物理學(xué)的科學(xué)研究方法
伽利略是物理科學(xué)方法論的創(chuàng)始者，牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦等物理學(xué)家都對物理學(xué)的研究方法作出了重要貢獻。目前，物理學(xué)已形成了許多新的分支，隨之也出現(xiàn)了與之相應(yīng)的新的研究方法。但是，就中學(xué)物理的內(nèi)容來說，其主要內(nèi)容還是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)知識，以及與之相適應(yīng)的經(jīng)典物理學(xué)的基本研究方法。一般說來，這種方法主要是以觀察、實驗為基礎(chǔ)，經(jīng)過科學(xué)抽象，運用數(shù)學(xué)工具，概括總結(jié)出經(jīng)驗定律，提出假說，進一步發(fā)展成為理論，再經(jīng)實驗的檢驗，循環(huán)往復(fù)，使之不斷豐富，不斷深化，不斷完善。
從物理學(xué)的發(fā)展歷史來看，隨著物理學(xué)研究內(nèi)容的變化，物理學(xué)的研究方法也在變化著，不斷得到豐富和提高。在古代，人們主要是靠不充分的觀察和簡單的推理，直覺地、籠統(tǒng)地去把握物理現(xiàn)象的一般特性。隨著近代自然科學(xué)的興起，觀察方法就從以自然觀察為主發(fā)展為以儀器觀測為主?？茖W(xué)實驗和數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，使精確的、定量的物理學(xué)研究有了很快的發(fā)展。整理事實材料的需要，也促進了分析、歸納和演繹等邏輯方法的發(fā)展。這一時期科學(xué)方法的發(fā)展，使物理學(xué)作為一門實驗科學(xué)的特點顯著地呈現(xiàn)出來。十八世紀末到十九世紀末，實驗方法、數(shù)學(xué)方法、假說方法和理論概括方法都有了顯著的提高和發(fā)展，統(tǒng)計方法也被引進了物理學(xué)。二十世紀以來，科學(xué)實驗在精密、快速和自動化方面達到了新的水平；物理學(xué)理論的公理化和數(shù)學(xué)化的特點更加突出；科學(xué)想象、理想實驗、創(chuàng)造性思維等方法，對于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展起到了重要的作用。
(一)經(jīng)典物理學(xué)的研究方法
我們以意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家伽利略(1564-1642)的研究方法為典型例子，來說明經(jīng)典物理學(xué)的研究方法。
伽利略關(guān)于運動理論的研究工作，采用了一個對近代科學(xué)的發(fā)展很有效的程序，即對現(xiàn)象的一般觀察→提出工作假說→運用數(shù)學(xué)和邏輯的手段得出特殊推論→通過物理的或思想的實驗對推論進行檢驗→對假說進行修正和推廣。
伽利略是很重視觀察的，因為從觀察得到的感性經(jīng)驗會使人們認識到現(xiàn)象的特殊方面。在分析感性經(jīng)驗和借助于創(chuàng)造性想象的基礎(chǔ)上，就可以提出工作假說。伽利略就是根據(jù)自然界單一效應(yīng)的簡單性的信念大膽假設(shè)自由落體是一種速度隨時間成正比而增加的勻加速運動，他正是從假說入手討論他所要研究的那種運動的定義和性質(zhì)的。進而，在數(shù)學(xué)演繹階段，從假設(shè)引出可檢驗的邏輯推論；在這里，數(shù)學(xué)成為他進行邏輯演繹和論證的有力工具。最后，通過特殊情況的實驗，對由假設(shè)得出的結(jié)論進行檢驗。在完成上述步驟之后，就可以建立理論，并把它的成果向更大的廣度和深度推進。
伽利略實質(zhì)上使用了把實驗和邏輯(數(shù)學(xué))結(jié)合起來的方法，從而有力地推進了人類科學(xué)認識活動的進展。他所發(fā)現(xiàn)的許多最基本的定理，都是通過了實驗和邏輯的雙重證明的。值得指出的是，在伽利略的著作里所描述的實驗都是理想化的，他所寫出的實驗數(shù)據(jù)都同理論結(jié)論精確的符合，這很可能是因為他對數(shù)據(jù)進行了篩選。這表明伽利略并沒有被實驗的表面現(xiàn)象所束縛，能夠正確地對待和解釋實驗誤差。在他看來，實驗結(jié)果與理想的簡單規(guī)則之間的偏差，只是某些次要因素干擾的結(jié)果。比如，在實際的下落實驗中，重球與輕球并不是同時落地的，伽利略認為這是由空氣的阻力造成的，所以不應(yīng)該由于這點誤差而對亞里士多德學(xué)說的重大謬誤提出辯護。又如在單擺實驗中，擺球并不能完全回到原來的高度，伽利略把這點微小的偏差也歸因于空氣和繩子的阻力。
由此可見，無論是在動力學(xué)基本原理上，還是在動力學(xué)研究方法上，伽利略都作出了奠基性的重要貢獻。愛因斯坦和英費爾德在《物理學(xué)的進化》中評論說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學(xué)的真正開端”。
(二)現(xiàn)代物理學(xué)的研究方法
現(xiàn)代物理學(xué)的研究方法，主要體現(xiàn)為下列一些新的特點。隨著工業(yè)和生產(chǎn)技術(shù)的巨大發(fā)展，二十世紀初以來為物理實驗提供了電子顯微鏡、射電望遠鏡、高能加速器、電子計算機等大批大型、精密的實驗裝置，光譜分析、質(zhì)譜分析、X射線衍射等分析技術(shù)也得到很大的發(fā)展，從而使物理學(xué)實驗在精密、高能、快速和自動化方面達到了新的水平，物理學(xué)觀測的視野也得到很大的拓展?，F(xiàn)代物理學(xué)實驗除了能夠用更有效的手段純化實驗條件和隔離實驗因素之外，還發(fā)展了有效地施加外部干擾和使研究對象處于極限條件，在對象的激發(fā)狀態(tài)或破壞狀態(tài)下進行觀測的實驗方法。這就更加充分地發(fā)揮了實驗的變革作用和控制作用，以更好地揭露物理現(xiàn)象中各種內(nèi)在和外在的因素之間的相互聯(lián)系。另外，現(xiàn)代物理實驗由于實驗的規(guī)模越來越大，它的集體化、社會化的程度也越來越高，許多實驗是在較大規(guī)模的實驗機構(gòu)中進行的，有些實驗需要組織全國甚至國際的力量才能完成。例如，現(xiàn)代高能物理實驗，往往要在幾千億電子伏特的能量范圍，上百萬美元的費用，幾十個人在幾年的時間內(nèi)才能完成；為了得到所需要的實驗信息，物理學(xué)家們必須把大部分精力用于開發(fā)儀表和技術(shù)，實驗的準備工作往往比實驗本身困難得多。這樣的實驗是靠個人的力量所不能完成的。
由于現(xiàn)代物理學(xué)研究的內(nèi)容遠離實踐經(jīng)驗的范圍，理論體系高度抽象化和脫離直覺經(jīng)驗的特征無可避免地日益加強，這使通常的思維方式和機械論的觀點愈來愈無能為力；創(chuàng)造性思維如抽象思維、科學(xué)想象、理想實驗、試探猜測和大膽假設(shè)以及直覺、靈感等方法在建立新的物理學(xué)理論中的作用愈來愈突出了。人們愈來愈認識到，傳統(tǒng)的歸納法和演繹法很難使人類思維成為真正創(chuàng)造性的根源。愛因斯坦認為，理論觀念的產(chǎn)生固然是建立在經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上的，但是理論決不可能邏輯地從經(jīng)驗事實中導(dǎo)出，“在建立科學(xué)時，我們免不了要自由地創(chuàng)造概念”。他特別指出，物理學(xué)的概念是人類智力的自由創(chuàng)造，它不是單純地由外在世界所決定的。
在近代科學(xué)發(fā)展的早期，人們曾以為認識可以在毫不改變客體本來面目的情況下實現(xiàn)；即使主體必須在變革客體的過程中認識客體，這種變革所產(chǎn)生的影響也是可以運用邏輯思維抽象掉的。但是到了二十世紀，隨著科學(xué)實驗的發(fā)展，特別是在微觀物理學(xué)的研究領(lǐng)域中，由于微觀物體的特殊本性以及觀測儀器與被觀測系統(tǒng)之間不可避免的干擾的存在，主體在認識過程中的巨大的能動作用已成為現(xiàn)代科學(xué)方法的一個基本特點。
經(jīng)典物理學(xué)時期，也是科學(xué)注重于本體論的探索的時期，人們把“現(xiàn)象一規(guī)律一實體”作為把科學(xué)研究向縱深推進的基本線索。這無疑是一種有效的方法，今后也還會繼續(xù)發(fā)揮其認識的作用。不過，在現(xiàn)代物理學(xué)的研究中，人們更注重于關(guān)系和模型，這是一個能動的認識論的時期。一些學(xué)者認為，把西方科學(xué)中重視實體，強調(diào)經(jīng)驗、分析和定量表述的方法與中國傳統(tǒng)哲學(xué)中重視關(guān)系，強調(diào)整體、協(xié)調(diào)和轉(zhuǎn)化的思想結(jié)合起來，將會導(dǎo)致一種更加符合我們時代的科學(xué)精神的新的自然觀和科學(xué)認識方法。
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