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提升思维层次
导读
科学思维虽然是一种深刻和丰富的思想方法，但是也是十分简单的思想。
作者：廖玮
出版社：科学出版社
出版时间：2021-08-01
内容简介
《科学思维的价值：物理学的兴起、科学方法与现代社会》主要以伽利略、牛顿等人的主要科学发现为例，讲述科学思维和科学方法的特色以及对于人的价值，主要内容包括实验科学对于理性认识的价值、科学家如何进行思考、科学思维与古代智慧的联系和重要区别、科学与技术相互促进的关系、科技给予现代社会的挑战和机遇以及科技与艺术等诸多方面。通过一些具体的例子，《科学思维的价值：物理学的兴起、科学方法与现代社会》展示了科学思维的艺术，并且展现了科学思维虽然是一种深刻和丰富的思想方法，但是也是十分简单的思想。
作者简介
廖玮，1996年毕业于武汉大学物理系；2001年于中国科学院理论物理研究所获得博士学位；其后分别在意大利国际理论物理中心和加拿大粒子物理与核物理国家实验室工作；2007年至今任华东理工大学教授；主要从事粒子物理唯象学研究，研究方向包括中微子物理、暗物质、超出标准模型新物理等。
精彩书摘
第5章 科学的威力和魅力
光和热是人类熟知的现象，对光和热的研究和猜想具有悠久的历史。早在先秦时代，中国古代墨家就通过实验发现了光的直线传播和光的小孔成像等现象。但是光和热到底是什么，长期以来人们并不知道多少。在伽利略之后，随着科学研究方法的兴起，对光和热的研究突然在一两百年之内结出了极其丰硕的成果。
人类对光和热的认识经历了曲折的发展，经历了多次的混乱和自以为理清混乱的清醒，十分具有戏剧性。在这个发展过程中，有许多不同的思想为加深对光和热的认识做出了贡献，同时也为制造混乱做出了贡献。但是在实验的帮助下，人们还是在不太长的时间之内逐渐把握住了光和热的基本属性，发展出了系统的关于光和热的科学理论。时至今日，人类对光和热的认识已经远远超出牛顿时代的人们所能想象到的范围，这应该归功于历代物理学家的持续努力，也应该归功于系统的科学方法的运用。通过大量的和系统的实验研究，物理学家揭示了许多关于光和热的前所未知的性质。有一些关键的实验还重新校准了人们的思维方向，把物理学家引导到了正确的道路之上。
在本章中，我们将以对光、热和真空的认识为例子进一步阐述科学方法在人类认识自然世界的过程中所起到的作用。
5.1
5.1 牛顿的光学实验与光的微粒说
光有许多有趣的现象，可以引起很多猜测。人们可以注意到光常常是和热伴随着出现的，例如被太阳光晒之后人们可以感到热，让人感到热的火堆也会发光。培根因此猜测光和热具有相通的本质。此外，人们总是可以通过光看到颜色。这里可以产生两种观点。一种观点是，颜色是物体所具有的，颜色不是光的性质；另外一种观点是，光具有颜色，颜色是光的性质。对彩虹的观察使人们认识到光可以脱离物体而具有颜色，帮助我们理清了这两种观点的冲突。但是光到底是什么?光的颜色又是什么?
在牛顿之前，人们已注意到白光经过棱镜后会呈现出彩虹的所有颜色。对此现象，笛卡儿认为，当光通过棱镜之后被转化为各种颜色的光。这个观点得到了广泛认可，并且与感觉直观看起来符合很好。
牛顿是一位出色的实验家，他做过许多光学实验。他说：
1666年我致力于磨制球形以外的其他形状的光学玻璃，并制造出一块三角形棱镜去实验这一有名的颜色现象。
牛顿更进一步，做了图5.1所示的一个实验。牛顿的实验方案如下：
1)牛顿先把白光投射到一个三角棱镜，产生一个光谱；
2)然后把三角棱镜产生的光谱投射到一个平板上；
3)在平板上开小孔，使不同颜色的光通过不同的小孔，控制小孔的开合，一次只允许一种颜色的光通过小孔；
4)把通过小孔的光投射到第二个棱镜上。
图5.1 牛顿的色散光学实验
牛顿对第一个棱镜产生的所有颜色的光都做了一遍这个实验。他发现通过第二个棱镜后，光的颜色没有发生变化，不再变为更多的颜色。这使他认定笛卡儿的理论是不对的。他由此认为：白光是具有不同可折射的光的混合物。也就是说：不同颜色的光有不同的折射，白光是不同颜色的光的混合物。如果仅仅使用第一个棱镜做实验，可以得到两个可能的结论,即
1)光的颜色被棱镜转化;
2)白光是混合物，棱镜把白光分解成不同颜色的光。
只有通过第二个棱镜的实验，才能检查发现第一个观点是不对的。牛顿由此还得出结论：使用棱镜折射的望远镜会有折射造成的色差效应，会对大型望远镜造成很大影响。为回避这一问题，他设计了全反射望远镜。
牛顿解决了一个问题，同时也留下了一个新的问题。牛顿认为光是一种粒子，持光的微粒说。光的微粒说认为光是一种实体物质。早在古希腊时期，就有人以微粒说的方式解释视觉。这种学说认为，物体表面可以发出一些粒子，即一种光原子，这些粒子可以在真空中传播，进入人的眼睛之后形成视觉。这可以当作是微粒说的萌芽。牛顿支持这种前人提出的假说，并且进一步认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播。他用微粒说来解释光的颜色现象，认为不同颜色的光对应不同的微粒，光的颜色的混合来自具有不同颜色的粒子的混合。光的微粒说很容易解释光的直线传播现象。微粒说也很容易解释光在光滑平面上的反射现象，因为这可以被理解为粒子与光滑平面的碰撞。微粒说也可以解释光在透明介质边界上的折射现象。但是，微粒说难以解释光在两种透明介质的边界会同时发生反射和折射现象。此外，微粒说还很难解释光可以互不影响互相穿过的现象。虽然有很多不足之处，但因为牛顿的学术威望，光的微粒说在当时还是成为了对光的主流认识。
5.2
5.2 光的波动说与干涉实验
光的波动说也有很长的历史。亚里士多德反对原子论的真空学说，对他而言把光当作一种可以在真空中传播的微粒是不可接受的。他对视觉的解释是，物体可以使周围的介质发生变化，这种变化通过介质传播出来，到达人的眼睛后被人觉察。这种解释可以当作是波动说的萌芽。到了17世纪，笛卡儿继承了这样一种思路，提出了光的波动说。笛卡儿也不相信真空学说，他认为世界中弥漫着以太物质。他把光与声波作类比，认为光是在以太中传播的压力。
波动说在胡克和惠更斯那里得到了系统的发展和完善。日常可见的波有水波和声波。这种波有一些显著的特点，例如：(1)具有衍射和干涉现象；(2)两列波可以互相通过；(3)需要通过介质传播。胡克和惠更斯把光与声波作类比，把光当作是一种纵波。他们认为光是在以太介质中传播的一种机械波。胡克认为，光的颜色是由波的频率决定的。惠更斯提出了惠更斯原理，即波传播到达的每一个点都可以当作是一个新的波源，产生次级波。图5.2演示了这样一种思想。从A点产生的球形波传播到BG弧，BG弧上的每一点都可以当作是新的波源。这些波源产生次级的球形波，传播到KL弧等众多弧线所示的位置。这些次级的球形波叠加在一起产生原始的球形波的CE弧，整个波动仍然表现为向外传播的球形波。
图5.2 惠更斯对波传播性质的演示(图片来自The Wave Theory of Light Memoirs of Huygens, Young and Fresnel)
惠更斯认为，以太可以渗透进通常物质之中，导致光可以在透明介质中传播。惠更斯使用他的理论解释了光的反射和折射现象。他还试图使用波动说解释光的直线传播现象，但是限于当时研究的深度，他的讨论不太令人信服。惠更斯理论最大的问题是，他的波动说是与声波作类比得到的，他假设了光波是纵波。这使他的波动学说在解释实验方面有许多弱点。
胡克和惠更斯的光的波动理论与牛顿的微粒说形成了巨大矛盾，在当时引发了巨大争论。但是由于牛顿的影响，在之后的岁月中，光的波动理论长期被人搁置遗忘。
一百年之后，托马斯·杨重新发掘了光的波动说。1801年，托马斯·杨进行了著名的杨氏双缝干涉实验。他把一束光照射于两条平行的窄缝，在窄缝之后的探测屏幕上观察到了一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。这样一种结果与微粒说相矛盾，而与波动说符合。图5.3演示了双缝干涉实验的实验方案。托马斯·杨用实验证实了光是一种波，这产生了革命性的影响。在此之后，托马斯·杨又提出光波是一种横波，而不是纵波，从而可以解释光的偏振等现象。此后，菲涅耳进一步发展了惠更斯的波传播理论，使用该理论证明了光的直线传播规律。此外，菲涅耳还用实验证实了这个理论预言的奇特的衍射现象。在此之后，光的波动说终于建立起来，光的微粒说逐渐被人们抛弃。
图5.3 双缝干涉实验。来自S的波从两个狭缝S1和S2透过，在后边产生干涉
在此之后，麦克斯韦假设以太是电和磁现象的传播介质，使用位移电流假说论证电磁场可以在以太中传播，即预言了电磁波。他发现电磁波的传播速度大约等于光速，随即推断光是一种电磁波。其后，赫兹通过实验发现了电磁波，并发现电磁波的传播速度等于光速。他还用实验证实电磁波有反射、折射和偏振等现象。这些实验证据使人们进一步认识到光就是一种电磁波。到19世纪末，光的波动说占据了支配地位，人们彻底相信光是一种波。
然而，故事并没有到此结束。在经历了短暂的遗忘之后，光的微粒说以另外一个面目重新得以复苏。导致光的微粒说复苏的是新的实验。
目录
科学思维的价值：物理学的兴起、科学方法与现代社会
序
第1章 导言/1
第2章 关于两大世界体系的对话/7
2.1 日心说与地心说的争论/9
2.2 地动说与伽利略的相对性思想/14
2.3 伽利略的天文观测及其对两个世界体系的决定性判决/16
2.4 实验和观测对于认识的价值/20
第3章 伽利略的匀加速运动与科学方法/25
3.1 伽利略面对的困难/28
3.2 伽利略的创造、推理和斜坡实验/33
3.3 伽利略的研究方法及其对于理性思维的价值/43
第4章 物理学作为实验科学的诞生/51
4.1 开普勒的天文研究/54
4.2 牛顿的《原理》/57
4.3 实验与科学方法/60
第5章 科学方法的威力和魅力/71
5.1 牛顿的光学实验与光的微粒说/73
5.2 光的波动说与干涉实验/75
5.3 光量子假说与光电效应/78
5.4 热功实验与热质说/83
5.5 布朗运动与原子分子假说/85
5.6 真空是否存在/89
第6章 科学方法与现象学/95
6.1 不利于科学的思维倾向：目的论世界观、形而上学和数学神秘主义/97
6.2 牛顿的质量和重力的本质/112
6.3 自然哲学的新哲学：现象学/120
第7章 科学革命的变奏/139
7.1 科学革命与古代智慧：理智主义和经验主义/141
7.2 思想驱动的科学变革与工具驱动的科学变革/146
7.3 实验科学的戏剧/154
第8章 科学与技术/159
8.1 科学对技术的推动/161
8.2 技术对科学的推动/164
8.3 科学与技术的联盟/170
8.4 实验室技术与应用技术/176
8.5 科学与技术的协调发展/179
第9章 科技与现代社会/183
9.1 变革的科技与科技的变革/187
9.2 科技对人类的挑战/194
9.3 科技给予人类的机遇/199
第10章 科技与艺术/203
第11章 结语：物理学对于人生的意义/219
参考文献/227
附录 物理学思维的艺术/229
A.1 伽利略的直觉和推理/232
A.2 惠更斯的复摆与做功概念/242
A.3 从虚位移到作用量原理/247
A.4 对真实世界的抽象化、具体化、简化和模型化/255
A.5 物理中的类比思维/261
A.6 特殊的推理：从错误的假设到正确的结论/265
A.7 什么是研究“现象与现象的关联”/270
索引/279
后记/285