《自然觀的發(fā)展》PPT課件.ppt

1、四、20世紀自然觀的發(fā)展 20世紀初，相對論、量子理論以及物質結構理論的產生，導致了物理學領域的深刻革命，這場革命動搖了形而上學自然觀的基礎即經典力學。與19世紀相比，20世紀自然科學的發(fā)展有兩個特點：,A科學向縱深發(fā)展，揭示了小至微觀，大至宇觀的層次結構。,B科學向橫向發(fā)展，出現了既高度分化又高度綜合的整體化趨勢。,與此相應，以新能源、新材料、生物工程、航天技術、海洋技術、信息技術為主要內容的世界新科技革命迅速發(fā)展起來，這些技術與計算機技術相結合造成了一種嶄新的技術體系，以此為手段，人工自然的疆界迅速擴大，其社會效應和環(huán)境效應成為引人注目的問題，也必須從自然觀和方法論的高度進行研討。,當代自

2、然觀的新發(fā)展的概括 1、時空的絕對性和相對性,何謂同時性的相對性？不同地點的兩個事件我們何以知道它是同時發(fā)生的呢？這個問題看似平常，卻至關重要。,同時性不是絕對的，而取決于觀察者的運動狀態(tài)。這一結論否定了牛頓力學所引以為基礎的絕對時間和絕對空間框架。,狹義相對論的提出：兩大假設（基本出發(fā)點）：狹義相對性原理 在一切慣性坐標系內不能通過物理試驗來判斷該慣性系是靜止的還是。或者說，物理規(guī)律的數學表示在一切慣性系表示不變；光速不變原理 在所有的相互作勻速直線運動的坐標系中，光在真空中的速度都是不變的。,狹義相對論的五大推論：同時性是相對的；運動物體的長度在運動方向要收縮；運動時鐘要變慢；物體質量將隨

3、速度增加而增加；在光速運動條件下，物體的質量與能量可以相互轉化。 相對效應產生于兩個相對運動的慣性系，且速度與光速比擬，不同慣性系看到的同一事件的時間延緩量和運動的尺縮量是不同的,尺縮鐘慢效應說的是：對于兩個相互運動的參照系來說，處在某參照系中的觀察者將會發(fā)現另一參照系中的物體，其運動方向縮短了，其時鐘走慢了。這兩個效應都只是相對論效應。在本參照系中的觀察者將看不出這種效應。而且相對論效應是相互的，你看見我的尺縮鐘慢，我也看見你的尺縮鐘慢。,時間和空間隨著物質運動速度的變化而變化,尺縮鐘慢效應,狹義相對論揭示了空間、時間、質量和物質運動之間的聯系 否定了牛頓的絕對時空觀，空間和時間不再是與物質

4、及其運動無關的獨立實體，經典物理學中的基本常數如物體長度、時間間隔、慣性質量等都不再是絕對的，而與參考系的選擇有關。物體的運動狀態(tài)、時空特性、慣性質量等基本屬性是相對于一定的參考系而言的，因而對它們的測量和認識依賴于參考系的選擇。,廣義相對論： 基本原理：1廣義相對性原理所有參考系，無論慣性系還是非慣性系，都同樣適合表達自然定律 2等效原理一個存在引力場的慣性系和另一個有加速度的非慣性系比較，并無本質的區(qū)別,廣義相對論的理論體系,幾個推論： 1、引力的實質 = 時空彎曲 2、引力場方程宇宙學方程,愛因斯坦廣義相對論認為，重力場的時間空間特性是依賴于物質的質量分布的，物質的質量愈大、分布愈密、重

5、力場愈強，則空間的“曲率”就愈大、時間的流逝就愈慢。,銀河系正面圖,廣義相對論指出，由于有物質的存在，空間和時間會發(fā)生彎曲，引力場實際上是一個彎曲的時空。也就是說，牛頓提出了萬有引力，而愛因斯坦事實上取消了它：引力的本質是沒有引力，宇宙中無處不在的引力其實不是引力，而是時空的彎曲！在彎曲的宇宙時空中，天體只能沿路程最短的短程線運動，投射到歐幾里的空間中，就呈現出橢圓形的運動軌道。,廣義相對論指出，時間與空間不能離開物質而獨立存在，時空的結構和性質取決于物質的分布，物質存在的空間不是平坦而是彎曲的，物質的密度越大，其周圍的空間越是彎曲。 揭示了空間與時間之間，空間時間與物質及其運動之間存在的辯證

6、聯系。,2、從存在到演化 無時間性 如牛頓力學 、相對論、量子力學 F=mdr/dt 把t t，方程形式不變，對時間反演對稱，意味時間無方向性,時間的重新發(fā)現 熱力學第二定律： 湯姆遜：不能從單一熱源取熱全部轉化 為 功而不產生其它影響。 克勞修斯：熱不可能從低溫物體流向高溫物體而不產生其它影響 用熵表述為： 一個孤立系統(tǒng)的熵總趨于增大（熵增定律）,在動力學框架內的新的時間之矢也出現了 相對論為基礎的宇宙學指出宇宙膨脹 量子力學：測量,在20世紀，演化的觀念進一步發(fā)揚 耗散結構理論、協(xié)同學、突變論，勾畫了自然從存在到演化的畫面，展示了自然演化的不可逆性的序向，提出了“內部時間”的新概念，使時間

7、從一個外部參量轉變?yōu)樽匀谎莼膬仍诔叨?，展示了自然界演化的分叉、突現方式。,3、自然的簡單性與復雜性統(tǒng)一 自然界不作無用之事，只要少做一點就成了，多做了卻是無用；因為自然喜歡簡單化，而不愛用什么多余的原因夸耀自己 -牛頓 自然規(guī)律的簡單性也是一種客觀事實，而且真正的概念體系必須使這種簡單性的主觀方面和客觀方面保持平衡。 愛因斯坦,自然的規(guī)律性 ：表明自然具有機械性的確定性、固有的秩序、決定性、必然性、和單一因果關聯等 還原性 自然的外在分離性 自然的祛魅 對稱性 可逆性,復雜性它表現為一種眾多因素相互作用的一種狀態(tài)。 不可還原，超越還原的特征 涌現 例：氫和氧原子組成了水，氫它有可燃性，作為氧

8、原子組成的氧氣，它有助燃性，但是，當我們把氫和氧原子組合在一起，變成水這樣一種液態(tài)，或者是其他狀態(tài)，它這兩個性質都沒有了,具有分形的特征，自嵌套，自分叉，自相似,非集中控制性 自組織,4、世界的決定性與非決定性統(tǒng)一 在牛頓力學的機械傳統(tǒng)里，一切自然過程都服從決定論性的因果律。這中決定論性的因果律人們也稱之為機械決定論或拉普拉斯決定論。,愛因斯坦始終認定“上帝不會擲骰子”。,統(tǒng)計熱力學：概率引入科學，表明群體行為的規(guī)律已喪失了確定性，只能以 確定的概率加以預言,量子力學 普朗克提出了“能量子”的概念，對“紫外災難”作了解釋，認為能量是不連續(xù)的；愛因斯坦由此進一步提出了“光量子”學說，揭示了光的波

9、粒二相性，并奠定了量子力學的理論基礎；經德布羅意，最后由海森堡與薛定諤發(fā)展完成。量子力學的建立實現了物理史上的第五次大綜合，統(tǒng)一了波粒二相性。量子性 量子關聯 統(tǒng)計規(guī)律性,量子力學在自然觀上的貢獻(1)豐富了辯證唯物主義的物質觀，揭示了物質世界的波粒二相性，證明了世界的統(tǒng)一性；否認了形而上學自然觀的“非此即彼”，承認了物質世界是“亦此亦彼”的。揭示了物質世界是建立在連續(xù)與非連續(xù)，粒子性與波動性之上，不能擺脫一者去認識另一者，不能將它們隔離開來，是粒子與波動，連續(xù)與階段的統(tǒng)一。,因為量是連續(xù)的，所以運動也是連續(xù)的。 時間是關于前和后的運動的數，并且是連續(xù)的。 亞里士多德 自然界是不允許飛躍；自然

10、界里的一切都是以著色的方法逐漸而均勻地完成的。如果在兩個東西之間有一個空的間隔，那么從一個東西過渡到另一個東西有什么基礎呢。 波涅特,(2) 牛頓力學固有的嚴格決定論的數學微分方程、因果律，在量子世界圖景中都或多或少地遭到了破壞。,量子力學的基本方程薛定格方程，也是一個微分方程，根據初始條件得到的方程的解是量子力學中的波函數。波函數描述微觀粒子的運動狀況，但它不能確定地表示一個微觀粒子在何時何地出現，只告訴我們微觀粒子在某時某地出現的幾率。量子力學中的測不準原理明白無誤地表明，對于微觀粒子，位置和動量不能同時測定，時間和能量也不能同時測定，如果其中一個兩測得越準，另一個量越測不準。所以在微觀領

11、域，那種決定論性的因果律，不再起作用，替代它的是統(tǒng)計性的因果律。,混沌理論是對決定論的又一次挑戰(zhàn) 正是在這種意義上，格萊克說：“混沌是20世紀物理科學中的第三次革命，就像前兩次革命一樣，混沌割斷了牛頓力學的基本原則?！?混沌定義 包含有序的特殊狀態(tài) 宏觀無序無律、微觀有序有律的狀態(tài) 與規(guī)則運動相對的行為 混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機的不規(guī)則運動,特性 -混沌對初始條件具有敏感依賴性，任何一處微小的變化都會使系統(tǒng)在隨后的發(fā)展中發(fā)生預想不到的變化。 混沌理論的創(chuàng)始人之一，美國氣象學家洛倫茲把這一特性形象地比喻為蝴蝶效應。他說，一只蝴蝶在巴西扇動翅膀，也許就是得克薩斯一場龍卷風的起因。,釘子

12、缺，蹄鐵卸，蹄鐵卸，戰(zhàn)馬蹶，戰(zhàn)馬蹶，騎士絕，騎士絕，戰(zhàn)事折，戰(zhàn)事折，國家滅。,37,非平衡過程產生的混沌是一種“奇異吸引子” 當演化時間趨于無窮大時，系統(tǒng)所達到的極限集合，稱為“吸引子”。例如單擺運動，如果有磨擦（耗散系統(tǒng)），振幅將逐漸減小，最終將停止在中間位置，這個狀態(tài)（不動點）就是一個吸引子。,38,混沌狀態(tài)相當于一個吸引子，它有一些奇特的性質。系統(tǒng)一切在吸引子外的狀態(tài)都向吸引子靠攏，這是吸引作用，反映系統(tǒng)運動“穩(wěn)定”的一面；而一旦到達吸引子內，其運動又互相排斥，這對應著“不穩(wěn)定”的一面。在混沌區(qū)內，兩個靠的非常近的點，隨著時間的推移會指數發(fā)散開來，兩個相距很遠的點，又可能無限地靠近，它們

13、將在混沌區(qū)中自由地游蕩，又跳不出混沌區(qū)，因此無法描述它們的“軌道”，無法預測其未來的狀態(tài)。1971年，法國物理學家茹勒和泰肯首次把混沌的這種特殊性質叫作奇異吸引子。,第四章 自然系統(tǒng)演化的規(guī)律性,39,-混沌理論揭示出確定性系統(tǒng)的“內在隨機性”，體現了隨機性存在于確定性之中，確定性自己規(guī)定自己為不確定性確定性系統(tǒng)自己產生了隨機運動。它從根本上消除了拉普拉斯決定論的可預測性的狂想。,-分形的幾何結構，非整數維,漲落對嚴格決定論的否定 所謂漲落，是指系統(tǒng)中某個變量或行為對統(tǒng)計平均值的偏離。,43,系統(tǒng)中存在漲落是不可避免的，它是一切實際系統(tǒng)固有的特征。,44,漲落所起的作用與系統(tǒng)所處的狀態(tài)有關。 當系統(tǒng)處于穩(wěn)定時，漲落還僅僅是一些小的干擾而已，它會由于系統(tǒng)自