物理假说的特征

第一节　物理假说的特征

纵观物理学发展的历史，物理学每次重大发现几乎都是与假说紧密相连的，假说推动了物理学发展的进程。仔细考察各个具体的假说，我们会发现，这些假说在其建立的背景、方式、目的、意义等方面都是很不相同的。但是，对它们进行比较、归纳、总结、抽象以后，又会发现它们存在着许多共同的特点。研究，分析这些特点，对我们理解、判别、应用及提出假说都是有意义的。

1．概括性和抽象性

假说的概括性，是指假说是对一定观察和实验事实的归纳和包容，能够较圆满地解释已知的全部或大部分事实。假说的抽象性，则是指假说对事实的概括不是简单的罗列和揉和，而是通过理性思维，抽象和提炼出一类事实的共同的本质特征，使其具有普遍或一般的意义。

1746年，能够储存电荷的“莱顿瓶”发明了，这为人们进行电的研究提供了方便，使人们逐渐认识了电的一些性质。就在这一年，一个英国人给本杰明·富兰克林寄来了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法。1747—1755年这几年时间内，富兰克林应用莱顿瓶做了大量的电学实验。实验中，莱顿瓶产生的火花放电的耀眼光芒和劈啪的响声，使富兰克林想到了天上的雷电，难道天上的雷电与人们摩擦产生的电本质是相同的吗？富兰克林把实验和观察的事实进行比较，概括出雷电与摩擦电的七点相同之处：①雷电和摩擦电火花产生相似的光和声；②二者都能燃烧物体；③二者都能杀伤生物；④二者都有燃烧硫磺的臭味；⑤二者都能流过导体，并且都集中在物体的尖端；⑥它们都能破坏磁性或使磁性的极性倒过来；⑦雷电和电火花都能熔化金属。富兰克林以概括的100七点具体事实为依据，进一步抽象认为雷电和摩擦电的所有性质都是相同的，提出天电和地电本质相同的大胆假说。

验证这个假说最直接有效的方法，就是把雷电接收下来，并把它与摩擦电进行比较实验。1752年6月，富兰克林以科学家的大无畏精神，做了永载科学史册的“费城实验”，成功地把雷电引入莱顿瓶中。同年10月，富兰克林写道：“由此得来的电火可以使酒精燃烧，并可用来进行别的有关电的实验，而这些实验平时是靠摩擦小球和小管来做的。这样，就完全证明了天空的闪电和摩擦产生的电是同样的。”富兰克林的假说的提出和验证，导致了“天电地电统一”的重大发现，加深了人们对电的认识和理解，破除了人们对雷电的恐惧和迷信。富兰克林假说在科学发展史上的意义远远超出了物理的范畴。

物理假说的概括性是抽象的基础抽象是以概括为前提的。一般说来，假说的概括性是对有限的实验和观察事实而言的，所以，在这个基础上的抽象往往是不成熟的。因此，假说虽然有其合理性和科学性的方面，但它对客观世界的解释通常仍是不完备的，它的正确性有待更多的事实去证明。

2．预见性和待证性

假说的预见性，是指假说不仅能对已知事实作出合适的解释，而且能预见新的现象和规律。假说的待证性，则是指假说的基本观念及对现象和规律的预测不一定是正确的，它需要实验和观察的事实加以证明。

19世纪20年代以后，天王星的反常远行引起了天文学家的关注。面对实际观众测与理论计算的误差，有人怀疑万有引力定律的普适性，认为牛顿定律对遥远的天王星也许不再适用。但是，另一部分人则提出了新行星假说，认为在天王星轨道面更远的地方还有一颗未被发现的行星，正是这颗未知的行星的影响，导致了天王星运行发生反常。1846年，法国天文学家勒维耶根据万有引力定律算出这颗行星的有关参数，并将资料寄给德国柏林天文台请他们观测。德国柏林天文台在收到勒维耶信的当晚，就用望远镜在预定位置附近51′的地方找到了这颗新行星；第二天晚上继续观察，发现它运动的速度也与勒维耶预言的完全相符。这颗新行星就是海王星。

海王星的发现不仅证实了新行星假说，其意义还在于：预测计算的依据是万有引力定律，所以海王星的发现也是对万有引力定律的最好证明，历来被认为是牛顿力学的胜利凯歌。此外，勒维耶的计算又是以哥白尼太阳系学说为前提的，所以，恩格斯曾高度评价这一发现：“哥白尼太阳系学说有三百年之久一直是一种假说，这个假说尽管有百分之九十九、百分之九十九点九、百分之九九点九九的可靠性，但毕竟是一种假说，而当勒维耶从这个太阳系学说所提供的数据，不仅推算出一定还有一个尚未知道的行星，而且还推测出这个行星在太空中的位置的时候，当后来加勒确实发现了这个行星的时候，哥白尼的学说就被证实了。”（恩格斯：《路德维奇·费尔巴哈和德国古典哲学的终结》）

假说的预见性虽然有一定的事实基础和科学依据，但由于假说的抽象性和逻辑性不成熟，所以不能保证我们对未知领域的预见总是准确的。因此，用事实对假说的预见进行证明是必不可少的。海王星发现后，人们按同样的思路，又发现了冥王星。当发现水星公转轨道也有不规则现象时，人们又把以往的经验应用于水星，预言水星内侧党政军民学有一颗很小的未知行星。但是，这次预言却失败了，人们花了几十年的时间，在预言的区域内没有观察到任何行星。

3．并存性和竞争性

假说的并存性，是指对同一个科学问题由于对事实的概括和抽象的方式、方法不同，则得到不同的或完全对立的解释与推测，因而导致两种或多种假说同时出现。假说的竞争性，则是指同一科学问题中并存的不同或对立假说之间的论战与竞争。

热的本质究竟是什么？这是物理学的一个基本问题。但对这一问题的回答，自古以来就是不统一的。17世纪以后，各种解释逐渐形成了两大派别，一派认为热是物质的运产生的，即“热动说”；另一派则认为，热是一种特殊的无重物质，即“热质说”。此后，这两种假说并存、对立、竞争长达差不多两个世纪之久。

在“热动说”与“热质说”并存和竞争的相当长的时期内，由于“热动说”缺乏足够的实验依据，并且对人们已知的许热现象也难以作出令人满意的解释，所以，一直处于被动和不利的境地。

例如，若认为热是物质内部粒子的运动，则密度大的物质因内部粒子吸引力强而不易振动，比热就该大些，但事实上水银的比热却比水的比热小。而“热质说”却可以简明地解释当时发现的大部分热现象。

例如，物质高度的变化是由于吸收或放出热质引起的，物体受热膨胀的是因为热质之间的相互排斥引起的，摩擦或碰撞产热现象是由于“潜热”被挤压出来的结果，等等。更为重要的是，在“热质说”观点的指导下，热学的理论研究和实际应用都取得了一系列生大的成果：布莱克发现了物质的比热；瓦特改进了蒸汽机；傅里叶建立了热传导理论；卡诺得出了重要的卡诺定理（实质上发现了热力学第二定律）。由于“热质说”的不断成功，使其在18世纪到19世纪初压倒了“热动说”而处于并存中的主导地位。

到了18世纪末，“热质说”开始受到严峻的挑战。1798年，本杰明·汤普逊（即伦福伯爵）进行了著名的“炮膛实验”，指出摩擦生热现象与“热质说”是明显矛盾的。汤普逊说：“看来在这些实验中，由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的。不待说，任何与外界隔绝的物体或物体系，能够无限制地提供出来的东西，决不可能是具体的物质实体；在我看来，这些实验中被激发出来的热除了把它看做‘运动’以外，似乎很难把它看做其他任何东西。”1799年，H·戴维在一个与外界环境隔离的真空容器中，使用钟表机件让两块冰熔解为水。

在这个实验里，戴维发现“热质守恒”的关系是不能成立的，并断言“热质是不存在的”。

1812年，戴维进一步明确指出：“热现象的直接原因是运动，它的转化定律和运动转化定律一样，同样是正确的。”汤普逊和戴维的实验有力地支持了“热动说”，同时给“热质说”以沉重的打击。但是，这些实验还没能彻底击垮“热质说”。原因是这些实验毕竟还不是精确的定量实验，还难以与以“热质说”为理论基础的精确的量热实验相提并论。

到了19世纪40年代，许多精确的热功当量实验的成功，以及热力学第一定律、第二定律的发现，为“热动说”提供了无可争议的依据，而“热质说”则受到了沉重的打击并由此逐渐衰败。气体分子运动论建立后，“热动说”被确认为科学的理论，“热质说”不得不最终退出和理学舞台，从而结束了关于热本质的两种对立假说并存与竞争的历史。

在不同假说的并存与竞争的过程中，有限的事实或局部的成功可能会导致假说主次地位的变化或反转，但这并不能作为最终的判别。随着科学的发展，在大量的事实面前，正确的假说终将占据主导师地位并转化为科学理论，而错误的假说终将被抛弃。

值得注意的是，错误的假说在其自身发展和参与竞争的过程中，有时也会取得相当重要的正确结果，从而推动科学的进步与发展。这对我们理解和应用假说这种特殊的智力投入使用有一定的启迪作用。一般说来，同一科学问题的两个完全对立的假说，在经过一定时期的竞争与发展之后，总要决出胜负、分出优劣而有取舍。但在特殊的情况下，两个对立假说经过长期的激烈竞争后，却也可殊途同归达成统一。例如，关于光的本性的“微粒说”和“波动说”的长期竞争与最终统一，就是一个典型的例子。

4．演变性和发展性

假说的演变性指假说应用和难的过程中，其基本观念或结构内容要发生演进与变化。由于假说氙依据的事实还不够充分，其逻辑体系还不完备，因而在发展过程中需要不断地修正和补充，这就导致了逐渐接近客观真理，向着科学理论的方向发展。

原子结构的“有核模型”，最早于1901年由法国物理学家佩兰提出。他设想原子的中心是一些带正电的粒子，外面围绕着电子，电子运行的周期对应于原子发射光谱的频率。佩兰模型把原子结构同光谱谱线联系起来，其基本观点显然是正确的。但这一要求。1903年，日本的长岗半太郎根据麦克斯韦的土星环卫理论，提出了“土星型模型”。他认为原子的中心是一个大质量的正电球，电子均匀地分布在正电球外的一个环上。这一模型同样强调核心存在。长岗运用麦克斯韦着于土星环卫运动稳定性的研究，得出电子环的运动方程。显然，长岗半太郎是想解决佩兰模型的稳定性问题，但是，这一理论却无法得到实验的证明。

到了1911年，卢瑟福在α粒子大角度散射实验的基础上，提出了新的原子有核模型：原子中有一个体积很小、质量很大、对正电荷有很强偏转能力的核；核外是一个很大的空的空间。核的体积很小，直径约为10^－13—10^－12厘米，约为原子直径的万分之一到十万分之一，但却几乎集中了原子的全部质量：带负电的、轻得多的电子则在很大的空间里绕核运动；一定元素的原子核上的正电荷的数目等于该元素周期表上的原子序数，并等于核外的电子数。虽然，卢瑟福的模型仍不能解决稳定性问题但却有α粒子大角度散射实验作坚实的基础，所以，卢瑟福相信他的模型肯定是正确的。

丹麦物理学家尼尔斯·玻尔，曾在卢瑟福的实验室工作过，并亲自参加检验卢瑟福的模型是正确的，但也很清楚这一模型所存的不是被实验支持的卢瑟福模型，而是经典理论对模型的解释。要摆脱困境，就要冲破经典理论的束缚。

1913年，玻尔总结了惠丁顿和尼科尔孙的工作，并受氢光谱的巴尔未公式和斯塔克价电子跃迁产生辐射理论的启发，建立了原子结构的“定态跃迁模型”。在这个模型中，玻尔把普朗克量子概念应用于原子结构，提出两条基本假说：一是定态假说，即原子中电子运动的轨道不是任意的，只有动量矩满足一定量子条件的分立轨道才是允许的，而电子在这些允许的轨道上的加速运动是稳定的，并不发生辐射；二是跃迁假设，即当电子在不同轨道之间发生量子化跃迁时，才会发生光的辐射和吸收，辐射或吸收的光子频率由两轨道间的能量差决定。显然，玻尔假说解决了卢瑟福模型的稳定性问题，同时非常成功地解释了氢光谱。

1914年，弗兰克和赫兹为玻尔的定态假设作出了直接的实验证明，此后，原子的有核模型被世人所公认。

从佩兰、长岗半太郎、卢瑟福到玻尔，原子的有核模型经历了一个不断补充、修正、演变和发展的过程。在这个演变和发展的过程中，人们的主观猜测一步步向着客观实在逼近。