物理学史(绪论新)-科普报告-科学并不神秘PPT课件.ppt

物理学史 李艳平 申先甲主编 主讲教师甘永超湖北大学物理学与电子技术学院物理系 1 2 3 人生的三大课题 认识自然认识社会认识自己 4 世界科学与哲学的始祖 泰勒斯 世界的本源是什么 自然科学最深的根 人的本质是什么 社会科学最深的根 5 教学目标 学习要求 成绩评定 掌握物理学史的基本史料 史事 学会物理学史分析问题与解决问题的方法 对自己的学习 研究有所借鉴和帮助 抓好课堂教学45分钟 掌握基本的教学内容 对老师讲过的基本内容要求连贯地通读并拓展 按时完成作业 及时复习总结 考试 考查成绩占60 平时成绩占40 包括考勤 作业 回答问题等 提倡积极思考 写出像样的小论文 加分 6 要求与任务 课程名称物理学史 课程学时32 课程学分2 前期课程经典物理学 现代物理学 被后移 课程教材物理学史教程李艳平申先甲 习题处理布置作业 主要是思考题 答疑 601 部分参考书目 物理学史简编申先甲等山东教育出版社 物理学史教程申先甲等湖南教育出版社 物理学史郭奕玲等清华大学出版社 物理学史刘筱莉 仲扣庄等南京师大出版社 20世纪物理学史魏凤文 申先甲江西教育出版社 7 绪论 1 物理学史的研究对象和方法 2 物理学发展的基本模式 3 物理学史与物理教学 8 第一节物理学史的研究对象和方法 一 物理学的发展和物理学史的研究对象 物理学是历史发展的产物 物理学的每一项发现都有其历史背景 物理学的概念 规律都是在一定的历史条件下产生 随着历史的发展而不断发展的 物理学发展的三个主要阶段 9 物理学发展的三个发展阶段 物理学研究方法的三个发展阶段 物理学史就是人类的智力如何在物理学的探究中一步比一步深入地寻找着观念世界与现象世界之间的关联 10 二 物理学史的研究方法 物理学史的研究 又可分为综合史 断代史 国别史 学科史 思想史 实验史等不同的分支 内史 研究与 外史 研究 在研究中既可侧重于物理学认识自身发展的进程 即其内在的逻辑发展的脉络 它的研究内容 基本观念和研究方法的发展和演化 也可侧重于各个历史时期的经济形态 生产状况 政治制度 思想文化等历史条件与物理学发展的关系 11 在具体研究过程中 我们又可以采取以下的一些方法 第二 要善于沿着历史本身的线索前进 透彻了解物理学发展中各个重要的事件以及它们之间的联系 透彻了解各个物理学家的科学贡献 创新思想 创造过程和研究方法 透彻了解各个时期人类掌握科学知识的水平 物理学家们的知识状况和物理学见解 透彻了解社会的物质条件和思想意识形态对物理学发展的影响 第三 对物理学发展史上重大的历史事件进行 个案 的具体分析 在物理学史研究中是非常重要的 第四 应该注意和善于使用一切现代科学 包括现代社会科学 的研究方法和现代技术手段 第一 为了厘清物理学发展的历史线索 揭示物理学发展的基本规律 首先必须占有和研究大量的历史资料 返回 12 第二节物理学发展的基本模式 物理学的发展是一个继承与突破交互作用的辩证过程 既包含有进化式的量的积累 又包含有飞跃式的质的变革 物理学发展的历史表明 物理学的发展与物理学知识量的积累有关 每一个重大突破都是以积累和继承为前提的 同时又包含着对旧观念和旧理论的批判与扬弃 一 奈格尔 Nager 进化性的积累观模式 二 波普 Popper 的证伪主义模式 三 库恩 Kuhn 的范式变革模式 四 拉卡托斯 Lakatos 的科学研究纲领模式 13 一 进化性的积累观模式 逻辑经验主义者 美国科学哲学家欧内斯特 奈格尔 ErnestNager 在1960年出版的 科学的结构 中提出了 通过归并而成长 的科学发展观 奈格尔指出有两种类型的归并 一是某一得到高度确证的理论合并到另一个更全面的 具有实质上相同的概念的理论中去 即 同质归化 伽利略的落体定律被吸收到牛顿力学 二是某一得到高度确证的理论通过演绎包容到一个缺乏表达该理论所用的一些基本概念的更为深刻的理论中去 即 异质归化 宏观性质的理论归化到涉及物体微观结构的理论 线性直观的科学发展模式 新旧理论更替的条件 经验支持 增值力 14 二 波普的证伪主义模式 波普认为猜测与反驳 证伪 是科学知识发展的本质 提出了科学知识增长的证伪主义模式 P1 TT EE P2 问题 15 科学认识发展的第一个阶段 提出问题 科学认识发展的第二个阶段 科学家为了解决问题和寻求答案 试探性地提出某些猜想和假说 科学认识发展的第三个阶段 猜想和假说是否有价值 要经过经验的检验 波普认为检验不可能最终 证实 一个假说 但却可以 证伪 或否定一个假说 那些暂时没有被证伪的 就是暂时有效的理论 但任何一个理论 不管它经受了多么严格的检验 也不能说 证实为真 了 它终究还是会被未来的检验所证伪的 所以 科学理论都是几率性的真理 都必然包含着缪误 具有潜在的可证伪性 波普由此指出 科学与非科学的划界标准不是可证实性判据 而是经验证伪原则 可证伪的陈述才是科学的陈述 波普勾画出了这样一幅科学知识增长的图景 从问题开始 通过不断地 试探 除错 猜测 反驳 消除被证伪的理论 发现新的问题 提出新的理论 在 不断革命 中使认识愈来愈逼近于真理 16 归纳主义认为科学发展的模式是 归纳 演绎 反映科学不断进步的总趋势 但不能解释革命性新理论的出现 观察 经验事实 17 三 库恩的范式变革模式 美国科学史和科学哲学家库恩 ThomasS Kuhn 1922 在1962年出版的 科学革命的结构 一书中 库恩提出了 范式 paradigm 概念和科学经历着常规时期与革命时期不同阶段的科学发展的动态模型 库恩模型的中心概念是 范式 又称规范 范型 范式的变更是科学革命的重要标志 范式是一个包含着科学 哲学 社会 心理等多种因素的概念 具体地说 是指 科学共同体 认识中的三种主要成份 一是概括 符号概括 文字概括 二是模型 提供类比和启发的模型 三是范例 具体的题解 概括地讲 范式就是某个科学家集团的共同信念 以及在这一共同信念支配下确定的基本理论 基本观念和基本方法 并包括对该学科发展方向的共识 18 库恩的模式把科学发展的进化与革命两种状态结合起来 因而是更合乎科学发展的实际的科学发展观 库恩由此指出 一个成功的科学家必须同时具有维持传统和反对偶像崇拜这两方面的性格 在科学研究的继承和突破之间 收敛式思维和发散式思维之间保持必要的张力 但是 库恩的模式所说的科学革命是突变性的 过分夸大了新旧范式之间的间断性 他的模式还片面强调了新旧范式的不可比性 因而无法说明不同理论的竞争和科学的进步 同时由于他把科学共同体的信仰作为选择理论的标准 所以有相对主义和非理性主义的倾向 这是不可取的 库恩认为科学知识按照下述各阶段发展 前科学 常规科学 危机 科学革命 新的常规科学 19 四 拉卡托斯的科学研究纲领模式 拉卡托斯提出了 科学研究纲领方法论 用以改进波普 朴素的证伪主义 拉卡托斯强调 科学最基本的单位是具有严密内在结构的理论系列 只有理论系列而非一个孤立的理论才能被评价为科学的或伪科学的 理论系列构成了科学研究纲领 如牛顿的理论 热力学理论 相对论理论等 在拉卡托斯的学说中 蕴含着这样的一个科学发展模式 科学研究纲领的进化阶段 科学研究纲领的退化阶段 新的进化的研究纲领证伪并取代退化的研究纲领 新的研究纲领的进化阶段 返回 20 第三节物理学史与物理教学 一 增强物理教学的历史感 爱因斯坦 科学结论几乎是以完成的形式出现在读者面前 读者体验不到探索和发现的喜悦 感觉不到思想形成的生动过程 也很难达到清楚地解释全部情况 理论脱离实际 怎样捕捉蚊蝇 21 22 钱三强 任何科学的新分支 从它的产生 发展到把它的道理弄清楚都要经过不少曲折 有些还会由于 偶然 的遭遇而一时 蒙难 例如 第三种波粒二象性 而我们的教师对青年进行教育的时候 常常是应用经过几次消化 中 外人士 的材料来讲授的 或者经过抽象的理论分析把它表达出来 这样的教学方法会使青年失去对观察和实验的兴趣 容易发生误解 以为什么结论都可以用数学推导得到 加之现在特别强调考试 因而增加了背书的倾向 这样的结果使青年们不了解科学本身是怎样来的 时间长了 等到他从事教学时很容易把科学作为一门死科学来教 从事研究工作时思想也不会活泼 这正是我们科学界的弱点 希望加强横的多门学科知识的介绍 同时还希望介绍各门学科发展的历史 以了解它的纵深 从长远来说 将对我国科学技术的发展会大有作用 23 在物理教学中 应当把知识的逻辑展开与认识的历史发展有机地结合起来 真正做到把文化的传授和学习转化成历史上文化创造者与今天文化学习者之间的对话 让学生以物理学家认识物理世界的本来面目去认识物理世界 增强物理教学的历史感 例如 第三种波粒二象性 的认识 物理教师不仅要善于运用逻辑的手段去讲解物理学的基本概念 定律和理论 还要善于对物理知识作出历史的叙述 把物理知识的获得作为一种经验 作为一个激动人心的知识奇遇来讲述 把着眼点放在科学中的发现 推理及概念的形成的认识过程上 要善于生动地描绘人类探索物理世界奥秘的艰辛历程 以其中的欢乐 困惑 惊奇和哲理去感染学生 确立他们物理学的历史意识 在给学生物理知识的同时 也使他们受到全面素质的培养 24 美国国家科学教育标准 NSES HISTORYOFSCIENCE 5 8 Scienceasahumanendeavor 尽力 努力 NatureofscienceHistoryofscience 25 Historyofscience Manyindividualshavecontributedtothetraditionsofscience Studyingsomeoftheseindividualsprovidesfurtherunderstandingofscientificinquiry scienceasahumanendeavor thenatureofscience andtherelationshipsbetweenscienceandsociety 许多个人对科学传统作出了贡献 学习其中的某些典范人物可以进一步理解科学探究 理解作为人类奋斗目标的科学 理解科学的本质及科学与社会之间的关系 26 Historyofscience Inhistoricalperspective sciencehasbeenpracticedbydifferentindividualsindifferentcultures Inlookingatthehistoryofmanypeoples onefindsthatscientistsandengineersofhighachievementareconsideredtobeamongthemostvaluedcontributorstotheirculture 从历史的观点看来 科学是不同文化背景的不同个人的实践活动 纵观诸多民族的历史就可以发现 那些成就斐然的科学家和工程师都被看成是对本民族的文化作出最杰出贡献的人 27 重点 Historyofscience Tracingthehistoryofsciencecanshowhowdifficultitwasforscientificinnovatorstobreakthroughtheacceptedideasoftheirtimetoreachtheconclusionsthatwecurrentlytakeforgranted 跟随科学史的足迹可以发现 科学创新人物要打破当时被普遍接受的观念得出我们今天认为理所当然的结论是多么的困难 28 HistoryandNatureofScience 9 12 SCIENCEASAHUMANENDEAVORNATUREOFSCIENTIFICKNOWLEDGEHISTORICALPERSPECTIVES 29 HISTORICALPERSPECTIVES Inhistory diversecultureshavecontributedscientificknowledgeandtechnologicinventions ModernsciencebegantoevolverapidlyinEuropeseveralhundredyearsago Duringthepasttwocenturies ithascontributedsignificantlytotheindustrializationofWesternandnon Westerncultures However other non Europeancultureshavedevelopedscientificideasandsolvedhumanproblemsthroughtechnology 在历史上 形形色色的文化都对科学知识和技术发明作出了贡献 数百年前 现代科学开始在欧洲迅速发展 在过去的二百年间 科学对西方和非西方的工业化作出了巨大的贡献 然而 其他非欧洲文化也发展了科学概念 也通过技术解决了人类的许多问题 30 HISTORICALPERSPECTIVES Usually changesinscienceoccurassmallmodificationsinextantknowledge Thedailyworkofscienceandengineeringresultsinincrementaladvancesinourunderstandingoftheworldandourabilitytomeethumanneedsandaspirations Muchcanbelearnedabouttheinternalworkingsofscienceandthenatureofsciencefromstudyofindividualscientists theirdailywork andtheireffortstoadvancescientificknowledgeintheirareaofstudy 通常 科学中的变革是作为对现有知识的微小修改出现的 科学和工程的日常工作导致了我们对世界的理解和我们满足人类需要和抱负的能力的渐进式进步 通过研究科学家个体 研究他们的日常工作和他们在自己的研究领域推动科学知识进步的努力 可以学到许多关于科学内部运作和科学本质的知识 31 HISTORICALPERSPECTIVES Occasionally thereareadvancesinscienceandtechnologythathaveimportantandlong lastingeffectsonscienceandsociety ExamplesofsuchadvancesincludethefollowingCopernicanrevolutionNewtonianmechanicsRelativityGeologictimescalePlatetectonicsAtomictheoryNuclearphysicsBiologicalevolutionGermtheoryIndustrialrevolutionMolecularbiologyInformationandcommunicationQuantumtheoryGalacticuniverseMedicalandhealthtechnology 32 HISTORICALPERSPECTIVES 偶尔也会有对科学和社会具有长远影响的科学和技术进步出现 这类进步的例子包括 哥白尼革命牛顿力学相对论地质学时间尺度板块构造地质学原子理论核物理学生物进化论生命起源理论工业革命分子生物学信息与通信量子理论星系宇宙 33 HISTORICALPERSPECTIVES Thehistoricalperspectiveofscientificexplanationsdemonstrateshowscientificknowledgechangesbyevolvingovertime almostalwaysbuildingonearlierknowledge科学解释的历史观点说明 科学知识如何随时间的推移发生变化 而且几乎始终是建立在先前知识的基础上 34 二 物理学史与人文素养的培养 在科学教育中 应当借助于科学大师们这种崇尚理性 崇尚统一 崇尚秩序 规律与和谐 崇尚科学美的思想与创造实践 引导学生去认识自然界的质朴的统一 认识科学理论的简单 对称 统一和谐与普适性的内在的美 从而培养起他们的科学鉴赏力 并以追求科学美的思想充实自己 塑造自己 丰富自己的精神世界 完善人格的塑造 实现自身的美化 培育深邃的科学洞察力 开发科学潜能 在未来的科学技术工作中充分发挥自己的才能 人类认识和社会实践的发展也表明 自然科学 包括物理学 与人文科学正日益交叉渗透着 这一不可逆转的历史走向 决定了科学史 包括物理学史 在 科学 人文 教育中的重要作用 35 三 物理学史与科学素养的培养 科学素养是什么 概念性知识 构成科学的主要概念 概念体系或观念 科学的理智 科学研究的方法论 科学的伦理 科学所具有的价值标准 即科学研究中科学家的行为规范 又称科学态度或科学精神 科学与技术 科学与技术之间的关系及差异 科学与人文 科学与哲学 文学 艺术 宗教等文化要素的关系 科学与社会 科学与政治 经济 产业等社会诸方面的关系 36 在物理教学中要让学生理解任何物理知识的获得都是一个动态的 历史的过程 是 继承 发展 突破 这一过程反复循环的结果 不断经历着 问题 试探 除错 的多次选择 此外 物理教学中引用物理史料 还会使学生经受到物理学基本观念变革的洗礼 深刻领会物理学思想的真谛 通过对物理学革命历史的阐述 将会使学生深刻理解物理学理论范式的变革与物理学基本观念的转变的一致性 了解物理学中的复杂的数学公式和定义等 都不过是基本观念的表达形式和演绎工具 基本观念才是先导的 本质的东西 所以 每当学习一个新的理论时 必须改变自己的思想观念和思维方法 从而使学生自身的科学素质得到提高 37 四 物理学史与创造素养的培养 科学的本质在于探索 科学的生命在于创新 现代科学教育 必须重视培养学生的创新意识和创新能力 为了使学生能够适应不断发展着的科学创造工作的需要 既要使学生受到严格的逻辑思维的训练 又要使他们不把这种思维模式固定化 必须使他们从科学发展的真实历史中受到非理性 非逻辑的创造性思维的训练 以对未来的创造性工作有所准备 物理学史在培养学生的创造素质方面 具有独特的功能 38 五 物理学史与思想品德素质的培养 物理学史以其独特的精神价值 在学生的思想品德教育中 可以发挥重要作用 这种精神价值 主要蕴含在科学家的科学理想 献身精神 光辉言行和高尚品格中 以及中华民族的文明中 科学大师们的楷模形象和中华文明的深厚底蕴 会给学生人生价值的追求以深刻的影响 深入剖析科学伟人的生平 环境 教育和成长道路 可以发现科学家的科学探索活动和科学成就 与道德价值观是密不可分的 物理学史上大量的事例表明 追求真理的科学理想和献身科学的牺牲精神 是科学伟人们取得成就的崇高思想境界的支撑 在物理教学中 要善于运用物理大师们的光辉言行 培养学生树立正确的人生观和价值观 使学生认识到人生的价值要放在社会大环境中和历史的长河中去衡量 39 40 墨经 中的光学八卦 互补原理 爱国主义教育 返回 41 42 2 物理学的五次大综合与五个世界科学中心 物理学史上第一次大综合 17世纪 伽利略研究地面上物体的运动 打开了通向近代物理学的大门 牛顿在此基础上把地面上物体的运动和天体运动统一起来 揭示了天上地下一切物体的普遍运动规律 建立了经典力学体系 实现了物理学史上第一次大综合 43 第二次大综合 18世纪 经过迈尔 焦耳 卡诺 克劳修斯等人的研究 经典热力学和经典统计力学正式确立 从而把热与能 能量转化和守恒定律 热运动的宏观表现与微观机制统一起来 实现了物理学史上的第二次大综合 第三次大综合 19世纪 麦克斯韦在库仑 安培 法拉第等物理学家研究的基础上 经过深入研究 把电 磁 光统一起来 建立了经典电磁理论 预言了电磁波的存在 实现了物理学史上第三次大综合 44 第四次大综合 1905年 爱因斯坦在分析当时有关光速测量方面出现的种种矛盾的基础上 创立了狭义相对论 把物理学扩展到高速运动领域 建立了新的时空观 物质 运动 时间 空间相互关联 这是物理学发展史上的第四次大综合 第五次大综合 20世纪 普朗克在解释黑体辐射的实验规律时提出了量子论假设 经爱因斯坦 波尔 德布罗意 海森堡 薛定谔 狄拉克等人的努力 发展了量子力学 把物理规律扩展到微观领域 完成了物理学发展史上的第五次大综合 45 对物理学第六次大综合的预言 物理学发展史上的第六次大综合即将来临 攻克困扰现代科学的四大疑难 破解 波粒二象性之谜 光的本性之谜 粒子与场的关系之谜 物质世界最基本结构单元之谜 从而完成物质的两种基本形式 实物 粒子 和场 波 的统一 前苏联科学家瑞德尼克在他的 量子力学史话 281页中写道 今天 决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题 就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰 物质的两种基本形式 实物 粒子 和场 波 之间的相互关系 46 47 五个世界科学中心 第一个世界科学中心 意大利 1504 1610 始发于意大利的文艺复兴运动使意大利成为近代第一个世界科学中心 不仅产生了像但丁 达 芬奇这样的伟大诗人和艺术家 还出现了一批以哥白尼 伽利略为代表的著名科学家 第二个世界科学中心 英国 1660 1750 在弗兰西斯 培根科学思想的影响下 英国政府和社会普遍重视知识的价值 成立皇家学会 提倡科学实验 云集了牛顿 虎克 波义耳 哈雷等一大批科学家 诞生了牛顿力学 电磁场理论 进化论等一批科学理论 第一次工业革命在英国率先发起 科学与生产相结合更是大大促进了科学的发展 英国一跃而成为世界科学中心 48 第三个世界科学中心 法国 1760 1840 18世纪初 法国经历了一场空前的大革命 而大革命前夕建立的新型高水平大学 也自然成为世界高等教育中心 以狄德罗为代表的一批启蒙运动哲学家形成了法国百科全书派 出现了一次思想大解放 促使法国成为新的世界科学中心 出现了以拉格朗日 拉普拉斯 拉瓦锡等为代表的一大批卓越的科学家 第四个世界科学中心 德国 1875 1920 德国科学的兴起始于19世纪初 首先进行了大学改革 把教学与科研紧密结合起来 使德国成为世界上第一个创立导师制的国家 教育与科学相互促进 新的教育体系在德国建立 产生了一大批优秀的人才 德国成为第四个科学中心 在此期间 完成了物理学发展的第二 三 四 五次大综合 创立了细胞学说 相对论 量子力学等重大科学理论和学说 出现了爱因斯坦 欧姆 高斯 李比希 霍夫曼等一大批顶尖科学家 49 第五个世界科学中心 美国 1920 今 美国科学的兴起一开始就站在了 巨人的肩膀上 不但继承了英国科学的传统和德国科学的体制 而且特别重视科学人才的引进 造就了发明家贝尔 爱迪生 二战后又吸引了爱因斯坦 费米 弗兰克 威格纳 西拉德等一大批世界顶尖科学家 使近70 的诺贝尔奖被美国科学家领走 至今仍保持着世界科学界领袖的地位 第六个世界科学中心 X国 它将以完成物理学发展的第六次大综合为标志 50 一幅感动中国 催人奋进的中华腾飞线路图 揭示 第三种波粒二象性 前两种波粒二象性的揭示已经颁发了四次诺贝尔物理奖 完成 三种波粒二象性的和谐统一 破解现代科学的四大疑难 波粒二象性之谜 光的本性之谜 粒子与场的关系之谜 物质世界的最基本结构单元之谜 促成中国科学家联合起来 实现物理学第六次大综合 获得10 20个诺贝尔奖 促成世界科学中心向中国转移 使中国成为第六个世界科学中心 中国成为真正的世界强国 在高科技的支撑下经济 军事 文化等高度发展 国家战略 民族理想 51 3 1666与1905 两个科学奇迹年 艾萨克 牛顿 IsaacNewton 是英国伟大的数学家 物理学家 天文学家和自然哲学家 其研究领域包括物理学 数学 天文学 神学 自然哲学和炼金术 奠定了经典力学 微积分 天文学 光学四大学科的基础 牛顿还精于实验 设计并实际制造了第一架反射式望远镜等等 被誉为人类历史上最伟大 最有影响力的科学家 1666年创造奇迹 阿尔伯特 爱因斯坦 AlbertEinstein 1879 1955 是德裔美国物理学家 拥有瑞士国籍 思想家及哲学家 犹太人 现代物理学的开创者和奠基人 相对论 质能关系 的提出者 决定论量子力学诠释 的捍卫者 振动的粒子 不掷骰 tou 子 色子 的上帝 1999年12月26日 爱因斯坦被美国 时代周刊 评选为 世纪伟人 1905年创造奇迹 52 53 3 1牛顿的奇迹年 出生 牛顿1643年1月4日诞生在英格兰林肯郡小镇沃尔索浦的一个自耕农家庭 是一个早产儿 都担心他能否活下来 谁知他竟活到84岁 还成了一位名垂千古的科学巨人 牛顿出生前三个月父亲便去世了 在他两岁时 母亲改嫁 把牛顿留在外祖母身边 11岁时 牛顿的后爸去世 母亲又带着和后爸所生的一子二女回到外婆家 牛顿自幼沉默寡言 性格倔强 他的家庭环境并不宽松 童年 五岁的牛顿被送到公立学校读书 他并不是神童 资质平常 成绩一般 但喜欢读书 由于身体虚弱 性格内向 常常躲在家里用舅舅的木工工具制作些一些小玩意 如风车 木钟 折叠式提灯等等 他放风筝时 在绳子上悬挂着小灯 夜间村人看去惊疑是彗星出现 54 中学时代 12岁的牛顿到离家不远的格兰瑟姆中学学习 曾经寄宿在一位药剂师家里 使他受到了化学试验的熏陶 但成绩并不出众 只是爱好读书 对自然现象有好奇心 例如颜色 日影四季的移动 尤其是几何学 哥白尼的日心说等等 他还分门别类的记读书笔记 又喜欢别出心裁的作些小工具 小技巧 小发明 小试验 母亲原本希望牛顿成为一个农民 后来迫于生活 母亲让牛顿停学务农 赡养家庭 但牛顿酷爱读书 以至经常忘了干活 牛顿的好学精神感动了舅父 于是舅父劝服了母亲让牛顿复学 并鼓励牛顿上大学读书 55 大学时代 1661年 19岁的牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院 靠为学院做杂务的收入支付学费 1664年成为奖学金获得者并被选为第一任卢卡斯讲座教授伊萨克 巴罗 长牛顿12岁 的助手 1665年获学士学位 17世纪中叶 剑桥大学的教育制度还渗透着浓厚的中世纪经院哲学气味 传授一些经院式课程 如逻辑 古文 语法 古代史 神学等等 牛顿进校两年后 三一学院出现了新气象 卢卡斯创设了一个独辟蹊径的讲座 规定讲授自然科学知识 如地理 物理 天文和数学课程 而第一任卢卡斯讲座教授就是伊萨克 巴罗 牛顿的伯乐 56 奇迹年 1665 6 1667 4 1665 1666年严重的鼠疫席卷伦敦 剑桥离伦敦不远 为恐波及 学校因此停课 牛顿于1665年6月离校返乡 他在剑桥所学的基础理论知识与他探索自然的浓厚兴趣在家乡安静的环境中完美结合并使得他的思想展翅飞翔 1665 1666年这段短暂的时光成为牛顿科学生涯中的黄金岁月 他在自然科学领域内思潮奔腾 才华迸发 创建了前所未有的惊人业绩 1665年初 牛顿创立级数近似法以及把任意幂的二项式化为一个级数的规则 同年11月 创立正流数法 微分 次年1月 用三棱镜研究颜色理论 5月 开始研究反流数法 积分 这一年内 牛顿开始想到研究重力问题 并想把重力理论推广到月球的运动轨道上去 他还从开普勒定律中推导出使行星保持在它们的轨道上的力必定与它们到旋转中心的距离平方成反比 57 尾声 1667年4月 牛顿返回到剑桥大学 10月1日被选为三一学院的仲院侣 初级院委 有奖学金的研究生 翌年3月16日获得硕士学位 同时成为正院侣 高级院委 确立了教师地位 1669年10月27日 巴罗为了提携牛顿而辞去教授之职 27岁的牛顿晋升为数学教授 并担任卢卡斯讲座的教授 巴罗为牛顿的科学生涯打通了道路 如果没有牛顿的舅父和巴罗的帮助 牛顿这匹千里马可能就不会驰骋在科学的大道上 巴罗让贤 这是科学史上的佳话 对比 1666年 牛顿 1642 1727 在家休假期间 用三棱镜做了著名的色散试验 后来 牛顿写成了 关于光和色的新理论 用粒子说阐述了光的颜色理论 1672年2月6日 以胡克 1635 1703 为主席 由波义耳等六人组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文进行了评价 但基本持否定态度 直到胡克去世后的第二年 1704年 牛顿的 光学 一书才正式公开发行 可怕的普朗克定律 58 补注 略 1669年夏天 牛顿完成了关于微积分的第一部重要著作 运用无限多项方程的分析学 此时 牛顿已经掌握了求导和积分的方法 并且发现了微积分的基本定理 牛顿把稿子呈送巴罗老师审阅 看到牛顿用代数方法一举揭开了先辈们多少年来孜孜以求的谜底 巴罗不禁感到由衷的钦佩 他一再表明 自己 对数学虽略有成就 但是和牛顿相比 只能算个小孩 巴罗把这篇稿子转呈英国皇家学会秘书 数学顾问柯林斯备案 柯林斯把复制本散发给会员们评阅 看到牛顿的才智远远超过自己 巴罗于1669年10月27日毅然辞去卢卡斯数学讲座教授职位 荐举牛顿继任 要知道 当时巴罗并不是年迈力衰的老朽 而正是年富力强 创造力旺盛的壮年 相比之下 在某些人眼中 牛顿倒还是 羽毛未丰 的青年 这年巴罗39岁 牛顿27岁 59 60 3 2 爱因斯坦的奇迹年 爱因斯坦中学退学 高考失败 就业困难 爱因斯坦的知识大多是从家庭教育和自学中获得 中学时代除数学成绩优良外 其它成绩都很低劣 1894年4月被迫退学 而后回家自学 1895年秋 16岁的爱因斯坦报考瑞士联邦理工学院工程系落榜 后进入阿劳州立中学 复读班 补习 1897年他才被瑞士联邦理工学院师范系录取 在大学里 爱因斯坦很快就堕入情网 感兴趣的课就学习 不感兴趣的课就敷衍 还给他的恋人惹了不少麻烦 1900年8月毕业 可两年后才经格罗斯曼的父亲介绍找到工作 1909年离开伯尔尼专利局 而1905年却是爱因斯坦的奇迹年 Why 61 创造奇迹 五岁的爱因斯坦有一次卧病在床 父亲送给他一个罗盘 当他发现指南针总是指着南方时 感到非常惊奇 像着了魔一样 他的小学 中学都成绩平平 由于举止缓慢 不爱交往 老师和同学都不喜欢他 希腊文和拉丁文老师更是厌恶 甚至公开骂他 爱因斯坦 你长大后肯定不会成器 但在叔父雅各布的影响下 爱因斯坦较早就受到了科学和哲学的启蒙 1900 1904年 爱因斯坦每年都写出一篇论文 发表于德国 物理学杂志 1905年 爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例奇迹 这一年他写了五篇论文 在3 9月这半年中 利用在专利局每天八小时工作以外的业余时间 在三个领域做出了四个划时代意义的工作 他发表了关于光量子说 分子大小测定法 布朗运动理论 狭义相对论和质能关系式这五篇重要论文 62 爱因斯坦为什么能创造奇迹 人们曾经追问 一个根本没有进入当时主流科学共同体的小职员 加上一小群年轻朋友 三年的业余读书活动 凭什么能创造1905年的奇迹 爱因斯坦后来多次表示 如果他当时在大学里找到了工作 就必须将时间花在准备讲义和晋升职称的论文上 恐怕就根本没有闲暇时间来自由思考了 他在逝世前一月所写的自述中表明 奇迹来自自由的思考 鉴定专利权的工作 对于我来说是一件幸事 它迫使你从物理学上多方面地思考 以便为鉴定提供依据 此外 实践性的职业对于象我这样的人来说简直是一种拯救 因为学院式的环境迫使青年人不断提供科学作品 只有坚强的性格才能在这种情况下不流于浅薄 63 在 爱因斯坦奇迹年 一书的导言中 主编施塔赫尔 JohnStachel 比较了牛顿和爱因斯坦这两个 奇迹年 的多项异同 但是有一个非常重要的共同点 却完全没有被注意 那就是 牛顿和爱因斯坦创造奇迹时 都没有用过国家一分钱的 科研经费 都没有晋升与考核的巨大压力 事实上 科学史上有许多伟大发现 都是在不用国家一分钱的情况下服从心灵的召唤 任好奇与思维自由驰骋而完成的 而如今那些用掉了纳税人亿万金钱所取得的 科研成果 与当年牛顿和爱因斯坦比起来 绝大多数都显得平庸和令人汗颜 64 补注 有一次 他要把墙上的一幅旧画换下来 就搬来一架梯子 一步一步爬上去 突然 他又想起一个问题 沉思起来 忘记自己在做什么了 猛的从梯子上摔下来 摔到地上以后 他顾不得疼痛 马上想到 人为什么会笔直地掉下来呢 看来物体总是沿着阻力最小的线路运动的 爱因斯坦想到这里便马上站立起来 一瘸一拐地走到桌边 提笔把自己的这个想法记了下来 这对他正在研究的问题 相对论有很大的启发 又一重大发现 1923年12月 取得最后一个重大发现 从统计涨落的分析中得出一个波和物质缔合的独立的论证 此时 还发现了波色 爱因斯坦凝聚 65 3 3 德布罗意 一个文科生的故事 1929年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎索本大学的路易 维克多 德 布罗意 PrinceLouis victordeBroglie 1892 1987 以表彰他发现了电子的波动性 路易 维克多 德 布罗意1926年起在巴黎大学任教 1933年任巴黎大学理学院理论物理学教授 1933年被选为法国科学院院士 1943年起任该院常任秘书 1962年退休 66 路易 维克多 德 布罗意出身法国贵族 1892年2月15日诞生于下塞纳的迪耶普 中学时代显示出文学才华 1910年获巴黎大学文学学士学位 后来志趣转向理论物理学 1913年又获理学士学位 第一次世界大战期间 在埃菲尔铁塔上的军用无线电报站服役 平时爱读科学著作 特别是庞加莱 洛伦兹和朗之万的著作 后来对普朗克 爱因斯坦和玻尔的工作发生了兴趣 转而研究物理学 退伍后跟随朗之万攻读物理学博士学位 1924年获科学博士学位 67 成功并不像你想像的那么难 并不是因为事情难我们不敢去做 而是因为我们不敢去做事情才变难 1965年 一位韩国学生到剑桥大学主修心理学 在喝下午茶的时候 他常到学校的咖啡厅或茶座听一些成功人士聊天 这些成功人士包括诺贝尔奖获得者 某一些领域的学术权威和一些创造了经济神话的人 这些人幽默风趣 举重若轻 把自己的成功都看得非常自然和顺理成章 时间长了 他发现 在国内时 他被一些成功人士欺骗了 那些人为了让正在创业的人知难而退 普遍把自己的创业艰辛夸大了 也就是说 他们在用自己的成功经历吓唬那些还没有取得成功的人 68 作为心理系的学生 他认为很有必要对韩国成功人士的心态加以研究 1970年 他把 成功并不像你想像的那么难 作为毕业论文 提交给现代经济心理学的创始人威尔布雷登教授 布雷登教授读后 大为惊喜 他认为这是一个新发现 这种现象虽然在东方甚至在世界各地普遍存在 但此前还没有一个人大胆地提出来并加以研究 惊喜之余 他写信给他的剑桥校友 当时正坐在韩国政坛第一把交椅上的人 朴正熙 他在信中说 我不敢说这部著作对你有多大的帮助 但我敢肯定它比你的任何一个政令都能产生震动 后来这本书果然伴随着韩国的经济起飞了 这本书鼓舞了许多人 因为他们从一个新的角度告诉人们 成功与 劳其筋骨 饿其体肤 三更灯火五更鸡 头悬梁 锥刺股 没有必然的联系 只要你对某一事业感兴趣 长久地坚持下去就会成功 因为上帝赋予你的时间和智慧够你圆满做完一件事情 后来 这位青年也获得了成功 他成了韩国泛业汽车公司的总裁 69 温馨提示 人世中的许多事 只要想做 都能做到 该克服的困难 也都能克服 用不着什么钢铁般的意志 更用不着什么技巧或谋略 只要一个人还在朴实而饶有兴趣地生活着 他终究会发现 造物主对世事的安排 都是水到渠成的 牛顿的故事 爱因斯坦的故事 德布罗意的故事 70 4 一个普通人的学术生涯 一个农民的儿子 没有上过重点中学 起点很低 但能独立思考 全面发展 儿时的梦想 给子孙后代留下几句格言警句 搞一点创造发明 弄出一套属于自己的理论 最好能弄一个诺贝尔奖 上大学后对很多问题感兴趣 后来慢慢集中到两个问题上 一个是 受控核聚变 另一个就是 波粒二象性 71 4 1 业余爱好哲史文 构建立体思维 我是地地道道的理科出身 喜欢高等数学 理论物理 尤其是量子力学 但我也业余爱好哲 史 文 尤其是与我的专业相关联的物理哲学 物理学史 经过几十年的积累 在极少数方面可能达到了专业水平 但在大多数方面还是很欠缺的 在2002年全国自然辩证法学术发展年会上我曾应邀做过大会报告 也出席过哲学方面的国际会议 有论文被 哲学评论 人大复印资料 科学技术哲学 全文转载 曾当选过中国科学技术史学会第八届全国代表大会代表 物理学史专业委员会委员 湖北省自然辩证法研究会理事等职 在文史哲类的权威期刊 重要核心期刊 核心期刊上发表过论文 全国优秀诗词集曾收录过我的诗作 72 73 74 75 76 实现了一个孩提时代的人生理想 像孔子那样 给子孙后代留下一些经典格言 现在 我的经典格言已经有十多句被收入多种格言典籍之中 做正确的事并正确地做事 从小事做起 把细节做到伟大 顺其自然 把握规律 乃是生活与做人的最高境界 当一个人 常怀感恩之情 时 才标志着这个人已融入社会 走向成熟 并且开始回报社会 77 凡事 起之于 情 而止之于 理 对于 情 与 理 掌握的程度 折射出一个人修炼的功力 要注重修身养性 培养良好的习惯和品德 否则 人 做得不好 首先是危害你自己 其次是危害你的家人 危害他人只是分散的 暂时的 而危害你自己和家人却是集中的 长久的 愿 方法论 与你长相伴 因为 大到治国安邦平天下 小到奏一支和谐的锅盆碟盏交响曲都离不开它 78 贪图享乐 爱慕虚荣是一个人走向毁灭的前奏 不论是官吏腐败还是女人出轨 或男人变坏 都一再验证了这一真理 一个人不能有傲气 但却不能没有傲骨 傲气浮躁 只能增加你前进的阻力 而傲骨却深沉 能帮你把握前进的方向 只有历经风雨 通览全局 成竹在胸而又气定神闲 方能显示你的一身傲骨 德高于才真君子 才高于德是小人 只有当一个人的德性能驾驶他的才能并运行在正确的轨道上时 他方能对社会有所裨益 否则 能力越强 官位越高 他对社会的破坏作用就越大 必须警惕 品德慢于才能增长 君子也会变成小人 参阅我的博客 79 80 81 82 83 4 2 热爱自然 格物穷理 敢于挑战权威 热爱自然 融入自然 感受自然 多问一些为什么 把感受到的自然与书本上的自然进行对比 反复推敲 格物穷理 有不有弄不懂的东西 存不存在矛盾 光是什么 物质世界的最基本结构单元是什么 书上是怎么说的 你是怎么想的 而自然界的真实面目又是什么模样 书本上的东西不一定全部正确 全信书不如无书 完全不相信也不行 84 4 3 回顾 对光的本性的早期认识 战国初期伟大的思想家 政治家 有卓越贡献的自然科学家墨子 生于公元前480 476年左右 卒于公元前420 390年左右 是墨家学派的创始人 墨家学派著作的总汇是 墨子 其主要组成部分是 墨经 这是一部内容丰富 结构严谨的科学著作 墨经 中记载了丰富的几何光学知识 墨子和他的学生做了世界上最早的 小孔成像 实验 并对实验结果作出了光沿直线传播的科学解释 并用此原理解释了物体和投影的关系 85 古希腊数学家欧几里德 Euclide 公元前330 公元前275 左上图 在他的 光学 著作里总结了到他那时为止已有的关于光现象的知识和猜测 那时的人们已经知道 在眼睛和被观察物体之间行进的光线是直线 当光线从一个平面反射时 入射角和反射角相等 古希腊天文学家 地理学家和光学家托勒密 ClandiusPtolemaeus 约90 168 右上图 最早做了光的折射实验 托勒密在他的最后一本重要著作 光学 中提出和说明了各种基本原理 他依靠经验发现了折射的规律 绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表 但没有由此得出精确的折射定律 86 德国天文学家和数学家约翰尼斯 开普勒 JohannesKepler 1571 1630 左图 对光的折射现象进行了深入的研究 并于1611年出版了 折射光学 一书 开普勒的研究表明 对于两种给定的媒质 小于30度的入射角同相应的折射角成近似固定的比 对于玻璃或水晶 这个比约为3 2 他还表明 这个比对于大的入射角不成立 开普勒试图通过实验发现精确的折射定律 他的方法虽然是正确的 却没有得到其中有规律性的联系 但开普勒的研究为后来斯涅耳得出折射定律起到了一定的启示作用 十七世纪中期 物理光学有了进一步的发展 1655年 意大利数学家格里马第 FrancescoMariaGrimaldi 1618 1663 右图 在实验中让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上 他发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像 马上联想起了水波的衍射 于是格里马第提出 光可能是一种类似水波的波动 这就是最早的光波动说 格里马第认为 物体颜色的不同 是因为照射在物体上的光波频率的不同引起的 87 格里马第的实验引起了英国物理学家胡克 RobertHooke 1635 1703 左图 的兴趣 他重复了格里马第的工作 并仔细观察了光在肥皂泡里映射出的色彩以及光通过薄云母片而产生的光辉 他判断 光必定是某种快速的脉冲 提出了 光是以太的一种纵向波 的假说 根据这一假说 胡克也认为光的颜色是由其频率决定的 他在1665年出版的 显微术 Micrographia 一书中明确地支持波动说 这本著作很快为胡克赢得了世界性的学术声誉 由于他的加入 波动说似乎也在一时占了上风 荷兰物理学家 天文学家 数学家克里斯蒂安 惠更斯 ChristianHuygens 1629 1695 左图 是与牛顿同一时代的科学家 惠更斯发展了光的波动学说 在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的 光论 一书中都阐述了他的光波动原理 即惠更斯原理 他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质 以太 微粒 每个受激微粒都变成一个球形子波的中心 他从弹性碰撞理论出发 认为这样一群微粒虽然本身并不前进 但能同时传播向四面八方行进的脉冲 因而光束彼此交叉而不相互影响 并在此基础上用作图法解释了光的反射 折射等现象 惠更斯提出了光波面在媒体中传播的惠更斯原理 打破了当时流行的光的微粒学说 88 英国物理学家 数学家和天文学家牛顿 IsaacNewton 1642 1727 以极大的兴趣和热情对光学进行研究 1666年 牛顿在家休假期间用三棱镜进行了著名的色散试验 一束太阳光通过三棱镜后 分解成几种颜色的光谱带 再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住 只让一种颜色的光再通过第二个三棱镜 结果出来的只是同样颜色的光 由此发现了白光是由各种不同颜色的光组成的 为了验证这个发现 牛顿又设法将几种不同的单色光合成白光 并且计算出不同颜色光的折射率 精确地说明了色散现象 揭开了物质的颜色之谜 物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的 公元1672年 牛顿把自己的研究成果发表在 皇家学会哲学杂志 上 牛顿的分光试验使几何光学进入了一个新的领域 物理光学 牛顿提出了光的 微粒说 认为光是由微粒形成的 并且走的是最快速的直线运动路径 89 早期 波动性 与 粒子性 之争 牛顿的 微粒说 与惠更斯的 波动说 构成了关于光的两大基本理论 并由此而产生激烈的争议和探讨 科学家们就光是波动还是微粒这一问题展开了一场旷日持久的拉