3第三講現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與自然觀的發(fā)展

1、,當(dāng)代科學(xué)的突破和自然觀的發(fā)展,第三講,,19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)出現(xiàn)三大新發(fā)現(xiàn)和兩個問題，徹底地變革了科學(xué)的自然圖景，推動自然科學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代自然科學(xué)發(fā)展的新階段。,一、19—20世紀(jì)之交的物理學(xué)革命,一、世紀(jì)之交的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)、危機,湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子,盧瑟福,這些新發(fā)現(xiàn)動搖了原子和元素不可分、不變、是物質(zhì)組成最小單位的形而上學(xué)的觀念。同時，正當(dāng)人們陶醉在物理學(xué)經(jīng)典體系“盡善盡美”的境界時，物理學(xué)的晴朗天空中卻出現(xiàn)了“兩朵烏云”，這就是

2、當(dāng)時經(jīng)典物理學(xué)理論無法解釋的麥克爾遜—莫雷實驗和黑體輻射實驗。物理學(xué)陷入空前的危機。,物理學(xué)晴空中的兩朵“烏云”,經(jīng)典物理學(xué)的危機實質(zhì)是形而上學(xué)思維方式和機械論自然觀的危機，表明舊理論在新發(fā)現(xiàn)面前的無能為力。,,邁克爾遜——莫雷實驗,黑體輻射實驗,20世紀(jì)初，正是在解決新實驗事實同舊理論之間的矛盾的過程中，愛因斯坦和普朗克等科學(xué)家創(chuàng)立了以相對論和量子力學(xué)為支柱的現(xiàn)代物理學(xué)理論體系。,二、相對論,1905年德國科學(xué)家愛因斯坦創(chuàng)建狹義相對論

3、，科學(xué)地揭示了時間與空間、時間和空間與物質(zhì)運動之間、質(zhì)量和能量之間的統(tǒng)一性。1916年他又創(chuàng)立了廣義相對論，揭示了空間、時間與物質(zhì)之間存在的辯證關(guān)系。,相對論是關(guān)于時間與空間的物理學(xué)理論，有力沖擊著牛頓的時空觀。,狹義相對論,時鐘變慢和縮短的程度，取決于參考系運動的速度。速度越快，相對論效應(yīng)就越明顯。相對論是研究物體告訴運動的科學(xué)，它告訴我們時空同物質(zhì)運動有密切關(guān)系。,愛因斯坦還指出，當(dāng)物體高度運動時，它的質(zhì)量不斷增加，并且寫出了著

4、名的智能關(guān)系式：E=mc^(2) 。它揭示了質(zhì)量與能量之間的本質(zhì)聯(lián)系，物質(zhì)內(nèi)部蘊涵著巨大的能量，拉開了原子能時代的序幕。,“同時”具有相對性，兩個事件對于一個參考系來說是同時發(fā)生的，對于另一個參考系來說，卻可能是先后發(fā)生的。,廣義相對論,廣義相對論假定加速度與引力的效果是相同的，認(rèn)為光通過引力場時走的是彎曲的道路，就像炮彈在引力場作用下沿拋物線下落。而光速是物體運動速度的極限，所以光走的是短程線。彎曲的線是短程線，這說明引力場使空間

5、彎曲了，空間彎曲的程度取決于引力場的強度，或者說取決于物質(zhì)的狀態(tài)。這樣，空間同物質(zhì)發(fā)生了密切的聯(lián)系。我們所熟悉的歐幾里得空間（也是牛頓所要求的空間）是平直的空間，但不是惟一的空間。引力不是通常所說的力，而是空間彎曲的表現(xiàn)。,時空的絕對性與相對性,牛頓的絕對時空觀,愛因斯坦的相對論,三、量子力學(xué),1927年矩陣力學(xué)和波動力學(xué)被證實二者是等價的，后稱“量子力學(xué)”。,1、黑體輻射實驗,絕對黑體:若物體在任何溫度下,對任何波長的輻射能的吸收

6、比都等于1,則稱該物體為絕對黑體,簡稱黑體。,維恩經(jīng)驗公式,問題：如何從理論上找到符合實驗曲線的函數(shù)式,這個公式與實驗曲線波長短處符合得很好，但在波長很長處與實驗曲線相差較大。,2、普朗克提出能量子假說,瑞利--金斯經(jīng)驗公式,這個公式在波長很長處與實驗曲線比較相近，但在短波區(qū)，按此公式， 將隨波長趨向于零而趨向無窮大的荒謬結(jié)果，即“紫外災(zāi)難”。,維恩公式和瑞利-金斯公式都是用經(jīng)典物理學(xué)的方法來研究熱輻射所得的結(jié)果，都與實驗結(jié)果不

7、符，明顯地暴露了經(jīng)典物理學(xué)的缺陷。黑體輻射實驗是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云。,能量子假說：輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量ε（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε. n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。,對于頻率為ν的諧振子最小能量為,,能量,量

8、子,經(jīng)典,能量也像粒子一樣，是一顆一顆的。能量的變化是“跳躍式”的，正如英國的秦斯所說：“物質(zhì)的基本粒子其運動不像是鐵道上平滑走過的火車，而像是田野中跳躍的袋鼠?！?后來玻爾的原子模型認(rèn)為，當(dāng)電子從一個核外軌道“躍遷”到相鄰一個軌道上時，沒有中間的過渡過程。這表明，自然界的變化既有連續(xù)性，又有間斷性，是連續(xù)性與間斷性的辯證統(tǒng)一。,振子在輻射或吸收能量時，從一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)。在能量子假說基礎(chǔ)上，普朗克由玻爾茲曼分布律和經(jīng)典電動力學(xué)

9、理論，得到黑體的單色輻出度，即普朗克公式。,能量子的概念是非常新奇的，它沖破了傳統(tǒng)的概念，揭示了微觀世界中一個重要規(guī)律，開創(chuàng)了物理學(xué)的一個全新領(lǐng)域。由于普朗克發(fā)現(xiàn)了能量子，對建立量子理論作出了卓越貢獻(xiàn)，獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎。,1905年，愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時，提出光量子的概念，即光所攜帶的能量是不連續(xù)的，稱光量子。宏觀物體的運動，一般都有一個穩(wěn)定的軌道。但微觀粒子的運動沒有軌道，我們根本不可能準(zhǔn)確預(yù)言某個粒子在某個時刻的位

10、置。,3、光的本質(zhì),4、玻恩對量子力學(xué)作出統(tǒng)計學(xué)解釋,玻恩認(rèn)為在量子力學(xué)中機遇是基本概念，統(tǒng)計規(guī)律是基本規(guī)律。這不是因為我們的量子力學(xué)不完備，而是由微觀粒子的本性決定的。量子世界是幾率世界。,在微觀物理世界中，一些成對的物理量（如位置與速度、時間與能量等）不可能同時具有確定性，因而不可能同時被我們精確測量。如果一個物理量的測量誤差趨于零，那另一個物理量測量的誤差就趨向無窮大。對一個量的精確測量，必須以放棄對另一個量的精確測量為前提。

11、,5、海森堡的測不準(zhǔn)原理,量子世界中的許多現(xiàn)象，用傳統(tǒng)的思維方式都是無法理解的，不少科學(xué)家都意識到需要一種新的思維方式。在這種背景下，玻爾提出了互補原理。玻爾指出，描述一個物理現(xiàn)象可以有兩種不同的圖像，它們是互相排斥的，我們不能同時應(yīng)用它們，但這兩種不同的圖像又是相互補充的，無論哪一種圖像，都不可能單獨向我們提供一個完整的表述，只有把兩種圖像綜合起來，才能提供某種完整的描述。,6、玻爾的互補原理,這些革命性成就的取得，一方面產(chǎn)生了兩

12、個全新的自然科學(xué)基礎(chǔ)理論：相對論和量子力學(xué)，另一方面還對自然觀產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，展現(xiàn)出一幅全新的自然景觀：其一，徹底推翻了物質(zhì)與運動無關(guān)的形而上學(xué)觀點，深刻地揭示了物體質(zhì)量與運動速度、物質(zhì)質(zhì)量與時空之間的深刻關(guān)聯(lián)；其二，絕對時空并不存在，時空不僅與物質(zhì)關(guān)聯(lián)，而且本身就是物質(zhì)、運動的存在屬性和方式。同時，它還觸發(fā)了一系列深刻的哲學(xué)和科學(xué)爭論。,四、系統(tǒng)科學(xué)的出現(xiàn)和系統(tǒng)自然觀的誕生,20世紀(jì)40年代末興起的控制論、信息論、系統(tǒng)論，是系統(tǒng)科

13、學(xué)研究的第一批成果。   20世紀(jì)70年代前后相繼出現(xiàn)的耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、突變論、超循環(huán)論等自組織理論及分形理論、孤粒子理論和混沌理論，是系統(tǒng)科學(xué)的最新發(fā)展。,系統(tǒng)科學(xué)的誕生給辯證自然觀的發(fā)展增添了新的思想和內(nèi)容：在物質(zhì)觀上開始把具有復(fù)雜性特征的事物作為研究對象；在時空觀上深入研究時空與物質(zhì)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性；在演化觀上強調(diào)事物的生成與演化及其方向和趨勢；在生命觀上突出“自組織”的觀點（事物自發(fā)自主地

14、從非生命演化出生命）；在發(fā)展觀上強調(diào)環(huán)境和條件（外因）的作用；最大的變革在于它提出了自然界是一個系統(tǒng)的觀點。,重點：普利高津的耗散結(jié)構(gòu)理論,于1969年在國際“理論物理與生物學(xué)會議”上發(fā)表了《結(jié)構(gòu)、耗散和生命》一文，提出了耗散結(jié)構(gòu)理論，把理論熱力學(xué)的研究推向了當(dāng)代的最高峰。普里高津由于這一重大貢獻(xiàn)，榮獲1977年諾貝爾化學(xué)獎。這是普里高津?qū)W派20多年從事非平衡熱力學(xué)和非平衡統(tǒng)計物理學(xué)研究的成果。,普里高津（I．Prigogine，1

15、917~）,,普里高津和他的同事在建立“耗散結(jié)構(gòu)”理論時準(zhǔn)確地抓住了如貝納爾流、B-Z化學(xué)波和化學(xué)振蕩反應(yīng)以及生物學(xué)演化周期等自發(fā)出現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，使用了“自組織”的概念，并且用該概念描述了那些自發(fā)出現(xiàn)或形成有序結(jié)構(gòu)的過程，從而在“存在”和“演化”的兩種科學(xué)之間，在兩種文化之間構(gòu)架了一座科學(xué)的橋梁。,普里高津在研究了大量系統(tǒng)的自組織過程以后，總結(jié)、歸納得出，系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)需要下列條件：,（1）系統(tǒng)必須開放。熱力學(xué)第二定律指出：孤立系

16、統(tǒng)的熵不可能減少。對于一個孤立系統(tǒng)，無論其微觀機制如何，如果從宏觀上看，它可以被當(dāng)成是孤立系統(tǒng)，則必然要達(dá)到平衡態(tài)。耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，對于孤立系統(tǒng)來說熵是增加的，總過程是從有序到無序；而對于開放系統(tǒng)來說，由于通過與外界交換物質(zhì)和能量，可以從外界獲取負(fù)熵用來抵消自身熵的增加，從而使系統(tǒng)實現(xiàn)從無序到有序、從簡單到復(fù)雜的演化。  （2）遠(yuǎn)離平衡態(tài)。遠(yuǎn)離平衡態(tài)是系統(tǒng)出現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)的必要條件，也是對系統(tǒng)開放的進(jìn)一步說明。開放系統(tǒng)在外界

17、作用下離開平衡態(tài)，開放逐漸加大，外界對系統(tǒng)的影響逐漸變強，將系統(tǒng)逐漸從近平衡區(qū)推向遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)，只有這時，才有可能形成有序結(jié)構(gòu)，否則即使開放，也無濟于事。  （3）非線性相互作用。組成系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間存在著相互作用，一般來講，這些相互作用是非線性的，不滿足疊加原理。正因為這樣，由子系統(tǒng)形成系統(tǒng)時，會涌現(xiàn)出新的性質(zhì)。  （4）漲落。漲落是指對系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的偏離，它是實際存在的一切系統(tǒng)的固有特征。系統(tǒng)內(nèi)部原

18、因造成的漲落，稱為內(nèi)漲落；系統(tǒng)外部原因造成的漲落，稱為外漲落。處于平衡態(tài)系統(tǒng)的隨機漲落，稱為微漲落；處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)系統(tǒng)的隨機漲落，稱為巨漲落。對于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)系統(tǒng)，隨機的小漲落有可能迅速放大，使系統(tǒng)由不穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到一個新的有序狀態(tài)，從而形成耗散結(jié)構(gòu)。,五、系統(tǒng)自然觀的基本內(nèi)涵和思想,系統(tǒng)自然觀建立在新物理學(xué)革命和系統(tǒng)科學(xué)基礎(chǔ)之上，為人們描繪出一幅從基本粒子、原子、分子化合物直到人類，從微觀領(lǐng)域到宇觀天體系統(tǒng)演化的自組

19、織、自我運動、自我創(chuàng)造的辯證的演化發(fā)展的自然圖景。它最深層次、最基本的內(nèi)涵，在于它揭示了自然系統(tǒng):不僅存在著，而且演化著；自然系統(tǒng)不僅是確定的，而且會自發(fā)地產(chǎn)生不可預(yù)測的隨機性；自然系統(tǒng)不僅是簡單的、線性的，而且是復(fù)雜的、非線性的，闡發(fā)了自然界是確定性與隨機性、簡單性與復(fù)雜性、線性與非線性的辯證統(tǒng)一的思想。這不僅豐富和發(fā)展了辯證唯物主義自然觀，更為重要的是，它突破了傳統(tǒng)的思維方式，提供了一種探索組織性、復(fù)雜性問題的全新的思維方式