唯象研究方式在经典力学中的应用①

莫润阳 王成会

(陕西师范大学物理学院 陕西 西安 710062)

物理学发展通常是分为三个阶段：实验规律-唯象论-基础理论．每个阶段侧重的方法有所不同．物理学研究方法主要有实验观察、统计方法、理想模型方法、类比方法、假说方法和数学方法等6种，这些方法应用在物理学发展的不同阶段、不同层次、不同尺度的研究中．不同尺度的物理现象是复杂而多样的，需要从某个层次上的实验现象出发，在不同层次上建立专门研究某一类物理现象的理论体系，这部分理论体系通常被称作唯象论．

1 关于唯象的理解

关于唯象一词，原来产生于英语词汇——现象学(Phenomenology)，在牛津哲学词典中的解释是：人们经过自身意向的考虑，对于经验和意识抽象化了的描述．

中国古典哲学中，“唯”指第一性，“象”则是一种超越于具体物质形态之上的对事物的内涵、相互联系、特别是运动变化有充分理解之后所产生的对事物的一种综合把握．其中既有客观的成份，又有主观的成份，是一种主观融化客观后形成的综合的感受．比如中国古代诗词书画强调意象，所以有“只可意会，不可言传”一说．唯象学侧重于直觉感悟，整体和动态把握．

“象”是中国古代哲学的重要范畴，唯象理论是说以“象”为第一性，借助于现象或者直接从现象中来的理论．比如中医、气功、武术等可以说是一种唯象理论，它已经被几千年的生活实践所证明，但是却无法从物理、化学等现代科学角度进行解释．

钱学森是唯象理论的倡导者，他所谓的唯象理论[1]有点类似于波兰尼的缄默知识，即指根据经验总结又被实践证明有效的一些理论和知识，无法用言语或文字表达出来，波兰尼认为这种知识无法通过现代学校教育的方式有效获得，而必须采用学徒制的方式．比如在工厂中一位老师傅干活，会干得很好，他的徒弟就不行．徒弟问师傅：“你能干好，究竟是怎么干好的?”老师傅常常会说，“你就跟着干，到时候就会了．”这种没法子用语言说明的东西实在是太多了，所以钱学森认为唯象理论就是知其然不知其所以然．

2 唯象方法

人们从生产和科学实验中获取直接经验，经思想加工而得到对世界的认识，在物理学界被称为“唯象方法”(Phenomenological Method)，是经典物理学运用的主要方法．其特点是解释物理现象时，不去追究微观原因，而是由经验总结和概括实验事实得到自然界的基本规律作出演绎的推论.从系统科学的观点看，唯象方法是一种对简单巨系统最常用的建模方法．它根据系统的宏观性质，不考虑系统的内部机制，直接利用系统宏观层次上功能的特点建立演化方程．从方法论的角度看，唯象方法是通过客体宏观现象的实验观察，分析与归纳找出规律，通过思维的创造，运用抽象与概括建立宏观的物理模型，利用数学工具构成符合演绎逻辑的理论体系．可见，唯象方法的思维方式是归纳和演绎．

3 唯象理论在经典力学研究中的应用

3.1 唯象理论在物理学研究中的层次

从现象出发，通过对事实的观察，把现象捋出条理来成为一个更概括性的经验的学问，就是唯象理论(Phenomenological Theory)．杨振宁把物理学分为实验物理、唯象理论和理论架构三个领域．图1(a)所表示的物理学的三个领域及其中的关系[2]：唯象理论是介乎实验和理论架构之间的研究．实验和唯象理论合起来是实验物理，唯象理论和理论架构合起来是理论物理，而理论物理的语言是数学．物理学自实验到唯象理论到理论架构是自表面向深层的发展，常自实验开始，即从研究现象开始，追求以极度浓缩的数学语言写出物理世界的基本结构．

图1 经典力学与物理学三领域的对应关系

3.2 唯象理论在经典力学研究中的作用

以牛顿经典力学研究为例，见图1(b)．伽利略通过对自由落体的研究，已经发现了惯性运动和重力作用下的匀加速运动，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想．伽利略关于抛体运动定律的发现，对牛顿万有引力的学说也有深刻的启示作用．布拉赫(T.Brahe,1546～1601年)是实验天文物理学家，他做了关于行星轨道的精密观测．伽利略和布拉赫的活动领域是实验．后来开普勒(J.Kepler，1571～1630年)仔细分析布拉赫的数据，发现了有名的开普勒三大定律，这是唯象理论；最后牛顿以开普勒的三大定律为基础创建了牛顿力学与万有引力理论，这是牛顿经典力学的理论架构．牛顿利用变分法的数学方法和“最小作用量原理”的物理学基础建立起了和牛顿力学方程等价的欧拉-拉格朗日方程，并最终于1834年由英国的哈密顿提出了哈密顿原理和正则方程，建立了分析力学理论，给出了解决力学问题的统一观点和方法，实现了牛顿后力学理论的一个最大的飞跃．

3.3 相邻相互过程中的思维方式

实验到唯象理论、唯象理论到理论架构、理论架构到数学思维方式不同，相互关系并非严格逐渐递进，尤其是数学在其中的作用更是独特，图2是物理学领域各层次的研究思维及得到理论架构的不同途径．狄拉克方程、海森伯方程是理论架构中之尖端贡献，但此二方程得出途径截然不同，海森伯的灵感来自他对实验结果与唯象理论的认识，在摸索中得到了方程式；狄拉克天才地写出他的方程是基于他对数学的直觉欣赏．

图2 物理学各层次间的思维方式

经典力学的精华就是牛顿的运动方程和万有引力定律，这一理论架构提炼了实验工作与唯象理论的精髓，是科学研究的最高境界．若再以极度浓缩的数学语言写出物理世界的基本结构，那就是造物者的诗篇．

经典力学把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿把天上运动和地上运动统一起来，实现了天上力学和地上力学的综合，从力学上证明了自然界的统一性，这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合，它开辟了一个新时代．牛顿研究经典力学的科学方法论和认识论，如运用分析和综合相结合的方法与公理化方法及科学的简单性原则、寻求因果关系中相似性统一性原则、以实验为基础发现物体的普遍性原则和正确对待归纳结论的原则，对后世科学的发展也影响深远．尤其是在物理模型的构建中，可以先根据由大量的物理实验和实际观测所得到的经验数据归纳出相应的物理定理、定律，进而再从这些归纳出的物理定理、定律出发演绎出新的物理原理，构建出新的物理模型．如经典力学中的牛顿三大定律，皆是在大量的观测与实验的基础上通过归纳建立起来的经典力学中的基础物理模型，从三大定律出发演绎出了一系列力学定理、定律(如动量定理、动能定理、动量守恒定理、角动量守恒定理、转动定理等)，即力学体系中的一系列物理模型，从而建立起了经典力学体系．

3.4 唯象方法的科学性

唯象理论是前科学．前科学概念指学习者在接受正式的科学教育之前，在现实生活中通过长期的经验积累与辨别式学习而获得的一些感性印象，积累的一些缺乏概括性和科学性的经验，是一些与科学知识相悖或不尽一致的观念和规则．前科学概念是学习者、研究者的精神财富，最终会把学习者引导到当前的科学概念上去．

4 结束语

唯象方法是经典物理学研究的主要方法，是人类认识自然、认识世界的重要途径．当面对错综复杂系统中的众多问题而不得其法时，唯象方法为我们开启了一扇大门，它将引导研究者走进科学．

参考文献

1 钱学森. 建立唯象气功学.中国气功学，1992(2)

2 杨振宁. 美与物理学. 物理，2002，31(4)：193～199

3 王泽农. 物理学中的唯象方法与唯象理论的认识论意义.现代物理知识，2008，20(3)：52～54

4 李高峰, 刘恩山.“前科学概念”的研究进展. 内蒙古师范大学学报(哲学社会科学版)，2007,36(4)：62～67

5 于林成. 经典物理学的研究方法.吉林师范学院学报，1996，17(2)：39～42