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(gè)問題，徹底地變革了科學(xué)的自然圖景，推動(dòng)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(jī),湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子,盧瑟福,這些新發(fā)現(xiàn)動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(shí)經(jīng)典物理學(xué)理論無法解釋的麥克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射實(shí)驗(yàn)。物理學(xué)陷入空前的危機(jī)。,物理學(xué)晴空中的兩朵“烏云”,經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī)實(shí)質(zhì)是形而上學(xué)思維方式和機(jī)械論自然觀的危機(jī)，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(shí)驗(yàn),黑體輻射實(shí)驗(yàn),20世紀(jì)初，正是在解決新實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(duì)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(duì)論,1905年德國科學(xué)家愛因斯坦創(chuàng)建狹義相對(duì)論

3、，科學(xué)地揭示了時(shí)間與空間、時(shí)間和空間與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(duì)論，揭示了空間、時(shí)間與物質(zhì)之間存在的辯證關(guān)系。,相對(duì)論是關(guān)于時(shí)間與空間的物理學(xué)理論，有力沖擊著牛頓的時(shí)空觀。,狹義相對(duì)論,時(shí)鐘變慢和縮短的程度，取決于參考系運(yùn)動(dòng)的速度。速度越快，相對(duì)論效應(yīng)就越明顯。相對(duì)論是研究物體告訴運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，它告訴我們時(shí)空同物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有密切關(guān)系。,愛因斯坦還指出，當(dāng)物體高度運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)涵著巨大的能量，拉開了原子能時(shí)代的序幕。,“同時(shí)”具有相對(duì)性，兩個(gè)事件對(duì)于一個(gè)參考系來說是同時(shí)發(fā)生的，對(duì)于另一個(gè)參考系來說，卻可能是先后發(fā)生的。,廣義相對(duì)論,廣義相對(duì)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(chǎng)時(shí)走的是彎曲的道路，就像炮彈在引力場(chǎng)作用下沿拋物線下落。而光速是物體運(yùn)動(dòng)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(chǎng)使空間

5、彎曲了，空間彎曲的程度取決于引力場(chǎng)的強(qiáng)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(shí)空的絕對(duì)性與相對(duì)性,牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀,愛因斯坦的相對(duì)論,三、量子力學(xué),1927年矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)被證實(shí)二者是等價(jià)的，后稱“量子力學(xué)”。,1、黑體輻射實(shí)驗(yàn),絕對(duì)黑體:若物體在任何溫度下,對(duì)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(duì)黑體,簡稱黑體。,維恩經(jīng)驗(yàn)公式,問題：如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)曲線的函數(shù)式,這個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)曲線波長短處符合得很好，但在波長很長處與實(shí)驗(yàn)曲線相差較大。,2、普朗克提出能量子假說,瑞利--金斯經(jīng)驗(yàn)公式,這個(gè)公式在波長很長處與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)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(gè)核外軌道“躍遷”到相鄰一個(gè)軌道上時(shí)，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(shí)，從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)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(dòng)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(gè)重要規(guī)律，開創(chuàng)了物理學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域。由于普朗克發(fā)現(xiàn)了能量子，對(duì)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(jiǎng)。,1905年，愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，一般都有一個(gè)穩(wěn)定的軌道。但微觀粒子的運(yùn)動(dòng)沒有軌道，我們根本不可能準(zhǔn)確預(yù)言某個(gè)粒子在某個(gè)時(shí)刻的位

10、置。,3、光的本質(zhì),4、玻恩對(duì)量子力學(xué)作出統(tǒng)計(jì)學(xué)解釋,玻恩認(rèn)為在量子力學(xué)中機(jī)遇是基本概念，統(tǒng)計(jì)規(guī)律是基本規(guī)律。這不是因?yàn)槲覀兊牧孔恿W(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(duì)的物理量（如位置與速度、時(shí)間與能量等）不可能同時(shí)具有確定性，因而不可能同時(shí)被我們精確測(cè)量。如果一個(gè)物理量的測(cè)量誤差趨于零，那另一個(gè)物理量測(cè)量的誤差就趨向無窮大。對(duì)一個(gè)量的精確測(cè)量，必須以放棄對(duì)另一個(gè)量的精確測(cè)量為前提。

11、,5、海森堡的測(cè)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(shí)到需要一種新的思維方式。在這種背景下，玻爾提出了互補(bǔ)原理。玻爾指出，描述一個(gè)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(shí)應(yīng)用它們，但這兩種不同的圖像又是相互補(bǔ)充的，無論哪一種圖像，都不可能單獨(dú)向我們提供一個(gè)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(bǔ)原理,這些革命性成就的取得，一方面產(chǎn)生了兩

12、個(gè)全新的自然科學(xué)基礎(chǔ)理論：相對(duì)論和量子力學(xué)，另一方面還對(duì)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(yùn)動(dòng)無關(guān)的形而上學(xué)觀點(diǎn)，深刻地揭示了物體質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度、物質(zhì)質(zhì)量與時(shí)空之間的深刻關(guān)聯(lián)；其二，絕對(duì)時(shí)空并不存在，時(shí)空不僅與物質(zhì)關(guān)聯(lián)，而且本身就是物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)的存在屬性和方式。同時(shí)，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(duì)象；在時(shí)空觀上深入研究時(shí)空與物質(zhì)關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性；在演化觀上強(qiáng)調(diào)事物的生成與演化及其方向和趨勢(shì)；在生命觀上突出“自組織”的觀點(diǎn)（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(qiáng)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(gè)系統(tǒng)的觀點(diǎn)。,重點(diǎn)：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(huì)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(jiǎng)。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(jì)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(shí)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(duì)于一個(gè)孤立系統(tǒng)，無論其微觀機(jī)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)系統(tǒng)的影響逐漸變強(qiáng)，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(shí)，才有可能形成有序結(jié)構(gòu)，否則即使開放，也無濟(jì)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?yàn)檫@樣，由子系統(tǒng)形成系統(tǒng)時(shí)，會(huì)涌現(xiàn)出新的性質(zhì)。  （4）漲落。漲落是指對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的偏離，它是實(shí)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(jī)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(jī)漲落，稱為巨漲落。對(duì)于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)系統(tǒng)，隨機(jī)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(gè)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(yùn)動(dòng)、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(huì)自發(fā)地產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)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(jī)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