科学家的科学思想方法... 1

伽利略的科学思想方法... 1

开普勒的科学思想方法... 2

牛顿的科学思想方法... 2

爱因斯坦的科学思想方法... 5

科学家的科学思想方法

伽利略的科学思想方法

伽利略对运动的研究，创造了一套对近代科学的发展很有效、很具体的程序。这个程序由下列环节构成：对现象的一般观察一提出假设一运用数学和逻辑的手段得出推论一通过物理的或思想的实验对推论进行检验一对假设进行修正和推广等等。例如在自由落体运动的研究中，开始，他提出速度增量正比于通过距离的假设，经过简单的推理就否定了这一假设。然后又提出速度增量正比于时间间隔的假设，因为无法用实验直接检验这一假设，因此他由这一假设推导出距离与时间的关系，再用实验来验证这个关系，最后把由斜面实验证实了的这一结论推广到自由下落的情形。伽利略实质上使用了把实验和理论和谐地结合起来的方法，从而有力地推进了人类科学认识活动的发展。伽利略充分认识到这个研究方法的价值。他在《两门新科学》中写道：“我们可以说，大门已经向新方法打开，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里会博得许多人的重视。”  

 值得注意的是，在一些物理教科书和科普读物中广为流传着这样一种观点：伽利略靠在比萨塔上所做的落体实验奠定了运动学的基础。这个传说不仅违反了历史事实，而且是对伽利略研究方法的错误认识。事实表明，在整个研究过程中，逻辑推理、抽象分

析、数学演绎、科学假设、理想实验等理性思维方法起了决定性的作用。特别是理想实验方法在伽利略手中成了科学创造的一个奇妙的工具。他用“落体佯谬”的理想实验，从亚里士多德的“重物的下落比轻物为快”的原理导出了“重物的下落比轻物为慢”的悖论。他用“对接斜面”的理想实验推翻了亚里士多德关于“外力是物体维持其运动的原因”的教条，提出了“惯性原理”。可以这样说，这些理性思维的方法是他从对运动现象的观察通向发现运动规律的途径。

    爱因斯坦在为伽利略的《关于两个世界体系的对话》英译本写的序言里，曾经特别指出：“常听人说，伽利略之所以成为近代科学之父，是由于他以经验的、实验的方法来代替思辨的、演绎的方法。但我认为，这种理解是经不起严格审查的，任何一种经验方法都有其思辨概念和思辨体系；而且任何一种思辨思维，它的概念经过比较仔细的考察之后，都会显露出它们所赖以产生的经验材料。把经验的态度同演绎的态度截然对立起来，那是错误的，而且也不代表伽利略的思想……况且，伽利略所掌握的实验方法是很不完备的，只有最大胆的思辨才有可能把经验材料之间的空隙弥补起来。”总而言之，伽利略的方法是理论和实验相结合的方法。

    我们看到，伽利略在运动学和动力学上所作的工作，无论在历史上、科学上还是方法论方面都获得了伟大的成就。他在《两门新科学》中谦逊地说：“我认为更重要的是一门博大精深的科学已经出现，我的工作仅是一个开端，头脑比我敏锐的人们将开辟更多的途径和方法，以探知它深邃的奥秘。”对于伽利略所做出的奠基性的重要贡献，霍布斯(Hobbes)评价说：“他是第一个给我们打开通向整个物理领域的门的人。”爱因斯坦和英费尔德(Infeld)在《物理学的进化》中评论说：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真

正开端。”

                              摘自向义和编著《大学物理导论》上册p34－35

开普勒的科学思想方法

    开普勒关于天文学研究方法的特点，表现在尊重观察到的事实这种客观的态度上。起初他坚持把5种正多面体作为解释行星轨道大小的主要工具，后来改为依据第谷的观测数据讨论行星的轨道，在先验的圆形轨道模型与观测数据不一致时，他就抛弃了这一模型，采用了与观测数据吻合的椭圆轨道模型。他在《哥白尼天文学概要》一书中指出，对假说的唯一限制是这些假说必须是合理的。他认为提出假说的主要目的是“说明现象，及其在日常生活中的用途。”如果一个假说明显违背观察到的事实，决不允许用一些方便的假设去掩盖这一矛盾。在这个意义上，开普勒的科学属于现代科学，他比任何前人更加恭顺地服从准确而定量的观测证据。

    开普勒的另一个特点是他企图以几何和代数的语言即以数学公式来表达物理定律并获得成功。开普勒定律的表述是在科学史上物理定律应用于物体运动的第一个例子，也是运动物体动力学和数学紧密联系的第一个例子。自从开普勒的时代起，方程就作为物理定律的数学表示式自然地发展起来。

    开普勒的第三个特点是他不仅从事运动学的研究，而且还从事天体动力学的研究。他有这样的正确看法：尽管太阳不在几何学的中心点上，但是依然是物理学意义上的中心。在开普勒看来，支配着行星的力在太阳上，这种力就像光一样从太阳发出。

    1605年，开普勒在给一个朋友的信中写道：“我的目的在于证明：天上的机械不是一种神圣的，有生命的东西，而是一种像钟表那样的机械，正如一座钟的所有运动都是由一个简单的摆锤造成的那样，几乎所有的多重运动都是由一个最简单的，磁力的和物质的动力造成的。我也要证明，何以应当用数字和几何来表达这些物理原因。”这一设想虽然是错误的但是开普勒把可观察的实验现象作为出发点，从事实本身去寻求运动原因，这标志着近代物理学的主要特征之一。

开普勒定律不仅使得人们有可能比较详细地进一步研究行星运动的“运动学”问题，而且还有利于研究行星运动的“动力学”问题。它与伽利略对地上运动的研究一起为牛顿定律及其世界体系的建立奠定了基础。

                               摘自向义和编著《大学物理导论》上册p116－117

   牛顿的科学思想方法

    牛顿定律及其世界体系的建立，是人类认识客观世界过程牛的一次飞跃。美国科学史家Kuhn把它称为科学革命。如果日心访是第一次科学革命，牛顿力学就是第二次科学革命。科学革命是技术革命的先导，在牛顿的科学革命之后大约一百年，出现了18世纪末19世纪初的工业革命或产业革命。

    牛顿在《原理》中提出了力学的三大定律和万有引力定律，把地面上物体的运动和太阳系内的行星的运动统一在相同的物理定律之中，从而完成了人类文明史上第一次自然科学的大综合。它不仅标志了16，17世纪科学革命的顶点，也是人类文明、进步的划时代标志。它不仅总结和发展了牛顿之前物理学的几乎全部重要成果，而且也是后来所有科学著作和科学方法的楷模。牛顿的科学思想和科学方法对他以后三百年来自然科学的发展产生了极其深远的影响。

    牛顿的科学观是因果决定论的科学观。他认为天体运动的原因就是万有引力，行星运动的规律是由万有引力定律决定的。他根据万有引力定律成功地解释了行星、卫星和彗星的运动，直至最微小的细节，同样也解释了潮汐和地球的进动。在牛顿力学中只要知道质点在初始时刻的位移和速度，根据牛顿定律就可以预言其后时刻的运动情况，这是典型的因果描写。

    但是，在牛顿以前往往并不用因果论来解释自然现象，而用目的论来解释自然现象，即按照某种目的或结果来解释运动现象，而不是用力的原因作解释。牛顿采用因果性的解释在物理学的发展中是重要的一步。爱因斯坦指出：“在牛顿以前还没有实际的科学成果来支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。”牛顿建立了物理因果性的完整体系，从而揭示了物理世界的深刻特征。

    在决定论科学观的基础上，牛顿确立了他的物理框架，所谓物理框架就是对物理现象解释的一种标准。牛顿框架的核心是力和力所决定的因果性，认为找到了力的规律就是找到了对运动现象的解释。

    然而，在牛顿以前并不使用力的框架，而是“和谐性”的框架。在哥白尼一开普勒时期，他们追求的是和谐性，即寻找运动的和谐，认为找到了和谐就找到了解释，这种思想在这一时期发展到了顶峰。哥白尼之所以怀疑托勒密体系，主要是他认为托勒密体系很不和谐，在托勒密体系中行星有时逆行。如果将中心从地球移到太阳，则行星的运动更加和谐。正如哥白尼说的显示了“令人欣赏的对称性”和“清晰的和谐性”。

    到了牛顿一代，不再采用和谐性框架，不再认为寻找“和谐”就是寻找对运动现象原因的解释，牛顿认为找到了力才是找到了对运动现象的解释。以后的物理学家主要依据力的框架进行工作。爱因斯坦指出：“直到19世纪末，它一直是理论物理学领域中每个工作者的纲领。…这个物理学框架在将近二百年中给予科学以稳定性和思想指导。”沿用牛顿的框架发展到顶峰的是麦克斯韦，麦克斯韦坚持牛顿的力的框架，他建立了电磁学的力学模型，企图用以太中的力来解释电磁现象，发展电磁理论，后来，他不再采用力学模型，而是用电磁场的概念来分析问题，这反映出框架的变化。

    牛顿在科学研究中坚持以经验为基础，他认为在没有从观察和实验中发现引力之原因时，决不杜撰假设。牛顿的“不杜撰假设”具有方法论的意义，这种方法论与他同时代的大多数人所遵循的方法迥然不同。牛顿的同时代人都追随笛卡儿探索自然现象的原因，构筑引力的机制。而牛顿则不然，他所关心的不是引力“为什么”会起作用，而是“如何”在起作用。他的目的是寻求引力所遵从的规律，提出准确的数学描述，证明行星系统如何依赖于引力定律。

    但是，牛顿的认识路线也不同于受经验主义影响很深的胡克的认识路线。胡克强调从实验上去探求引力定律，忽视数学推理能必要性。他的表述停留在定性认识上，缺乏定量的成分。他没有认识到当时更需要的是数学推理，而不是实验，因为所有行星运动的实验资料都已总结在开普勒定律之中，而胡克面对实验事实，迟迟不能提出物理模型，进行数学推导，从而确立力的定律。这是他在方法论上不如牛顿的地方。

    牛顿所遵循的认识途径是从实验观察到的运动现象去探讨力的规律，然后用这些规律去解释自然现象。正如他在《原理》一书的前言中写道：“我奉献这一作品，作为哲学的数学原理，因为哲学的全部责任似乎在于——从运动的现象去研究自然界中的力，然后从这些力去说明其它自然现象。”爱因斯坦对牛顿的科学认识道蹈给予了高度的评价。他在《自述》一文中写道：“你(指牛顿)所发瑚的道路，在你那个时代，是一位具有最高思维能力和创造力的人所

能发现的唯一的道路。”

    牛顿的科学认识道路对以后物理学的发展产生了深刻的影响，许多物理学家都沿着牛顿的道路进行工作。1827年，安培在《电动力学理论》一书中，阐述了他处理电磁现象的方法：从观察事实出发，撇开力的性质的假说，推导出这些力的表达式，确立一般规律。最后他明确指出：“这就是牛顿所走过的道路，也是对物理学做出重大贡献的法兰西知识界近来普遍遵循的途径。”

    牛顿研究方法的一大特点是对错综复杂的自然现象敢于简化，善于简化，从而建立起理想的物理模型。宇宙间星体的相互影响是无限复杂的，每个星体都是一个引力中心，所以它是一个相互作用的多元的复杂系统；而且每个星体都有一定的形状和大小；每个“行星既不完全在椭圆上运动，也不在同一轨道上旋转两次。”面对这一情况，不采用简化模型予以分别处理是极为困难的。1684年，牛顿在《论微粒》一书中指出：“同时考虑所有这些运动之起因，是整个人类智力所不能胜任的。”牛顿是怎样对这一复杂系统进行简化的呢?他采用的简化模型的步骤是：从圆运动到椭圆运动，从质点到球体，从单体问题到两体问题。他一次又一次地将他的理想模型与实际比较，再适当加以修正，最后使物理模型与物理世界基本符合。所以牛顿的万有引力定律既解释了为什么行星的运动近似地遵守开普勒定律，又说明了为什么它们又是那样或多或少偏离开普勒定律。

    牛顿把一切物体间的引力归结为粒子间引力的思想，对以后的物理学家影响很大，19世纪20年代，毕奥、萨伐尔和安培在研究电流之间的作用时，总是把它们归结为电流元之间的作用力。

    牛顿研究方法的另一特色是运用形象思维的方法，进行创造性的思维活动，他构思了一些神奇理想实验，创造了新的物理图象，来揭示天体运动与地面上物体运动的统一性。

    牛顿在他的《原理》第三篇一开始处，就写出了4条“哲学中的推理法则”，高度地概括了他的研究方法。

    法则1  寻求事物的原因，不得超出真实和足以解释其现象者。

    法则2  因此对于相同的自然现象，必须尽可能地寻求相同的原因。

    法则3物体的特性，若其程度既不能增加也不能减少，且在实验所及范围内为所有物体所共有，则应视为一切物体的普遍属性。

    法则4在实验哲学中，我们必须将由现象所归纳出的命题视为完全正确的或基本正确的，而不管想象所可能得到的与之相反的种种假说，直到出现了其它的或可排除这些命题，或可使之变得更加精确的现象之时。

    以上的法则1可称为简单性法则，用牛顿的话说就是“自然界喜欢简单性。”他创建的牛顿运动定律和万有引力定律在内容和数学形式上都体现了简洁性。不作“多余原因的侈谈”，“言简意赅才见真谛”。法则2和法则3可称为统一性法则。牛顿正是按照这两

条法则把天上运动和地上运动统一起来，并确立了引力普适性的概念。法则4是关于认识的真理性法则，牛顿认为从现象归纳出的命题，从它们源于实验又为实验所证明来看，是“精确真实的”，“完全正确的”，从实验证明的局限性来看，从在每一认识阶段上人们

都是在根据部分的或有限的资料从事工作上来看，又是不完备的，有待于发展的。

    关于法则4里所讲的归纳方法，牛顿还在《光学》书末最后一条疑问里，做出如下较详细的说明：“在自然哲学里，应当像数学里一样，在研究困难的事物时，总是先用分析的方法，再用综合的方法。这种分析方法包括进行实验和观察，并且用归纳法从中推出普

遍结论……用这样的分析方法，我们可以从复合物推知其中的威分，从运动推知产生运动的力；并且一般地说，从结果推知原因，从特殊原因推知更普遍的原因，一直到最普遍的原因为止。这就是分析的方法；而综合的方法则包括设定已经发现的原因，并且把它们确立为原理，再用这些原理去解释由它们而发生的现象，并且证明这些解释的正确性。”

    这里牛顿所讲的分析和综合的方法，就是归纳和演绎的方法。凭着这一方法，就可以完成从特殊到一般，再从一般到特殊的认识过程。人们在探索物质运动规律的过程中，归纳的过程就是通过对运动的研究，探索自然界力的规律的过程，演绎的过程就是运用已知力的规律，去计算物体的运动，做出明确预见的过程。万有引力定律的建立和海王星的发现就是运用归纳一演绎法的一个光辉的范例。牛顿的科学思想和科学方法不仅使他少走弯路，发现了万有引力定律，而且深刻地影响着以后物理学家的思想、研究和实践的方向。这说明科学思维方法的极端重要性。从物理学的重大发现中吸取科学思想、科学方法的营养，对提高我们提出问题、分析问题和解决问题的能力都是大有裨益的。

牛顿对人类的贡献是巨大的。然而牛顿却能清醒地评价自己的一生。他对自己所以能在科学上有突出的成就以及这些成就的历史地位有清醒的认识。他曾说过：“如果说我比多数人看得远一些的话，那是因为我站在巨人们的肩上。”在临终时，他还留下了这样的遗言：“我不知道世人将如何看我，但是，就我自己看来，我好像不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为找到一个比通常更光滑的卵石或更好看的贝壳而感到高兴，但是，有待探索的真理的海洋正展现在我的面前。”

                               摘自向义和编著《大学物理导论》上册p138－142

爱因斯坦的科学思想方法

    爱因斯坦在青年时代所以能够在科学上做出划时代的贡献， 是与他的科学思想、科学方法分不开的。他一生都非常关注对科学发现中的认识论和方法论的讨论，他晚年在“自述”中写道：“像我 这种类型的人，一生中主要的东西，正是在于他想的是什么和他怎样想的，而不在于他所做的或者所经受的是什么。”这说明科学思 想和科学方法对于他取得的科学成就的巨大作用。

   爱因斯坦的科学思想与科学方法有以下基本特点。

    第一，他坚持了自然科学的唯物主义传统。表现在他的认识论 和自然观上，他相信在我们之外有一个独立于我们的客观世界。据他在“自述”中回忆说，12岁时读了一部通俗的自然科学读物后， 就相信“在我们之外有一个巨大的世界，它离开我们而独立存在，它在我们面前就像一个伟大而永恒的谜，然而至少部分地是我们 的观察和思维所能及的。对这个世界的凝视和深思，就像得到解放一样吸引着我们……在向我们提供的一切可能范围里，从思想上 掌握这个在个人以外的世界，总是作为一个最高目标而有意无意

    ·332·地浮现在我的心目中。”爱因斯坦在他整个的科学探索过程中，始

  终坚持着这一信念，这是他的科学探索方法的一个前提。

    他在科学研究中坚持以实验事实为出发点，反对以先验的概 念为出发点。他在“自述”中谈到，他在大学时代的大部分时间是在实验室中渡过的，“迷恋于同经验直接接触。”他反对以先验的概念为出发点，提倡“唯有经验能够判定真理”。当迈克耳孙实验的零结果使物理学家大为震惊、失望，纷纷起来修补经典理论基础这个旧船的漏洞的时候，爱因斯坦大声疾呼：“让我们仅仅把它当作一个既成的实验事实接受下来，并由此着手去做出他应得到的结论。”他在1921年谈到他的相对论时说：“这理论并不是起源于思辨；它 的创建完全由于想要使物理理论尽可能适应于观察到的事实。”

    爱因斯坦不仅把实验事实作为认识的出发点，而且也把它作为定义基本物理量的方法。他指出牛顿的绝对时间概念之所以错 误，就在于它不是以实验事实来定义，不能被观察到。他借助于量尺、时钟和假想的物理实验，得到了“同时”或“同步”以及时间的操作定义。爱因斯坦这一思想方法对后来量子力学的建立产生了很大的影响。海森伯(Heisenberg，1901年一1976年)在创建矩阵 学时就强调要以可观察量为出发点，批判了旧量子论中以不可观 察的原子内部的电子轨道为出发点。

    第二，爱因斯坦的科学思想体现了物质世界统一性的思想。自19世纪能量守恒定律发现后，许多物理学家都相信物质世界的统一性。爱因斯坦则把探索和理解自然界的这种统一性作为他的最 高目的，并贯穿于整个探索过程中。正是因为他对自然界的统一性 具有强烈的深挚的信念，所以他在1905年发表的几篇文章，都具有同一风格，在文章的起始都提出了不对称性问题，即统一性遭到 破坏的问题。狭义相对论的第一篇论文“论动体的电动力学”开头的第一句就是：“大家知道，麦克斯韦方程应用到运动的物体上时， 就要引起一些不对称，而这些不对称似乎不是现象所固有的。”这里说的“不对称”，是指牛顿力学中普遍成立的伽利略变换在电动力学中不成立。他认为这种不对称并不是自然界所固有的，问题出 在这一变换所赖以建立的基础——牛顿的绝对时间、绝对空间的 概念。经过时空观念上的初步变革，确立了时间和空间的内在联 系，建立了洛伦兹变换，这种不对称就消失了。狭义相对论的建立进一步暴露了惯性系和非惯性系在物理理论中的不对称地位，经过时空观念上的彻底变革，确立了时空与运动着的物质之间的不可分割的联系，即建立了广义相对论后，这种不对称又消失了。

    第三，爱因斯坦具有追求真理的探索精神。他善于运用思维的洞察力，深入揭露事物的本质。他往往在别人习以为常的现象中看出了不平凡，在别人认为没有问题的地方看出了问题。晚年在普林斯顿时，德国物理学家弗朗克(Frianck)问他是怎样创立相对论的，他回答道：“空间时间是什么，别人在很小的时候早就已搞清楚了；但我智力发育迟，长大了还没有搞清楚，于是一直在揣摩这个问题，结果也就比别人钻研得深一些。”他并不早慧，但想得很深。他从小富有探索精神，“追光”这一问题就使他沉思了10多年。他常用德国剧作家莱辛的一句名言来勉励自己：“对真理的追求要比对真理的占有更为重要。”

    第四，爱因斯坦注意发展创造性思维能力和独立思考能力。他曾说：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看问题，都需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”他还说：“发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。”这段话，一方面说明了知识与能力的密切关系，同时更强调了能力的重要性。他说：“科学的现状不可能具有终极的意义”，因此对于前人的科学文化遗产就应当批判地加以

继承。当旧的理论、旧的概念与新的现象和事实相矛盾的时候，就应当独立思考，独立分析，独立判断，冲破传统观念的束缚，开辟科学的新天地。爱因斯坦创立狭义相对论的过程就是突出的一例。

    爱因斯坦的逻辑思维能力和创造能力是惊人的。他本人对天才的解释是A—z+了+z，A表示成功，z表示艰苦劳动，y表示正确的方法，而z则表示少说空话。这个公式概括了爱因斯坦的科学生涯。

    爱因斯坦不仅在物理学上做出了杰出的贡献，在科学思想、科学方法上给我们许多启迪，而且他关于人与社会关系的观点也是非常富有教育意义的。1945年5月他在“为什么要社会主义”一文中说：“是社会供给人以粮食、衣服、住宅、劳动工具、语言、思想形式和大部分的思想内容；通过过去和现在亿万人的劳动和成就，他才可能生活，而这亿万人全部都隐藏在‘社会，这两个小小字眼的背后。”他在30年代初写的“社会和个人”一文中指出：“个人之所以成为个人，以及他的生存之所以有意义，与其说是靠着他个人的力量，不如说是由于他是伟大人类社会的一个成员，从生到死，社会都支配着他的物质生活和精神生活。”由此，我们清楚地看到，爱因斯坦对人与社会的关系有十分明确的观点，就是个人不能离开社会而存在，个人的存在依赖于整个社会从历史到现实，从物质到精神的创造成果。

    正是在这样的社会历史观的基础上，爱因斯坦在他的“我的世界观”一文中指出：“人是为别人而生存的。”“我的精神生活和物质生活都依靠着别人的劳动，我必须尽全力以同样的分量来报偿我所领受的和至今还在领受着的东西。”又说：“一个人的价值首先取决于他的感情、思想和行动对增进人类利益有多大作用。”爱因斯坦的这种人的价值观在我们今天这个社会里也是具有教育意义的。爱因斯坦的著名格言是：“人只有献身于社会，才能找出那实际

上是短暂而有风童的生命的意义。“

                           摘自向义和编著《大学物理导论》上册p332－335