一、物理學的發展
物理學是研究物質不同層次的結構、相互作用和運動的基本規律的科學。它的內容包括:小自基本粒子、大至天體以及各種場的結構;萬有引力、電磁、強和弱作用等相互作用;機械、熱、光、電、磁等相互關聯和相互轉化的運動形式的基本規律。
物理學是人類社會實踐的產物,是隨著人類社會實踐的發展而產生形成和發展的。物理學的發展,經歷了從萌芽時期、經典物理學時期到現代物理學時期的發展階段。它的研究內容、研究方法和基本觀念都不斷地發生著深刻的變化。在古代,物理學只是「自然哲學」的重要組成部分,物理學一詞的英文 physics來源於希臘文pυ,意即「自然」,直到十六世紀以後,它才與哲學分離開來。自從物理學成為一門獨立的學科之後,它的硏究領域就在不斷地開拓著,逐漸建立起了力學、光學、熱學、電學、相對論、量子力學、粒子物理學等物理學基礎部門;每個基礎部門,又不斷地形成許多新的分支。本世紀以來,物理學的基本理論和方法又不斷地向其他研究領域滲透,並把一些部門從物理學中分化出來,形成一系列獨立的新學科物理學總是同它的相鄰學科,如天文學、化學等密切相關而發展的,數學早已成為物理學理論的表述和研究的重要工具。微積分、微分方程和概率論的產生,促進了分析力學、流體力學、電磁場理論和統計物理學的發展;非歐幾何和張量理論,為廣義相對論提供了描述的手段;矩陣方法和希爾伯特空間的應用,使量子力學理論得到迅速的發展。數學在物理學中的應用,不僅在於它是有效的計算手段,更主要的還在於它所獨具的抽象能力,它為物理學家提供了進行抽象思維的語言和工具。當然,物理學的發展向數學提出的問題,也經常成為推動數學發展的重要源泉。
物理學和哲學之間存在著非常特殊的關係。由於物理學是自然科學的基礎學科,物理學規律是自然界最基本和最普遍的規律,所以,物理學的研究成果總會直接推動哲學的發展;同時,哲學則給物理學家提供思維的工具和準則,物理學上的重大突破往往來自思想突破和哲學的啟示。忽視哲學的指導作用,只能使物理學的發展受到阻礙物理學是一門實驗科學。物理學理論是建立在定量實驗基礎之上的,
由於任何實驗都不可能是絕對精確的,更重要的是因為不可能弄清每現象和別的現象之間的全部聯繫,所以得出的結論只能是近似的,只在一定的範圍內才是適用的。這就決定了任何物理學理論的近似性、條件性和相對性,決不能把它們當作無條件的東西加以絕對化。人們對客觀物理現象的認識,總是從不知到知,從不完全的知到比較完全的知,從相對真理不斷向絕對真理趨近,但永遠不能最終完成這個過程。
事實表明,科學的發展既與生產實踐、經濟發展有關,又與科學實驗的發展以及人們探索自然奧秘的思想活動有關。只有當這兩方面的動因協同活動時,科學才能取得正常的進步。
物理學的發展是一個繼承與突破交互作用的證過程,既包含有進步式的量的積累,又包含有飛躍式的質的變革。物理學發展的歷史表明,物理旳發展與物理字知識堇旳枳累有夭,母一個重大突破都是以積累和繼承為前提的,同時又包含著對舊觀念和舊理論的批判與揚棄。物理學發展中經常發生的以比較正確的理論代替錯誤的理論,以比較全面的理論代替片面的理論,以更為深入的理論代替比較初級的理論,都不是對舊理論的簡單的否定,而是一種積極的揚棄過程。它既要吸收和保留舊理論中合理的、正確的成份,又要突破舊概念的限制,把理論體系建立在新的觀念基礎上。積累的量變不會單調地走向無窮髮散;變革的質變也不會割斷認識發展的鏈條。這兩種過程的辯證統一,使科學形成一種波浪式的發展進程。
二、物理學發展的三個時期
物理學是隨著人類社會實踐的發展而產生、形成和發展起來的,它經歷了漫長的發展過程。縱觀物理學的發展史,根據它不同階段的特點,大致可以分為物理學萌芽時期、經典物理學時期和現代物理學時期三個發展階段。
(1)物理學萌芽時期
在古代,由於生產水平的低下,人們對自然界的認識主要依靠不充分的觀察,和在此基礎上進行的直覺的、思辨性猜測,來把握自然現象的一般性質,因而自然科學的知識基本上是屬於現象的描述、經驗的總結和思辨的猜測。那時,物理學知識是包括在統一的自然哲學之中的在這個時期,首先得到較大發展的是與生產實踐密切相關的力學,如靜力學中的簡單機械、槓桿原理、浮力定律等。在《墨經》中,有力的概念(「力,形之所以奮也」)的記述:光學方面,積累了關於光的直進、折射、反射、小孔成像、凹凸面鏡等的知識。《墨經》上關於光學知識的記載就有八條。在古希臘的歐幾裡德(公元前450-380)等的著作中也有光的直線傳播和反射定律的論述,並且對光的折射現象也作了一定的硏究。電磁學方面,發現了摩擦起電、磁石吸鐵等現象,並在此基礎上發明了指南針。聲學方面,由於音樂的發展和樂器的創造,積累了不少樂律、共鳴方面的知識。物質結構和相互作用方面,提出了原子論、元氣論、陰陽五行說、以太等假設在這個時期,觀察和思辨雖然是人們認識自然的主要手段和方法,但也出現了一些類似於用實驗來研究物理現象的方法。例如,我國宋代沈括在《夢溪筆談》中的聲共振實驗和利用天然磁石進行人工磁化的實驗,以及趙友欽在《革象新書》中的大型光學實驗等就是典型的事例。
總之,從遠古直到中世紀(歐洲通常把五世紀到十五世紀叫做中世紀末,由於生產的發展,雖然積累了不少物理知識,也為實驗科學的產生準備了一些條件並做了一些實驗,但是這些都還稱不上系統的自然科學研究。在這個時期,物理學尚處在萌芽階段
(2)經典物理學時期
十五世紀末葉,資本主義生產關係的產生,促進了生產和技術的大發展;席捲西歐的文藝復興運動,解放了人們的思想,激發起人們的探索精神。近代自然科學就在這種物質的和思想的歷史條件下誕生了。系統的觀察實驗和嚴密的數學演繹相結合的研究方法被引進物理學中,導致了十七世紀主要在天文學和力學領域中的「科學革命」。牛頓力學體系的建立,標誌著近代物理學的誕生。整個十八世紀,物理學處在消化、積累、準備旳漸進階段。,的枓學思想、萬法和理論,得到∫傳播、完善和擴展。牛頓力學完成了解析化工作,建立了分析力學;光學、熱學和靜電學也完成了奠基性工作,成為物理學的幾門基礎學科。人們以力學的模型去認識各種物理現象,使機械論的自然觀成為十八世紀物理學的統治思想。到了十九世紀,物理學獲得了迅速和重要的發展,各個自然領域之間的聯繫和轉化被普遍發現,新數學方法被廣泛引進物理學,相繼建立了波動光學、熱力學和分子運動論、經典電磁場理論等完整的
解析式的理論體系,使經典物理學臻於完善。由物理學的巨大成就所深刻揭示的自然界的統一性,為辨證唯物主義的自然觀提供了重要的科學依據。
(3)現代物理學時期
十九世紀末葉物理學上一系列重大發現,使經典物理學理論體系本身遇到了不可克服的危機,從而引起了現代物理學革命。由於生產技術的發展,精密、大型儀器的創製以及物理學思想的變革,這一時期的物理學理論呈現岀高速發展的狀況。研究對象由低速到高速,由宏觀到微觀,深入到廣垠的宇宙深處和物質結構的內部,對宏觀世界的結構、運動規律和微觀物質的運動規律的認識,產生了重大的變革。相對論的量子力學的建立,克服了經典物理學的危機,完成了從經典物理學到現代物理學的轉變,使物理學的理論基礎發生了質的飛躍,改變了人們的物理世界圖景。1927年以後,量子場論、原子核物理學、粒子物理學、天體物理學和現代宇宙學,得到了迅速的發展。物理學向其它學科領域的推進,產生了一系列物理學的新部門和邊緣學科,並為現代科學技術提供了新思路和新方法。現代物理學的發展,引起了人們對物質、運動空間、時間、因果律乃至生命現象的認識的重大變化,對物理學理論的性質的認識也發生了重大變化。現在越來越多的事實表明,物理學在揭開微觀和宏觀深處的奧秘方面,正醞釀著新的重大突破。現代物理學的理論成果應用於實踐,出現了象原子能、半導體、計算機、雷射、宇航等許多新技術科學。這些新興技術正有力地推動著新的科學技術革命,促進生產的發展。而隨著生產和新技術的發展,又反過來有力地促進物理學的發展。這就是物理學的發展與生產發展的辨證關係。
三、物理學的科學研究方法
伽利略是物理科學方法論的創始者,牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦等物理學家都對物理學的研究方法作出了重要貢獻。目前,物理學已形成了許多新的分支,隨之也出現了與之相應的新的研究方法。但是,就中學物理的內容來說,其主要內容還是經典物理學的基礎知識,以及與之相適應的經典物理學的基本研究方法。一般說來,這種方法主要是以觀察、實驗為基礎,經過科學抽象,運用數學工具,概括總結出經驗定律,提出假說,進一步發展成為理論,再經實驗的檢驗,循環往復,使之不斷豐富,不斷深化,不斷完善。
從物理學的發展歷史來看,隨著物理學研究內容的變化,物理學的在線客服研究方法也在變化著,不斷得到豐富和提高。在古代,人們主要是靠不充分的觀察和簡單的推理,直覺地、笠統地去把握物理現象的一般特性。