莫潤陽 王成會

(陜西師范大學(xué)物理學(xué)院 陜西 西安 710062)

物理學(xué)發(fā)展通常是分為三個階段：實(shí)驗(yàn)規(guī)律-唯象論-基礎(chǔ)理論．每個階段側(cè)重的方法有所不同．物理學(xué)研究方法主要有實(shí)驗(yàn)觀察、統(tǒng)計方法、理想模型方法、類比方法、假說方法和數(shù)學(xué)方法等6種，這些方法應(yīng)用在物理學(xué)發(fā)展的不同階段、不同層次、不同尺度的研究中．不同尺度的物理現(xiàn)象是復(fù)雜而多樣的，需要從某個層次上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，在不同層次上建立專門研究某一類物理現(xiàn)象的理論體系，這部分理論體系通常被稱作唯象論．

1 關(guān)于唯象的理解

關(guān)于唯象一詞，原來產(chǎn)生于英語詞匯——現(xiàn)象學(xué)(Phenomenology)，在牛津哲學(xué)詞典中的解釋是：人們經(jīng)過自身意向的考慮，對于經(jīng)驗(yàn)和意識抽象化了的描述．

中國古典哲學(xué)中，“唯”指第一性，“象”則是一種超越于具體物質(zhì)形態(tài)之上的對事物的內(nèi)涵、相互聯(lián)系、特別是運(yùn)動變化有充分理解之后所產(chǎn)生的對事物的一種綜合把握．其中既有客觀的成份，又有主觀的成份，是一種主觀融化客觀后形成的綜合的感受．比如中國古代詩詞書畫強(qiáng)調(diào)意象，所以有“只可意會，不可言傳”一說．唯象學(xué)側(cè)重于直覺感悟，整體和動態(tài)把握．

“象”是中國古代哲學(xué)的重要范疇，唯象理論是說以“象”為第一性，借助于現(xiàn)象或者直接從現(xiàn)象中來的理論．比如中醫(yī)、氣功、武術(shù)等可以說是一種唯象理論，它已經(jīng)被幾千年的生活實(shí)踐所證明，但是卻無法從物理、化學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)角度進(jìn)行解釋．

錢學(xué)森是唯象理論的倡導(dǎo)者，他所謂的唯象理論[1]有點(diǎn)類似于波蘭尼的緘默知識，即指根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)又被實(shí)踐證明有效的一些理論和知識，無法用言語或文字表達(dá)出來，波蘭尼認(rèn)為這種知識無法通過現(xiàn)代學(xué)校教育的方式有效獲得，而必須采用學(xué)徒制的方式．比如在工廠中一位老師傅干活，會干得很好，他的徒弟就不行．徒弟問師傅：“你能干好，究竟是怎么干好的?”老師傅常常會說，“你就跟著干，到時候就會了．”這種沒法子用語言說明的東西實(shí)在是太多了，所以錢學(xué)森認(rèn)為唯象理論就是知其然不知其所以然．

2 唯象方法

人們從生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中獲取直接經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)思想加工而得到對世界的認(rèn)識，在物理學(xué)界被稱為“唯象方法”(Phenomenological Method)，是經(jīng)典物理學(xué)運(yùn)用的主要方法．其特點(diǎn)是解釋物理現(xiàn)象時，不去追究微觀原因，而是由經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和概括實(shí)驗(yàn)事實(shí)得到自然界的基本規(guī)律作出演繹的推論.從系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)看，唯象方法是一種對簡單巨系統(tǒng)最常用的建模方法．它根據(jù)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)，不考慮系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制，直接利用系統(tǒng)宏觀層次上功能的特點(diǎn)建立演化方程．從方法論的角度看，唯象方法是通過客體宏觀現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀察，分析與歸納找出規(guī)律，通過思維的創(chuàng)造，運(yùn)用抽象與概括建立宏觀的物理模型，利用數(shù)學(xué)工具構(gòu)成符合演繹邏輯的理論體系．可見，唯象方法的思維方式是歸納和演繹．

3 唯象理論在經(jīng)典力學(xué)研究中的應(yīng)用

3.1 唯象理論在物理學(xué)研究中的層次

從現(xiàn)象出發(fā)，通過對事實(shí)的觀察，把現(xiàn)象捋出條理來成為一個更概括性的經(jīng)驗(yàn)的學(xué)問，就是唯象理論(Phenomenological Theory)．楊振寧把物理學(xué)分為實(shí)驗(yàn)物理、唯象理論和理論架構(gòu)三個領(lǐng)域．圖1(a)所表示的物理學(xué)的三個領(lǐng)域及其中的關(guān)系[2]：唯象理論是介乎實(shí)驗(yàn)和理論架構(gòu)之間的研究．實(shí)驗(yàn)和唯象理論合起來是實(shí)驗(yàn)物理，唯象理論和理論架構(gòu)合起來是理論物理，而理論物理的語言是數(shù)學(xué)．物理學(xué)自實(shí)驗(yàn)到唯象理論到理論架構(gòu)是自表面向深層的發(fā)展，常自實(shí)驗(yàn)開始，即從研究現(xiàn)象開始，追求以極度濃縮的數(shù)學(xué)語言寫出物理世界的基本結(jié)構(gòu)．

圖1 經(jīng)典力學(xué)與物理學(xué)三領(lǐng)域的對應(yīng)關(guān)系

3.2 唯象理論在經(jīng)典力學(xué)研究中的作用

以牛頓經(jīng)典力學(xué)研究為例，見圖1(b)．伽利略通過對自由落體的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了慣性運(yùn)動和重力作用下的勻加速運(yùn)動，奠定了牛頓第一定律和第二定律的基本思想．伽利略關(guān)于拋體運(yùn)動定律的發(fā)現(xiàn)，對牛頓萬有引力的學(xué)說也有深刻的啟示作用．布拉赫(T.Brahe,1546～1601年)是實(shí)驗(yàn)天文物理學(xué)家，他做了關(guān)于行星軌道的精密觀測．伽利略和布拉赫的活動領(lǐng)域是實(shí)驗(yàn)．后來開普勒(J.Kepler，1571～1630年)仔細(xì)分析布拉赫的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了有名的開普勒三大定律，這是唯象理論；最后牛頓以開普勒的三大定律為基礎(chǔ)創(chuàng)建了牛頓力學(xué)與萬有引力理論，這是牛頓經(jīng)典力學(xué)的理論架構(gòu)．牛頓利用變分法的數(shù)學(xué)方法和“最小作用量原理”的物理學(xué)基礎(chǔ)建立起了和牛頓力學(xué)方程等價的歐拉-拉格朗日方程，并最終于1834年由英國的哈密頓提出了哈密頓原理和正則方程，建立了分析力學(xué)理論，給出了解決力學(xué)問題的統(tǒng)一觀點(diǎn)和方法，實(shí)現(xiàn)了牛頓后力學(xué)理論的一個最大的飛躍．

3.3 相鄰相互過程中的思維方式

實(shí)驗(yàn)到唯象理論、唯象理論到理論架構(gòu)、理論架構(gòu)到數(shù)學(xué)思維方式不同，相互關(guān)系并非嚴(yán)格逐漸遞進(jìn)，尤其是數(shù)學(xué)在其中的作用更是獨(dú)特，圖2是物理學(xué)領(lǐng)域各層次的研究思維及得到理論架構(gòu)的不同途徑．狄拉克方程、海森伯方程是理論架構(gòu)中之尖端貢獻(xiàn)，但此二方程得出途徑截然不同，海森伯的靈感來自他對實(shí)驗(yàn)結(jié)果與唯象理論的認(rèn)識，在摸索中得到了方程式；狄拉克天才地寫出他的方程是基于他對數(shù)學(xué)的直覺欣賞．

圖2 物理學(xué)各層次間的思維方式

經(jīng)典力學(xué)的精華就是牛頓的運(yùn)動方程和萬有引力定律，這一理論架構(gòu)提煉了實(shí)驗(yàn)工作與唯象理論的精髓，是科學(xué)研究的最高境界．若再以極度濃縮的數(shù)學(xué)語言寫出物理世界的基本結(jié)構(gòu)，那就是造物者的詩篇．

經(jīng)典力學(xué)把人類對整個自然界的認(rèn)識推進(jìn)到一個新水平，牛頓把天上運(yùn)動和地上運(yùn)動統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了天上力學(xué)和地上力學(xué)的綜合，從力學(xué)上證明了自然界的統(tǒng)一性，這是人類認(rèn)識自然歷史的第一次大飛躍和理論大綜合，它開辟了一個新時代．牛頓研究經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)方法論和認(rèn)識論，如運(yùn)用分析和綜合相結(jié)合的方法與公理化方法及科學(xué)的簡單性原則、尋求因果關(guān)系中相似性統(tǒng)一性原則、以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)物體的普遍性原則和正確對待歸納結(jié)論的原則，對后世科學(xué)的發(fā)展也影響深遠(yuǎn)．尤其是在物理模型的構(gòu)建中，可以先根據(jù)由大量的物理實(shí)驗(yàn)和實(shí)際觀測所得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出相應(yīng)的物理定理、定律，進(jìn)而再從這些歸納出的物理定理、定律出發(fā)演繹出新的物理原理，構(gòu)建出新的物理模型．如經(jīng)典力學(xué)中的牛頓三大定律，皆是在大量的觀測與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過歸納建立起來的經(jīng)典力學(xué)中的基礎(chǔ)物理模型，從三大定律出發(fā)演繹出了一系列力學(xué)定理、定律(如動量定理、動能定理、動量守恒定理、角動量守恒定理、轉(zhuǎn)動定理等)，即力學(xué)體系中的一系列物理模型，從而建立起了經(jīng)典力學(xué)體系．

3.4 唯象方法的科學(xué)性

唯象理論是前科學(xué)．前科學(xué)概念指學(xué)習(xí)者在接受正式的科學(xué)教育之前，在現(xiàn)實(shí)生活中通過長期的經(jīng)驗(yàn)積累與辨別式學(xué)習(xí)而獲得的一些感性印象，積累的一些缺乏概括性和科學(xué)性的經(jīng)驗(yàn)，是一些與科學(xué)知識相?；虿槐M一致的觀念和規(guī)則．前科學(xué)概念是學(xué)習(xí)者、研究者的精神財富，最終會把學(xué)習(xí)者引導(dǎo)到當(dāng)前的科學(xué)概念上去．

4 結(jié)束語

唯象方法是經(jīng)典物理學(xué)研究的主要方法，是人類認(rèn)識自然、認(rèn)識世界的重要途徑．當(dāng)面對錯綜復(fù)雜系統(tǒng)中的眾多問題而不得其法時，唯象方法為我們開啟了一扇大門，它將引導(dǎo)研究者走進(jìn)科學(xué)．

參考文獻(xiàn)

1 錢學(xué)森. 建立唯象氣功學(xué).中國氣功學(xué)，1992(2)

2 楊振寧. 美與物理學(xué). 物理，2002，31(4)：193～199

3 王澤農(nóng). 物理學(xué)中的唯象方法與唯象理論的認(rèn)識論意義.現(xiàn)代物理知識，2008，20(3)：52～54

4 李高峰, 劉恩山.“前科學(xué)概念”的研究進(jìn)展. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版)，2007,36(4)：62～67

5 于林成. 經(jīng)典物理學(xué)的研究方法.吉林師范學(xué)院學(xué)報，1996，17(2)：39～42