假说在物理学发展中的作用

假说在物理学发展中的作用 邓封摘要: 通过列举具体实例, 讨论了假说的形成及其特征, 论述了假说在物理学发展中的重要作用, 并指出假说是物理理论建立过程中必不可少的一个重要阶段。关键词: 假说, 物理理论, 研究方法, 物理学发展 On the Action of Hypothesis in the Physics Development dengfeng ? Depart ment of Basic Co urses, Xian Highw ay U niver sity , Xia n 710064Abstract: Enumerat ing numer ous fact s, this paper discusses the featur es and backg round ofthe hy pothesis, expounds the important act io n o f the hypothesis in the physics development ,and point s out that the hy po thesis is the basis of the phy sics theo ry.Key words: hypothesis, physics theory , r esearch method, phy sics dev elo pment引言：当代科学技术的飞速发展, 对人的智力要求日益提高, 要求人们必须掌握获得知识,和发展知识的金钥匙科学研究的方法从整个物理学的发展史看, 物理学的研究方法基本上是# 观察实验.积累资料%提出假说进一步实验验证确立& 理论理论应用于实践, 于是再进行实验。物理学就是这样在实践与理论相互推动下发展起来的, 其中假说对理论的发展起着重要的作用, 是科学理论形成和发展的重要环用, 是科学理论形成和发展的重要环节, 是物理学中最重要的研究方法之一一、假说的概念：我们要正确地认识和掌握假说, 首先要完整准确地理解假说的概念。用一句简单的语言来概括, 假说就是科学研研究中假定性的说法。物理学假说大体上可分为三种类型:第一, 依据已有的物理理论对新发现的事实作出假定性的说明, 即假说在提出时首先要履行其解释功能, 无论什么假说, 它们都要能解释已知的实验现象。例如, 安培提出的“ 分子电流” 假说, 成功地解释了物质宏观磁性形成的内在原因。第二、从理论上进行研究, 通过逻辑推理,提出新的物理预见。例如, 麦克斯韦在总结前人电磁学说的全部成果的基础上, 提出“ 涡旋电场” 和“ 位移电流” 的假说第三, 出现了与已有理论根本冲突的物理实事、人们充分发挥理论思维的作用, 根据新事实提出全新的假说, 也就是说, 假说只能解释已有的实验现象还不够, 随着实践的发展, 它应该受到实践的检验, 履行其判断功能, 当它与新的实验结果一致.付就被肯定, 不一致时就被否定。例如, 在十九世纪初期,由于光的偏振现象的发现, 雄辨地说明了光是横波、这与电磁理论的预见完全一致, 从而使光的波动说取代) 微粒说, 到十九世纪末二十世纪初, 光电效应的实验事实, 与光的波动说有着深刻的矛盾, 为此要求人们探索新的理论, 爱因斯坦提出了光子。假说的结构, 就通常的意义而言, 它可以以单个观点、单个定律、单个事件、单种关系的预测等模式出现, 又可以以一个较为完整的系统的理论模式出现。假说的结构形式是多种多样的。二， 假说的特点假说的提出必须以一定的科学事实为依据, 以已知的科学理论为前提。并不排斥想象,但一般的想象并不能等同于假说。假说的科学性使它不同于毫无科学根据的神话和缺乏逻辑基础的幻想。此外,假说需接受逻辑论证和实践检验,它在逻辑结构上的合理性及其在实践中的可检验性是假说科学性的又一重要保证。假说同理论有着基本相同的结构和功能,但它不同于理论,它对事物未知本质和规律的认识是根据已知的科学知识和科学事实推想出来的,具有一定猜测性质,它是否把握了客观真理, 还有待于实践的检验。假说是科学性和猜测性或假定性的辩证统一, 因此假说具有以下特点。 (1)假说具有假设性。 (2)假说具有科学性。 (3)假说具有多样性和易变性。三、物理学假说的形成方式 从物理学发展的历史和现状看, 物理学假说的形成大体可分为三种方式。第一, 依据已有的物理理论和实践, 对未知的事实作出假定性的说明。第二, 从理论上进行研究, 通过逻辑推理提出新的物理预见。第三, 出现了与已有的理论根本冲突的物理学事实, 人们充分发挥推理的作用, 用全新的观念对未知的物理学事实作出假定性的说明。现对三种方式依次分述如下: 第一种方式是最普遍使用的, 很多物理假说都属于这一类型。传统的观点认为, 科学知识(包括物理知识) 是观察和实验的结果, 科学家在观察和实验的基础上, 运用归纳、演绎、类比或综合等方法提出假说、假设, 再经过一次次的检验, 就成为被证实的科学理论。而物理学正是在研究客观的物理运动的过程中发展起来的, 从根本上说,如果离开了对客观的物理运动的研究, 就没有物理学。物理学中力学的发源地是古代人类对恒星、太阳、月亮及行星的观测, 通过观测, 积累了许多关于天体运动的数据,进而人们试图把恒星、太阳、月亮及行星这些表面混乱但却重复出现的运动归纳成一个有秩序的系统, 提出了一系列的假说: 地心说、日心说、旋转天体、开普勒三定律、牛顿的万有引力定律?, 这类假说, 往往具有重要的地位。 第二种方式多见于现代物理假说。因为现代研究的物理运动比之于早期研究的物理运动更深入、更广泛, 特别是引进了现代的数学工具, 就使现代物理理论更深刻、更抽象。人们通过对理论的深入研究和探讨作出某些推测和预见。德布罗意在仔细分析了光学的发展历史, 从光的微粒说到光的波动说, 最后发展到普朗克和爱因斯坦的光量子理论后, 他还注意到哈米顿阐述过的几何光学和经典力学的相似性, 大胆猜测力学和光学之间在某些原理上会存在一些类比关系, 并于1923 年, 大胆地提出了实物粒子具有波动性的假说。并且几乎在物质波得到理论证明的同时, 实验也验证了物质波的存在。又如麦克斯韦关于电磁波理论的假说, 狄拉克提出的正电子假说等, 都属于这种方式的假说。以这一方式提出的假说, 从形式上来说, 是理论推导直接形成的。 第三种方式形成的假说多出现在新旧物理交替的时候。旧理论的局限性已日益显露出来, 但是, 新的理论体系还未建立, 物理学被一些已有的理论无法解释的新事实所困扰。19 世纪末, 由于力学、电磁场理论和经典统计物理学相继建立, 不少物理学家认为, 物理大厦已基本完成, 物理理论上一些基本的、原则的问题已解决。他们认为, 物理学的任务可归结为根据力学原理解释自然现象,今后的任务就是在已知规律的公式中的小数点后面加上几位数字就行了。但“好景不长”, 不久就出现了一系列理论与实验之间的尖锐矛盾,“怀疑时期”开始了! 其中最主要的是黑体辐射实验和迈克尔逊 莫雷实验, 它们是在物理学的晴朗天空远处的两朵小小的令人不安的乌云。正是这两朵小小的乌云终于降下了20 世纪物理学革命的暴风雨, 诞生了量子论和狭义相对论。四 物理假说在物理学发展中的作用 （一） 实验对物理假说的“证伪”推动着物理学的发展。 一个假说是否有价值, 要经过实验的检验, 而检验总是批判性的, 即在批判压力下所进行的观察实践完成的。卡尔波普(Karl Popper) 认为, 检验不可能最终“证实”一个假说, 但却可以“证伪”或否定一个假说, 被证伪的就被淘汰, 代之以更新的假说; 那些暂时没有被证伪的, 就是暂时有效的具有更大“逼真性”的理论。但是, 一个理论不管它经受了多么严格的检验, 也不能说被“证实为真”了, 因为不能保证它还能经受住未来进一步的考验,它终究还是要被证伪的。这样, 科学认识通过不断地“试探除错”法, 排除掉被证伪的假说(理论) , 在“不断革命”中使认识愈来愈接近真理。因此实验对物理学假说的“证伪”推动着物理学的发展。 （二）不同假说之间的争论促进了物理学的发展。 普朗克曾经说过“在科学史中, 一个新概念从来都不会是一开头就以其完整的最后形式出现, 象古希腊神话雅典娜一下子从宙斯的头里跳出来那样。 ” 的确, 物理学的基本理论是在许多物理学家研究和论争的基础上, 经过千锤百炼才逐渐形成的。在物理学研究中, 不同假说之间的争论从来没有停止过。对同一物理问题, 在研究初期往往同时存在多种不同的假说。这是由客观事物的复杂性和研究者看问题的角度不同思想方法不同决定的。 它必然导致研究者之间的争论, 并由此促使研究者千方百计从物理学理论和实践方面寻找根据, 不断充实自己的假说, 寻求解决问题的真缔。因此, 不同假说的争论, 使人们能够从更广泛的领域，更多方面、更深刻地揭示物质运动的本质, 加速物理学发展的进程。 例如, 贯穿物理学发展的整个历史过程的关于光的本性的假说的争论, 就是一个生动的例子。 早在17世纪, 物理界就开始了对光的本性问题的讨论, 并逐渐形成了关于光的本性的两种学说微粒说与波动说。荷兰物理学家惠更斯是波动说的主要代表, 大名鼎鼎的牛顿则是微粒说的创始人。两种学说均可解释光的反射与折射现象。但争论的焦点在于：对折射现象的分析得出了绝然相反的结论。 微粒说得出密媒质中的光速大于疏媒质中的光速, 而波动说则得出密媒质中的光速小于疏媒质中的光速。由于当时实验条件的限制, 无法在实验室中用测定光速来进行判断, 以致两派之争持续了几个世纪之久。 由于牛顿的威望, 在整个18世纪, 微粒说占据着统治地位。 但是, 1801年, 英国学者托马斯 杨首次成功地进行了光的双缝干涉实验, 并对薄膜干涉现象作出了合理的解释。1808年, 马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象.1816-1819年期间 , 菲涅尔和他的积极支持者阿拉果在共同实验中, 发现相互垂直的偏振光不相干涉的现象, 最终证实了光是横波。这些实验事实, 使波动说重新受到人们的重视。1849年菲索和1862年傅科相继在实验室中测定了水中的光速。证实了水（密媒质)中的光速小于空气(疏媒质)中的光速, 由此波动说得到了判决性的实验确证.因此19世纪前半叶, 波动说在关于光的本性的争论中, 上升为统治地位. 但是波动理论是把光看成连续介质中的机械性振动, 这就必须假设存在一种传递振动的“以太”媒质.因为光速很大, 故“以太” 的弹性很大而密度却要极小.但是“ 以太” 媒质的存在始终没有得到实验的证实. 1845 年, 法拉第发现了偏振光的振动面在磁场中会发生旋转现象, 揭示了光和电磁之间的内在联系. 1865年, 麦克斯韦创立了电磁场理论, 推算了电磁波在真空中是以光速传播的.于是他大胆断言, 光是一种波长极短的电磁波.到了1888年, 赫兹用实验证实了电磁波的存在, 建立了光的电磁理论.从而使光的波动说摆脱了机械波观点的栓桔, 从菲涅尔等人的弹性以太中的波动说解放出来, 走上了一个新的阶段, 这是人类对光的本性的认识的又一次深化. 19世纪风行于物理学界的光的波动说在光电效应中遇到了无法逾越的障碍.1905年,爱因斯坦提出了光量子假说, 圆满地解释了光电效应.因此光的粒子说又以新的形式复活了.但是爱因斯坦的光量子说不是简单地回到牛顿的粒子说, 而是认为粒子说和波动说各自反映了光本性的一个侧面. 对于统计的平均现象, 光表现为波动. 对于瞬时涨落现象, 光表现为粒子.这是人类第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的对立统一, 即波粒二象性, 人们从粒子说和波动说的争论开始到波粒二象性理论的建立, 是认识上的伟大飞跃. 这个过程中的一系列重大的研究和发现, 很多都直接或间接地来源于粒子说和波动说的争论. 纵观在光的本性问题探讨中争论的史实,我们看到, 不同学派的争论, 使物理学理论的发展呈现出生机勃勃的景象.争论是物理学发展的内部动因, 在争论中, 各派都有自己的杰出代表, 他们都有独到的见解、风格和思想.通过争论, 使各种思想得以广泛的传播, 而相互话难又促进了各种学术思想的交流. 正是这些争论才构成了一部波澜壮阔的物理学发展史. 五 假说在物理当中的具体实例 (一) 哥白尼的日心地动说 “东边日出西边落”这一现象是人们熟知的。并且在地球上的人也能观察到诸如月球及其其他星球的运动仿佛地址便是宇宙的中心。为了探索这一自然规律，波兰天文学家哥白尼花费了四十年的心血，向传统的观点发出了挑战，经过实地观测和研究，终于发现了太阳系的面貌，提出了日心地动的假说，完成了他的体型巨著天体运动论。在哥白尼的日心体系中，各天体相互联系，他们的运动具有简明的规律性。所有行星的排列顺序与他们的轨道周期，轨道半径有着密切的联系，显示了宇宙的内在和谐性。哥白尼的日心体系，经过一系列的逻辑论证和实验检验，最终由假说上升为科学真理 (二) 德布罗意的物质波假说 在普朗克与爱因斯坦的光量子理论及波尔原子量子论的启发下，考虑到光具有波动和粒子二重性德布罗意将光合粒子进行大胆类比，大胆设想实物粒子也可能具有波动性的假说为量子力学的建立打下了基础(三)卢瑟福的有核原子模型的假说 1904年英国物理学家汤姆逊提出了原子的“西瓜模型”即正电像西瓜瓣一样均与分布在西瓜