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什么是物理学?这是个深刻的问题[转]

2018-06-16 12:29 [课外阅读] 来源于:物理ok网|作者:杨教授|点击量:
导读:原创: 杨教授 来自:万象经验 古希腊人把所有对自然界的观察和思考笼统地包含在一门学问里,那就是自然哲学,科学分化为天文学、力学、物理学、化学、生物学、地质学等,只是最近几百年的事情。在牛顿的时代里,科学和哲学还没有完全分家。牛顿划时代的著

物理学以前称自然哲学

古希腊人把所有对自然界的观察和思考笼统地包含在一门学问里,那就是自然哲学,科学分化为天文学、力学、物理学、化学、生物学、地质学等,只是最近几百年的事情。在牛顿的时代里,科学和哲学还没有完全分家。牛顿划时代的著作名为《自然哲学的数学原理》,就是一个明证。物理学最直接地关心自然界最基本的规律,所以牛顿把当时的物理学叫做自然哲学。

2物理学是探讨物质结构、运动基本规律和相互作用的科学

尽管这个相当广泛的定义仍难以刻画出当代物理学极其丰富的内涵,不过有一点是肯定的,即与其他科学相比,物理学更着重于对物质世界普遍而基本的规律的追求。

物理学的兴起,是从经典力学开始的。在经典力学之前,人类的文明中虽然已有不少具有物理价值的发现和发明,但是并不存在一门独立的物理学。17世纪,牛顿在伽利略、开普勒等人工作的基础上,建立了完整的经典力学理论,这是现代意义下的物理学的开端。从18世纪到19世纪,在大量实验的基础上,卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等建立了宏观的热力学理论,克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等建立了说明热现象的气体分子动理论,库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等建立了电磁学理论。至此,经典物理学理论体系的大厦巍然耸立。

然而,正当大功告成之际,一系列与经典物理的预言极不相容的实验又相继出观,人们发现大厦的基础动摇了。在这些新实验事实的基础上,20世纪初,爱因斯坦独自创立了相对论;先后在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意,海森伯、薛定谔、玻恩等多人的努力下,创立了量子论和量子力学,奠定了近代物理学的理论基础。20壯纪,随符科学的发展,从物理学中不断地分化出了诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的新分支,以及从物理学和其他学科的杂交中生长出来了诸如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交叉学科。

3物理学的任务和目的

物理学的任务和目的是:用一系列尽可能简明的概念和方程(定律),去统一概括物质的结构和运动的基本规律。

物理学依赖于一种基本的信念:物质世界存在着完整因果链条,即自然界是统一的,牛顿力学则是体现这种信念的第一个成功的范例。

从牛顿力学的创建到现在,已经有三百多年了,物理学已经大大发展了,远远超过了经典力学原有的水平。但是,就物理学的最基本的追求和物理学的总目标来说,却一直没有变化。经典力学时代的追求和目标,可以说时至今日仍然是整个物理学的追求和目标。这个最基本的追求和目标,就是自然界的统一。的确,从整个物理学的发展中,可以看到一条鲜明的主线,这就是执着地追求宇宙的统一,找寻支配宇宙万物的最基本、最统一的规律。

相信存在统一,努力寻求统一,如果仅仅作为一种自然现,早在古代就已经有了。老子的《道德经》中写有:“道生一,一生二,二生三,三生万物。”这就是中国古代的一种统一观,它完全可以与爱因斯坦所提及的古希腊的哲学相媲美。不过,无论在古代中国还是在古希腊,统一观都只是一种哲学思辨。

牛顿的力学和古代的哲学不同,它不是思辨地坚持统一观,而是发展了寻找统一的有效的物理方法。牛顿在他的最重要的力学著作《自然哲学的数学原理》中阐明了他所采用的方法。他在前言中写道:“我奉献这一作品,作为哲学的数学原理,因为哲学的全部责任似乎在于一一从运动的现象去研究自然界中的力,然后从这些力去说明其他的现象。”这就是说,寻求统一的出发点不是思辨,而应是运动现象。自然界中的运动现象是多种多样的,物理学的责任就在于寻找支配这些现象的统一的力。

今天的物理学,仍然大体上沿袭着牛顿所开创的研究途径:寻找统一的力,或统一的相互作用。因此,几乎所有基本的物理理论都称作某种力学,如牛顿力学、电动力学、色动力学,等等。每一种新的力学的创立,都标志着我们在追求统一的征程上达到了一个新的水平。

牛顿的力学和万有引力定律,是物理学上第一次大的统一。在牛顿之前,传统的观念认为支配天体运行和支配地面物体运动的规律是不相同的,有所谓天界和世俗两个世界之分。然而,牛顿发现,天上行星和月球的运动,实际上和地面上的落体运动遵从相同的规律,它们都是由引力引起的。这样,牛顿就用他的力学打破了天界和世俗的界限,找到了两个世界的统一。牛顿称引力为万有引力,就是强调这种统一。

物理学上第二次大的统一,是由19世纪的麦克斯韦完成的。他建立了电磁理论,使电、磁和光学现象得到统一。这就是电动力学。人们很快发现,牛顿的力学和麦克斯韦的电磁学这两大领域在时空观上是很不协调的。在前者中,各种匀速运动是平权的,但却假定有绝对空间或绝对速度存在。相反,在后者中,有一个地位特殊的速度,即光速,但却始终测不出这个特殊的速度是相对于哪个绝对空间而言的。爱因斯坦拋弃了绝对空间观念,使电磁学、力学在新的时空观的基础上达到了协调和统一。

爱因斯坦还曾企图把引力和电磁力二者统一起来,但他的努力没有成功。然而他却找到了能与麦克斯韦电磁理论相协调的引力理论——广义相对论。

作为引力理论的广义相对论和作为电磁理论的麦克斯韦理论构成了我们们今天称为经典物理学的理论基础。

与经典物理相对的是量子论。量子力学最初是作为原子、分子的统一的力学而发展起來的。这种新的力学统一地解释了原子、分子的各种光谱现象,统一地解释了元素周期表,统—地解释了各种分子的键合。

在将量子力学扩展到电磁场时,遇到了困难,这本质上是由于电磁场是相对论性的。直到20世纪40年代末,发展了所谓的重整化方法,才巧妙地解决了上述的困难,使量子论与电磁理论能得以统一,产生了量子电动力学。

4物理学的理论与实验,科学与技术

物理学定律是很多个实验或现象的总结和概括,是相对真理,会不断被新的定律修正。

由物理学定律出发,经过合适的逻辑推演而得的结论,我们称之为“定理”。物理学的理论是物理学定律和定理的集合。自然科学各领域和工程技术都建立在物理学定理的基础上。

社会上习惯把科学和科技联在一起,统称为“科技”,实际上,二者既有密切的联系,又有重要的区别。科学解决理论问题,技术解决实际问题。科学要解决的问题,是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系,并建立理论把这些事实和关系联系起来;技术的任务则是把科学的成果应用到实际的问题中去。科学主要是和未知的领域打交道,其进展,尤其是重大的突破,是难以预料的;技术是在相对成熟的领域内工作,可以做比较准确的规划。

物理学实验是物理学理论正确与否的仲裁者。物理学实验在物理学的发展中扮演着非常重要的角色。同学们在学习物理时,一定不能轻视物理学实验。物理学实验要求具有可重复性,也就是说,同样的实验和结果可以在不同的时间和地点被多次地重复。

否定一种理论只需要一个实验,但实验证据再多也“证明”不了一种理论。这是因为:

(1)无论多少次实验结果都是有限的,不能证明理论对所概括的一切情况正确。

(2)实验总是在某种精度范围内做的。

(3)没有一个理论是独一无二的,例如,“永动机不可能”这条能量守恒定律以前用“人力有限”来解释,大气压强以前用“自然害怕真空”来解释。一个理论被另一个理论取代,有时原因并不在于实验证据要求废弃这种理论,而在于新理论在如下一些方面更满足人们的需要:概念更简明、数学形式更简练、某些方面更深入、假定的内容更少等等。

对自然界,人们总是认为,一定存在着更简明的描述方法。在自然科学中,物理学最直接触及自然界的基本规律,物理学家对事物是最好穷本极源的,凡事总喜欢问个“为什么”。理论物理学家不能仅仅埋首于公式的推演,应该询问其物理实质,从中构想出鲜明的物理图像来;实验物理学家不应满足于现象或数据的记录,或某种先进的指标,而要追究其中的物理机理。

5物理学的研究方法和科学态度

现代的物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学。物理学中有一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法,其要点巧概括为:

1.提出命题

命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来的,也可能是从已有原理中推演出来的。

2.推测答案

答案可以有不同的层次:建立唯象的物理模型;用已知原理和推测对现象作定性的解释;根据现有理论进行逻辑推理和数学演算,以便对现象作出定量的解释;当新事实与旧理论不符时,提出新的假说和原理去说明它,等等。

3.理论预言

作为一个科学的论断,新的理论必须提出能够为实验所证伪的预言。这是真、伪科学的分野。为什么说“证伪”而不说“证实”?因为多少个正面的事例也不能保证今后不出现反例,但一个反例就足以否定它,所以理论是不能完全被证实的。为什么要求能用实验来证伪?假如有人宣称:在我们中间存在着一种不可探知的外来生灵,你怎么驳倒他?对这种论断,你既不能说它正确,又不能说它错误。我们只能说,因为它不能用实验来证伪,所以不是科学的论断。

4.实验检验

物理学是实验的科学,一切理论最终都要以观测或实验的事实为准则。理论不是唯一的,一个理论包含的假设越少、越简洁,同时与之符合的事实越多、越普遍,它就越是一个好的理论。

5.修改理论

当一个理论与新的实验事实不符合,或不完全符合时,它就面临着被修改或被推翻。不过,那些经过大量事实检验的理论是不大会被推翻的,只是部分地被修改,或确定其成立范围。


(编辑:wuliok.com)

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