过几次自然知识的综合:大约在公元前 500 年前后,由于自然哲学在古希腊的兴起与发展,人类对大自然的认识出现了第一次综合。在这一次综合中,各种自然现象被归结为水、火、土、气四种元素的表现形式,或者被归结为原子的聚散与运动。四元素学说与原子论是古希腊自然哲学的精髓,是古希腊人留给我们的重要遗产,后者在两千年后直接成为牛顿力学的基本出发点;从15世纪到17世纪这两百年间,由于哥白尼、开普勒、伽利略和牛顿等人的开创性的工作,人类对大自然的认识达到了一次新的综合。通过这次综合,人们认识到,许多自然现象都可以利用牛顿的四条基本定律做出解释;18世纪之后,除了经典力学之外,关于热运动问题,光的问题以及电和磁的问题,也都得到了长足的发展。到了 19 世纪末,由于麦克斯韦等人的开创性的工作,经典物理学发展成为一门成熟的学科,人类对大自然的认识达到了空前的综合。

在自然知识出现综合的时期,许多事物会被综合到一个统一的世界图景中。当然,可能会有一些事物无法被纳入已经综合起来的图景中。有时候,还可能会出现一些用已知的规律解释不通的现象。这是发现新的规律的契机。从19世纪末到20世纪初,当经典物理学发展到成熟时期所经历的正是这样的过程,两个不能被纳入经典物理学范畴的理论,相对论和量子论,正是在这个时期发展起来的。在科学上,未知世界中的新现象和新规律永远是最生机勃勃的和最引人入胜的领域,正是对这些领域的探索最终导致科学知识的新的综合。

物理学研究的目标并不仅仅是发现事物的规律和解释事物的缘由,它还会通过向其他领域渗透从而影响社会的进步。今天,物理学的基本概念和研究方法已经逐渐地渗透到自然科学和实用技术的各个领域和研究部门。从这个意义上说,物理学的发展已经广泛地并直接地影响了社会生活的方方面面,成为社会发展的巨大的推动力,并最终深刻地改变了人类的工作方式和生活习惯。

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