《物理学方法论》

1、 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，

2、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

3、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.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；

4、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.早在世纪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

5、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

6、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.And

7、erson)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

8、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

9、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

10、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

11、内在动力.Francis Bacon1561-1626，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19641965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

12、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

13、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

14、. 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，

15、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-

16、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

17、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

18、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

19、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。”爱因斯坦也说：“对现实的知识始于经验，终于经验。”爱因斯坦注重科学想象方法，他说过“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉.严格地说，想象力是科学研究中的实在因素.”确实如此，不管是狭义相对论还是广义相对论，几乎都难以与经验印验起来，如果没有科学想象方法的运用，简直难以进行研究.因此科学想象方法再一切现代科学的高深研究中越来越不可缺少，成了“实在性因素”.如爱因斯坦在创立相对论是曾设计过人以光速跟着光线运行的理想实验，在高

20、速运动的列车上观察闪电的理想实验和自由下落的升降机的理想实验，这些实验都富有创造性的想象力和大胆的猜测，包含着机敏的直觉和精巧的设计.正是以这些理想实验为前提，才逻辑的演绎出尺缩效应，质量等效等结论.在量子力学的研究中，也较多的运用了想象的方法，如玻尔.作为一个伟大的科学家，玻尔对于想象方法的运用达到了完美的境地，如其原子模型提出过程中的大胆想象，既如和爱因斯坦围绕着互补原理而展开的论战，也可以说时两位科学家想象方法能力的较量.再如，“光子箱”理想实验的提出和反驳，是玻尔运用理想实验模型的典型代表，这也是他和爱因斯坦的研究中使用相同方法的一面. 4、科学史与科学关系浅议 1、你对于那个问题不能

21、解决吗？那末，你就去调查那个问题的现状和它的历史吧！你完完全全调查明白了，你对那个问题就有解决的办法了.一切结论产生于调查情况的末尾.而不是它的先头.毛泽东 2、谈到科学史的意义和作用时，彭加勒这样写道：“科学史应该是我们的第一个向导.”“为了预见数学的未来，正确的方法是研究它的历史和现状.” 3、学习一门学科的历史是理解其概念的最佳途径，只有仔细研究这些概念产生的艰难历程即研究清楚早期的、必须逐个加以否定的一切错误假定，也就是说弄清楚过去的一切失误才有可能希望真正彻底而又正确的理解这些概念.迈尔 4、只是在最近我们才刚刚开始意识到在近代科学的先驱者们当中一种十分奇怪的历史主义的重要性，这种历

22、史主义使他们如此深地陷入到赫尔墨斯传统之中，以致于他们把他们的科学想象为对古代真理的一种重新发现，以前这些真理曾经被那些有天赋的、纯朴的哲学的创立者们所清楚地领悟.因此，牛顿认为，诸如像阿那克萨哥拉和卢克莱修这样的古人，不仅知道原子，而且认为它们具有惯性；此外，首先是埃及人，而后是毕达哥拉斯学派，他们除了讲授过哥白尼体系之外，还懂得在原理的数学科学中的万有引力原理及其应用.吴国盛 5、科学难题与科学发展之间的关系 科学发展的动力来自两个方面，一是社会发展的需求，二是人类探索未知世界的激情.随着一个又一个科学难题的解决，科学技术不断登上新的台阶，人类社会发展也源源不断获得新的动力.与此同时，新的

23、科学难题也如雨后春笋，不断从新的土壤破土而出.一个公认的科学难题本身就是科学研究的结果，同时也是开启新未知大门的密码. 附录：为什么会有科学本身存在？自然界中为什么会存在那么多精美和谐的科学规律？宇宙中万事万物都永远绝对地遵守着，并行和谐地演化着！ 6、物理学与美学的关系 1、音乐能激发或抚慰情怀，绘画使人赏心悦目，诗歌能动人心弦，哲学使人获得智慧，科学可以改变生活质量，但数学可以给于以上的一切.克莱因（M.Kline）2、科学不是真，只是一种方便的方法，不过人类以这种方便为真.一种几何学不会比另一种几何学更真，它只能是更为方便而已. 因为总是存在着多种多样的方法达到同一个目标只要结果一样，逻

24、辑程序的内容是无关宏旨的. 实验是真理唯一的源泉. 即使科学原理也要由实验来最终裁决.彭加勒3、所谓Occam剃刀，是以最简单的理论解释实验的结果和观察到的现象.如果简单理论可以，就不用复杂理论来解释.如果用复杂理论来解释，那么复杂加复杂可以叠很多层，就很难讨论和验证.以简单理论作为基本步骤，科学虽然前进很慢，但较扎实.Occam剃刀是经验模式，并无标准公式.比如，是用简单的理论尽量解释很多的现象，还是对于所解释的现象要有所局限、有所选择？但科学研究过程中，大家都遵循这个规则.-饶毅4、自然现象从根本上通过一些简单到惊人地步的规律相互联系着.物理世界的作者库伯 7、基础研究应该提倡宽松的环境科

25、学有其自身的特点和规律，开放的思想，自由的讨论、争鸣的氛围是产生伟大思想的前提.以发现自然规律和解释自然现象为首要任务的自然科学基础研究，由于探索性强、偶然性多，需要一个长期的学科积累过程.科研人员要耐得住寂寞，需要一种锲而不舍的顽强精神,周围必须有一个良好的科研环境，形成一种百家争鸣的宽松氛围，经常可以探讨重大问题，并允许失败.学术自由是产生科学创新和探求真知的根本性条件，一定要在纯学术的科学领域内营造一种不受个别“权威”控制的自由空间，以保障完全的自由交流、评论和竞争.科学本质是探索，科研是在无路的丛林中寻觅，是没有仪器的雾海夜航.总会有多方向、多视角的选择.科学理论从来就是从猜想、从试探

26、性的假说开始，因此就不可能一言中的，不应该是一言堂，而应该有怀疑、有反思、有论证.“拓探索之渊，浚创新之源，延交叉之远，遂人才之愿，让基础科学研究像鸟儿一样在蓝天自由飞翔”.宋健认为：“我们要加强从事基础性研究的科研机构，建设和运行好已建成的各种大型科学工程、国家重点实验室和部门开放实验室，使它们在向国内外开放的大环境中，逐步形成具有自己特色的，在国际学术前沿努力拼搏的基础性研究的科学基地.我们还要加强科学数据积累工作，建立科学数据库，促进国际国内数据交换.为科学研究、经济建设和社会发展提供确切、快速、方便的信息服务.屠正叔说：“科学的精神在于抛除成见，服从客观真理.研究科学的人一定是平心静气

27、拿极公平的态度、极细密的眼光去处理他们研究的对象.因为不如此便不能得很好的结果.人类经过科学达到训练以后，可以养成谨慎、忠实、公正诸美德.”经过30多年改革开放，我国的综合国力已明显增强，对自然科学基础研究的支持力度逐年提高.基础研究所需的仪器设备更新速度也不断加快.同时，各类优秀人才引进计划也不断启动.可以说，目前我国在自然科学基础研究的硬件方面，同过去相比已经有很大改进；现在缺少的是软件，是科研环境，特别是从事自然科学基础研究的一种宽松的学术环境.古语说，橘生淮南为橘，生淮北为枳.” 真理是在争论中发展，敢于听取别人的意见！ 丹麦著名物理学家、公元第1922年诺贝尔物理学奖获得者玻尔（Ni

28、els Henrik David Bohr，公元1885.10.71962.11.16），在青年时期就联络一批年轻人，以丹麦首都哥本哈根为据点，整天对当时物理学中出现的经典理论无法解释的怪现象进行争论他们允许任何人参加，不论是大人物还是小人物，不论是老年人还是青年人，不论是老师还是学生，不论是官科还是民科，都有平等的发言权大家可以吵得面红耳赤，但是不能伤害感情为了发现新的真理这一共同目标而奋斗结果吵出了一批科学家，建立起多套新理论创造了科学界、学术界崇尚的哥本哈根精神 爱因斯坦讲:“自由的教学和自由表达、出版个人见解是任何人健全和自然发展的基础.”来中国讲学的美国经济学家、公元第2000年诺贝

29、尔经济学奖获得者赫克曼（James Heckman，公元1944）教授，在回答“为何新中国建国50年内没能获得诺贝尔奖”的提问时说：“中国学术界有些沉闷，非权威不愿批判，权威不愿接受批判在我看来，没有人向我挑战才是我最大的危险，这就意味着我已经死亡！挑战是我人生的真谛！”赫克曼先生还认为，人们应该尊重权威，但不能盲从权威真正的权威应该善于交流，并敢于面对挑战他说：“我于公元第1973年第1次来到芝加哥大学时，就敢于和著名的经济学家费瑞德曼教授进行广泛的讨论与交流我发现他很开放，善于交流自己的观点在芝加哥大学里，每个人都非常具有批判的眼光，敢于发表并交流自己的观点”赫克曼教授还指出：开放式的讨论

30、、广泛的思考和深入的批判、创新而不一味地遵循权威的观点，才是一个学者进步的阶梯纵观科学史，我们看到成就和辉煌，也看到科学曾经的挫败和荒唐.由于先入为主，科学经常是在愚昧和谬误的压制下，在嘲讽和诋毁的包围中极其艰难地挣扎着前进，现代科学是在充满艰辛的坎坷历程中跌跌撞撞的走来.吴为民教授颇为感触地说，人们在报刊杂志上经常讨论，为什么在中国本土上，迄今没有产生诺贝尔奖获得者.在他看来，在当今的中国，学术民主与学术自由，仍然不够健全，严重妨碍了年轻人的创造性.吴为民教授语带幽默道：“我的老师，诺贝尔奖获得者斯坦伯格教授给我讲过，要想获得诺贝尔奖，一是要在年轻时做过一些开创性的工作，二是要活得足够长.”

31、他呼吁所有的年长老师、科学家与教授们，给年轻人更多的学术民主与自由，更多的创想空间，哪怕是异想天开.如果有这么一种宽松的学术环境，有着这么多才华横溢的年轻人的文明古国，别说是一、二个诺贝尔奖，中国成为产生许许多多的诺贝尔奖的大国，也是完全可能的.剑桥大学的校长博里塞维奇认为： “首先，（培养杰出人才）需要时间.”剑桥大学经过了800多年的历史积淀，才逐渐滋养出一些大师；而就当代非常看重的诺贝尔奖而言，获奖成果也常要等二三十年才被最终认可，因此大学在产生杰出人才前需要一定时间的积累.而在这段时间中，“必须为研究者提供追求自己兴趣的自由”，这也是博里塞维奇强调的第二点.他认为，学术自由是剑桥大学研

32、究人员先后获得89次诺贝尔奖的重要原因，“我们为什么能做到这一点？因为我们为研究人员提供了追求自身学术兴趣的时间和空间.”对此的一个诠释是，剑桥将“思想和表达的自由”明文列为学校的核心价值观，这为学者提供了一个可规避某些外部压力的空间.回顾历史，如果不是身处拥有这样价值观的剑桥，达尔文难以在英国的基督教环境中提出与上帝造人说相冲突的进化论.在时间上，剑桥允许学者按自己的步伐开展研究，而没有“定时交作业”式的考核压力上.博里塞维奇说，剑桥在聘任一位教授后，不会马上就要求他出成果，“而是有准备等上七到十年”.期间这名教授也许会发表一些文章，“但我们没有这种压力，比如说要求在某年年底前必须发表十篇论

33、文”.博里塞维奇回答的第三点是，“把对质量和卓越的追求置于其他任何事情之上”，无论是教学还是研究，质量总是处于第一位.他提到了教育产业化与教学质量之间的关系.英国高校一向因对国际学生收费较高而有“出口教育产业”的名声，近来对英国国内学生也大幅增加学费并引发游行示威.博里塞维奇说，剑桥虽然也提高了学费，但目的是为了更好地保证教学质量，因为剑桥采取的导师制成本高昂，实际上学校每年都要动用其他方面的资源来补贴教学.他说，大学显然应该是把教育质量而不是赚钱放在第一位，“相信我，如果从做生意的角度来看我们（剑桥）的教育，实际上每招一名学生都是在亏本，但我们并不在意这个，因为我们真正的追求是教育本身.”只

34、有真正用科学的态度来管理和引导从事自然科学基础研究的科研人员，营造一个宽松的学术环境，国家自然科学奖一等奖才有可能逐步减少空缺，中国的科学才会真正有大的进步. 英国物理化学家波朗依讲：“今天的科学家不能孤立地实践他的使命.他必须在各种体制的结构中占据一个确定的位置.每一个人都属于专门化了的科学家的一个特定集团.科学家的这些不同的集团共同形成了科学共同体.这个共同体的意见，对于每一个科学家个人的研究过程产生很深刻的影响.大体说来，课题的选择和研究工作的实际进行完全是个别科学家的责任；但是对于科学发现权利的承认，是在科学家整体所表现出来的科学意见的支配之下.这种科学意见主要是非正式地发挥

35、它的力量，但也部分地使用有组织的渠道.”中国之声新闻纵横报导：“英国曼彻斯特大学的俄罗斯裔科学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，以石墨烯研究捧得2010年诺贝尔物理学奖.俄罗斯总统梅德韦杰夫听到这个消息之后，当天就批评俄罗斯政府没有在年轻学者毕业之后，向他们提供有吸引力的条件导致了人才的流失.梅德韦杰夫说，我们需要努力，这样我们的天才才不会出国.”既然学术自由对科学和社会都须臾不可或缺，那么究竟如何维护和坚守学术自由呢？要知道，“学术自由的最大外在威胁来自意识形态和政府，尤其是来自为意识形态服务的政府.”（肯尼kenny）因此，制定切实可行的法律、加强舆论监督等民主社会通行的措施，都能够削弱和

36、抵御外界的不良干扰.但是，最根本的还是要依靠科学建制的权威，尤其是科学家的科学良心.波兰尼对此有深刻的认识：“科学王国的主权并不特定地属于某个统治者或管理机构，而是被分解后，交予每个独立的科学家.每当科学家听从自己的良心和个人信念得出某个探究结论，他也就当了一回科学王国的首脑，以自己的方式完成一次对科学主旨和科学生活秩序的塑形.”他进而表示，科学共同体中的科学家热爱并献身于科学的理想.这种献身行动象征自由之义务，确保科学家依从良心行事.8、基础科学研究应该具有批判性1、 老实说，名家名将在某种意义上讲是最容易落后的，因为他已经有名了，就不大愿意再去创新了，怕拿不出新东西会丢面子钱三强2、 要想

37、象一些你从未看过的事物，这些事物必须跟已经看到过的东西完全吻合不悖，同时又要和已被想出来的完全不同；此外，它更必须是一些明确、不模糊的设想.那真是困难呀.科学家会做的是聆听，如果对方说的听起来很值得尝试,他的想法很是与别不同,粗看之下没有和以前累积下来的观测结果矛盾,那么就很让人兴奋，值得一试.你不会担心他到底研究了多久或者是为什么他要你听他说.就这方面而言，新想法从何而来根本无关重要. 科学就是怀疑的文化. 费曼3、 质疑是迈向哲理的第一步法国狄德罗4、 能嘲笑哲学，这才是真正的哲学思考.       _帕斯卡尔世界上任何发明创造都

38、是可及的，不是不可及的.现在中国没有完全发展起来，一个重要原因是没有一所大学能够按照培养科学技术发明创造人才的模式去办学，没有自己独特的创新的东西，老是冒不出杰出人才.这是很大的问题.中国还没有大学能够按照科学技术发明创造人才的模式去办学，都是人云亦云，一般化的，没有自己独特创新的东西，受封建思想影响，一直是这个样子.别人说过的才说，没说过的就不敢说.你是不是真正的创新，或者敢不敢研究别人没有研究过的科学前沿问题，而不是别人说过的我们知道，没有说过的东西我们就不知道.所谓优秀的学生就是要创新，没有创新，死记硬背，考试成绩再好，也不是优秀学生.钱学森人的天职是勇于探索真理. -哥白尼5、 不容置

39、疑，一种疯狂的理论摆在我们面前.问题在于，要成为正确的理论，它是否足够疯狂.-Bohr6、中国的科学家基础非常好，勤奋可能是这个世界上没有一个国家比得上的.我感到，与西方比，中国科学家不仅要有基础，不仅是要勤奋，还要有胆识.有胆就是敢，要敢为天下先，敢于提出不同的见解，敢于坚持自己的意见去做.更重要的是有识，就是你要有非常尖锐的目光，不要让大的发现从你眼皮底下溜过去.沈致远7、知识最重要的产品是无知. 2004年诺贝尔物理学奖得主大卫·格罗斯8、在理论认识方面，如果不对概念基础深刻地理解，并作必要的改革，就不可能出现革命性的发展.即使是最高权威的理论，对它也要通权达变、灵活运用-卢鹤

40、绂9、科学是唯一的自动纠错的人类系统，不过，科学也是只有通过证明自己错误才得以进步的过程.阿兰 杉德基10、“每有头脑的人都知道，如果某个问题引起了激烈的斗争，那么为了确定真理，就不要只看争论双方的声明，而要审查事实和元件，自行考察，看看有无证人的证词以及这些证词是否确实”. 现代物理学的危机就在于它不再公开地、断然地、坚定不移地承认它的理论的客观价值.当几何公理触犯了人们的利益，人们也一定会起来把它打倒.列宁9、基础科学研究应该具有勇气 科学入口处犹如地狱之门.马克思1、 创造发明吧，那么你就必然受到迫害，像罪犯一样丧生；依样画葫芦吧，那么你就像个傻瓜一样过着幸福的生活.巴尔扎克2、 当一个

41、人看清了真理的时候就不能妥协，不管有多么宽容的理由. 在事关重大的根本问题上，逃避“良心的要求”就是祛懦. George Sarton5、明智的艺术就是清醒地知道该忽略什么的艺术，成功的秘诀就是抓住不放.威廉·詹姆斯第二章：现代物理学的辉煌成就与困难 1.物理学与现代科技物理学（physics）一词起源于古希腊，拉丁文原意是“自然”.自公元前七世纪，物理学就以自然哲学的形式从人类的生产劳动中萌芽出来，先后经历了古代物理学、经典物理学、近代物理学和现代物理学四个阶段.物理学是研究物质的最基本、最普遍的运动形式以及物质的基本结构的科学. 20世纪50年代以来的当代物理学已经发展成为一个相

42、当庞大的学科群，包括了高能物理（粒子物理）、原子核物理、等离子体物理、凝聚态物理、原子分子物理、光物理、声学、计算物理和理论物理等主体学科以及难以数计的分支学科.物理学内部各个分支学科的渗透和交叉，物理学和化学、生物学、材料科学、天文学等其他学科的渗透和交叉，又产生了许多新的、富有生命力的边缘学科，形成了众多极有发展前途的科学前沿.当代物理学还呈现出高速发展的趋势，现代物理学中90%的知识是1950年以后取得的.其发展之快，分支之多，变化之大，已使人们很难及时作出全面的概括.近、现代物理学革命带来了科学图景的巨大变革：相对论打破了经典力学的绝对时空观，量子力学打破了可控测量过程的梦想，混沌粉碎

43、了拉普拉斯的机械决定论.无论从外延还是从内涵上看，当今物理均处于较高地位，从经典物理不能线性导出当今物理.这其间的范式转换，不仅涉及具体科学知识的变化，更主要的体现在基本思想、基本观念的变革.当代物理学研究的综合性、深入性、复杂性、创新性和可应用性，都呈现出鲜明的时代特点.物理学在21世纪发展的全景，人们无法作出全面的预测.只能根据我们目前的认识水平，根据当代物理学发展的状况和特点，对21世纪最初几十年的发展趋势作“豹斑之窥”.大体说来，在科学技术整体发展的推动下，物理学仍将加速地发展和分化，同时又会出现更多的渠道，增强各个分支之间的交叉和非线性作用，导致更为广泛和深刻的综合，朝着各个分支学科

44、不断深入而整体领域综合交叉的整体化方向进展.p.c.w戴维斯指出：“物理学是最自负的一门科学，物理学家把理解宇宙的奥秘视为自己的职责.而其他科学家只局限于研究一些具体的东西像神学家一样，物理学家不承认任何系统在原则上处于他们的研究范围之外.”物理学作为精密科学的典范，并以其探索视野的广阔性、研究层次的广谱性、理论适用的广泛性，在今后很长时期内仍将发挥其中心科学和基础科学的作用.它也仍将不断地推出新思想、新原理和新方法，孕育出功能奇特、威力巨大的新技术，成为新技术和新兴产业部门的源泉和生长点.物理学与未来高新技术将更加紧密地发生融合，互相促进，协同发展，成为科学技术革命深入发展的主旋律；物理科学

45、技术领域愈来愈频繁出现的突破性进展，将会更加吸引社会公众对物理学事业发展的热切关注.近10多年来，关于非平衡统计物理学的研究前景也十分诱人，非平衡相变、耗散结构、协同学等就是其中比较活跃的研究领地.这几年，人们注意到，远离平衡的系统可能经过突变进入混沌(chaos)状态，而且混沌态可能并不比时空有序的状态更“无序”，混沌态和耗散结构还可能交替出现.现在，人们大体上已了解到，混沌是非常普遍的自然现象，在一定的意义上讲，混沌状态比无理数要多得多，而且混沌序(内在随机性)比自然界存在的有理序(周期性)、无理序(准周期性)更“高级”，即使在通常认为由决定论统治的牛顿力学中，也普遍地存在着内在随机性，完

46、全确定论的描述在牛顿力学中倒是少如风毛麟角.但是，混沌决不是简单的无序，而更像是不具备周期性和其他明显对称特征的有序态.在理想情况下，混沌状态具有无穷的内部结构，只要有足够精密的观察手段，就可以在混沌态之间发现周期和准周期运动，以及在更小的尺度上重复出现的混沌运动.正因为如此，我国学者才从古汉语中引用“混沌”一词(气似质具而未相离，谓之混沌)来描述这种奇特的现象.混沌转变和非平衡相变都是经过突变而不是渐变实现的，这说明混沌状态的出现也与对称破缺有关.现在重整化技术已经成功地用于混沌转变的研究，已有一批反映通向混沌道路的数学模型，而且新的实验报道也在不断涌现.这个成为80年代重要研究课题的进展，

47、也许不仅会导致数理科学中基本观念的又一次革新，而且可能导致对偶然性和必然性、确定论和概率论等哲学范畴以及自然科学方法论的更深刻的认识. 2、现代物理学的辉煌成就 二十世纪物理学对人类的思维方式和社会发展做出了三方面的重要贡献：第一，相对论、量子力学和它们相结合产生的量子场论从根本上改变了人类对时空和宇宙万物的看法，使人们从绝对的决定论的宇宙观变为辩证的唯实的宇宙观.第二，二十世纪物理学是带头的学科，它带动了化学、天文、材料、能源、信息等学科的发展，它为生物、医疗、地学、农业提供了强大的探测手段和研究方法.物理学在半导体、集成电路、激光、磁性、超导等方面的发现奠定了信息革命的科学基础.它推动了高

48、技术产业的发展，引发了以微电子、光电子和微光机电技术为核心的工业革命，由物理学研究衍生的新技术和新产品层出不穷，从根本上改变了人们的生产方式和生活方式.第三，通过计算机的帮助，应用古典物理理论讨论流体运动和气象预报时，发现了自组织、混沌和分形等现象.随后发现，这是普遍存在于非线性相互作用的开放系统中的现象，生命系统和社会系统也不例外.物理学是人们对无生命自然界中物质的转变的知识做出规律性的总结.这种运动和转变应有两种.一是早期人们通过感官视觉的延伸，二是近代人们通过发明创造供观察测量用的科学仪器，实验得出的结果.物理学从研究角度及观点不同，可分为微观与宏观两部分，宏观是不分析微粒群中的单个作用

49、效果而直接考虑整体效果，是最早期就已经出现的，微观物理学随着科技的发展理论逐渐完善.现今物理学（狭义与广义相对论、量子力学和量子场论及其发展如标准模型（包含弱电统一理论和量子色动力学）已经把目前实验能触及到的领域都涵盖进去了.从尺度讲，包含从10-17米的极微观到1026米的宇观范围；从能量角度讲，已经到达现在LHC的TeV能标.所以现在的新物理，都只能出现在：（1）10-17米以下尺度（检验超对称、超弦是否存在，检验超引力及量子引力）；（2）从星系尺度到1026米的宇观尺度（检验所谓的暗物质、暗能量是否存在及其本质）；（3）在LHC的TeV能标之上，解决标准模型（弱电统一理论和量子色动力学）

50、中出现的一些疑难.虽然标准模型整个框架已经确定，应该也不存在什么问题，但模型本身提出了不少更为本质的疑问，暗示着新的发展路线.标准模型现在的情况就好比19001926年的旧量子论，未来还将存在TeV能标以上的新物理，包括弱、电、强力三者的统一（大统一理论）.（4）超低能低温下的丰富的对称破缺.这是凝聚态物理的事情.能量标度上升，对称性增高及得以恢复，各种力都走向同一，物理学趋向统一，所以大统一理论（弱、电、强力三者的统一）以及四种力（弱、电、强、引力）的统一，都必然是在极高能标下完成的；能量标度下降，对称破缺产生，四种力（弱、电、强、引力）都逐渐分离，表现不同行为.总之，高能量标度使得对称性恢

51、复，物理世界变得简单及统一；能量标度下降，世界变得复杂，丰富多彩.超低能低温下有五花八门的现象，其实只是对称破缺现象、表面现象，我们眼睛观察到的其实都非实相，它们在高能标下其实只有一个本质. 温伯格说，时间的流逝已经教导我们，不能指望强作用、弱作用和电磁作用都可以用几何语言来理解了.1.相对论 德布罗意认为：相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域.” 运动着的物体所占有的空间是变动不居的，描写这种变动的就是时间，时间作为广义的空间结构的一个维度.时空不是独立的存在，时空是物质的时空，时空是物质世界的表象，物质本体改变了，其表象必随其变

52、.空间与时间在表述物质时，各有侧重：空间侧重于表述物质相对静止的状态，时间侧重于表述物质相对变动的过程.物质的存在是相对变动中的存在，静止是变动中相对的静止，从这一角度可以认为：物质是变动与静止的统一体，是时间和空间的统一体.时间和空间是不可分的，譬如：当我们看到时钟指针的空间状态就知道时间的位置，知道时间状态就可以推出时钟指针的空间位置；在譬如：当我们知道一个人的形体容貌就可推出其正常条件下的大致年龄及寿命，知道一个人的性别及年龄就可知道其大致的形体发育状态. 狭义相对论和广义相对论建立以来，已经过去很长时间，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍承认的真理，相对论对于现代物理学的发展和现代

53、人类思想的发展都有巨大的影响.相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系.狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛沦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律.广义相对论有在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局限惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变式，并建立了以广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似.这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排.相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，

54、给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系.相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦(Albert Einstein) 创立，分为狭义相对论和广义相对论.相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关.狭义相对论和广义相对论的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯系参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中.相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱.奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域.相对论解决了高速运动问题；量子力学解

55、决了微观亚原子条件下的问题.相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念.狭义相对论最著名的推论是质能公式，它可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生.而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，也相继被天文观测所证实.相对论的提出对人类社会的发展起到了不可估量的作用,但是在如今很多人从多学科多角度发现相对论有不足之处.2.量子力学 量子力学（Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础.量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用.量子理论是关于自然界的最基本的理论，它被认为是人类所创造的最优美、最成功的科学艺术品.它优美的数学形式令人赞叹，它精确的预言与实验惊人地符合，而它的成功应用更是遍及了现代社会的每个角落, 比如根据量子电动力学，理论计算出电子磁矩为1.00115965246个单位（这个数称为狄拉克数），而精密实验测得电子磁矩为 1.00115965221个单位.理论值和实验值只相差四十亿分之一！.从激光、核能到计算机、互联网，还有最新的量子计算机，无不留下量子的足迹.可