文科物理-第1章物理學文化第2節(jié)物理學思想與物理學方法

1、1第一章第一章 物理學文化物理學文化第二節(jié)第二節(jié) 物理學思想與物理學方法物理學思想與物理學方法一、物理學思想一、物理學思想二、物理學方法二、物理學方法 2一、物理學思想一、物理學思想v什么是物理學思想？什么是物理學思想？v所謂物理學思想就是研究物質的運動形式、內在規(guī)所謂物理學思想就是研究物質的運動形式、內在規(guī)律和物質基本結構的客觀存在反映在人的意識中經律和物質基本結構的客觀存在反映在人的意識中經過思維活動而產生的結果。這種思維活動是人的一過思維活動而產生的結果。這種思維活動是人的一種精神活動，是從社會實踐中產生并經過社會實踐種精神活動，是從社會實踐中產生并經過社會實踐檢驗的科學思想。檢驗的科學

2、思想。v物理學思想很多且深刻，對于文科類學生，給他們物理學思想很多且深刻，對于文科類學生，給他們傳授關于傳授關于物質的本性、時空觀、量子觀、對稱與守物質的本性、時空觀、量子觀、對稱與守恒定律的關系恒定律的關系的物理學思想是最基本、最必不可少的物理學思想是最基本、最必不可少的。的。31、原子：物質（實物）的本性、原子：物質（實物）的本性v如果在某次災難中，所有科學知識都將被毀滅，如果在某次災難中，所有科學知識都將被毀滅，只有一句話能傳遞給后來的智能生物。那么，只有一句話能傳遞給后來的智能生物。那么，一句什么樣的話能夠以最少的語言包含最多的一句什么樣的話能夠以最少的語言包含最多的信息呢？我相信那就

3、是原子假說（或原子事實，信息呢？我相信那就是原子假說（或原子事實，或者隨便你叫它什么名字）。即萬物皆由原子或者隨便你叫它什么名字）。即萬物皆由原子構成，原子是一種小粒子，他們永不停息地四構成，原子是一種小粒子，他們永不停息地四處運動，當它們分開一個小距離時就彼此相吸，處運動，當它們分開一個小距離時就彼此相吸，而被擠到一起時則相互排斥。只要稍微的仔細而被擠到一起時則相互排斥。只要稍微的仔細思考，這一句話里，包含著關于這個世界的極思考，這一句話里，包含著關于這個世界的極大量的信息。大量的信息。 （美）理查德（美）理查德費茵曼費茵曼4物質的本性物質的本性v古今中外，無數的哲學家、思想家們都想要古今中

4、外，無數的哲學家、思想家們都想要對萬物溯本求源對萬物溯本求源, ,即關于物質（實物）的本即關于物質（實物）的本性的問題。所謂物質，就是像木頭、石塊、性的問題。所謂物質，就是像木頭、石塊、水、泥土、塑料、金屬這些材料的實體。如水、泥土、塑料、金屬這些材料的實體。如何回答萬物的本原？或者說物質是什么？這何回答萬物的本原？或者說物質是什么？這個問題，從文明之初到個問題，從文明之初到19051905年愛因斯坦關于年愛因斯坦關于布朗運動的解釋工作，結束科學家們對原子布朗運動的解釋工作，結束科學家們對原子論的質疑，跨越近論的質疑，跨越近25002500多年。多年。5 物質的本性物質的本性v古希臘最早的思想

5、家、科學家、哲學家泰勒斯古希臘最早的思想家、科學家、哲學家泰勒斯（ThalesThales，約公元前，約公元前624-624-公元前公元前547547年）提出：年）提出：“萬物源于水萬物源于水”的觀點。的觀點。v其后，希臘人發(fā)展了其后，希臘人發(fā)展了“四根說四根說”，認為土、水、，認為土、水、氣、火四種元素組成萬物。氣、火四種元素組成萬物。v中國古代的中國古代的“五行說五行說”那樣，用金、木、水、那樣，用金、木、水、火、土五種常見的物質來說明萬物的本源?；?、土五種常見的物質來說明萬物的本源。v公元前四世紀，古希臘思想家、哲學家德謨克公元前四世紀，古希臘思想家、哲學家德謨克利特（利特（Democr

6、itusDemocritus，公元前，公元前460-460-公元前公元前371371）用）用原子論的觀點闡明了他對物質本性的看法。原子論的觀點闡明了他對物質本性的看法。6 物質的本性物質的本性v我們怎么才知道萬物由原子構成的呢？我們怎么才知道萬物由原子構成的呢？v德謨克利特間接地論證說，因為我們能夠在遠處聞德謨克利特間接地論證說，因為我們能夠在遠處聞到面包香味，所以小的面包粒子一定從面包上脫落到面包香味，所以小的面包粒子一定從面包上脫落下來飄進了我們的鼻孔。下來飄進了我們的鼻孔。v英國物理學家和化學家約翰英國物理學家和化學家約翰道爾頓（公元道爾頓（公元17661766公元公元18441844）

7、，在），在1919世紀初把原子假說引入了科學主世紀初把原子假說引入了科學主流，發(fā)現了關于原子的第一例特別的證據。道爾頓流，發(fā)現了關于原子的第一例特別的證據。道爾頓注意到，注意到，當甲、乙兩種元素相互當甲、乙兩種元素相互化合化合，能生成幾種，能生成幾種不同的不同的化合物化合物時，則在這些化合物中，與一定量甲時，則在這些化合物中，與一定量甲元素相化合的乙元素的質量必互成簡單的元素相化合的乙元素的質量必互成簡單的整數整數比。比。這個規(guī)律叫做倍比定律。這個規(guī)律叫做倍比定律。 7物質的本性物質的本性v英國植物學家羅伯特英國植物學家羅伯特布朗（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）用顯微鏡觀察到懸浮在液體中的花粉日）用顯微鏡觀察到懸浮在液體中的花粉小顆粒無規(guī)則地動來動去，這種微小顆粒小顆粒無規(guī)則地動來動去，這種微小顆粒物體在液體中的無規(guī)則的運動稱為布朗運物體在液體中的無規(guī)則的運動稱為布朗運動。動。v后來，人們根據原子論提出了新的看后來，人們根據原子論提出了新的看法，認為原子在不停地運動，而布朗運動法，認為原子在不停地運動，而布朗運動就是因為花粉顆?；驂m埃顆粒不斷受到大就是因為花粉顆?；驂m埃顆粒不斷受到大量運動著的原子沖撞所產生。量運動著的原子沖撞所產生。8 物質的本性物質的本性v190519

9、05年，當時還不為人所熟知的年輕的物理學家年，當時還不為人所熟知的年輕的物理學家愛因斯坦的研究有力地支持了這種假說。愛因斯坦的研究有力地支持了這種假說。v他運用已經建立的理論，計算了像塵埃顆粒這樣他運用已經建立的理論，計算了像塵埃顆粒這樣的粒子受到運動原子的隨機撞擊會怎樣亂沖亂撞的粒子受到運動原子的隨機撞擊會怎樣亂沖亂撞的情況，并給出了幾個定量的（數值的）預言。的情況，并給出了幾個定量的（數值的）預言。例如，塵埃顆粒聚集物由于液體中的無規(guī)則碰撞例如，塵埃顆粒聚集物由于液體中的無規(guī)則碰撞而散開的速率。這樣的預言是能夠通過測量檢驗而散開的速率。這樣的預言是能夠通過測量檢驗的，而測量結果與愛因斯坦的

10、預言相符。的，而測量結果與愛因斯坦的預言相符。v這種以實驗測量為基礎的證據無可爭辯，從而在這種以實驗測量為基礎的證據無可爭辯，從而在愛因斯坦的這一工作之后，科學家們不再對原子愛因斯坦的這一工作之后，科學家們不再對原子論提出質疑。論提出質疑。9 物質的本性物質的本性v我們能看到原子嗎？我們能看到原子嗎？v19701970年，科學家研制出了一種可以顯現年，科學家研制出了一種可以顯現更微小物體影像的儀器更微小物體影像的儀器掃描電子顯微掃描電子顯微鏡（鏡（Scanning Electron MicroscopeScanning Electron Microscope）, ,簡稱掃描電鏡（簡稱掃描電鏡（

11、SEMSEM）. .當掃描電子顯微鏡的電子束掃過單個原子時，電子束當掃描電子顯微鏡的電子束掃過單個原子時，電子束的的物質波受到擾動。受擾動的物質波可以由儀器檢測，物質波受到擾動。受擾動的物質波可以由儀器檢測，該該儀器收集并記錄電子產生的圖樣，從而產生樣品表面儀器收集并記錄電子產生的圖樣，從而產生樣品表面的的高分辨率圖像，且圖像呈三維，被用來鑒定樣品的表高分辨率圖像，且圖像呈三維，被用來鑒定樣品的表面面結構。上圖顯示了在掃描電鏡下石墨烯由碳原子組成結構。上圖顯示了在掃描電鏡下石墨烯由碳原子組成的的六邊形結構。六邊形結構。10 物質的本性物質的本性v掃描隧穿顯微鏡（掃描隧穿顯微鏡（Scanning

12、 Tunneling Scanning Tunneling MicroscopyMicroscopy，簡寫為，簡寫為STMSTM），問世于），問世于19831983年。年。v作為一種掃描探針顯微術工具，通過它人們終于可作為一種掃描探針顯微術工具，通過它人們終于可以觀察、定位、移動單個原子。以觀察、定位、移動單個原子。v19901990年，國際商用機器公司年，國際商用機器公司（IBMIBM）的科學家拾取了）的科學家拾取了3535個單個個單個的氙原子并將它們重新排列在金屬的氙原子并將它們重新排列在金屬鎳的表面上，拼寫出實驗室的名稱。鎳的表面上，拼寫出實驗室的名稱。v下圖顯示了用掃描隧穿顯微鏡下圖顯

13、示了用掃描隧穿顯微鏡觀察到的單個鈷原子在觀察到的單個鈷原子在CuCu表面上表面上的形貌影像，就像德謨克利特曾經想象過的那樣。的形貌影像，就像德謨克利特曾經想象過的那樣。112、時空觀、時空觀v何謂時空觀？何謂時空觀？v所謂時空觀，是指對時間和空間的看法或觀點。所謂時空觀，是指對時間和空間的看法或觀點。v在哲學家看來，空間和時間是物質存在的兩種基在哲學家看來，空間和時間是物質存在的兩種基本形式：本形式：空間是物質存在廣延性和伸張性的表現，空間是物質存在廣延性和伸張性的表現，時間是物質運動持續(xù)性和順序性的表現。時間是物質運動持續(xù)性和順序性的表現。v簡單的說，空間是物質存在的簡單的說，空間是物質存在

14、的“廣延廣延”屬性，時屬性，時間是物質存在的間是物質存在的“持續(xù)持續(xù)”屬性。他們都是物質存屬性。他們都是物質存在的屬性，但它們的關系不是簡單的比例關系也在的屬性，但它們的關系不是簡單的比例關系也不是簡單的轉換關系，它們是以物質存在為前提不是簡單的轉換關系，它們是以物質存在為前提的，拋開物質存在來談論空間和時間是沒有意義的，拋開物質存在來談論空間和時間是沒有意義的。的。12 時空觀時空觀v空間用以描述物體的位形，時間用以描述空間用以描述物體的位形，時間用以描述事件之間的先后順序?？臻g和時間的物理事件之間的先后順序。空間和時間的物理性質主要通過它們與物體運動的各種聯(lián)系性質主要通過它們與物體運動的各

15、種聯(lián)系而表現出來。而表現出來。v從測量的角度講，時間是用時鐘測量出的從測量的角度講，時間是用時鐘測量出的量，而空間則是用尺子來度量的。量，而空間則是用尺子來度量的。13 時空觀時空觀v人們對時空的認識可以簡單分為生活中直觀的、樸人們對時空的認識可以簡單分為生活中直觀的、樸素的時空觀和物理學上的時空觀。素的時空觀和物理學上的時空觀。v生活中，我們常常會說，生活中，我們常常會說， “ “某某學校提供體育運某某學校提供體育運動的場所太小動的場所太小”、“開往北京的火車是早上開往北京的火車是早上8 8點發(fā)點發(fā)車車”、“一節(jié)課是一節(jié)課是4040分鐘分鐘”等。這就是生活中的直等。這就是生活中的直觀的、樸素

16、的時空觀。觀的、樸素的時空觀。v物理學上的時空觀指的是人們對時間和空間的物理物理學上的時空觀指的是人們對時間和空間的物理特性的一種認識，這種認識是不依賴于人們的感覺特性的一種認識，這種認識是不依賴于人們的感覺經驗判斷的，在一定意義上被看作客觀存在的物質經驗判斷的，在一定意義上被看作客觀存在的物質性的反映。性的反映。v經典力學階段、狹義相對論階段及廣義相對論階段。經典力學階段、狹義相對論階段及廣義相對論階段。14 經典力學時空觀經典力學時空觀v在經典力學中，空間和時間的本性被認為是在經典力學中，空間和時間的本性被認為是與任何物體及運動無關的，存在著絕對空間與任何物體及運動無關的，存在著絕對空間和

17、絕對時間。和絕對時間。v即空間是絕對的，時間也是絕對的。即空間是絕對的，時間也是絕對的。v牛頓在牛頓在自然哲學的數學原理自然哲學的數學原理中對絕對空中對絕對空間和絕對時間是這么定義的：間和絕對時間是這么定義的：“絕對的空間，絕對的空間，就其本性來說，與外界任何事物無關，永遠就其本性來說，與外界任何事物無關，永遠是相同的和不動的是相同的和不動的”。v“絕對的、真正的和數學的時間自身在流逝絕對的、真正的和數學的時間自身在流逝著，而且由于其本性而在均勻地、與任何外著，而且由于其本性而在均勻地、與任何外界事物無關地流逝著界事物無關地流逝著”。15 經典力學時空觀經典力學時空觀v牛頓的時空圖景是，既然存

18、在一個容納萬事牛頓的時空圖景是，既然存在一個容納萬事萬物的絕對空間，那么當我們觀察宇宙運動萬物的絕對空間，那么當我們觀察宇宙運動圖像時，在可被選擇的無數個參考系中，必圖像時，在可被選擇的無數個參考系中，必然有一個參考系和絕對空間保持靜止，稱之然有一個參考系和絕對空間保持靜止，稱之為絕對參考系，這個絕對參考系具有優(yōu)先地為絕對參考系，這個絕對參考系具有優(yōu)先地位。位。16 狹義相對論時空觀狹義相對論時空觀v愛因斯坦在狹義相對論中提出不存在絕對的、孤愛因斯坦在狹義相對論中提出不存在絕對的、孤立的空間和時間，兩者是一個統(tǒng)一整體，不可分立的空間和時間，兩者是一個統(tǒng)一整體，不可分割。割。v空間和時間不是絕對

19、的，而是與相對于觀察者所空間和時間不是絕對的，而是與相對于觀察者所在的參考系而言的，空間和時間都是相對的。在的參考系而言的，空間和時間都是相對的。v空間會因為物體的運動變得使長度收縮，物體運空間會因為物體的運動變得使長度收縮，物體運動得越快，其長度收縮得越明顯。與之對應，時動得越快，其長度收縮得越明顯。與之對應，時間會因為物體的運動而延緩，即時間變慢了，或間會因為物體的運動而延緩，即時間變慢了，或者說時間膨脹了，物體運動越快，時間延緩越顯者說時間膨脹了，物體運動越快，時間延緩越顯著。著。v同時性也是相對的，即在一個參考系中被認為是同時性也是相對的，即在一個參考系中被認為是同時發(fā)生的兩個事件，會

20、因為這個參考系的運動，同時發(fā)生的兩個事件，會因為這個參考系的運動，在另一個參考系中看來不是同時發(fā)生。在另一個參考系中看來不是同時發(fā)生。17 廣義相對論時空觀廣義相對論時空觀v廣義相對性原理廣義相對性原理在廣義相對論中，愛在廣義相對論中，愛因斯坦放棄了慣性系的優(yōu)越地位，把相對因斯坦放棄了慣性系的優(yōu)越地位，把相對性原理從慣性系推廣到非慣性系，即物理性原理從慣性系推廣到非慣性系，即物理定律在任何參考系中都相同，愛因斯坦稱定律在任何參考系中都相同，愛因斯坦稱之為廣義相對論的相對性原理。之為廣義相對論的相對性原理。v等效原理等效原理引力場中的一個靜止參考系引力場中的一個靜止參考系與自由空間中一個加速運動

21、的參考系是等與自由空間中一個加速運動的參考系是等效的，即加速參考系等效于引力場。效的，即加速參考系等效于引力場。18 廣義相對論時空觀廣義相對論時空觀v這樣，愛因斯坦在狹義相對論的相對時空觀上，又這樣，愛因斯坦在狹義相對論的相對時空觀上，又加進了幾何學內容，用幾何學代替了重力。于是，加進了幾何學內容，用幾何學代替了重力。于是，慣性參考系和非慣性參考系之間不再存在任何物理慣性參考系和非慣性參考系之間不再存在任何物理學上的實質性區(qū)別，只有幾何學上的區(qū)別。學上的實質性區(qū)別，只有幾何學上的區(qū)別。v由此我們看到，廣義相對論由兩條基本原理，揭示由此我們看到，廣義相對論由兩條基本原理，揭示出在非慣性系中重力

22、的相對性，與此相聯(lián)系的是時出在非慣性系中重力的相對性，與此相聯(lián)系的是時空的幾何彎曲。換句話說，時空彎曲了?？盏膸缀螐澢?。換句話說，時空彎曲了。v廣義相對論最一般地討論了時空、物質、運動之間廣義相對論最一般地討論了時空、物質、運動之間的關系，如果說狹義相對論以相對時空觀取代了絕的關系，如果說狹義相對論以相對時空觀取代了絕對時空觀，則廣義相對論又進一步以彎曲時空取代對時空觀，則廣義相對論又進一步以彎曲時空取代了平直時空。了平直時空。193、物質觀的革命、物質觀的革命量子觀念量子觀念v1900年，德國物理學家普朗克為了解決黑體輻年，德國物理學家普朗克為了解決黑體輻射經典理論與實驗不符的問題，不得不放

23、棄能射經典理論與實驗不符的問題，不得不放棄能量連續(xù)性這個概念，而提出能量量子化即量連續(xù)性這個概念，而提出能量量子化即“能能量子量子”這個嶄新的概念。這個嶄新的概念。v1900年年12月月14日普朗克在德國物理學會上提日普朗克在德國物理學會上提出這樣的假設：輻射的能量不再連續(xù)變化，而出這樣的假設：輻射的能量不再連續(xù)變化，而是以一個能量的基本單元，即一份一份的能量是以一個能量的基本單元，即一份一份的能量為單位改變的，這個能量的基本單元就是為單位改變的，這個能量的基本單元就是“能能量子量子”，能量只能是能量子的整數倍。也就是，能量只能是能量子的整數倍。也就是說，能量的輻射或吸收只能以能量子為基本單說

24、，能量的輻射或吸收只能以能量子為基本單位一份一份地進行。位一份一份地進行。20 物質觀的革命物質觀的革命量子觀念量子觀念v1905年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過年，愛因斯坦把量子概念引進光的傳播過程，提出程，提出“光量子光量子”（光子）的概念，成功解釋（光子）的概念，成功解釋了困擾人的光電效應，并進一步提出光同時具有了困擾人的光電效應，并進一步提出光同時具有波動和粒子的性質，即光的波動和粒子的性質，即光的“波粒二象性波粒二象性”。v法國物理學家德布羅意提出法國物理學家德布羅意提出“物質波物質波”概念，即概念，即一切物質粒子均具備波粒二象性；一切物質粒子均具備波粒二象性；v德國物理學家海森

25、伯等人建立了量子矩陣理論；德國物理學家海森伯等人建立了量子矩陣理論；奧地利物理學家薛定諤建立了量子波動理論；奧地利物理學家薛定諤建立了量子波動理論；v1928年，英國物理學家狄拉克完成了矩陣理論年，英國物理學家狄拉克完成了矩陣理論和波動理論之間的數學轉換，對量子理論進行了和波動理論之間的數學轉換，對量子理論進行了系統(tǒng)的總結。系統(tǒng)的總結。21 物質觀的革命物質觀的革命量子觀念量子觀念v能量量子化思想是能量量子化思想是2020世紀最具革命性的物理學思想世紀最具革命性的物理學思想之一，因為由此引發(fā)而建立的量子理論帶給人們的之一，因為由此引發(fā)而建立的量子理論帶給人們的不僅是對物質世界結構的新的認識，而

26、且是思維方不僅是對物質世界結構的新的認識，而且是思維方式的根本變革。式的根本變革。v例如，微觀粒子運動演化概率性因果觀的思想；在例如，微觀粒子運動演化概率性因果觀的思想；在測量物理量時測量儀器和被測量客體相互作用的思測量物理量時測量儀器和被測量客體相互作用的思想；微觀粒子的物理量呈現想；微觀粒子的物理量呈現“量子化量子化”分立值的思分立值的思想；測量微觀粒子位置和動量時滿足的不確定性關想；測量微觀粒子位置和動量時滿足的不確定性關系的思想等等。系的思想等等。v然而檢驗這些思想觀點是否正確的有力證據是實驗然而檢驗這些思想觀點是否正確的有力證據是實驗結果，而不是生活經驗，也不是經典物理學的現有結果，

27、而不是生活經驗，也不是經典物理學的現有結論。當然，以上這些思想觀點都結論。當然，以上這些思想觀點都一一一一得到了實驗得到了實驗的證實。的證實。224、對稱性與物理定律、對稱性與物理定律v 物理學在物理學在20世紀取得了令人驚訝的成世紀取得了令人驚訝的成功。它改變了我們對空間和時間、存在功。它改變了我們對空間和時間、存在和認識的看法，也改變了我們描述自然和認識的看法，也改變了我們描述自然的基本語言。在本世紀行將結束之際，的基本語言。在本世紀行將結束之際，我們已擁有一個對宇宙的嶄新看法。在我們已擁有一個對宇宙的嶄新看法。在這個新的宇宙觀中，物質已失去了它原這個新的宇宙觀中，物質已失去了它原來的中心

28、地位，取而代之的是自然界的來的中心地位，取而代之的是自然界的對稱性。對稱性。 （美）斯蒂芬（美）斯蒂芬溫伯格溫伯格23 對稱性與物理定律對稱性與物理定律v對稱性對稱性自然界的一項美學原則，是人們自然界的一項美學原則，是人們觀察客觀事物形體上的特征而形成的認識。觀察客觀事物形體上的特征而形成的認識。v例如正六邊形具有六角對稱，一個平面圓形具有軸對稱，例如正六邊形具有六角對稱，一個平面圓形具有軸對稱，人體具有左右對稱，一條連續(xù)的花邊具有平移對稱，其他人體具有左右對稱，一條連續(xù)的花邊具有平移對稱，其他還有鏡像對稱等等。還有鏡像對稱等等。v對稱性的精確數學定義涉及不變性的概念，如果一個幾何對稱性的精確

29、數學定義涉及不變性的概念，如果一個幾何圖形在某些操作下保持不變，就說這個圖形在這些操作下圖形在某些操作下保持不變，就說這個圖形在這些操作下具有不變性。例如圓形在繞它的中心轉動任意角度，形狀具有不變性。例如圓形在繞它的中心轉動任意角度，形狀都不會變，而正方形就不一樣，只有繞它的中心轉動都不會變，而正方形就不一樣，只有繞它的中心轉動90、180、270、360時才保持不變。因此，我們時才保持不變。因此，我們說，圓形的對稱性比正方形高。同理，正方形的對稱性比說，圓形的對稱性比正方形高。同理，正方形的對稱性比矩形的高。矩形的高。24 對稱性與物理定律對稱性與物理定律v能量守恒定律、動量守恒定律、角動量

30、守恒能量守恒定律、動量守恒定律、角動量守恒定律等這樣的規(guī)律，為什么最為基本，最為定律等這樣的規(guī)律，為什么最為基本，最為普遍，適用范圍最為廣泛？普遍，適用范圍最為廣泛？v它們和對稱性是否存在著某種聯(lián)系呢？它們和對稱性是否存在著某種聯(lián)系呢？v為此，先了解一下時間和空間所具有的某些為此，先了解一下時間和空間所具有的某些基本特性，它們分別表現為時間的均勻性、基本特性，它們分別表現為時間的均勻性、空間的均勻性及空間方向的均勻性?？臻g的均勻性及空間方向的均勻性。25 對稱性與物理定律對稱性與物理定律v時間的均勻性：古往今來的物理現象應該服時間的均勻性：古往今來的物理現象應該服從相同的客觀規(guī)律。從相同的客觀

31、規(guī)律。v例如牛頓時代所做的一個物理實驗，我們今天重復去做，得例如牛頓時代所做的一個物理實驗，我們今天重復去做，得出的還是同一結果。出的還是同一結果。v因此時間的均勻性意味著：因此時間的均勻性意味著：當時間的計算起點移動時，物理當時間的計算起點移動時，物理規(guī)律規(guī)律(表現為運動方程表現為運動方程)的具體形式不會改變的具體形式不會改變。通常又說物理。通常又說物理規(guī)律對于時間平移變換具有不變性，也就是說在一個具體的規(guī)律對于時間平移變換具有不變性，也就是說在一個具體的物理規(guī)律中，如把時間變量進行平移變換，所得的結果不變。物理規(guī)律中，如把時間變量進行平移變換，所得的結果不變。所以，這種不變性表明，不同的時

32、刻在物理規(guī)律上是等價的。所以，這種不變性表明，不同的時刻在物理規(guī)律上是等價的。從這個意義上說，我們看到了時間的對稱性。從這個意義上說，我們看到了時間的對稱性。26 對稱性與物理定律對稱性與物理定律v空間方向的均勻性：在空間任何方向上所發(fā)空間方向的均勻性：在空間任何方向上所發(fā)生的物理現象，都服從相同的客觀規(guī)律。生的物理現象，都服從相同的客觀規(guī)律。v因此空間方向的均勻性因此空間方向的均勻性 (或或“空間的各向同性空間的各向同性”)意味意味著，當坐標軸轉過一定角度后，物理規(guī)律的具體形式著，當坐標軸轉過一定角度后，物理規(guī)律的具體形式不會改變，或者說不會改變，或者說物理規(guī)律對于空間方向轉動下的坐物理規(guī)律

33、對于空間方向轉動下的坐標變換具有不變性標變換具有不變性。這種不變性表明了物理空間中的。這種不變性表明了物理空間中的一切方向都是等價的，可以說我們看到了空間方向的一切方向都是等價的，可以說我們看到了空間方向的對稱性。對稱性。27 對稱性與物理定律對稱性與物理定律v空間的均勻性：空間各處的物理現象應服從相同空間的均勻性：空間各處的物理現象應服從相同的客觀規(guī)律。的客觀規(guī)律。v如果物理條件相同，同一物理實驗無論放在哪里做，比如果物理條件相同，同一物理實驗無論放在哪里做，比如北京或是上海，都會得到相同結果。如北京或是上海，都會得到相同結果。v因此空間的均勻性意味著：當坐標原點移動時，物理規(guī)因此空間的均勻

34、性意味著：當坐標原點移動時，物理規(guī)律律(表現為運動方程表現為運動方程)的具體形式不會改變。也可以表述的具體形式不會改變。也可以表述為：物理規(guī)律對于空間（具體表現為坐標）平移變換具為：物理規(guī)律對于空間（具體表現為坐標）平移變換具有不變性。因此這種不變性表明物理空間中一切點都是有不變性。因此這種不變性表明物理空間中一切點都是等價的，由此我們看到了空間的對稱性。等價的，由此我們看到了空間的對稱性。28 對稱性與物理定律對稱性與物理定律v最先注意到對稱性與某種守恒量相聯(lián)系的人是最先注意到對稱性與某種守恒量相聯(lián)系的人是德國女數德國女數學家諾特爾學家諾特爾。v諾特爾定律：作用量的每一種對稱性必定存在諾特爾

35、定律：作用量的每一種對稱性必定存在一個守恒量與之對應。一個守恒量與之對應。v物理規(guī)律在時間平移、空間平移及空間旋轉變換下的不物理規(guī)律在時間平移、空間平移及空間旋轉變換下的不變性，分別對應于時間、空間以及空間方向的對稱性。變性，分別對應于時間、空間以及空間方向的對稱性。而從時間的均勻性、空間的均勻性及空間方向的均勻性而從時間的均勻性、空間的均勻性及空間方向的均勻性（空間的各向同性）這些對稱性出發(fā)，經過嚴謹的推理，（空間的各向同性）這些對稱性出發(fā)，經過嚴謹的推理，就可以導出能量守恒定律、動量守恒定律和角動量守恒就可以導出能量守恒定律、動量守恒定律和角動量守恒定律。換句話說，定律。換句話說，能量守恒

36、是時間平移不變性的結果能量守恒是時間平移不變性的結果，動量守恒是空間平移不變性的結果動量守恒是空間平移不變性的結果，角動量守恒是空間角動量守恒是空間旋轉不變性的結果旋轉不變性的結果。29二、物理學方法二、物理學方法v什么是物理學方法？什么是物理學方法？v所謂物理學方法，它是指通過對物理現象和所謂物理學方法，它是指通過對物理現象和物理規(guī)律的認識，借助科學語言和數學公式，物理規(guī)律的認識，借助科學語言和數學公式，以嚴密的邏輯性和系統(tǒng)性所體現的、隱藏在以嚴密的邏輯性和系統(tǒng)性所體現的、隱藏在物理學定律和定理背后的關于對物質世界的物理學定律和定理背后的關于對物質世界的基本觀念和理解，透過這種理解而反映出對

37、基本觀念和理解，透過這種理解而反映出對自然界的深刻認識的根本方法。自然界的深刻認識的根本方法。301、以思辨方式為主的邏輯方法、以思辨方式為主的邏輯方法v邏輯方法是人們在邏輯思維過程中，根據現實邏輯方法是人們在邏輯思維過程中，根據現實材料，按照邏輯思維的規(guī)律和規(guī)則，形成概念材料，按照邏輯思維的規(guī)律和規(guī)則，形成概念并做出判斷和進行推理的方法。邏輯方法是科并做出判斷和進行推理的方法。邏輯方法是科學研究中的理性方法，也是人們正確表述思想學研究中的理性方法，也是人們正確表述思想和互相交流必不可少的一種思維方法。和互相交流必不可少的一種思維方法。v最先開創(chuàng)邏輯方法的人是古希臘思想家、哲學家泰勒斯。最先開

38、創(chuàng)邏輯方法的人是古希臘思想家、哲學家泰勒斯。v之后，柏拉圖建立了以之后，柏拉圖建立了以“理念論理念論”為核心的客觀唯心主為核心的客觀唯心主義體系。義體系。v亞里士多德關于邏輯學的大部分論著匯集在他的著作亞里士多德關于邏輯學的大部分論著匯集在他的著作工具論工具論中，其中最知名的內容就是他關于中，其中最知名的內容就是他關于“邏輯三邏輯三段論段論”的學說。的學說。312、以實驗為主的實驗、以實驗為主的實驗歸納歸納演繹方法演繹方法v如果說，亞里士多德的邏輯方法還是一個以思辨如果說，亞里士多德的邏輯方法還是一個以思辨為主、單純觀察為輔的方法，涉及的是關于如何為主、單純觀察為輔的方法，涉及的是關于如何進行正確思維的問題，那么，首先由羅吉爾進行正確思維的問題，那么，首先由羅吉爾 培根培根提