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1、第二讲 研究方法获取科学事实或感性材料的方法，同时也是检验和评价理论的最主要和最重要标准。这包括科学观察、测量，以及科学实验等等。1、科学与技术 2、科学研究方法科学思想史简介科学精神科学研究方法科学思维方法1.1 科学的含义1、科学与技术Science（科学）初到中国的时候，就遇到这种情况。中国士大 夫问，Science是什么？洋人说，通过实验方法，研究自然，获得知 识。中国士大夫说，这种学问，中国自古有之，叫做“格致”，是“格 物致知”的缩写，四书集注的作者朱熹先生解释说，“格”就是“ 到”，“格物致知”就是“到物质上面去研究物质，获得知识”，这不是 你们的Science吗？洋人一听，大为
2、叹服。从此Science便译为“格致 ”，在中国近代科技史上，使用了半个世纪。中国人在语言翻译上一 般有“音译”、“直译”和“意译”，同时强调“信、达、雅”。基于这一 标准，严复的天演论书中均用“格致”一词对译“science” ，而 不是“科学”一词。“科学”一词源于日本，是日文对译“science”的范例。 尽管日文中使用汉字，但与中文还是有别。比如“新聞”一词， 中文的词义是“新的信息”，而日语指的是“报纸”。故日本的“新聞” 只能用眼睛看，不能用耳朵听。再如“手紙”，此物中国人上厕所所 用。而在日语中，“手紙”是“信件”的意思。日语的“汽車”相当于中 文的“火车”，日语的“娘”相当于中
3、文的“女儿”等。出现这些差异主 要是历史中日本出现胡编乱造汉字的现象，使字不达意。“科学”一 词就是这样，给中国人一种把“science”翻译成了“分科之学”的概 念。而“science”是“知识”，中文用“格致”一词对译“science”，与德 语用“wissenschaft”和荷兰语用“wetenschap”是一致的，体现“知 识”范畴。而中国人用日本的“科学”一词，难以了解“science”的真实含义。民国初年，“科学” 逐渐取代“格致”，在中国学术界广泛流行。因此，从中国近代科技史的角度看，“格致”像一条船，在半个世纪的时间里，载着Science过渡到“科学”彼岸，其间见证了国人科学观
4、念的飞跃。正如胡适先生后来所言：“这三十年来，有一个名词在国内几乎做到了无上尊严的地位；无论懂与不懂的人，无论守旧和维新的人，都不敢公然对它表示轻视或戏侮的态度。那个名词就是科学。” 这套“格致”学问，表面上看，很像搞科研，却只是假象。原来朱熹先生所谓“格物”，不是动手动脚做实验，而是瞅着那物想问题；“格物”不是研究那物，而是通过那物反思自己的道德观，去恶从善，达到圣贤境界。在朱熹先生看来，真要用全副精力去研究实物，那叫“玩物丧志”； 西方的“科学”，强调实证性。-做、观察、感悟。to study the phenomena of nature in order to acquire know
5、ledge1.2 科学的特征 它是一种知识形态的理论、概念或原理、学说。 它是一种不以人的意志为转移的客观存在，具有重复性、 再现性和可比性的特点。这就是检验科学的三性基本原则 。凡符合这三性的就是真科学，否则就是伪科学。 它具有连续性、深入性和创造性的特点。 它的发展变化没有止境。产生“概念、原理”无形实验、 观察、 想象、 理论被验证为正确的理论就是科学。理论未必正确，但科学一定是正确的理论。科学的特点就像 亚历山大的说法：“所谓理论，就是脱离个别事物的一般化，脱离 具体事例的抽象。” 。其中抽象就是人类通过构建的概念进行推理的过程。想象在理论体系的建构中发挥着决定性的作用。现代科学发展既
6、高度分化又高度综合的特点，导致新兴学科的大量出现和科学体系结构的整体化趋势。20世纪下半叶出现的众多新学科进行分类。其中边缘科学就是一个典型示例。科学发展是科学体系不断完善的过程从传统学科到新型学科的产生于发展边缘科学(又称交叉科学)是在两个或两个以上不同学科的边缘交叉领域生成的新学科的统称。边缘学科的生成一般有两种情况。一种是某些重大的科研课题涉及到两个或两个以上学科领域。诸如物理化学、生物力学、技术经济等。另一种是运用一个学科的理论和方法去研究另一学科领域的问题。诸如天体物理、生物物理、生物无机化学等。学科是人为构建的，且所构建的学科具有相应的限定性， 这种限定性既是学科特点也是学科缺陷，
7、这种缺陷使其对事物 的认识存在一定的局限性。认识对象蕴含着比单一学科更丰富 信息。因此，多学科交叉对于全面认识事物就成为必然。牛顿力学到量子力学 宏观的机械运动到微观粒子运动 科学体系不断完善的典型示例经典物理在原子结构上遇到的问题-I紫外灾难（Ultraviolet catastrophe）-II 按照传统物理学能量连续化计算，在紫外区辐射能量趋向无穷大？Wave-Particle Dualism The wave-like nature of light explains most of its properties: Reflection/refraction； Diffraction/
8、interference；Doppler effect But, the results from spectroscopy (emission and absorption spectra) can only be explained if light has a particle nature as shown by Bohrs atom and the photon description of light. A weak UV light produces a current flow (releases electrons) but a strong red light does n
9、ot release electrons no matter how intense the red light. photoelectric effect 以“量子化”概念和原理解决许多微观粒子所产生的”特殊”现象。“量子化” -物理量的数值会是一些特定的数值，而不是任意值 。 电子处于基态不发生电磁辐射！能量吸收和辐射具有不连续性！丹麦物理学家玻尔 原子结构和原子光谱 Normal waves look with this having no beginning and no end. A composition of several waves of different waveleng
10、th can produce a wave packet that looks like this: de Broglie Matter Waves:- 宏观与微观粒子在波动上的统一性 Perhaps one of the key questions when Bohr offered his quantized orbits as an explanation to the UV catastrophe and spectral lines is, why does an electron follow quantized orbits? 法国物理学家德布罗意 The electron ma
11、tter wave is both finite and unbounded. But only certain wavelengths will fit into an orbit. If the wavelength is longer or shorter, then the ends do not connect. Thus, de Broglie explains the Bohr atom in that on certain orbits can exist to match the natural wavelength of the electron. If an electr
12、on is in some sense a wave, then in order to fit into an orbit around a nucleus, the size of the orbit must correspond to a whole number of wavelengths. Notice also that this means the electron does not exist at one single spot in its orbit, it has a wave nature and exists at all places in the allow
13、ed orbit. Thus, a physicist speaks of allowed orbits and allowed transitions to produce particular photons (that make up the fingerprint pattern of spectral lines). And the Bohr atom really looks like the following diagram。 m=hv/c2 -测不准原理，质量和动量不能够同时精确测定。量子领域的现象必须通过实验才能了解，可是实验总是会对对象有干预。比如说一个黑屋子里面有一个球
14、，现在我们来问这个球在什么位置，当然我们不知道在什么位置，因为屋子太黑了我们看不见。为了知道它在什么位置我必须把灯打开。可是把灯一打开之后，那个灯的光线就对那个球产生作用。 In principle, all of atomic and molecular physics, including the structure of atoms and their dynamics, the periodic table of elements and their chemical behavior, as well as the spectroscopic, electrical, and oth
15、er physical properties of atoms and molecules, can be accounted for by quantum mechanics fundamental science. 玻尔冲破经典物理理论的藩篱, 提出了一个全新的原子结构和辐射理论。对此, 爱因斯坦高度评价： “ 这是思想领域中最高的音乐神韵。 ”。 这与他大胆的创新意识和独特的思维特点是分不开的。追寻玻尔科学发现的思想足迹, 可以看出, 玻尔的创新思维至少具有以下四个主要的特征：以波尔为例，看科学家创新思想的特征1. 开放性特征：以实验现象为依据，而非已有理论。2. 批判性特征：善于发现已
16、有理论可能的缺陷。3. 辩证性特征：将相互矛盾的两个理论有效的结合起来。4. 非逻辑特征：靠直觉将电子辐射与电子的两种状态联系起来。 启示：打破传统的勇气、直觉的重要性、容忍不足的存在物理学革命中的另一场革命-相对论革命 爱因斯坦曾经跟卓别林说，为什么所有人都喜欢你，是因为他们都理解你；为什么所有人都喜欢我，是因为他们都不理解我。 卓别林 爱因斯坦狭义相对论 同时性的相对性 对对于一个参照系中的观观察者来说说是同时时的，对对另一个参 照系的观观察者就不是同时时的。即现实现实 中很难难有确定绝对绝对 的同时时存在。惯性系之间完全等价，不可区分。 广义相对论：时间和空间都不是绝对的。这 就是”尺缩钟慢“。在不同的参照系里的人看来， 尺子的长度是不一样的。一个运动的尺子会比在 静止时短，这个叫尺缩；运动的钟要慢一点，这 是钟慢。如果一个人运动，另一个人不运动，谁 会变年轻？答案是经加速的人年轻。理解这个问 题，需要爱因
