導語：如何才能寫好一篇量子力學基本概念及理解，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：玻爾理論；能級；躍遷；光譜

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0014-3

1 “能級”的來歷――玻爾理論

19世紀，人們已經知道物質是由原子組成。1911年E.盧瑟福提出原子核式模型，這一模型與經典物理理論之間存在著尖銳矛盾。按照經典物理理論會得出原子將不斷輻射能量而不可能穩定存在的結論；原子發射連續譜，而不是實際上的離散譜線。玻爾著眼于原子的穩定性，吸取了M.普朗克、A.愛因斯坦的量子概念，于1913年考慮氫原子中電子圓形軌道運動，提出原子結構的玻爾理論。

1.1 玻爾的假設

理論的兩條基本假設是：①定態假設：原子系統中存在具有確定能量的定態，原子處于定態時，電子繞核運動不輻射也不吸收能量。原子的定態可通過經典力學和角動量量子化條件得出。②躍遷假設：原子系統從一個定態過渡到另一個定態，伴隨著光輻射量子的發射和吸收。

1.2 玻爾理論對氫原子光譜的解釋

玻爾由基本假設出發，計算出氫原子的軌道半徑和能量公式如下：

氫原子的軌道半徑為

可見，氫原子的軌道半徑和能量都不是連續的，即是量子化的。

把這種量子化的能量值稱為原子能級（簡稱能級）。當氫原子由一個能級躍遷到另一能級時，就產生一條譜線。玻爾的計算結果與實驗數據符合的很好。

1.3 玻爾理論的成功及局限性

玻爾理論對氫原子光譜的解釋獲得了很大的成功，在原子理論和量子力學的發展過程中起到了很大的作用。然而，玻爾只考慮了電子繞原子核的運動，實際上分子、原子、電子、原子核的運動是相當復雜的。所以玻爾理論對復雜的堿金屬光譜就難以解釋，對譜線的強度、色散現象、偏振等問題更無法處理。直到1926年，薛定諤等人建立了量子力學，人們才對微觀粒子的運動規律有了更全面、深刻的認識。

2 教材對玻爾理論內容的處理

本章“量子論初步”分五節。第一、二節介紹光的波粒二象性，初步接觸量子化、二象性、概率波等概念，第三節介紹能級概念，第四節介紹物質波的概念，第五節介紹不確定關系。

第三節“能級”分以下幾部分講述：

①引入：簡述有核模型與經典物理理論之間的矛盾，玻爾理論提出的科學歷史背景；

②玻爾理論的內容介紹和評判：介紹軌道量子化的概念和定態假設的內容，分析玻爾理論的成功和局限性；

③能級：提出能級、基態、激發態、電離的概念；

④光子的發射和吸收：講述玻爾理論躍遷假設的內容，介紹能級圖以及躍遷公式；

⑤“原子光譜”部分：介紹氫原子光譜，分析玻爾理論對氫原子光譜的解釋。

3 教學中對教材的利用和改進

我認為在教學中應把教材中那些過時的，遠離學生實際的材料、知識舍棄。對教材中主干知識和體現物理方法的內容，針對重點、難點，結合學生實際，結合物理學、科技的新發展花大力氣進行拓展延伸。使學生能熟練地理解、掌握這些基本概念，基本規律和方法。對于非主干知識的拓展，只限于科普式的介紹一些最新的、正確的觀點、材料，只要求學生知道是什么，不要求知道為什么，更不用介紹技術和操作的細節，起到擴大學生知識面和視野的作用即可。特別是在這個信息時代，應讓學生用有限的時間和精力去高效的學習正確、有用的知識，而不是探索、重復前人的錯誤。應該吸收其優秀成果，走捷徑去繼承并加以發展。

3.1 關于“量子”

本節課整篇圍繞“量子化”展開，可在全文卻沒有給出“量子”的概念或解釋?！傲孔印币辉~來源于拉丁文，原意是“分立的部分”或“數量”。所謂量子或量子化，本質是不連續性。在宏觀領域中，這種量子化（或不連續性）相對宏觀尺度極微小，完全可以忽略不計。我認為，在接觸玻爾理論之前搞清楚“量子”含義，對本節內容的理解有很大幫助。

3.2 引入部分

教材指出，根據盧瑟福原子模型和經典電磁理論推出原子應當不穩定和輻射電磁波的頻率是連續的這一結論與實驗事實相矛盾?？梢宰寣W生體會到，正是這個矛盾，推動了能量量子化理論的提出，促進了量子力學的建立和發展，從而達到對學生進行辯證唯物論、認識論和方法論的教育目的。教學中可讓學生閱讀自主學習。

3.3 玻爾理論的內容介紹和評判部分

教材中將玻爾的“定態假說”稱為“原子結構假說”。按照經典電磁理論，原子應是不穩定的，但實際情況不是這樣，這一點，教材并未強調，原因是學生過去并沒有“做加速運動的帶電粒子要輻射能量”這樣的認識。相應地，教材也沒有提到玻爾理論中“定態”這個概念。講到軌道量子化的時候，教材重點描述了“量子化”，有意淡化了“軌道”，沒有采用過去教材中常用的以同心圓代表氫原子軌道的插圖。這樣做，避免了強化軌道的圖景。為了使學生更深刻理解玻爾理論的這部分內容，我讓學生總結，這些假設解決了經典電磁理論和盧瑟福原子模型的哪些矛盾？學生在逐條對比中加深認識。

然而在下面的類比分析中，教材還是用了地球和人造衛星這個例子。它確實可以幫助學生理解原子狀態的不連續性，但也更容易使學生產生電子做勻速圓周運動的錯誤認識，也在無形中強化了“軌道”的概念。所以在教學中有必要對學生解釋，經典的理論在這里已經不再適用，其實氫原子中的電子是沒有軌道的，電子在原子中運動的“軌道”這樣的說法，表達的只是一種可能性。

3.4 “能級”和“光子的發射和吸收”部分

主要講解玻爾理論中“躍遷假設”的內容。教材突出了最有積極意義的能量量子化的觀點，舍去了能級公式的推導和計算，直接給出了氫原子的能級圖和一些可能的能量值，可能的躍遷方式。這樣做就是為了提高學生的學習效率，體現課改和素質教育的精神。在一些習題中還會看到關于能級公式的計算，我認為應該大膽舍棄。高考考察的重點是能級躍遷的規律，這部分內容應當做適當的拓展。

原子躍遷是一個比較難理解的知識點。在教學中，我先講授了躍遷的概念及躍遷公式hν=Em-En，讓學生閱讀教材，然后請他們例舉生活中與原子躍遷相似的事件，交流他們對此知識點的理解。學生舉出了非常好的例子：能級就好比臺階，原子躍遷就好比一個人在跳臺階。人可以從上跳到下，也可以從下跳到上，可以跳一級，也可以跳多級，但是不可能跳到某兩級之間。向上跳相當于原子由低能級向高能級躍遷，跳的臺階越多，需要的能量就越大，如果上跳時具有的能量在到達二級與三級之間，他就無法到達第三級臺階而是落在第二階上。這樣一個類比，形象生動地描述了原子躍遷的過程，很容易突破了難點。但它也有一個缺點，生活中的臺階大多是高度一致的，而能級圖中每兩個能級的差是逐級遞減的。目前還沒找到更合適的例子，我就讓學生記住這個區別。

3.5 “原子光譜”部分

玻爾理論的一個重要貢獻就是正確解釋了氫原子光譜。教材中“原子光譜”這部分內容也可以看成是玻爾理論的應用?？梢試@幾個問題展開：

①能量量子化的觀點怎樣解釋原子光譜是線狀光譜？

②為什么各元素的原子光譜不同？

③為什么可以用光譜分析確定樣品中有哪些元素？

④光譜分析有什么優越性？光譜分析在現代科學，如地質、冶金、石油、生物醫學、地球化學、材料和環境科學等各個領域內獲得了廣泛應用?？上驅W生做簡單介紹，使其了解物理在科技進步以及社會發展中發揮的重要作用。

4 有待解決的問題

一些學生在學完整章會有這樣的煩惱：“學完能級，對原子結構有了清晰的認識，但是學了物質波，看了氫原子的電子云好像又變得糊涂了?！逼鋵崳瑢﹄娮拥任⒂^粒子，由于不能用確定的坐標描述他們在原子中的位置，因此，電子在原子中運動的“軌道”這樣的說法其實是沒有意義的。電子云表示的是電子在原子核各個位置出現的概率。

我想學生之所以會有這樣的疑惑，是因為學習能級這節中“軌道量子化”時留下了錯誤的前概念。這部分內容建立在盧瑟福的核式結構模型之上，本身就是不完善的，教材出現它的目的應該是為“能量量子化”做準備。

這塊“雞肋”，舍掉，學生該如何理解能級？不舍，錯誤概念又怎樣消除呢？

參考文獻：

［1］楊福家.原子物理學.北京：高等教育出版社，1991

［2］戴劍鋒.物理發展與科技進步.北京：化學工業出版社，2005

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[關鍵詞]科學革命；哲學思維；常規科學；科學危機；范式轉換

在近代自然科學從哲學中分離出來之前，一切學問或學術可以說都在哲學這一母體內孕育和成長。那么，當自然科學以及其他學科逐步從哲學這一母體分娩并走上自身發展道路之后，包括自然科學在內的各門科學，能脫離哲學及其思維方式而獨立發展嗎？或者說各門科學與哲學之間那個連接胎兒和母體的“臍帶”真的能被剪斷或真的被剪斷了嗎？這是一個過去和當代任何一門學科或科學的形成和發展都必須面對并要加以認清的問題，否則任何一門學科或科學的形成和發展都難以實現。本文力求從自然科學發展中的科學革命及其思維過程角度來探索這個問題。

一、科學革命及其實質

所謂“科學革命”，是指“一種整體性的革命，這既可以針對整個科學而言，也可以針對某一學科而言。至于某一學科內部某個理論體系中的個別科學觀念的變化，我們一般不稱其為科學革命，而把它視為科學觀念的局部變革（也有人稱之為‘局部革命’或‘小型革命’）。這種變革雖然也是科學觀念的部分質變，但并未引起整個科學觀念的根本質變和整體質變”。這里所說的“科學革命”，“其最極端、最易于識別的形式可以用哥白尼主義、達爾文主義和愛因斯坦主義的出現作為例證——在這種事件中，一個科學共同體放棄一種長期看待世界、探索科學的方式，轉而支持另一種往往不相容的探索這個科學的進路”。例如，拉瓦錫的氧化說取代燃素說所帶來的化學革命，物理學中牛頓革命和愛因斯坦革命及其所帶來的相應的整個科學革命，等等。

最早明確提及科學革命的思想家也許是彭加勒。在1905年，他就敏銳地洞察到物理學危機和革命的征兆，并對它進行了系統的分析和論證。李醒民把彭加勒關于科學革命的基本觀點概括為：（1）由于新實驗與舊理論的尖銳沖突，物理學已處于危機之中；（2）危機能加速物理學的根本變革，是物理學進入新階段的前兆；（3）要擺脫危機，就要在新實驗事實的基礎上重新改造物理學。由此，可以得出結論：（1）科學革命是新的科學理論代替舊的科學理論，并且新理論與舊理論有根本的不同，是理論的根本變革，即科學理論發生根本的質變和飛躍；（2）科學革命前有一個危機時期，它是新實驗與舊理論的尖銳沖突，即舊理論處于危機之中。

繼承并發揮了彭加勒科學革命思想中科學理論質變和飛躍思想的科學革命論者是波普爾。他把科學看做人類心靈的探險事業，認為科學的本質就在于永無止境的探索。他把問題作為整個科學探索的起點，運用“證偽”或“否證”概念，把科學看做四階段的發展：P，（問題1）TT（試探性理論）E（消除錯誤）P2（問題2）?？茖W探索和發展就是這樣一個周而復始、永無止境的過程。

然而，庫恩不滿意波普爾把理論看做科學變革實體的思想，認為波普爾“過分集中注意了科學理論的革命性變革”，“只是盯住科學發展中的非常規事件或革命事件”，“把科學事業中非經常性的革命部分的特點賦予了整個科學事業”；應該更強調常規科學的作用，因為“正是常規科學而不是非常規科學，最能把科學同其他活動區別開來”。當然，庫恩也繼承和發揮了彭加勒的科學革命前有一個危機時期即舊理論處于危機之中的思想。在這一點上，彭加勒、波普爾和庫恩是一致的，“都強調新理論拋棄并取代了與之不相容的舊理論的革命過程”。

可以說，庫恩的科學革命思想是對彭加勒科學革命思想的具體展開和深化。他對科學的發展提出了更為動態、細致的描述模式：前科學一常規科學一危機一科學革命一新的常規科學一十……在庫恩的描述模式中，常規科學就是有確定的范式并在范式指導下的有固定套路和方法的解題活動；危機是出現反常——原有范式下不能解決的實驗和現象，是隨著反常的增多而產生的對原有范式的懷疑和動搖；革命是新理論的產生并取代舊理論而成為新的范式；因而革命是范式的轉變——新范式取代舊范式。其中，常規科學中出現的反常以及所引發的危機是科學革命不可或缺的前奏。

庫恩對科學革命與常規科學、反常、危機之間的辨證發展關系進行了詳細的闡述。在庫恩看來，在常規科學時期，“科學家不是革新者，而是解決疑難的人，他所集中注意的疑難，恰恰是他相信在現有科學傳統范圍中既能表述、也能解決的”。“然而——問題就在這里——受這種傳統束縛的研究工作，最終的結果還是一定會改變這個傳統。幾次三番地連續致力于闡述公認的現行傳統，最終還是會在基本理論中、在問題領域以及在科學標準中出現一種變換，即我以前所說的科學革命?！笨墒?，常規科學研究為什么“更能產生打破傳統的新事物”？“這是因為，任何其他類型的工作都不能這么容易通過注意力的長期集中而找到困難的所在和危機的原因，而基礎科學最根本的進展正是依賴于對這種困難和危機的認識上”。庫恩認識到，當“理論碰到了麻煩……科學家需要徹底依附于一種傳統，但要取得完全成功又必須與之決裂。部分是由于科學家常規研究的問題性質，要求這樣的依附。我們已看到，這通常都是一些深奧的疑難，疑難的挑戰性并不在于解答所揭示的內容，而在于為提出任何解答都有待克服的技巧上的困難。人們只有確信的確存在一種可以由創造能力揭示的解，才能研究這些問題，也只有現有的理論才有可能保證這種信心。只有理論給大多數常規研究題目以意義。懷疑理論，往往也就是懷疑構成常規研究的復雜的專門疑難是否真有一個解”。因而，在庫恩看來，常規科學研究的目的“在于完善現有范式，而非發明新范式。只有當這種完善工作失敗后，科學家才會遭遇第三類現象，即公認的反?，F象，其特征是無法被現有范式同化。只有這類現象才會促成新理論的發明”。而且“反常只在范式提供的背景下顯示出來。范式越精確，涵蓋面越廣，那么它作為對反常的一個指示器就越靈敏……范式不會太輕易地被拋棄，科學家將不會輕易地被反常煩擾，因而導致范式改變的反常必須對現存知識體系的核心提出挑戰……常規科學具有強烈的傳統性質，也標志著這種傳統的追求為常規開展自身的變化徹底地鋪設了道路”。

從常規科學到科學危機再到科學革命，其間有不可分離的張力和辨證推進的發展過程，可以說，沒有常規科學研究的推進就不可能有科學危機，而沒有科學危機也就不可能有科學革命的發生。因此，“富有成果的科學家也必須是個傳統主義者，他很樂于用已有規則玩復雜的游戲，以便成為一個發現用來玩游戲的新規則和新棋子的成功的革新家”。庫恩還用發散和收斂之間的相互補充及其張力來形象地描述常規科學與科學革命之間的關系。他說：“科學發現和發明本質上通常都是革命的。因此，它們確實要求思想靈活、思想開放，這是發散式思想家的特點……如果不是大量科學家具有高度思想靈活和思想開放的特性，就不會有科學革命，也很少有科學進步。”然而，“常規研究，甚至是最好的常規研究，也是一種高度收斂的活動，它的基礎牢固地建立在從科學教育中獲得的一致意見上，這種一致意見又在以后專業研究的生活中得到加強?？梢钥隙?，在典型情況下，這種收斂式的或者說受一致意見制約的研究工作終將導致革命……收斂式研究的持久時期正是革命轉換所必不可少的準備。”從庫恩的描述可以看出，收斂式的常規科學研究是革命發生的不可或缺的準備，沒有持久的常規科學研究，也就不可能發現和應對反常和危機，也就不可能有科學革命和科學的進步?！翱茖W研究只有牢固地扎根于當代科學傳統之中，才能打破舊傳統，建立新傳統。這就是為什么我要談到一種隱含在科學研究之中的‘必要的張力’?！?/p>

顯然，庫恩的核心問題是科學革命，但他著墨的重點卻在常規科學上，強調常規科學研究的持久和堅定所導致的物極必反的效力——舊范式的突破而導致科學革命。因此，在庫恩的思想中，不論是常規科學、反常、危機還是科學革命，都是圍繞范式而展開的。常規科學是范式不變并在范式指導下的解題活動；危機是范式的動搖；科學革命是范式的轉換。

總之，科學革命是新理論取代舊理論，是新范式取代舊范式的范式轉換，這是一個從常規科學到出現反常再到危機并最終實現科學革命的持續發展的過程。

二、哲學思維貫穿科學革命始終

上述分析表明：從形式上看，科學革命是有與舊理論根本不同的新理論的產生，是有不同于舊范式的新范式的產生和確立。那么，新理論與舊理論的根本不同到底在什么地方呢？它是怎樣產生的呢？

對此，李醒民在總結諸多科學哲學家關于科學理論的要素和結構的論述基礎上，認為“成熟的或高級的科學理論是由科學公理（基本概念和基本假設）、導出命題或科學定律、科學事實（感覺經驗和觀察資料的科學陳述）三大要素組成的嚴密的邏輯演繹體系?！逼渲?，科學公理是科學理論的邏輯前提或概念框架，是科學理論大廈的建筑基礎，離開它們，科學理論就失去賴以立足的基礎和進一步展開的依據，就根本無從建立起來。也就是說，科學理論的更新是基本概念和基本假說的更新，是創建出比原有科學理論的基本概念和基本假說更適合于自然對象、具有更大解釋力的新的基本概念和基本假說的過程。因此，要進行科學革命，必然要有新的基本概念和基本假說的創立，這是前提，也是最為關鍵之點。也可以說，建立在新的基本概念和基本假說基礎上而形成的新理論及其被科學共同體所接受，就實現了科學革命。在李醒民看來，科學的概念基礎和基本假設是科學理論賴以立足的本體論和邏輯基礎?！霸诳茖W理論的更迭中，特別是在科學史上為數不多的科學革命中，摧毀的正是這個基礎，而不是別的”；“在科學革命中，科學家用新的基本概念和基本假設取代了舊的科學公理，比如用牛頓力學的公理基礎取代亞里士多德的概念框架和分類范疇，用相對論的基本概念和基本假設取代牛頓力學的公理基礎，這就是所謂的范式轉換”。對此，愛因斯坦也認為，在面臨科學革命時，“整個物理學的基礎可能需要從根本上加以改造”；“我們關于物理實在的觀念絕不會是最終的。為了以邏輯上最完善的方式來正確地處理所知覺到的事實，我們必須經常準備改變物理學的公理基礎”。

那么，什么樣的科學家才能擔當此任（改變科學理論的公理基礎）呢？答案是：只有那些有意識地對科學所遇到的疑難問題進行哲學思維、在哲學思維的層面上工作的少數科學家。事實上，具體的科學理論都有特定的哲學世界觀為其基礎，要建立新的科學理論就必須找到新的哲學世界觀作為其基礎；而新的哲學世界觀的形成，必須在比科學理論層次更高的、哲學世界觀的層面上來思考問題，它不再是科學層面上的問題，而是更高、更抽象的哲學思維層面上的問題了。

在哲學思維層面上，范式不僅包括科學理論的公設，而且也包括關于這些公設必須適合的世界的預設，關于它們應該如何適合那個世界的預設，關于試圖使它們適合的恰當步驟和判斷何時是成功的或不成功的標準的預設，這些都與哲學世界觀層面上的基本概念和基本假說相聯系。這依賴于人的整體論（wholism），“整體論導致與傳統觀點的巨大差異。所謂的整體論，我意指下述觀點：組成部分融入這樣的統一體，以至于即使部分本身的性質也受到那個統一體的影響。整體的性質在某種意義上是部分本身的性質的決定因素。庫恩的整體論奠基于整體論的感知理論和整體論的（或融貫論的）意義理論?！睂Υ?，馬根瑙（H，Margenau）進行了具體的闡述：在頂端一級，我們遇到所謂的原始經驗（protocol experience），即感覺材料、觀察，它們無凝聚力，本身沒有秩序，需要用在原始領域沒有直接給出的輔助概念（supplementary con—cepts）來“說明”或理論化；說明包含著概念化的程序，處于原始經驗之下的一級結構；在底部，每一門科學都顯示出十分普遍的命題，它們被稱為公理或公設；無論給定的科學在給定時刻的公理是什么，它們都通過演繹的形式分析導出高一級的即較少的普遍的命題，通常稱它們為定律或定理；由定律或定理還可以推出比較特殊的推論；這些推論借助對應規則與經驗資料聯系，以決定其去留。

關于此，庫恩有經典的闡述：“在公認的危機時期，科學家常常轉向哲學分析，以作為解開他們領域中的謎的工具。科學家通常并不需要當哲學家，也不想當哲學家。的確，常規科學通常與創造性的哲學保持一段距離，而且這可能有充分的理由。在常規研究工作中能夠利用范式作為模型進行時，就無須使規則和假定弄得很清楚明白……由哲學分析所找出的整套規則，甚至也并不非要不可。但這不是說，尋找假定（甚至是不存在的假定）不可能是削弱心理上的傳統束縛、并為新傳統提供基礎的一條有效途徑。17世紀牛頓物理學的突現，20世紀相對論和量子力學的突現，并不是偶然事件，而是兩者都以相同時代研究傳統的基本哲學分析為先導和相伴隨的。在這兩個時期，所謂的思想實驗在研究的進步中起到如此重要的批判作用，也不是偶然的?！痹诖?，庫恩表達了這樣幾層意思：（1）在常規科學時期，科學與哲學保持距離，科學家不做哲學家的事，也不想當哲學家；（2）在危機時期，科學家常常轉向哲學分析，并且這種哲學分析是擺脫舊傳統建立新傳統的有效工具和途徑；（3）牛頓物理學、相對論和量子力學等的科學革命，都說明了這一點。

當然，這種哲學層面上對問題的分析，也必須結合原有科學理論背后的哲學世界觀問題來進行，即挖掘并揭示原有科學理論與其背后的哲學世界觀的深層關系。這一點，庫恩也進行了闡述，認為“在成熟科學中，新理論以及越來越新奇的發現不能從頭誕生。相反，它們是從舊理論中涌現的，是關于世界應包含什么現象和不應包含什么現象的舊信念的母體中涌現的。通常這種新奇事物太過于奧妙莫測，引不起未受很多科學訓練的人的注意。即使受過相當的訓練……更為可能的是，即使敢于闖進這些領域的科學家，僅僅依賴于他接受新現象的能力以及對新的組織模式的靈活性，也將一事無成。倒不如說他會使他的學科退回到意見尚未一致或自然狀態的歷史階段。”

通過上面的分析，我們可以看出，科學革命實際上是形成科學理論基本概念、基本假說、評價標準、思維方式的變化，是哲學世界觀的改變。因此，科學革命是一場科學觀念和思維方法的徹底重建。當然，科學革命并沒有拋棄已有的經驗材料和經驗知識，只是改變理解原有材料和知識的方式和規則：“科學革命打碎的只是科學理論的舊框架，摧毀的只是科學的舊基礎?！?/p>

因此，從本質上看，如何實現科學革命——基本假設的革命即世界觀和方法論的變革，這是一個哲學問題，只是在自然科學中它是由科學家來表述、刻畫和解決的。純粹的哲學家很難解決這些專業內的科學問題。但是，專業的科學家如果還在原有范式指導下工作而不進行哲學創新思維，也是不能實現科學中的革命的（這并不是說，在科學危機時期，科學家要接受哲學家的指導而從事科學研究；而是說，如果科學家在該學科中不進行本體論和方法論的思考和創新，從而打破原有范式的本體論和方法論禁錮，是不可能實現科學理論創新即科學革命的）。所以，在科學革命中，科學家就是在做哲學的工作?？茖W家和哲學家都提出某種本體論和方法論，但哲學家要對這種本體論和方法論進行展開和論證，而科學家的工作是把新的本體論和方法論即科學基本概念和基本假說具體化為新學科的理論并用實驗加以檢驗。這恰如查爾默斯所說，“對基本原則進行持續的批判，最恰當地說，是哲學而非科學所具有的特征”。而對基本原則進行持續的批判，只能是少數的具有哲學思維能力的科學家所進行的工作。科學家“經常不能”完成新舊范式的轉變，而且，即使那些有哲學思維能力的科學家，如果科學不處于危機中，他們也不能進行或完成科學革命。因而，“替論的發明恰恰是科學家們很少做的，除非在其科學發展的前范式階段和在其后演變期間非常特殊的場合”。在一個學科內，如果像波普爾“猜想和反駁”的方法所表征的那樣，不斷地對基本原則提出質疑，那么該學科就不可能取得重大進步。這是因為那些原則沒有足夠長的不受到挑戰的時間使專門的工作得以完成。雖然愛因斯坦憑借他所具有的創造性和勇氣對物理學的一些基本原則進行了挑戰并取得了重大進展，但是我們不應忽視這一事實：正是經過在牛頓范式框架內200年的逐一的具體工作，以及在電磁學理論內100年的工作，才揭示出愛因斯坦將會認識到并且用他的相對論來解決的問題。

因而，“在科學革命中，科學家用新的基本概念和基本假設取代舊的科學公理”。在波普爾看來，科學革命就是一個科學理論被另一個科學理論所取代，就是一組主張被另一組不同的主張代替；同樣，庫恩也認為，一場科學革命不僅涉及一般定律的變化，也涉及看待世界的方式的變化，還涉及在那些評價理論時所要持有的標準的變化。

總之，科學革命是一個量變到質變的過程，革命包含在危機及解決危機的艱難的探索過程之中，沒有對危機和解決危機的探索，就沒有科學革命。這一過程，必須打破原有常規科學時期的科學觀念，并創立新的科學觀念，即新的基本概念和基本假說并建立新的理論范式，才能最終實現。而“獲得新范式、做出這些基本發明的人，幾乎總是非常年輕的人，或者新進入一個其范式將由它們所改變的領域的人，也許對此不需要再做更明確的說明，因為很明顯，他們很少在以前的實踐中受常規科學傳統規則的束縛，他們特別有可能看出，那些規則已經不再適用了，并且去設計出另一套規則代替它們?！?/p>

即使在有不同理論競爭對手的威脅時，科學家的哲學思考也是必要的。由于常規科學時期科學家接受訓練的方式以及他們若想有效地工作就必須接受的訓練的方式，他們對他們在其中工作的范式的確切性質，將是一無所知的，也無法加以闡述；但當一個范式受到某個競爭對手的威脅時，他們就必須努力清楚地說明一個范式中所包含的普遍定律以及形而上學原則和方法論原則，以便保護它們免遭有威脅的新范式中的那些替代者的傷害。庫恩總結說，“科學家面臨反常或危機，都要對現在范式采取一種不同的態度，而且他們所做研究的性質也將相應地發生變化。相互競爭的方案的增加，做任何嘗試的意愿，明確不滿的表示，對哲學的求助，對基礎的爭論，所有這一切都是從常規研究轉向非常規研究的征兆”。當人們認為反常正在給某個范式提出嚴重問題時，一個“明顯的無專業安全感”的時期便來臨了。此時，常規科學家開始進行哲學和形而上學的爭論，并且試圖依據哲學論據為他們的創新辯護。

三、哲學與科學的關系

事實上，科學革命不但沒有改變科學與哲學之間原有的生成關系，從某種程度上看反而在這個過程中強化了這種生成關系。從這方面看，具體科學不但是從哲學這一母體中生發出來的，而且在它獨立后的每一次的科學革命中，都要回到哲學思維的層面才能得以完成。可以說，具體科學的每一次重大發展（科學革命）都是借助于哲學思維（哲學世界觀的改變而形成新的基本概念和基本假說）來完成的。

其實，理論思維，就是確立基本概念和基本假說，然后形成判斷、推理的過程；沒有這種從概念到判斷、再到推理的過程，就沒有理論及其理論思維?？茖W理論的發展就是基本概念的邏輯展開，就是圍繞基本概念和基本假說的建構而進行的。從這個意義上說，科學理論的關鍵和核心就是確立并描述各種范疇如何圍繞基本概念而展開并得出結論的?？梢哉f，由基本概念構成的理論的邏輯基礎決定著這個理論的本質以及它在認識對象上可能達到的程度。概念是科學理論大廈的基石，基本概念及其關系構成了科學理論的邏輯基礎。而哲學思維是科學革命的酵母，無論是在科學的創立之時還是在科學危機以及科學革命時期，哲學思維都起到關鍵性的作用。按照馬克思從“抽象到具體”的上升方法，科學理論的邏輯展開必須不斷地與現實對象接觸；從理論的抽象的一般到它的任何一個具體形態，都必須有中間環節作為對應原理，即科學理論的結構形式是由抽象一般、經驗具體和中間環節構成的演繹的邏輯體系。

于是，科學和哲學的關系，可以具體地表述為：一切科學的最基礎部分、也是最深處，都是哲學問題，都必須進行哲學思考。有人把哲學看做概念思維，是很準確的。哲學就是形成對認識對象的基本概念和基本假說，而推理、演算和驗證就成了具體科學的事了。因而，在哲學和科學之間永遠保有切不斷的“臍帶”，科學借助這一“臍帶”從哲學母體中不斷獲得新生的根基和養分；哲學通過這一“臍帶”，從各門豐富發展的科學理論中不斷獲得重生的形式。按庫恩的說法就是：“恰恰是拋棄批判性對話才是轉變到科學的標志。一個領域一旦轉變成為科學，只有在基礎搖曳的危機時刻才會出現這種批判性對話。只有對相互競爭的理論必須進行選擇時，科學家的行動才像是哲學家?！?/p>

更一般地說，哲學是回答為什么（why）的問題，而科學是回答怎么樣（how）的問題。前者是講道理、講原理的學問，后者是講機制、講理論的學問；機制、理論來自于道理和原理，沒有道理和原理就沒有機制和理論。就像地基和大樓的關系一樣，有什么的地基才能建起什么樣的大樓，大樓是由地基決定的；但從思考建什么樣大樓的角度看，也可以說，要想建造什么樣的大樓，就要思考打造什么樣的地基的問題。一個是大樓與地基的原理關系問題，一個是如何造大樓的機制問題。一般情況下，我們并不一定要認識為什么的問題，才能回答怎么樣的問題；但解決了怎么樣的問題，一定包含著對其中為什么問題的正確的原則性理解，即隱含了對為什么問題的原理的理解，雖然我們并不一定知道其中的具體的原理是什么。在科學革命中，科學家從怎么樣的問題回到為什么的問題，即從建什么樣的大樓回到要建什么樣的地基的問題；而在常規科學中，科學家面對的是在一定的地基上如何具體建造大樓的問題。在這個意義上，一般地說，哲學家做的是打地基的工作，而科學家做的是在一定的地基上如何建大樓的工作；但在不得不推倒舊大樓而建造更高的新大樓時，問題首先還得回到建造合適的地基問題上，雖然這時的工作還得由科學家來做，但科學家必須在哲學家工作的意義上展開工作，否則他將一事無成。并且這樣的工作，也只能由少數的、有哲學家頭腦的科學家來完成。