物理學的概念與文化修養(yǎng) - 第01章

戴占海物理學的概念與文化素養(yǎng)第一篇序幕：星星和原子一片花飛減卻春，風飄萬點正愁人

且看欲盡花經(jīng)眼，莫厭傷多酒入唇

江上小堂巢翡翠，苑邊高冢臥麒麟

細推物理須行樂，何用浮名絆此身

－－杜甫(唐，712-770)

為什么要學習這門課？現(xiàn)代科技給我們帶來了強大的力量，這股力量常常既是有益的又是有害的。例如，汽車給我們帶來了便捷，醫(yī)藥延長了我們的壽命等等。然而，同時也產(chǎn)生了諸如環(huán)境污染、全球變暖、能源危機等問題。人類不該為科學時代的成果支付他應(yīng)該付出的代價。我們需要接受科學的恩惠，同時也要承擔相應(yīng)的責任。因此，我們需要更多地學習科學，提高我們的科技文化素質(zhì)，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出我們自己的貢獻。為什么要學習這門課？只有依靠科學和人性的融合，我們才有望達到與我們的時代和我們這一代人相稱的智慧?！龋锢韺W家科學不只是一堆知識，而更是一種思想方法，這種思想方法的特征是嚴峻的懷疑態(tài)度與新思想的開放態(tài)度混合在一起，它是我們生活中每個領(lǐng)域——包括社會、經(jīng)濟、政治、宗教各方面——絕對需要的?！_根，物理學家和作家為什么要學習這門課？只有社會公眾能夠懂得科學、數(shù)學和技術(shù)，培養(yǎng)出科學思維的習慣，科學技術(shù)在改善生活質(zhì)量方面的潛力才能發(fā)揮出來；如果人民沒有科學素養(yǎng)，對一個更美好的世界的指望就會落空?！兑磺忻绹说目茖W讀本》，美國科學促進協(xié)會科學最基本的價值——一切觀念都要接受經(jīng)驗的檢驗，都要接受批判的理性思想的挑戰(zhàn)。案例香港老太逼停港珠澳大橋致造價增加88億港元香港66歲老太朱綺華認為，造價逾700億港元的港珠澳大橋沒有評估臭氧、二氧化硫及懸浮微粒的影響，因而不合理也不合法。于去年就大橋香港段環(huán)評報告申請司法復核。2012年4月18日，香港高院裁定香港環(huán)保署2009年完成的環(huán)保報告無效。大橋因此停工。預計于2016年通車的港珠澳大橋，因香港市民提出司法復核，推翻了環(huán)境影響評估報告，導致工期延誤，造價比評估高出88億港元。Fourmainthemesthescientificprocessmodernphysicsenergy:itsuseandmisusethesocialcontextofphysics.推薦書目1．教材：[美]ArtHobson著，秦克成劉培森周國榮譯：《物理學的概念與文化素養(yǎng)》（第四版：翻譯版）高等教育出版社2008.6，2．參考資料：（1）趙崢：《物理學與人類文明十六講》高等教育出版社2008.9（2）郭奕玲，沈慧君：《物理學史》第二版清華大學出版社2005（3）盛正卯葉高翔：《物理學與人類文明》第二版浙江大學出版社2006.2（4）倪光炯等：《改變世界的物理學》第三版復旦大學出版社2007.8（5）倪光炯，王炎森：《物理與文化：物理思想與人文精神的融合》第二版高等教育出版社2009.3（6）吳翔等：《文明之源——物理學》上海科學技術(shù)出版社2001.9第1章科學的方法：經(jīng)驗和理性星星的微塵：邀請你訪問科學觀察夜空古希臘理論：地心宇宙哥白尼理論：日心宇宙開普勒理論：以太陽為焦點的宇宙科學：大自然與心智的對話哥白尼革命：近代科學的黎明第1章科學的方法：經(jīng)驗和理性星星的微塵：邀請你訪問科學1觀察夜空2古希臘理論：地心宇宙3哥白尼理論：日心宇宙4開普勒理論：以太陽為焦點的宇宙5科學：大自然與心智的對話6哥白尼革命：近代科學的黎明71.1星星的微塵：邀請你訪問科學所有深思過治理人類的藝術(shù)的人，都深信帝國的興亡依賴于他們的青年人所接受的教育。——亞里士多德教育的實質(zhì)就是克服狹隘性，也就是開闊人的眼界。你們一定要擴展見識，超越個人狹窄眼界的限制?！猈.Manger，地質(zhì)學家，阿肯色大學對于任何人，不關(guān)心科學就是睜著眼走向奴役?！狫.Bronowski，哲學家和科學家1.1星星的微塵：邀請你訪問科學科學——對自然界的觀察和理論認識。學習科學的理由：不斷增長的意識或知識發(fā)展適合科學時代的價值觀物理學就是研究潛藏在大自然中的最普遍原理的科學分支。對像下落這類普遍存在的現(xiàn)象的研究。物理學家研究巖石、青蛙以及一切其它東西都遵循的普遍原則?！段覀儚暮翁巵?？我們是什么？我們往何處去？》——高更（PaulGauguin，1897）科學的基本問題：宇宙是怎樣起源的？生命是怎樣起源的？人類的未來會怎樣？《亞當?shù)膭?chuàng)造》

（米開朗琪羅,1475–1564）1.2觀察夜空1.2觀察夜空英國古代巨石群1.2觀察夜空1.2觀察夜空哈勃望遠鏡1.2觀察夜空歐洲南方天文臺甚大望遠鏡觀察夜空中微子天文望遠鏡太陽系

滿天星斗循環(huán)往復、東起西落，是什么力量使日月星辰有著這樣的運動規(guī)律？1.2觀察夜空世界上只有兩件東西最能震撼我的心靈，一件是我們心中崇高的道德法則，一件是我們頭頂上燦爛的星空——康德我們來自星星。1.2觀察夜空古人說，“上下四方曰宇，古往今來曰宙”，宇宙就是時間、空間和物質(zhì)的總稱。杞人憂天杞國有人,憂天地崩墜,身亡無寄,廢寢食者大熊座1.2觀察夜空老子曰：“天下萬物生于有，有生于無?！薄暗郎唬簧?，二生三，三生萬物”按照今天的科學，我們的宇宙從無中誕生，是真正的“無中生有”。1.2觀察夜空牛頓認為空間象一個大容器，它為物體運動提供了一個場所，物體放進去也好，取出來也好，空間本身并不會發(fā)生什么變化。這種空間稱為絕對空間。牛頓：“這種絕對空間就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無關(guān)的，而且永遠是均勻的和不動的?！?.2觀察夜空牛頓認為時間象一條川流不息的河流，有事件發(fā)生也好，無事件發(fā)生也好，這條河流總是不斷地、均勻地、不變地流逝著。這種時間稱為絕對時間。牛頓：“絕對的、真正的及數(shù)學的時間自身在流逝著，而且由于其本性，在均勻地、與任何其它外界事物無關(guān)地流逝著。”1.2觀察夜空總之，時間和空間是獨立于物質(zhì)運動之外的，而具體的物體的機械運動，是在這種絕對的時空背景下進行的，這就是經(jīng)典力學的時空觀。子在川上曰：“逝者如斯夫！不舍晝夜?！薄墩撜Z子罕篇》1.2觀察夜空愛因斯坦則認為，物質(zhì)與時空之間存在相互影響，有物質(zhì)的時空是彎曲的，沒有物質(zhì)的時空是平直的。他還認為如果沒有物質(zhì)，也就沒有了時間和空間。1.2觀察夜空相信獨一無二的真理，相信自己是其擁有者，這是這個世界的萬惡之源。

——玻恩，物理學家1.3古希臘理論：地心宇宙泰勒斯測量金字塔高度泰勒斯的宇宙觀1.3古希臘理論：地心宇宙泰勒斯是西方第一位自然哲學家，他最先把埃及的測地術(shù)介紹到希臘，開創(chuàng)了幾何學的研究。1.3古希臘理論：地心宇宙泰勒斯的學生畢達哥拉斯——數(shù)學家、哲學家——畢達哥拉斯學派萬物皆數(shù)畢達哥拉斯首先認識到大地是球形的，并最早提出了地球這個概念。他認為宇宙也是球形的?；鹗亲钍嵉臇|西，位于宇宙的中心，稱為中心火。太陽、地球、月亮、行星和恒星都圍繞中心火轉(zhuǎn)動。howdoweknow?howdoweknow?——大地是球形的船出海時漸漸地沒入地平線。希臘旅行者報告，在北方，中午時刻的太陽在天空中的位置較低。在月食時觀察到的地球投到月亮上的影子，正好符合地球與月亮兩者都是球狀時所預期的形狀。1.3古希臘理論：地心宇宙古希臘人的宇宙結(jié)構(gòu)圖火星退行蘇格拉底這個時期還出現(xiàn)了杰出的雄辯家蘇格拉底。他到處講演、辯論，但和中國的孔夫子一樣，沒有留下著作。蘇格拉底的言論，主要是由他的忠實學生柏拉圖記錄整理而留傳給后人的，這一點也和孔夫子相似。1.3古希臘理論：地心宇宙柏拉圖1.3古希臘理論：地心宇宙柏拉圖出身于名門望族，是蘇格拉底最出色也是最親近的學生。柏拉圖長期追隨蘇格拉底。在他的老師由于引導學生自由討論而遭到雅典“民主政府”誣陷，被指責為“無神論者”，以“敗壞青年”的罪名被處以死刑之后，柏拉圖痛感政治的腐敗和骯臟，從此不再參與政治活動。于是柏拉圖開始周游世界,到處求學、講學,到過埃及和意大利。烏托邦1.3古希臘理論：地心宇宙柏拉圖最后回到雅典，開辦了一所學院,名為“阿卡德米”，后來成為“學會”或“研究院”的代名詞。柏拉圖還寫了一本知名的著作《烏托邦》。1.3古希臘理論：地心宇宙柏拉圖的阿卡德米學院培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的學生，其中最優(yōu)秀的是亞里士多德。亞里士多德創(chuàng)立了與老師柏拉圖不同的哲學體系，曾使老年的柏拉圖非常難過和失望。但亞里士多德留下了一句名言：“吾愛吾師，吾尤愛真理?！睆闹惺兰o一直到十五世紀，教會承認希臘天文學家托勒密總結(jié)的宇宙地心體系：地球作為宇宙的中心，日、月、恒星等圍繞地球運動。托勒密Ptolemy(2ndcenturyA.D.希臘天文學家）1.3古希臘理論：地心宇宙托勒密用象限儀在測量月亮的高度，巴塞爾作，1508問題1：為什么月亮時大時??？答案：忽近忽遠問題2：為什么有行星退行現(xiàn)象？答案：均輪+本輪“如果上帝在創(chuàng)世時能與我商量一下，我會給他更好的建議?！卑柗剿箛酰↘ingＡlfonse）1.4哥白尼理論：日心宇宙公元1543年常常被看成是近代科學誕生的一年。尼古拉·哥白尼在他臨終前出版了他畢生致力的著作《天體運行論》。哥白尼認為太陽是宇宙的中心，地球、行星和恒星都圍繞太陽轉(zhuǎn)動。1.4哥白尼理論：日心宇宙哥白尼日心說示意圖1.4哥白尼理論：日心宇宙1.4哥白尼理論：日心宇宙哥白尼的日心說自然地解釋了火星退行現(xiàn)象。howdoweknow?——地球繞太陽公轉(zhuǎn)托勒密體系和哥白尼體系都與當時的觀測數(shù)據(jù)是一致的。哥白尼去世大約70年后，伽利略將望遠鏡引入到天文學中。在伽利略觀察到的各種現(xiàn)象中，一件是金星經(jīng)歷著與月亮相似的盈虧變化，這說明金星并非自身發(fā)光而是反射太陽光。托勒密體系不能解釋“滿盈”的金星。哥白尼體系預言只要地球和金星處于太陽相反的兩側(cè)，我們就能看到“滿盈”的金星。1.5開普勒理論：以太陽為焦點的橢圓宇宙觀測精密而著稱的丹麥著名天文學家第谷，第谷本人不同意哥白尼的日心說，于是他提出了折中的混合說：地球位于宇宙中心不動，太陽、月亮和恒星天圍繞地球轉(zhuǎn)，但金、木、水、火、土五大行星不是圍繞地球轉(zhuǎn)，而是圍繞太陽轉(zhuǎn)，再跟太陽一起圍繞地球轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動軌道都是正圓。第谷，出生于丹麥的天文學家，二十年如一日精確地測量和記錄了行星的運行軌道。第谷(TychoBrahe1546-1601)Themanwiththegoldennose丹麥貴族，擁有王室天文臺，托勒密的忠實信徒，但酷愛科學，被稱為天文學泰斗，近代天文學始祖。第谷從不相信哥白尼體系，當他去世時，把畢生的天文觀測資料傳給了他的學生，德國天文學家開普勒（JohannesKepler）。與第谷不同的是，開普勒堅定地相信哥白尼的日心說，但他不能解釋為什么行星的圓周軌道與第谷的天文觀測結(jié)果不同。他相信老師的觀測，更傾向于從理論上思考問題。最終，他放棄了自己七十余次“圓上加圓”的方法構(gòu)造的火星軌道曲線，放棄了勻速圓周運動這個一向為人們所鐘愛的古老信念，建立了行星運動三定律。1.5開普勒理論：以太陽為焦點的橢圓宇宙1.5開普勒理論：以太陽為焦點的橢圓宇宙開普勒長期致力于尋找各行星軌道之間的數(shù)學聯(lián)系。通過反復地計算，他驚奇地發(fā)現(xiàn)：用柏拉圖的5種正多面體，剛好可以給出6大行星軌道半徑之間的關(guān)系：六面體

earth

solid四面體fire

heat八面體

air

gas十二面體

universe

aether二十面體

water

liquid1.5開普勒理論：以太陽為焦點的橢圓宇宙開普勒第一定律：行星運動的軌道是一個橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上。開普勒第二定律：行星軌道的矢徑在單位時間內(nèi)掃過的面積相等。1.4哥白尼理論：日心宇宙開普勒第一、二定律1.5開普勒理論：以太陽為焦點的橢圓宇宙開普勒猜測行星運動的快慢，可能與行星軌道的半徑有某種關(guān)系。他把地球的軌道半徑定義為1，地球的公轉(zhuǎn)周期也定義為1，然后給出其他行星軌道半徑與周期對地球的相對值。他畫出了一張表，但沒有看出表中的數(shù)據(jù)間有什么關(guān)系。1.4哥白尼理論：日心宇宙行星名稱公轉(zhuǎn)周期（T）太陽距離（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開普勒理論：以太陽為焦點的橢圓宇宙一天早晨，當陽光照進書房，夫人進來收拾房間時，苦熬了一夜的開普勒突然跳了起來，拉住妻子大叫：“親愛的，我發(fā)現(xiàn)了，感謝上帝將你賜給我，我們是和諧的，宇宙也是和諧的，現(xiàn)在弄清楚了?！遍_普勒又算出了這樣一張表。從這個表的數(shù)字里，可以看出這個奇妙的規(guī)律：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它同太陽距離的立方成正比。這就是著名的開普勒第三定律。1.4哥白尼理論：日心宇宙行星名稱公轉(zhuǎn)周期（T）太陽距離（R）周期平方（T2）距離立方（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)我曾測量過天空，而現(xiàn)在測量幽冥，靈魂飛向天國，肉體安息土中。墓志銘，自撰“天空立法者”太陽系金星凌日美景，小黑痣增添太陽風韻理論：一個或一組得到充分證實的觀念，它解釋或統(tǒng)一一系列觀察結(jié)果。模型是一種可以直觀想象的理論。原理或定律是通常包含在一個更大的理論中的單個概念。理論的目的有兩個：滿足我們心靈的需要，這是科學發(fā)展的內(nèi)在驅(qū)動力！實用的需要，也就是經(jīng)濟發(fā)展，日常生活的需要。這是科學發(fā)展的外在推動力。觀測：采集事實的過程。測量是一種定量的觀測，而實驗是一種受控制的觀測。1.6哥白尼革命：近代科學的黎明假說：一種有根據(jù)的提議或猜測，一種嘗試性的理論?？茖W認知過程：科學基于經(jīng)驗（實驗和觀察結(jié)果）與理性（整理經(jīng)驗使之相互關(guān)聯(lián)的理論和假說）之間的互動。這一植根于經(jīng)驗與理性的基礎(chǔ)，將科學與基于信仰、直覺、個人權(quán)威或權(quán)威性著作的其它形式的知識區(qū)分開來。1.6哥白尼革命：近代科學的黎明哥白尼理論：以太陽為宇宙中心的理論，與阿利斯塔克理論相似。各個行星包括地球環(huán)繞太陽運行，并且地球繞自身的軸自轉(zhuǎn)。哥白尼革命：對人類是宇宙的中心、從而與宇宙的其它地方根本不相同的思想的擯棄。1.6哥白尼革命：近代科學的黎明哥白尼革命對天文學的影響“不在于它自己說了什么，而在于它使得別人說了什么”哥白尼革命對天文學之外的自然科學的影響引起科學思想的大革新哥白尼革命對哲學、宗教以及人文社會科學的影響1.6哥白尼革命：近代科學的黎明那些星球該多么巨大??！而這個地球，這個類似劇院的地方，在這里進行著我們所有的宏偉構(gòu)想、所有的航行和所有的戰(zhàn)爭，與那些星球相比，它是多么微不足道。對于那些國王和君主們，這是一件很值得思考和反省的事：他們犧牲眾多臣民的生命，只是為了滿足其野心以成為這個小地方中某個可憐角落的主人。

——惠更斯，物理學家，大約1690年1.6哥白尼革命：近代科學的黎明古希臘人相信星星和其它天體是自己發(fā)光的。他們是否相信肉眼看到的每個天體都是這樣？（A）是；（B）否。B（月亮）概念檢查金星常常作為晨星或昏星出現(xiàn)。托勒密對這一觀察結(jié)果的解釋是：（A）金星環(huán)繞太陽的軌道靠近太陽；（B）金星的本輪的中心位于地球和太陽的連線上（C）金星和水星繞太陽運行，而其它