物理过程理想模型与科研探讨，本文主要内容关键词为：模型论文,科研论文,物理论文,理想论文,过程论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
摘要 本文阐述了一种科学研究的方法：模型化方法。人们常重视的仅是对象模型，笔者讨论的却是过程模型。研究了过程理想模型的定义，并用哲学观点说明该模型建立的认识过程以及在我国原子分子碰撞理论研究中运用过程模型成功的典例。
关键词 理想模型，科研方法，原子分子碰撞
抽象化、模型化是一种科学研究的方法，在科学研究中起着重要的作用，因而在培养高素质的人才时也就十分重要。正如法国大生理学家内尔纳所说：“良好的方法能使我们更好地发挥运用天赋的才能；而拙劣的方法则可能阻拦才能的发挥。”当然科研方法涉及内容很广；本文拟论述模型化方法中涉及较少的过程模型。由于在实际科研过程中，物理过程的理想模型十分有用，故本文就此发表一孔之见。
1 什么是物理过程理想模型
在科研中无论仪器如何精密，它只是科学劳动的硬件，而科学劳动的最重要的软件是人的劳动，始终要由人的大脑完成。因为科学研究是一种高度复杂而又难以捉摸的活动，这里几乎无处不依赖着科学工作者，依赖着他们的头脑，依赖着科学研究的训练。正如美国细菌学和病理学家史密斯说：“归根结底，科学研究是对现今思想和行动所依据的学说及原理不断检验的一种思维活动。”物理学的研究也是如此而不例外。
我们研究的一个实际物理过程常常是很复杂的，我们面对这些复杂情况要作出精确的观察是极端困难的，甚至观察者往往还要不自觉地产生谬误。因而只能做到注意某个必须专注的事物，以及将它和某些已知的事物联系起来，并赋予其意义。也就是我们平常说的，要观察到一切是不可能的！因此观察者必须把大部分注意力集中在选定的范围内，但同时应留意其它现象，尤其是特殊的现象。
在实际物理过程中，有时可能是由诸多因素所制约的一个过程；有时可能是一个可化分为若干相互交错的子过程。甚至大量的实际过程往往是上述两种情况兼而有之，由多因素约束和多个子过程组成的繁杂过程。无论上述的哪种情况，我们都能对它的复杂性加以分析，去注意那些特殊的、本质的、起主要作用的因素，抓住起决定作用的主要矛盾和矛盾的主要方面，忽略次要因素。并把复杂过程分解成相互联系的若干分过程，而这些分过程往往是较为简单的，为我们已认识的物理过程。正如英国动物病理学教授贝弗里奇所说：“为了考察并更好地理解一个复杂的过程，有时把这个过程分解成若干组成部分，然后分别加以考虑，这种方法常常很有帮助。”
综上所述，无论是有诸多因素作用的过程，还是多么复杂的实际过程，我们都可以通过大脑的加工整理，留意那些特殊的、本质的、内禀的因素，即在这诸多因素中抓住本质的，起决定作用的主因素，略去次要因素，于是将实际过程简化为一个或几个主要的、本质的主因素起作用的简单过程。这些简单过程是反映实际过程中最本质、最核心的，但它只是实际过程的近似，而比实际过程精炼、高级与本质。我们就将这些通过大脑加工而提炼出的高级、本质、近似的过程称为该实际物理过程的理想模型，并建立该物理过程理想模型的数学模型，用定量手段作科学的研究，随着计算机的广泛应用，还可以对建立起的过程理想模型设计出它的计算机模拟模型，以得到更快速的研究成果。
下面以大学物理中的一例来说明实际过程如何抽象化为物理过程理想模型。沿同一竖直线下落和上升的A、B两球以给定的速度在空中相碰。求碰后两球的运动规律。显然两球除受相互作用力外，还受重力和阻力作用。因此实际上在相碰的时候Δt内两球组成的系统质心是在改变位置。但是，由于Δt很小，两球所受的重力和阻力较之相碰时的相互作用力较小，故质心的位置变化也是很小的。这样，过程中的阻力、重力、质心的位置改变都成为次要因素，把这些次要因素都略而不计，看成两球相碰过程中系统不受外力作用，相碰之瞬间，系统质心位置不变，这样就构成一个实际相碰过程的理想模型——碰撞过程模型，这是基础物理中常见的。实际上，物理学讨论的许多问题，都会采用物理过程理想模型，如：自由落体过程、平抛过程、斜抛过程、各种类型的碰撞过程，简谐振动、准静态过程、等压过程、等温过程、等容过程、绝热过程等等。所以，我们研究物理过程的理想模型化方法是很有意义的。
2 建立物理过程理想模型是一种科学抽象，是科学研究的重要方法
在繁杂的事物之中，要找寻出大自然的内在规律，首先必须要能抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，然后去粗取精、去伪存真、由表及里地求得实质结果，这就是对科学的追求，对大自然的探索。
同样，物理学的发展也是如此。物理学工作者根据复杂的现象或物理实验，进行科学的抽象提出模型。这包括着对象模型：质点、刚体、弹性体、理想流体、点电荷黑体（谐振子）等。但仅有对象模型还不能达到寻求出规律的目的，要解决问题还得进行第二步骤，那就是要找出突出该研究对象实际运动过程的实质与内涵。必须找出过程中的诸多因素，分析出主因素，忽略掉次要因素，这叫做对实际过程的科学抽象，也就是该文第一部分所阐述的，称为建立物理过程理想模型。
当然，要建立过程理想模型，正像列宁在《哲学笔记》中所谈的，必须要经历“从生动的直观到抽象的思维，并以抽象的思维到实践……”，这样在我们对一个复杂的实际过程建立起过程理想模型时要分为感性认识到理性认识两个阶段。首先要通过对实际过程进行初步的加工和整理，在此基础上加以分析、综合、概括，进行科学抽象，最后提炼出源于实际而高于实际的“过程理想模型”。
建立对象模型与过程模型两者也具有共同点，即必须理想化、科学抽象化；都必须突出主要因素而忽略次要的因素；都必须要经历从感性到理性的认识阶段。不过，对象模型是实实在在的物质对象作目标，而过程模型一般是指物质对象进行发展变化的一种突出本质的规范化过程，也可以说过程理想模型一般建立在对象模型的基础上，它是研究对象模型的运动变化。二者是探求科学规律必不可少的。例如，当一枚炮弹从炮膛射出后在空气中的运动，是复杂运动。我们抓住受重力，忽略阻力不计，突出炮弹的质心运动轨迹，将质点作为研究对象，将过程理想化、抽象化为抛射体过程模型，则它的运动规律就迎刃而解了。
从哲学角度来看，建立模型是一种从感性到理性的科学抽象，是科学研究方法之一，是科学抽象的一种认识法。人们可以对全过程进行抽象；也可以对认识的各个环节或事物的某一部分、某一点进行抽象。前者是从全过程中透过表面现象，深入到事物内部抽出本质的一种思维方式。如人们通过对光的各种现象的感性认识，而抽象出光的本质认识，这种本质是事物的全面本质。如光的微粒说、波动说、电磁波、光量子、光的波粒二象性说。另一种抽象是对整体中的部分、某环节的抽象，只将那些个别部分以感性认识提高到理性认识，而不提出全面的实质抽象，是一种个别或部分的抽象，这种抽象方法在物理学及自然科学的各门学科中应用更为普遍。因为人们最初能认识的只是事物的部分与环节，这比一开始就想把握事物的全面本质更容易，更简单，更实用。
按上述的探讨，文中所讨论的过程理想模型的科学抽象方法属于对事物个别的、部分的抽象实质的认识方法。这种方法的培养有利于从部分到整体，从简单到复杂而取得科学研究的成功。
3 原子分子碰撞理论研究中的物理过程理想模型的建立
我国原子和分子碰撞理论研究学者正是利用上述的理想过程模型化的科研方法取得了成果。我们知道原子和分子碰撞实验及理论研究是原子分子物理十分重要的研究方向之一，该研究成果已被广泛应用到天体物理，大气物理，等离子体物理，辐射物理，气体放电物理，微观反应动力学，气体激光器的设计，重离子加速器的设计，激光同位素分离技术及受控核聚变等方面。可以说，历史上科学家是从1897年发现电子以后就开始观察电场作用下的带电粒子在气体中的迁移现象。1897年的实验标志着人们开始了对原子碰撞的研究。从国内外的资料表明，从1897年至今人们对电子与原子、分子碰撞的实验与理论方面的研究都已取得了很大的成功。其中我国学者也取得不少的成果，填补了我国在该方面的空白，取得了世界领先的地位。从60年代起我国老一辈物理学家从事的电子与原子碰撞的研究，取得了比30年代的研究更大的进展；到60年代中期我国更开展了研究电子与分子的碰撞；到90年代中期取得了原子与分子碰撞研究的初期成果，现已在原子与分子的弹性碰撞领域取得较大成果，正努力进行原子与分子的非弹性碰撞领域的研究，预计通过几年的努力是会取得成功的。笔者在研究他们的成果时清醒地感到，物理过程理想模型化方法是他们取得成果的科研方法之一。如1984年12月发表在《物理学进展》上的“慢电子—原子碰撞研究”一文中，作者写到：“Seaton,Burke,Hughes等人都计算过锂和钠原子对慢电子散射的总截面，但计算结果与实验数据相差较大。我们利用慢电子散射物理模型，同时考虑到入射电子与靶原子间的极化作用和交换作用，用原子的解析波函数推导出了入射电子在锂原子，纳原子场中运动的势能函数，进而用分波法计算了慢电子在靶原子场中运动的畸变波函数与相移，并由此计算了锂和钠原子对入射电子散射的总截面，计算结果与实验结果符合得较好。”文中这部分内容清楚地说明了这些科研工作者是用了慢电子散射物理模型加上一定的考虑修正及计算，结果取得了国外三位学者没有取得的成功，获得了计算与实验符合的结果，从而填补了我国在该方面的空白，取得了世界领先的地位。文中还有这样的叙述：“苟清泉教授等利用慢电子散射的物理模型，计算了氮、氧和氖原子对慢电子散射的总截面，计算结果与实验结果符合得很好”，“近三十年来，随着计算机的广泛使用发展起来名目繁多的理论方法，用来处理电-原子散射问题，一般数学计算都相当繁复。利用慢电子散射的等效势的物理模型，计算比较简单，结果比较可靠，近年来已被不少人用来处理慢电子-原子碰撞问题。”
从以上所述不难看出，我国老一辈物理学家所建立的慢电子散射的物理模型获得了很大的成功，这一模型的成功是一种典型的过程理想模型的成功，而并非对象模型的成功。再引用原作者文章中的另一段话可看出该物理过程理想模型是抓住了实际过程中的三个实质内容，即静势，极化势，交换势。将入射电子与原子的碰撞的物理过程视为入射电子在靶原子等效势场中的运动，由此获得抽象化、理想化、模型化的慢电子散射的物理模型。摘录原文如下：“由于慢电子经历原子附近的时间较长，电子波受到原子作用而发生畸变，不能再用平面波描述慢电子的运动了。为了计算畸变波函数，必须仔细考察入射电子与靶原子间的作用。入射电子与靶原子的碰撞，可以看成入射电子在靶原子等效势场中的运动。这个等效势主要由三部分组成。一是没有考虑入射电子带来的扰动，原子产生的静势（即原子核与核外电子产生的库仑势）；第二，当入射电子通过靶原子附近时，使得靶原子的电子云发生形变，从而产生电矩。即入射电子极化了靶原子，反过来，极化了的靶原子对入射电子产生一个偶极矩作用，可用极化势表示。第三，入射电子与靶原子中电子间的交换作用也必须考虑。这可引入一个交换势表示。总之，入射电子在原子有效势场中运动的势能可以表示成静势能V[,o](r)，极化势能V[,p](r)和交换势能V[,c](r)之和。”引文清楚表明了慢电子散射的理想过程模型建立的概况。
综上所述，我国的学者们将一个复杂的、作用时间较长的碰撞物理过程，抓住作用过程的核心、最本质的因素，最后模型化为“慢电子散射的物理模型”，而该模型的使用，使入射电子在碰撞中以静势能V[,o](r)，极化势能V[,p](r)和交换势能V[,c](r)三项之和定量准确地解决了计算与实验的吻合，使我国在原子、分子碰撞的研究工作中取得了一定的成功，填补了我国在该项研究中的空白。这就是物理过程理想模型在科研工作中所发挥的巨大威力。
任何科学研究工作都要涉及建立模型的阶段，这必包括对象模型和过程模型，其中以建立过程模型的定量化、理想化为工作重点。所以，笔者仅以该成果来说明物理过程理想模型是较重要的科研方法之一，在高校和科研院所都应有意识地培养年轻的科学工作者使之具备建立模型化、理想化的过程模型的思想方法。不仅对物理学科的研究如此，对大自然的探索也都少不了这一十分重要的方法。
（收修改稿日期：1997-03-14）
IDEAL MODEL OF PHYSICAL PROCESS AND EXPLORATION OF SCIENTIFIC RESEARCH
Luo Qihui
(Physics Department,Sichuan College of Education,Chengdu,Sichuan 610041)
Abstract In this paper,amodelmethodofscientific researchhas been elaborated.Usually importance has been attachedto subject modelalone,butnowprocessmodelhasbeendiscuss-ed here,and from philosophy point of view,process of model buil-dingand example of process model in theoretical research of atomicand molecular collisions has also been explained
Key words ideal model,method of scientific research,atomic and molecular collision