论自然科学及其研究方法

1、石家庄铁道大学自然辩证法论文论文题目： 论自然科学及其研究方法 学 院： 研究生学院 姓 名： 蒋振中 学 号： 120160103 学科专业： 岩土工程 2016年12月29日摘要自然科学不单指我们所生活的世界，还包括我们所探索和认识世界的重要方法及其成果，我们在对自然的探索中，我们不免有疑问，我们真的了解我们所在的世界吗？这个世界存在绝对真理吗？当我们解决一个又一个难题的时候，会发现急需解决的问题又会更多，所谓知道的越多，我们不了解的也就越多。本文从世界上没有绝对真理这一论题出发，浅谈自然科学的研究方法，包括实践过程和理论推导过程，并从热力学角度论述了当前自然界普遍存在的两类现象，即自组织

2、现象以及混沌和分形理论。没有绝对真理，只有相对真理的理论，要求我们敢于质疑，敢于打破固有观念，避免跌入思维定势的陷阱，这样科学才会进步，是我们去认识自然，探寻真理的起因和动力；而科学研究方法是我们去认识自然，探寻真理的手段；而自然界普遍存在的两类现象是我们从热力学研究角度出发，在认识自然，探寻真理的过程中得到的重要成果。总之，我们对科学的认识不断深入，但我们对真理的探寻却永不止步，这还需要我们科技工作者的不断努力。关键词：绝对真理，相对真理，科学实验法，数学模型法，自组织现象，混沌理论，分形理论1绝对真理与相对真理我们所学习的知识和定理在所有条件下都是正确的吗？比如在平面中，圆周上的点到圆心的

3、距离处处相等，以及三角形内角和等于180度，但当我们认识的深入，我们以前所认识的真理需要加入限制条件，比如在空间曲面中三角形内角和就大于180度，同样此时圆周上的点到圆心的距离也不是处处相等的。此时我们发现，以上情形必须加入限定条件在平面中，才会是正确的，绝对真理只有在特定的限制条件下才成立，顾真理具有相对性，真理是相对而言的。世界上没有绝对真理，如果有那么就是要添加条件。我们人类文明的发展无非是在探索未知的世界和发现新奇事物，从哥伦布发现新大陆到爱因斯坦发现相对论以及杨振宁和李政道发现的宇称不守恒定律等等。我们对未知事物的探索每往前进一步都是对以往固有知识的否定，我们站在知识边界上向未知世界

4、凝望，发现我们的知识边界越广阔，我们所面临的未知世界越庞大。可以这么说，人类文明的探索过程是一个无限打开房间的过程，我们发现我们打开的房间已经很多了，但是在我们打开的房间里面还有新的门，在那扇门的后面还有新的房间，新的房间里面可能还会有新的房间，我们所面临的世界可能仅仅只是绝对世界的很小一部分，我们还有无穷无尽的未知有待探索，无穷无尽的未知犹如这广袤的宇宙，深邃迷人而又让人敬畏。我们在探索的过程中，我们虽然对已知房间内的所以物品都了如指掌，比如它的大小，它的摆放位置等，但是房间里面还有门，门后面的房间是什么？里面有什么样的物品？物品所摆放位置和原来房间的摆放位置一样，还是无序？在我们没进入房间

5、时，我们是绝对无法了解的。但是有一点我们可以肯定，打开新房间的过程无非是一个创造新条件的过程，我们所熟知的公式、定理都仅适用原本特有的条件，而在新条件下，那些原有的公式和定理可能使用也可能不适用。比如牛顿的经典力学只适用于宏观低速物体，宏观低速就是一个原有条件，而在微观高速的新条件下，牛顿的经典力学的公式和定理就不适用了，此时量子力学和相对论在新条件下是适用的，它们是新房间里面的新物品，但是新物品也只是存在于新房间，而且也无法改变原来物品在原来房间的位置，即我们的探索仅仅只是一个增加条件的过程，而原来条件下的公式、定理是经过无数人验证过的，是正确的，它们只存在于一个特有的条件下而已。就好比是宇

6、宙中的物质，静止是相对的，运动是绝对的，故没有绝对真理，而只有相对真理。同样，这个世界没有绝对的错，也没有绝对的对，正确的观点里包含错误的成分，错误的观点里也包含正确的成分，只是适用的条件不同和观察的角度不同而已。2科学研究的方法科学分为自然科学和人文科学，这里我主要强调自然科学，自然科学作为一种高级复杂的知识形态和认识形式，是在人类已有知识的基础上，利用正确的思维方法、研究手段和一定的实践活动而获得的，它是人类智慧和创造性劳动的结晶。科学研究方法可以简述为理论与实践的统一。科学实验是实践的重要内容，而数学模型法是理论推导中的重要内容。2.1科学实验法科学实验、生产实践和社会实践并称为人类的三

7、大实践活动。实践不仅是理论的源泉，而且也是检验理论正确与否的惟一标准，科学实验就是自然科学理论的源泉和检验标准。特别是现代自然科学研究中，任何新的发现、新的发明、新的理论的提出都必须以能够重现的实验结果为依据，否则就不能被他人所接受，甚至连发表学术论文的可能性都会被取缔。即便是一个纯粹的理论研究者，他也必须对他所关注的实验结果，甚至实验过程有相当深入的了解才行。因此，可以说，科学实验是自然科学发展中极为重要的活动和研究方法。我们研究生可以通过科学实验来研究事物。科学实验的种类有很多，比如定性实验和定量实验，对照比较实验和相对比较实验等，科学实验就是自然科学研究中的实践活动，尊重科学实验事实，就

8、是坚持唯物主义观点，无视实验事实，或在实验结果中弄虚作假，都是唯心主义的作法，最终必然碰壁。任何自然科学理论都必须以丰富的实验结果中的真实信息为基础，经过分析、归纳，从而抽象出理论和假说来。一个科学工作者必须脚踏实地，这个实地就是科学实验及其结果，因此，唯物主义思想是每一个自然科学工作者都应该具备的基本素质之一。2.2数学模型法我们除了实践以外，我们还需要理论推导，理论推导的过程是将实践的结果和理论的预测的结果相对照，而后验证理论是否正确或方法是否正确，以便改进方法和优化理论。理论推导的重要内容是数学模型法。在科学研究中，经常需要进行科学抽象，并通过科学抽象，运用数学方法去定量揭示研究对象的规

9、律性，其数学模型法基本过程是：(1)先将研究的原型抽象成理想化的物理模型，也就是转化为科学概念；(2)在此基础上，对理想化的物理模型进行数学科学抽象(科学抽象的一种形式)，使研究对象的有关科学概念采用符号形式的量化，达到初步建立起数学模型，即形成理想化了的数学方程式或具体的计算公式；(3)对数学模型进行验证，即将其略加修正后运用到原型中去，对其进行数学解释。所谓提炼数学模型，就是运用科学抽象法，把复杂的研究对象转化为数学问题，经合理简化后，建立起揭示研究对象定量的规律性的数学关系式(或方程式)。这既是数学方法中最关键的一步，也是最困难的一步。提炼数学模型，一般采用以下六个步骤完成： 第一步：根

10、据研究对象的特点，确定研究对象属哪类自然事物或自然现象，从而确定使用何种数学方法与建立何种数学模型。第二步：确定几个基本量和基本的科学概念，用以反映研究对象的状态。第三步：抓住主要矛盾进行科学抽象。 第四步：对简化后的基本量进行标定，给出它们的科学内涵。第五步：按数学模型求出结果。 第六步：验证数学模型。以上是数学模型法进行科学研究和理论推导的一般步骤，正如马克思曾指出：“一种科学只有当它达到了能够运用数学时，才算真正发展了”。数学语言(方程式或计算公式)是最简明和最精确的形式化语言，只有这种语言才能给出定量分析的理论和计算方法，通过理论计算给出的信息，可以给人们提供某种预测、某种预言。这种预

11、示性的信息，既可能带来某种发现、发明和创造，也可能导致极大的经济和社会效益，从而使人们格外地感受到它的分量。数学作为自然科学研究的可靠工具，是因为它的理论体系是经过严密逻辑推证得到的，因此它也为科学研究提供了众多逻辑推理方法；同时数学也是一种辩证思维和抽象思维的语言，因此也同样为科学研究提供了辩证思维和抽象思维的方法。3自然界中两类重要现象我们所生活的世界理论上可以无限复杂，但我们选取一个角度观察，比如从热力学角度来看，自然界存在有两类现象，它们分别是如下的自组织现象以及混沌和分形特征。3.1两类有序结构和自组织现象自然界中，生物体是处于远离平衡态的典型的开放系统，因为它总是在不断地从其生存的

12、环境中吸取营养、排出废物。而生物体在形态和功能上都是自然界宁最复杂、最有组织的物体。生物体在各级水平(分子、细胞、个体、群体)上都呈现着有序现象。例如许多树叶、花朵及各种动物的皮毛等常呈现出很漂亮的规则图案，而且其生物讨程都呈现着周期性的变化规律。这是否就意味着，远离平衡态的开放系统有着不同于处于平衡态的孤立系统中的规律性呢？自然界中有两类有序结构，一类是像晶体中出现的有序结构，它是在分子水平上定义的有序，并可在孤立的环境中和在平衡的条件下维持其有序，且不需要与外界环境交换能量和物质。另一类是有序结构是在非平衡条件下的开放系统中呈现的时空有序性，而且需要与外界环境进行物质和能量的交换才能维持。

13、生物体中的有序是属于第二类有序结构的典型，这类有序结构被普里高津命名为“耗散结构”，因为它的形成和维持需要能量的耗散。第一类有序结构又称为平衡结构，因为它可在平衡条件下形成和维持。 一个系统的内部由无序自动变为有序，即自动使其中大量分子按一定的规律运动的现象叫自组织现象。生命过程实际上就是生物体持续进行的自组织过程。在自然界中，我们常常可以观察到许多自发形成的宏观有序结构现象。例如，天空中的云也常形成宏观的有序结构，像鱼鳞天和云街都是典型的自组织现象，天空中的云呈现出整齐的鱼鳞状排列称为鱼鳞天，而天空中的云呈现整齐的带状间隔排列，我们称之为云街，这便是自然界中自组织现象的一个普通现象。3.2混

14、沌理论和分形理论混沌理论用于研究有序如何从无序中产生，以及如何探索它的规律性。混沌现象的研究最初是法国数学家、物理学家庞加莱在研究了受到引力相互作用的三个星体(例如，一个恒星和两个行星)的轨道问题时开始的，他考虑到由三个星体初始点位置不同所引起的轨道行为的差异，他发现轨道对初值(初始位置)的改变十分敏感，即初值微小变化，运行轨道随着时间推移可以产生很大的差异。这意味着三个星体的轨道问题是一个非常复杂的问题，即不可能从运动方程的形式及初值确定未来的轨道，即星体长时间的行为具有很大的不确定性或随机性。这种对初始条件十分敏感的现象就是混沌现象，也就是我们所说的“蝴蝶效应”。这一特征不同于概率论中的随

15、机过程，随机过程中的随机性是指演化的下一次结果无法准确预知，短期内无法预测，但长期演化的总体行为却呈确定的统计规律，混沌行为刚好相反，短期行为可确知，长期行为不确定。混沌不是混乱，本质上指的是一种无法预测的状态。分形理论被应用于研究客观物体的另一类复杂性，如物体粗糙、破碎或不规则的程度。最开始它被用于测量英国海岸线的长度，发现在无限放大的基础上海岸线会无限的长，而且海岸线具有自相似性，即宏观与微观存在某种程度上的相似性。比如人拥有一个头和两条胳膊两条腿，且我们的四肢每根都拥有5根指头，正好指头的数量正好对应我们整体头和胳膊的数量。此外自然界存在的各种各样的树，它们宏观的形状正好对应微观枝杈的形

16、状，再比如宇宙中，宏观中的天体与微观中的原子结构都具有某种程度上的相似性，正如某位科学家所说，如果我们抓住一个外星人，发现它有一个头和四肢，那么根据分形理论，它的一只手一定具有5跟手指头。虽然我们没见过外星人，我们也无法科学验证，但是我们可以感觉我们自然界存在的普遍规律进行大胆推测，而分形现象就是我们自然界普遍存在的一个规律。4结论学习了自然辩证法这门课并查阅诸多资料，我认识到了面对自然科学应该具有如下素质，也就是，我们作为研究生，虽拥有无尽的对科学探索的热情，但只有我们相信没有绝对真理，只有相对真理的理论，那么我们便能够敢于质疑，敢于打破固有观念，从而避免跌入思维定势的陷阱，形成源源不断的创新，推动科学的进步，该理论我们去认识自然，探寻真理的起因和动力；而科学研究方法包括理论和实践的统一，内容包含有科学实验法和数学模型法等，是我们