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狹義相對論的基本原理范文1
下面我們先通過課本上這道習題來說明“辨析”一文作者的觀點.
課本上的習題是這樣的：地面上的人認為A、B兩個事件同時發生，對于坐在飛船中沿兩個事件發生地點A、B連線飛行的人來說（如圖1所示），哪個事件先發生？
“辨析”一文作者認為，對船中的觀察者來說，A、B兩個事件究竟哪個先發生與飛船的速度有關.因為相對船中的觀察者，A、B兩個事件哪個先發生是由相對論效應和由于觀察者相對于兩個事件發生地位置的不對稱造成的時間差這兩個因素共同產生的所謂“時序”決定的.“辨析”一文經過進一步推導還得到：若c>v船>22c，觀察者將先看到B事件發生；若v船
筆者認為，“辨析”一文的上述觀點是有問題的.問題出在對兩個事件是否“同時發生”的判據上！“辨析”一文中多次用了觀察者“看到”這一說法，即“辨析”一文作者認為，觀察者先看到哪個事件，那個事件就先發生.這顯然是對相對論中所描述的“同時”的曲解.我們知道，“同時的相對性”是由“洛倫茲變換”得到的最直接、最重要的一個推論，它是繼續深入學習相對論知識的基礎.因此，我們有必要對“同時的相對性”的本質意義進行深入辨析.為此，筆者想通過本文與“辨析”一文作者作一探討，如有不當，懇請同行批評指正.
我們還是借助于這道習題進行分析.
首先我們應弄清題目中“對于坐在飛船中沿兩個事件發生地點A、B連線飛行的人來說哪個事件先發生”的判斷依據究竟是什么？按“辨析”一文作者的觀點，飛船中的觀察者先看到哪個事件，那個事件就先發生.這實質是忽略了信號從事件發生地傳播到觀察者所在地所需的時間.眾所周知，狹義相對論的基本原理之一就是真空中的光速在不同的慣性參考系中相同且有限.正因為光速有限，因此對存在高速相對運動的參考系之間的“觀察”與“測量”應格外謹慎，因為在這種情況下“眼見不一定為實”.而在“辨析”一文作者的觀念中卻存在有無限大的信息傳播速度，這顯然違背了相對論的基本原理.
再回到上述問題，我們該如何確定“對于坐在飛船中沿兩個事件發生地點A、B連線飛行的人來說哪個事件先發生”呢？為此，我們設想在A、B連線的中點處某時刻發出了一個閃光（如圖2所示），并設閃光到達A地為A事件，閃光到達B地為B事件，則對于地面上的觀察者來說，由于分別傳向A、B兩地的閃光速度相等，A、B事件必定同時發生.那么，對船中的觀察者而言，閃光將先到達哪處呢？由上面的分析可知，飛船中的觀察者判斷閃光先到達哪處不能憑肉眼看，而應進行推理分析.飛船中的觀察者應有如下推理：A、B兩地均以相同的速度v向著飛船運動，由于分別傳向A、B兩地的閃光速度有限且相等，因此當閃光到達B地時，B已迎著閃光前進了一段距離，而此時傳向A地的閃光顯然尚未到達A地（如圖3所示）.因此，飛船中的觀察者必將觀察到閃光先到達B地這一事實，即本題對于坐在飛船中沿兩個事件發生地點A、B連線飛行的人來說，B事件先發生.而且這一事實的成立與飛船速度大小無關！
上面我們通過構建“閃光”模型，運用“光速不變原理”對這道習題進行了定性分析，并且得出了明確結論.若要嚴格及定量地求解，則需應用“洛倫茲變換”.通過“洛倫茲變換”，只要知道在地面參考系中A、B兩點間的距離x2-x1及火箭速度v，就可由公式具體求出相對于火箭參考系，事件B比事件A先發生的時間.這一分析求解過程“辨析”一文中有正確的表述，在此不再贅述.（附帶指出，按“辨析”一文假設的數據，Δt′應約等于4.08×10-3 s，原文提供的0.5 s有誤）
狹義相對論的基本原理范文2
一、理論物的重要方法
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。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[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——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?！?[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發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論原則從上加以論述?？墒牵缭趧摿ⅹM義相對論時，他就在中大膽運用這一方法了，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，其二是當時的物現狀使得他不能不那樣做。
在聯邦大學期間(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”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《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?！?/p>
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，……([1]，p．6)
一開始，愛因斯坦也對洛倫茲的論（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。
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，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。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。”他認為“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。
《愛因斯坦文集》第一卷，許良英等編譯，商務印書館，1978年第1版，第75~76頁。
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狹義相對論的基本原理范文3
關鍵詞：科學前瞻； 一切皆有可能
中圖分類號：G633．7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2012）02-040-001
生活中我們發現有些事物的運動是明顯的，人們可以直接感覺到，如奔馳的汽車、流動的河水、劃破夜空的流星等。可有些事物變化是緩慢的，人們不容易覺察到。俗話說“穩如泰山”，但科學研究表明，泰山在100萬年間升高了幾百米；世界第一高峰珠穆朗瑪峰在50萬年間升高了1600米。還有些物體雖然運動速度快，但距離我們遙遠，或者是物質本身太小，我們也不容易感覺到。恒星看起來是不動的，其實，織女星和牛郎星分別以每秒14公里和26公里的速度飛奔。微觀世界的原子、分子基本粒子同樣是在不停的運動，許多粒子從出生到衰變，只有幾百億甚至幾萬億分之一秒，運動速度非常之快。1905年，偉大的科學家愛因斯坦《論動體的電動力學》，提出了狹義相對論的基本原理。指出“物體運動速度不能大于真空光速”。換句話說：真空中的光速是宇宙中最快的速度。
但是近日國內外媒體爭相報道這樣一件事：英國《自然》雜志報道說，意大利格蘭薩索國家實驗室下屬的一個名為“OPEBA”的實驗裝置接收了來自著名的歐洲核子研究中心的中微子，（所謂中微子，是指一種不帶電的基本粒子。它具有最強的穿透力，可以像“幽靈”一樣穿透任何物質。中微子難以捕捉和探測，是目前科學界了解最晚、最少的基本粒子。）兩地相距730公里，中微子跑過這段距離的時間比光速還快了60納秒、（1納秒等于10億分之一秒）。如果中微子超光速現象最終得到驗證，愛因斯坦的相對論乃至整個現代物理的基石都將遭到嚴峻挑戰，整個物理學理論體系或許會因之重建。美國威斯康星大學麥迪遜分銷中微子物理學家卡斯滕?黑格說：“如果結果正確的話，我們甚至不能想出其所有意義。我們所知和教育的現代物理都基于愛因斯坦的狹義和廣義相對論。如果意大利研究人員的成果是真實的，那么我認為這將是本世紀物理學的革命?！?/p>
像《未來戰警》《回到未來》《尋秦記》以及前段時間熱播的《宮》《步步驚心》等眾多的科幻影視作品中幻想乘“時光機”等類似的方式進行“穿越”，在我們看來就是一場無法實現的娛樂秀。但是現在看來這些十分“科幻”的現象很有可能在未來變成真實的場景。
面對歐洲核子研究中心的實驗結果，許多科普作家以及物理學家都對中微子能超光速運動表示質疑。對外界的種種爭議，歐洲核子研究中心中微子項目研究小組成員、日本名古屋大學副教授小松雅宏在為此召開的記者會上說，實驗的目的本來是為了測量中微子的質量，而不是中微子的速度，此次成果不過是一個副產品?！叭绻驗椋y量結果）與常識不一致，就不公布結果，不是研究人員應有的正確態度?！彼f：“一直嘗試采取各種手段，想否定這一結果，但是最后無論如何都會有60納秒的時間差。”
為了明確表明是否有必要對愛因斯坦的理論進行修改，我們就要進行重復性實驗。歐洲核子研究中心2011年11月宣布再次實驗出現了“超光速”現象。美國費米國家實驗室粒子物理實驗室正在著手對這個實驗結果進行驗證。就讓我們拭目以待吧！科學的發展超出我們的想象，不斷地陳舊的認識，不斷地突破，不僅僅讓我們重新認識“速度”、認識物體的運動，更讓我們重新審視物理學的基礎。也許真的是“一切皆有可能！”
參考文獻：
狹義相對論的基本原理范文4
科學革命的實質是什么?科學進步的圖像是什么?換言之，科學革命變革的主要實體是什么?科學發展的模式是什么? 國外學者對此問題做出了形形的回答。
一、國外學者的回答
波普爾(K．Popper)認為，科學是人類心靈的壯麗探險，科學的本質就在于永無止境的探索。他把“問題”作為整個科學探索的起點，運用“可否證性”(falsifiability)或“否證”(falsification)概念，提出了科學進步的四段圖式；P1(問題1)TT(試探性理論) EE(消除錯誤) P2(問題2)。這個圖式周而復始，永無止境。顯然，波普爾把理論看作科學變革的實體——科學革命是科學理論的變更，因此理論是暫時的、脆弱的，它隨時都可以被一次否證。
本世紀60年代初，庫恩(T．Kuhn)出版了他的代表作《科學革命的結構》。在這本小冊子中，庫恩反對邏輯經驗主義把科學的發展看成是各種貨色一件件地或—批批地添加到不斷加大的知識貨堆上。他力主動態地、歷史地看待科學的進步，把科學的發展視為常規時期和革命時期交替出現的過程。他不滿意波普爾把理論看作科學變革的實體，他的科學觀的核心是“范式”（paradigm）概念。庫恩給范式賦予多種含義(有人統計共有21種用法)，從“一種具體的科學成就”到“一組特定的信念和預想”。綜而觀之，它是由理論要素、心理要素以及聯合這兩個要素的本體論和方法論要素組成的，每一種要素內又包括五花八門的具體內容。庫恩認為科學革命就是拋棄舊范式，采納新范式。他利用范式概念建立了下述的科學發展的動態模式：前科學常規科學危機科學革命新的常規科學……
庫恩開創了以科學史料為基礎來考察科學哲學問題，探討科學發展和知識增長規律的先河。繼庫恩之后，又有拉卡托斯、費耶阿本德、勞丹等人的學說匯入其中，形成了一股歷史主義的潮流。
拉卡托斯(I. Lakotos)既不滿意波普爾的否證主義，也不滿意庫恩范式的模糊性和選擇范式的非理性標準。為了強調科學發展的連續性和科學進步的合理性，他提出了研究綱領的模式。在拉卡托斯看來，科學總是以研究綱領的形式向前發展的?？茖W發現和評價科學理論的基本單位是研究綱領，它是一個有結構、有層次的整體。研究綱領內部有相對穩定的“硬核”，外部是柔韌多變的“保護帶”，還有一套解決疑難的機制，即助研究法(heuristic)。硬核是約定的，是作為研究綱領未來發展基礎的、最普遍的基本假設和基本原理，它比范式具有更大的穩定性。保護帶由各種輔助假設構成，當遇到反?；蚍褡C時，保護帶可以通過調整輔助假設而達到保護硬核的目的。當研究綱領失去解釋力和預測力時，它就會因邏輯的和經驗的原因而碎裂，人們就會拋棄這樣的退化的研究綱領，而采納進步的研究綱領，這是科學革命的基本原理，是一個自然的新陳代謝過程。
在同庫恩的論戰中，費耶阿本德（P．Feyerabend）描繪了他的科學發展模式。他認為科學有一定的“韌性”，人們總能夠從許多理論中選出一種可望取得成功的理論，即使遇到巨大困難時仍可加以堅持，而置大量反證于不顧。在這一點上，他不贊同波普爾關于理論總是被不斷駁倒的觀點。有了韌性，我們就不必用頑強的事實取消某一理論了，我們可以使用其他理論T′、T″、T″′等，即對現行的理論進行調整，這就不可避免地要接受增生原理，容許不同理論的并存。在這一點上，他又堅決反對范式的絕對統治。在費耶阿本德看來，科學之所以不斷發展，正是增生與韌性相互作用的結果。
勞丹(L．Laudan)把科學看作一種解決問題、定向問題的活動。他同意理解和評價科學進步的工具是較一般的大理論，而不是單個的具體理論。他認為這種大理論不是范式或研究綱領，而是所謂的研究傳統。研究傳統為發展具體理論提供了一套指導方針。它們中的一些構成了一種本體論，以—般方式詳細闡述研究傳統所屬領域中的基本實體的類型。研究傳統中具體理論的作用，就是通過把經驗問題還原為研究傳統的本體論，來解釋這些經驗問題。研究傳統還概括了這些實體相互作用的方式。研究傳統也往往說明某種程序，它構成這一傳統內的研究者所愿意接受的合法的研究方法。這些方法論原則廣泛包括試驗技術、理論檢驗和評價方式等。簡而言之，研究傳統就是有關領域的一組本體論和方法論的“做”與“不做”。在勞丹看來，科學革命不過是競爭著的研究傳統之間的特別引人注目的一次決定性沖突所帶來的研究傳統此消彼長的新格局。
為了說明科學革命的實質并描繪科學進步的圖像，其他西方學者也從不同的角度對庫恩的范式論進行了批判、修正和改造。例如；尼古拉斯麥克斯韋(Nicholas Maxwell)的“形而上學藍圖”、斯尼德-斯臺格繆勒(Sneed-Stegmüller)的“理性重組”(S綱領)、夏佩爾（D. Shapere）的“域”(domain)理論等，我們對此不擬一一加以介紹。在這里，有必要提及蘇聯學者凱德洛夫(Б. М. Кедров)的觀點。
凱德洛大是從列寧關于革命的普遍定義出發來論述科學革命概念的，他從認識論和方法論兩個方而對“革命”概念進行廠邏輯分析，并詳細論述了科學革命的三個特點。在此基礎上，他對科學革命做了下述定義：“所謂自然科學革命，應當首先理解為研究和說明自然現象的觀點本身的根本轉折，用來認識(反映)所研究的對象的思維結構本身的轉折。真正的自然科學革命的實質恰恰在于思維方式這種急劇的轉折，恰恰在于由已經陳舊的科學認識方法向新的進步的科學認識方法的轉變?！?以此為根據，凱德洛夫把歷史上的科學革命分為四種不同的類型：第一類革命——哥白尼革命——從外觀到現實性，第二類革命——康德革命——從不變到發展，第三類革命——“自然科學最新革命”(列寧在《唯物主義和經驗批判主義》中的稱謂)，第四類革命——科學技術革命。在凱德洛夫看來，這也是在科學史上先后發生的四次革命。鑒于這個問題本文作者已有專文 論述，此處不擬贅述。
國外學者的探索是難能可貴的，他們構造的實體和模式都從不同方面或角度說明了科學進步的事實，包含有部分的真理性。但是，他們的實體似乎都沒有抓住科學革命的實質，他們的模式也不完全能說明科學發展的歷史實際。波普爾把科學變革的實體視為理論，他涉及的層次似乎偏低，結果他的四段圖式導致了走馬燈式的“不斷革命”。勞丹的研究傳統、凱德洛夫的思維方方式，指的都是科學的哲學基礎或科學中的哲學成分，其涉及的層次恐怕偏高，把它們的變革看作是科學革命的實質，似乎也沒有深中肯綮。拉卡托斯的研究綱領、費耶阿本德的韌性原理和增生原理，尤其是庫恩的范式，又顯得過于龐雜，使人不得要領。
那么，科學革命的實質或科學革命變革的主要實體究竟是什么呢?弄清這個問題，才能比較正確地描繪科學進步的圖像。而要弄清這個問題，必須首先從分析科學理論的結構入手。
二、科學理論的基礎或框架——科學觀念
不少人承認，科學革命的最關鍵的因素是重建科學理論的基礎或框架。然而，人們對這樣的基礎的理解卻不盡相同。有人認為科學理論的基礎是這門科學的經驗材料、基本理論原理和基本概念的總和；有人認為它是基本理論的、邏輯的或哲學的思想觀念；有人認為它是本體論和方法論的信條；有人認為它是世界圖像、研究的普遍方法、解釋的思想、知識的構架；還有人認為它是認識活動的全部綜合，其中包括主體及其目的和任務，認識的手段、方法和條件，知識的認識作用和體系，等等。
說起來，愛因斯坦對科學理論的結構是有真知灼見的。他在談到科學理論時這樣寫道： “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，它一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。我們把這樣的思想體系叫做理論。” 愛因斯坦以理論物理學為例，說明科學理論的完整體系是由基本概念、被認為對這些概念是有效的基本關系以及用邏輯推理得到的結論這三者構成的，其中前兩者是科學理論的基礎或根本部分，它們不能在邏輯上進一步簡化。在愛因斯坦看來，所謂基本關系，就是基本概念之間的根本關系，他往往又稱基本關系為基本假定、基本假設、基本公設、基本公理、基本原理、基本定律、基本命題等。愛因斯坦在一些場合還把基本概念和基本關系統稱為基本觀念，或曰科學觀念。這樣一來，科學觀念就是科學理論的基礎，它也是科學理論的邏輯前提或框架。
例如，牛頓力學的理論基礎是：具有不變質量的質點，任何兩個質點之間的超距作用，關于質點的運動定律。在狹義相對論中，就是相對性原理和光速不變原理以及同時性概念等。
科學觀念(基本概念和基本關系)雖然在科學理論的邏輯結構中僅占很少的比重，但由于它是最核心、最抽象的部分，因而反映了科學對象的最深刻、最本質的聯系，蘊涵著十分豐富的內容，從中可以導出原先料想不到的結論(如從狹義相對論的前提導出質能關系式)，甚至還隱含著“尚未理解的東西的殘余”，它的更隱秘的根源有待于人們進一步去揭示。
愛因斯坦十分強調科學觀念在科學理論中的顯著地位。他認為通過最少個數的基本概念和基本關系的使用，就可以盡可能完備地理解全部感覺經驗的關系。他甚至認為理論物理學的目的，就是要以數量上盡可能少的、邏輯上互不相關的假設為基礎，來建立概念體系，如果有了這種概念體系，就可能確立整個物理過程總體的因果關系。
關于科學理論的基礎的來源、特點及其與感覺經驗的關系，愛因斯坦有一段原則性的論述(他雖然是就物理學而言的，實際上也適用于其他理論科學)：“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關聯的導出命題的思想路線，也不斷變得愈來愈艱難、愈來愈漫長了。”
三、科學革命是科學觀念急劇而根本的改造
科學觀念是科學家或科學共同體借助于經驗事實的提示，通過思維的自由創造和理智的自由發明而抽象出來的。它在邏輯上不能再加以分析，是不能再簡化的一種邏輯元素，其中包含著人們當時還不甚理解的東西。因此，它反映了在科學發展的一定歷史階段人們對科學對象的認識，是當時歷史條件下科學認識的界限，只具有相對的意義。隨著時間的推移，大量反?，F象和新的經驗知識無法納入這一框架之中，它自身的尚未被理解的殘余也充分被揭示出來。這樣，原來被視為基本概念和基本關系的東西不再是“基本”的了，它從科學發展的形式變為科學發展的桎梏。只有打碎舊的科學觀念，科學發展的潛力才能充分發揮出來。這時，科學革命的時機就成熟了。
科學革命并沒有拋棄已有的經驗材料和經驗知識，而只是改變了理解這些材料和知識的準則，確定了它們的合法地位。彭加勒說得好，只要人們不把那些用實驗確證了的理論推到極端，“它就會有十分清楚的意義”，“只有它溶化到更高級的和諧中，它才能消失。” 科學革命打碎的只是科學理論的舊框架，摧毀的只是科學理論的舊基礎。愛因斯坦談到這一點時說過，這里的基礎這個詞，并不意味著同建筑的基礎在所有方面都有雷同之處。從邏輯上看，各個物理定律當然都是建立在這種基礎上面的。建筑物會被大風暴或者洪水嚴重毀壞，然而它的基礎卻安然無恙；但是在科學中，邏輯的基礎所受到的來自新經驗或者新知識的危險，總是要比那些同實驗比較密切接觸的分科來得大?；A同所有各個部分相聯系，這是它的巨大意義之所在，但是在面臨任何新因素時，這也正是它的最大危險。
在科學革命中，即使是舊的科學觀念，也并非統統被拋棄，其中一部分是辯證的揚棄。舊科學觀念中的一些只是喪失了自己以前獨有的統治地位，從以前的不正確的、與事實不符的殼體中解放出來，被賦予新的意義。它們原有的真理顆粒被保留下來，并作為從屬成分有機地溶入新科學觀念之中。
從歷史上的科學革命來看，科學觀念的改變通常有以下幾種方式。1．徹底取代。如以地球為中心的觀念被以太陽為中心的觀念取代，原子不可分的觀念被原子有內部結構的觀念取代，超距作用被媒遞作用取代，目的論和神創論被進化論取代。2．舊名新意。如道爾頓的原子論雖然可以追溯到古希臘的原子論，但他把純哲學思辨變為科學的論證，給原子論以真正的科學內容。又如經典力學中的質量、慣性、時間、空間等基本概念在相對論中已被賦予新的含義和內容。3．合理推廣。如力學中的相對性原理在狹義相對論中被推廣到光學和電磁學，在廣義相對論中又被從慣性系推廣到加速參照系。4．辯證綜合。如光的微粒說和波動說被綜合為波粒二象性，分立的粒子的概念和連續的場的概念被綜合為物質波的概念。5. 包容蘊含。如能量子概念否定了“自然無飛躍”的傳統觀念，但這只在微觀過程才顯示出來，在經典系統中，由于h很小(h＝6.626×1027爾格秒)，使得分立的能量譜實際上無法區分而連成一片，這時能量的連續作為極限情況被包括在新概念內。6．獨辟蹊徑。如自然選擇、光速不變原理、等效原理、海森伯測不準關系、泡利不相容原理等都是在科學革命中提出的新觀念。
對科學革命中原有經驗知識的地位和科學觀變革方式的考察，使我們清楚地看到，科學革命盡管使科學本身發生了質的變化，但是在新舊科學理論體系之間也存在著明顯的繼承關系。同時，也可以看到，科學革命的形式不僅有庫恩所說的“危機”型，還應該容許其它形式存在，如“綜合”型、“推廣”型等等。 革命性變革最深刻的普遍特征是形成新理論體系的實體基礎，而這樣的實體基礎就是科學觀念，因此科學革命的實質是科學觀念急劇而根本的改造。
在這里，我們之所以選擇“改造”這個詞，是經過深思熟慮的。在漢語中，改造一詞具有雙重含義：其一是，“就原有的事物加以修改或變更，使適合需要”；其二是，“從根本上改變舊的、建立新的，使適應新的形勢和需要”。這樣，“改造”一詞就能恰如其分地描繪出科學觀念的各種變革方式，體現了科學中的革命與繼承的辯證關系。我們在“改造”二字前加上“急劇”和“根本”兩個修飾語，無非是從速度上和程度上強調科學觀念的改造是迅速的、徹底的，而不是緩慢的、逐步的、局部的、審慎的、盡可能少破壞的。因此，我們所謂的科學革命，指的是一種整體性的革命，這既可以針對整個科學而言(如歷史上的三次科學革命，即以哥白尼的《論天球的運行》和牛頓的《原理》為標志的革命，以道爾頓的原子論、達爾文的進化論、麥克斯韋的電磁理論為標志的革命，以相對論和量子力學為標志的革命)，也可以針對某一學科而言(如物埋學革命、化學革命、生物學革命等)。至于某一學科內部某個理論體系中的個別科學觀念的變化，我們一般不稱其為科學革命，而把它視為科學觀念的局部變革(也有人稱之為“局部革命”或“小型革命”)。這種變革雖然也是科學觀念的部分質變，但并未引起整個科學觀念的根本質變。
把科學觀念作為科學革命中的變革的主要實體，一個優點在于它的明晰性，因為它不像范式、研究綱領等那么龐雜、含混。更為重要的優點在于它的合理性。科學觀念是屬于經驗成分(經驗知識、具體的理論等)和哲學成分(本體論、方法論、自然觀、思維方式等)二者之間的中間層次?！矫妫强茖W理論的基礎，與科學具體理論本身緊緊相聯。另一方面，它又是高度思辨、高度抽象的產物，與哲學成分密切相關。它既不像科學理論那么脆弱，易受實驗觸動；也不像哲學成分那么僵硬，難以改變，而具有相對的穩定性和一定的可變性。這就避免了波普爾、庫恩等人的觀點的缺陷。
在這里，有必要從更廣闊的視野上稍加考察。事物的本質基礎并非建筑在這一事物的范圍內，而是以這一事物的全部因素為基礎?；A屬于這一事物，同時又不完全屬于它。在一定的關系中，基礎應該是內容豐富的，基礎是體系的決定性的屬性。作為科學理論的基礎的科學觀念正是這樣，它決定著科學理論的性質：它屬于科學理論體系，但在某些方面似乎又超出了科學理論體系的范圍，因為它具有濃厚的哲學色彩。嚴格地講，像本體論、方法論、思維萬式、自然觀等哲學成分，并不是科學理論體系之內的東西，它們是外在的。把科學革命的實質歸結為某一種或某幾種哲學成分的轉變是不妥當的，因為科學革命畢竟不是哲學革命，科學革命變革的主要實體只能在科學自身中尋找，而無須到哲學中去尋找。
科學革命的最關鍵因素，科學革命的核心是形成本質上全新的基礎。不過，在科學觀念發生急劇而根本的改造的同時，科學理論也會煥然一新。也就是說，新的科學框架不僅能容納已有的經驗知識，而且還能容納許多新的經驗知識，而這些新知識是無法納入舊科學框架中去的。另外，由于科學觀念與那些哲學成份有千絲萬縷的聯系，新科學觀念對舊科學觀念的否定，必然耍伴隨或導致新的自然觀、方法論和思維方式等的全面變革。因此，筆者嘗試給科學革命下這樣一個定義：科學革命是科學觀念急劇而根本的改造，與此同時，也伴隨或導致科學理論、自然觀、方法論和思維方式的全面變革。科學革命這一概念是關于科學進步的辯證詮釋的基本概念。
四、科學發展的“進化一革命”互補圖像
作為科學理論基礎或框架的科學觀念具有完整性、內在統一性和進一步發展的能力，這些邏輯構架起著組織、建立以及解釋科學理論的作用，并調節和控制獲得新知識的過程。因為它們在某種程度上是科學的(正確的、鄭重的、不是荒唐的)抽象，比較深刻、比較正確、比較完全地反映了科學認識對象，從而具有巨大的現實統攝力量和潛在的容異功能?？茖W觀念一旦建立起來；它的現實統攝力量就會不斷地得以發揮，它所統轄的研究領域的知識不斷積累，且日益成熟和完善。在科學發展的一定階段，科學觀念原有的潛在容異功能也會轉化為現實性。也就是說，它可以作為一種研究指導綱領擴展到其它領域，甚至把與它不相協調的經驗知識容納進來或暫存起來。這時，科學觀念對科學發展起著促進作用，科學呈現出相對平靜的發展趨勢，知識的增長主要表現在量的積累上。這就是科學的進化時期。進化時期主要是科學家在已有的科學觀念指導下進行的定向研究時期，這也是科學理論的多產時期。
從牛頓的《原理》奠定了近代物理學的基礎到19世紀末，物理學大體經歷了兩百多年的進化時期。在這段漫長的時間內，經典力學的基本觀念被物理學家作為研究傳統而接受下來，決定了他們的思想、研究和實踐方向。牛頓力學起初主要處理質點問題(質點力學)，后被推廣到流體和剛體，流體力學和剛體力學就是在牛頓所提出的科學觀念的基礎上建立起來的。力學的基本觀念又被引進光學、熱學和電磁學的研究中。盡管熱學中熵的概念和熱力學第二定律以及電磁學中的場的概念，都是超出牛頓力學的基本觀念之外的新東西，但是它們分別通過對分子熱運動進行統計解釋和通過以太的力學模型的運用，而把這些具有革命性的新觀念納入到力學框架之中。
科學的進步會引起它的基礎的深刻變革。在進化階段的后期，科學觀念已基本窮盡了它的統攝力量和容異作用，科學理論也在這個基礎上發展到了頂峰。這時，科學觀念通過修修補補已無法容納大量的反?，F象，而且各理論體系之間發生的概念問題也越來越暴露出已有科學觀念的局限性。這時，唯一的出路就是對這些科學觀念進行根本的改造，提出新的科學觀念，這就是科學發展中的革命時期。在這個時期，那些具有哲學頭腦、思想活躍、敢于背離陳規舊說的科學家，往往成為科學革命的主將。
相對地講，科學革命時期一般是不太長的，如歷史上的三次科學革命所經歷的時間分別為144年(1543~1687)、61年(1803~1864)和33年(1895~1928)。哥白尼-牛頓革命之所以持續時間最長，是因為它要摧毀亞里士多德的自然哲學教條，而這些教條在將近兩千年間一直禁錮著人們的頭腦，并被經院哲學當作毋庸置辯的真理。而且，當時科學成果和科學思想的交流受到各種條件的限制，遠不如后來那么頻繁和自由。尤其是，這次革命要總結人類有史以來的關于自然的知識，建立第一個真正的近代科學體系——牛頓力學。在哥白尼《論天球的運行》問世時(1543年)，歐洲人所具有的力學知識是否像阿基米德(公元前287～212)所了解的那么多，還是值得懷疑的。但是，到這次革命的終結，牛頓力學已牢固建立起來，能夠說明天上和地上所遇到的一切力學現象。照此看來，百余年的革命并不算長。第二次科學革命之所以持續時間較長，是因為這次科學革命的帶頭學科不是一門學科，而是一組學科(主要是化學、生物學和物理學)。這樣一來，科學觀念的變革發生在不同的領域，而這些科學觀念彼此又不甚相關，一個學科中的科學觀念的變革對另一個學科中的科學觀念的變革沒有什么直接的影響。于是，革命的持續時間勢必要稍長一些。
科學的進步就是“進化-革命”的無窮系列。在進化時期與革命時期之間，也可能存在庫恩所說的危機階段，這在世紀之交物理學革命的前夕表現得尤為明顯(但是，不見得每次科學革命前夕都有一個危機時期)。危機是科學革命的前夜，舊科學觀念搖搖欲墜，新科學觀念尚未誕生或尚未鞏固之時，就是科學的危機時期。不過，科學發展的進化-(危機)革命階段只是為敘述的方便而提出的理想模式，它們的界限并非涇渭分明。它們就像電影中的一串串漸隱鏡頭，當一串場景的最后幾幅畫面還未完全消失時，第二串場景的開頭幾幅畫面就逐漸溶入，致使兩串場景相接處的幾幅畫面我中有你，你中有我。
正如勞丹批評庫恩時所說的，常規科學并非像庫恩所描繪的那樣“常規”，科學革命也不像庫恩所斷言的那么“革命”。因此，我們擬提出“進化-革命”互補圖像來描繪科學的發展。在這里，“互補”的含義有二：其一是進化與革命互相轉換，即進化轉換為革命，革命又轉換為進化，周而復始，以至無窮，而每一次循環，都使科學發展到一個新的更高的階段；其二是進化與革命互相滲透，這不僅表現在二者的銜接處，而且也表現在二者的過程之中。例如，18世紀基本上是科學的進化時期，經典力學的基本觀念不僅在力學發展中表現得生機勃勃，而且也指導著其他學科(例如電學、熱學、化學等)的研究。但是，值得注意的是，康德在這個時期提出的星云假說，把發展的觀念引入自然科學，這是超越于經典力學的新觀念。拉瓦錫的氧化說和元素概念也否定了燃素說和燃素概念(燃素說是在經典力學基本觀念指導下提出的燃燒理論)。這一切，都是在進化時期科學觀念所發生的局部變革，或像有人說的局部革命或小型革命。同樣，在革命過程中也伴隨著一些進化。愛因斯坦1905年提出的狹義相對論標志著物理學一個領域的革命的開始，而普朗克1906年通過對愛因斯坦的電子運動的方程的修正進而得到的動能的表達式，以及閔可夫斯基1908年提出的四維世界理論，都不過是狹義相對論的自然進化而已。
因此，如果把事物的發展比喻為波浪式發展、螺旋式上升的話，那么科學的進步則可以形象地描繪為具有小波紋的滾滾向前的大波浪，或以大螺線為軸心而攀援上升的小螺線(等于把一個長而細的彈簧繞成螺線)。這就是科學發展的“進化-革命”互補圖像(盡管它也是一個不盡恰當的模式)。后一個比喻顯然與黑格爾的下述命題有某種相通之處：“科學表現為一個自身旋繞的圓圈，中介把末尾繞回到圓圈的開頭，這個圓圈以此而是圓圈中的一個圓圈，因為每一個別的支節，作為方法賦予了靈魂的東西，都是自身的反思，當它轉回到開端時，它同時又是一個新的支節的開端。”
參 考 文 獻
Б. М. Кедров，Ленин и Научные РевалюцииВсте-ствазнаниеФизика， Издательства《Наука》，Москва，1980.
李醒民：簡論凱德洛夫的科學革命觀，北京：《自然辯證法通訊》，1985年，第1期。
《愛因斯坦文集》第一卷，許良英等編譯，北京：商務印書館，1976年第1版，第115頁。
狹義相對論的基本原理范文5
一、課程中的科學探究有三重意義
第一，它是一種學習方法，強調學生自己不斷發現問題、解決問題，在這個過程中獲取知識、體會科學方法、受到情感態度價值觀的熏陶。目前對這點已經取得共識。
第二，科學探究本身也是學習的內容。平常所說的知識包括了陳述性知識和程序性知識，怎樣進行科學探究是一種程序性知識，以前我們對這類知識的學習不夠重視。在科學課程的學習中，學生要通過對探究過程的反復體驗，學會怎樣進行科學探究。這在過去強調得不夠，應該引起重視。
第三，科學探究還是一種精神。要用這種精神探索和研究自然規律，也要用這種精神學習整個課程中的所有內容。這點尤為重要。
例如，實驗儀器的使用規則，雖然不是自然規律，但也可以通過科學探究來學習。有一種說法，認為學習這類內容時不能進行探究，只能嚴格要求，即使不明白其中的道理也要記住這些規則，否則這些重要的要求在學生頭腦中就不清晰，還可能損壞器材。其實，儀器的使用規則都是有道理的，學生應該通過自己的探究來學習這些道理。天平的學習就是一例。
在過去的教學中，教師生硬地告訴學生使用托盤天平的三個步驟和要注意的兩點，可以不講任何道理，學生只要記住了、照著做，就算達到要求了。按照新課程的理念，學生完全可以通過科學探究學習這些內容。
例1：想想做做――天平的使用方法
我們通過稱量橡皮、鉛筆的質量來學習天平的使用方法。
學習過程中要一邊操作一邊思考下面幾個問題。
天平應水平放置。
你所用的天平有沒有檢查天平底座是否水平的裝置?應怎樣測平?
天平使用前要使橫梁平衡。每臺天平都有平衡螺母，用來調整橫梁的平衡。
你的天平的平衡螺母安裝在什么位置?如果橫梁的左臂偏高，應該向哪個方向旋動平衡螺母?
你的砝碼盒中最小砝碼的質量是多少?實際上，天平還能夠分辨出比它更小的質量，這時就要靠游碼了。游碼相當于一個“秤砣”，它每向右移動一格，就等于在右盤中增加一個很小的砝碼。
在你的天平上，一個這樣的小格相當于多大質量的砝碼?使用天平之前，應該使游碼停留在什么位置?使用天平時，要求把待稱的物體放到左盤，在右盤中增減砝碼。為什么要這樣做?
……
關于天平的使用，你認為還應該注意什么問題? 當然，涉及人身和器材安全的問題應該作為強制性要求，但即使對于這些要求，學生也要明白它的道理。
二、科學探究不追求“完整”
物理課程標準指出了科學探究的幾個要素?！耙亍辈煌凇碍h節”。一個過程缺少必要的環節就會中斷；而課程標準指出的要素是科學探究的標志，一個具體的教學過程只要具有一兩個這樣的要素，它就有了探究性。也就是說，學習時的科學探究不一定是“完整”的。
例如，在引入強相互作用時，下面的思考與討論就是一種科學探究。
例2：質子帶正電，但質子(與中子一起)卻能聚在一起構成原子核。根據你的推測，原因可能是什么?
教師提出這個問題，學生自然會想：“對呀，同性相斥啊……可能除了庫侖力之外還存在另一種力，使得質子相互吸引，不然怎么會……”這小段教學過程也許只有一兩分鐘，但它包含了提出問題、猜想與假設以及極其簡單的分析。盡管學生不可能得出可靠的結論，但它具有科學探究的典型要素，這種互動就是一段科學探究。
又如，在學過勻速圓周運動之后，學生對以下問題的研究也是科學探究。
例3：思考與討論
地球可以看做一個巨大的拱形橋，橋面的半徑就是地球半徑。地面上有一輛汽車沿著赤道行駛。根據前面的分析，汽車速度越大，地面對它的支持力就越小。會不會出現這樣的情況：速度大到一定程度時，地面對車的支持力是零?這時駕駛員與座椅之間的壓力是多少?他這時可能有什么感覺?
學生在拱形橋的問題中已經知道，半徑越小時車對橋的壓力與重力之差越大，地球的半徑很大，這種效應應該不明顯；但學生還知道，速度越大兩力之差越大，所以要在地球上產生明顯的效應，車就要開得很快。要多快呢?其實學生已經掌握解決問題的工具了……
這個問題是教師提出來的，學生根據解決拱形橋問題的經驗，可以做出有很大把握的猜想，然后沿這個方向進行數學推理和分析，得出準確的結論。這是一個很好的科學探究過程。
實際教學中最難把握的是提出問題這個要素。學生提的問題五花八門，有的雖然有意義，但未必與教學發展方向一致。因此，多數課題恐怕還是要由教師提出。這樣做還是科學探究嗎?還是。根據現象或過去的知識找出矛盾或疑問，把它清晰地表述出來，這是一個很好的教學習慣。教師經常這樣做，時間久了學生也就自然而然地這樣做，遇到相似的場景時會不自覺地在心里產生疑問，于是就形成了提出問題的習慣，也就逐漸學會了怎樣提出問題。我們強調這樣的教學過程，就是在“播種一種行為，收獲一種習慣”，我們這樣做是在引導“批判性的思維”，是在培養“懷疑精神”。
三、不同問題中的猜想與假設，它們的不確定性并不一樣
科學的猜想與假設在本質上不同于不負責任的亂說，它是根據有限的事實或不嚴格的推理得出的不太可靠的結論。在上面例2中，我們得出―個猜想――存在著另外一種相互作用，根據的是庫侖力的性質和二力平衡的知識。但是，它仍然只是一個猜想，不是科學的結論，因為我們不能排除另外的許多可能：兩個質子之間只有庫侖力的作用，但庫侖定律在很小的距離上不適用；或者
不同探究過程中做出的猜想與假設，它們的不確定性并不一樣。上面例3中的猜想與假設實際上已經是對問題的定性分析，不確定性很??；而例2中的猜想與假設則有極大的不確定性，特別是中學生做出這樣的猜想，更是如此。
可以說，中學教學中的科學探究最應該注意的就是猜想與假設這個要素，猜想與假設是創造性思維中最活躍的因素。這樣說，是基于我們對科學過程的理解：科學定律不是根據有限的(盡管可能是大量的)事實歸納出來的，新知識的建立常常不在于實驗證據的多寡，而在于研究者的洞察力?？茖W中的重大發現是這樣，日常生活與工作中的新認識、新見解也是這樣。
新的高中物理課程包括了狹義相對論的少量內容。這樣做的主要目的是使學生在狹義相對論的學習中再一次體會科學探究的過程，即人們認識世界的下述過程。
學生在大致了解幾個關于“光速不變”的實驗后發現
了矛盾(提出問題)，在此基礎上提出了“光速不變”原理和狹義相對性原理(猜想與假設)。盡管麥克耳遜實驗和其他幾個實驗及天文觀測表明，光速不依賴于觀察者與光源之間的相對速度，但這只是有限的幾件事實，還不是一般性的規律，因此我們只能把它叫做猜想與假設；至于狹義相對性原理，也只是“沒有發現違背這個原理的事實”，也屬于猜想與假設的范疇。
在這兩個猜想與假設的基礎上，經過邏輯推理得出了同時的相對性，進而得出長度的相對性和時間間隔的相對性(分析與論證)。最后介紹對宇宙射線中μ子計數的解釋、狹義相對論的宏觀驗證，并簡單提到它在粒子物理中的應用。
這段教學要使學生體會認識世界的如下過程。實驗或觀測事實(或直接經驗)―猜想與假設(兩個基本原理)邏輯分析(數學推理)可檢驗的結論
在狹義相對性的教學案例中，兩個原理具有很大的不確定性，只有得出的大量結論都與事實一致時，才能說當初的猜想與假設在一定的條件下是正確的。新高中課程還要求極簡單地介紹廣義相對論。廣義相對論的猜想與假設的不確定性就更大了。與它們相比，課堂實驗中關于導體中的電流與它兩端電壓關系的實驗結論，其不確定性就小得多，但仍是個假設，因為后來發現它對半導體導電和氣體導電并不適用。我們只能說，對于金屬導體，這個猜想與假設發展成了歐姆定律。
以上分析有助于打破我們對于科學探究的狹隘認識。學習中無論是極不確定的想法，還是似乎板上釘釘的實驗結果，其實都是科學探究中的猜想與假設。中學物理中幾乎所有內容都應該按科學探究的方式學習。
四、科學探究不一定都要動手做實驗
實驗是物理學的基礎，這是從整體上說實驗推動了物理學的發展，但絕不是說，物理學中的每一個規律都“應該”或者“可以”直接由實驗總結出來。明確了這個認識以后，在學習過程中我們就敢于確認：包含了科學探究的若干要素，但不包含學生實驗或演示實驗的教學過程，也是科學探究。例如，在學過了功和能的關系，經歷了動能、重力勢能的定量表述過程之后，學生可以探究彈性勢能的表達式。在這個探究過程中，學生可以根據過去研究動能和重力勢能的經驗來確定探究的方向，即通過彈力做功來探討彈性勢能的表達式；然后分析彈力與重力的相似點和不同點，初步猜想彈性勢能應該隨彈簧伸長的增加而增加，還應該隨勁度系數的增加而增加；最后通過定量的分析與論證得到所求的表達式。這個過程包含了提出問題、猜想與假設、分析論證等要素，還可以包含評估、交流與合作等要素，因此，盡管沒有設計實驗、進行實驗等要素，它也是―個科學探究的過程。
實際上，前面例2、例3也是不包含實驗的科學探究過程。
沒有實驗的教學過程也可以是科學探究，明確了這一點能使我們解放思想、放開眼界，克服教學時科學探究中的形式主義。有些學科、有些教師所做的“做中學”的嘗試有助于改變我國科學教育中輕視實踐、輕視操作的傾向，但像任何教學方式一樣，它也有一定的適用范圍。不分學科、不分學段地一味強調在操作中學習，并不是這次課程改革的理念。
五、科學探究的形式可以多種多樣
學習中可以通過多種形式體驗科學探究過程。對于某些內容，教師可以按歷史的發展展開教學，使學生從前輩大師的工作中體會科學探究。例如，能量子概念的教學，可以沿這樣的線索展開：
冶金工業促進了黑體輻射問題的研究
用經典電磁理論解釋實驗規律
難以解決的矛盾
普朗克能量子的假設
數學推理
與實驗事實的對照
在這個例子中，提出問題、猜想與假設、分析論證的要素都是十分突出的，實驗所起的作用也十分明顯。
伽利略對自由落體運動的研究是另一個好例子。
從下面的例子可以看到，科學探究的過程還可以是師生討論的過程。
例4：課堂實例――為公式x=v0t+1/2at2的導出做準備
老師拿來了一位往屆同學所做的“探究小車的運動規律”的測量記錄(見下表)，表中“速度v”一行是這位同學用某種方法(方法不詳)得到的物體在0、1、2……5幾個位置的瞬時速度。原始的紙帶沒有保存。
以下是關于這個問題的討論。
老師：能不能根據表中的數據，用最簡便的方法估算實驗中小車從位置0到位置5的位移?
學生A：能。可以用下面的辦法估算
x=0.38×0.1+0.63×0.1+0.88×0.1+1.11×0.1+1.38×0.
學生B：這個辦法不好。從表中看出，小車的速度在不斷增加，0.38只是0時刻的瞬時速度，以后的速度比這個數值大。用這個數值乘以0.1s，得到的位移比實際位移要小。后面的幾項也有同樣的問題。
學生A：老師要求的是“估算”，這樣做是可以的。
老師：你們兩個人說得都有道理。這樣做的確會帶來一定誤差，但在時間間隔比較小、精確程度要求比較低的時候，可以這樣估算。
要提高估算的精確程度，可以有多種方法。其中一個方法請大家考慮：如果當初實驗時時間間隔不是取0.1s，而是取得更小些，比如0.06s，同樣用這個方法計算。誤差是不是會小一些?如果取0.04s、0.02s……誤差會怎樣?
這段教學過程包含了科學探究的多個要素，學生參與了討論(不論是否有發言的機會)，就是參與了科學探究。
綜上所述，科學探究是一種精神，它應該貫穿于整個學習過程，教師要想盡一切方法調動學生探求新知識的積極性，而不是被動地吸收知識，這樣就體現了新課程的探究精神。我們不宜說某節課是科學探究課，某節不是；也不宜說某個教學活動是，某個不是?？茖W探究要滲透到全部教學活動中。
狹義相對論的基本原理范文6
一、明確的學習目的，激發學習興趣
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。
二、使物理貼近學生生活、聯系社會實際
家庭、學校、社會都有大量學生感興趣的物理問題:如家庭中新型電器、炊具中的物理原理;公共交通設施、交通工具中某些新裝置的物理原理;新型通信工具;等等。教師應選擇與學生生活聯系密切的素材用于教學。課堂教學中，教師可以使用可樂瓶、易拉罐、飲料吸管、膠帶紙等生活中的常見物品來做物理實驗。學生的課后作業也應該因地制宜地引導學生關注周圍的生活，例如:游樂場中的物理;車站、碼頭上的物理;超級市場中的物理等。把這些與學生的生活密切相關的事物引入物理課，就會增加學生對物理課的親切感。
物理學與社會的聯系可以分別從資源(能源)、人口、環境和生態、交通、居住等方面，結合本地的社會現象進行討論。恰當地采用照片、圖表、模型、幻燈、電影、錄像、光盤等視聽媒體，鼓勵學生在課堂上發表通過自己收集信息所形成的有關見解。
三、突出物理學科特點，發揮實驗在物理教學中的重要作用
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。例如伽利略理想實驗，經過抽象思維科學地推理出力是產生加速度的原因，向延續了2000多年的亞里士多德代表的錯誤觀點提出挑戰，并最終被人們所接受。例如在講《自由落體運動》一節時老師用牛頓管(抽成真空約1米長的玻璃管)演示，金屬片、羽毛和軟木塞三種不同質量的物體在真空中下落的情況，同學們看到這種現象后，根據受力情況(它們分別只受重力)和牛頓第二定律F=ma，可得出a=g 即三物體的加速度相同。這樣就不難明白它們為什么在牛頓管中同時落下，而空氣中由于阻力影響不能同時下落的原因。所以一定要認真觀察實現過程、實驗現象，并積極動腦分析發生現象的物理道理，這樣就加深了對物理概念和物理規律的理解。
