狹義相對論的基本原理精選(九篇)

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第1篇：狹義相對論的基本原理范文

一、理論物理學的重要方法

探索性的演繹法是理論物理學的重要方法。

在愛因斯坦看來，理論物理學的完整體系是由概念，被認為對這些概念是有效的基本原理(亦稱基本假設、基本公設、基本定律等)，以及用邏輯推理得到的結論這三者所構成的。因此，理論物理學家所運用的方法，就在于應用那些作為基礎的基本原理，從而導出結論；于是，他的工作可分為兩部分：他首先必須發現原理，然后從這些原理推導出結論。對于其中第二步工作，他在學生時代已得到很好的訓練和準備。因此，如果在某一領域中或者某一組相互聯系的現象中，他的第一個問題已經得到解決，他就一定能夠成功?？墒堑谝徊焦ぷ?，即建立一些可用來作為演繹的出發點的原理，卻具有完全不同的性質。這里并沒有可以學習的和可以系統地用來達到的的方法?？茖W家必須在龐雜的經驗事實中間抓住某些可精密公式來表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍原理。

愛因斯坦指出，一旦找到了作為邏輯推理前提的基本理，那么通過邏輯演繹，推理就一個接著一個地涌現出來它們往往顯示出一些預料不到的關系，遠遠超出這些原理依據的實在的范圍。但是，只要這些用來作為演繹出發點原理尚未得出，個別經驗事實對理論家是毫無用處的。實際上，單靠一些從經驗中抽象出來的孤立的普遍定律，他甚至么也做不出來。在他沒有揭示出那些能作為演繹推理基礎原理之前，他在經驗研究的個別結果面前總是無能為力。

愛因斯坦把物理學理論分為兩種不同的類型，其中之一是“原理理論”。建立這種理論使用的是分析方法，而不綜合方法。形成它們的基礎和出發點的元素，不是用假設造出來的，而是在經驗中發現到的，它們是自然過程的普遍特征，即原理。這些原理給出了各個過程或者它們的理論表述所必須滿足的數學形式的判據。熱力學就是這樣力圖用分析的方法，從永動機不可能這一普遍經驗得到的事實出發，推導出一些為各個事件都必須滿足的必然條件。用探索的演繹法建立起來的相對論，就屬于“原理理論”。但是物理學理論大多數是構造性的。它們企圖從比較簡單的式體系出發，并以此為材料，對比較復雜的現象構造出一幅圖像。氣體分子運動論就是這樣力圖把機械的、熱的和擴散的過程都歸結為分子運動——即用分子假設來構造這些過程。當我們說，我們已經成功地了解一群自然過程，我們的思想必然是指，概括這些過程的構造性的理論已經建立起來了。愛因斯坦認為，構造性理論的優點是完備，有適應性和明確，原理理論的優點則是邏輯上完整和基礎鞏固。

相對論就是愛因斯坦自覺地運用探索性演繹法的杰作。它不僅以其革命性的新觀念和卓有成效的理論結果為人津津樂道，而且它所體現出的科學方法的新穎、精湛以及理論的邏輯結構的嚴謹，也令人嘆為觀止。愛因斯坦在創立狹義相對論(1905)時，他依據的僅僅是光行差現象和斐索實驗這兩個并不充分的實驗材料，著名的二階以太漂移實驗即邁克耳孫-莫雷實驗，對他并沒有直接影響。他主要通過對16歲時想到的“追光”思想實驗的沉思，對經典力學和經典電動力學基礎的深入考察，發揮了思維的自由創造，提出了兩個基本假設——相對性原理和光速不變原理(美國著名科學史家霍耳頓認為，在狹義相對論中，除了被提高為公設的兩個基本原理外，愛因斯坦還作了另外四個假定：一是關于空間的各向同性和均勻性，另外三個是定義鐘的同步的三個邏輯性質。霍耳頓的學生米勒后來指出，另外的四個假定也是兩個基本原理的必然結果，他們不是獨立的假設。然后，他以此為邏輯前提，接二連三地推導出了關于運動學和電動力學的結論，著名的質能關系式是他先前根本沒有料想到的，這些結論大大超出了兩個原理所依據的實在的范圍。廣義相對論(1915)的建立也是這樣。作為廣義相對論的兩個基本原理，即廣義相對性原理和等效原理，前者是愛因斯坦基于把相對性原理貫徹到底的信念（從慣性系推廣到加速系)提出的，后者是依據厄缶實驗(慣性質量等于引力質量)和升降機思想實驗提出的。

在1905年，由于愛因斯坦采用了探索性的演繹法，從而使他能夠高屋建瓴、勢如破竹，一舉砍斷了哥爾提阿斯死結(哥爾提阿斯是古代夫利基阿國王，相傳他曾把自己的車乘的轅與軛用繩結系住，死得無法解開，聲言能解開此死結者，得以結治亞細亞。這個死結后來被亞歷山大大帝用劍砍斷)，開拓了一個奇妙的新世界。那些惱人的以太漂移實驗，那些使人迷惑不解的單極電機電動勢的“位置”問題，在愛因斯坦的理論體系中已根本不成其為問題。但是，同時代的博大精深的科學大師，諸如洛倫茲、彭加勒，卻熱衷于同邁克耳孫-莫雷實驗等以太漂移實驗打交道，迷戀于做出種種構造性假設，建立他們的構造性理論——電子論和電子動力學。例如，洛倫茲1904年的著名論文盡管聲稱是以“基本假設”而不是以“特殊假設”為基礎的論文，但事實上卻包含有11個假設：假設有靜止以太，假設靜止電子是球形的，假設電子的電荷分布是均勻的，假設電子的全部質量都是電磁質量，假設運動電子收縮，假設電子之間的作用力與分子力相同等等。洛倫茲和彭加勒雖說走到了狹義相對論的大門口，但他們并沒有打開這扇大門，其原因固然是多方面的。從方法論上講，就在于他們運用的是傳統的經驗歸納法，而沒有采用探索性的演繹法。在當時的科學發展的形勢下，僅靠個別的經驗事實進行歸納，是建立不起什么嶄新的理論的。洛倫茲、彭加勒的電子論和電子動力學固然富麗堂皇，但畢竟只是經典物理學的最后的建筑物。它們雖然包羅萬象，可是由于不適應科學發展的總趨勢，最終還是被人們遺忘了，僅有歷史的價值。

二、采用探索性的演繹法是科學發展的必然趨勢

從文藝復興到19世紀的經典科學，一般稱為近代科學。在科學史上，這個漫長的時期主要是積累材料和歸納材料的時期。與這一科學發展狀況相適應，產生了經典的科學哲學，它始于弗蘭西斯•培根的歸納主義。培根認為，科學的發展是從個別上升到一般，從經驗歸納出理論。他比喻說，只要及時采摘成熟的葡萄，科學的酒漿就會源源不斷。到19世紀，整個科學一般說來還沒有擺脫這種“原始”狀態，因而經典科學哲學能夠得以通過穆勒之手發展成為更完備的經驗論形態，經驗歸納法依然是正統的科學方法。

在物理學領域，這個時期的最大成就是牛頓力學和麥克斯韋的電動力學。牛頓力學雖則是超越了狹隘經驗論的人類理智的偉大成就，但它又同人們的日常經驗密切相關。力學中的許多概念都比較直觀，可以直接在現實生活中找到某種原型。這種狀況掩蓋了基本概念和基本原理的思辨性質，甚至牛頓本人也深深陷入這一幻覺之中。他一再聲稱他“不作假設”，實際上卻作了許多假設，他要求人們“必須把那些從各種現象中運用一般歸納法導出的命題看作是完全正確的”。19世紀的經典物理學也具有現象論和經驗論的特征：它盡量使用那些接近經驗的概念，因而在很大程度上必須放棄基礎的統一性。熱、電、光都用那些不同于力學量的各個狀態的變數和物質常數來描述，至于要在它們的相互關系以及同時間的相互關系中去決定全部變數的任務，主要只能由經驗來解決。麥克斯韋及其同代人，在這種表示方式中看到了物理學的終極目的，他們想像這個目的只能純粹歸納地從經驗得出，因為這樣所使用的概念同經驗比較接近。從認識論上看，穆勒和馬赫大概就是根據這個理由來決定他們的立場的?？偠灾?，這個時期的科學家和科學哲學家大都以為，“理論應當用純粹歸納法的方法來建立，而避免自由地創造性地創造概念；科學的狀況愈原始，研究者要保留這種幻想就愈容易，因為他似乎是個經驗論者。直至19世紀，許多人還相信牛頓的原則——“我不作假設'——應當是任何健全的自然科學的基礎?！?/p>

但是，在某些個別的科學部門，已經悄悄地透進了新時代的曙光；尤其是非歐幾何學，它仿佛故意向經驗論示威一樣，以毋庸置辯的方式顯示了理性思維的強大威力和奇妙作用。彭加勒正是在《科學與假設》中通過對非歐幾何學的深入研究以及對經典力學和經典物理學的慎密考察揭示出，科學的基本概念和原理不是經驗的直接歸納，而只能以經驗事實為指導，通過精神的自由活動(其產品即約定)來創造。通過研讀彭加勒的科學哲學著作，尤其是通過創立狹義和廣義相對論的科學實踐，使愛因斯坦清楚地看到，人們可以在完全不同于牛頓的基礎上，以更加令人滿意和更加完備的方式，來考慮范圍更廣泛的經驗事實。但是，完全撇開這種理論還是那種理論優越的問題不談，基本原理的虛構特征卻是完全明顯的，因為我們能夠指出兩條根本不同的原理，而兩者在很大程度上都同經驗相符合。這—點同時又證明，要在邏輯上從經驗推出力學的基本概念和基本假設的任何企圖，都是要失敗的。愛因斯坦還清楚地看到，相對論是說明理論科學在現展的基本特征的一個良好的例子。初始假設變得愈來愈抽象，離經驗愈來愈遠。另一方面，它更接近一切科學的偉大目標，即要從盡可能少的假設或者公理出發，通過邏輯的演繹，概括盡可能多的事實。同時，從公理引向經驗事實或者可證實的結論的思路也就愈來愈長，愈來愈微妙。理論科學家在他探索理論時，就不得不愈來愈聽從純粹數學的、形式的考慮，因為實驗家的物理經驗不能把他提高到最抽象的領域中去。正是科學發展的這種理論化趨勢，使愛因斯坦認識到：“科學一旦從它的原始階段脫胎出來以后，僅僅靠著排列的過程已不能使理論獲得進展。由經驗材料作為引導。研究者寧愿提出一種思想體系，它——般地是在邏輯上從少數幾個所謂公理的基本假定建立起來的?！彼M而指出：“適用于科學幼年時代的以歸納為主的方法，正在讓位給探索性的演繹法。”

三、愛因斯坦大膽運用探索性的演繹法的直接動因

只是在廣義相對論建立之后，愛因斯坦才把探索性的演繹法作為一個方法論原則從理論上加以論述?？墒?，早在創立狹義相對論時，他就在研究中大膽運用這一科學方法了，并在思想上對它已有比較深刻的認識。促使愛因斯坦大膽運用探索性的演繹法的直接原因有兩個：其一是赫茲、玻耳茲曼、彭加勒等人的思想影響，其二是當時的物理學現狀使得他不能不那樣做。

在聯邦工業大學期間(1896~1900)，愛因斯坦自學了赫茲、玻耳茲曼等科學大師們的著作。赫茲在他的名著《力學原理》(1894)中試圖重構力學，為此他僅利用空間、時間和質量三個原始概念。赫茲的力學體系建立在通過科學家個人的“內在直覺規律”從經驗引出的公理之上，它能夠導出經驗預言。赫茲認為“內在直覺規律”的功能像“康德意義上的先驗判斷”一樣，并且聲稱他的力學重構是演繹系統，與牛頓的《原理》(全稱《自然哲學的數學原理》)有許多相同的風格。在這個公理體系中，我們可以推演出與我們的觀察記錄相對照的可檢驗的結論，依據該結論與可觀察的世界一致還是不一致，來決定這個體系是否正確。盡管愛因斯坦不贊同赫茲的隱質量概念和“把自然現象追溯到力學的主要定律”的長遠目標，但是赫茲強調公理描述的威力卻給他留下了深刻的印象。這種公理描述與其說在經驗材料上預言理論結構，倒不如說在公理和直覺上預言理論結構。

愛因斯坦也自學了玻耳茲曼的《力學講義》(1897)。在該書中，玻耳茲曼把力學作為物理學的核心，愛因斯坦當然不會同意這種看法的。但是，玻耳茲曼重構力學的方法的下述特點，一定會強烈地震撼愛因斯坦敏感的心弦：“恰恰是力學原理的不明晰性，在我看來不是同時以假設的智力圖像為起點而得到的，而是從一開始就以與外部經驗相聯系的嘗試而得到的。”玻耳茲曼的意思很清楚：力學原理的不明晰，在于經驗歸納，而不在于智力圖像。玻耳茲曼的“智力圖像”概念比赫茲的“外部對象的圖像或符號”更自由，愛因斯坦可能山此注意到，力學的發展已使原理凌駕于經驗材料之上。

彭加勒在《科學與假設》(1902)中對約定主義的論述，對愛因斯坦的探索性的演繹法的形成必定大有裨益，愛因斯坦在“奧林比亞科學院”時期(1902~1904)曾和他的同伴索洛文、哈比希特一起研讀過這本膾炙人口的暢銷名著。彭加勒通過對數理科學的基礎進行了敏銳的、批判性的審查和分析后得出：幾何學的公理既非先驗綜合判斷，亦非經驗事實，它們原來都是約定。物理學盡管比較直接地以經驗為基礎，但它的一些基本原理也具有幾何學公理那樣的約定特征。例如慣性原理，它不是先驗地支配我們的真理，否則希臘學者早就知道它了，它也不是經驗的事實，因為人們從來也不能用不受外力的物體做實驗，因而無法用實驗證實或否證它。經過最終分析，它們化歸為約定或隱蔽的定義。因此，彭加勒得出結論說：在數學及其相關的學科中，“可以看出自由約定的特征”；他進而指出：“約定是我們的精神的自由活動的產品”，“我們在所有可能的約定中進行選擇時，要受實驗事實的引導；但它仍是自由的，只是為了避免一切矛盾起見，才有所限制。”

彭加勒在考察了物理學的理論后認為，物理學有兩類陳述——原理和定律。定律是實驗的概括，它們相對于孤立的系統而言可以近似地被證實，原理是約定而成的公設，它們是十分普遍的、嚴格真實的，超越了實驗所及的范圍。彭加勒還闡述了約定主義的方法論意義。他說，當一個定律被認為由實驗充分證實時，我們可以采取兩種態度。我們可以把這個定律提交討論，于是，它依然要受到持續不斷的修正，毋庸置疑，這將僅僅以證明它是近似的而終結?；蛘?，我們也可以通過選擇這樣一個約定使命題為真，從而把定律提升為原理。在彭加勒看來，經典力學和經典物理學的六大基本原理(邁爾原理即能量守恒原理、卡諾原理即能量退降原理、牛頓原理即作用與反作用原理、相對性原理、拉瓦錫原理即質量守恒原理、最小作用原理)就是這樣形成的。

彭加勒提出約定主義并不是無緣無故的。在近代科學發展的早期，弗蘭西斯•培根提出了經驗歸納的新方法，這種方法對促進近代科學的發展起了巨大的作用，但后來卻助長了狹隘經驗事義的盛行。到19世紀，以惠威爾、穆勒為代表的“全歸納派”和以孔德、斯賓塞為代表的實證主義廣為流行，把經驗和歸納視為唯一可能的認識方法。到19世紀末，第二代的實證主義的代表人物馬赫更是揚言要把一切“形而上學的東西”從科學中“排除掉”。另一方面，康德不滿意經驗論的歸納主義的階梯，他把梯子顛倒過來，不是從經驗上升到理論，而是以先天的“感性直觀的純形式”(時間和空間)和先天的“知性的純粹概念或純粹范疇(因果關系、必然性、可能性等十二個范疇)去組織后天經驗，以構成絕對可靠的“先驗綜合知識”。彭加勒看到，無論是經驗論還是先驗論，都不能圓滿地說明科學理論體系的特征。為了強調在從事實過渡到原理時，科學家應充分有發揮能動性的自由，他于是提出了約定主義。約定主義既要求擺脫狹隘的經驗論，又要求擺脫經驗論，它順應了科學發展的潮流，反映了當時科學界自由創造、大膽假設的要求，在科學和哲學上都有其積極意義。

《科學與假設》一書對愛因斯坦的印象極深，他和同伴們花了好幾個星期緊張地讀完了它。愛因斯坦坦率地承認彭加勒對他的直接影響。他贊同“敏銳的深刻的思想家”彭加勒的約定主義觀點，認為概念和公理是思維的自由創造，是理智的自由發明。他這樣說過：“一切概念，甚至那些最接近經驗韻概念，從邏輯觀點看來，都是一些自由選擇的約定。

一開始，愛因斯坦也對洛倫茲的電子論（是1895年的論文，而不是1904年的電子論的最終形式）發生過興趣，這是一種構造性的理論?？墒遣痪?，他從普朗克的量子論中看到，輻射具有一種分子結構。這是同麥克斯韋理論相矛盾的，而且麥克斯韋理論也不能導致出正確的輻射壓漲落。愛因斯坦在“自述”中談到了他當時的轉變：“早在1900年以后不久，即在普朗克的首創性工作以后不久，這類思考已使我清楚地看到：不論是力學還是熱力學(除非在極限情況下)都不能要求嚴格有效。漸漸地我對那種根據已知事實用構造性的努力去發現真實定律的可能性感到絕望了。我努力得愈久，就愈加絕望，也就愈加確信，只有發現一個普遍的形式原理，才能使我們得到可靠的結果?！睆拇藭r起，愛因斯坦就斷然決定用探索性的演繹法來解決問題。

四、愛因斯坦的探索性的演繹法的特色

作為科學推理的演繹法，可以說是源遠流長了。早在古希臘時代，著名的哲學家、形式邏輯的創始人亞里士多德就提出了歸納和演繹這兩種邏輯方法，并認為演繹推理的價值高于歸納推理。而古希臘名聲最大的數學家歐幾里得，在《幾何原本》中把幾何學系統化了，這部流傳千古的名著就是邏輯演繹法的典范。牛頓在建立他的力學理論體系時雖然運用了歸納法，但其集大成著作《原理》的敘述方法卻采用的是演繹法。愛因斯坦的探索性的演繹法絕不是這種古老的演繹法的簡單照搬。他根據自己的科學研究實踐，順應當時理論科學發展的潮流，對演繹法作了重大發展，賦予了新的內容。也許是為了強調他的演繹法與傳統的演繹法的不同，他在“演繹法”前面加上了限制性的定語——“探索性的”，這個定語也恰當地表明了他的演繹法的主要特征。與傳統的演繹法相比，愛因斯坦的探索性的演繹法是頗有特色的。這主要表現在以下三個方面。

第一，明確地闡述了科學理論體系的結構，恰當地指明了思維同經驗的聯系問題，充分肯定了約定在建造理論體系時的重要作用。愛因斯坦把科學理論體系分為兩大部分，其一是作為理論的基礎的基本概念和基本原理，其二是由此推導出的具體結論。在愛因斯坦看來，那些不能在邏輯上進一步簡化的基本概念和基本假設，是理論體系的根本部分，是整個理論體系的公理基礎或邏輯前提。它們實際上“都是一些自由選擇的約定”；它們“不能從經驗中抽取出米，而必須自由地發明出來”。談到思維同經驗的聯系問題時，愛因斯坦說：直接經驗ε是已知的，A是假設或公理，由它們可以通過邏輯道路推導出各個個別的結論S；S然后可以同ε聯系起來(用實驗驗明)。從心理狀態方面來說，A是以ε為基礎的。但是在A和ε之間不存在任何必然的邏輯聯系，而只有通過非邏輯的方法——“思維的自由創造”(或約定)——才能找到理論體系的基礎A。愛因斯坦明確指出：“物理學構成一種處在不斷進化過程中的思想的邏輯體系。它的基礎可以說是不能用歸納法從經驗中提取出來的。而只能靠自由發明來得到。這種體系的根據(真理內容)在于導出的命題可由感覺經驗來證實，而感覺經驗對這基礎的關系，只能直覺地去領悟。進化是循著不斷增加邏輯基礎簡單性的方向前進的。為了要進一步接近這個目標，我們必須聽從這樣的事實：邏輯基礎愈來愈遠離經驗事實，而且我們從根本基礎通向那些同感覺經驗相聯系的導出命題的思想路線，也不斷地變得愈來愈艱難、愈來愈漫長了?！?/p>

第二，大膽地提出了“概念是思維的自由創造”、“范疇是自由的約定”的命題，詳細地闡述了從感覺經驗到基本概念和基本原理的非邏輯途徑。愛因斯坦指出，象馬赫和奧斯特瓦爾德這樣的具有勇敢精神和敏銳本能的學者，也因為哲學上的偏見而妨礙他們對事實做出正確的解釋(指他們反對原子論)。這種偏見——至今還沒有滅絕——就在于相信毋須自由的構造概念，事實本身能夠而且應該為我們提供科學知識。這種誤解之所以可能，是因為人們不容易認識到，經過驗證和長期使用而顯得似乎同經驗材料直接相聯系的那些概念，其實都是自由選擇出來的。愛因斯坦認為，物理學家的最高使命就是要得到那些普遍的基本定律，由此世界體系就能用單純的演繹法建立起來。要通向這些定律，并沒有邏輯的道路，只有通過那種以對經驗的共鳴的理解為依據的直覺，才能得到這些定律?！?/p>

為了從經驗材料中得到基本原理。除了通過“以對經驗的共鳴的理解為依據的直覺”外，愛因斯坦還指出可以通過“假設”、“猜測”、“大膽思辨”、“創造性的想像”、“靈感”、“幻想”、“思維的自由創造”、“理智的自由發明”、“自由選擇的約定”等等。不管方法如何變化，它們都有—個共同點，即基本概念和基本原理只能通過非邏輯的途徑自由創造出來。這樣一來，基本概念和基本原理對于感覺經驗而言在邏輯上是獨立的。愛因斯坦認為二者的關系并不像肉湯同肉的關系，而倒有點像衣帽間牌子上的號碼同大衣的關系。也正由于如此，從感覺經驗得到基本概念和原理就是一項十分艱巨的工作，這也是探索性的演繹法的關鍵一步。因此，愛因斯坦要求人們“對于承擔這種勞動的理論家，不應當吹毛求疵地說他是‘異想天開'；相反，應當允許他有權去自由發揮他的幻想，因為除此以外就沒有別的道路可以達到目的。他的幻想并不是無聊的白日做夢，而是為求得邏輯上最簡單的可能性及其結論的探索?！?/p>

關于愛因斯坦所說的“概念是思維的自由創造”和“范疇是自由的約定”，其中的“自由”并非任意之謂，即不是隨心所欲的杜撰.愛因斯坦認為，基本概念和基本原理的選擇自由是一種特殊的自由。它完全不同作家寫小說時的自由，它倒多少有點像一個人在猜一個設計得很巧妙的字謎時的那種自由。他固然可以猜想以無論什么字作為謎底，但是只有一個字才真正完全解決了這個字謎。顯然，愛因斯坦所謂的“自由”，主要是指建立基本概念和基本原理時思維方式的自由、它們的表達方式的自由以及概括程度高低的自由，—般說來，它們包含的客觀實在的內容則不能是任意的。這就是作為反映客觀實在的人類理智結晶的科學之客觀性和主觀性的統一。誠如愛因斯坦所說：“科學作為一種現存的和完成的東西，是人們所知道的最客觀的，同人無關的東西。但是，科學作為一種尚在制定中的東西，作為一種被迫求的目的，卻同人類其他一切事業一樣，是主觀的，受心理狀態制約的?！?/p>

第三，明確地把“內在的完備”作為評判理論體系的合法性和正確性的標準之一。在愛因斯坦看來，探索性的演繹法就是在實驗事實的引導下，通過思維的自由創造，發明出公理基礎，然后以此為出發點，通過邏輯演繹導出各個具體結論，從而構成完整的理論體系。但是，評判這個理論體系的合法性和正確性的標準是什么呢?愛因斯坦晚年在“自述”中對這個問題作了綱領性的回答。他認為，第一個標準是“外部的證實”，也就是說，理論不應當同經驗事實相矛盾。這個要求初看起來似乎十分明顯，但應用起來卻非常傷腦筋。因為人們常常，甚至總是可以用人為的補充假設來使理論同事實相適應，從而堅持一種普遍的理論基礎。但是，無論如何，這種觀點所涉及的是用現成的經驗事實采證實理論基礎。這個標準是眾所周知的，也是經常運用的。有趣的是愛因斯坦提出的第二個標準——“內在的完備”。它涉及的不是理論同觀察材料的關系問題，而是關于理論本身的前提，關于人們可以簡單地、但比較含糊地稱之為前提(基本概念和基本原理)的“自然性”或者“邏輯簡單性”。也就是說，這些不能在邏輯上進一步簡化的元素要盡可能簡單，并且在數目上盡可能少，同時不至于放棄對任何經驗內容的適當表示。這個觀點從來都在選擇和評價各種理論時起著重大的作用，但是確切地把它表達出來卻有很大困難。這里的問題不單是一種列舉邏輯上獨立的前提問題(如果這種列舉是毫不含糊地可能的話)，而是一種在不可通約的質之間作相互權衡的問題。其次，在幾種基礎同樣“簡單”的理論中，那種對理論體系的可能性質限制最嚴格的理論(即含有最確定論點的理論)被認為是比較優越的。理論的“內在的完備”還表現在：從邏輯的觀點來看，如果一種理論并不是從那些等價的和以類似方式構造起來的理論中任意選出的，那么我們就給予這種理論以較高的評價。

愛因斯坦看到了“內在的完備”這一標準不容忽視、不可替代的特殊作用。他指出，當基本概念和基本原理距離直接可觀察的東西愈來愈遠，以致用事實來驗證理論的含義就變得愈來愈困難和更費時日的時候，“內在的完備”標準對于理論的選擇和評價就一定會起更大的作用。他還指出，只要數學上暫時還存在著難以克服的困難，而不能確立這個理論的經驗內涵：邏輯的簡單性就是衡量這個理論的價值的唯一準則，即使是一個當然還不充分的準則。愛因斯坦的“內在完備”標準在某種程度上是不可言傳的，但是它在像愛因斯坦這樣的具有“以對經驗的共鳴的理解為依據的直覺”的人的手中，卻能夠有效地加以運用，而且預言家們在判斷理論的內在完備時，它們之間的意見往往是一致的。

第2篇：狹義相對論的基本原理范文

一、理論物理學的重要方法

探索性的演繹法是理論物理學的重要方法。在愛因斯坦看來，理論物理學的完整體系是由概念，被認為對這些概念是有效的基本原理(亦稱基本假設、基本公設、基本定律等)，以及用邏輯推理得到的結論這三者所構成的。因此，理論物理學家所運用的方法，就在于應用那些作為基礎的基本原理，從而導出結論;于是，他的工作可分為兩部分：他首先必須發現原理，然后從這些原理推導出結論。對于其中第二步工作，他在學生時代已得到很好的訓練和準備。因此，如果在某一領域中或者某一組相互聯系的現象中，他的第一個問題已經得到解決，他就一定能夠成功?？墒堑谝徊焦ぷ?，即建立一些可用來作為演繹的出發點的原理，卻具有完全不同的性質。這里并沒有可以學習的和可以系統地用來達到的的方法?？茖W家必須在龐雜的經驗事實中間抓住某些可精密公式來表示的普遍特征，由此探求自然界的普遍原理。

愛因斯坦指出，一旦找到了作為邏輯推理前提的基本理，那么通過邏輯演繹，推理就一個接著一個地涌現出來它們往往顯示出一些預料不到的關系，遠遠超出這些原理依據的實在的范圍。但是，只要這些用來作為演繹出發點原理尚未得出，個別經驗事實對理論家是毫無用處的。實際上，單靠一些從經驗中抽象出來的孤立的普遍定律，他甚至么也做不出來。在他沒有揭示出那些能作為演繹推理基礎原理之前，他在經驗研究的個別結果面前總是無能為力。

愛因斯坦把物理學理論分為兩種不同的類型，其中之一是“原理理論”。建立這種理論使用的是分析方法，而不綜合方法。形成它們的基礎和出發點的元素，不是用假設造出來的，而是在經驗中發現到的，它們是自然過程的普遍特征，即原理。這些原理給出了各個過程或者它們的理論表述所必須滿足的數學形式的判據。熱力學就是這樣力圖用分析的方法，從永動機不可能這一普遍經驗得到的事實出發，推導出一些為各個事件都必須滿足的必然條件。用探索的演繹法建立起來的相對論，就屬于“原理理論”。但是物理學理論大多數是構造性的。它們企圖從比較簡單的式體系出發，并以此為材料，對比較復雜的現象構造出一幅圖像。氣體分子運動論就是這樣力圖把機械的、熱的和擴散的過程都歸結為分子運動——即用分子假設來構造這些過程。當我們說，我們已經成功地了解一群自然過程，我們的思想必然是指，概括這些過程的構造性的理論已經建立起來了。愛因斯坦認為，構造性理論的優點是完備，有適應性和明確，原理理論的優點則是邏輯上完整和基礎鞏固。([1]，pp．109～110)

相對論就是愛因斯坦自覺地運用探索性演繹法的杰作。它不僅以其革命性的新觀念和卓有成效的理論結果為人津津樂道，而且它所體現出的科學方法的新穎、精湛以及理論的邏輯結構的嚴謹，也令人嘆為觀止。愛因斯坦在創立狹義相對論(1905)時，他依據的僅僅是光行差現象和斐索實驗這兩個并不充分的實驗材料，著名的二階以太漂移實驗即邁克耳孫-莫雷實驗，對他并沒有直接影響。他主要通過對16歲時想到的“追光”思想實驗的沉思，對經典力學和經典電動力學基礎的深入考察，發揮了思維的自由創造，提出了兩個基本假設——相對性原理和光速不變原理(美國著名科學史家霍耳頓認為，在狹義相對論中，除了被提高為公設的兩個基本原理外，愛因斯坦還作了另外四個假定：一是關于空間的各向同性和均勻性，另外三個是定義鐘的同步的三個邏輯性質。霍耳頓的學生米勒后來指出，另外的四個假定也是兩個基本原理的必然結果，他們不是獨立的假設。 參見文獻[3]，p．196)。然后，他以此為邏輯前提，接二連三地推導出了關于運動學和電動力學的結論，著名的質能關系式是他先前根本沒有料想到的，這些結論大大超出了兩個原理所依據的實在的范圍。廣義相對論(1915)的建立也是這樣。作為廣義相對論的兩個基本原理，即廣義相對性原理和等效原理，前者是愛因斯坦基于把相對性原理貫徹到底的信念（從慣性系推廣到加速系)提出的，后者是依據厄缶實驗(慣性質量等于引力質量)和升降機思想實驗提出的。

在1905年，由于愛因斯坦采用了探索性的演繹法，從而使他能夠高屋建瓴、勢如破竹，一舉砍斷了哥爾提阿斯死結(哥爾提阿斯是古代夫利基阿國王，相傳他曾把自己的車乘的轅與軛用繩結系住，死得無法解開，聲言能解開此死結者，得以結治亞細亞。這個死結后來被亞歷山大大帝用劍砍斷)，開拓了一個奇妙的新世界。那些惱人的以太漂移實驗，那些使人迷惑不解的單極電機電動勢的“位置”問題，在愛因斯坦的理論體系中已根本不成其為問題。但是，同時代的博大精深的科學大師，諸如洛倫茲、彭加勒，卻熱衷于同邁克耳孫-莫雷實驗等以太漂移實驗打交道，迷戀于做出種種構造性假設，建立他們的構造性理論——電子論和電子動力學。例如，洛倫茲1904年的著名論文盡管聲稱是以“基本假設”而不是以“特殊假設”為基礎的論文，但事實上卻包含有11個假設：假設有靜止以太，假設靜止電子是球形的，假設電子的電荷分布是均勻的，假設電子的全部質量都是電磁質量，假設運動電子收縮，假設電子之間的作用力與分子力相同等等。洛倫茲和彭加勒雖說走到了狹義相對論的大門口，但他們并沒有打開這扇大門，其原因固然是多方面的。從方法論上講，就在于他們運用的是傳統的經驗歸納法，而沒有采用探索性的演繹法。在當時的科學發展的形勢下，僅靠個別的經驗事實進行歸納，是建立不起什么嶄新的理論的。洛倫茲、彭加勒的電子論和電子動力學固然富麗堂皇，但畢竟只是經典物理學的最后的建筑物。它們雖然包羅萬象，可是由于不適應科學發展的總趨勢，最終還是被人們遺忘了，僅有歷史的價值。

二、采用探索性的演繹法是科學發展的必然趨勢

從文藝復興到19世紀的經典科學，一般稱為近代科學。在科學史上，這個漫長的時期主要是積累材料和歸納材料的時期。與這一科學發展狀況相適應，產生了經典的科學哲學，它始于弗蘭西斯培根的歸納主義。培根認為，科學的發展是從個別上升到一般，從經驗歸納出理論。他比喻說，只要及時采摘成熟的葡萄，科學的酒漿就會源源不斷。到19世紀，整個科學一般說來還沒有擺脫這種“原始”狀態，因而經典科學哲學能夠得以通過穆勒之手發展成為更完備的經驗論形態，經驗歸納法依然是正統的科學方法。

在物理學領域，這個時期的最大成就是牛頓力學和麥克斯韋的電動力學。牛頓力學雖則是超越了狹隘經驗論的人類理智的偉大成就，但它又同人們的日常經驗密切相關。力學中的許多概念都比較直觀，可以直接在現實生活中找到某種原型。這種狀況掩蓋了基本概念和基本原理的思辨性質，甚至牛頓本人也深深陷入這一幻覺之中。他一再聲稱他“不作假設”，實際上卻作了許多假設，他要求人們“必須把那些從各種現象中運用一般歸納法導出的命題看作是完全正確的” 。19世紀的經典物理學也具有現象論和經驗論的特征：它盡量使用那些接近經驗的概念，因而在很大程度上必須放棄基礎的統一性。熱、電、光都用那些不同于力學量的各個狀態的變數和物質常數來描述，至于要在它們的相互關系以及同時間的相互關系中去決定全部變數的任務，主要只能由經驗來解決。麥克斯韋及其同代人，在這種表示方式中看到了物理學的終極目的，他們想像這個目的只能純粹歸納地從經驗得出，因為這樣所使用的概念同經驗比較接近。從認識論上看，穆勒和馬赫大概就是根據這個理由來決定他們的立場的。總而言之，這個時期的科學家和科學哲學家大都以為，“理論應當用純粹歸納法的方法來建立，而避免自由地創造性地創造概念;科學的狀況愈原始，研究者要保留這種幻想就愈容易，因為他似乎是個經驗論者。直至19世紀，許多人還相信牛頓的原則——“我不作假設'——應當是任何健全的自然科學的基礎?！?[1]，p．309)

但是，在某些個別的科學部門，已經悄悄地透進了新時代的曙光;尤其是非歐幾何學，它仿佛故意向經驗論示威一樣，以毋庸置辯的方式顯示了理性思維的強大威力和奇妙作用。彭加勒正是在《科學與假設》中通過對非歐幾何學的深入研究以及對經典力學和經典物理學的慎密考察揭示出，科學的基本概念和原理不是經驗的直接歸納，而只能以經驗事實為指導，通過精神的自由活動(其產品即約定)來創造。通過研讀彭加勒的科學哲學著作，尤其是通過創立狹義和廣義相對論的科學實踐，使愛因斯坦清楚地看到，人們可以在完全不同于牛頓的基礎上，以更加令人滿意和更加完備的方式，來考慮范圍更廣泛的經驗事實。但是，完全撇開這種理論還是那種理論優越的問題不談，基本原理的虛構特征卻是完全明顯的，因為我們能夠指出兩條根本不同的原理，而兩者在很大程度上都同經驗相符合。這—點同時又證明，要在邏輯上從經驗推出力學的基本概念和基本假設的任何企圖，都是要失敗的。愛因斯坦還清楚地看到，相對論是說明理論科學在現展的基本特征的一個良好的例子。初始假設變得愈來愈抽象，離經驗愈來愈遠。另一方面，它更接近一切科學的偉大目標，即要從盡可能少的假設或者公理出發，通過邏輯的演繹，概括盡可能多的事實。同時，從公理引向經驗事實或者可證實的結論的思路也就愈來愈長，愈來愈微妙。理論科學家在他探索理論時，就不得不愈來愈聽從純粹數學的、形式的考慮，因為實驗家的物理經驗不能把他提高到最抽象的領域中去。正是科學發展的這種理論化趨勢，使愛因斯坦認識到：“科學一旦從它的原始階段脫胎出來以后，僅僅靠著排列的過程已不能使理論獲得進展。由經驗材料作為引導。研究者寧愿提出一種思想體系，它——般地是在邏輯上從少數幾個所謂公理的基本假定建立起來的。”（[1]，p.115），他進而指出：“適用于科學幼年時代的以歸納為主的方法，正在讓位給探索性的演繹法。”([1]，p. 262)

三、愛因斯坦大膽運用探索性的演繹法的直接動因

只是在廣義相對論建立之后，愛因斯坦才把探索性的演繹法作為一個方法論原則從理論上加以論述?？墒牵缭趧摿ⅹM義相對論時，他就在研究中大膽運用這一科學方法了，并在思想上對它已有比較深刻的認識。促使愛因斯坦大膽運用探索性的演繹法的直接原因有兩個：其一是赫茲、玻耳茲曼、彭加勒等人的思想影響，其二是當時的物理學現狀使得他不能不那樣做。

在聯邦工業大學期間(1896~1900)，愛因斯坦自學了赫茲、玻耳茲曼等科學大師們的著作。赫茲在他的名著《力學原理》(1894)中試圖重構力學，為此他僅利用空間、時間和質量三個原始概念。赫茲的力學體系建立在通過科學家個人的“內在直覺規律”從經驗引出的公理之上，它能夠導出經驗預言。赫茲認為“內在直覺規律”的功能像“康德意義上的先驗判斷”一樣，并且聲稱他的力學重構是演繹系統，與牛頓的《原理》(全稱《自然哲學的數學原理》)有許多相同的風格。在這個公理體系中，我們可以推演出與我們的觀察記錄相對照的可檢驗的結論，依據該結論與可觀察的世界一致還是不一致，來決定這個體系是否正確。盡管愛因斯坦不贊同赫茲的隱質量概念和“把自然現象追溯到力學的主要定律”的長遠目標，但是赫茲強調公理描述的威力卻給他留下了深刻的印象。這種公理描述與其說在經驗材料上預言理論結構，倒不如說在公理和直覺上預言理論結構。

愛因斯坦也自學了玻耳茲曼的《力學講義》(1897)。在該書中，玻耳茲曼把力學作為物理學的核心，愛因斯坦當然不會同意這種看法的。但是，玻耳茲曼重構力學的方法的下述特點，一定會強烈地震撼愛因斯坦敏感的心弦：“恰恰是力學原理的不明晰性，在我看來不是同時以假設的智力圖像為起點而得到的，而是從一開始就以與外部經驗相聯系的嘗試而得到的?！?[2]，p．127)玻耳茲曼的意思很清楚：力學原理的不明晰，在于經驗歸納，而不在于智力圖像。玻耳茲曼的“智力圖像”概念比赫茲的“外部對象的圖像或符號”更自由，愛因斯坦可能山此注意到，力學的發展已使原理凌駕于經驗材料之上。

彭加勒在《科學與假設》(1902)中對約定主義的論述，對愛因斯坦的探索性的演繹法的形成必定大有裨益，愛因斯坦在“奧林比亞科學院”時期(1902~1904)曾和他的同伴索洛文、哈比希特一起研讀過這本膾炙人口的暢銷名著。彭加勒通過對數理科學的基礎進行了敏銳的、批判性的審查和分析后得出：幾何學的公理既非先驗綜合判斷，亦非經驗事實，它們原來都是約定。物理學盡管比較直接地以經驗為基礎，但它的一些基本原理也具有幾何學公理那樣的約定特征。例如慣性原理，它不是先驗地支配我們的真理，否則希臘學者早就知道它了，它也不是經驗的事實，因為人們從來也不能用不受外力的物體做實驗，因而無法用實驗證實或否證它。經過最終分析，它們化歸為約定或隱蔽的定義。因此，彭加勒得出結論說：在數學及其相關的學科中，“可以看出自由約定的特征”;他進而指出：“約定是我們的精神的自由活動的產品”，“我們在所有可能的約定中進行選擇時，要受實驗事實的引導;但它仍是自由的，只是為了避免一切矛盾起見，才有所限制。”

彭加勒在考察了物理學的理論后認為，物理學有兩類陳述——原理和定律。定律是實驗的概括，它們相對于孤立的系統而言可以近似地被證實，原理是約定而成的公設，它們是十分普遍的、嚴格真實的，超越了實驗所及的范圍。彭加勒還闡述了約定主義的方法論意義。他說，當一個定律被認為由實驗充分證實時，我們可以采取兩種態度。我們可以把這個定律提交討論，于是，它依然要受到持續不斷的修正，毋庸置疑，這將僅僅以證明它是近似的而終結。或者，我們也可以通過選擇這樣一個約定使命題為真，從而把定律提升為原理。在彭加勒看來，經典力學和經典物理學的六大基本原理(邁爾原理即能量守恒原理、卡諾原理即能量退降原理、牛頓原理即作用與反作用原理、相對性原理、拉瓦錫原理即質量守恒原理、最小作用原理)就是這樣形成的。

彭加勒提出約定主義并不是無緣無故的。在近代科學發展的早期，弗蘭西斯培根提出了經驗歸納的新方法，這種方法對促進近代科學的發展起了巨大的作用，但后來卻助長了狹隘經驗事義的盛行。到19世紀，以惠威爾、穆勒為代表的“全歸納派”和以孔德、斯賓塞為代表的實證主義廣為流行，把經驗和歸納視為唯一可能的認識方法。到19世紀末，第二代的實證主義的代表人物馬赫更是揚言要把一切“形而上學的東西”從科學中“排除掉”。另一方面，康德不滿意經驗論的歸納主義的階梯，他把梯子顛倒過來，不是從經驗上升到理論，而是以先天的“感性直觀的純形式”(時間和空間)和先天的“知性的純粹概念或純粹范疇(因果關系、必然性、可能性等十二個范疇)去組織后天經驗，以構成絕對可靠的“先驗綜合知識”。彭加勒看到，無論是經驗論還是先驗論，都不能圓滿地說明科學理論體系的特征。為了強調在從事實過渡到原理時，科學家應充分有發揮能動性的自由，他于是提出了約定主義。約定主義既要求擺脫狹隘的經驗論，又要求擺脫經驗論，它順應了科學發展的潮流，反映了當時科學界自由創造、大膽假設的要求，在科學和哲學上都有其積極意義。

《科學與假設》一書對愛因斯坦的印象極深，他和同伴們花了好幾個星期緊張地讀完了它。愛因斯坦坦率地承認彭加勒對他的直接影響。他贊同“敏銳的深刻的思想家”彭加勒的約定主義觀點，認為概念和公理是思維的自由創造，是理智的自由發明。他這樣說過：“一切概念，甚至那些最接近經驗韻概念，從邏輯觀點看來，……都是一些自由選擇的約定，……([1]，p．6)

一開始，愛因斯坦也對洛倫茲的電子論（是1895年的論文，而不是1904年的電子論的最終形式）發生過興趣，這是一種構造性的理論?？墒遣痪?，他從普朗克的量子論中看到，輻射具有一種分子結構。這是同麥克斯韋理論相矛盾的，而且麥克斯韋理論也不能導致出正確的輻射壓漲落。愛因斯坦在“自述”中談到了他當時的轉變：“早在1900年以后不久，即在普朗克的首創性工作以后不久，這類思考已使我清楚地看到：不論是力學還是熱力學(除非在極限情況下)都不能要求嚴格有效。漸漸地我對那種根據已知事實用構造性的努力去發現真實定律的可能性感到絕望了。我努力得愈久，就愈加絕望，也就愈加確信，只有發現一個普遍的形式原理，才能使我們得到可靠的結果?！?[1]，p．23)從此時起，愛因斯坦就斷然決定用探索性的演繹法來解決問題。

四、愛因斯坦的探索性的演繹法的特色

作為科學推理的演繹法，可以說是源遠流長了。早在古希臘時代，著名的哲學家、形式邏輯的創始人亞里士多德就提出了歸納和演繹這兩種邏輯方法，并認為演繹推理的價值高于歸納推理。而古希臘名聲最大的數學家歐幾里得，在《幾何原本》中把幾何學系統化了，這部流傳千古的名著就是邏輯演繹法的典范。牛頓在建立他的力學理論體系時雖然運用了歸納法，但其集大成著作《原理》的敘述方法卻采用的是演繹法。愛因斯坦的探索性的演繹法絕不是這種古老的演繹法的簡單照搬。他根據自己的科學研究實踐，順應當時理論科學發展的潮流，對演繹法作了重大發展，賦予了新的內容。也許是為了強調他的演繹法與傳統的演繹法的不同，他在“演繹法”前面加上了限制性的定語——“探索性的”，這個定語也恰當地表明了他的演繹法的主要特征。與傳統的演繹法相比，愛因斯坦的探索性的演繹法是頗有特色的。這主要表現在以下三個方面。

第一，明確地闡述了科學理論體系的結構，恰當地指明了思維同經驗的聯系問題，充分肯定了約定在建造理論體系時的重要作用。愛因斯坦把科學理論體系分為兩大部分，其一是作為理論的基礎的基本概念和基本原理，其二是由此推導出的具體結論。在愛因斯坦看來，那些不能在邏輯上進一步簡化的基本概念和基本假設，是理論體系的根本部分，是整個理論體系的公理基礎或邏輯前提。它們實際上“都是一些自由選擇的約定”;它們“不能從經驗中抽取出米，而必須自由地發明出來”([1]，pp．6，315)。談到思維同經驗的聯系問題時，愛因斯坦說：直接經驗ε是已知的，A是假設或公理，由它們可以通過邏輯道路推導出各個個別的結論S;S然后可以同ε聯系起來(用實驗驗明)。從心理狀態方面來說，A是以ε為基礎的。但是在A和ε之間不存在任何必然的邏輯聯系，而只有通過非邏輯的方法——“思維的自由創造”(或約定)——才能找到理論體系的基礎A。愛因斯坦明確指出：“物理學構成一種處在不斷進化過程中的思想的邏輯體系。它的基礎可以說是不能用歸納法從經驗中提取出來的。而只能靠自由發明來得到。這種體系的根據(真理內容)在于導出的命題可由感覺經驗來證實，而感覺經驗對這基礎的關系，只能直覺地去領悟。進化是循著不斷增加邏輯基礎簡單性的方向前進的。為了要進一步接近這個目標，我們必須聽從這樣的事實：邏輯基礎愈來愈遠離經驗事實，而且我們從根本基礎通向那些同感覺經驗相聯系的導出命題的思想路線，也不斷地變得愈來愈艱難、愈來愈漫長了?！?[1]，p．372)

第二，大膽地提出了“概念是思維的自由創造”、“范疇是自由的約定” ([1]，pp．407，471)的命題，詳細地闡述了從感覺經驗到基本概念和基本原理的非邏輯途徑。愛因斯坦指出，象馬赫和奧斯特瓦爾德這樣的具有勇敢精神和敏銳本能的學者，也因為哲學上的偏見而妨礙他們對事實做出正確的解釋(指他們反對原子論)。這種偏見——至今還沒有滅絕——就在于相信毋須自由的構造概念，事實本身能夠而且應該為我們提供科學知識。這種誤解之所以可能，是因為人們不容易認識到，經過驗證和長期使用而顯得似乎同經驗材料直接相聯系的那些概念，其實都是自由選擇出來的。愛因斯坦認為，物理學家的最高使命就是要得到那些普遍的基本定律，由此世界體系就能用單純的演繹法建立起來。要通向這些定律，并沒有邏輯的道路，只有通過那種以對經驗的共鳴的理解為依據的直覺，才能得到這些定律。”([1]，p，102)

為了從經驗材料中得到基本原理。除了通過“以對經驗的共鳴的理解為依據的直覺”外，愛因斯坦還指出可以通過“假設”、“猜測”、“大膽思辨”、“創造性的想像”、“靈感”、“幻想”、 “思維的自由創造”、“理智的自由發明”、“自由選擇的約定”等等。不管方法如何變化，它們都有—個共同點，即基本概念和基本原理只能通過非邏輯的途徑自由創造出來。這樣一來，基本概念和基本原理對于感覺經驗而言在邏輯上是獨立的。愛因斯坦認為二者的關系并不像肉湯同肉的關系，而倒有點像衣帽間牌子上的號碼同大衣的關系。也正由于如此，從感覺經驗得到基本概念和原理就是一項十分艱巨的工作，這也是探索性的演繹法的關鍵一步。因此，愛因斯坦要求人們“對于承擔這種勞動的理論家，不應當吹毛求疵地說他是‘異想天開';相反，應當允許他有權去自由發揮他的幻想，因為除此以外就沒有別的道路可以達到目的。他的幻想并不是無聊的白日做夢，而是為求得邏輯上最簡單的可能性及其結論的探索。”([1]，pp. 262~263)

關于愛因斯坦所說的“概念是思維的自由創造”和“范疇是自由的約定”，其中的“自由”并非任意之謂，即不是隨心所欲的杜撰.愛因斯坦認為，基本概念和基本原理的選擇自由是一種特殊的自由。它完全不同作家寫小說時的自由，它倒多少有點像一個人在猜一個設計得很巧妙的字謎時的那種自由。他固然可以猜想以無論什么字作為謎底，但是只有一個字才真正完全解決了這個字謎。顯然，愛因斯坦所謂的“自由”，主要是指建立基本概念和基本原理時思維方式的自由、它們的表達方式的自由以及概括程度高低的自由，—般說來，它們包含的客觀實在的內容則不能是任意的。這就是作為反映客觀實在的人類理智結晶的科學之客觀性和主觀性的統一。誠如愛因斯坦所說：“科學作為一種現存的和完成的東西，是人們所知道的最客觀的，同人無關的東西。但是，科學作為一種尚在制定中的東西，作為一種被迫求的目的，卻同人類其他一切事業一樣，是主觀的，受心理狀態制約的。”([1]，p．298)

第三，明確地把“內在的完備”作為評判理論體系的合法性和正確性的標準之一。在愛因斯坦看來，探索性的演繹法就是在實驗事實的引導下，通過思維的自由創造，發明出公理基礎，然后以此為出發點，通過邏輯演繹導出各個具體結論，從而構成完整的理論體系。但是，評判這個理論體系的合法性和正確性的標準是什么呢?愛因斯坦晚年在“自述”中對這個問題作了綱領性的回答([1]，pp．10～11)。他認為，第一個標準是“外部的證實”，也就是說，理論不應當同經驗事實相矛盾。這個要求初看起來似乎十分明顯，但應用起來卻非常傷腦筋。因為人們常常，甚至總是可以用人為的補充假設來使理論同事實相適應，從而堅持一種普遍的理論基礎。但是，無論如何，這種觀點所涉及的是用現成的經驗事實采證實理論基礎。這個標準是眾所周知的，也是經常運用的。有趣的是愛因斯坦提出的第二個標準——“內在的完備”。它涉及的不是理論同觀察材料的關系問題，而是關于理論本身的前提，關于人們可以簡單地、但比較含糊地稱之為前提(基本概念和基本原理)的“自然性”或者“邏輯簡單性”。也就是說，這些不能在邏輯上進一步簡化的元素要盡可能簡單，并且在數目上盡可能少，同時不至于放棄對任何經驗內容的適當表示。這個觀點從來都在選擇和評價各種理論時起著重大的作用，但是確切地把它表達出來卻有很大困難。這里的問題不單是一種列舉邏輯上獨立的前提問題(如果這種列舉是毫不含糊地可能的話)，而是一種在不可通約的質之間作相互權衡的問題。其次，在幾種基礎同樣“簡單”的理論中，那種對理論體系的可能性質限制最嚴格的理論(即含有最確定論點的理論)被認為是比較優越的。理論的“內在的完備”還表現在：從邏輯的觀點來看，如果一種理論并不是從那些等價的和以類似方式構造起來的理論中任意選出的，那么我們就給予這種理論以較高的評價。

愛因斯坦看到了“內在的完備”這一標準不容忽視、不可替代的特殊作用。他指出，當基本概念和基本原理距離直接可觀察的東西愈來愈遠，以致用事實來驗證理論的含義就變得愈來愈困難和更費時日的時候，“內在的完備”標準對于理論的選擇和評價就一定會起更大的作用。他還指出，只要數學上暫時還存在著難以克服的困難，而不能確立這個理論的經驗內涵：邏輯的簡單性就是衡量這個理論的價值的唯一準則，即使是一個當然還不充分的準則([1]，pp.12、501)。愛因斯坦的“內在完備”標準在某種程度上是不可言傳的，但是它在像愛因斯坦這樣的具有“以對經驗的共鳴的理解為依據的直覺”的人的手中，卻能夠有效地加以運用，而且預言家們在判斷理論的內在完備時，它們之間的意見往往是一致的。

在愛因斯坦創立狹義相對論和廣義相對論的過程中，充分地體現了探索性的演繹法的這三個特色。前面我們已簡單地涉及到這一點，這里我們只談談愛因斯坦從“內在的完備”這一標準的角度是如何對自己理論進行評價的。1906年，當德國實驗物理學家宣稱，他在1905年完成的關于高速電子(β射線)質量和速度關系的數據支持亞伯拉罕和布赫爾的“剛性球”電子論，而同洛倫茲-愛因斯坦的理論(電子在運動方向的直徑會隨速度的增加而收縮)不相容，彭加勒立即發生了動搖，認為相對性原理不再具有我們先前賦予它的那種重要的價值。洛倫茲表現得更是十分悲觀，他在1906年3月8日致彭加勒的信中說：“不幸的是，我的電子扁縮假設同考夫曼的新結果發生了矛盾，因此我必須放棄它，我已到了山窮水盡的地步。在我看來，似乎不可能建立起一種要求平移對電學和光學現象完全不產生影響的理論。” ([2]，p．334)愛因斯坦的態度則截然相反，他對自己的理論的“內在的完備”抱有信心。他在1907年發表的長篇論文中指出：考大曼的實驗結果同狹義相對論的“這種系統的偏離，究竟是由于沒有考慮到的誤差，還是由于相對論的基礎不符合事實，這個問題只有在有了多方面的觀測資料以后，才能足夠可靠地解決?！彼J為“剛性球”電子論在“頗大程度上是由于偶然碰巧與實驗結果相符，因為它們關于運動電子質量的基本假設不是從總結了大量現象的理論體系得出來的?！?正由于狹義相對論的理論前提的簡單性大，它涉及的事物的種類多，它的應用范圍廣，它給人的印象深，所以愛因斯坦才對自己的理論堅信不疑，要知道當時還沒有確鑿的實驗事實證實這種具有思辨性的理論。談到廣義相對論的“內在的完備”，愛因斯坦說：“這理論主要吸引人的地方在于邏輯上的完整性。從它推出的許多結論中，只要有一個被證明是錯誤的，它就必須被拋棄，要對它進行修改而不摧毀其整個結構，那似乎是不可能的?！?[1]，p．113)他甚至說過這樣的話：當1919年的日蝕觀測證明了他關于光線彎曲的推論時，他一點也不驚奇。要是這件事沒有發生，他倒會是非常驚訝的。

探索性的演繹法是愛因斯坦的主導哲學思想——唯物論的唯理論——的一個重要組成部分?？少F的是，愛因斯坦在這里并沒有排斥或漠視經驗歸納法在科學中的地位。一方面，他認為純粹思維可以把握實在;另一方面，又認為從來也沒有一種理論是靠純粹思辨發現的，他對構造性的理論也給予了較高的評價。愛因斯坦敢于正視矛盾的兩極，在唯理論和經驗論之間保持了一種微妙的、恰如其分的平衡，這正是他的高明之處。他提出的探索性的演繹法，只是強調“要大膽思辨，不要經驗堆積”罷了，這是理論科學在20世紀發展的必然趨勢，愛因斯坦則是率先表達了這一時代要求。

參考文獻

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第3篇：狹義相對論的基本原理范文

關鍵詞：創新；科學猜測；思維方法

中圖分類號：G427 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2012）20-066-1

猜測就是猜想和推測。具體說來，猜測是對研究的對象或問題作出符合一定的經驗與事實的推測性想像的思維方法。它幾乎完全不符合邏輯思維，更多地具有直覺思維的迅捷性、直接性、本能意識等特征。

布魯納曾指出：“在自然科學和普遍生活中，我們常常被迫根據不完全的知識去行動，我們不得不去猜想”。從這個意義上說，猜測是新思想的“火花”、“閃光點”，是某種新的科學理論的“萌芽”和“前奏曲”，直覺的猜測并不總是可靠的，僅憑猜測遠不能構建出神圣科學的殿堂。

一、產生科學猜測的思維方法

1.數學方法。

物理學的研究從伽利略開始，逐步地從定性描述向定量研究推進，后來牛頓在對物理問題進行定量分析和計算的過程中發明了微積分，更促使了物理學沿著精密、定量的方向迅速發展。物理學上不少重大的科學猜測，都是有關的理論跟數學方法結合才作出的。例如，洛倫茲的坐標變換公式客觀上有助于狹義相對論的建立；愛因斯坦在狹義相對論中用數學方法獲得的質能方程預示了巨大原子能的釋放的可能性；廣義相對論猜測了譜線紅移，光線彎曲；狄拉克從描述自由電子的運動方程中求得了正、負兩種能量解，預言了正電子的存在。狄拉克說：“理論物理學家把對數學美的要求，看成是一種信仰。比如，相對論之所以能夠得到普遍的承認，就是因為它具有數學的美?！?/p>

2.科學推理。

人們根據萬有引力定律普適于所有行星的運動的理論，而天王星是一顆行星，于是便認為天王星的運動應遵守萬有引力定律?？墒峭ㄟ^觀察，發現它的軌道總與根據萬有引力定律計算的結果不符。于是英國學者亞當斯和法國學者勒威耶各自根據經典力學進行演繹推理，并經過艱辛的計算，預示了天王星外有一顆行星影響著它的運動。后來德國天文臺終于在1846年發現了這顆行星——海王星。物理理論可以猜測物理系統各個層次的運動、變化和發展將要出現的物理現象和過程，也可以猜測人類尚未認識的新物理現象和過程。

3.物理假說。

恩格斯在《自然辯證法》中明確指出：“只要自然科學在思維著，它的發展形式就是假說?！丙溈怂鬼f提出了“位移電流”的假說，建立了電磁場方程，預言了電磁波的存在，并計算出了電磁波在真空中的傳播速度，并由此可推導出電磁波在兩介質交界面上折射和反射的規律等。在麥克斯韋方程中，電和磁具有對稱性，而自然界中已知的帶電粒子都是單極性的，即只能攜帶兩種相反電荷中的一種。1931年，英國物理學家狄拉克由此類推而預言，自然界中也有“磁單極”的存在，并根據這一點推導出磁荷以倍數出現的必然性。

4.審美預構。

科學家在科學資料、實驗設備缺乏的情況下，受到相關領域中事物的美學特性的啟發，以美引真，提出科學理論。真的科學理論必然是美的。科學現象表面雜亂無章，可現象的相互聯系和相互作用中必具有和諧性和秩序性，必具有簡單、對稱等美學特性。

二、如何提高學生猜測的能力

1.通過類比和聯想有效地引導學生猜測。

在物理學發展過程中，類比和聯想對猜測明顯地起著啟示、探索、開路和創新的作用，許多新概念、新規律、新理論的創建借助于類比和聯想。如類比水波、聲波來研究光波；盧瑟福將原子結構與太陽系模型類比提出原子的核式結構模型；德布羅意將實物粒子與光類比，提出實物粒子具有波粒二象性的假說等等，所以說，在物理教學中，教師可以通過類比和聯想有效地引導學生猜測。

2.通過介紹物理學家的思維方法讓學生感受猜測。

科學上不少重要規律的發現既包含了前輩科學家的無限艱辛，更閃耀著科學家們非凡巧妙的思維方法，如在講授電磁感應定律時，教師介紹法拉第是由于偶然發現電流表指針偏轉，從而猜測這個過程可能是個暫態過程，在演示單縫衍射實驗時，逐漸減小單縫寬度，當縫寬減小到出現明顯衍射現象之前，暫停實驗，而由學生預測可能出現的圖像，再通過實驗驗證。此類問題往往給學生大腦以強烈刺激，也更能引起學生的求知欲望。

3.為發展學生的猜測能力提供豐富的感性材料。

注意引導學生掌握好物理學科的基本知識結構，學懂弄通基本概念、基本原理、基本方法以及它們之間的邏輯聯系和理論框架，鼓勵學生在課外廣泛地涉獵相關學科的知識，并進行各種有益的旨在增進學生動腦、動手能力的課外活動，重視理論聯系實際，加強現代科學技術和近代物理學知識的滲透，將科技最新思想和科技發展動態引入教學之中，這樣豐富的知識和表象儲備，為發展學生的猜測能力，提供豐富的感性材料，從而激發學生進行猜測的興趣。

4.在習題教學中訓練學生的猜測能力。

通過物理習題的求解和分析訓練學生的猜測能力，如在解決暫態過程的問題時不要急于對學生容易遺漏的過程進行全面的分析，而是給學生充分猜測的時間；在分析非單調變化的物理量時，引導學生首先進行猜測性的判斷；在具有多解的習題中給學生以充分思考的時間，讓學生大膽地進行猜測，最后再進行適當的討論。

第4篇：狹義相對論的基本原理范文

【關鍵詞】康德哲學/非歐幾何/狹義相對論/批判精神

【正文】

20世紀早期可謂科學史上罕有的黃金時代。其間，現代物理學的兩大支柱——相對論和量子力學相繼創立，由此不僅為物理學提供了新的范式，而且為人類的整個自然觀帶來了重大變革。贊嘆之余，我們更應細察這些科學思想的源流，從而發現通向未來的重要啟迪。這就必然把我們帶到19世紀后半葉這一令德國人為之驕傲的時代，尤其是在被譽為“德國科學的帝國首相”的亥姆霍茲身上，我們將會發現導向20世紀物理學革命的一系列重要思想。

一　追蹤“先天”空間形式的世俗血統

在人類文明史上，數學因其在我們的整個知識體系中的特殊地位而與哲學有著非同尋常的關系。對數學基本問題的思考不僅是推動數學發展的重要動力，而且也使數學的內容不斷深化和發展。從柏拉圖到康德的哲學唯理論流派就把數學當作自己重要的理論基石，歐氏幾何學曾被康德看作是存在先天綜合判斷的根本依據之一?！敖涷炚撜軐W家們則反對這一論證，結果都失敗了；唯理論者有數學家站在他的一邊，要反對他的邏輯，似乎是沒有希望的。非歐幾何發現之后，情況為之逆轉?！盵1]經驗主義思潮隨開始盛行。對于認識論的這次重大革命，亥姆霍茲功不可沒。

從其科學生涯的早期，亥姆霍茲就致力于對數學、物理學基本概念的哲學分析和批判考察。在他看來，自然科學與邏輯學在思維方式上是根本不同的。因為在作為“哲學的一部分的邏輯學中，關于大前提及小前提的起源問題一般是沒有說明的，……傳統邏輯把自己限于那種方式、方法，由這種方式、方法你就能從已知的和給定的命題推出新命題，即一個人如何從三段論中推出命題。它并沒有給出我們如何達到最初命題的大前提和小前提的任何信息。一般說來，這正是由一位未知的權威所給的命題?！盵2]而自然科學的程序則恰恰相反，它的目的在于獲得先前未知的知識，這些知識是不能由任何權威給出的。正是那些先前不知道的命題，形成了自然科學的主要部分及最重要的部分。按照這種精神，對于一個理論來說，亥姆霍茲最為關注的必然是對其前提及基本原理的批判性審查，并進而揭示出它們的“世俗血統”，這正是他科學與哲學研究的突出特色，也是一切富有創造性的杰出科學家及哲學家所共有的優秀品格。因此，從其對生理光學的研究到對一般空間知覺的起源和本性的沉思，再到對幾何學及算術公理之基礎的批判性考察就成了亥姆霍茲科學與哲學探索的必然發展趨勢。

早在1857年給其父親的信中，亥姆霍茲就明確談到：“我正感到某些問題急需特別處理的必要性。就我所知，還沒有任何一位現代哲學家著手處理這些問題，它們全部屬于康德所探討的先驗概念的范圍。例如幾何學原理和力學原理的起源問題，以及我們必須邏輯地把實在歸諸于物質和力這兩個抽象概念的理由。其次是來自類比的無意識推理的規律，由此規律我們才從感覺進到知覺。我清楚地認識到這些只有通過哲學探討才能被解決，也才是可能解決的，以致我感到對更深奧的哲學知識的迫切需要?！盵3]但另一方面，他也深知解決這些重大問題決不能像前人那樣單靠純思辨的方法，否則就會重蹈覆轍。隨之，亥姆霍茲對感官生理學、特別是生理光學及知覺的起源與本性進行了長期的深入研究，直到1866年才真正轉向幾何學公理及算術公理之基礎的研究。

在亥姆霍茲看來，像幾何學這樣的科學可以存在，而且按它的方式被建構起來這一事實，已經必然地引起每個對認識論問題感興趣的人的關注。我們的知識中沒有別的學科像幾何學那樣似乎是現成地出現的。在這方面，它完全避開了其它的自然科學學科必須做的那種收集經驗材料的繁瑣任務，以致它的程序的形式是唯一地演繹的，結論來自結論，并且誰都不最終地懷疑這些幾何定理對現實世界的有效性，從而使得幾何學總是被當作令人嘆服的例子去證明，不必借助經驗我們也能獲得關于實在內容的命題的知識，特別是被康德當成了存在先天綜合判斷的根據，這是不符合批判精神的。亥姆霍茲要進一步對這些所謂的“自明公理”進行批判考察，其目標在于“給出有關幾何公理，它們與經驗的關系以及用其他公理代替原有公理的邏輯可能性的最新研究成果的一種解釋?！盵4]

那么，歐氏幾何所隱含的基本事實是什么呢？亥姆霍茲的分析表明，歐氏幾何的所有證明的基礎都在于確立相關的線、角、平面圖形及立體圖形的疊合。只有當兩個圖形完全重合時，它們才是相等的。對之作進一步的分析將會發現，為了使兩個圖形相等，必須把一個圖形移向另一個圖形。但是如何移動呢？答案無疑是要保證移動過程中圖形保持不變，這相當于移動一個不變的剛體。顯然，這里隱含的公設是不變剛體的存在，而這個概念是來自對自然物體所顯現的物理的或化學的特性的抽象。如果剛體或質點系統不能形狀不變地相互移動，如果幾何圖形的疊合不是一個獨立于一切運動的事實，我們就不能談論全等，也不會有空間測量的可能性。因而，對歐氏幾何來說，首要的是全等概念，而不是兩點間的最短線，這就是亥姆霍茲基于事實的分析而非解析的準則所得到的一個重要結論。正如他在談到這一點時所說：“我的出發點是一切最初的空間測量都是基于對全等的觀察。顯然，光作為直線的性質是一個物理事實，它受到其它領域的特定實驗的支持，對于可以獲得對幾何公理的精確性充分確信的盲人來說，光的這一特性是絕對不重要的?！盵5]因為盲人不借助光的直線性也能理解歐氏幾何學，但盲人并非通過觸覺沒有領悟全等。

亥姆霍茲認為，Riemann的解析方法的不足之處在于它沒有反映出我們的空間概念所必須的經驗部分。而他自己的目標則在于以確立重合為起點，去假定空間測量的可能性并進而探求多維空間的一般解析表達式，這就意味著經驗地得到了幾何公理。在談到與Riemann的研究思路的重大區別時，亥姆霍茲指出：“我自己達到同樣的考慮部分地來自對于顏色的空間描述的研究，部分地通過對以視野中的測量為目的的視覺估計之起源的研究。Riemann從描述空間中無限接近的兩點間距離的一般解析表達式開始，由此導出了關于不變的空間結構的自由運動定理，而我則從觀察事實出發，這一事實即不變的空間構形在我們空間中運動的自由性是可能的，并且我由這一事實導出了較Riemann當作公理的解析表達式的必然性。以下就是我的計算所基于的假定：(a)關于空間的連續性和維數；(b)可動剛體的存在，它是通過疊合而進行空間測量的比較時所必需的；(c)這種剛體的可自由運動特性，由(b)(c)兩點可保證兩個空間圖形的疊合與其所在的空間位置無關；(d)剛體的旋轉不變性。”[6]亥姆霍茲認為，這四個假定都是普通幾何所具有的，“盡管以上假定沒有關于直線和平面的存在的公理及平行線公理，它也是完備的和自足的，并且從理論上看，它具有完備性和易于檢驗的優點?！盵7]

從以上四個假設出發，亥姆霍茲達到了Riemann的研究起點，即N維空間中擴展了的畢達哥拉斯定理。如令維數為三，并假定空間是無限擴展的，就只有歐氏空間是可能的。也就是說，歐氏空間只是滿足疊合條件的不同類型的空間中的一種。這些空間包括球面空間和偽球面空間，它們也是可設想的無矛盾的幾何學。

那么，為什么我們接受了歐氏幾何，而沒有接受其它可能形式的非歐幾何呢？為此，亥姆霍茲認為必須首先研究可想象的和可知覺的東西之間的關系，并進一步從中發現新的準則，以便用于有關幾何學的特殊考慮，從而區別出空間知覺中的先天因素和后天因素。他先后研究了假想的二維生物在平面、球面及橢球面上所產生的幾何學。從而得出結論：歐氏幾何學之所以是我們周圍實在世界的幾何學，這沒有什么可奇怪的，因為我們的視覺觀念已經變得與這一環境相適應，因而也服從歐氏幾何定律。如果生活在另一種幾何結構不同的環境中，我們就會與新的環境相適應，學會看非歐幾里德式的三角形，會覺得三角形的內角和不等于180度是正常的，我們也將學會用被那個世界的剛體所定義的一致性來測量距離。也就是說，歐氏幾何的優先權是古老習慣的產物，它的基礎在于我們的物質環境的歐幾里德特性，我們由之認識幾何關系的物理實體——剛體和光線在結構上是與歐氏幾何定律相一致的，這種經驗事實正是這類習慣的源泉。因而，康德意義上的終極范疇是不存在的，它所被賦予的確定性和固有的必然性也是虛幻的。由此，空間直觀的“世俗血統”顯然無疑其基礎受到了根本性的動搖。一場新的認識論革命即將到來，它的目標正是對那些被賦予先天性的基本概念進行徹底地批判和清洗。馬赫及赫茲的力學批判正是這一革命的重要組成部分，相對論的創立則是這一認識論革命的重大成果。在愛因斯坦看來，如果沒有亥姆霍茲的非歐幾何思想，就不可能通向相對論。

二　愛因斯坦：“時間是可疑的”

眾所周知，愛因斯坦是完成人類時空觀根本變革的偉大哲人——科學家。他的青年時期正值追尋科學原理之基礎的英雄時代，而善于從思想起源對基本概念進行批判性考察恰是愛因斯坦成功的關鍵，這與亥姆霍茲不無重大關系。

正如愛因斯坦多次談到的那樣：還在蘇黎世聯邦工業大學學習時，他就利用課余時間認真研讀了亥姆霍茲、玻耳茲曼、赫茲等人的論著，特別是亥姆霍茲的五卷本《理論物理學講義》使他受益匪淺。其中的第一卷有一半講的都是哲學和認識論，具體實驗卻很少提及，甚至連那個在他的贊同下首次完成的邁克爾遜實驗都未提及。正是這套講義加強了愛因斯坦的批判意識及研究認識論的自覺性。當談及這段經歷時，愛因斯坦不無感慨地說：“在那里我有幾位卓越的老師（比如胡爾維茲(A.Hurwitz)、明可夫斯基(H.Minkowski)），所以照理說，我應在數學方面得到深造?？墒俏掖蟛糠謺r間卻是在物理實驗室里工作，迷戀于同經驗直接接觸。其余時間，則主要用于在家里閱讀基爾霍夫(G.R.Kirchhoff)、亥姆霍茲(H.L.F.von Helmholtz)、赫茲(H.R.Hertz)等人的著作。”[8]大學畢業后，在伯爾尼專利局做試用檢驗員的愛因斯坦與C·哈比希特、M·索洛文三人組成了奧林比亞科學院，其中研讀和討論包括亥姆霍茲在內的大師們的著作是科學院的主要活動之一。因而，亥姆霍茲對于幾何學、數學及力學基本概念的批判對愛因斯坦的認識論及其對康德哲學的看法有著直接影響。

轉貼于 在愛因斯坦看來，康德哲學中最重要的東西是他所說的構成科學的先驗概念，而承認先驗綜合判斷的存在則是他設下的圈套。[9]事實上，康德在那些作為任何思維的必要前提的基本概念與來自經驗的概念間所作的根本性區分是不正確的，其原因在于康德只強調了那些基本概念的有效性而忘記了它們的世俗來源，從而它們就會被看作是一成不變的既定的東西，并打上“思維的必然性”、“先驗地給予”等等烙印?？档抡沁@樣去看歐氏幾何的。正如愛因斯坦在“物理學與實在”一文中所指出的那樣：“歐幾里德幾何的純邏輯的（公理學的）表示，固然有較大的簡單性和明確性這個優點，可是它為此所付出的代價是放棄概念構造同感覺經驗之間的聯系，而幾何學對于物理學的意義僅僅是建筑在這種聯系之上的。致命的錯誤在于：認為先于一切經驗的邏輯必然性是歐幾里德幾何的基礎，而空間概念是從屬于它的。這個致命錯誤是由這樣的事實所引起的：歐幾里德幾何的公理構造所依據的經驗基礎已被遺忘了?！盵10]既然“先天”空間形式已不可能，“先天的”時間形式還成立嗎？這便是相對論的誕生必須突破的一道難關。在放棄了許多無效的嘗試之后，愛因斯坦終于醒悟到：“時間是可疑的?！闭劦竭@一點時，愛因斯坦特別強調了休謨和馬赫的影響，在他看來：“只要時間的絕對性或同時性的絕對性這條公理不知不覺地留在潛意識里。那么任何想令人滿意地澄清這個悖論的嘗試，都是注定要失敗的。清楚地認識這條公理以及它的任意性，實際上就意味著問題的解決。對于發現這個中心點所需要的思想，就我的情況來說，特別是由于閱讀了戴維·休謨和恩斯特·馬赫的哲學著作而得到決定性的進展。”[11]這里并未提到亥姆霍茲的作用。的確，亥姆霍茲由于認識到“時間”觀念的復雜性而更關注于空間觀念的批判性考察。但這種批判對相對論的創立同樣有著至關重要的作用。其影響并不亞于馬赫那“堅不可摧的懷疑論”。[12]在談到非歐幾何與物理學時愛因斯坦也指出：“物理世界的幾何究竟是怎樣的？它究竟是歐幾里德式的還是任何別種的？許多人都爭論過這個問題有沒有意義。為了說明這種爭論，必須在下面兩種觀點中徹底堅持一種。第一種觀點，同意幾何‘體’實際上體現著物理固體，當然，這只要固體遵守那些關于溫度、機械應力等等已知的規定就行了。這是從事實際工作的實驗物理學家的觀點。如果幾何的‘截段’，同自然界的一定客體相對應，那么幾何的一切命題也都具有說明現實物體的性質。這種觀點亥姆霍茲說得最明白，可以補充一句：要是沒有這種觀點，實際上就不可能通向相對論”。[13]對此應怎樣理解呢？如果我們深入考察亥姆霍茲的非歐幾何思想，我們將發現，其中不僅僅有對先天空間形式的批判，而且包含著關于“空間”相等的一種操作定義，從而為建立新的時空觀指明了方向。

在有關空間知覺的早期研究中，亥姆霍茲就指出，我們對各種空間形狀、距離及空間關系的知識的獲得都是通過我們的身體或簡單儀器的操作及實驗而達到的。他關于非歐幾何的探討是通過空間中剛體的運動而進行的，而其中的相等關系正是由剛體向它的比較對象發生的真實運動來作出操作定義的。關于空間間隔的測量，必須首先對作為測量標準的剛體的某些特性給出明確規定，此后測量的意義就由這個作為標準的剛體的重復操作而確定。也就是說，康德意義上的那種絕對普遍而必然的幾何學并不存在，只有與關于等同性的操作定義相關的幾何學。按著這一觀點，愛因斯坦在長時間的沉思之后，對時間概念提出了類似思考：同時性也沒有任何絕對意義，它只能在一個確定的操作定義之上討論，即同時性的愛因斯坦定義。

在“論動體的電動力學”這一劃時代論文中，愛因斯坦基于對電動力學所導致的不對稱現象的深刻分析和長達十年之久的追光悖論的沉思，首先提出了相對性原理和光速不變原理這兩個公設。在隨后的運動學部分，愛因斯坦首先給出了同時性的操作定義，從而使得“同時性”概念不僅擺脫先驗色彩和直覺性，而且使它與經驗建立了密不可分的聯系，其結論是同時性的相對性。這個突破之后，先前的極大困難就迎刃而解了，時間的相對性和空間的相對性以及新的時空變換都不過是同時性的相對性的必然結果。這便是該文的運動學部分所提供的狹義相對論的完整的基本原理。

三　從亥姆霍茲到愛因斯坦：富有批判精神的優良傳統

科學哲學家賴欣巴哈在談到相對論的哲學意義時曾指出：“我們把幾何學問題的哲學說明歸功于亥姆霍茲。他看出物理幾何依賴于剛體全等的定義，并因此推得，物理幾何本質的清楚說明在邏輯上比幾十年之后發展起來的彭加勒的約定論更優越。又是亥姆霍茲，借助于形象化是有關固體和光線的經驗結果這一發現，澄清了非歐幾何的直觀說明。……亥姆霍茲不能成功地勸服他的同代人脫離康德的時空先驗論并不是他的錯誤。只有很少的專家知道他的哲學觀點。當由于愛因斯坦的理論使公眾的興趣轉向這些問題時，哲學家便開始讓步并脫離了康德的先驗論”。[14]我們認為，其中的“哲學說明”是指亥姆霍茲的思維和方法在本質上是哲學的，即對基本概念和理論前提進行徹底的批判考察，這正是康德哲學所富有的批判精神。正如海涅談到康德的《純粹理性批判》在德國引起的哲學熱潮時所說：“康德引起這次巨大的精神運動，與其說是通過他的著作的內容，倒不如說是通過在他著作中的那種批判精神，那種現在已經滲入于一切科學之中的批判精神。所有學科都受到了它的侵襲。……德國被康德引入了哲學的道路，因此哲學變成了一件民族的事業。一群出色的大思想家突然出現在德國的國土上，就像用魔法呼喚出來的一樣?！盵15]的確，在康德之后，出現了費希特、謝林和黑格爾，他們沿著唯心主義道路進一步發展了康德哲學。與之不同的是，稍后的一大批德國杰出的科學家走的是另外一條以實證科學去解釋和發展康德哲學的道路，其結果是康德哲學的許多結論得到了改造，但就其精神本質而論，則是對康德哲學的精神——批判精神的真正繼承與發揚，這也正是德國科學的優秀傳統的突出特點。這后一條道路的開拓者正是亥姆霍茲，他也因而被看作新康德主義的領導者和科學哲學的先驅者。赫茲、普朗克、愛因斯坦則是他的直接傳人。他們的思維在本質上是哲學的思維，他們既是科學家，也是哲學家。在此，富有批判精神的文化傳統發揮著重要的助長劑和催化劑的作用。愛因斯坦對此深有感觸，他認為：“使青年人發展批判的獨立思考，對于有價值的教育也是生命攸關的?！盵16]

以上探討不免使我們聯想到中國教育的現狀。我們的課堂、教材灌入給青少年的都是無血無肉的死的東西，知識技能化的傾向愈演愈烈，科學精神、科學思想喪失殆盡。由此，怎么能培育出世界級的科學大師呢？這或許可算作我們從本文得到的一個重要啟示吧！

【參考文獻】

[1]賴欣巴哈．科學哲學的興起[M]．北京：商務印書館，1983.112．

[2]Helmholtz: Vorlesungen uber Theorerische Phydsik， Bd.I， Leipzig，1897.S.5-6．

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[6][7]Helmholtz: Wissenschaftliche Abhandlungen，Leigzig，1868，S.621.S.616．

[8][9][10][11][13]愛因斯坦文集（第一卷）[M]．北京：商務印書館，1983.7、104、349、24、207．

[12]A·I·米勒．科學思維中的意象[M]．武漢：湖北教育出版社，1991.104．

[14]Albert Einstein: Philosopher--Scientist，Edited by P. A. Schilpp， New York，1949，P.304．

第5篇：狹義相對論的基本原理范文

[摘要]以學生為主體的角度出發，根據問卷調查結果和多年教學經驗提出了基礎光學課程改革的幾點見解，第一、基礎光學教學內容改革的必要性及具體措施，第二、注重教學步驟的完整性，第三、注重教學方法的改革。

引 言

光學是高等院校物理專業必修的一門專業基礎課，是物理學中最古老的一門學科之一，同時也是一門年輕的學科，具有強大的生命力和不可估量的發展前途。光學對原子物理學的學習有極其重要的作用，而且光學是近代物理的生長點，量子論、狹義相對論都起源于光學。所以，學好光學無疑對相關課程的學習起著十分積極的作用。近年來有關光學課程的教學改革呼聲日益高漲，人們分別從不同的角度對光學的教學改革進行著積極而有益的探索[1-6]。本文借助于羅洋城對北師大和韶關學院學生的問卷調查[6]，結合自己多年的教學經驗和他人的先進成果，廣泛征集學生見解，對光學課程的改革進行積極了的探索，提出了基礎光學課程教學改革的幾點見解，供大家鑒借和分享。

教學內容的選取

現流行的光學教材，對幾何光學和波動光學的基本理論的講解是詳細的，完善的，但也存在不少問題，主要表現在：第一，幾何光學的內容占的篇幅過大，以華東師大姚啟鈞編的《光學教程》為例[7]，僅幾何光學的基本原理這一章，公式大大小小就有45個，有些問題中學已經講過，沒有必要重復講授。適當精簡幾何光學內容，使內容在滿足系統化、條理化的基礎上做出合理的取舍。第二，光的量子性部分的歷史，如“紫外災難”和“兩朵烏云”等故事完全可以放到物理學史中去講授。第三，現代光學部分涉及面較廣，學科的內容非常豐富，學科體系十分龐大，而光學課程的學時有限，所以現代光學部分則應該單獨羅列出去，建議在大三再開設現代光學基礎，滿足學生的求知欲和飛速發展的光學科技。基礎光學部分在講授時應該適當融入前沿科技內容，避免單純概念的枯燥，使教學別具一格，既深化了概念，同時將光學基本原理與其在科技前沿中的應用結合起來，大大深化了基本原理教學，開闊了視野，充分調動了學生的積極性，激發求知欲和探索物理奧妙的精神，同時也增加了課程的魅力。但是，在講授前沿科技與古老光學原理的結合時一定要注意突出光學基本原理的描述，達到用科技前沿實例講授并深化課程基本概念和基本原理的教學目的。同時，基礎光學部分在講授時還要注重課程內容的條理化，雖然波動光學和幾何光學看似聯系不十分緊密，但是至始至終都離不開兩個概念就是光程和相位差，所以在整個基礎光學部分的教學中要始終貫穿這兩個基本概念使教學內容渾然一體。

注重教學步驟的完整性

注重教學步驟的完整性有力的保證了教學質量。課堂教學是學生獲得知識的重要途徑，由于教學體制特點，很多學生依賴于課堂，所以確保課堂教學效果是教學中的非常重要的一個環節。除了借助于現代化教學手段提高教學效果外，從內容的選取和語言描述上需下足功夫，充分地把教師的個人魅力展現出來，并且把這種魅力融入到教學中，以提高課堂教學效率。作業批改是課堂教學的延伸，它是發現問題，解決問題的重要途徑，通過對作業細致批改幾乎可以了解每一個學生的學習狀況和學習狀態。課后答疑是課堂教學的重要輔助形式，也是教學過程中的有機組成部分。此外，光學和其它物理學學科一樣是一門以觀察和實驗為基礎的學科，許多物理知識都是通過觀察實驗，經過認真的思索總結出來的。實驗教學不僅僅是學生動手的過程，更是動腦思維的過程。注重實驗教學能更好地激發學生的學習興趣，并且能培養學生嚴肅、認真、端正的實驗態度，獲得一些感性認識，經過進一步引導使感性認識上升為理性認識，為光學課程的學習起到積極的作用。值得一提的是驗證性實驗所占比重過大[8]，大學階段的實驗教學應該不只是“驗證”，通過增加一些設計性實驗以激發學生的創新能力。

注重教學方法的現代化

現代教學技術手段的發展和應用提高了單位學時的信息量，多媒體技術中實例分析和動畫演示激發了學生的學習興趣。然而我們在運用現代技術手段教學過程中，還是遇到了許多新問題，如過多依賴于ppt教學，以至于學生感覺象放電影一樣，條理性、邏輯性和系統性體現不到位。所以，我們還要不斷探索新的教學方法和技巧，從而使現代化教學內容和教學手段得以更充分地發揮作用。此外，加強與國內兄弟院校的了解和交流，使我們能夠開闊眼界，增加知識，有效提高我們的教學質量。最好能夠讓教師走出去，同時也能把相關教學經驗豐富的人事請進來，借鑒和學習兄弟院校光學教學改革和發展的成功經驗。總之，在科學技術飛速發展的今天，大學階段的學習是很多人接受系統學習的最后一站，基礎光學課程的學習對今后的學習起著非常重要的作用。所以在教學中要從教學內容、教學步驟、教學方法等方面完善教學過程，強化基礎教育，緊跟現代科技發展步伐，積極大膽地嘗試現代科技教學手段，探索新的教學方法，使學生的學習由被動轉為主動，為今后的學習奠定基礎。

參考文獻

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[6]羅洋城.光學學習困難的調查與分析[J].韶關學院學報(自然科學版)，2002，23(6):30-36.

第6篇：狹義相對論的基本原理范文

【摘 要】物理學是一門在學生們看來比較枯燥的學科，教師難教、學生難學。但物理學習又有一定規律可循，也有一定學習方法可以借鑒。筆者根據幾年高中物理教學經驗，總結出了一套學好物理的方法，在文中予以詳述。

【關鍵詞】高中物理；學習；方法；技巧

高中物理怎樣學？這是高中學生經常提出的問題，也是高中物理老師經常遇到的問題。同學們常常想找到一種巧妙的學習方法使自己輕而易舉或稍加努力就能掌握好應學的知識。其實，學習任何一門知識都有一定的技巧和方法，但對不同的人又不能采用完全統一的方法，這也就是所謂的“學無定法”。

任何一個學科都有其內在規律，按照其規律及特點去學習、去探討，這就是基本的思想方法。關于物理學科的學習方法，筆者就此談談個人的一些看法。

1. 物理學科是研究什么的，它在社會發展、人類進步和生產生活中具有什么樣的作用 物理學是自然科學中的一部分，是一門研究物質、能量和它們相互作用的學科，它既包含了對物質世界普遍而基本的規律的探索，又對其他自然科學以及科學技術社會生產力的發展具有強大的推動作用。物理學是一門基礎學科與其他自然科學有密切的聯系，如天文學、地理學、生物學、化學等。我們學習物理不僅僅是為了認識客觀世界，更重要是利用物理知識改造世界，為祖國的社會主義現代化建設服務，為人類文明做出貢獻?？茖W技術的每一次重大突破都跟物理學分不開，如果不是在19世紀中期發現了電磁感應現象，并建立起相應的電磁理論，就不會有發電機、電動機，現在電氣化生產就不可能實現，也就不可能有我們現在的網校，如果沒有對氣體性質的研究和熱學理論的建立，那么應用機、汽車、輪船、拖拉機、機車、坦克等的內燃機也就不會存在。如果至今沒有人類出行的交通工具，我們就真正處在封閉狀態中，探親訪友，出門旅游，將成為空想。沒有萬有引力定律的科學規律，人造衛星、宇宙飛船、人類登月更不可能變為現實。進入20世紀物理學更廣泛應用于工農業生產和科學技術的各個領域，成為科學技術的基礎。征得中科院部分專家學者的意見，新華社評出的20世紀對世界產生深遠影響的十件大事中有兩件是與物理學有關的。首件事就是物理學革命，1905年愛因斯坦提出的狹義相對論基本原理和1916年提出的廣義相對論基礎與普朗克提出的量子論一起改變了人們對時間、空間、物質和運動的概念。20世紀大多數物質文明都是從相對論和量子論這兩個物理基礎學科衍生和發展起來的。

另一件是第一臺電子計算機的誕生與因特網的應用，從目前看計算機技術發展日新月異，應用越來越廣泛，改變了人類的生活和工作方式，促進生產力發展，人類開始邁向信息社會。

基于以上看法，同學們就會明確物理學研究內容，為什么要學習物理學的問題也就解決了。大家興趣盎然，摩拳擦掌，準備在物理學的知識海洋中傲游。

2. 積極主動參與課堂演示實驗和學生實驗，可以幫助學習者加深對物理過程的認識和對物理概念、物理規律的理解，是學好物理課的重要手段之一 實驗是物理學的基礎，實驗過程隱含了豐富的科學思想和科學方法，既包括了操作技能和處理實際問題的本領，又包括思辯性的猜想和假設，邏輯的思考和論證，準確的測量和數據分析，嚴密的推理和清晰的表述。在科學思想的指導下，用科學方法學習物理自然會有較高的收益。

另外，要自己動手做實驗，要做參于者而不當旁觀者，做實驗所用到儀器性能、使用方法與物理知識有關，而實驗原理往往就是所學的規律。還有就是在日常生活中多用心觀察各種物理現象。

3. 學習物理不是簡單的套用公式，進行數字推導，重要的是要掌握扎實的基礎知識 要對基本物理概念、物理規律清楚弄清本質，明白相關概念和規律之間的聯系，明白物理公式定理、定律在什么條件下應用而不能簡單地以做習題，題海戰術來代替，對基本概念和基本規律的學習和理解，如果概念不清做題不僅費時間費精力，而且遇到的矛盾或困惑就越多，久而久之產生畏難情緒，做習題的目的是為了鞏固基本知識，從而達到靈活運用。不少同學總是覺得自己對概念已懂了，就是不會用，一遇到物理題就不知從何下手。這是不少同學常有的困惑。應該怎么辦呢？首先應對概念反復比較，找出與相近的概念和規律的區別。另外要根據題目所給的條件，搞清物理過程、物理情景建立物理模型。然后找出每個物理過程遵守什么樣的規律，各物理過程之間有什么聯系。根據所學知識列出相應方程。做物理題的過程重要的是分析思考，分析思考的輔導手段是畫圖。圖就是一種很好的物理模型，這樣變抽象為具體，變虛幻為真實，解起題來就容易多了。

第7篇：狹義相對論的基本原理范文

二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。

在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學?，F代物理學誕生了！

把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象?？梢哉f，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟?？陀^物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。

我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯系。

這正是統計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理?！薄叭藗冊趯嵺`中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]

現代物理學的革命將怎樣發生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀點。

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空?，F代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。現在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論

第8篇：狹義相對論的基本原理范文

關鍵詞大學物理 分層教學 開放思維 創新思維

中圖分類號:G420文獻標識碼:A

大學物理課程是理工科多數專業開設的一門必修基礎課,現代人才的內涵和培養模式對這門基礎課程的改革提出了更高更新的要求。為了順應時代的發展,必須對大學物理課程的教學內容和教學方法等進行改革,這方面的研究與探討已成為一個重要課題,目前大學物理的教育及改革卻存在著許多矛盾,筆者根據自己和項目組成員的多年教學經驗在以下方面做了改革。

1 注重理論教學與實驗教學相結合

大學物理學的教學包括理論教學和實驗教學。理論教學和實驗教學各有特點,它們的有效配合是提高學生素質的最佳途徑。由于實驗室資源有限,就容易出現理論內容滯后或遠遠超前于實驗的情況,那么在實驗課有限的時間內,學生就不容易理解實驗原理,實驗過程也很被動,甚至實驗完成后仍然渾然不清,達不到實驗的目的。但若教師講授原理花費的時間較多,學生動手完成實驗的時間就會相對減少,這樣就會影響學生實驗技能的提高,削弱實驗的效果。鑒于此,我們對大學物理學進行了理論課與實驗課相互配合整體優化的教學改革:理論課涉及到的實驗在理論講述中就較詳細地講解其實驗原理,并且講授了理論知識后及時開設與之相對應的物理實驗。這樣,一方面通過實驗的定量驗證,可以加深學生對物理原理的理解,另一方面,在實驗教學中就可以讓學生利用更多的時間進行操作,分析問題,提出問題,解決問題,以提高他們的實驗技能和創新能力。比如,理論課上學生學習了霍爾效應原理,實驗上利用霍爾效應測磁場。教師只需講述實驗中產生的附加效應及消除方法和實驗儀器的使用方法,學生就可以開始實驗。實驗完成后,學生對實驗結果進行分析、探究,比如霍爾元件有什么功能、它有什么特性、在生活中有哪些應用等等,學生可以通過思考和查閱資料得出結論,并撰寫論文。大學物理理論課與實驗課相互配合整體優化是提高物理學教學效果的一條很好的途徑,經過實踐,深受學生的歡迎, 收到了良好的效果。

2 教學中要尤其注重分層教學

“分層教學”是指針對學生知識、能力結構和學習需求的不同類型而分群體選擇不同的教學目標和內容,實施不同的教學方式,從而讓不同層次的學生都得到充分發展的一種教學模式。本校目前有二十多個專業開設了大學物理課程(大學物理1和2),針對不同的專業需求制定不同的教學計劃,這就要求我們教師必須提前作好充分的調查研究工作,對不同的專業需要必須要有足夠的了解,再針對不同的專業制定相應的教學計劃,多方核實?？紤]到專業比較多,涉及面也比較廣,對于類似的專業需要可以制定大體相同的教學計劃。確實可行之后再找幾個專業進行相應的試點。試點成功之后才能在全校范圍內推廣。雖然比起統一的教學計劃來講要復雜、要麻煩,但這樣可以很大限度地調動學生學學物理這門基礎課程的積極性,權衡利弊,從長遠來講,還是很有意義的。當然,這也對我們教師的業務水平提出了更高的要求。只有教師業務水平提高了,掌握的新東西多了,對當今科技發展了解得多了,才可以使課堂教學生動化,富有趣味性,啟發式教學才會運用自如。這樣就會逐步引導學生去自覺地學習物理學,培養學生對物理學的興趣,進而達到提高教學質量的目的。

3 注重物理學中的邏輯思維,開放思維和創新思維

科學史的眾多重要事例都指出,當科學研究發生重大變革(如廣義相對論的誕生)從一個能區進入一個新的能區時,物理出現突變,我們思維上也必須出現突變。這是簡單的邏輯推理所不能完成的,而要求思維方式從邏輯思維變到創新思維。在教學中尤其要注意介紹物理概念、思想以及各個分支領域之間的內在聯系和理論中的問題。比如最簡單的牛頓定律,就有很多本質問題,而這些方面不僅在中學而且在大學教學中往往被有意識地略去了,似乎這種做法可以避免讓學生陷入思維混亂和概念模糊,但從長遠來看,由于不能啟發學生向更深層次去思考,對已有理論進行質疑,對他們將來從更深層次思考問題會產生阻礙。我們教與學的目的在于創新,培養創新的人才。我們教學的方式和手段一定要根據培養創新思維的目標來進行思考。我們要鼓勵學生開放和創新式的思維,但也要求他們學會邏輯思維,不能偏廢。

4 注重物理學思想和方法,強調物理圖像

對學生而言,學會科學的思維和方法比獲取物理學知識本身更為重要。積極尋找和發掘那些對學生的科學思維和方法有啟迪的典型內容,盡可能地把物理學方法論中所涉及到的一些基本原理介紹給學生。例如,伽利略對科學的貢獻;發現萬有引力定律的思想過程;愛因斯坦在建立了狹義相對論以后為什么又提出廣義相對論,他是如何考慮問題的?等等。大學物理學作為一門非物理專業的公共基礎課程,物理圖像比起嚴密的數學推導更重要,凡是能夠用物理圖像說清楚的就盡量不用較復雜的數學推證。

5 注重物理學知識與實際應用相結合

教學中要注重物理學知識與科學技術相結合,與生活實際相結合,與自然現象相結合。例如,用力學中的角動量守恒知識來解釋體育運動或舞蹈中的人體旋轉問題;把光的多普勒效應與雷達測速應用聯系起來;把反射光的偏振知識與生活實際中的偏振太陽鏡的應用聯系起來;把光的雙縫或多縫干涉與電磁波天線陣列定向輻射電磁波的應用聯系起來等等。目的是要讓學生在學完物理學后產生一種自信和滿足,對自己周圍的一切有新的認識,對許多生活中或是自然界的現象可以說出其所以然,對許多高新技術不會感到驚訝,恍然洞悉其核心原理是那么簡單而基本,從而使學生感到學學物理對自己是有益的。

在實踐過程中,大學物理的教學改革必然還會遇到許多問題和困難, 但是我們相信,只要思路正確, 措施得當, 在實踐中不斷地總結經驗教訓,就一定能夠使大學物理課程教學改革得到不斷的深入和完善。

[基金項目] 2006年中南林業科技大學教學研究項目(編號15)

參考文獻

[1] 張淳民.大學物理課程體系教學內容、教學方法改革的時間探索[J].大學物理,2000(3):43~47.

第9篇：狹義相對論的基本原理范文

一、近代物理教學方法的改革

1．在近代物理教學中引入物理學史，培養學生創新能力

教學的基本任務除了向學生傳授近代物理基本知識外，更重要的是培養學生的科學素質和創新能力。但是在一般的近代物理教材中，物理大師當初做出的重大發現的歷史過程，即他們探索的過程，獨特的思路，認識的飛躍和十分有效的方法，往往被過濾掉。這種狀況對學生全面發展是十分不利的。因此，在近代物理教學中，講述一些物理學發現的歷史案例是克服這一缺陷的有效手段。在教學中把著眼點放在物理學中的推理、發現以及概念形成的認識過程上，生動的描繪科學家探索物理世界奧秘的艱辛歷程，以其中的歷程和哲理去感染學生，激發他們學習近代物理的興趣，提高他們學習的積極性。并使學生受到科學研究方法的熏陶，獲得比從單純的知識灌輸中得不到的才能?！囵B學生科學探索精神。學生學習近代物理，光記住一些物理概念、數據、定律和公式是遠遠不夠的，這并不表示真正理解了近代物理。因為科學的主體并不是它所獲得知識的多少與深度，更重要的在于“探索”。因此，在教學中引入物理學史能使學生從近代物理知識的更替演變中認識它的條件性，局限性，認識科學理論的相對真理性。使學生知道物理學永遠是一個充滿生機活力的學科，它永遠不會老化和僵死，永遠不會終止探索步伐?！囵B學生創新能力和科學方法。在教學中，不但是為傳授知識，更重要的是對學生進行科學方法和創新能力的培養。要使學生懂得：不囿于傳統理論和觀念，不迷信權威和書本，是科學創新的思想前提。在科學本身的矛盾已經顯現出來時，誰能首先同束縛科學發展的傳統觀念決裂，勇于提出新思想，新見解，誰就可能搶占到科學發展的前沿陣地，做出突破性的發現。愛因斯坦不拘泥于一切傳統的觀念，他以徹底創新精神革新了舊有的觀念，建立了狹義相對論的時空觀，成為現代物理學的杰出代表。楊振寧和李政道敏銳地審察了從未被人懷疑過的宇稱守恒定律的適用范圍，大膽提出了弱相互作用中宇稱不守恒的假說，從而導致了物理學理論的一個突破性的進展。在近代物理發展過程中，人們廣泛采用了多種科學研究方法，如實驗方法、模型方法、分析和綜合方法、類比方法、科學假設方法等。如德布羅意在光具有波粒二象性的啟發下，將物質粒子與光作了類比，提出了物質粒子和光一樣具有波粒二象性的假設。后來被實驗證實。1974年，丁肇中和里希特在實驗中獨立地發現了新的粒子。1963年，蓋爾曼等人提出了強子由夸克組成的模型，幾乎同時我國物理學家也提出類似的層子模型。在教學過程中利用這些生動事例，來培養學生創新能力和科學方法，對他們將來在科技工作中大有益處。

2．大力采用滲透式教學方法

我國傳統的教學方法大都采用“全盤授予”“注入式”和“按部就班”的教學方式，一貫強調學生循序漸進式學習知識，其優點是能比較牢固系統地掌握基本知識，但也造成我們講授新知識時，態度過于謹慎，不敢大膽涉及新的領域，知識面較窄。著名物理學家楊振寧說：滲透性學習法，就是在學習的時候，學生對學習的內容還不太清楚，但就在不太清楚的過程中，已經一點一滴地學到了很多重要的東西。同時楊先生認為，中美雙方教育傳統的長短是互補的，若能將兩者和諧地統一起來，在教育上將是一個有意義的突破。為了培養創新人才，我們應該努力去突破。我認為：對于基本概念，基本規律，定理及基礎理論，這些內容包括基本的物理實驗，物理圖像，物理思想和物理模型，用傳統的教學方法進行講解。而一些新發展的理論，現代科技應用等內容時，就采用滲透式教學方法。比如，目前正在研究，還在爭論的中微子有沒有質量？質子會不會衰變？我們的宇宙是封閉的還是開放的？廣義相對論、穆斯堡爾效應、核反應堆、超流與超導、玻色—愛因斯坦凝聚、基本相互作用等。在科技應用方面，如電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、激光分離同位素技術、激光技術、X光電子譜、核磁共振技術、放射性同位素技術、穆斯堡爾譜技術、核電技術、熱核聚變技術、加速器等。對于這些內容是為了使學生擴大視野和提高視角。只要求學生知道和了解，不必也不可能要求學生深入理解和一定要掌握。

二、人才培養中的教學手段改革

學生對物理概念的認識，要依靠對物理現象的感知。但傳統的近代物理教學手段只能把物理現象和物理過程靠教師用粉筆在黑板上靜態地給學生勾畫和講解，學生難以獲得動態和直觀的感性認識以及清晰的物理圖像。這是學生感到近代物理難學的一個重要的原因，而利用把圖、文、聲、像高度集中成于一身的多媒體課件不僅能再現或模擬各種物理實驗和現象，對于一些內容比較抽象，理論難以理解景象不易描述，實驗條件不足以再現的情況，則可借助多媒體技術。這既能增加教學內容的表現力，調動學生運用多種感官參與教學活動，活躍課堂氣氛，吸引學生的注意力，更好地激發學生的學習興趣。同時又有助于教師講清物理思想，物理過程和物理方法。例如，原子核式結構模型這一節，通過粒子散射實驗講述了原子核式結構模型的建立。用靜態和動態圖像結合，顯示粒子散射實驗裝置、實驗原理、模擬實驗過程、結果及結論。同時附有湯姆孫、盧瑟福在實驗的工作照片及生平簡介。因此，采用多媒體教學手段一方面可以解決近代物理內容多課時減少的矛盾，大大地減少教師的板書和繪圖的時間，從而可以把更多的時間用于講課，增加了課堂傳遞的信息量，可以比用傳統的教學手段講授更多高質量的教學內容。另一方面，調動了學生學習近代物理的積極性，提高了教學質量。利用先進的網絡手段，把教學計劃，教學大綱，作業，復習提綱，考試要求等內容放在學校網頁上，學生在上課之前就能夠非常清楚地知道這個學期的學習任務。教師與學生，學生與學生之間可以在網上討論疑難問題。