能量转化和守恒定律是物理学的一个具有普遍意义的原理。它所涉及的范围非常广泛，并且已超出了物理学的范畴，而成为自然科学的一个基本原理。这一原理的发现，就是由一个个个别现象的归纳，通过外推的方法提出来的，后经普遍地验证而最终确立。
1712年，纽可门发明大气压力蒸汽机。1768年，瓦特制成“单动式蒸汽机”；1782年，瓦特又制成能使所带动的机器作旋转动作的范汽机，使蒸汽机达到了近代水平。蒸汽机的发明、改造和应用，实现了热运动向机械运动的转化。
1798年本杰明·汤普逊（伦福德伯爵）的“炮膛实验”和1799年戴维的冰摩擦熔解实验，向人们表明了机械运动向热运动的转化。
1821年，塞贝克发现了温差电现象，表明了热运动向电运动的转化。1834年，帕耳贴则发现了温差电的反现象，即表明电运动向热运动的转化。1840年和1842年焦耳和楞次分别独立地发现了电流的热效应并建立了定量的公式，精确地表达了电运动向热运动的转化关系。
摩擦生电现象，是表明机械运动向电运动的转化。1821年，法拉第发明了“电磁旋转器”，则表明了电运动向机械运支的转化。
1820年，奥斯大林特发现了电流的磁效应，表明电运动向磁运动的转化。1831年，法拉第发现了电磁感应现象，则表明了磁运动向电运动的转化。1780年伽作尼发现“生物电”和1800年伏打制成“伏打电堆”，表明化学运动向电运动的转化，此后不久的电解实验则表明了电运动向化学运动的转化……
各种运动现象之间相互联系和转化的事实被大量地发现，并且许多转化中定量的实验表明，转化过程中总的能量是保持不变的。通过对已知事实的归纳和分析，19世纪40年代，迈尔、焦耳和赫姆霍兹等物理学家分别在自己研究的基础上各自独立地提出了“能的转化和守恒”的假说。以后的大量事实都普遍地证明了这一假说的正确性。到了19世纪60年代，能量转化和守恒定律已被广泛认可，并成为物理学和一切自然科学的重要基础，成为检验其他理论或假说是否正确的基本准则之一。
外推法是在掌握材料尚不完全的情况下，对一类现象所作的全面判断，其结论带有一定的偶然性，既可能是正确的，也可能是不正确的或不完全正确的。但这一方法的意义，在于大胆提出对问题的看法，是科学探索阶段极为重要的一步。当迈尔、焦耳、赫姆霍兹等根据有限的事实勇敢地提出能量转化和守恒假说时，却受到了来自各方的冷遇、压制和排斥。但是，社会实践和科学实践的发展，总是推动科学认识的进步。在“能的转化和守恒”假说提出以后，不同国度的、自然科学各个领域的许多科学家通过不同途径的研究成果，无一例外地为假说提供他证据，最终促使假说成为科学真理。
（2）类比的方法。类比的方法是依据两个对象之间已知的相同或相似性，进而判断它们在其他方面也可能具有相同或相似性的推理方法。方向是从特殊到特殊，这也是提出假说比较常用的方法。
卢瑟福为解释α粒子大角度散射的实验事实，提出了原子结构的有核模型。在考虑原子结构的具体图景时，即考虑原子核和电子在原子内的地位和运动情况时，卢瑟福把原子与太阳系作了类比。
二者的相同点和相似之处是：①在太阳系中，太阳体积很小（太阳系半径在6×1012m以上，而太阳半径约为7×105m），但太阳质量很大，占太阳系总质量的99.87%。在原子中，原子核很小（原子半径为10-10—10-9m，原子核半径为10-15—10-14m）；但原子核质量很大，占原子质量的99.97%。②太阳系中行星的质量相对太阳而言很小，原子中电子的质量相对原子核而言很小。③太阳与行星之间的作用力为万有引力F=Gm1m2r2。
原子核与电子之间的作用力为库仑力。
F=KQ1Q2r2
两种力的表达形式极为相似，由此给出推理：在我们已知的太阳系中，太阳处于核心，各行星环绕太阳运行。那么，在我们未知的原子中，可能也像太阳系那样，原子核位于核心，电子环绕原子核运行，也就是说，由带正电的原子核和绕核运转的带负电的电子共同构成了原子。这种类比的结果，就是卢瑟福原子结构有核模型的基本假设。由于假说是依上述类比的方法提出的，所以，有时也称卢瑟福模型为原子结构的“太阳系模型”。
从上面的例子可以看到：由类比法提出假说，是应用了事物之间普遍存在的相似性与联系性或对称性与统一性等。但通过进一步的考察发现，这种方法忽略了事物之间的差异性和变化性，因而其依据和结论都不是十分可靠的。但这种方法由已知推测未知，大胆提出新的猜想，能开阔人们的视野和拓宽人们的思想，因而有着积极创新的意义。
（3）演绎的方法。演绎的方法，是以普遍的理论或假说为依据推导出个别事物事或现象应遵循的规律的方法。的推理方向是由一般到特殊。在物理学的研究中，许多较为具体的假说，就是由一般性的假说通过演绎推理而提出的。
人们很早以前就知道地球是球形的，但究竟是什么样的球形却说不清楚。牛顿以万有引力理论和惯性离心力概念为基础，用演绎推理的方法，提出了地球是扁圆形的假说。他的推理格式大致如下：①大前提：凡自转的球体，球体上的物质在离心力和万有引力的共同作用下，都有沿切线方向运动的趋势，并且离心力的大小与半径成正比。
②小前提：地球是做自转的球体。
③结论：地球赤道附近撤职心力最大，所以，地球有形成扁圆形的趋势和表现。
与牛顿的“扁圆形”假说相对立的是法国卡西尼提出的“橄榄形”假说。后一种假说是根据当时测得的数据分析总结得出来的。所以二者各不相让，进行激烈的论争。后来进一步对地球的形状进行测量，则证明了原来的测量是不准确的，而牛顿通过演绎推理提出的假说是正确的。
演绎是一种必然性推理，其结论正确与否取决于前提是否正确，以及推理形式是否合乎逻辑。而人们在应用演绎法建立假说时，所依据的前提往往就是一个一般性的假说，具体的、新的假说是作为演绎的结论出现的。由于这种内在的逻辑联系，当具体的假说获得验时，也就同时难了一般性的假说。例如，地球扁圆形假说的证明，实际上也是对万有引力理论的一个有力证明。
（4）想像的方法。想像是指在已知材料的基础上，经过思维的组合而创造出新的形象。想像的推理过程具有逻辑上的跳跃性。
哥白尼的学说使人们正确地认识了太阳系的结构，同时也促使人们去进一步探讨太阳系的起源与演化问题。那么，太阳系是如何起源的呢？显然，要回答这一问题，无论在当时还是在今天，都需要具有丰富的想像力。
1755年，德国哲学家、物理学家康德提出了著名的太阳系起源的星云假说。当时，人们对太阳系的运动善的了解主要有以下几点：①太阳系六个行星以相同的方向沿椭圆形轨道运动；②各行星运行的轨道大致在同一个平面上，而这个平面又离太阳的赤道不远；③行星的运转都是由太阳的引力控制的，这些力的大小都与距离的平方成反比。康德根据这些已知的情况，提出了太阳系最初是由一种炽热的、弥漫状的星云物质构成的。
在这个基本假说的前提下，康德详细地阐述了假说的具体内容。他设想：这团星云物质的质量巨大，快速旋转，在引力作用下逐渐结合成团块，团块进一步吸引周围的物质而继续增大，最后引力中心的最大团块演变成了太阳，其他团块就形成了行星；因为各个行星都是由从西向东围绕太阳旋转的微粒构成的，所以行星的公转和自转都朝着一个方向；由于太阳的引力把较重的微粒吸引在自己的周围，而较轻的质点留在较远的地方，所以，行星的密度由内向外逐渐减小；由于太阳巨大的引力影响，离太阳较近的行星不可能太大；而行星越靠外，能吸引的微粒就越多，所以行星的质量由里向外逐渐增加。
康德的这一假说充满了科学、合理的想像，不仅能较好地解释了当时已发现的许多事实，而且还作了许多重要的预见和推测，如太阳密度应同所有行星的混合密度相同、在土星以外还会发现新的行星、银河系的形成也遵循太阳系形成相似的规律、恒星不动只是一种表观现象等。到了1796年，法国物理学家拉普拉斯提出了相似的假说，后来人们把二者合一，称为“康德拉普拉斯星云假说”。星云假说为人们研究太阳系以至整个宇宙的起源发挥了重要的作用。
想像是富有创造性的思维活动，在科学研究中有重要的作用。但须注意，想像必须以已有的事实为基础，以相应的科学理论为依据。完全脱离实际、无科学依据的想像，大都属于胡思乱想而无实在意义。广义说来，几乎所有的假说都或多或少地含有想像的成分，想像是一切科学研究不可缺少的思想品质。
（5）移植的方法。移植是指吸取、借用某一学科或领域的概念、原理、方法及其新理论、新发现，作为研究另一学科或领域朝基本思想、方法和手段，解释已知现象，形成新的假说。从思维方式上讲，移植属于横向思维。
天体物理学家很久以来就在思考太阳及其他恒星的能量能源问题。太阳以4×1026焦耳/秒的巨大功率向太空中辐射能量‘并且这样的过程已持续了40多亿年。是什么样的燃料使太阳严比、演绎等逻辑的方法，也可以使用想像、移植等非逻辑的方法，还可以使用统一性、对称性、简单性等自然界的和谐法则。我们重点举例介绍以上五种方法，是因为这五种方法是比较常用的，也是较为基本的。实际上，一个具体假说的形成，往往是多种方法综合应用的结果。我们之所以说某个假说是用某种方法提出来的，是为了强调假说形成过程中某种方法起着主要的作用。
（第三节 ）物理假说的验证
假说是人们对客观世界猜测性的解释，它的正确性需要通过科学实践加以验证。只有被大量的实验和观察事实反复证实的假说，才是正确的，才有可能转化成为科学理论。
1．验证假说的长期性与复杂性
一个假说从提出到被证实，往往需要很长的时间，其主要原因有以下几点：科学的假说大都具有对传统的否定与挑战意义，因而总要受到一些人的反对和抵触；特别是这一领域中权威人士的反对和压制，将严重地影响假说的传播途径、应用范围和验证速度。
第二，有的假说提出以后，由于当时的测量水平及其他相关技术都没有达到验证假说的要求，所以假说的验证有赖于这些技术的发展与提高。第三，有的假说的验证常常同邻近学科的发展水平有关，只有这些邻近学科发展到一定水平，才能综合地从理论基础上为假说提供更明晰的物理图景，以便设计出科学的验证方法。
假说的验证不仅是长期的，有时甚至是很复杂的、曲折的。
一个错误的假说，在经过事实证明后，最终肯定会被抛弃，但是在其验证过程中它在某个时期内可能得到肯定的结论，有时错误的假说在应用过程中也可以得到一些有价值的成果。而一个科学的假说，有时又偏偏被实验和观察所否定，但这只是暂时的或偶然的；当时机成熟时，新的发现或新的实验和观察，又会对以前的否定加以否定．使科学假说最终闪耀出真理的光芒。验证假说的复杂性，也同样表现在人们的认识水平、学科的发展状况和实验的技术条件等方面。
在多层次的物质世界中，原子是比分子更基本的物质构成单位。按人们认识事物的常规顺序，应该是先发现分子，然后才发现原子。然而，科学发现的历史却正好与这一常规顺序相反，分子的假说是在近代原子论产生困难和挑战时才提出来的。
1800年，道尔顿在古希腊原子论思想的基础上，创立了近代的科学原子论，其基本内容是：①化学元素是由非常微小的、既不能创造也不能毁灭的、不可再分割的最终的物质粒子——原子组成的，原子在所有化学变化中保持基本性质不变；②同一元素的原子，其形状、质量和各种性质都是相同的，不同元素的原子则不同，每种元素以其原子的特定质量为其特征；⑧不同元素的原子以简单整数的比例相结合，形成化合物的原子。道尔顿的原子论成功地解释了气体扩散现象、气体分压定律等，并第一次提出原子最重要的特征——原子量。
然而，道尔顿的原子论很快遇到了问题，这就是与法国物理学家和化学家盖·吕萨克的实验结果发生了明显的矛盾。盖·吕萨克通过大量实验发现，各种气体在化合时体积皆为简单的整数比，并且如果生成物也是气体时，它们的体积和生成物的体积也为整数比。由此，盖·吕萨克认为：各种气体在彼此起作用。
时常以最简单的体积比互相结合。进一步思考后，他在道尔顿原子论的基础上提出了一个新的假说：在同样温度和同样压强下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子。但一些新的实验又与这个假说明显地相矛盾。例如，对于氢气和氯气化合的反应来说，如果认为在同样条件下同体积的气体含有相同数目的原子，那么1个体积的氢和1个体积的氯只应生成1个体积的氯化氢，而实验结果却是生成了2个体积的氯化氢。
类似地，1个体积的氮和3个体积的氢化合生成了2个体积的氨。按盖·吕萨克的解释，则在第1个实验中，每个氯化氢原子中只含有半个氯原子和半个氢原子，而在第2个实验中，每个氨原子中则含有半个氮原子和2/3个氢原子。显然，这与道尔顿在化学变化中原于不可分的基本假说是矛盾的。所以，道尔顿本人就认为盖·吕萨克结论的实验基础是不可靠的。
究竟是道尔顿的原子论错了，还是盖·吕萨克的实验结果错了？意大利物理学家阿伏加德罗经过研究认为，在物质结构的层次中，原子之上还有一个“分子”，道尔顿和盖·吕萨克的错误和问题就出在他们没有认识到分子的存在，而将原子和分子混为一谈了。由此，阿伏加德罗提出了“分子”的概念，建立了化学和物理学中的分子学说，即“分子假说”或阿伏加德罗假说。阿伏加德罗指出，分子是具有一定特性的物质的最小组成单元，单质分子由相同元素的原子组成，化合物的分子则由不同元素的原子所组成。他修改了盖·吕萨克假说，指出在相同条件下同体积的气体不是含有相同数目的原子，而应是含有相同数目的分子。
