[2046]物理研究中的方法论
物理学的认识首先来自于人类的实践活动，对自然现象的观察与思考，随着这些观察记录描述的积累，人类不满足于现象的描述，而是想方设法的去寻找这些现象之间的内在必然联系，从理论上去解释这些现象，这就是物理学开始阶段，但随着物理的发展，就出现了不同理论可以解释同一类现象的情况，于是就必须对这些理论进行选择，由此出现了简单性原理和无矛盾性，对这些解释进行分析和甄别。不仅如此，由于物理学理论的终极目标：对物理世界提供统一的解释，这个要求使物理研究上必须作到：物理图景的统一，物理知识的数学化。这是对物理知识的整体的要求，具体到某类具体问题，就有对称性和守恒性的要求，不仅如此，由于物理学科的范围极广，从几十亿光年到几飞米（10的15次方）的空间跨度，从几十上百米的速度到光速的30万公里/秒，不同的范围有不同的研究方法和理论，这就要求物理理论在不同的理论间光滑的过度，用计算机的语言就是兼容性，在物理上称为对应性原理。对于物理学，还必须遵循可观察性和互补性的要求，前者使物理理论的检验标准具体化，后者则是表明了人类的观察也是物理实在不可分割的一部分，这两者既统一又矛盾：既然要求能够观察，就必然导致对物理实在的干扰。物理学最重要的方法论是基元性原理说白了就是物质的终极组织结构原理，但这个原理脱胎于物理学，但是其影响远远超出物理学的范围，渗透到各个自然科学学科。实际上这些方法论原理并不是孤立的，而是有机地联系在一起，下面具体的对之加以说明：
一、解释原理
⑴从广义上说解释就是做以下两件事：怎样解释一个自然现象？这样的解释是否合乎科学的要求？
⑵从狭义来说就是物理的解释，具体的是指这样一个过程：把被解释的事实纳入到一定的理论体系中，从物理直观、数学形式和认识论的角度等方面说明的合理性。它所回答的是：新的事实与已有的理论是否统一和谐？这种和谐是否合乎逻辑？是否存在反例？当不能相容时就必须更改目前的理论以使事实与理论想容。
由此可见解释可以说是贯穿于物理研究的基本任务，不论是古代物理学发展的初级阶段还是现（近）代物理的发展，都离不开这个基本任务，这个任务不但是指使得理论所表达的物质运动的规律与实验事实相一致，而且还包括对这种一致性的合理性，这种合理性的具体表现在以下的叙述中还将加以论述。
物理的解释包括直观解释和数学解释，但实际上对这两种解释很难作出严格的划分：因为离开数学的描述只做直观的语言描述，由于语言的多样性和歧义，往往不能精确地解释物理事实。打个比方，十个人看三国演义，就有十种不同的描述，这跟看书的人的语言理解能力、个人经历及读书的兴趣等有关。对于文学作品，这不算什么，但是对于物理学，这通常是引起争论的主要原因，从古到今，这样的例子比比皆是。因此物理学的发展实际上也就是数学发展的历史，两者密切不可分割：从牛顿发明微积分导致经典力学大厦的建立，到相对论中的非欧几何等的运用，在物理发展的背后无不闪现着数学的身影，正是有了数学工具，才使得物理学的理论清晰地展现于世人面前。
数学的解释包括：数学公式体系，和把数学形式体系同具体的物理事实联系起来的法则。一般具体的说有三类：几何描述（如相对论）、动力学描述（如牛顿力学、电磁力学）、统计学描述（如统计力学、量子力学）。还有，就是理论的公理化方法使得理论架构清晰明了，而群论使得理论按照一定的规律加以推广以便研究更多的未知领域。
二、简单性原理和无矛盾性原理
物理学研究的基本要求：
1、正确性，这是必然的，没有谁能够想象一个错误的理论有存在价值。
2、高效性和3、经济性，以最少的理论说明最多的事实
具体的表现在以下几个方面：
1、分析的简单性
也就是科学的抽象，将要研究的要素和对象从无限复杂的客观世界中分割出来，也就是抓住主要矛盾。这一点说起来简单，实际上却很难做得很完善，这与人类对规律的掌握程度有着很大的关系，经常会遇到这样的情况：把真正要考虑的给忽略了，或者是将许多不相关的都考虑进来。
2、综合的简单性
对于已有的理论，寻找更简单的理论，或者扩大其应用范围，应用新的理论对之进行改造而不是轻易地全盘否定，这就必须应用后面将会提到的对应原理以使得旧有理论在一定范围内同样成立。
3、理论的简单性
即威廉•奥卡姆的剃刀原理：不把本质增加到超过需要。换言之，理论中的公理公设等越少越好，这与逻辑上的自洽有关，因为公理越多就越难保证其相互之间没有矛盾，详细的内容参见集合论里面的阐述。
4、启示的简单性
就是用最简单的办法获得正确的理论，但这种办法并不是一定能够成功：正确的理论往往是简单的，但是简单的并不是一定是正确的，也就是说，在许多个简单的理论中只有一个是正确的。这个原理只是必要条件而不是充分条件。
物理理论上的无矛盾性原理表现在以下方面：
1、自洽性：公理体系中公理、定律、公式相互间不得存在自相矛盾，不得相互否定，这既包括纵向的和横向的无矛盾性：横向的无矛盾性：指的是公理之间，定律之间、公式之间；纵向的无矛盾性：简单地说就是从一套公理推导出来的结果不能否定这套公理系统。
2、唯一性：由同一套公理体系推导出来的结果是唯一的，比如在经典力学中，一个给定的参照系，给定物体的运动状态是唯一的，不可能出现既是匀速直线运动又是匀加速运动的情况。
3、定义的明确性：不能够出现循环定义的情形，循环定义实际上等于什么都没有说。
实际上这两个原理是矛盾统一的，由此保证物理学在理论上完美。理论的简单性的增加不能作简单的理解，应当理解成为所包含的信息量的增大，包括理论的和实践的：理论所对应的变换群的增加，所概括的知识层次的增加，所面对的实验事实、观察事实的增加。这似乎和简单原理的要求有矛盾，但从发展的角度看，这是必然的：理论的发展必须包括比以前更多更深更广的内容，而简单性原理和无矛盾性的要求则是对这种理论正确发展本身的基本保证，而且将由下面提到的对应原理保证理论的发展是渐进式而不是全盘否定。
三、统一原理
物理学的发展贯穿着一个目标：就是理论的统一，使之以简单性的要求的最少的理论以解释最多的现实。作为对客观世界运动及其规律描述的理论，物理学的任务就是面对现实世界的多样性，作出统一的解释。对于不断扩大的视野和扩充的知识内容，物理学统一的范围不断扩大，从机械论到目前的量子-相对论的统一场理论，物理学的要求越来越高。
四、守恒原理
分为三个概念：
守横观念：指的是思辩的和哲学上的守恒思想；
守恒定律：指定量的、直接可观察的物理量的守恒关系；
守恒定律：介于前两者间的在理论体系上提出的定量要求的原则。
它们应用于以下的领域：物质的守恒（如质量、电荷、重子数、轻子数等的守恒定律），运动中的守恒（如惯性定律、动量守恒定律、能量守恒定律等），物质-运动的守恒定律（著名的质能关系）。
这类问题最初就是物质的创造和如何创造？即物质的起源问题，随着知识的积累，出现的就是物质不灭的观念，由此提出的新问题就是世界的构成问题：由什么构成？怎样构成？和现实世界的关系如何？
五、对称原理
实际上这是上面的对称性原理的更深刻的阐述，得到更广泛的意义。
其具体的表现就是数学中的群论，这实际上通过描述物理结构中各种不变性，把物理中的守恒律，对称性等统一起来，使之能够既能够更完整地描述物理理论所研究的事实，而且能够在最大程度上符合简单性和无矛盾性的要求。
六、数学化原理
“万物皆数”这句话深刻地揭示出物理与数学的关系：物理的发展实际上也是数学的发展，不能想象牛顿没有发明微积分而能够建立牛顿力学。同样非欧几何、群论、微分几何、拓扑学等数学工具使得物理学更精确、更好地解释事实，摆脱自然语言的不明确性。
七、对应原理
前面说过，理论的发展是渐进的，新的理论可以预见必然包括旧有的，在一定条件下回归到旧有理论的框架。
八、互补原理
这个原理是量子物理学中的重要概念，它揭示了微观世界的更普遍的运动规律，并且说明了这样一个事实：观察者不可能置身事外地研究这个世界，必然参与其中。
九、可观察性原理
这就是说明了理论与实践的关系。
观察性的要求有以下的倾向：
1、要求理论的一切要素都可以直接观察，完全抛弃一切假说；
2、承认假设性结构，只要求实验检验由假设推出的结果。
前者实际上是偏激的可观察性要求，后者称为温和的可观察性原则。在现代物理的发展的初期，曾经表现为前者，要求排除一切不可观察的量，随着理论的发展渐渐向温和的可观察性要求变化：容许在理论中出现一些不能直接观察，但可以间接推导出来的量。
现在的这个原理应该表述为：理论结构中的每一个物理量原则上都是可以观察的。
这个原理反过来说就是：如果在理论中发现有原则上不可观测的量，那么不仅这种量不应当在理论中存在，而且理论本身也不能按原样存在，必须在新的基础上加以改造，以便在新的形式下不出现这样的量。
十、基元性原理
实际上也是统一性原理要求的具体表现，但这个原理在现代科学的发展已经远远超出物理学的范围，应用于各个学科之中。
它所描述的是物质的基本结构问题，由此带出一系列的边缘学科，带动着整个科学的发展，已经成为自然科学的普遍的方法论原理。
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