物理学家的思维特点 物理学作为自然科学的重要基础学科，在近代科学发展史上占有重要地位。特别是在20世纪，物理学作为先导学科，取得了一系列突破性的成果，充分体现了物理学家勇于探索、不畏困难、富有创造性思维和运用正确的科学方法的精神。物理学家在漫长的科研生涯中，形成了自己新颖独特的思维方式。笔者在此就物理学家的主要思维特点作一初步探讨。 1、善于把握主要矛盾 任何复杂的事物总是包含着许多矛盾，但在一定条件下，必有一个是主要的，其它都是次要的。物理学家在研究问题时，善于突出主要矛盾，暂时去掉次要矛盾，而不是一下子抓住一切。主要矛盾搞清楚了，再考虑次要矛盾。这样，一层层逼近，才有可能接近实际。玻尔原子模型抓住了主要矛盾，即电子与原子核之间的静电相互作用，并提出了三个基本假设，使原子结构的量子理论研究取得了突破性进展。当时我们还不知道，因此也没有讨论电子自旋及其与轨道运动的相互作用，即原子的“精细结构”，这是一个较小的矛盾；也没有讨论电子自旋与原子核自旋的耦合，即“超精细结构”问题，这是一个更小的矛盾（超精细相互作用引起的能级分裂比精细结构小三个数量级）。我们知道，一个分子中有很多原子核和电子，它们都在运动，因此情况非常复杂。
但是原子核和电子之间有一个很大的区别，原子核的质量比电子大很多，由于这个质量上的差别，运动就有很大的区别，电子运动很快，原子核运动很慢，而且两种运动之间还有相互作用。玻恩和奥本海默抓住了影响分子性质的主要因素，就是电子和原子核的运动，而忽略了电子和原子核运动之间的相互作用，而且把电子和原子核的运动分开来处理物理学家谈欧洲研究，在讨论电子运动的时候，把原子核看作是不动的，这就是所谓的玻恩—奥本海默近似。其实整个光谱学都是建立在玻恩—奥本海默近似的基础上的。物理学家不仅善于抓住主要矛盾，而且有自己巧妙的把握方法。例如，我国著名物理学家彭焕武有一个著名的公式，即3≌∞，意思是比较两个因素，如果A/B≥3，那么可以把这个3看作无穷大，也就是B可以忽略不计。先关注A，再考虑B进行修正。但在不同的具体条件下，次要矛盾可以转化为主要矛盾。例如，1951年以来，对来自银河系和河外星系的21厘米射电谱线的天文观测证明，中性原子氢是宇宙中最丰富的元素（占3/4）。基态氢原子中，当电子自旋与核（质子）自旋“平行”时，电子自旋与核（质子）自旋磁矩相互作用产生的额外能量会略微提高基态能级；反之，当它们“反平行”时，产生的额外能量会略微降低能级。
这样，原来的能级就分裂成两个，形成所谓的超精细结构。当等效电子在这两个超精细能级（“平行态”和“反平行态”）之间跃迁时，它们将发射出21厘米特征微波辐射。可见，在测量宇宙中氢原子的丰度时，电子自旋与核（质子）自旋的相互作用成为主要矛盾。分子结构的研究本质上是一个多体问题，多体可以用统计平均来处理。但托马斯和费米并没有抓住这个问题的主要矛盾。他们用统计平均法计算电子运动的动能、库仑相互作用能和交换相互作用能，得到的结果对原子还行，对分子却完全不行。如果用这种统计平均法来计算，原子只能是孤立的原子，不能组合成稳定的分子，但实际情况并非如此。这说明托马斯-费米的处理方法——零级近似法，丢掉了主要矛盾，抓住了次要矛盾。 1951年，另一位物理学家斯莱特根据量子力学，把动能和库仑作用能作为主要矛盾处理，用统计平均的方法把交换作用能作为次要矛盾处理，结果非常成功。物理学家往往先对所研究的问题进行定性分析，不用做任何计算就能得到问题所包含的各个量之间的大致关系，显示出现象的物理场景，并生成一个能得到预期结果的方案。定性分析的主要目的是在分析问题时尽可能地简化问题，抛弃那些不相关、非本质的东西。
量纲分析是一种重要的定性分析方法，经常用来把握研究对象的本质，而且往往非常准确，一针见血。早在18世纪末，拉普拉斯就利用这种方法把握了质量m、光速c、引力常数G，并给出了广义相对论预言的黑洞大小尺度的近似值：R～Gm/c2。量纲分析是一个怎样分类（用什么尺子）的问题，而量纲分析是一个怎样比较（用多大的尺子）的问题。林家樵先生曾以抛射物运动的例子精辟地解释了这一原理。分析抛射物运动，抛射物的初速度影响抛射物运动，引力使抛射物返回地面。抛射物落地的距离与地球大小有关。这样，在忽略空气阻力、地球自转等次要因素后，影响抛射体运动的主要因素可能为：地球半径R、物体质量m、重力加速度g、抛射体初速度V。由于物体的运动是在时间和空间中进行的，因此我们可以把握时间和空间（长度）两个维度。从量纲分析的角度看，这四个量可以形成以时间为维度的三种组合，即R/V、V/g（公式中没有m，说明真正控制抛射体运动的参数只有R、V、g）。以时间为维度的三种组合，与以空间为维度的三种组合相对应，即R、V、g。这样，就可以用三种不同的时间尺度和三种不同的空间尺度来衡量抛射体的运动。具体要用哪一套尺度物理学家谈欧洲研究，需要进行量纲分析。对于地面上的抛射体运动，抛射体的高度相当于，所以只有第三组尺子是合适的，前两组尺子都不是合适的尺子，用它们来观察现象，会得出错误的近似结论；如果我们站在地球外看问题，用第二组尺子观察现象，就相当于取特征速度R/，也就是说，这个特征速度就是第一宇宙速度。
2、敢于大胆假设。物理学家对事物的认识总是从初步的、探索性的猜测开始，逐步提高到对事物本质的认识。在这个过程中，科学假设在物理理论的形成和发展中起着非常重要的作用。科学假设是在已有的知识和事实基础上，对事物的本质和规律作出的推测性描述（或解释）。“科学发现近乎讲故事、编造神话”，这是一种大胆的猜测。著名科学哲学家波普尔认为，任何科学理论本质上都是一种猜测，是在有限的事实材料的基础上大胆地跳到一定的结论，思辨性地回答问题，然后接受经验的检验。杨振宁教授也认为，一切物理学和数学最前沿的研究工作，很大一部分都要投入到猜测中去。“大胆假设，小心求证”是物理学家重要的研究方法。哥白尼时代的观测工具，根本无法提供任何具有决定意义的新材料。日心说的提出只能是超越直觉经验的大胆猜测。从现代的观点来看，安培的分子电流假说并不完全正确，但在当时提出这样的假说是非常大胆和创新的。安培把一切电磁效应简化为电流之间的相互作用，开创了电动力学的新时代。法拉第的假说能力令人惊叹，他提出的科学假说大胆、迅速、数量众多，这也是他成功的原因之一。例如，他提出了“光可能是电磁振荡的传播”、“强磁场可能改变光源的波长”、“引力和电有关系”等一系列假说。
位移电流的引入是麦克斯韦理论思维的一个大胆创举，是他建立电磁理论的关键一步。但由于位移电流假设十分抽象，连威廉·汤姆逊都看不懂，说它是“一个奇异、精辟但并不完全站得住脚的假设”。麦克斯韦在以超距作用和机制为主导的欧洲提出“位移电流”这一史无前例的新概念和假设，确实十分大胆。1925年，两位不到25岁的荷兰学生乌伦贝克和古德斯米特根据一系列实验事实提出了一个大胆的假设：电子不是点电荷，除了轨道角动量外，还有自旋运动，具有固有自旋角动量s。提出任何一个电子都有相同的自旋角动量，它们在z方向的分量只取两个值，这是经典物理学所不能接受的。正是因为这些概念上的困难，乌伦贝克-古德斯密特假说一开始就遭到了很多人（包括当时已经名声大噪的泡利）的反对，以至于乌伦贝克和古德斯密特都想撤回自己写过的文章。后来的事实证明，电子自旋这个概念是微观物理学中最重要的概念。在发现黑体辐射现象无法用经典物理理论解释后，普朗克在1900年提出了能量量子化假说，为20世纪物理学提出了一个全新的概念。他的假说与经典物理学的理论完全相反（长期以来，科学家和哲学家们认为一切自然过程都是连续的，并以此作为科学研究的基本理论思想，正如莱布尼茨所说的——“自然界中不存在跳跃”。
狄拉克的大胆之举，让他认为自己的假设要么是荒谬的，要么就是自牛顿以来物理学上最伟大的发现之一。他称自己的所作所为是“绝望的行动”。从普朗克的能量量子化假设→爱因斯坦的光量子假设→玻尔的原子结构模型假设→德布罗意的物质波假设，假设在量子力学理论的形成和发展中起着非常重要的作用。假设是否正确，必须通过进一步的实验来验证。验证假设的实验往往是物理学发展史上非常重要和关键的实验，如电子衍射实验验证了电子的波动性，康普顿散射实验验证了光的粒子性。狄拉克提出了两个至今仍有巨大影响的重大假设，即磁单极子假设和大数假设。至今，物理学家们从未停止寻找单极子和验证大数定律。 3. 将思维形象化 虽然数学物理很抽象，但在进行物理研究时，还是需要运用形象化思维。形象思维是直观的，这种直观印象有时能洞察事物的本质，诱导物理学家进行更深入的探索。亚里士多德正是从月食时月球上的弧线认识到地球是球形的。伽利略用形象生动地反映了他的思想，从而在科学上取得了革命性的突破，而他的同时代人仍然采用传统的数学方法和文字方法。例如，伽利略用形象的方法证明了一个物体从静止状态开始匀速加速通过任意距离所需的时间等于该物体以其最大速度和刚开始加速前的速度的平均值匀速通过该距离所需的时间，见图1。
法拉第有着丰富而深刻的物理思想。他从大量的实验研究中，构思出了描绘电磁作用的“力线”形象。通过力线形象，法拉第使许多电磁现象的定性解释变得非常简单、直观和生动。法拉第的力线思想是场概念的前身，许多物理学家都给予了很高的评价。汤姆逊（开尔文）称赞道：“在法拉第的众多贡献中，最伟大的贡献就是力线概念。”据说麦克斯韦养成了在头脑中形成每个问题的形象的习惯。爱因斯坦认为文字和数学在他的思维过程中的作用并不重要，他的思维非常直观，他以直观和空间的方式思考，而不是沿着纯数学或文本推理的思路思考。他想象力丰富，是思想实验的大师。他的两个实验“思维列车”和“思维电梯”创造了载入史册的狭义相对论和广义相对论。狄拉克凭借高超的想象力，勾勒出一幅新的真空图景——真空并非虚无，而是充满负能态的电子海洋。这一图景否定了原子论关于真空虚无的论断，是对旧以太理论的否定。费曼是一位可视化大师，他的费曼图用视觉语言将复杂的亚原子事件描述为简单事件，如下图2所示。量子电动力学是一种高精度的物理理论，可以精确处理电子与光子之间几乎所有的过程。根据这一理论，所有过程都可以用一种称为费曼图的图形来表示。
费曼图是由线段和顶点组成的，线段代表粒子，顶点代表作用。利用费曼图对相互作用进行理论计算十分方便。 图1 图24. 寻求联系与统一 物理学家善于把不同的物体放在一起比较，力图在常人看来毫无关联甚至毫不相干的事物之间寻找联系，从而看到别人看不到的东西。牛顿把树上的苹果和天上的月亮联系起来，他想，如果苹果树长得和月亮一样高，上面的苹果是否也会掉到地上？富兰克林把“天电”和“地电”联系起来，卢瑟福把原子内部和太阳系联系起来，物理学家邓小平把调Q大功率激光器和稍微漏水的抽水马桶联系起来。 除氢外，其他原子核都有两个或两个以上的质子，它们的距离都很近。按照库仑定律，它们之间的排斥力应该会导致原子核自行爆炸。但事实上，几乎所有的原子核都是牢不可破的。这种矛盾的现象让当时所有的物理学家都感到困惑。为什么两个互相排斥的东西能粘得如此紧密，难以分开？著名物理学家汤川秀树将这一现象与两只公狗争夺一块肉骨头的情形联系起来。他把两个质子比作两只公狗，把肉骨头比作介子。在看似完全不同的事物之间寻找内在联系，一直是自然科学家着迷的课题。
追求物理学与生俱来的“联系”与“统一”，是物理学家们的共同信仰。物理学发展史可以说是一部不断追求“联系”与“统一”的历史。牛顿统一了地面与天空物体的运动，能量守恒定律统一了各种运动形式，安培提出的分子电流假说统一了电流的磁性与物质的自然磁性，麦克斯韦统一了光与电磁现象，爱因斯坦统一了光的粒子性与波动性，德布罗意统一了光子与一切（非零静止质量）微观粒子，相对论把能量E与动量p联系在一起，质能方程把E、m、c联系在一起。玻尔巧妙地把当时人们极度怀疑的卢瑟福模型、普朗克—爱因斯坦量子化以及看似毫不相关的光谱实验结合在一起，在他的原子模型中实现了和谐的统一。法拉第坚信自然是统一而和谐的贝语网校，物质世界的一切现象都以这样或那样的方式相互联系，自然力是统一的、不可毁灭的、可以相互转换的。正是在这一思想的指导下，他发现了电磁感应现象、磁光效应和电解定律。自然力统一的思想也使法拉第把磁、电和引力联系在一起。一个世纪后，爱因斯坦的统一场论继承了法拉第的伟大思想，成为现代物理学的重要探索方向。如今，“大统一理论”已成为当代物理学研究的前沿。
5.多角度考虑问题 物理学家在研究一个问题时，习惯于从多个角度考虑问题，寻找尽可能多的解决方案，既考虑最大可能性，也考虑最小可能性。爱因斯坦说过，如果让一个普通人在大海捞针，他找到一根针后就会停下来；他会把整个草堆翻过来，找出所有可能散落在草堆里的针。 达芬奇认为，要获得有关问题构成的知识，首先必须学会从不同角度重构问题。他觉得自己看问题的第一个角度太偏向自己通常看问题的方式，所以他会不断地从一个角度转到另一个角度，重构问题。 费马表明，可以用另一种完全不同的思维方式推导出折射定律。他假设不同的介质对光的传播表现出不同的影响。