大物理学家的思维方式

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大物理学家的思维方式

数学经纬网 2022-02-17 22:00

以下文章来源于科学出版社 ，作者廖玮


▲ 伽利略

科学研究的重点不是对已经发展出来的理论的应用，而是前往全新的未知领域去做出新的发现，去发展出新的概念、新的思想和新的理论。在全新的未知领域，人们常常没有合适的概念和合适的工具帮助思考。在这种困难的情况下开拓出新的领域并得到正确的新知识是巨大的挑战，需要巨大的创造力。物理学正是在未知领域探索的科学，物理学丰富的历史为如何在未知领域探索提供了很多值得学习的范例。伽利略在其对匀加速运动的研究中展示的研究模式是其中一个杰出的典范。

伽利略研究模式的一个核心特色是最终用实验来检验自己的思想。这种借助实验进行思考、纠正思维并发现规律的方法是伽利略那个时代的新思维模式，也是人类历史上的全新思维方式。在伽利略之后，现代物理学得以诞生。


▲ 伽利略追溯原理的思维方式

现在很难知道这种对实验的认识是如何诞生的。但是，我们可以肯定的一点是，在伽利略的年代，这种对实验在发现真理中的作用的认识达到了自觉。这种自觉体现在伽利略、开普勒的研究中，也体现在伽利略和培根著作之中。距伽利略的时代几十年之后，牛顿又以《自然哲学的数学原理》把这种研究方法结出的丰硕成果编织成了一个具有普遍意义的理论体系，统一了天上和地上的物理规律。这些成就最终证实了物理学的研究方法的有效性，确立了物理学作为一个实验科学的特色和地位。

我们把伽利略、开普勒和牛顿所倡导实行的这种借助实验发现自然规律的方法称之为科学方法。但是，伽利略、开普勒和牛顿的具体研究方法也有一些不同之处。我们可以将其特色做如下大致概括。

开普勒：在现象中发现经验规律。

伽利略：猜测隐藏在现象背后的规律，找到推论，用实验检验推论，从而发现规律。

牛顿：把经验规律进一步抽象化，形成原理，构造具有普遍性的理论体系，与更多现象建立联系。

值得注意的一点是，人们常常混淆开普勒的研究模式和伽利略研究匀加速运动的研究模式，而没有注意到伽利略的这个研究模式与平常说的“从实验和观测中提炼出规律”的说法是不同的。这种说法实际上对应的是开普勒的研究模式。然而，伽利略的研究模式才是更具普遍性的研究模式和思维模式。这是因为，物理规律常常是隐藏在现象之后的，很难从现象中直接发现出来。像开普勒那样在天文观测中发现行星运动规律的机会十分少见。此外，像牛顿那样把经验规律普遍化和系统化的机会也是很少的。这种机会要等到大量的相关经验规律被发现之后才有可能。伽利略的方法是，借助由经验形成的直觉猜测规律，再通过推论和实验检验规律。这是更加常用的思维方式，可以用于发现多数的经验规律。所以，可以说伽利略所提供的这个思维范本具有更大参考价值。有证据表明，这种思维方式也是在未知领域探索的大物理学家们的通用思维方式。

蓝志成教授曾经给我讲起美国女物理学家 Nina Byers 的一个故事：

费曼(Feynman) 和施温格(Schwinger) 是令美国人为之骄傲的两位大物理学家，曾因对量子电动力学的贡献获得诺贝尔物理学奖。

许多人认为他们两人是天才，以为费曼无须数学推导仅凭物理猜想就可以得到正确结果，而施温格在不借助物理图像的情况下，仅凭数学推导就能够得到一些神奇的结论。


▲ 费曼(Feynman) 和施温格(Schwinger)

Nina Byers 与他们两人都合作过。在谈到两人时她说：其实他们和我们一样，为了接近真相，也需要尝试多种不同的方法；只有在使用了多种不同方法得到同样的结论之后，他们才会确信自己的结论有很大的可能性是正确的。他们两人的不同之处在于：在发表的论文中，费曼只写出有关物理的部分，而施温格只写出有关数学的部分。

人们因此认为他们用很少的方法就能破解难题，得到正确的结论，是不可思议的天才。但是这其实只是假象。

可以看到，费曼和施温格虽然是纯粹的理论物理学家，但是他们的思考方式与伽利略实际上很类似！

此外，可以注意到直觉和数学是物理学家思考问题的两种方式。在前沿科学研究中，人们常常处于非常困难的情况之下，有的时候没有合适的数学和合适的概念处理问题，这个时候可以依靠直觉，有的时候直觉不对或者不清楚，这个时候可以依靠数学推理。直觉和数学是物理学家思考问题的两个支柱，帮助我们走向远方。

戴森曾经说起一个很有意思的故事，对此有生动的说明。他说他曾经有一个理论，他很自得地去向费米介绍他的理论。在听了他的介绍之后，费米对戴森说：“有两种好的物理，一种是有清晰的物理图像，一种是有严格的数学，你的理论是两者都不是。”戴森后来总结说，从费米这一句话里学到的东西比从奥本海默那里学了20 年学到的东西还要多。

本文摘编自《科学思维的价值：物理学的兴起、科学方法与现代社会》（廖玮著. 北京：科学出版社，2021.8）一书“第 4 章物理学作为实验科学的诞生”，有删减修改。