《自然觀的發(fā)展》PPT課件.ppt

1、四、20世紀(jì)自然觀的發(fā)展 20世紀(jì)初，相對(duì)論、量子理論以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的產(chǎn)生，導(dǎo)致了物理學(xué)領(lǐng)域的深刻革命，這場(chǎng)革命動(dòng)搖了形而上學(xué)自然觀的基礎(chǔ)即經(jīng)典力學(xué)。與19世紀(jì)相比，20世紀(jì)自然科學(xué)的發(fā)展有兩個(gè)特點(diǎn)：,A科學(xué)向縱深發(fā)展，揭示了小至微觀，大至宇觀的層次結(jié)構(gòu)。,B科學(xué)向橫向發(fā)展，出現(xiàn)了既高度分化又高度綜合的整體化趨勢(shì)。,與此相應(yīng)，以新能源、新材料、生物工程、航天技術(shù)、海洋技術(shù)、信息技術(shù)為主要內(nèi)容的世界新科技革命迅速發(fā)展起來(lái)，這些技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合造成了一種嶄新的技術(shù)體系，以此為手段，人工自然的疆界迅速擴(kuò)大，其社會(huì)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)成為引人注目的問(wèn)題，也必須從自然觀和方法論的高度進(jìn)行研討。,當(dāng)代自

2、然觀的新發(fā)展的概括 1、時(shí)空的絕對(duì)性和相對(duì)性,何謂同時(shí)性的相對(duì)性？不同地點(diǎn)的兩個(gè)事件我們何以知道它是同時(shí)發(fā)生的呢？這個(gè)問(wèn)題看似平常，卻至關(guān)重要。,同時(shí)性不是絕對(duì)的，而取決于觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這一結(jié)論否定了牛頓力學(xué)所引以為基礎(chǔ)的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間框架。,狹義相對(duì)論的提出：兩大假設(shè)（基本出發(fā)點(diǎn)）：狹義相對(duì)性原理 在一切慣性坐標(biāo)系內(nèi)不能通過(guò)物理試驗(yàn)來(lái)判斷該慣性系是靜止的還是?；蛘哒f(shuō)，物理規(guī)律的數(shù)學(xué)表示在一切慣性系表示不變；光速不變?cè)?在所有的相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中，光在真空中的速度都是不變的。,狹義相對(duì)論的五大推論：同時(shí)性是相對(duì)的；運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度在運(yùn)動(dòng)方向要收縮；運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘要變慢；物體質(zhì)量將隨

3、速度增加而增加；在光速運(yùn)動(dòng)條件下，物體的質(zhì)量與能量可以相互轉(zhuǎn)化。 相對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生于兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)間延緩量和運(yùn)動(dòng)的尺縮量是不同的,尺縮鐘慢效應(yīng)說(shuō)的是：對(duì)于兩個(gè)相互運(yùn)動(dòng)的參照系來(lái)說(shuō)，處在某參照系中的觀察者將會(huì)發(fā)現(xiàn)另一參照系中的物體，其運(yùn)動(dòng)方向縮短了，其時(shí)鐘走慢了。這兩個(gè)效應(yīng)都只是相對(duì)論效應(yīng)。在本參照系中的觀察者將看不出這種效應(yīng)。而且相對(duì)論效應(yīng)是相互的，你看見(jiàn)我的尺縮鐘慢，我也看見(jiàn)你的尺縮鐘慢。,時(shí)間和空間隨著物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化,尺縮鐘慢效應(yīng),狹義相對(duì)論揭示了空間、時(shí)間、質(zhì)量和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系 否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，空間和時(shí)間不再是與物質(zhì)

4、及其運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的獨(dú)立實(shí)體，經(jīng)典物理學(xué)中的基本常數(shù)如物體長(zhǎng)度、時(shí)間間隔、慣性質(zhì)量等都不再是絕對(duì)的，而與參考系的選擇有關(guān)。物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、時(shí)空特性、慣性質(zhì)量等基本屬性是相對(duì)于一定的參考系而言的，因而對(duì)它們的測(cè)量和認(rèn)識(shí)依賴于參考系的選擇。,廣義相對(duì)論： 基本原理：1廣義相對(duì)性原理所有參考系，無(wú)論慣性系還是非慣性系，都同樣適合表達(dá)自然定律 2等效原理一個(gè)存在引力場(chǎng)的慣性系和另一個(gè)有加速度的非慣性系比較，并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別,廣義相對(duì)論的理論體系,幾個(gè)推論： 1、引力的實(shí)質(zhì) = 時(shí)空彎曲 2、引力場(chǎng)方程宇宙學(xué)方程,愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論認(rèn)為，重力場(chǎng)的時(shí)間空間特性是依賴于物質(zhì)的質(zhì)量分布的，物質(zhì)的質(zhì)量愈大、分布愈密、重

5、力場(chǎng)愈強(qiáng)，則空間的“曲率”就愈大、時(shí)間的流逝就愈慢。,銀河系正面圖,廣義相對(duì)論指出，由于有物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲，引力場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)彎曲的時(shí)空。也就是說(shuō)，牛頓提出了萬(wàn)有引力，而愛(ài)因斯坦事實(shí)上取消了它：引力的本質(zhì)是沒(méi)有引力，宇宙中無(wú)處不在的引力其實(shí)不是引力，而是時(shí)空的彎曲！在彎曲的宇宙時(shí)空中，天體只能沿路程最短的短程線運(yùn)動(dòng)，投射到歐幾里的空間中，就呈現(xiàn)出橢圓形的運(yùn)動(dòng)軌道。,廣義相對(duì)論指出，時(shí)間與空間不能離開(kāi)物質(zhì)而獨(dú)立存在，時(shí)空的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布，物質(zhì)存在的空間不是平坦而是彎曲的，物質(zhì)的密度越大，其周圍的空間越是彎曲。 揭示了空間與時(shí)間之間，空間時(shí)間與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)之間存在的辯證

6、聯(lián)系。,2、從存在到演化 無(wú)時(shí)間性 如牛頓力學(xué) 、相對(duì)論、量子力學(xué) F=mdr/dt 把t t，方程形式不變，對(duì)時(shí)間反演對(duì)稱，意味時(shí)間無(wú)方向性,時(shí)間的重新發(fā)現(xiàn) 熱力學(xué)第二定律： 湯姆遜：不能從單一熱源取熱全部轉(zhuǎn)化 為 功而不產(chǎn)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(chǎn)生其它影響 用熵表述為： 一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總趨于增大（熵增定律）,在動(dòng)力學(xué)框架內(nèi)的新的時(shí)間之矢也出現(xiàn)了 相對(duì)論為基礎(chǔ)的宇宙學(xué)指出宇宙膨脹 量子力學(xué)：測(cè)量,在20世紀(jì)，演化的觀念進(jìn)一步發(fā)揚(yáng) 耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、突變論，勾畫(huà)了自然從存在到演化的畫(huà)面，展示了自然演化的不可逆性的序向，提出了“內(nèi)部時(shí)間”的新概念，使時(shí)間

7、從一個(gè)外部參量轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀谎莼膬?nèi)在尺度，展示了自然界演化的分叉、突現(xiàn)方式。,3、自然的簡(jiǎn)單性與復(fù)雜性統(tǒng)一 自然界不作無(wú)用之事，只要少做一點(diǎn)就成了，多做了卻是無(wú)用；因?yàn)樽匀幌矚g簡(jiǎn)單化，而不愛(ài)用什么多余的原因夸耀自己 -牛頓 自然規(guī)律的簡(jiǎn)單性也是一種客觀事實(shí)，而且真正的概念體系必須使這種簡(jiǎn)單性的主觀方面和客觀方面保持平衡。 愛(ài)因斯坦,自然的規(guī)律性 ：表明自然具有機(jī)械性的確定性、固有的秩序、決定性、必然性、和單一因果關(guān)聯(lián)等 還原性 自然的外在分離性 自然的祛魅 對(duì)稱性 可逆性,復(fù)雜性它表現(xiàn)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(xiàn) 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(dāng)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(gè)性質(zhì)都沒(méi)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(xué)的機(jī)械傳統(tǒng)里，一切自然過(guò)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(jī)械決定論或拉普拉斯決定論。,愛(ài)因斯坦始終認(rèn)定“上帝不會(huì)擲骰子”。,統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)：概率引入科學(xué)，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(yù)言,量子力學(xué) 普朗克提出了“能量子”的概念，對(duì)“紫外災(zāi)難”作了解釋，認(rèn)為能量是不連續(xù)的；愛(ài)因斯坦由此進(jìn)一步提出了“光量子”學(xué)說(shuō)，揭示了光的波

9、粒二相性，并奠定了量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)；經(jīng)德布羅意，最后由海森堡與薛定諤發(fā)展完成。量子力學(xué)的建立實(shí)現(xiàn)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(guān)聯(lián) 統(tǒng)計(jì)規(guī)律性,量子力學(xué)在自然觀上的貢獻(xiàn)(1)豐富了辯證唯物主義的物質(zhì)觀，揭示了物質(zhì)世界的波粒二相性，證明了世界的統(tǒng)一性；否認(rèn)了形而上學(xué)自然觀的“非此即彼”，承認(rèn)了物質(zhì)世界是“亦此亦彼”的。揭示了物質(zhì)世界是建立在連續(xù)與非連續(xù)，粒子性與波動(dòng)性之上，不能擺脫一者去認(rèn)識(shí)另一者，不能將它們隔離開(kāi)來(lái)，是粒子與波動(dòng)，連續(xù)與階段的統(tǒng)一。,因?yàn)榱渴沁B續(xù)的，所以運(yùn)動(dòng)也是連續(xù)的。 時(shí)間是關(guān)于前和后的運(yùn)動(dòng)的數(shù)，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(gè)東西之間有一個(gè)空的間隔，那么從一個(gè)東西過(guò)渡到另一個(gè)東西有什么基礎(chǔ)呢。 波涅特,(2) 牛頓力學(xué)固有的嚴(yán)格決定論的數(shù)學(xué)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(xué)的基本方程薛定格方程，也是一個(gè)微分方程，根據(jù)初始條件得到的方程的解是量子力學(xué)中的波函數(shù)。波函數(shù)描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀況，但它不能確定地表示一個(gè)微觀粒子在何時(shí)何地出現(xiàn)，只告訴我們微觀粒子在某時(shí)某地出現(xiàn)的幾率。量子力學(xué)中的測(cè)不準(zhǔn)原理明白無(wú)誤地表明，對(duì)于微觀粒子，位置和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)定，時(shí)間和能量也不能同時(shí)測(cè)定，如果其中一個(gè)兩測(cè)得越準(zhǔn)，另一個(gè)量越測(cè)不準(zhǔn)。所以在微觀領(lǐng)

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(jì)性的因果律。,混沌理論是對(duì)決定論的又一次挑戰(zhàn) 正是在這種意義上，格萊克說(shuō)：“混沌是20世紀(jì)物理科學(xué)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(xué)的基本原則?！?混沌定義 包含有序的特殊狀態(tài) 宏觀無(wú)序無(wú)律、微觀有序有律的狀態(tài) 與規(guī)則運(yùn)動(dòng)相對(duì)的行為 混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng),特性 -混沌對(duì)初始條件具有敏感依賴性，任何一處微小的變化都會(huì)使系統(tǒng)在隨后的發(fā)展中發(fā)生預(yù)想不到的變化。 混沌理論的創(chuàng)始人之一，美國(guó)氣象學(xué)家洛倫茲把這一特性形象地比喻為蝴蝶效應(yīng)。他說(shuō)，一只蝴蝶在巴西扇動(dòng)翅膀，也許就是得克薩斯一場(chǎng)龍卷風(fēng)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(guó)家滅。,37,非平衡過(guò)程產(chǎn)生的混沌是一種“奇異吸引子” 當(dāng)演化時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)，系統(tǒng)所達(dá)到的極限集合，稱為“吸引子”。例如單擺運(yùn)動(dòng)，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(gè)狀態(tài)（不動(dòng)點(diǎn)）就是一個(gè)吸引子。,38,混沌狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)吸引子，它有一些奇特的性質(zhì)。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(yùn)動(dòng)“穩(wěn)定”的一面；而一旦到達(dá)吸引子內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)又互相排斥，這對(duì)應(yīng)著“不穩(wěn)定”的一面。在混沌區(qū)內(nèi)，兩個(gè)靠的非常近的點(diǎn)，隨著時(shí)間的推移會(huì)指數(shù)發(fā)散開(kāi)來(lái)，兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的點(diǎn)，又可能無(wú)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(wú)法描述它們的“軌道”，無(wú)法預(yù)測(cè)其未來(lái)的狀態(tài)。1971年，法國(guó)物理學(xué)家茹勒和泰肯首次把混沌的這種特殊性質(zhì)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(nèi)在隨機(jī)性”，體現(xiàn)了隨機(jī)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(chǎn)生了隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。它從根本上消除了拉普拉斯決定論的可預(yù)測(cè)性的狂想。,-分形的幾何結(jié)構(gòu)，非整數(shù)維,漲落對(duì)嚴(yán)格決定論的否定 所謂漲落，是指系統(tǒng)中某個(gè)變量或行為對(duì)統(tǒng)計(jì)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(shí)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(guān)。 當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時(shí)，漲落還僅僅是一些小的干擾而已，它會(huì)由于系統(tǒng)自