论文物理学史的研究方法是什么

一、物理学史的研究有重要意义。一般来说，物理学是自然科学中的一门基础学科，处于核心地位。科学史很重要的部分就是物理学史，所以，研究物理学史有助于阐明科学发展的规律，有助于了解科学与社会的关系，科学与技术的关系，以及科学与哲学的关系。从学习物理学的角度来说，了解物理概念和理论的发展，不但可以加深对这些概念和理论的理解，而且可以进一步认识物理学这门学科的特点。作为未来物理学工作者或科技工作者的一员，更应该把握住物理学发展的趋势，了解它的动向，使自己自觉地推动物理学前进。著名美籍华裔物理学家杨振宁教授在谈到物理学史的意义时说：“中国物理学的发展中有些问题，根据我的普遍接触，有这么一个印象：前些年对国外的东西什么都想知道，结果弄得有点眼花缭乱，无所适从。其实有些介绍进来的东西，只是发展过程中的噪音，一转眼就消失了。“其结果是对事物的来龙去脉弄不清楚，对主干发展看不清楚。可是不了解主干的发展，就不容易培养出有独到见解的学生。他们就会老是跟着许多噪音在乱转。现在国内学理论物理的学生那么多，太多了，我看他们成功的机会很少。如果能真正对国外的发展作些切实的介绍，我看会更有意义。”①物理学和其他各门自然科学一样，正在发展之中，昨天的事情就是历史。了解过去，为的是把握住发展的脉络，预测未来的动向，从而端正自己的航向。杨振宁先生的讲话对我们物理学工作者很有实际意义，值得我们深思。二、学习和研究物理学史，要注重历史资料。说话要有根据，不可想当然，乱发挥。要从史实出发，从史料的分析中找结论，切不可拿史料来凑结论。物理学史是一门科学，我们要持科学态度，实事求是，忌主观武断，提倡严谨作风，这样才能使物理学史真正发挥指导和借鉴的作用。这一点对从事物理学史工作的人有现实意义，对学习者和任何与之有关的各门学科的研究者，也是应该注意的。三、学习物理学史不能代替本门业务的学习，只能对本科学习起辅助作用。物理学的课程基本上是按逻辑体系讲述，而物理学史则是按历史顺序编排。在横向联系的基础上再加一些纵向联系，使我们的知识立体化，知识就必然会得到加深和拓宽。这一补充确有价值，但不可喧宾夺主，否则就会本末倒置，变成夸夸其谈，舍本求末，失去了原来的用意。四、学习物理学史，不要满足于增添了某些历史知识，也不只是为了加深对物理概念和规律的认识，更重要的是要从物理学的发展中找观点，找方法，找榜样，从前人的经验中受到启发。为此我们的学习应该是：（1）靠自学，靠自己收集资料，自己研究，独立思考：（2）注重分析，开展学术争论，以开阔思路。切忌把物理学史的教学变成填鸭式，背诵条文，人云亦云。（3）要注意学会用历史的方法。历史方法是科学研究的重要方法之一。收集和分析历史资料，是科学研究的一项基本功。每一位年轻人在做学位论文时大概都要首先对本门学科作一历史的回顾和发展的综述，以说明自己工作的意义，这就是历史的方法，物理学史的学习可以帮助你掌握这个方法。五、找观点，就是学习前辈科学家在推动科学前进时是受什么思想支配的。他们为什么要研究这些问题？他们怎样看待这些问题？他们怎样处理理论与实验之间的分歧？他们怎样分析事物的矛盾？他们奋斗的目标是什么？例如：我们可以问问：他们追求的目标是什么？回答也许是：（1）自然界的统一性。牛顿把各种力归结为近距力和远距力，他把天体吸引力和地球重力统一到一起，归结为万有引力。而万有引力和电力，磁力之间的统一性虽未找到，却启示了后人发现电力和磁力的平方反比定律。奥斯特在1820年发现电流的磁效应，并非偶然，而是受19世纪一种科学思潮的影响，认为自然力是统一的。他在1803年曾说过：“我们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何现象的零散汇总，而我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”他一直在寻找电和磁这两大自然力之间的联系，终于在实验中观察到了电流的磁效应。法拉第也笃信自然“力”的统一性。在这一思想的推动下，他几经挫折，在1845年发现了磁场对光学偏振面的影响。这是第一个磁光效应，对电磁理论的发展起了相当大的作用。因为这个现象表明电，磁和光之间确实存在某种联系。他还信奉物理“力”的不可灭性和可转化性。他虽然在探索电力和重力之间的联系上未获成功，但他的思想发人深省。万有引力和电磁力以及其他几种力，例如弱相互作用和强相互作用能否取得统一，这正是当代物理学研究的重大课题之一。（2）物理学家追求的第二个目标是自然规律的普遍性。例如对守恒定律的认识就是如此。从古代起自然哲学就有守恒的观念。能量守恒与转化定律，质量守恒与质能转化，动量守恒与角动量守恒等定律（或原理），都是物理学深入发展和综合研究的结果，而守恒的实质在于对称性，例如：时间平移对称性（不变性）导致能量守恒；空间平移对称性（不变性）导致动量守恒；空间转动对称性（不变性）导致角动量守恒；电磁场在规范变换下的对称性（不变性）导致电荷守恒，等等。随着研究的深入，人们发现较低层次的对称性往往要进化到较高层次的对称性，相应的较低层次的守恒定律往往在一定条件之外并不守恒，而要归并到更高层次的守恒定律，例如：机械能守恒定律→能量守恒与转化定律→质能转化关系；1956年李政道，杨振宁发现宇称不守恒→CP联合守恒；1964年克罗宁发现CP联合不守恒→CPT联合守恒。从低级走向高级，从特殊走向一般，从表及里，从粗到精，这就是物理学进化的规律。（3）物理学家追求的第三个目标是理论与实验的统一。在物理学中有一条准则，就是检验理论的客观标准，不是别的，而是实验。许多物理学家对于刚出现的新理论往往持怀疑态度，但一经实验证实就转而站在新理论一边。不过这里也要指出，并不是所有实验都是正确无误的。个别实验难免会有错误或料想不到的误差，这时必须慎重对待。爱因斯坦在对待考夫曼的电子质量随速度变化的实验结果时就采取了正确态度。实验是检验理论的标准这一提法没有错，应该全面地理解。检验理论的标准并不就是指某个具体的实验，正确地应该说实验作为一个整体对理论起检验作用。六、找方法，就是从前辈科学家的创新活动中学习他们处理问题的方法。例如：他们是怎样抓住新课题，从而把握科学发展新动态，发现新规律，新现象；他们是怎样借鉴前人，总结历史的经验教训，从而找到新的途径；他们是怎样对待矛盾，从矛盾的对立中找到突破口；他们是怎样设计新实验，从而取得判决性实验结果的。具体的研究方法也很值得学习：对比方法是探索新现象的规律常用的方法。人们用移植的办法大大加快新兴领域的发展速度；理想实验是科学推理的重要手段，反证法也是逻辑推理的有力工具。方法有多种多样，为了达到某一目标，既可以采用这种方法，也可以采用那种方法，因势利导，辩证下药，通过物理学史的学习，可以进行比较，使自己从前人的活动中吸取经验，以利日后在需要时参考借鉴。你在平时注意学习研究，到了关键时刻，自会产生应有的作用。电子衍射的发现者之一.汤姆生指出：“研究科学史有许多理由，最好的理由是要从典型例子看科学发现是怎样作出的。我们需要了解许多实例，因为道路有各种各样，很难找到什么捷径”。七、找榜样，当然包括从各种典型案例中找典型人物，引为自己的榜样，树为自己的学习楷模。我这里指的是更广泛的涵义，既包括科学家的治学创业，也涉及他的为人处世。大科学家也是人，从小长大，各有其成长的过程。他们的成长道路对学生和教师有特殊的参考价值。科学家也有自己的喜怒哀乐。他对待困难和逆境的态度，他对名誉地位的看法，他坚持不懈，顽强拼搏的毅力，他灵活机动的风格，他敏锐的观察和一针见血的洞察力，他对祖国对人民的热爱，他的献身精神，等等，都值得我们学习和借鉴。榜样的力量是巨大的。我们当然可以抽象出他们成功的共同要素，提炼成几条座右铭，但是重要的并不在于现成的结论，而在真正有所体会，变成自己的信条。所以应该是自己去吸取经验，真正做到心悦诚服。最好能深入了解一两位或几位物理学家，以他们为榜样，并在自己的实践中努力照着榜样做，这样你就可以得到鼓舞自己的力量。1986年诺贝尔化学奖获得者李远哲说过，他以前爱看科学家传记，其中居里夫人特别令他感动。杨振宁在一次讲话中说：“常常有同学问我做物理工作成功的要素是什么？我想要素可以归纳为三个P：Perception， Persistence， and Power。“Perception”——眼光，看准了什么东西，就要抓住不放；“Persistence”——坚持，看对了要坚持；“Power”——力量，有了力量能够闯过关，遇到困难你要闯过去”。①爱因斯坦有一句名言，也许大家早就知道，有人问他成功的“秘诀”，他写了一个公式：A=X+Y+ZA代表成功，X代表艰苦的劳动，Y代表正确的方法，Z代表少说空话。这个公式概括了爱因斯坦的科学生涯。1979年诺贝尔物理奖获得者之一，弱电统一理论的提出者之一温伯格说过：物理学家很重要的一个素质是“进攻性”——对自然的“进攻性”。学习物理学史，要比读科学家传记，对科学家的认识来得更深刻、更全面，因为这样就可以从科学发展的历史背景中去了解科学家的一生，了解他的活动和他所发挥的作用。我们要正确认识人物的历史作用，不要盲目崇拜，不要把大科学家神秘化，以为望尘莫及，高不可攀。他们确实比我们高明，但并不是不可学，当然学了也未必能有他们那样的机会作出那样伟大的贡献，但是他们的精神总是可以运用到各种岗位上，指导你根据自己的条件做出相应的成就。最后一点是要把自己摆进去，使物理学史的学习形成促进自己前进的动力。学习物理学史，你应该有一种亲切感，似乎身临其境。那些历史人物和历史事件活生生地在你面前重现。你可以扪心自问，如果我自己处于那个时代遇到那样的问题我会怎样做，或者说今天我遇到类似的事情我该怎样做？当然由于时代的不同，前人和我们的境遇会有相当大的差别。但是只要你用历史的眼光，对历史的条件作恰当的分析，你还是可以从中吸取智慧的。学习物理学史可以使我们眼界开阔，思想活跃。学习物理学史还应该联系我们自己的使命。我们认识到科学与社会的关系，自然会增加发展我国科学事业的紧迫感。我们中国起步比人家晚，就应该研究人家发展的历史，了解人家走过的道路，以便迎头赶上，不重犯人家犯过的错误。

实物实验和思想实验相结合

现代物理教育观认为，知识是学生发展的载体，在教育教学过程中，最重要的不是学生学到了多少知识，而是对科学的亲近感，是掌握探索客观世界、进行科学研究的基本方法。物理学科的教学，应该把科学知识的传授和自然科学一般研究方法的训练很好地结合起来。在中学物理教学中涉及到的自然科学的一般研究方法，主要有观察、实验、抽象、理想化、比较、类比、假说、模型、数学方法等等。在物理课堂教学中，充分利用物理学史对学生进行自然科学的一般方法的训练是一个重要的途径。现举两例加以说明。一、利用物理教材中介绍的典型实验进行方法教育物理学史上不少著名的实验，如库仑扭称实验、卢瑟福-粒子散射实验、查德威克发现中子的实验等，限于设备，目前一般中学不能演示，但在教材里还是写上了。教材这样做，除了考虑到它们是重要规律，理论基础，并且有助于发展思维，还考虑到可以使学生从这些具体实例中领会物理实验的一般方法。例如，每个实验都包括提出实验任务，确定实验方法并研究如何实现，对得到的实验资料进行逻辑加工得出结论等阶段；实验的每个阶段都跟理论紧密交织着，都要用已有的理论来指导；科学仪器能帮助人们克服感觉器官的局限，使感性认识更加客观、精细、准确，因而科学仪器的设计，使用对实验的成功起重要（有时甚至是决定性的）作用。在课堂教学中，我们就要充分认识到这些著名实验的方法教育功能，要舍得化一些时间和功夫向学生介绍这些实验以及与这些实验相关的历史背景，使学生能从物理学史中得到震撼，感受物理学实验方法的魅力。例如，库仑扭秤实验的教学，课本上只是简单地向学生展示了该实验的装置，并做了简要的介绍，这一实验背后的许多知识学生是无从知道的。早在库仑进行扭秤实验的三十年前（即1755年），富兰克林就发现在带电的金属空腔中悬吊一个带电的小球时，带电小球不受力的现象，为了解释这一现象，他请别人帮着分析和演算，首先得出了电荷之间的相互作用力与电荷之间的距离平方成反比的假说。这个假说是否正确？是否应写成F∝1/r(2+δ)的形式？为了验证这一关系，1769年，罗宾逊采用直接测量的方法对两个点电荷之间的作用力进行了测定，发现当两个电荷带同种电荷时，测出的δ值大于零，当两个电荷带异种电荷时，测出的δ值小于零，δ值的数值约为左右，因此他推测δ的值应为零。1785年，库仑通过扭秤实验，做出δ≤4×10-2。在此之前的1772年，卡文迪许采用测电荷的方法，给两个同心且相连的金属球充电，达到一定的电压后，断开两球之间的连线，将一个球移到无限远处放电，通过测量另一个球的带电量来验证平方反比定律。他做出的结果是δ≤2×10-2。1864年，麦克斯韦改进卡文迪许的方法，通过测带电球的电位的方法，一下子将δ的测量值提高到δ≤5×10-5的量级。从此之后，关于δ值的测定都是由麦克斯韦的实验出发，加以改造，来提高测量的精度。目前最精确的测量是由三个物理学家在1980年完成的，测得δ≤10-19。为什么要进行如此长达二百多年的测量？为什么达到10-19的数量级后还不肯罢休？那是因为所有的电磁学的规律都是由平方反比规律为前提建立起来的，在近代物理中也有很大的关系，包括光子的静止质量是否为零。尽管目前的测量说明电荷之间的相互作用十分趋近平方反比规律，在平时的物理学习中完全可以这样使用该规律，但从科学的角度看，我们离平方反比定律还有一定的距离，甚至可能就是因为这一点距离，导致物理理论的重大影响。当我们在课堂教学中向学生介绍这些物理学家一步步的实验设计以及其中包含的丰富的科学研究的方法时，当我们向学生介绍为什么科学家要千方百计地进行δ值的精确测定时，学生必定会产生心灵上的震撼，这是简单的说教和照本宣科所产生的效果不能比拟的，科学品德教育也有机地渗透在物理学史的学习之中。二、利用物理学史揭示典型的物理方法例如唯象的方法、模型的方法，是物理学研究的重要方法之一，特别是研究物质结构类的课题时，常用此法。在学习原子结构的知识时，就要充分研究历史原子结构的发现历史，并通过教学使学生能通过对学史的学习体会物理学的典型方法。其中主要的物理史料有：1897年，发现电子之后，英国的J·J·汤姆逊就认为电子应该是原子的一部分。 1901年，法国的皮兰在一次讲演中，曾提到过“原子的结构有可能具有行星式结构”，这是一种直觉的猜测，所以也没有引起人们的注意。 1903年，汤姆逊提出了“均匀模型”，也称“葡萄干面包模型”。这一设想认为正电是一个均匀球体，而电子则均匀地分布在正电球体中。 1904年，日本的长冈半太郎认为电子是个实体，带正电的物体也是个实体，两者应该分开，受麦克斯韦的论文《论土星环的稳定性》的影响，提出具有土星式结构的假说。 1909年，卢瑟福的两位助手盖革和马斯登，在卢瑟福的指导下，做了a粒子散射实验，发现了一个重要的现象，就是大角度散射，有的a粒子的散射角可超过90度。实验结果，发现8000个a粒子中只有一个粒子发生大角度散射。这个结果用以前的唯象模型都无法解释。盖革与马斯登为此请教了导师卢瑟福，卢瑟福立即意识到，要解释这一大角度散射的结果，只有正电集中在一个很小的范围内，由于库仑静电斥力，才能使a粒子产生大角度散射。于是在1911年，卢瑟福提出了“原子的有核模型”，认为正电集中在核里，电子绕核运动。1913年，盖革与马斯登通过实验证明了卢瑟福提出的模型是对的。从上面这一非常简要的回顾中，可以清楚地看出，当研究物质结构类课题时，模型方法是个很重要的方法，它往往很直观，可以让人们想象出来。在应用模型方法时，一开始往往都是唯象的，根据某一个或某些现象，凭研究者的直觉、想象，有时还采用类比的方法，借助于其他学科其他分支学科中对某些问题的结论或图象，描绘出作者想要给出的图象、模型，用数学来处理有关问题，能解释一些现象，并能做出预言，那么这一假说就走上唯理的道路，使之上升为理论。物理学史在物理教学中有着十分重要的作用，即使在学生基本的科学研究的方法的培养方面，其作用也远不止以上两点。

我只知道苹果是怎么吃的