首页 -> 2007年第7期
物理假说的特征及其对物理学发展的意义
作者：谢潮涌 张新海
在科学哲学中，假说是一个最具模糊性的概念，科学哲学史上关于假说的各种定义之间常常是充满歧义的。然而，假说作为科学的发展形式，在研究过程中，对其给予比较确定的定义是必要的。在一般意义上，假说就是依据一定的科学根据，对研究对象的存在、本质及其规律性的假定性的解释。
在物理学发展中，假说几乎出现在它的各个研究领域以及各个发展阶段。如哥白尼的日心说、伽利略的惯性运动、爱因斯坦的光量子假说、大爆炸宇宙说、夸克理论等，都曾经或仍以假说的形式出现。在物理学理论形成和发展过程中，物理假说是物理学探索自然的本质、规律和因果关系的必经途径和必然的方式。
“物理假说”这个概念本身是对立统一的，物理假说具有两个显著特征[1]。
首先，物理假说具有科学性。物理假说的形成具有深刻的客观基础，必须依据一定的物理理论、经验材料以及在此基础上的逻辑推导，经过一系列物理创造才能提出。所以说，物理假说是有物理根据的，并有一定的科学论证的。它不是胡思乱想的主观臆测，更不是无根据的猜想、幻想。
其次，物理假说具有假定性或偶然性。任何假说都力图超越现有的知识界限，探索具有新内容，而其客观真理性尚未得到证明的领域。因此，物理假说是待证的理论，它的基本内容尚未得到实践的检验，还只是真假未辨的东西。物理假说的待证性把它和已经得到确证的物理理论区别开来。
可见，任何物理假说都既具有科学性，又具有假定性，二者缺一不可，是科学性和假定性的辩证统一。
二、提出物理假说的原则
物理假说的基础功能是对物理现象的解释和预言。因此，它的提出，必须遵循以下四条原则。
第一，解释性原则。在某一领域内的物理假说，要能解释已知的全部事实及实验定律，否则，就应该进行修正和摒弃。如关于原子结构模型问题，汤姆逊模型与α粒子散射实验矛盾，因而需要摒弃。卢瑟福核式模型解释α粒子散射实验，但却不能解释原子的稳定性，氢原子和类氢原子光谱，因而需要修改，进而用玻尔原子理论来代替。而玻尔理论又不能解释谱线的强度及其他原子的光谱，故也需要进行修改。如此继续下去，直到可解释原子领域内已有的全部事实。
第二，预见性原则。物理假说必须能够提供进一步研究的方向，预言一定的结果。假说是人类认识自然界过程中的能动性的一种表现，表现为对未知现象或过程作出一定的推测和预言。如爱因斯坦狭义相对论中的质能关系E1=mc2预言了原子能的存在。
第三，可检验性原则。物理假说必须能够接受检验，否则，就不可能发展，就不可能构成物理规律、形成物理理论，它的存在就没有任何意义。物理学中的假说都可以直接或间接检验的，如爱因斯坦光的波、粒二象性假说可以接受光电效应实验的检验;麦克斯韦“位移电流”假说可以间接地接受现代无线电技术的检验;玻尔原子假说可以接受原子光谱实验事实的检验。
第四，简洁性原则。用简单的物理规律和理论描述复杂的自然界是物理学家追求的目标。因此，作为形成物理理论的必经阶段——物理假说也就要尽可能的简洁。现代物理学家都把简洁性看作一个很重要的哲学信念。爱因斯坦说：“一切理论的崇高目标，就在于使这些不能简化的元素尽可能简单，并且在数目上尽可能少，同时不至于放弃对任何经验内容的适当表示。”
三、物理假说对物理学发展的作用和意义
物理假说对物理学发展的作用是至关重要的。物理学研究不能仅仅停留在搜寻材料和对现象或过程的外部描述上，它必须揭露物理事物的本质、规律和因果关系，它不能直接为我们的感官所直接感知。物理假说是物理学探索自然的本质、规律和因果关系的必经途径和必然方式。物理学史表明：物理学理论发展的过程，就是假说的连续更替和内容的深刻化的过程。
物理假说是对以往经验事实的总结，又能提供进一步研究和观察、实验的方向，从而为新的观察及实验提供明确的指导思想。在研究和探索自然界的过程中，物理假说产生在经验事实的基础上，能对已有事实进行解释。另外，引导人们在这一方向上继续探索和研究。为了检验假说正确与否，就必须按照假说的内容、目的及所提供的线索和方向进行观察和实验，从而发现自然界新的物理事实和现象。
关于同一类对象的不同假说，甚至相互对立的假说相互竞争，有利于揭露各种假说中存在的问题，取长补短，从而推动物理学的发展。如在量子力学[2]诠释问题上，爱因斯坦——玻尔的争论，使得以玻尔、海森堡为首的一批物理学家关于量子力学基础的诠释逐步完善了，并得到了大多数物理学家的赞同，逐步被认为是量子力学的正统理论。
一个假说，最开始可能很粗糙，很不完美，甚至可能是错误的。根据这个假说，人们通过实验进行深入研究，不断验证假说，修正假说，或否定旧假说，建立新假说，一步一步逼近真理。假说方法的作用和意义在不断修正的原子结构模型的建立过程中[3]，得到很好的体现。
汤姆逊设想原子中带正电的部分以均匀的电荷体密度分布在一个大小等于整个原子的球内，而电子则一个一个地分布在球内的不同位置上。由于电子很轻，所以原子的质量将集中在带正电位置上，并逐渐形成了汤姆逊的面包夹葡萄干的原子模型。
1908年，卢瑟福的助手盖革和学生马斯登做了α粒子对金属箔散射的实验，得到“入射的α粒子中每8000个粒子有一个要反射回来＂的统计结果。汤姆逊原子模型在α粒子散射实验面前遇到了困难。卢瑟福苦思数周，终于在1910年底，经过数学推算，证明“只有假设正电球的直径小于原子作用球的直径，α粒子穿越单个原子时，才有可能产生大角度散射。”同时，正式提出了原子的核式结构模型。
卢瑟福原子模型虽然能解释α粒子的散射实验，但无法说明外围电子的分布及运动规律，不能解释氢原子的线光谱，经典的电磁理论遇到了困难。为了解决这一困难，丹麦物理学家玻尔提出了玻尔假说。玻尔假说有三点：
第一点，电子在绕核运动时，只有电子的角动量L等于h/2∏的整数倍的那些轨道才是稳定的。即L=nh/2∏，n=1，2，3…
式中，h为普朗克常数;n称为量子数;
第二点，电子在上述假设许可的任一轨道上运动时，原子具有一定的能量En，不辐射也不吸收能量，这称为定态。
第三点，原子从一个能量En的定态跃迁到能量Ek的另一个定态时，辐射或吸收具有一定频率的光子，光子的频率是
γ=En-Ek/h
根据玻尔假说提出的玻尔原子模型，电子绕核旋转有许多分立的轨道，电子轨道半径，电子绕核旋转速度、原子能量不可以取任意值，只能取一系列不连续的值，即它们量子化。原子从能级En跃迁到能级Ek时，放出单色光的频率。玻尔假说很好地解释了氢原子的线光谱的规律。
由玻尔假设所建立的玻尔原子模型完善了卢瑟福的原子模型，人们称玻尔模型为定态跃迁原子模型。索末菲对玻尔的原子理论作了发展。
之后，德布罗意的波粒二象性假设，提出微粒子具有波动性，使原子的电子轨道概念失去了意义，而只能说在离开原子核周围空间某处发现电子的概率是多少。把概率密度分布称为电子云。玻尔模型中所说的电子轨道，只不过是电子出现概率最大的区域而已。
从汤姆逊模型、卢瑟福模型、玻尔模型、玻尔-索末菲模型、电子云模型的不断递进的科学事实，说明了假说方法的作用。在物理学史上，物理假说是人们的认识向客观真理接近的方式。这是因为：第一，假说是对自然现象有根据的推测，假说的不断修正、补充和更新，会更多地、更正确地反映客观现实的某些方面。所以，它是人们的认识向客观真理接近的方式。第二，假说是思维的发展形式，因为科学不能“等待构成定律的材料纯粹化起来”以后再进行思维，在此以前，“如果把运用思维的研究停下来，而定律也就永远不会出现”，科学也就无从发展。
四、结论
综上所述，物理假说是对新实验、新现象和新问题的不断思考，并结合原来的物理学体系给出的大胆设想，是物理学进一步发展的一个重要阶段，是我们认识未知世界的一个必然过程。有了假说，人们加以细心求证，谨慎创造，从而物理学得以一步步走进客观真实。假说在物理学发展中不是一个阶段的事物，也不是只在一些特殊过程中的一个可以或缺的环节，而是物理学揭开世界奥秘，通向真实未知世界的重要阶梯。
参考文献
[1] 张汉如.科学探索中的思维•作风•方法.天津：天津人民出版社，1984.185~186.
[2] 李醒民，宋德生，王身立等.科学发现集.长沙：湖南科学技术出版社，1999.165~178.
[3] 李文庠.探秘物理思维.北京：北京科学技术出版社，2002.45~50.
(责任编辑 孙晓雯)