科学与文化研究报告

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1、欢迎走进 科学与文化 课堂,主讲：陈冠英 岭南师范学院 物理系,(三),一、人类文明与现代科学的关系 二、科学历程与科学精神 三、现代科学框架内对传统文化的反思,四、物理亦文化,目 录,现代物理学的认识论 (1) 认识论的相对性原理 （狭义相对论的时空观） (2) 科学测量与信息 2. 现代物理学的方法论 模型方法的实质（例：原子模型及氢原子的波尔理论） 抽象思维中的一些重要方法 形象思维的创造性作用 3. 从相对真理到绝对真理,知识体系 （中学知识）,求索真理的历程,人的认识是来源于实践,在实践中追求和发展真理,实践及其特点,实践是认识的基础,实践的含义,实践的三个特点,实践是认识的来源 实

2、践是认识发展的动力 是检验认识的真理性的唯一标准 实践是认识的目的和归宿,实践具有客观物质性 实践具有主观能动性 实践具有社会历史性,真理的客观性 真理是具体的有条件的,追求真理是一个过程,认识具有反复性 认识具有上升性 认识具有无限性,是人们改造自然和 社会的物质性活动,生产 实践,变革社会的实践,探索世界规律的科学实验,决定,反作用,决定,指导,指导,反作用,实践的基本形式、相互关系,认识论1,生产劳动,不是孤立的 个人活动,社 会 性 活 动,生产关系,政 治,思 想,其它关系,认识,真理,系统化、理论化,科学理论,理性认识,认识、理性认识、理论、真理、科学理论的关系,系统化、理论化,理

3、论,属于,物理学极大地丰富了人类对物质世界的认识，也改变和扩展着人类的思维方式。物理学的每一个重大的进展，都是人类思维观念进步的伟大阶梯。,认识论 2,物 理 学 与 思 维 观 念,盖天说,地心说,日心说,无中心说,现代天文学家已经观测到距我们130亿光年的天体,物理学与思维观念,哈雷彗星,机械决定论,牛顿力学,蝴蝶效应,差之毫厘 谬以千里,物理学与思维观念,（1）自然规律应该具有简单的形式； ( ? ? ) （2) 自然规律应该符合因果关系; (广义,多因多果?) （3) 自然规律应该是普遍一致的； （4) 自然规律是可以通过研究逐步认识的。,自然哲学观：,(1) 认识论的相对性原理,狭义

4、相对论的基本观点 爱因斯坦勇敢地建立了“狭义相对论”。他从批判“绝对时间”入手，强调“同时性的相对性”，并用一条“光速不变原理”导出了洛仑兹变换公式，于是描述物理现象规律的微分方程式在洛仑兹变换下保持形式不变，这就是“相对性原理”的严格表述。,Ref. 物理科学发展的规律,属于什么对称性?,一、伽利略变换式 经典力学的相对性原理,对于任何惯性参照系，牛顿力学的规律都具有相同的形式。这就是经典力学的相对性原理。,问：相对于不同的参考系，经典力学定律的形式是完全一样的吗 ？,牛顿力学的回答:,牛顿力学认为： 1）空间的量度是绝对的，与参考系无关； 2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .,伽利略

5、变换式,在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定律具有相同的形式。,问：相对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是一样的吗?,绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关，长度和时间的测量是绝对的。,二、经典力学的绝对时空观,牛顿力学的相对性原理， 在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的 .,“绝对的真实的数学时间, 就其本质而言, 是永远均匀地流逝着,与任何外界无关.” “绝对空间就其本质而言是与任何外界事物无关的，它从不运动, 并且永远不变.”,但 实践已证明：绝对时空观是不正确的！,问：对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗 ？,真空中的光速,对于两个不同的惯性参考系，

6、光速满足伽利略变换吗 ？,三、光速依赖于惯性参考系的选取吗,结果: 观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换),？,违反因果律！,900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云，北宋天文学家记载从公元 1054年 1056年均能用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 .,物质飞散速度,当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动，现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .,但实际持续观察时间：约为

7、 22 个月, 这怎么解释 ?,按上面公式计算观察到超新星爆发的时间持续约,A 点光线到达地球所需时间,B 点光线到达地球所需时间,爱因斯坦对此问题思考了整整10年, 1626岁, 最终顿悟只有光速不变!,说明同时具有相对性，时间的量度是相对的,和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的 .,演示,时间的延缓 在某一惯性系中不同地不同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，可能是同地不同时发生的，且时钟变慢.,演示,狭义相对论的时空观 1）同时具有相对性：在一个惯性系中同时发生的事件，在另一个参

8、考系中不一定同时发生； 2）时间测量具有相对性：在相对于观测者静止的钟测量的时间为原时，原时最短； 3）长度测量的相对性：相对于物体静止的观测者测量的长度叫做静长，静长最长。,3） 时， .,1）时间延缓是一种相对效应 .,2）时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程.（例如新陈代谢、放射性的衰变、寿命等 . ）,人类乘接近光速的光子火箭作星际旅行,无论目标有多远，乘客在旅途上花费的固有时间原则上可以任意短。,在日常生活中时间延缓和长度收缩是完全可以忽略的, 但运动速度接近光速时, 这两种效应就变得非常重要, 在高能物理的领域里得到大量的实验证实.,有人要到银河系中心去旅行，银河系直径10万

9、光年。飞船以2g加速过去，快到银河系中心再减速，然后以同样的方式回来。飞船上的人觉得过了40年，地球上的人觉得过了6万年。,狭义相对论的基本原理,1）广义相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式 .,2）光速不变原理：真空中的光速是常量，与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择.,关键概念：相对性和不变性 .,相对性原理是自然界的普遍规律.,所有的惯性参考系都是等价的 .,但 伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符 !,“自然科学并不是简单地描述自然、解释自然；它也是自然与我们相互作用的一部分。” “我们所观察到的并不是自然本身，而是我们提问方法所揭示的自然”。 海森堡,

10、狭义相对论的伟大胜利证明爱因斯坦思想方法的高明。他的高明首先在于把“观察者”s 和 s作为认识主体放进理论中去。正如他所说的：“物理学的概念是人类智力的自由创造，它不是（虽然表面上看来很象是的）单独地由外在世界所决定的。”,Ref.东方科学文化的复兴,科学力求理解知觉材料之间的关系,也就是用概念来建立一种逻辑结构,使这些关系作为逻辑结果而纳入这样的逻辑结构。对构造全部结构的概念和规则的选择是自由的。只有结果才是选择的依据。 科学理论中的基本假设是一种特殊的、高层次的假设。这种假设是作为科学理论的逻辑前提和公理基础的面目出现的, 而且为数甚少。它们是在经验事实的启示或引导下, 通过自由的约定、或

11、精神的自由创造、或理智的自由发明、或丰富的想象力、或知觉的洞见和领悟而得到的。它们无法直接接受观察和实验的检验, 因而不能被经验事实证实或证伪。也就是说, 它们既不为真, 也不为假, 而是中性的。,当经验事实与从它们推导出来的命题或定律发生矛盾时,这只是说明整个基本假设的集合有毛病,至于究竟是哪个假设有问题,经验事实并没有告诉我们。此时,科学家既可以抛弃整个假设集另起炉灶;也可以祛除某个假设,以挽救整个理论;还可以对假设做出某些局部的修正或调整,从而避免矛盾;亦可以保持基本假设原封不动, 通过添加辅助假设或特设假设,把经验事实的反驳“对付”过去;甚至可以:“我自岿然不动”,指斥经验事实靠不住。

12、至于做何种选择,那就得靠科学家的卓识或健全的判断力了。,李醒民“科学公理:基本概念和基本假设”,认识论的“相对性原理” 思考：推广爱因斯坦的思想方法，认识论的“相 对性原理”可表述为： 你既然要谈认识，便首先必须把自己作为“认识主体”放进去，其次要考察客体所处的环境。任何一种事物，都只有在相对于其他事物的运动和变化中才能被认识，当脱离它的对立物（既其环境，包括认识主体及测量仪器在内）而孤立地（即抽象地）存在着的时候，势必成为神秘而不可理解的东西。,(2) 科学测量与信息,i. “信息”的来源 问题的关键是对“信息”来源的认识。 许多科学家或明说或默认“信息的客观性”。相反，我们认为（也是物理学

13、和自然哲学的发展告诉我们的）：信息不是客观存在的，而是主体对客体作测量时才共同制造出来的。,过去由于科学测量手段太弱，以为只是把“客观存在”的信息（如 X 和 Px）如实地反映出来，现在我们才懂得：“测量”过程不只是一种简单的“反映”过程，而是一种“变革”过程，“信息”乃是“变革”的结果。矛盾只有当充分尖锐化时才有可能被认识，这种认识在20世纪粒子物理学的发展中更是明显地被揭示出来。 波尔有一句精彩的话“物理学的任务并不是去发现大自然是什么样的。物理学关心的是我们对大自然可以说些什么”。,日久见真情，患难见人心,“客体本不含信息”是我国哲学“古已有之”的观点，西方的康德哲学也已殊途同归了(见1

14、-3,三). “信息来自变革”的观点也历史悠久，孔子说过：“致知在格物，物格而后知至”。1937年毛泽东在实践论一文中说：“你要有知识，你就得要参加变革现实的实践，你要知道梨子的滋味，你就得变革梨子，亲口吃一吃，你要知道原子的组织和性质，你就得实行物理学和化学的实验，变革原子的情况。”,ii. 我国哲学中对信息的论述,2. 现代物理学的方法论,认识论和方法论密不可分。从知识结构层次上看，也许认识论更基础一些。但也必须看清，现代物理学许多认识往往是依赖于思维方法和研究方法的不断深入才获得的。 科学方法具有诸多特点 ，主要是历史性和连续性，独立性和相关性，客观性和先验性，合一性和分立性，一元性和多

15、元性，整体性和层次性，批判性和保守性，精确性和灵活性，广博性和局限性。本节只讨论方法论的若干方面。,Ref.李醒民科学方法的特点,近代科学的发展靠两样东西，一个是分析演绎逻辑方法，包括从特殊到一般的归纳法和从一般到特殊的演绎法；另一个是在严格条件控制下的精密测量，即所谓的科学实验。,爱因斯坦认为：,从哲学认识论角度分析，现代科学的这两个基本手段是为如何将感性认识上升到理性认识服务的。,伽利略科学方法论 1. 精确实验，总结实验规律； 2. 提出假说，定量解释实验规律； 3. 根据假说，利用数学和逻辑推理，获得推论； 4. 对推论进行客观、可重复、精确定量的实验检验； 5. 修改理论及假说；6.

16、 实验检验假说和理论； . . .,英国著名的百科全书学者卡尔皮尔逊在它的科学的规范中曾写着： “科学的统一仅仅在它的方法，而不在于它的材料，科学方法是通向绝对知识或真理的唯一入口。”,实践认识 指导实践再认识,科学方法=归纳法+演绎法+科学实验,物理学是实验科学实践是认识的基础，实践决定认识（必须立足实践，重视调查研究，一切从实际出发）,物理学理论指导实验认识对实践起反作用，正确(错误)认识对实践起积极(消极)的推动(阻碍)作用， （理性思维，科学态度，理论联系实际）,物理学使用理想模型真理是具体的有条件的，真理与谬误相伴而行（探索真理的过程中，要正确对待错误，解放思想，怀疑意识，理性批判，谦恭心态）,物理学由实验验证理论实践决定认识，认识具有反复性和无限性 （与时俱进，开拓创新，在实践中追求和发展真理）,物理学中的认识论和方法论,模型方法的实质,抓主要矛盾： 从波尔模型的成功，可以看出：一种“模型”往往是指理论上比较直观的图像。能否成功取决于是否抓住了问题中的“主要