自然辨证法世纪科技发展对自然观的影响

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,自然辩证法课程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,5,章,20,世纪科技发展 对自然观的影响,1,、,19,、,20,世纪之交的物理学革命,2,、,20,世纪科学技术发展的概况,3,、 现代科学的哲学意义,20,世纪主要科学技术成就,理论科学,两大科学革命,四大理论模型,应用科学,两大超级能量,两大生活技术,1,、,19,、,20,世纪之交的物理学革命,19,世纪末,20,世纪初，光学、电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，经典物理学被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。,三大发现：,（,1,）,X-,射线 （,1895,，伦琴）,（,2,） 放射性 （,1896,，贝克勒尔）,（,3,） 电子 （,1897,，,汤姆逊）,物理学新发现,1895,年，伦琴（,1845-1923,）研究阴极射线时意外发现,X,射线；获得,1901,年诺贝尔物理学奖，是第一个获奖人。通过,X,射线促进了或激励了一连串发现。,1896,年，贝克勒耳（,1852-1908,）意外发现放射线；,1897,年，汤姆逊证实了电子的存在；,居里夫妇发现放射线元素（钍、钋和镭）；证实元素的嬗变；促使元素嬗变理论建立（卢瑟福，,1902,年）；,动摇了几千年原子和元素观念,认为原子不可分、是物质组成最小单元；认为元素不变。,1896,年李鸿章访问德国,洛伦兹：,“,在今天，人们提出了与昨天所说的截然相反的主张。这样一来，已经没有真理的标准了，也不知道科学是什么了。我真后悔我未能在这些矛盾出现前五年死去,。,”,生活于,19,世纪末,20,世纪初的荷兰物理学家洛伦兹，创立了经典电子论，确定了电子在电磁场中所受的力,(,洛伦兹力,),。预言了正常的塞曼效应，并在错误的以太学说的基础上提出了与相对论建立有关的高速运动的参考系与静止参考系之间时间、空间坐标的变换关系,(,洛伦兹变换,),。,像威廉,汤姆生一样，他认为当时“科学的大厦已经建成”。,物理学革命,当时物理学家中的泰斗,开尔文勋爵在新年贺词中把物理学的,19,世纪发展和,20,世纪的前景比喻为,“,物理学一片晴朗天空，只有两朵小小乌云,”,。,它们是黑体辐射问题和以太问题，当时没有得到解决。,两朵小小乌云：（,1,）黑体辐射中的,“,紫外灾难,”,（,2,）,迈克尔逊,-,莫雷所做的,“,以太漂移实验,”,理论拟合的曲线,2,理论拟合的曲线,1,实验曲线,黑体辐射中的“紫外灾难”,L,1,光源,接收器,L,2,运动方向,以太,迈克尔逊,-,莫雷所做的“,以太漂移实验”,经典力学、热力学、经典电磁理论的矛盾和危机：,（,1,）,经典力学相对性与经典电磁理论的相对性不相容,（,2,）热力学第二定律的不可逆性与牛顿力学可逆性的对立,原子论的危机：,电子的发现,演化方向上：,生物学进化,热力学退化（熵增定律）,力学与统计解释的矛盾：,决定论（确定论）与统计论,简单性与复杂性,线性与非线性之间的关系,全面危机,物理学革命,以太漂移实验,1905,年，爱因斯坦（,1879,1955,）发表了三篇重要的论文。一篇关于光电效应（光的强度只与电子的多少有关而与电子的发射能量无关），一篇关于布朗运动，一篇关于狭义相对论，名“论动体的电动力学”。以同时性的相对性为突破口，给出了新的时间空间理论,1916,年，爱因斯坦提出广义相对论，把惯性质量与引力质量的等同性做了一个自然的解释,1921,年，获诺贝尔物理奖,（,1,）爱因斯坦（,1879-1955,）相对论,相对性原理,在所有惯性参照系中，物理学规律都是相同的，不存在一个,优于其他惯性系的绝对惯性系。,光速不变原理,在所有惯性参照系中，真空中的光线都是以确定的速度,c,运,动的,不管这光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。,1905,年,6,月，,论运动物体的电动力学,提出狭义相对论,“同时性”概念：,“,对于一个观察者来说是同时发生的两个事件， 对别的观察者来说，就不一定是同时的。,”,因 此，同时性只是相对的。,爱因斯坦以相对性原理和光速不变原理作为公理前提，并利用同时性的相对性，导出了空间坐标和时间坐标在不同惯性参照系之间的变换关系式（在形式上与洛伦兹变换相同），从而最终把力学和电磁学在运动学水平上统一了起来。,几个推论：,1,、光速是运动速度极限,2,、距离在运动方向上收缩,3,、运动时钟变慢（双生子）,4,、质量随速度增加而增大,5,、,1907年，,狭义相对论,广义相对论,思想实验：爱因斯坦电梯,1916年，广义相对论的基础建立完整的广义相对论理论，把惯性质量与引力质量的等同性做了一个自然的解释,1919年，广义相对论理论被验证,科学意义,经典力学实现了力学现象的综合，电磁学理论实现了磁、电、光现象的综合，狭义相对论的建立，使力学理论和电磁学理论在更高的层次上实现了综合。,哲学意义,1,、从根本上否定了牛顿经典力学的绝对时空观。根据相对论，时间、空间与物质不可分割，随物质运动状态而改变。,2,、揭示了时间与空间的统一性。狭义相对论证明了时间与空间存在着内在的、本质的联系，把三维空间扩展到四维。,牛顿时空与相对论时空,（,a,）,牛顿时间与空间分离，彷佛是一根在两个方向都无限延伸的在铁轨上跑的火车头一样。,（,b,）,相对论时间 与空间相互结合，当空间弯曲时，时间也有了形态，即铁轨是弯曲的，时间就如铁轨上的火车头一样。,量子力学革命,1900,年，普朗克提出能量子假说；,1905,年，爱因斯坦提出光量子假说和理论；,20,世纪初，卢瑟福提出原子的有核模型,太阳系模型；,1912-13,年，玻尔建立（经典）量子论原子模型；,1923,年，德布洛意提出物质波假说；,1925,年，,海森堡提出矩阵力学；,1926,年，,薛定谔提出波动力学；,1927,年证明两者等价；,1927,年，海森堡提出,“,测不准原理,”,，玻尔提出,“,互补原理,”,。,（,2,）量子论和量子力学建立,量子力学的自然图景,在微观领域引入概率随机性；,波粒二象性：,定域性；波是弥散的，,突现了量子现象的整体性以及伴随而来的主客体分界的模糊性。,测不准原理：,能量和时间、质量和动量； “黑屋子里的球”,连续轨迹的概念 不连续的量子跃迁概念,严格决定论的概念 概率决定论的概念,定域的概念 整体论的概念,爱因斯坦与玻尔（哥本哈根学派）就量子力学是否完备所发生的长达,30,年的争论。,四大理论模型,宇宙学中的大爆炸模型,数学模型,观察证据（哈伯红移；爱丁顿；本底噪音,-,微波背景；）,粒子物理学中的夸克模型,一尺之捶，日取其半，万世不绝,相对论效应,-,质能转换,夸克禁闭：你敲击的能量越大，它禁闭的能量也越大,分子生物学中的,DNA,双螺旋模型,基因时代：基因复制、基因修补，基因重组,DNA,双螺旋模型得益于理论物理学的发展,地球科学中的板块模型,纵向运动,-,横向运动,魏格纳,冯,诺依曼模型,重要分支学科,粒子物理学,基本粒子、夸克,物质的,“,可分性,”,：,有限或无限,相互作用的统一性：,“,物理学理论的终极,”,。,现代宇宙学,爱因斯坦开创现代宇宙学,建立,静态宇宙模型。,“,一生中犯的最,大错误,”,。,动态宇宙模型：大爆炸宇宙理,论，,60,年代得到观测支持。,宇宙,我们的（观测）宇宙,开,宇宙、闭宇宙和平宇宙,200,亿,光年,黑洞，,有界无限。,有限和无限。,现代地学,魏格纳的大陆漂移说,赫斯的海底扩张说,威尔逊的板块学说,50,年代，发现,DNA,双螺旋结构,60,年代，遗传密码破译,人工合成蛋白质,70,年代，生命起源新理论,人工合成核酸,80,年代，生物工程,90,年代，克隆、人类基因组工程,计算机科学技术、网络技术,40,年代出现计算机,50,年代晶体管计算机,60,年代集成电路计算机,70,年代大规模集成电路计算机,人工智能知识,工程,ARPANet,计算机网络,80,年代神经网络计算机再兴,因特网,生物学（生命科学）,伦理学问题法律问题 道德问题等,赛博空间,Cyberspace,新型人际关系 人机关系 新的伦理道德问题,生态和环境,50,年代，现代生态学,60,年代，环境问题、绿色运动,70,年代，全球问题，联合国,人类环境宣言,80,年代，地球系统科学,可持续发展,90,年代，联合国,21,世纪议程,中国,21,世纪议程,科技、经济、自然和社会的协调发展,高新技术群,计算机技术,信息技术,网络技术,生物工程和科学技术,新材料科学技术,新能源技术,海洋科学技术,空间科学技术,先进制造技术,非线性科学革命（正在发生的）,非线性科学,混沌、分形、孤立子,蝴蝶效应,复杂网络,系统科学、非线性科学：科学谱系,40,年代，系统工程，一般系统论、控制论、信息论,60-70,年代，耗散结构理论、突变论、协同论、,超循环理论,80-90,年代，混沌理论，分形理论，孤子理论,当代，探索复杂性科学前沿,整体和部分；结构和功能；线性和非线性，有序和无序；非线性世界与线性简化，非线性方法论。,复杂性理论研究的基本框架,一般系统论,控制论,信息论,协同学,突变论,耗散结构论,超循环论,一般系统科学,自组织理论,现代系统科学,非线性科学,混沌动力学,分形理论,孤立子理论,大系统理论,复杂巨系统理论,灰色系统理论,复杂性科学,遗传编程,进化策略,进化编程,遗传编程,人工生命,进化计算,主体,神经网络,L-,系统,元胞自动机,网络动力学,追求简单性 探索复杂性,关注本体和认识问题 联系道德伦理与法律问题,研究无机界 研究生命、智能,兴趣驱动的小科学 任务驱动的大科学,认识导向的科学 认识导向和应用导向并重的科学,总体特点,20,世纪科学技术发展迅速，发展更全面，注重整体，分析更深入,问题一：科学研究自主性与国家利益,问题二：学术的国际化与自主性,3,、现代科学的哲学意义,（1）现代科学的发展需要哲学,爱因斯坦：,物理学的当前困难，迫使物理学家比其前辈更,深入地掌握哲学问题。,认识论要是不同科学接触，就会成为空架子。,科学要是没有认识论只要这真是可以想象,的就是原始的和混乱的。,库恩：,在公认的危机时期，科学家们必须转向哲学分析，,作为解开他们的领域中的谜的工具。,（2）现代科学促进哲学的进步,相对论,牛顿绝对时空观： 时间、空间、物质之间的绝对分割；,狭义相对论时空观：四维时空，时间与空间不可分割；,广义相对论时空观：时间、空间与物质之间不可分割。,量子论,机械决定论与统计决定论；,对主体与客体之间关系的新认识；,爱因斯坦与玻尔（哥本哈根学派）长达30年的哲学争论。,系统科学,60-70年代:,“,静态,”,阶段,耗散结构理论、协同学,80-90年代:,“,动态,”,阶段,混沌学、分形学,系统科学研究的,“,系统范式,”,：,从方法上反对立足于,部分的分析还原方法,系统科学揭示的世界图象：,简单性的世界复杂性的世界,存在的世界演化的世界,确定性的世界非确定性的世界,创始人为一群科学家，最著名的包括：,气象学家洛仑兹（,E.N.Lorenz,）、数学家约克和李天岩、,May,，,KAM,（柯尔莫哥洛夫,-,阿诺德,-,莫什尔）等。,混沌学,J.Gleick:Chaos,making a new science,“混沌”（,Chaos），,原意紊乱、无序和无规律。但在混沌理论中，它指的不是纯粹的无序。混沌理论研究的是具有确定性的非线性系统，混沌“来源于决定论性方程的无规运动”。混沌是确定性的非线性动力学系统本身产生的不规则的宏观时空行为。,分形学,曼德布罗特： 大自然的分形 几何学，彩图,4,创始人为曼德布罗特（,B.B.Mandelbrort, 1924-,）,他的分形、形态、机遇和维数及其修正本自然界的分形几,何学是分形理论问世的重要标志。,“分形”（,fractal）,意指不规则的、支离破碎的。该词由数学家曼德布罗特新造，用以描述自然界中极不规则、极不光滑的物体形体：弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉、粗糙不堪的断面、枝繁叶茂的树木、飘舞飞扬的雪花、变化无常的浮云和九曲回肠的河流等。分形是描述无标度性对象的概念，具有分形物体的特征是分数维数；分形和分维数是科学家观察、描述和解释世界的新视觉、新视角。,应用科学,两大超级能量,核能的释放,登月工程,两大生活技术,生物技术,信息技术,