物理学中的相似论相同与变异的统一.pdf

物理学中的相似论 相同与变异的统一 崔景华 张 蕾 洛阳师范学院 物理系 河南洛阳471022 摘 要 本文列举了物理学中的典型例证 说明客观事物的多种相似性 借此阐述相似论在 物理学中普适性 同时也可以做为人们认识过程中可借鉴的一种科学思维方法 关键词 物理中的相似性 相似统一 科学思维方法 中图分类号 G658 3文献标识码 A文章编号 1009 4970 2006 02 0113 03 收稿日期 2005 09 22 作者简介 崔景华 1948 男 辽宁营口人 副教授 相似是事物的通性 不论在社会历史上还是 在自然科学中 各种事物都存在着惊人的相似 人们正是从千变万化的事物中找出那些相对不变 的本质特征 通过归纳与抽象达到对事物运动规 律的认识 并通过相似诱导 利用逻辑思维的方 式探求未知的事物和规律 相似 表达了客观事物的对称与和谐 相似 本身是对立统一的 但是相似又是有条件的 它 自身包含了不相同因素 相似表达的就是这种相 同与变异的统一 1 性质相似 电与磁是很早就被人发现的自然现象 人 们注意到电荷同性相斥异性相吸 磁极具有同 样的性质 电荷周围存在电场 磁极周围存在 磁场 两者何等相似 但直到奧斯特 丹麦 1777 1851 发现了电流的磁效应 才打开寻 找电磁现象内在联系的大的门 1831年法拉 第 英国1791 1867 经过十年研究 终于发 现了电磁感应现象 利用一组方程将二者有机 地联系在一起 于是这方面的知识也被统称为 电磁学 磁路与电路各参量的对照如表1所 示 由于电荷有正负之分并且可以各自独立存 在 狄拉克 英国1902 1984 早在1931年就预 言了磁单极子的存在 受此启发人们便投入到寻 求磁单极子的研究中 虽然理论推导预言磁单极 子存在的可能性 可至今未能找到直接实验的依 据 表1 电路磁路比较 磁路电路 磁通势F电动势E 磁通 电流I 磁感应强度B电流密度J 磁阻Rm I S 电阻R I S F Rm N I I S I E R E I S 2 类比相似 光与声是人们最早接触到的物理现象 在研 究光与声的物理特性时 人们将二者进行了对 比 如表2所示 表2 声音与光线特性比照 声 音光 线 直线传播直线传播 反 射反 射 折 射折 射 干 涉干 涉 波动特性波粒二象性 光具有粒子性 表现为在不同介质界面上发 生的反射与折射现象 但光线的干涉与衍射现象 又说明光的波动性 于是不同派别进行了激烈的 争辩 最终以光具有波粒二象性结束了这场旷日 持久的争论 声学中的 多普勒效应 是大家所熟 知的 此效应同样适合光学 宇宙大爆炸理论三大 支柱之一的 红移现象 就是光波显示出的 多普 311 洛阳师范学院学报2006年第2期 勒效应 3 形式相似 现代物理学研究表明 自然界中由强作用力 弱作用力 万有引力 电磁力四种力支配与约束着 自然界的各种运动 虽然卫星绕地运动与原子核外电子绕核运动 所受的力性质不同 经对比两者也具有惊人的相 似 原子结构中的原子核及核外电子 不论从质量 分布比例 运动方式还是力学表达式都与太阳系 中太阳与行星的结构及运动相似 如表3所示 据 此卢瑟夫 英国1871 1937 提出了原子结构的 太阳系模型 表3 卫员电子运动方式比照 物理量人造卫星绕核电子 向心力GMm r 2 k q1q2 r 2 动 能GMm 2r k q1q2 2r 势 能 GMm r k q1q2 r 机械能 GMm 2r k q1q2 2r 物理学中的相似现象还很多 可谓俯拾即是 如前所述光具有波动与粒子双重表征 波粒二象 性 德布罗意 法国1892 1987 将这种性质用于 微观粒子的运动 提出物质波的概念 并用公式 E h P h 将微观粒子的粒子性与波动性联系在一起 4 相似统一 依照辩证唯物主义的观点来看 整个自然界 是各种物质相互作用与联系的有机整体 从宇观 的星系到微观的粒子 它们的性质相近 结构相 似 运动方式相似 正是这种相似的性质 相似的 作用构成了物质世界的各种运动 统一与和谐始 终是人们追求的目标 从毕达哥拉斯的 万物皆 数 德谟克利特的原子论 到中国古代的阴阳五 行和元气说 都在试图揭示各种现象背后的统一 性 世界统一性本是一个哲学命题 然而这个哲 学思想却深深地植根于物理学中 鼓舞着一代又 一代的物理学家 根据相似统一的原理 物理学经 历了几次大的综合 每次综合都标志着物理学的 进步 起着里程碑的作用 首先是牛顿 英国1643 1727 完成了物理学 史上的第一次大综合 将天上力学与地上力学加 以综合 建立了经典力学体系 经典力学是从开普 勒 德国1571 1630 开始 伽利略 意大利1564 1642 继续 最后由牛顿完成 其核心理论当推 力学三定律 随着能量守恒与转换定律的提出及热力学三 定律的建立 标志着经典热力学的成熟 而热力学 所研究的对象 应为大量不停地做无规则热运动 的分子 原子或离子 面对如此巨大数目的个体 牛顿运动定律显然是力不从心 经过科学家们不 断地探索和努力 最终找到了合适的方法 概 率论与数理统计 随着经典热力学和统计物理学 的建立 经典物理学完成了第二次大综合 电 磁 光三种运动形式的统一应属物理学中 的第三次大综合 电磁学大厦的奠基人是实验物 理学大师法拉第 在他工作的基础上 麦克斯韦 英国1831 1879 发展了电磁学理论 用一组偏 微分方程定量地描述了电磁运动的基本规律 揭 示电场与磁场间相互依存与统一 更重要的是预 见了电磁波的存在并被证实 而光这个表面与电 磁毫不相干的物理现象 竞然是电磁波频谱中可 见的部分 经过以上三个方面的大综合 经典物理学的 大厦己近落成 但随着各种 反常 现象的出现 使故有理论受到了前所未有的冲击 特别各种新 理论新概念的提出 更是从根本上动摇了经典物 理学的基石 人们认识到物质低速运动与高速运 动应遵循不同的规律 牛顿力学的适用范围是有 限的 爱因斯坦 美籍德裔1879 1955 则利用了 洛伦兹 荷兰1853 1928 那个著名的变换中的因 子1 v c 2 统一了高速与低速运动的变换规 律 指明伽利略变换只是洛伦兹变换的特例 换言 之当物体运动速度V远小于光速c时 物体依然 遵循伽利略变换法则 相对论的提出则完成了低 速运动与高速运动的综合统一 5 统一场论 爱因斯坦晚年的全部时光都花费在对统一场 论的追求与探索上 即要寻找一个关于所有物理 学科的统一的理论基础 他试图建立一个包括引 力场和电磁场在内的统一场理论 其理由是 物理 学最终应能够从一个统一的高度抽象化的场方程 出发 推导出一切相关的定律与公式 以此来解释 物质的各种结构与运动 鉴于主客观的各种条件 411 洛阳师范学院学报2006年第2期 所限 他虽然未取得实质性成果 但却激发出了许 多深邃的思想 统一场论的思想源于广义相对论 而寻找统一场论正是当前物理学发展的前沿 目 前工作的进展己取得了可喜的成果 如表4所示 表4 基本作用力性质比照 名 称强相互作用电磁相互作用弱相互作用万有引力作用 相对强度11 13710 610 39 作用力程 m 10 15 10 15 特征时间 s 10 2310 16 10 2010 8 10 10 被作用粒子强 子强子e 强子 轻子一切物体 被交换粒子胶 子光 子 中间玻色子 W W Z 0 引力子 理 论 量子色动力学 Q C D 量子电动力学 Q E D 量子味动力学 Q F D 量子引力动力学 Q G D 举 例核 力原子结合 衰变天体之间 爱因斯坦的统一场论是源于广义相对论 而 现代的统一场论则是以量子场论为基础的理论框 架 科学家们正在努力探索四种基本作用力是否 归结于一种更基本的作用力 从而实现新的统一 同一切新理论发展成熟的过程一样 统一场论的 理论本身存在种种难题 实验的验证困难更大 学 术界至今看法不一 争论很大 但一些基本的原则 还是取得了共识 如物理学所追求的统一是具体 的 实在的 可信的 同时要遵从相对性 条件性 和层次性 物理学的统一进程 己经打破了以往的 界限 极大地扩展了物理学的研究领域 6 结 语 综上所述 相似类比的方法是人们经常采用 的思维方式 是一种富有创造性的逻辑思维 然而 相似类比毕竟是众多思维方式的一 种 由于是从特殊到一般的归纳 其结果难免带 有局限性 因此我们在类比借鉴的时候 不要让 自己陷入到经验主义的泥潭中 这才是辩证唯物 主义的认识论 正是事物的这些共性与个性 组 成了这个大千世界 也正是对这种相同与变异认 识的统一 使我们能够更深刻地了解这个世界 参考文献 1 张光鉴 科学教育与相似论 M 南京 江苏科学技 术出版社 2000 2 秦曾煌 电工学 M 北京 高等教育出版社 2001 3 孙桂英 类比法在中学物理性教学中的应用 J 中 学物理 2003 11 14 15 4 颜振珏 物理学史新偏 M 贵阳 贵卅科技出版社 2002 5 马里奥 邦格 阿根廷 物理学哲学 M 石家庄 河北科学技术出版杜 2003 1 6 孙小礼 现代科学的哲学争论 M 北京 北京大学出 版杜 2003 8 The Theo ry of Resem blance in Physics the Unity Si m ilarity and Variation CU IJing2hua ZHANG Lei PhysicsDepartment Luoyang Teachers College Luoyang 471022 China Abstract This paper lists the typical examples to explain the similarities of the reality and on this basis ex2 pounding the general appli