物理学的概念与文化修养 - 第01章

戴占海物理学的概念与文化素养第一篇序幕：星星和原子一片花飞减却春，风飘万点正愁人

且看欲尽花经眼，莫厌伤多酒入唇

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

－－杜甫(唐，712-770)

为什么要学习这门课？现代科技给我们带来了强大的力量，这股力量常常既是有益的又是有害的。例如，汽车给我们带来了便捷，医药延长了我们的寿命等等。然而，同时也产生了诸如环境污染、全球变暖、能源危机等问题。人类不该为科学时代的成果支付他应该付出的代价。我们需要接受科学的恩惠，同时也要承担相应的责任。因此，我们需要更多地学习科学，提高我们的科技文化素质，为实现可持续发展做出我们自己的贡献。为什么要学习这门课？只有依靠科学和人性的融合，我们才有望达到与我们的时代和我们这一代人相称的智慧。——拉比，物理学家科学不只是一堆知识，而更是一种思想方法，这种思想方法的特征是严峻的怀疑态度与新思想的开放态度混合在一起，它是我们生活中每个领域——包括社会、经济、政治、宗教各方面——绝对需要的。——萨根，物理学家和作家为什么要学习这门课？只有社会公众能够懂得科学、数学和技术，培养出科学思维的习惯，科学技术在改善生活质量方面的潜力才能发挥出来；如果人民没有科学素养，对一个更美好的世界的指望就会落空。——《一切美国人的科学读本》，美国科学促进协会科学最基本的价值——一切观念都要接受经验的检验，都要接受批判的理性思想的挑战。案例香港老太逼停港珠澳大桥致造价增加88亿港元香港66岁老太朱绮华认为，造价逾700亿港元的港珠澳大桥没有评估臭氧、二氧化硫及悬浮微粒的影响，因而不合理也不合法。于去年就大桥香港段环评报告申请司法复核。2012年4月18日，香港高院裁定香港环保署2009年完成的环保报告无效。大桥因此停工。预计于2016年通车的港珠澳大桥，因香港市民提出司法复核，推翻了环境影响评估报告，导致工期延误，造价比评估高出88亿港元。Fourmainthemesthescientificprocessmodernphysicsenergy:itsuseandmisusethesocialcontextofphysics.推荐书目1．教材：[美]ArtHobson著，秦克成刘培森周国荣译：《物理学的概念与文化素养》（第四版：翻译版）高等教育出版社2008.6，2．参考资料：（1）赵峥：《物理学与人类文明十六讲》高等教育出版社2008.9（2）郭奕玲，沈慧君：《物理学史》第二版清华大学出版社2005（3）盛正卯叶高翔：《物理学与人类文明》第二版浙江大学出版社2006.2（4）倪光炯等：《改变世界的物理学》第三版复旦大学出版社2007.8（5）倪光炯，王炎森：《物理与文化：物理思想与人文精神的融合》第二版高等教育出版社2009.3（6）吴翔等：《文明之源——物理学》上海科学技术出版社2001.9第1章科学的方法：经验和理性星星的微尘：邀请你访问科学观察夜空古希腊理论：地心宇宙哥白尼理论：日心宇宙开普勒理论：以太阳为焦点的宇宙科学：大自然与心智的对话哥白尼革命：近代科学的黎明第1章科学的方法：经验和理性星星的微尘：邀请你访问科学1观察夜空2古希腊理论：地心宇宙3哥白尼理论：日心宇宙4开普勒理论：以太阳为焦点的宇宙5科学：大自然与心智的对话6哥白尼革命：近代科学的黎明71.1星星的微尘：邀请你访问科学所有深思过治理人类的艺术的人，都深信帝国的兴亡依赖于他们的青年人所接受的教育。——亚里士多德教育的实质就是克服狭隘性，也就是开阔人的眼界。你们一定要扩展见识，超越个人狭窄眼界的限制。——W.Manger，地质学家，阿肯色大学对于任何人，不关心科学就是睁着眼走向奴役。——J.Bronowski，哲学家和科学家1.1星星的微尘：邀请你访问科学科学——对自然界的观察和理论认识。学习科学的理由：不断增长的意识或知识发展适合科学时代的价值观物理学就是研究潜藏在大自然中的最普遍原理的科学分支。对像下落这类普遍存在的现象的研究。物理学家研究岩石、青蛙以及一切其它东西都遵循的普遍原则。《我们从何处来？我们是什么？我们往何处去？》——高更（PaulGauguin，1897）科学的基本问题：宇宙是怎样起源的？生命是怎样起源的？人类的未来会怎样？《亚当的创造》

（米开朗琪罗,1475–1564）1.2观察夜空1.2观察夜空英国古代巨石群1.2观察夜空1.2观察夜空哈勃望远镜1.2观察夜空欧洲南方天文台甚大望远镜观察夜空中微子天文望远镜太阳系

满天星斗循环往复、东起西落，是什么力量使日月星辰有着这样的运动规律？1.2观察夜空世界上只有两件东西最能震撼我的心灵，一件是我们心中崇高的道德法则，一件是我们头顶上灿烂的星空——康德我们来自星星。1.2观察夜空古人说，“上下四方曰宇，古往今来曰宙”，宇宙就是时间、空间和物质的总称。杞人忧天杞国有人,忧天地崩坠,身亡无寄,废寝食者大熊座1.2观察夜空老子曰：“天下万物生于有，有生于无。”“道生一，一生二，二生三，三生万物”按照今天的科学，我们的宇宙从无中诞生，是真正的“无中生有”。1.2观察夜空牛顿认为空间象一个大容器，它为物体运动提供了一个场所，物体放进去也好，取出来也好，空间本身并不会发生什么变化。这种空间称为绝对空间。牛顿：“这种绝对空间就其本质而言，是与任何外界事物无关的，而且永远是均匀的和不动的。”1.2观察夜空牛顿认为时间象一条川流不息的河流，有事件发生也好，无事件发生也好，这条河流总是不断地、均匀地、不变地流逝着。这种时间称为绝对时间。牛顿：“绝对的、真正的及数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性，在均匀地、与任何其它外界事物无关地流逝着。”1.2观察夜空总之，时间和空间是独立于物质运动之外的，而具体的物体的机械运动，是在这种绝对的时空背景下进行的，这就是经典力学的时空观。子在川上曰：“逝者如斯夫！不舍昼夜。”——《论语子罕篇》1.2观察夜空爱因斯坦则认为，物质与时空之间存在相互影响，有物质的时空是弯曲的，没有物质的时空是平直的。他还认为如果没有物质，也就没有了时间和空间。1.2观察夜空相信独一无二的真理，相信自己是其拥有者，这是这个世界的万恶之源。

——玻恩，物理学家1.3古希腊理论：地心宇宙泰勒斯测量金字塔高度泰勒斯的宇宙观1.3古希腊理论：地心宇宙泰勒斯是西方第一位自然哲学家，他最先把埃及的测地术介绍到希腊，开创了几何学的研究。1.3古希腊理论：地心宇宙泰勒斯的学生毕达哥拉斯——数学家、哲学家——毕达哥拉斯学派万物皆数毕达哥拉斯首先认识到大地是球形的，并最早提出了地球这个概念。他认为宇宙也是球形的。火是最圣洁的东西，位于宇宙的中心，称为中心火。太阳、地球、月亮、行星和恒星都围绕中心火转动。howdoweknow?howdoweknow?——大地是球形的船出海时渐渐地没入地平线。希腊旅行者报告，在北方，中午时刻的太阳在天空中的位置较低。在月食时观察到的地球投到月亮上的影子，正好符合地球与月亮两者都是球状时所预期的形状。1.3古希腊理论：地心宇宙古希腊人的宇宙结构图火星退行苏格拉底这个时期还出现了杰出的雄辩家苏格拉底。他到处讲演、辩论，但和中国的孔夫子一样，没有留下著作。苏格拉底的言论，主要是由他的忠实学生柏拉图记录整理而留传给后人的，这一点也和孔夫子相似。1.3古希腊理论：地心宇宙柏拉图1.3古希腊理论：地心宇宙柏拉图出身于名门望族，是苏格拉底最出色也是最亲近的学生。柏拉图长期追随苏格拉底。在他的老师由于引导学生自由讨论而遭到雅典“民主政府”诬陷，被指责为“无神论者”，以“败坏青年”的罪名被处以死刑之后，柏拉图痛感政治的腐败和肮脏，从此不再参与政治活动。于是柏拉图开始周游世界,到处求学、讲学,到过埃及和意大利。乌托邦1.3古希腊理论：地心宇宙柏拉图最后回到雅典，开办了一所学院,名为“阿卡德米”，后来成为“学会”或“研究院”的代名词。柏拉图还写了一本知名的著作《乌托邦》。1.3古希腊理论：地心宇宙柏拉图的阿卡德米学院培养了大批优秀的学生，其中最优秀的是亚里士多德。亚里士多德创立了与老师柏拉图不同的哲学体系，曾使老年的柏拉图非常难过和失望。但亚里士多德留下了一句名言：“吾爱吾师，吾尤爱真理。”从中世纪一直到十五世纪，教会承认希腊天文学家托勒密总结的宇宙地心体系：地球作为宇宙的中心，日、月、恒星等围绕地球运动。托勒密Ptolemy(2ndcenturyA.D.希腊天文学家）1.3古希腊理论：地心宇宙托勒密用象限仪在测量月亮的高度，巴塞尔作，1508问题1：为什么月亮时大时小？答案：忽近忽远问题2：为什么有行星退行现象？答案：均轮+本轮“如果上帝在创世时能与我商量一下，我会给他更好的建议。”阿尔方斯国王（KingＡlfonse）1.4哥白尼理论：日心宇宙公元1543年常常被看成是近代科学诞生的一年。尼古拉·哥白尼在他临终前出版了他毕生致力的著作《天体运行论》。哥白尼认为太阳是宇宙的中心，地球、行星和恒星都围绕太阳转动。1.4哥白尼理论：日心宇宙哥白尼日心说示意图1.4哥白尼理论：日心宇宙1.4哥白尼理论：日心宇宙哥白尼的日心说自然地解释了火星退行现象。howdoweknow?——地球绕太阳公转托勒密体系和哥白尼体系都与当时的观测数据是一致的。哥白尼去世大约70年后，伽利略将望远镜引入到天文学中。在伽利略观察到的各种现象中，一件是金星经历着与月亮相似的盈亏变化，这说明金星并非自身发光而是反射太阳光。托勒密体系不能解释“满盈”的金星。哥白尼体系预言只要地球和金星处于太阳相反的两侧，我们就能看到“满盈”的金星。1.5开普勒理论：以太阳为焦点的椭圆宇宙观测精密而著称的丹麦著名天文学家第谷，第谷本人不同意哥白尼的日心说，于是他提出了折中的混合说：地球位于宇宙中心不动，太阳、月亮和恒星天围绕地球转，但金、木、水、火、土五大行星不是围绕地球转，而是围绕太阳转，再跟太阳一起围绕地球转，转动轨道都是正圆。第谷，出生于丹麦的天文学家，二十年如一日精确地测量和记录了行星的运行轨道。第谷(TychoBrahe1546-1601)Themanwiththegoldennose丹麦贵族，拥有王室天文台，托勒密的忠实信徒，但酷爱科学，被称为天文学泰斗，近代天文学始祖。第谷从不相信哥白尼体系，当他去世时，把毕生的天文观测资料传给了他的学生，德国天文学家开普勒（JohannesKepler）。与第谷不同的是，开普勒坚定地相信哥白尼的日心说，但他不能解释为什么行星的圆周轨道与第谷的天文观测结果不同。他相信老师的观测，更倾向于从理论上思考问题。最终，他放弃了自己七十余次“圆上加圆”的方法构造的火星轨道曲线，放弃了匀速圆周运动这个一向为人们所钟爱的古老信念，建立了行星运动三定律。1.5开普勒理论：以太阳为焦点的椭圆宇宙1.5开普勒理论：以太阳为焦点的椭圆宇宙开普勒长期致力于寻找各行星轨道之间的数学联系。通过反复地计算，他惊奇地发现：用柏拉图的5种正多面体，刚好可以给出6大行星轨道半径之间的关系：六面体

earth

solid四面体fire

heat八面体

air

gas十二面体

universe

aether二十面体

water

liquid1.5开普勒理论：以太阳为焦点的椭圆宇宙开普勒第一定律：行星运动的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律：行星轨道的矢径在单位时间内扫过的面积相等。1.4哥白尼理论：日心宇宙开普勒第一、二定律1.5开普勒理论：以太阳为焦点的椭圆宇宙开普勒猜测行星运动的快慢，可能与行星轨道的半径有某种关系。他把地球的轨道半径定义为1，地球的公转周期也定义为1，然后给出其他行星轨道半径与周期对地球的相对值。他画出了一张表，但没有看出表中的数据间有什么关系。1.4哥白尼理论：日心宇宙行星名称公转周期（T）太阳距离（R）水星0.2410.387金星0.6150.723地星1.0001.000火星1.8811.524木星11.8625.203土星29.4579.5391.5开普勒理论：以太阳为焦点的椭圆宇宙一天早晨，当阳光照进书房，夫人进来收拾房间时，苦熬了一夜的开普勒突然跳了起来，拉住妻子大叫：“亲爱的，我发现了，感谢上帝将你赐给我，我们是和谐的，宇宙也是和谐的，现在弄清楚了。”开普勒又算出了这样一张表。从这个表的数字里，可以看出这个奇妙的规律：行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。这就是著名的开普勒第三定律。1.4哥白尼理论：日心宇宙行星名称公转周期（T）太阳距离（R）周期平方（T2）距离立方（R3）水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地星1.0001.0001.0001.000火星1.8811.5243.543.54木星11.8625.203140.7140.85土星29.4579.539867.7867.98JohannesKepler(1571-1630)我曾测量过天空，而现在测量幽冥，灵魂飞向天国，肉体安息土中。墓志铭，自撰“天空立法者”太阳系金星凌日美景，小黑痣增添太阳风韵理论：一个或一组得到充分证实的观念，它解释或统一一系列观察结果。模型是一种可以直观想象的理论。原理或定律是通常包含在一个更大的理论中的单个概念。理论的目的有两个：满足我们心灵的需要，这是科学发展的内在驱动力！实用的需要，也就是经济发展，日常生活的需要。这是科学发展的外在推动力。观测：采集事实的过程。测量是一种定量的观测，而实验是一种受控制的观测。1.6哥白尼革命：近代科学的黎明假说：一种有根据的提议或猜测，一种尝试性的理论。科学认知过程：科学基于经验（实验和观察结果）与理性（整理经验使之相互关联的理论和假说）之间的互动。这一植根于经验与理性的基础，将科学与基于信仰、直觉、个人权威或权威性著作的其它形式的知识区分开来。1.6哥白尼革命：近代科学的黎明哥白尼理论：以太阳为宇宙中心的理论，与阿利斯塔克理论相似。各个行星包括地球环绕太阳运行，并且地球绕自身的轴自转。哥白尼革命：对人类是宇宙的中心、从而与宇宙的其它地方根本不相同的思想的摈弃。1.6哥白尼革命：近代科学的黎明哥白尼革命对天文学的影响“不在于它自己说了什么，而在于它使得别人说了什么”哥白尼革命对天文学之外的自然科学的影响引起科学思想的大革新哥白尼革命对哲学、宗教以及人文社会科学的影响1.6哥白尼革命：近代科学的黎明那些星球该多么巨大啊！而这个地球，这个类似剧院的地方，在这里进行着我们所有的宏伟构想、所有的航行和所有的战争，与那些星球相比，它是多么微不足道。对于那些国王和君主们，这是一件很值得思考和反省的事：他们牺牲众多臣民的生命，只是为了满足其野心以成为这个小地方中某个可怜角落的主人。

——惠更斯，物理学家，大约1690年1.6哥白尼革命：近代科学的黎明古希腊人相信星星和其它天体是自己发光的。他们是否相信肉眼看到的每个天体都是这样？（A）是；（B）否。B（月亮）概念检查金星常常作为晨星或昏星出现。托勒密对这一观察结果的解释是：（A）金星环绕太阳的轨道靠近太阳；（B）金星的本轮的中心位于地球和太阳的连线上（C）金星和水星绕太阳运行，而其它