物理学理论的核心结构的认识

1、物理学理论的核心结构的认识重庆市九龙坡区教师进修学院 钟及龙（时间：2013年12月22日）中学物理课程的目标？科学素养？ 科学素养（Scientific Literacy）：国际上普遍将科学素养概括为三个组成部分，即对于科学知识达到基本的了解程度；对科学的研究过程和方法达到基本的了解程度；对于科学技术对社会和个人所产生的影响达到基本的了解程度，只有在上述三个方面都达到要求者才算具备基本科学素养的公众。各国在测度本国公众科学素养时普遍采用这个标准。 物理学？物理学(PHYSICS)：研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学，简称物理。物

2、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。提 纲一、物理思想应是物理学的重要组成部分二、中学物理的主要物理思想一、物理思想应是物理学的重要组成部分 科学是一种人类的知识体系，又是人类认识世界的一种方式和探索过程，是人类与自然之间的一种试探和对话。 科学思想是人类在认识自然的活动中逐步形成的对自然的本性（宇宙的起源、物理的结构和运动的原因等最基本的问题）看法和认识自然的方法的总和。即科学思想是从自然科学的视角，所形成的自然观和方法论。物理学理论的结构是什么？物理学理论是如何形成的？ 完整的物理学应包括物理知识（或物理学的理论体系）和物理思想（物理学的自然观和方法论）两个层面。

3、爱因斯坦：“科学（物理学）不是一本定律汇编它是用来自由地发明观念和概念的人类智力创造物。” 物理学知识和物理思想是物理教学的一个有机整体。物理学知识和物理学中一些具体的解决问题的方法是我们中学物理教师非常清楚的，下面就中学物理教育中主要的物理思想做一简要分析。 二、物理学的主要思想1、经典物理学的自然观自然观是人们对自然界的构成、自然界的性质以及人类认识能力对自然界本质的把握程度等，下面我们从经典物理学史的视角来动态地认识自然界。二、物理学的主要思想（1）、实体的二元分类（笛卡儿） 最先将实体分为“思维实体”(有思维能力的理性世界)和“广延实体”(无思维的自然界)，且认为两实体是分离的。 自然

4、科学就集中对“自然界”进行研究，并且“思维”可以在不影响“自然界”的存在形式的情况下,产生对“自然界”的认识。二、物理学的主要思想 近代自然科学的研究都是从这样个假设出发的，即“人们能够客观地描述自然世界，能产生对自然界的认识，并且自然界的固有属性不会因任何观测和研究过程而发生改变”。这似乎已成为般自然科学的必要条件。这是近代自然科学产生和发展的认识论基础。二、物理学的主要思想（2）、自然的因果性经典物理学的成功，向人们展示出一种“严格决定论”思想。即自然界中的各种事件都独一无二地被决定。换言之，一种对于自然界或其中某一部分的精确认识，至少在原则上足以确定未来。拉普拉斯表述为：假如有个精灵在已

5、知的时刻了解到每个原子的位置和运动，它就能预言出世界的全部未来，即存在着一些不变的自然规律，它们根据系统的现存状态，独一无二地决定着其未来的状态。 二、物理学的主要思想（3）、自然界的存在形式经典物理学为自然界建构了一幅机械图景。一切物理学中所描述的自然界都被认为是自然的真实存在形式，自然被等同于实体的集合（简单相加的总和），一种在绝对空间中的机械的存在物。 物理学研究要达到两个目的，其一是寻找自然实体的形态，结构及变化规律，其二是寻找各自然实体之间的关系。而更有用，更重要的最高目的是后者二、物理学的主要思想爱因斯坦指出(物理学进化P216)“如果不相信我们的理论结构能够领悟客观实在，如果不相

6、信我们世界的内在和谐性，那就不会有任何科学，这种信念是并且永远是一切科学创造的根本动机”。综上所述，经典物理的自然观主要表现为：1、主客体分离观；2、自然因果性的“严格决定论”；3、自然本源的实体性和自然实体运动的机械观。二、物理学的主要思想2、物理学的基本方法论物理学的自然观决定了物理学的方法论，而物理学的方法论又影响着物理学的自然观。在物理学发展史上，对物理学研究起革命性作用的物理学大师们，对方法论有独特的见解，下面简析几位有代表性的物理大师的方法论思想。二、物理学的主要思想（1）、伽利略开创了以观察和实验为物理研究基础的先河。他指出，我们的立论永远必须以观察和实验为依据，不仅要对自然进行

7、被动的观察，而且必须在特定原理指导下进行观察（实验）。这正是为了确定某些理论概念是否与观察相符合，符合程度如何而做的实验观察，即他强调观察和实验，并指出了要用思维加工“观察结果”，就是这一思想将物理学从原来以思辨为核心的哲学中分离出来，而开创了近代物理学。（惯性定律）（2）、牛顿在继承伽利略思想的基础上，创造性地提出了分析综合方法。牛顿的分析方法在于从实验和观察出发，用归纳法从中找出普遍结论和一般定律，其要点是实验归纳演绎相结合起来旨在发现定律。（牛顿运动定律）综合方法包括两方面，一是根据已发现的一般定律，运用公理和数学演绎法建立数学化理论；二是对理论的定理一般定律的推论做实验检验，由此证实一

8、般定律的真理性。由此可见，牛顿的综合方法的要点是演绎发现证实相结合旨在建立理论。(万有引力定律)在科学的发展史上，牛顿的科学发现方法论（分析综合方法）不仅推动了近代物理学的发展，而且推动了近代科学的飞速建立及发展。但是，牛顿的科学发现方法论也存在着重大缺陷，其错误地认为基本概念是从经验中归纳（或“通过推导”、“进行逻辑推理”）得到的。归纳是一种科学方法，但是归纳的作用只能用来建立“实验定律”，用来表述“大量单个观察的结果”，它得出的结果不能作为建立理论体系的普遍原理。牛顿的方法论对二十世纪的物理学发展产生了严重的阻碍。（3）、玻恩的科学方法论思想。提出了三条重要的方法论原则：客观化原则、可决定

9、性原则和限制性原则。客观化原则： “尽可能使观测与观察者个人无关”，其实质是“用其他人能够验证的材料代替综合的感官材料”（物理实验的结论要具有可重复性）。在具体研究的应用中主要是用来获取可靠的实验或经验结果，为形成新概念，建立新理论做感性认识的准备。 可决定性原则：实质是在建立的新理论、新概念中，只运用那些可观察量（可测量）。限制性原则：（理论或概念必须与实验或经验事实相容，即用实验或经验事实来对多种可能的理论或概念进行选择）。它规定着理论与客观对象等值的程度，确定着一个具体的认识过程对自然的认识程度。可看图示关系： 可决定性原则限制性原则客观化原则经验理论、概念客观对象（4）、爱因斯坦的科学

10、方法论。完整的科学理论体系是由“基本概念”、 “基本假设”、“导出命题”这三部分构成。其中在逻辑上不能进一步简化的基本概念和基本假设是理论体系的核心部分。基本概念和基本假设是“思维的自由创造”、“理智的自由发明”的命题。但是，这种自由是一种有严格限制的“特殊的自由”。这种“自由”是在科学创造过程中可以选择多种思维方式的自由，而作为思维最终成果的东西则应是客观的。从逻辑上看，基本概念和基本假设不是经验事实的总和，但它们是以经验事实为基础，通过人非逻辑思维的自由创造而产生。在对众多公理进行选择时，他明确指出：选择的外部标准是，由公理基础推导出的理论不应当同经验事实相矛盾；选择公理基础的内部标准是基

11、本概念和基本假设的“自洽性”、“完备性”和“逻辑简单性”。爱因斯坦的科学研究思想可用下图来说明。表示直接的经验事实（或实验），A表示公理体系，s1、s2、s3表示通过逻辑道路推导出的各个个别的结论。上图表明公理体系A是由经验事实通过非逻辑的创造思维建立，公理体系A通过逻辑道路推导出的各个个别的结论s1、s2、s3 ，而各个个别的导出结论又可与经验事实进行对照，如果导出结论s与经验事实发生矛盾，则应重新建立公理体系A，如果导出结论s与经验事实一致从而实现对公理体系A的经验（实验）验证。公理体系导出命题直接经验A非逻辑的创造思维s1s2s3我们可以得出如下结论。科学理论的结构或科学理论的认知结构，

12、是由科学公理（基本概念和基本假设或科学原理）、科学定律、科学事实三个层次构成的。它们形成科学理论的严整逻辑结构。其中科学公理是科学理论的逻辑基础；科学定律（科学命题）是由该基础导出的命题（从逻辑上讲），或是从经验资料归纳或概括出来的（从发生学上讲）；科学事实既是提出基本概念和基本假设的向导，也是直接检验科学定律和间接确认科学假设的试金石。为了建构科学理论，人们还必须有意识或无意识地做出或承诺某些为数不多的、形而上学色彩极强的根本假定，这就是科学预设（作为科学信念起作用）和科学传统（作为研究纲领起作用）。于是，就广义的科学理论体系而言，科学事实、科学定律二者是其低端层次，科学公理尤其是科学预设和科学传统，是它的高端层次。 我们认为，物理学的一般方法论应是以物理实验或经验事实为根据，通过非逻辑的方式来构造物理概念和理论。在所构造的理论中概念必须是可证伪的或可反驳的(即应有预测功能)，