【物理·学术】什么是物理方法？
写在前面
当今教育市场中的低龄辅导班层出不暇，其中“奥数辅导”尤为瞩目，不难看出国民教育体系中数学教育的地位。
因此谈到物理方法，人们的理解往往是局限在严谨推理、分析等数理逻辑方法，甚至错把数学逻辑思维当作物理理性思维。
而事实上，物理方法是物理认知世界的方法，不同认知阶段采用的方法不同。我们可以从一个完整认知过程中总结出一些常用的方法，若在物理教学中有意识地培训练习，能有效培养学生的物理认知能力。
与认知流程对应的“不择手段”的物理方法
#物理方法#
1
观察
观察物理世界时常用分类法，它的好处在于简化了对同一类对象的共同性质的认知，让我们有可能从同一类对象中挑选最简单的那一个进行研究，然后将认知推广到同类其它对象
牛顿之所以对“苹果会下落 ，月 亮 却 不 下 落 ” 感 到 惊 奇 ，就 是 因 为 苹 果 和 月亮都是同被地球吸引的同一类对象，性质却看起来完全不同.
2
选择
选研究对象时常用极端简化法和还原论方法。
在对同一类研究对象研究时，为了抓住共同本质，最有效的办法当然是挑最简单的研究对象，往往极端条件下的最简单.
在牛顿的理论中，极端法用到了极致，研究对象直接被简化为一个质点，这其实也是理想模型法.
还原论的方法，将复杂物体拆成简单对象的组合，这种方法在整个西方科学体系中是最广为人知的了，物理研究对象最彻底，从最大的宇宙一直拆到最小的夸克、轻子等基本粒子 。
3
确定
明确研究问题时常用主次法，抓主要矛盾.挑选到简单的研究对象后，其物理性质往往是非常丰富的 ，所以在研究时不得不明确自己的研究问题，即挑选出最想研究的性质 。
这种方法一方面简化了问题的复杂度，另一方面不可避免的会带来近似，因为暂时丢弃了一些次要因素.
观察实验现象时常用极端条件法.明确了研究问题后，就要开始各种折腾研究对象，观察记录实验现象。为了找出和需要研究的问题有关的各种因素，往往需要用极端条件.
极端条件实际上是将某个因素推到极限，压制其它因素，从而凸显该因素对所研究问题的影响.从另一个角度说，极端条件往往也是认知的边界，突破这个边界自然可能有惊喜.极端条件往往也伴随着极端的技术进步.
4
描述
量化描述时常用类比法、转换法.观察实验现象后，接着要做的就是将观察到的物理性质量化描述、定义和观测物理量。这是物理认知走向精确量化、公理化的关键一步.
给出定义时，常用类比的方法，比如位移的概念直接类比人的视觉感受，描述转动的物理量，可以直接类比平动的物理量。
有些物理量无法直接类比，就可以用转换的方法变成可直接测量的。比如温度的概念可以直接类比人的冷暖感受，而温度大小的测量在水银温度计中就不得不转换为水银长度的测量.现代生命科学、医学、心理学里 也都大量使用了量化描述。
5
规律
寻找实验规律时常用控制变量法。如果只有两个物理量当然是简单的，但实际上常常涉及到两个以上变量，这时就常常用控制变量法，即控制一部分独立变量不变，只研究两个变量之间的关系.
控制变量法实际上对应数学分析中的偏微分，需要注意的是由于得到的是偏微分，所以得到的规律往往很多，而且并不能全面反映各个物理量之间的关系，这时就需要用数学分析的方法根据偏微分列出全微分方程，然后得到各物理量之间的系统化关系，这样经验规律的数量也会急剧减少，即认知会简化许多.
6
建模
建立模型时常用理想模型法.人的认知并不满足于只得到一系列经验规律，这对于人的认知来说不够简单、系统。
这时物理学家开始探索这些经验规律背后更简单的原因，即追求公理化认知系统，这种认知系统实际上是从数学认知系统借鉴的.如果能从经验规律中找到基本公理，并能只用数理逻辑系统化推导出所有的经验规律，这将是物理认知系统极大的简化与进步，像是找到了万物的规律。
为建立这个理论，第一步要做的事情是建立模型，常见的如质点、理想气体、点电荷、电流元、理想流体、夸克等等.显然这些模型都是极端理想化的，是同一类研究对象中最能体现共同本质，而又最简单的代表。
或者是采用还原论的想法，人为构造出来的理想对象，显然，理想模型法是对实际对象的一种近似法.比如理想气体假设分子间没有相互作用，只有无规则热运动，这显然是研究热现象的最理想对象，而电流元、夸克是用还原论的方法构造出来的理想模型。
7
公理
建立公理化认知时常用数理逻辑法，简单归纳法，猜想法。
一旦建立了模型，就可以围绕这个模型建立公理化认知体系了。实 际 上 整 套 公 理 化 认 知都是数理逻辑.公理化体系中，公理选择并不是唯一的，如何选是非常重要的，不同的公理选择会导致整个体系看起来截然不同。
选择的一个常用标准是要使得整套公理化体系尽量简化优美。公理可以从已有的经验规律中简单归纳，比如热力学第一定律可以看成是经验规律的总结，这种简单归纳显然不是数学中的完全归纳法，只是简单推广。
当然公理也可以用相对严格的数学方法分析得出，比如牛顿是根据开普勒第三定律反推出了引力平方反比律。
但简单来说，公理都只是一个猜想，猜想法其实往往是基于研究者以往的经验积累和现有研究对象之间的关联产生的 ， 公理正确与否是和实验检验相关联的，如果是错的，一定会被证伪，所以猜想法只是一种有效思维方式，但并不是严格正确的数学逻辑。
有趣的是，这种不怎么严格的简单归纳法、猜想法给我们带来很多认知上的突破，数学中也有很多类似的案例，比如著名的哥德巴赫猜想、庞加莱猜想等.
8
证伪
实验证伪时常用特例法。模型和公理化体系 立后，原则上该研究对象的某一类性质都可以由公理化体系完备自洽描述，这样一来就可以对研究对象的行为进行预言了。
这些预言往往是针对一些极端的特例，比如广义相对论预言的日食时星光的偏转，统计物理预言的低温时的玻色爱因斯坦凝聚现象等等。
尽管只是特例，但只要实验与理论不符合，就可以直接证伪理论，这正是自然科学理论证伪性的原因，因为没有办法穷尽所有可能的验证.显然，特例法证伪是物理认知不得不采用的一种有效认知方法.
9
应用
认知应用常用类比法，推理法。一旦理论被实验检验过，暂时还没错 ，那么就可以应用了 ，其实即使没有明确的理论，只有实验经验规律的情况下，也是可以直接应用的。
而应用时常用的方法就是类比，找到一个差不多的研究对象就套上去试试。
有时类比不是那么直接，那就需要做一点逻辑推理.在做技术应用时，需要做的类比就更多，要将不同研究对象的特性都类比应用到同一个对象上，比如手机的功能就集成了相机、电脑、电话等各种功能，再本质一点，需要类比应用力学、热学、电磁学、光学、量子力学等理论.。
结语
理解了物理的认知方法及其产生的背景，我们明白物理方法的训练一定是结合认知过程展开的，否则会产生许多问题。
而现有高中物理教育基本忽略了认知过程，直接跳到认知应用阶段。不少老师认为为了应付高考，就需要大量做习 题训练来提高答题能力，而做题其实就只是应用思维训练。这显然是非常片面的，不利于学生整体认知方法的训练。
事实上，按照整个认知流程来训练，解题需要的方法和能力都已经包含其中，考试自然会更好。
现在流行的创新教育，其强调的也是 应 用 思 维 教 育 ，比 如 创 新 创 业 ，指 的 都 是 应 用 ，但 实 际上，没有前面的认知教育，创新教育就是无根之树。
需要注意的是，物理的认知方法，有的被反复的使 用 ，具普适性 ，称为常 规 方 法，有些方法只有特定人或研究对象采用，称为非常规方法。
常规方法是可以通过物理教育训练的，非常规 方法需要做物理认知的人自我训练和不断发展新的 有效方法.所以在物理教育中，既要通过大班教学， 小班讨论等方式训练常规物理方法，同时又要给学 生充分自由的环境发展其特有的非常规方法.
理解了物理认知过程中的物理方法，就能明白 物理教育的重要性，一方面物理方法比数学的抽象 逻辑方法更灵活，另一方面物理认知比一般学科的 认知更完整，所以物理教育事实上能训练人的全面 认知能力，也就是常说的科学方法和素养。
希望 有越来越多的教育者和政策制定者能理解这一点， 重新调整物理教育在国民教育中的地位.
（以上内容来自穆良柱老师的《什么是物理方法》）
北京大学物院学生会
2018年4月21日