3.科学理论与科学实验的关系

科学探索研究的方法主要包括：信息与系统化方法，数学法，逻辑法，先假想再验证法，机遇与灵感法，基于可感知实物的真实多维实验方法，其它方法，例如：以上不包括的，人类已采用但无记载或报道的科学探索研究方法等.因为科研方法的总结者大部分不是从事具体科学探索项目的研究人员，等等.

自然科学研究优点主要是：

(1) 无约束地优化选择最有价值的、可行的科学探索研究的目标与相应的探索研究方法等；

(2) 科学探索研究的新方法不断出现，使得不断探索到突破性新发现，并在工程技术上频繁地创新与应用；

(3) 不择手段的、全部可能的科学探索研究的新方法不断出现，科学探索方法具有很强的创新性与创造性，具有高度的抽象性与具体化相结合，高度的精确性与准确的模糊性，严密的逻辑性，充分的辩证性，可靠的确定必然性与随机性，稳定性与突变性，等等；

(4) 从猜测或想象到理论，并通过各种技术途径逐步不断完善该理论，精益求精，终成经典理论；

(5) 失败是成功之母，持之以恒，锐意穷搜；

(6) 理论在不断地进化、拓展与实际应用等；

(7) 研究成果不断得到各种类学科的长期不断地检验，一方面验证该成果的广泛正确性，另一方面协作完善该成果，使其精益求精；科学成果均是原理简单清楚、高精度而准确、高可靠等，并具有预见性，统一性不断增强，能够广泛地自圆其说；

(8) 科学探索研究的整体化与统一化，普适广泛性与狭义专业性，众多学科群体团体合作，各个学科(自然科学、人文社会科学与工程技术)研究方法不断趋于统一；

(9) 科学探索方法效率与可靠性均不断提高，探索研究所耗费用相对当时人类生产总值有所增加；

(10) 人类与自然关系在不断的改变，人类的自然观在不断的变革与科学革命，科学探索研究在社会化；

(11) 不断寻找提出未来的科学问题，新的“为什么？”不断涌现；各种理论不断更新，新概念新学科不断涌现，不断向宇宙物质空间大的范围与小结构拓展深入，……；

(12) 采用全人类全部可能的智慧进行科学研究.在全宇宙的多维空间范围内无穷地科学研究，没有放弃一个有史以来均无效无指望且“闹笑话”的设想，从一些异想天开的设想出发，将来可能获得科学研究突破.事实上，人类已充分采用了自古至今的广大“门外汉”及其流传下来的“空想”成功解决了一些科学研究不可思议的问题；

(13) 另外，有些人类科学研究未遗传下来，或未公开发表等的出色成果而被淘汰掉了，等等；科学探索研究并非（但包括）只是在实验室中由科技工作者进行，而是全部的人都实际上在进行自然探索，…….

一类科学问题的实验手段暂时地乃至长久地都不可能具备，只能用思想实验的方法来加以解决.在现代的认识活动中，思想实验已经成为人们探求新知，创造和发明新知识的重要方法.在目前的科学研究中，这种方法不再局限于物理学领域，而进入到生物学等其他领域.比如，对生物膜双层分子结构形成过程的理论难题的研究等.

实验是自然科学的基础，理论如果没有实验的证明，是没有意义的.当实验推翻了理论后，才可能创建新的理论，但理论不可能推翻实验.“理想实验”在自然科学的理论研究中有着重要的作用，但是“理想实验”的方法也有其一定的局限性，必须综合考虑到各个方面的因素．“理想实验”只是一种逻辑推理的思维过程，它的作用只限于逻辑上的证明与反驳，而不能用来作为检验正确与否的标准．相反，由“理想实验”所得出的任何推论，都必须由观察或实验的结果来检验．

量子论的建立也同“理想实验”密切相关．在量子力学中，海森堡用来推导测不准关系的所谓电子束的单缝衍射实验，也是一种“理想实验”．因为，中等速度的电子的波长约为10-8厘米左右，这跟原子之间的距离属于同一个数量级．因而，只要让电子束穿过原子之间的空隙，就会发生衍射．但是，要想制成能够使电子发生衍射的单缝，首先就必须做到把单缝周围的所有原子之间的空隙都给堵死．实际上这是做不到的．在实验中，人们只能做到电子的原子晶格衍射实验，而无法实现电子的单缝衍射实验．

普朗克说过：“实验是我们掌握的唯一知识，其他全是诗意和想象.”爱因斯坦也说：“对现实的知识始于经验，终于经验.”爱因斯坦注重科学想象方法，他说过“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉.严格地说，想象力是科学研究中的实在因素.”确实如此，不管是狭义相对论还是广义相对论，几乎都难以与经验印验起来，如果没有科学想象方法的运用，简直难以进行研究.因此科学想象方法再一切现代科学的高深研究中越来越不可缺少，成了“实在性因素”.如爱因斯坦在创立相对论是曾设计过人以光速跟着光线运行的理想实验，在高速运动的列车上观察闪电的理想实验和自由下落的升降机的理想实验，这些实验都富有创造性的想象力和大胆的猜测，包含着机敏的直觉和精巧的设计.正是以这些理想实验为前提，才逻辑的演绎出尺缩效应，质量等效等结论.在量子力学的研究中，也较多的运用了想象的方法，如玻尔.作为一个伟大的科学家，玻尔对于想象方法的运用达到了完美的境地，如其原子模型提出过程中的大胆想象，既如和爱因斯坦围绕着互补原理而展开的论战，也可以说时两位科学家想象方法能力的较量.再如，“光子箱”理想实验的提出和反驳，是玻尔运用理想实验模型的典型代表，这也是他和爱因斯坦的研究中使用相同方法的一面.

其一．理想实验不受时空的限制．不受客观条件的制约．无需任何经费的投入．通过实验者丰富的想象和严密的逻辑思维．随时在头脑中进行“实验”．及时捕捉“灵感”．其二．理想实验摆脱了真实实验不确定性的影响．在思维中通过对模型(如光 表面、刚体、点电荷、理想气体等等)的“操作”而完成实验．它没有误差．无需数据处理等．其三．理想实验是物理专业知识和哲学修养的完美统一.既要精通专业知识．又要具备哲学理论．才能真正具有进行理想实验的素质．

理论物理学研究的主战场始终是探索未知的物质结构和运动基本规律的最前沿.他们涉足于物理学各分支学科及许多交叉领域，内容非常广泛，其中最主要的领域为：1．探讨物质微观最深层次的结构和运动规律；2．探讨早期、极早期宇宙演化规律；3．研究复杂系统的凝聚态理论；4．探讨场的基本理论.他们深知实验对于物理学理论发展的作用和意义所谓“理想实验”，又叫做“假想实验”、“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人们在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法．思想实验是科学工作者源于自身的经验而又超出自身的经验的一种高级思维活动.这种思维活动是按照实验的特点进行的，因此它既严格区别于实际操作的实验，又比实际操作的实验更高级、更美.

近代物理学的基础工程学科化这种趋势，当然是由围绕科学的新的社会状况的出现所形成和促进的.产业革命的结果，出现了推进科学教育核研究的公共制度及机构，这也是十九世纪后五十年的显著特征.但是，它们还只停留在提供基础教育及公共服务性研究的地步，并且规模也比较小.几乎所有的科学研究还依赖于个人的创造性.而改变这种局面的开端是十九世纪末发展起来的化学工业以及后来的电气工业.因为这些工业是根据当时最新的科学成果为基础建立的，并且，各个领域中占有主导地位的大企业内部设立了研究机关，致力于培植技术基础.而这种倾向到了第一次世界大战（1914-1918年）后又有了进一步的加强.另一方面，各国政府也通过第一次世界大战，从飞机、潜水艇、坦克、毒气等新式武器的作战效果吸取教训，作为国策积极地推行科学与技术的振兴政策.尽管如此，仍未达到预期的效果，倒是1929年爆发的持续数年之久的世界经济大危机，才引起了人们的议论，认为是科学、技术的过分进步造成了这次经济困难.但是，上述状况由于第二次世界大战的迫近而为之一变.大战开始后由各国所进行的科学动员在青霉素、雷达、火箭、原子弹以及作战计划研究等方面取得了惊人的成果.

经历了第二次世界大战的经验，如何来维持和推动科学研究的问题，目前已成为产业界、军队核政府的重要工作.为了要维护经济上、政治上、军事上的生存核领先地位，终于认识到全面地加强培养技术基础的科学必不可少的.

在围绕科学出现的新情况当中，特别是物理学处于中心地位.这是因为物理学已成为在第二次世界大战中完成的雷达同原子弹以及战后的技术革新的基础，所以上述趋势也是理所当然的吧！如今研究物理已远远不能单靠个人单独的创造了，因为它规模太大，同时，对军队上核经济上的意义也太重要了.所以说，现代的物理学已经成了现实的社会秩序中不可缺少的一个环节深深地扎下了根.物理学能够如此深入社会，同时反过来又会受到社会的限制这种情形，在十七世纪以来的近代物理学的历史上还是第一次出现.其结果是，物理学中的很大一部分转变成基础工程学，同时，无论从资金或从人员角度来看都开始能够建立起以加速器为象征的巨大的基础科学.

物理学的变迁，同时也伴有物理学在地理上扩大的含意.回顾一下历史，到量子力学建立为止的物理学史上起重要作用的文献，开始用拉丁文，后来几乎极大多数用英文、法文、德文写成而用意大利文和荷兰文写的只不过少数.尽管这种情况是近代物理学中带有普遍性的问题，直到最近它还表现出是欧洲范围内的语言.俄国、美国还有日本正式参加到物理学行列里来也不过是近六、七十年的事.同时，在不久的将来，中国也会有很大的实力，这一点大致是可信的.所以物理学在地理上的扩大，随着第二次世界大战后亚洲、非洲的旧殖民地国家的发展，必将会进一步扩大！虽然这些国家，目前还不能讲已经在进行尖端物理学研究，但为了迅速地推进经济建设，都将提高技术水平看作是至高无上的命令，花大力气在培养科学家和技术人员.所以，没有理由认为这些国家将来不会产生真正的物理学研究.可以把这一趋势同由物理学所支撑着的各种各样新技术所持有的可能性相结合，看作是社会进步的一个标志.但同时，又不能忽视事物的另一个半面.提起所谓的另一个半面，谁都会立即想到是核武器的那种可怕的破坏性，有关这一问题无需在此再作介绍.而这里必须指出的，是在物理学本身内部所能见到的“技术化”同常规化的倾向.再回顾一下量子力学成立以后物理学的发展就一目了然了，尽管物理学的研究是非常丰富多彩的，但是从质的深入这一点来讲并没有划时期的变化.虽然从基本的方法及想法的角度来看是连贯的、相同的，但是从中要发现诸如新的、全局性的以及带有根本性的思想或概念的变化、直至新的规律性等困难的（请同二十世纪初的状况相比较）.而在这里所要研究的多数问题是，基本的定律及方法都是现成的，关键在于如何将它应用于具体的问题；如何说明一些具体问题.所以，从这种意义上讲，现代物理学研究的多数问题是“技术性的”.并且这种“技术性”，再探索基本粒子未来世界的超高能物理学的领域中却以另外一种形式展开.首先，从实验方面来看，有关负责建造、操作和保养活动，还不如说是一项必须共同进行的技术性工作.并且，对所得到的实验数据的处理以及使用这些数据所推行的理论计算也是一样，与其说是新的创新还不如说是接近于一种技术性的处理.所以，像基本粒子理论这种最基础的所谓的“纯粹的”物理学领域中技术性研究也占据了相当大的部分，即常规化的情况并非是很强的.

彭罗斯说，统统这些物理理论的完成逻辑体系，都可以分成三大类：第一类是超等的，如牛顿、麦克斯韦、玻尔兹曼、爱因斯坦的理论体系.第二类是有用的，如标准模型、宇宙大爆炸理论体系.第三类是尝试的，如暴涨、K—K、超引力、超弦理论等能导致新的实质性理解上的进步的理论体系.实质上这像高、中、矮三种类树，每一种既要看到它的局限性，也要看到第一类理论体系不行，但还有第二类理论体系；第二类理论体系不行，还有第三类理论体系.Hawking 教授在其2011年最新著作《大设计THE GRAND DESIGN》的最后一页，给我们提出的研究思路：“M理论是爱因斯坦所希望找到的统一理论.我们人类---我们自身只不过是自然的基本粒子的集聚----已经能够这么接近理解制约我们和我们宇宙的定律，这一事实就是一项伟大的胜利.但真正的奇迹也许在于，逻辑地抽象思考导致一个唯一的理论，它预言和描述了我们所看到的充满令人惊异的千姿百态的浩瀚宇宙.如果该理论被观测所证实，它就将是过去超过3000年的智力探索的成功终结.我们就将找到大设计.” 著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁参加2007 年科协年会期间，对物理学的发展前景作出这样的判断：“今后二三十年物理学的成就会远远不及100 年前，每一门学科的发展都是有起伏的.未来相当一段时间，物理学不会在理论上有大的突破.”但他还指出：“此时的物理学很多新领域出现了，为我们打开了很多门，每一个门走进去都能大有作为.”

核心素养中的科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.模型思维是一种重要的科学思维,为了描述客观事物的运动规律, 科学家往往把研究对象抽象为理想模型,突出问题的主要方面,忽略次要因素,建立理想化的“物理模型”.爱因斯坦曾经讲过：“物理学家必须极其严格地控制他的主题范围，必须满足于描述我们经验领域里的最简单事件.”作为一个自然科学革新家，他在建立狭义相对论的过程中，曾正确地指出：过去的许多哲学家“把某些基本概念从经验的领域里排除出去，而放到虚无飘渺的经验的顶峰上去了”①（注：①爱因斯坦：《相对论的意义》），使人们错误地认为这些“被忘却了来源的观念，是逻辑上必然的，因而也是不可动摇的”②（注：②爱因斯坦：《物理学和实在》）.牛顿的“绝对空间”、“绝对时间”和“绝对运动”观念就是这样.爱因斯坦则力求把这些抽象的概念从“奥林帕斯天堂拖下来”，揭露出它们的“世俗血统”③（注：③爱因斯坦：《相对论和空间问题》），把物理学的基本概念“尽可能直接而必然地同经验世界联系起来”④（注：④爱因斯坦：《对批评的回答》）.从这种经验论出发，爱因斯坦根据电磁现象揭示出来的相互作用传播速度有限的事实，仔细分析了物理学基本概念特别是时空观念的实践依据，这正是他之所以能清除那些没有实际物理内容的先验的、形而上学的概念，给物理理论带来重大突破的认识论原因.科学不怕质疑，科学在反对和质疑声中发展壮大.

新的理论必须克服现有理论中的缺陷，才有可能为我们提供一幅客观清晰的物质世界图像.首先，物质世界的客观实在性应该得到确认，即物质世界是独立于观察者而客观存在的.尽管相对论效应和量子测量的概率特征令人费解，但可以肯定的是，它们都只是物质运动及其相互作用的可观察表象，其物理起源只能是物质运动本身，不可能是“观察者”和“测量”.新理论应该从物质运动自身去寻求对相对论和量子力学的物理解释，阐明相对论效应的物理起源和不确定关系的物理机制，无需借助于“观察者”和“测量”.其次，相对论时空观有必要进一步拓展，因为按照辩证唯物主义的观点，时空是物质的固有属性，以此为标准，相对论时空观仍然是有缺陷的.虽然相对论时空观把时空与物质运动相联系，纠正了牛顿的绝对时空观把时空与物质相割裂的缺点，但是，这种联系是不彻底的，在相对论中，时空仍然是作为独立的要素存在于物质之外的，只不过将时空的性质与物质运动挂上了钩，在狭义相对论中，时空与光速c紧密相联，在广义相对论中，时空几何与物质能量（质量）动量相联系，这种相对论时空仍然只是物质运动的“舞台”或“背景”，而非物质的固有属性，本质上与牛顿时空并无区别.新理论应该达成时空与物质及其运动更紧密的结合，力求将“时空是运动着的物质的存在形式”这一哲学论断变为物理结论.第三，迄今为止，相对论和量子力学还缺乏共同的物理基础，并且在理论的深层次上它们是相互矛盾的.相对论否定了牛顿的绝对时空观，但并没有否定经典物理学的因果决定论，从这种意义上来说，相对论仍然是经典理论.在相对论中，粒子的运动有确定的轨道，粒子的位置和动量可以同时具有确定值，这与量子力学的不确定关系相悖.量子力学的哥本哈根诠释暗示没有因果性，而随机性是物质世界的基石.另外，广义相对论的时空弯曲理论所设想的时空的几何形式是光滑平顺的，这与量子力学蕴含的时空中的量子涨落行为是不相容的.因此，新理论应该成为相对论和量子力学共同的物理基础，从而使两个理论获得逻辑一致的物理解释.