中学生文化物理选读

1、中学生文化物理选读中学生中学生文化物理文化物理选读选读李林李林中学生文化物理选读中学生文化物理选读第一章第一章 造化无限造化无限 妙理堪寻妙理堪寻 人类生存于地球人类生存于地球雾海上的漫游者雾海上的漫游者（弗里德里希，（弗里德里希，1818） 太平洋中一片浮叶上的蚂蚁太平洋中一片浮叶上的蚂蚁 但是但是，人类需要理解自然，得，人类需要理解自然，得到自然的法则，以我们发明的到自然的法则，以我们发明的方式表达出来，并应用于自然方式表达出来，并应用于自然，这正是物理学的范式。，这正是物理学的范式。中学生文化物理选读费因曼费因曼（Feynman 19181988）思想最空灵潇洒的物理学家思想最空灵潇洒的

2、物理学家我想知道这是为什么。我想知道这是为什么。我想知道这是为什么。我想知道这是为什么。我想知道为什么我想知道这是为什么。我想知道为什么我想知道这是为什么。我想知道究竟为什么我非要知道我想知道究竟为什么我非要知道我为什么想知道这是为什么！我为什么想知道这是为什么！ 费因曼费因曼 中学生文化物理选读 一个玩物理的人一个玩物理的人. . 一个杰出的教育家一个杰出的教育家, , 最好的大学物理教材最好的大学物理教材. . 一个表演艺术家一个表演艺术家. . 一个在一个在ToplessTopless酒吧做物理的诺贝尔奖获得者酒吧做物理的诺贝尔奖获得者 一个开锁专家一个开锁专家. . 一个空前绝后的卡片

3、机操作员一个空前绝后的卡片机操作员. . 一个特别会算积分的非数学家一个特别会算积分的非数学家. . 一个特别会捉弄数学家的狡辩者一个特别会捉弄数学家的狡辩者. . 最后的辉煌最后的辉煌 永远的传奇永远的传奇, , We love you, Dick. . 中学生文化物理选读Seminar at Caltech Richard Feynman lecturing at Caltech Seminar Day 1978 Physics. 中学生文化物理选读1.1 1.1 物理学的意义物理学的意义 我们在宇宙中的位置我们在宇宙中的位置 物理学的起源物理学的起源 物理简史物理简史中学生文化物理选读科

4、学的基本问题是：科学的基本问题是：宇宙是怎样起源的？宇宙是怎样起源的？生命是怎样起源的？生命是怎样起源的？人类的未来会怎样？人类的未来会怎样？ “世界上有两件东西能够深深地震撼世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。的星空。” ” 康德康德康德康德（I. Kant，1724-1804）中学生文化物理选读地球周长大约为地球周长大约为4万公里万公里 地地-月距离大约为月距离大约为38万万公里，光走公里，光走1秒，目前秒，目前测量误差不超过测量误差不超过8厘米厘米我们是如何知

5、道的？我们是如何知道的？中学生文化物理选读物理学有史以来最美丽的十大实验：物理学有史以来最美丽的十大实验：“最美丽最美丽”的科学之魂：的科学之魂：最简单的仪器和设备，发最简单的仪器和设备，发现了最根本的科学准则。现了最根本的科学准则。 中学生文化物理选读厄厄拉多塞拉多塞（ Eratosthenes ）在公元前三世纪估算地球周长在公元前三世纪估算地球周长(276-194 B.C. a librarian in Alexandria)地球地球周长周长 = 40000 公里 （实际：40076公里） = 714 (1/50 of 360)两两城市间距离城市间距离 = 800 公里公里实验测量决定一切

6、，是物理学基本原则。实验测量决定一切，是物理学基本原则。中学生文化物理选读太阳据地球太阳据地球一亿五千万一亿五千万公里，光从太阳到地球要走公里，光从太阳到地球要走8分多钟。分多钟。 月蚀月蚀 日蚀日蚀惟有科学才能破除迷信惟有科学才能破除迷信太阳、地球、月亮三者在空间上的关系，导致了太阳、地球、月亮三者在空间上的关系，导致了许多奇妙的自然现象许多奇妙的自然现象 中学生文化物理选读潮汐现象潮汐现象地地日日月月月月地地日日大潮大潮小潮小潮中学生文化物理选读太阳系太阳系这被评为最好的太阳系照片：构图和这些行星的颜色这被评为最好的太阳系照片：构图和这些行星的颜色都恰到好处。红色的火星、绿色天王星和天蓝色

7、海王都恰到好处。红色的火星、绿色天王星和天蓝色海王星。该图还显示了这些行星的相对大小：金星跟地球星。该图还显示了这些行星的相对大小：金星跟地球一样大，但是它处于近地点时，看起来显然比更加遥一样大，但是它处于近地点时，看起来显然比更加遥远的土星更大。更令人不可思议的是，所有这些照片远的土星更大。更令人不可思议的是，所有这些照片都是在同一天晚上拍摄的。摄影师的创造力，持之以都是在同一天晚上拍摄的。摄影师的创造力，持之以恒的态度和显而易见的激情共同成就了这幅作品。恒的态度和显而易见的激情共同成就了这幅作品。 中学生文化物理选读光年：光年：光年是宇宙学中的长度单位，意义是光以每秒光年是宇宙学中的长度单

8、位，意义是光以每秒30万公里万公里速度狂奔速度狂奔1年，所经过的距离年，所经过的距离 。太阳是银河系中至少太阳是银河系中至少1千亿（千亿（1的后的后12个个0）个恒星中的一员。）个恒星中的一员。银河系由恒星和星系物质组成银河系由恒星和星系物质组成的巨大的、盘状系统的巨大的、盘状系统，又是构，又是构成宇宙的几千亿个星系中的一成宇宙的几千亿个星系中的一个，属旋涡星系类个，属旋涡星系类 。中学生文化物理选读天界夜色凉如水天界夜色凉如水坐看牵牛织女星坐看牵牛织女星织女星织女星牛郎星牛郎星相距相距16光年光年中学生文化物理选读银河系之外又如何？宇宙究竟有多大？它在运动还是静止？银河系之外又如何？宇宙究竟

9、有多大？它在运动还是静止？ 多普勒效应：多普勒效应：C. Doppler，1803-1853 声音会在声源相对于观察者运动时发生变化：声音会在声源相对于观察者运动时发生变化：高亢代表靠近，低沉就是离远高亢代表靠近，低沉就是离远 中学生文化物理选读光也是一种波，也有类似特征，只不过光不光也是一种波，也有类似特征，只不过光不是以音调，而是以颜色来表现是以音调，而是以颜色来表现 当一个天体（光源）远离我们而去时，光谱当一个天体（光源）远离我们而去时，光谱中的颜色向红色端移动，简称中的颜色向红色端移动，简称红移红移；而接近；而接近我们时，颜色向蓝色端移动，称之我们时，颜色向蓝色端移动，称之蓝移蓝移 中

10、学生文化物理选读哈勃哈勃（P. Hubble，1889-1953）现代天文学之父现代天文学之父 从遥远星系中传来的电磁波谱，与从遥远星系中传来的电磁波谱，与地球上测量到的同种元素的光谱相地球上测量到的同种元素的光谱相比，具有比，具有红移红移现象现象为为了解释这个想象，他假设所有星系了解释这个想象，他假设所有星系都在都在远离远离我们而去（多普勒效应）。我们而去（多普勒效应）。红移红移中学生文化物理选读宇宙爆炸理论：宇宙爆炸理论：伽莫夫告诉我们伽莫夫告诉我们10-4秒秒以来宇宙发生的故事。以来宇宙发生的故事。最终的问题是：最终的问题是：宇宙从何而来？宇宙从何而来？大约在大约在140亿年前，没有空间

11、、没亿年前，没有空间、没有时间、更没有物质存在。有时间、更没有物质存在。宇宙所有的一切宇宙所有的一切从现在到宇宙从现在到宇宙创建之时的每个粒子创建之时的每个粒子全部浓缩全部浓缩在一个无限高温的在一个无限高温的“奇点奇点”中。中。能量奇点突然爆裂能量奇点突然爆裂 ，膨胀开始了，膨胀开始了时间开始了时间开始了.伽莫夫伽莫夫（Gamow 1904-1968）中学生文化物理选读能量演化出物质，包括时间和能量演化出物质，包括时间和空间、所有的基本粒子和四种空间、所有的基本粒子和四种基本力。基本力。50亿年以后，太阳系诞生了。亿年以后，太阳系诞生了。90亿年后地球诞生亿年后地球诞生140亿后（十万年前）智

12、人的亿后（十万年前）智人的出现出现2500年前哲学（不论是东方还年前哲学（不论是东方还是西方）肇始是西方）肇始400年前科学启蒙年前科学启蒙一切都是在大约煎好一个荷包一切都是在大约煎好一个荷包蛋的时间里完成蛋的时间里完成 中学生文化物理选读这个宇宙诞生和演化图这个宇宙诞生和演化图像，看似荒诞，提出时像，看似荒诞，提出时更是受到冷嘲热讽，但更是受到冷嘲热讽，但几十年来一直受到实验几十年来一直受到实验的严格检验。的严格检验。 BBCBBC电台以此图片讽刺伽莫夫打开了潘多拉黑匣子。电台以此图片讽刺伽莫夫打开了潘多拉黑匣子。中学生文化物理选读实验证据实验证据：宇宙背景辐射：宇宙背景辐射彭齐亚斯和威尔逊

13、被授予了彭齐亚斯和威尔逊被授予了1978年的诺贝尔物理学奖，年的诺贝尔物理学奖，得到了哈勃和伽莫夫都未曾得到了哈勃和伽莫夫都未曾获得的最高荣誉获得的最高荣誉 宇宙背景辐射示意图宇宙背景辐射示意图中学生文化物理选读Cosmic Background Explorer (COBE)测量结果与现在的最新理论预测量结果与现在的最新理论预言（背景温度言（背景温度2.735K2.735K）完全符）完全符合，使大爆炸理论经历了最严合，使大爆炸理论经历了最严格的实验检验。格的实验检验。 19891989年年1 1月，美国发射了一颗月，美国发射了一颗专门的宇宙背景辐射探测器专门的宇宙背景辐射探测器(COBE)

14、(COBE) 中学生文化物理选读宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏 ，科，科学家们花了一整年的时间，收集了学家们花了一整年的时间，收集了3亿个观测数据，用计算机亿个观测数据，用计算机绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图像，称之为绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图像，称之为“宇宙蛋宇宙蛋” 。热斑点对应于更密集区域，后来这些区域发展成为星系。热斑点对应于更密集区域，后来这些区域发展成为星系。中学生文化物理选读雾海上的漫游者雾海上的漫游者（弗里德里希，（弗里德里希，1818） 宇宙庞大无垠，给人一种威慑的感宇宙庞大无垠，给人一种威慑的感觉，它

15、一直深深地埋藏在人类的心觉，它一直深深地埋藏在人类的心灵中。太阳西沉，星星爬上天空，灵中。太阳西沉，星星爬上天空，由此产生了一种危险与飘忽不定的由此产生了一种危险与飘忽不定的感觉。现在都知道，星球离我们实感觉。现在都知道，星球离我们实在太远，但它们的光亮仍能激励我在太远，但它们的光亮仍能激励我们。事实上，正是们。事实上，正是星星邀请你研究星星邀请你研究自然，访问科学自然，访问科学。另外一方面，当。另外一方面，当评估了地球在宇宙格局中的地位时评估了地球在宇宙格局中的地位时，这使我们变得较为谦虚。同时，这使我们变得较为谦虚。同时，当当400400年的科学技术发展到能够审年的科学技术发展到能够审视和

16、理解宇宙结构，甚至探究她的视和理解宇宙结构，甚至探究她的起源时，我们又为人类的智慧感到起源时，我们又为人类的智慧感到自豪。自豪。 中学生文化物理选读理性主义的起源理性主义的起源我们必须从古希腊开始我们必须从古希腊开始.第一个自然哲学家第一个自然哲学家泰勒斯泰勒斯（Thales，624-567 BC）：）：“万物源于水万物源于水”追求万物的共同本源，是哲学思追求万物的共同本源，是哲学思维的开始维的开始 赫拉克利特（赫拉克利特（Heraclitus，536-470BC）火火“对立统一对立统一”；“万物皆流万物皆流”首次科学综合首次科学综合水、火、气、土水、火、气、土德漠克利德漠克利( (Democ

17、ritus 前前460-460-前前371371 ）的）的原子论原子论古希腊哲学第一个伟大时期的最高峰。古希腊哲学第一个伟大时期的最高峰。 东方东方：金、木、水、火、土金、木、水、火、土中学生文化物理选读柏拉图柏拉图(427-347BC）世界分成两大部分：世界分成两大部分：可见的世界和理念可见的世界和理念的世界。的世界。理念的世界则不依赖于时空理念的世界则不依赖于时空 , ,是永恒不变的、真正的实在是永恒不变的、真正的实在 ；可见的；可见的世界世界“一切皆变，无物常在一切皆变，无物常在” ” 。强调必须从人类需要和意向中先验论强调必须从人类需要和意向中先验论出发，来推导出对自然的看法；出发，来

18、推导出对自然的看法； 神是好的，球是最完美的形式，因此神是好的，球是最完美的形式，因此宇宙必然是球体；宇宙必然是球体； 实验是渎神的，是下流的机械技术实验是渎神的，是下流的机械技术 ；艺术乃人类灵魂的大敌，提出理念世艺术乃人类灵魂的大敌，提出理念世界必须拒斥艺术。界必须拒斥艺术。 怀疑论和神秘主义结怀疑论和神秘主义结合到一起，成就了一合到一起，成就了一个伟大的唯心主义哲个伟大的唯心主义哲学家。学家。整部西方哲学史都是整部西方哲学史都是在为柏拉图做注脚。在为柏拉图做注脚。 中学生文化物理选读哲学活动只关涉哲学活动只关涉惟一惟一的一个世界，也就是人类的一个世界，也就是人类生活和经验的世界。为了把握

19、世界的真理，必生活和经验的世界。为了把握世界的真理，必须重视须重视感性经验。感性经验。“我爱我师，我更爱真理我爱我师，我更爱真理” 哲学的目的在于找出哲学的目的在于找出事物的本性和原因事物的本性和原因，因而，因而发展了一套发展了一套“物理学物理学”，以穷事物之道理。，以穷事物之道理。逻辑学、物理学、政治学、经济学、心理学、逻辑学、物理学、政治学、经济学、心理学、形而上学、气象学、修辞学和伦理学形而上学、气象学、修辞学和伦理学的的奠基人奠基人。他让他让人类开始理解能量、以太、动因、归纳、人类开始理解能量、以太、动因、归纳、证明、实质、属性、本质、逻辑、偶因、范畴证明、实质、属性、本质、逻辑、偶因

20、、范畴等等等等概念概念 三段论法三段论法的发现，就足以使他永垂不朽。的发现，就足以使他永垂不朽。亚里士多德亚里士多德(Aristotle, 384 - 322 B.C.)“智者的老师智者的老师” 但丁但丁 中学生文化物理选读庄子曰：庄子曰：“析万物之理析万物之理”。就是物理学的目的和意义。就是物理学的目的和意义 中国的理性自然观：中国的理性自然观：格物致知格物致知 ；天人合一；天人合一 ；阴阳太极；阴阳太极 中国文化传统中的宇宙观：中国文化传统中的宇宙观：宇宙的概念宇宙的概念： “四方上下曰宇，往古来今曰宙四方上下曰宇，往古来今曰宙” 宇宙进化论宇宙进化论：“道生一，一生二，二生三，三生万物道

21、生一，一生二，二生三，三生万物” “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦” “万物生于有，有生于无万物生于有，有生于无”中学生文化物理选读不论东方还是西方，哲学都是思辩不论东方还是西方，哲学都是思辩物理学从物理学从哲学中独哲学中独立出来立出来科学方法论科学方法论实验研究实验研究逻辑思考逻辑思考抽象模型抽象模型数量分析数量分析统一法则统一法则中学生文化物理选读斯诺（斯诺（C.P. Snow，1905-1980），物理学家出身，后），物理学家出身，后来从文，作过政府顾问，一来从文，作过政府顾问，一生丰富多彩，犹喜论战。生丰富多彩，犹喜论战。 两种文化两种文化人文文化

22、人文文化文学知识分子文学知识分子 科学文化科学文化科学家科学家 矛矛盾盾敌敌意意为什么要开设为什么要开设“文文化化物理物理”？中学生文化物理选读斯诺说：斯诺说：“人文学者对于不读莎士比亚的科学人文学者对于不读莎士比亚的科学家嗤之以鼻，但是，不懂家嗤之以鼻，但是，不懂“热力学第二定律热力学第二定律”的艺术家和文学家自己不是常常伊于胡底？的艺术家和文学家自己不是常常伊于胡底？” In effect, that their lack of knowledge of the second law of thermodynamics was equivalent to scientists not ev

23、er reading a work of Shakespeare .中学生文化物理选读人文文化人文文化是关于精神世是关于精神世界的，主要是满足精神世界界的，主要是满足精神世界与社会需要的终极关怀，主与社会需要的终极关怀，主要是求善，追求具有普适价要是求善，追求具有普适价值观的人文精神。值观的人文精神。科学文化科学文化是关于客观世界是关于客观世界的，追求的目标是以科学的方的，追求的目标是以科学的方法认知自然界及其本质与规律，法认知自然界及其本质与规律，科学的求真精神贯穿科学文化科学的求真精神贯穿科学文化始终。始终。共同基础：共同基础：同源于实践，同源于人脑同源于实践，同源于人脑 源于实践，生于大

24、脑；形成经验，凝成知识，差于形态源于实践，生于大脑；形成经验，凝成知识，差于形态，异于功能；通于思维，补于方法，融于精神，升于境，异于功能；通于思维，补于方法，融于精神，升于境界；浑成整体，不可分割，互动互融，止于至善。界；浑成整体，不可分割，互动互融，止于至善。中学生文化物理选读 我们这门课的主要目的，不是叫你我们这门课的主要目的，不是叫你们如何应付考试，甚至不是让你们们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识掌握这些知识我希望的是，我希望的是，。物理学家物理学家们看待这个世界的方式，我相信，们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。

25、也许，你们学会的不仅主要部分。也许，你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿愿意参加到这个人类思想诞生以来最意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。伟大的探索中来。中学生文化物理选读 千禧之年，加拿大的千禧之年，加拿大的环球邮报环球邮报、美国新、美国新闻周刊和英国闻周刊和英国BBCBBC等等1010几家世界级大媒体作了一次几家世界级大媒体作了一次调查，请世界各国的读者评选，从公元调查，请世界各国的读者评选，从公元10011001年至今，年至今，10001000年来对整个世界影响最大的年来对整个世界影响最大的100100位名人。位名人。NoNoNoNoYes

26、拿破仑拿破仑华盛顿华盛顿莎士比亚莎士比亚比尔比尔 盖茨盖茨爱因斯坦爱因斯坦中学生文化物理选读细看物理愁如海，细看物理愁如海， 遥想朋从眼欲花。遥想朋从眼欲花。逆水雨儿冲断岸，逆水雨儿冲断岸， 贪泥燕子堕危沙。贪泥燕子堕危沙。百年乔木参天上，一昔平芜着处佳。百年乔木参天上，一昔平芜着处佳。行乐不妨随邂逅，我无官守似蚳蛙。行乐不妨随邂逅，我无官守似蚳蛙。 陈傅良（陈傅良（ 宋宋, 1137-1203）一片花飞减却春，风飘万点正愁人。一片花飞减却春，风飘万点正愁人。且看欲尽花经眼，莫厌伤多酒入唇。且看欲尽花经眼，莫厌伤多酒入唇。江上小堂巢翡翠，苑边高冢卧麒麟。江上小堂巢翡翠，苑边高冢卧麒麟。细推物理须行乐，何用浮名绊此身。细推物理须行乐，何用浮名绊此身。 杜甫杜甫( ( 唐唐，712-770 )712-770 )礼记礼记大学大学中学生文化物理选读什么是物理学？什么是物理学？为什么要学习物理学？为什么要学习物理学？物理学是最基础的关于自然的学问，物理学是最基础的关于自然的学问，因此是最具有诗意的科学。因此是最具有诗意的科学。 霍金霍金（S. Hawking, 1942- )物理学是人类理解自然的最普适语言物理学是人类理解自然的最普适语言哲学哲学与社会对话与社会对话物理物理与自然对话与自然对话艺术艺术与自我对话与自