文科物理-第1章 物理学文化第2节物理学思想与物理学方法

1、1第一章第一章 物理学文化物理学文化第二节第二节 物理学思想与物理学方法物理学思想与物理学方法一、物理学思想一、物理学思想二、物理学方法二、物理学方法 2一、物理学思想一、物理学思想v什么是物理学思想？什么是物理学思想？v所谓物理学思想就是研究物质的运动形式、内在规所谓物理学思想就是研究物质的运动形式、内在规律和物质基本结构的客观存在反映在人的意识中经律和物质基本结构的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的结果。这种思维活动是人的一过思维活动而产生的结果。这种思维活动是人的一种精神活动，是从社会实践中产生并经过社会实践种精神活动，是从社会实践中产生并经过社会实践检验的科学思想。检验的科学

2、思想。v物理学思想很多且深刻，对于文科类学生，给他们物理学思想很多且深刻，对于文科类学生，给他们传授关于传授关于物质的本性、时空观、量子观、对称与守物质的本性、时空观、量子观、对称与守恒定律的关系恒定律的关系的物理学思想是最基本、最必不可少的物理学思想是最基本、最必不可少的。的。31、原子：物质（实物）的本性、原子：物质（实物）的本性v如果在某次灾难中，所有科学知识都将被毁灭，如果在某次灾难中，所有科学知识都将被毁灭，只有一句话能传递给后来的智能生物。那么，只有一句话能传递给后来的智能生物。那么，一句什么样的话能够以最少的语言包含最多的一句什么样的话能够以最少的语言包含最多的信息呢？我相信那就

3、是原子假说（或原子事实，信息呢？我相信那就是原子假说（或原子事实，或者随便你叫它什么名字）。即万物皆由原子或者随便你叫它什么名字）。即万物皆由原子构成，原子是一种小粒子，他们永不停息地四构成，原子是一种小粒子，他们永不停息地四处运动，当它们分开一个小距离时就彼此相吸，处运动，当它们分开一个小距离时就彼此相吸，而被挤到一起时则相互排斥。只要稍微的仔细而被挤到一起时则相互排斥。只要稍微的仔细思考，这一句话里，包含着关于这个世界的极思考，这一句话里，包含着关于这个世界的极大量的信息。大量的信息。 （美）理查德（美）理查德费茵曼费茵曼4物质的本性物质的本性v古今中外，无数的哲学家、思想家们都想要古今中

4、外，无数的哲学家、思想家们都想要对万物溯本求源对万物溯本求源, ,即关于物质（实物）的本即关于物质（实物）的本性的问题。所谓物质，就是像木头、石块、性的问题。所谓物质，就是像木头、石块、水、泥土、塑料、金属这些材料的实体。如水、泥土、塑料、金属这些材料的实体。如何回答万物的本原？或者说物质是什么？这何回答万物的本原？或者说物质是什么？这个问题，从文明之初到个问题，从文明之初到19051905年爱因斯坦关于年爱因斯坦关于布朗运动的解释工作，结束科学家们对原子布朗运动的解释工作，结束科学家们对原子论的质疑，跨越近论的质疑，跨越近25002500多年。多年。5 物质的本性物质的本性v古希腊最早的思想

5、家、科学家、哲学家泰勒斯古希腊最早的思想家、科学家、哲学家泰勒斯（ThalesThales，约公元前，约公元前624-624-公元前公元前547547年）提出：年）提出：“万物源于水万物源于水”的观点。的观点。v其后，希腊人发展了其后，希腊人发展了“四根说四根说”，认为土、水、，认为土、水、气、火四种元素组成万物。气、火四种元素组成万物。v中国古代的中国古代的“五行说五行说”那样，用金、木、水、那样，用金、木、水、火、土五种常见的物质来说明万物的本源。火、土五种常见的物质来说明万物的本源。v公元前四世纪，古希腊思想家、哲学家德谟克公元前四世纪，古希腊思想家、哲学家德谟克利特（利特（Democr

6、itusDemocritus，公元前，公元前460-460-公元前公元前371371）用）用原子论的观点阐明了他对物质本性的看法。原子论的观点阐明了他对物质本性的看法。6 物质的本性物质的本性v我们怎么才知道万物由原子构成的呢？我们怎么才知道万物由原子构成的呢？v德谟克利特间接地论证说，因为我们能够在远处闻德谟克利特间接地论证说，因为我们能够在远处闻到面包香味，所以小的面包粒子一定从面包上脱落到面包香味，所以小的面包粒子一定从面包上脱落下来飘进了我们的鼻孔。下来飘进了我们的鼻孔。v英国物理学家和化学家约翰英国物理学家和化学家约翰道尔顿（公元道尔顿（公元17661766公元公元18441844）

7、，在），在1919世纪初把原子假说引入了科学主世纪初把原子假说引入了科学主流，发现了关于原子的第一例特别的证据。道尔顿流，发现了关于原子的第一例特别的证据。道尔顿注意到，注意到，当甲、乙两种元素相互当甲、乙两种元素相互化合化合，能生成几种，能生成几种不同的不同的化合物化合物时，则在这些化合物中，与一定量甲时，则在这些化合物中，与一定量甲元素相化合的乙元素的质量必互成简单的元素相化合的乙元素的质量必互成简单的整数整数比。比。这个规律叫做倍比定律。这个规律叫做倍比定律。 7物质的本性物质的本性v英国植物学家罗伯特英国植物学家罗伯特布朗（布朗（Robert Robert BrownBrown，177

8、31773年年1212月月2121日日18581858年年6 6月月1010日）用显微镜观察到悬浮在液体中的花粉日）用显微镜观察到悬浮在液体中的花粉小颗粒无规则地动来动去，这种微小颗粒小颗粒无规则地动来动去，这种微小颗粒物体在液体中的无规则的运动称为布朗运物体在液体中的无规则的运动称为布朗运动。动。v后来，人们根据原子论提出了新的看后来，人们根据原子论提出了新的看法，认为原子在不停地运动，而布朗运动法，认为原子在不停地运动，而布朗运动就是因为花粉颗粒或尘埃颗粒不断受到大就是因为花粉颗粒或尘埃颗粒不断受到大量运动着的原子冲撞所产生。量运动着的原子冲撞所产生。8 物质的本性物质的本性v190519

9、05年，当时还不为人所熟知的年轻的物理学家年，当时还不为人所熟知的年轻的物理学家爱因斯坦的研究有力地支持了这种假说。爱因斯坦的研究有力地支持了这种假说。v他运用已经建立的理论，计算了像尘埃颗粒这样他运用已经建立的理论，计算了像尘埃颗粒这样的粒子受到运动原子的随机撞击会怎样乱冲乱撞的粒子受到运动原子的随机撞击会怎样乱冲乱撞的情况，并给出了几个定量的（数值的）预言。的情况，并给出了几个定量的（数值的）预言。例如，尘埃颗粒聚集物由于液体中的无规则碰撞例如，尘埃颗粒聚集物由于液体中的无规则碰撞而散开的速率。这样的预言是能够通过测量检验而散开的速率。这样的预言是能够通过测量检验的，而测量结果与爱因斯坦的

10、预言相符。的，而测量结果与爱因斯坦的预言相符。v这种以实验测量为基础的证据无可争辩，从而在这种以实验测量为基础的证据无可争辩，从而在爱因斯坦的这一工作之后，科学家们不再对原子爱因斯坦的这一工作之后，科学家们不再对原子论提出质疑。论提出质疑。9 物质的本性物质的本性v我们能看到原子吗？我们能看到原子吗？v19701970年，科学家研制出了一种可以显现年，科学家研制出了一种可以显现更微小物体影像的仪器更微小物体影像的仪器扫描电子显微扫描电子显微镜（镜（Scanning Electron MicroscopeScanning Electron Microscope）, ,简称扫描电镜（简称扫描电镜（

11、SEMSEM）. .当扫描电子显微镜的电子束扫过单个原子时，电子束当扫描电子显微镜的电子束扫过单个原子时，电子束的的物质波受到扰动。受扰动的物质波可以由仪器检测，物质波受到扰动。受扰动的物质波可以由仪器检测，该该仪器收集并记录电子产生的图样，从而产生样品表面仪器收集并记录电子产生的图样，从而产生样品表面的的高分辨率图像，且图像呈三维，被用来鉴定样品的表高分辨率图像，且图像呈三维，被用来鉴定样品的表面面结构。上图显示了在扫描电镜下石墨烯由碳原子组成结构。上图显示了在扫描电镜下石墨烯由碳原子组成的的六边形结构。六边形结构。10 物质的本性物质的本性v扫描隧穿显微镜（扫描隧穿显微镜（Scanning

12、 Tunneling Scanning Tunneling MicroscopyMicroscopy，简写为，简写为STMSTM），问世于），问世于19831983年。年。v作为一种扫描探针显微术工具，通过它人们终于可作为一种扫描探针显微术工具，通过它人们终于可以观察、定位、移动单个原子。以观察、定位、移动单个原子。v19901990年，国际商用机器公司年，国际商用机器公司（IBMIBM）的科学家拾取了）的科学家拾取了3535个单个个单个的氙原子并将它们重新排列在金属的氙原子并将它们重新排列在金属镍的表面上，拼写出实验室的名称。镍的表面上，拼写出实验室的名称。v下图显示了用扫描隧穿显微镜下图显

13、示了用扫描隧穿显微镜观察到的单个钴原子在观察到的单个钴原子在CuCu表面上表面上的形貌影像，就像德谟克利特曾经想象过的那样。的形貌影像，就像德谟克利特曾经想象过的那样。112、时空观、时空观v何谓时空观？何谓时空观？v所谓时空观，是指对时间和空间的看法或观点。所谓时空观，是指对时间和空间的看法或观点。v在哲学家看来，空间和时间是物质存在的两种基在哲学家看来，空间和时间是物质存在的两种基本形式：本形式：空间是物质存在广延性和伸张性的表现，空间是物质存在广延性和伸张性的表现，时间是物质运动持续性和顺序性的表现。时间是物质运动持续性和顺序性的表现。v简单的说，空间是物质存在的简单的说，空间是物质存在

14、的“广延广延”属性，时属性，时间是物质存在的间是物质存在的“持续持续”属性。他们都是物质存属性。他们都是物质存在的属性，但它们的关系不是简单的比例关系也在的属性，但它们的关系不是简单的比例关系也不是简单的转换关系，它们是以物质存在为前提不是简单的转换关系，它们是以物质存在为前提的，抛开物质存在来谈论空间和时间是没有意义的，抛开物质存在来谈论空间和时间是没有意义的。的。12 时空观时空观v空间用以描述物体的位形，时间用以描述空间用以描述物体的位形，时间用以描述事件之间的先后顺序。空间和时间的物理事件之间的先后顺序。空间和时间的物理性质主要通过它们与物体运动的各种联系性质主要通过它们与物体运动的各

15、种联系而表现出来。而表现出来。v从测量的角度讲，时间是用时钟测量出的从测量的角度讲，时间是用时钟测量出的量，而空间则是用尺子来度量的。量，而空间则是用尺子来度量的。13 时空观时空观v人们对时空的认识可以简单分为生活中直观的、朴人们对时空的认识可以简单分为生活中直观的、朴素的时空观和物理学上的时空观。素的时空观和物理学上的时空观。v生活中，我们常常会说，生活中，我们常常会说， “ “某某学校提供体育运某某学校提供体育运动的场所太小动的场所太小”、“开往北京的火车是早上开往北京的火车是早上8 8点发点发车车”、“一节课是一节课是4040分钟分钟”等。这就是生活中的直等。这就是生活中的直观的、朴素

16、的时空观。观的、朴素的时空观。v物理学上的时空观指的是人们对时间和空间的物理物理学上的时空观指的是人们对时间和空间的物理特性的一种认识，这种认识是不依赖于人们的感觉特性的一种认识，这种认识是不依赖于人们的感觉经验判断的，在一定意义上被看作客观存在的物质经验判断的，在一定意义上被看作客观存在的物质性的反映。性的反映。v经典力学阶段、狭义相对论阶段及广义相对论阶段。经典力学阶段、狭义相对论阶段及广义相对论阶段。14 经典力学时空观经典力学时空观v在经典力学中，空间和时间的本性被认为是在经典力学中，空间和时间的本性被认为是与任何物体及运动无关的，存在着绝对空间与任何物体及运动无关的，存在着绝对空间和

17、绝对时间。和绝对时间。v即空间是绝对的，时间也是绝对的。即空间是绝对的，时间也是绝对的。v牛顿在牛顿在自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理中对绝对空中对绝对空间和绝对时间是这么定义的：间和绝对时间是这么定义的：“绝对的空间，绝对的空间，就其本性来说，与外界任何事物无关，永远就其本性来说，与外界任何事物无关，永远是相同的和不动的是相同的和不动的”。v“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何外着，而且由于其本性而在均匀地、与任何外界事物无关地流逝着界事物无关地流逝着”。15 经典力学时空观经典力学时空观v牛顿的时空图景是，既然存

18、在一个容纳万事牛顿的时空图景是，既然存在一个容纳万事万物的绝对空间，那么当我们观察宇宙运动万物的绝对空间，那么当我们观察宇宙运动图像时，在可被选择的无数个参考系中，必图像时，在可被选择的无数个参考系中，必然有一个参考系和绝对空间保持静止，称之然有一个参考系和绝对空间保持静止，称之为绝对参考系，这个绝对参考系具有优先地为绝对参考系，这个绝对参考系具有优先地位。位。16 狭义相对论时空观狭义相对论时空观v爱因斯坦在狭义相对论中提出不存在绝对的、孤爱因斯坦在狭义相对论中提出不存在绝对的、孤立的空间和时间，两者是一个统一整体，不可分立的空间和时间，两者是一个统一整体，不可分割。割。v空间和时间不是绝对

19、的，而是与相对于观察者所空间和时间不是绝对的，而是与相对于观察者所在的参考系而言的，空间和时间都是相对的。在的参考系而言的，空间和时间都是相对的。v空间会因为物体的运动变得使长度收缩，物体运空间会因为物体的运动变得使长度收缩，物体运动得越快，其长度收缩得越明显。与之对应，时动得越快，其长度收缩得越明显。与之对应，时间会因为物体的运动而延缓，即时间变慢了，或间会因为物体的运动而延缓，即时间变慢了，或者说时间膨胀了，物体运动越快，时间延缓越显者说时间膨胀了，物体运动越快，时间延缓越显著。著。v同时性也是相对的，即在一个参考系中被认为是同时性也是相对的，即在一个参考系中被认为是同时发生的两个事件，会

20、因为这个参考系的运动，同时发生的两个事件，会因为这个参考系的运动，在另一个参考系中看来不是同时发生。在另一个参考系中看来不是同时发生。17 广义相对论时空观广义相对论时空观v广义相对性原理广义相对性原理在广义相对论中，爱在广义相对论中，爱因斯坦放弃了惯性系的优越地位，把相对因斯坦放弃了惯性系的优越地位，把相对性原理从惯性系推广到非惯性系，即物理性原理从惯性系推广到非惯性系，即物理定律在任何参考系中都相同，爱因斯坦称定律在任何参考系中都相同，爱因斯坦称之为广义相对论的相对性原理。之为广义相对论的相对性原理。v等效原理等效原理引力场中的一个静止参考系引力场中的一个静止参考系与自由空间中一个加速运动

21、的参考系是等与自由空间中一个加速运动的参考系是等效的，即加速参考系等效于引力场。效的，即加速参考系等效于引力场。18 广义相对论时空观广义相对论时空观v这样，爱因斯坦在狭义相对论的相对时空观上，又这样，爱因斯坦在狭义相对论的相对时空观上，又加进了几何学内容，用几何学代替了重力。于是，加进了几何学内容，用几何学代替了重力。于是，惯性参考系和非惯性参考系之间不再存在任何物理惯性参考系和非惯性参考系之间不再存在任何物理学上的实质性区别，只有几何学上的区别。学上的实质性区别，只有几何学上的区别。v由此我们看到，广义相对论由两条基本原理，揭示由此我们看到，广义相对论由两条基本原理，揭示出在非惯性系中重力

22、的相对性，与此相联系的是时出在非惯性系中重力的相对性，与此相联系的是时空的几何弯曲。换句话说，时空弯曲了。空的几何弯曲。换句话说，时空弯曲了。v广义相对论最一般地讨论了时空、物质、运动之间广义相对论最一般地讨论了时空、物质、运动之间的关系，如果说狭义相对论以相对时空观取代了绝的关系，如果说狭义相对论以相对时空观取代了绝对时空观，则广义相对论又进一步以弯曲时空取代对时空观，则广义相对论又进一步以弯曲时空取代了平直时空。了平直时空。193、物质观的革命、物质观的革命量子观念量子观念v1900年，德国物理学家普朗克为了解决黑体辐年，德国物理学家普朗克为了解决黑体辐射经典理论与实验不符的问题，不得不放

23、弃能射经典理论与实验不符的问题，不得不放弃能量连续性这个概念，而提出能量量子化即量连续性这个概念，而提出能量量子化即“能能量子量子”这个崭新的概念。这个崭新的概念。v1900年年12月月14日普朗克在德国物理学会上提日普朗克在德国物理学会上提出这样的假设：辐射的能量不再连续变化，而出这样的假设：辐射的能量不再连续变化，而是以一个能量的基本单元，即一份一份的能量是以一个能量的基本单元，即一份一份的能量为单位改变的，这个能量的基本单元就是为单位改变的，这个能量的基本单元就是“能能量子量子”，能量只能是能量子的整数倍。也就是，能量只能是能量子的整数倍。也就是说，能量的辐射或吸收只能以能量子为基本单说

24、，能量的辐射或吸收只能以能量子为基本单位一份一份地进行。位一份一份地进行。20 物质观的革命物质观的革命量子观念量子观念v1905年，爱因斯坦把量子概念引进光的传播过年，爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程，提出程，提出“光量子光量子”（光子）的概念，成功解释（光子）的概念，成功解释了困扰人的光电效应，并进一步提出光同时具有了困扰人的光电效应，并进一步提出光同时具有波动和粒子的性质，即光的波动和粒子的性质，即光的“波粒二象性波粒二象性”。v法国物理学家德布罗意提出法国物理学家德布罗意提出“物质波物质波”概念，即概念，即一切物质粒子均具备波粒二象性；一切物质粒子均具备波粒二象性；v德国物理学家海森

25、伯等人建立了量子矩阵理论；德国物理学家海森伯等人建立了量子矩阵理论；奥地利物理学家薛定谔建立了量子波动理论；奥地利物理学家薛定谔建立了量子波动理论；v1928年，英国物理学家狄拉克完成了矩阵理论年，英国物理学家狄拉克完成了矩阵理论和波动理论之间的数学转换，对量子理论进行了和波动理论之间的数学转换，对量子理论进行了系统的总结。系统的总结。21 物质观的革命物质观的革命量子观念量子观念v能量量子化思想是能量量子化思想是2020世纪最具革命性的物理学思想世纪最具革命性的物理学思想之一，因为由此引发而建立的量子理论带给人们的之一，因为由此引发而建立的量子理论带给人们的不仅是对物质世界结构的新的认识，而

26、且是思维方不仅是对物质世界结构的新的认识，而且是思维方式的根本变革。式的根本变革。v例如，微观粒子运动演化概率性因果观的思想；在例如，微观粒子运动演化概率性因果观的思想；在测量物理量时测量仪器和被测量客体相互作用的思测量物理量时测量仪器和被测量客体相互作用的思想；微观粒子的物理量呈现想；微观粒子的物理量呈现“量子化量子化”分立值的思分立值的思想；测量微观粒子位置和动量时满足的不确定性关想；测量微观粒子位置和动量时满足的不确定性关系的思想等等。系的思想等等。v然而检验这些思想观点是否正确的有力证据是实验然而检验这些思想观点是否正确的有力证据是实验结果，而不是生活经验，也不是经典物理学的现有结果，

27、而不是生活经验，也不是经典物理学的现有结论。当然，以上这些思想观点都结论。当然，以上这些思想观点都一一一一得到了实验得到了实验的证实。的证实。224、对称性与物理定律、对称性与物理定律v 物理学在物理学在20世纪取得了令人惊讶的成世纪取得了令人惊讶的成功。它改变了我们对空间和时间、存在功。它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们描述自然和认识的看法，也改变了我们描述自然的基本语言。在本世纪行将结束之际，的基本语言。在本世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的崭新看法。在我们已拥有一个对宇宙的崭新看法。在这个新的宇宙观中，物质已失去了它原这个新的宇宙观中，物质已失去了它原来的中心

28、地位，取而代之的是自然界的来的中心地位，取而代之的是自然界的对称性。对称性。 （美）斯蒂芬（美）斯蒂芬温伯格温伯格23 对称性与物理定律对称性与物理定律v对称性对称性自然界的一项美学原则，是人们自然界的一项美学原则，是人们观察客观事物形体上的特征而形成的认识。观察客观事物形体上的特征而形成的认识。v例如正六边形具有六角对称，一个平面圆形具有轴对称，例如正六边形具有六角对称，一个平面圆形具有轴对称，人体具有左右对称，一条连续的花边具有平移对称，其他人体具有左右对称，一条连续的花边具有平移对称，其他还有镜像对称等等。还有镜像对称等等。v对称性的精确数学定义涉及不变性的概念，如果一个几何对称性的精确

29、数学定义涉及不变性的概念，如果一个几何图形在某些操作下保持不变，就说这个图形在这些操作下图形在某些操作下保持不变，就说这个图形在这些操作下具有不变性。例如圆形在绕它的中心转动任意角度，形状具有不变性。例如圆形在绕它的中心转动任意角度，形状都不会变，而正方形就不一样，只有绕它的中心转动都不会变，而正方形就不一样，只有绕它的中心转动90、180、270、360时才保持不变。因此，我们时才保持不变。因此，我们说，圆形的对称性比正方形高。同理，正方形的对称性比说，圆形的对称性比正方形高。同理，正方形的对称性比矩形的高。矩形的高。24 对称性与物理定律对称性与物理定律v能量守恒定律、动量守恒定律、角动量

30、守恒能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律等这样的规律，为什么最为基本，最为定律等这样的规律，为什么最为基本，最为普遍，适用范围最为广泛？普遍，适用范围最为广泛？v它们和对称性是否存在着某种联系呢？它们和对称性是否存在着某种联系呢？v为此，先了解一下时间和空间所具有的某些为此，先了解一下时间和空间所具有的某些基本特性，它们分别表现为时间的均匀性、基本特性，它们分别表现为时间的均匀性、空间的均匀性及空间方向的均匀性。空间的均匀性及空间方向的均匀性。25 对称性与物理定律对称性与物理定律v时间的均匀性：古往今来的物理现象应该服时间的均匀性：古往今来的物理现象应该服从相同的客观规律。从相同的客观

31、规律。v例如牛顿时代所做的一个物理实验，我们今天重复去做，得例如牛顿时代所做的一个物理实验，我们今天重复去做，得出的还是同一结果。出的还是同一结果。v因此时间的均匀性意味着：因此时间的均匀性意味着：当时间的计算起点移动时，物理当时间的计算起点移动时，物理规律规律(表现为运动方程表现为运动方程)的具体形式不会改变的具体形式不会改变。通常又说物理。通常又说物理规律对于时间平移变换具有不变性，也就是说在一个具体的规律对于时间平移变换具有不变性，也就是说在一个具体的物理规律中，如把时间变量进行平移变换，所得的结果不变。物理规律中，如把时间变量进行平移变换，所得的结果不变。所以，这种不变性表明，不同的时

32、刻在物理规律上是等价的。所以，这种不变性表明，不同的时刻在物理规律上是等价的。从这个意义上说，我们看到了时间的对称性。从这个意义上说，我们看到了时间的对称性。26 对称性与物理定律对称性与物理定律v空间方向的均匀性：在空间任何方向上所发空间方向的均匀性：在空间任何方向上所发生的物理现象，都服从相同的客观规律。生的物理现象，都服从相同的客观规律。v因此空间方向的均匀性因此空间方向的均匀性 (或或“空间的各向同性空间的各向同性”)意味意味着，当坐标轴转过一定角度后，物理规律的具体形式着，当坐标轴转过一定角度后，物理规律的具体形式不会改变，或者说不会改变，或者说物理规律对于空间方向转动下的坐物理规律

33、对于空间方向转动下的坐标变换具有不变性标变换具有不变性。这种不变性表明了物理空间中的。这种不变性表明了物理空间中的一切方向都是等价的，可以说我们看到了空间方向的一切方向都是等价的，可以说我们看到了空间方向的对称性。对称性。27 对称性与物理定律对称性与物理定律v空间的均匀性：空间各处的物理现象应服从相同空间的均匀性：空间各处的物理现象应服从相同的客观规律。的客观规律。v如果物理条件相同，同一物理实验无论放在哪里做，比如果物理条件相同，同一物理实验无论放在哪里做，比如北京或是上海，都会得到相同结果。如北京或是上海，都会得到相同结果。v因此空间的均匀性意味着：当坐标原点移动时，物理规因此空间的均匀

34、性意味着：当坐标原点移动时，物理规律律(表现为运动方程表现为运动方程)的具体形式不会改变。也可以表述的具体形式不会改变。也可以表述为：物理规律对于空间（具体表现为坐标）平移变换具为：物理规律对于空间（具体表现为坐标）平移变换具有不变性。因此这种不变性表明物理空间中一切点都是有不变性。因此这种不变性表明物理空间中一切点都是等价的，由此我们看到了空间的对称性。等价的，由此我们看到了空间的对称性。28 对称性与物理定律对称性与物理定律v最先注意到对称性与某种守恒量相联系的人是最先注意到对称性与某种守恒量相联系的人是德国女数德国女数学家诺特尔学家诺特尔。v诺特尔定律：作用量的每一种对称性必定存在诺特尔

35、定律：作用量的每一种对称性必定存在一个守恒量与之对应。一个守恒量与之对应。v物理规律在时间平移、空间平移及空间旋转变换下的不物理规律在时间平移、空间平移及空间旋转变换下的不变性，分别对应于时间、空间以及空间方向的对称性。变性，分别对应于时间、空间以及空间方向的对称性。而从时间的均匀性、空间的均匀性及空间方向的均匀性而从时间的均匀性、空间的均匀性及空间方向的均匀性（空间的各向同性）这些对称性出发，经过严谨的推理，（空间的各向同性）这些对称性出发，经过严谨的推理，就可以导出能量守恒定律、动量守恒定律和角动量守恒就可以导出能量守恒定律、动量守恒定律和角动量守恒定律。换句话说，定律。换句话说，能量守恒

36、是时间平移不变性的结果能量守恒是时间平移不变性的结果，动量守恒是空间平移不变性的结果动量守恒是空间平移不变性的结果，角动量守恒是空间角动量守恒是空间旋转不变性的结果旋转不变性的结果。29二、物理学方法二、物理学方法v什么是物理学方法？什么是物理学方法？v所谓物理学方法，它是指通过对物理现象和所谓物理学方法，它是指通过对物理现象和物理规律的认识，借助科学语言和数学公式，物理规律的认识，借助科学语言和数学公式，以严密的逻辑性和系统性所体现的、隐藏在以严密的逻辑性和系统性所体现的、隐藏在物理学定律和定理背后的关于对物质世界的物理学定律和定理背后的关于对物质世界的基本观念和理解，透过这种理解而反映出对

37、基本观念和理解，透过这种理解而反映出对自然界的深刻认识的根本方法。自然界的深刻认识的根本方法。301、以思辨方式为主的逻辑方法、以思辨方式为主的逻辑方法v逻辑方法是人们在逻辑思维过程中，根据现实逻辑方法是人们在逻辑思维过程中，根据现实材料，按照逻辑思维的规律和规则，形成概念材料，按照逻辑思维的规律和规则，形成概念并做出判断和进行推理的方法。逻辑方法是科并做出判断和进行推理的方法。逻辑方法是科学研究中的理性方法，也是人们正确表述思想学研究中的理性方法，也是人们正确表述思想和互相交流必不可少的一种思维方法。和互相交流必不可少的一种思维方法。v最先开创逻辑方法的人是古希腊思想家、哲学家泰勒斯。最先开

38、创逻辑方法的人是古希腊思想家、哲学家泰勒斯。v之后，柏拉图建立了以之后，柏拉图建立了以“理念论理念论”为核心的客观唯心主为核心的客观唯心主义体系。义体系。v亚里士多德关于逻辑学的大部分论著汇集在他的著作亚里士多德关于逻辑学的大部分论著汇集在他的著作工具论工具论中，其中最知名的内容就是他关于中，其中最知名的内容就是他关于“逻辑三逻辑三段论段论”的学说。的学说。312、以实验为主的实验、以实验为主的实验归纳归纳演绎方法演绎方法v如果说，亚里士多德的逻辑方法还是一个以思辨如果说，亚里士多德的逻辑方法还是一个以思辨为主、单纯观察为辅的方法，涉及的是关于如何为主、单纯观察为辅的方法，涉及的是关于如何进行正确思维的问题，那么，首先由罗吉尔进行正确思维的问题，那么，首先由罗吉尔 培根培根提