戴占海物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)第一篇序幕：星星和原子一片花飛減卻春，風(fēng)飄萬(wàn)點(diǎn)正愁人

且看欲盡花經(jīng)眼，莫厭傷多酒入唇

江上小堂巢翡翠，苑邊高冢臥麒麟

細(xì)推物理須行樂(lè)，何用浮名絆此身

－－杜甫(唐，712-770)

為什么要學(xué)習(xí)這門課？現(xiàn)代科技給我們帶來(lái)了強(qiáng)大的力量，這股力量常常既是有益的又是有害的。例如，汽車給我們帶來(lái)了便捷，醫(yī)藥延長(zhǎng)了我們的壽命等等。然而，同時(shí)也產(chǎn)生了諸如環(huán)境污染、全球變暖、能源危機(jī)等問(wèn)題。人類不該為科學(xué)時(shí)代的成果支付他應(yīng)該付出的代價(jià)。我們需要接受科學(xué)的恩惠，同時(shí)也要承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。因此，我們需要更多地學(xué)習(xí)科學(xué)，提高我們的科技文化素質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出我們自己的貢獻(xiàn)。為什么要學(xué)習(xí)這門課？只有依靠科學(xué)和人性的融合，我們才有望達(dá)到與我們的時(shí)代和我們這一代人相稱的智慧。——拉比，物理學(xué)家科學(xué)不只是一堆知識(shí)，而更是一種思想方法，這種思想方法的特征是嚴(yán)峻的懷疑態(tài)度與新思想的開放態(tài)度混合在一起，它是我們生活中每個(gè)領(lǐng)域——包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治、宗教各方面——絕對(duì)需要的?！_根，物理學(xué)家和作家為什么要學(xué)習(xí)這門課？只有社會(huì)公眾能夠懂得科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)，培養(yǎng)出科學(xué)思維的習(xí)慣，科學(xué)技術(shù)在改善生活質(zhì)量方面的潛力才能發(fā)揮出來(lái)；如果人民沒有科學(xué)素養(yǎng)，對(duì)一個(gè)更美好的世界的指望就會(huì)落空?！兑磺忻绹?guó)人的科學(xué)讀本》，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)科學(xué)最基本的價(jià)值——一切觀念都要接受經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)，都要接受批判的理性思想的挑戰(zhàn)。案例香港老太逼停港珠澳大橋致造價(jià)增加88億港元香港66歲老太朱綺華認(rèn)為，造價(jià)逾700億港元的港珠澳大橋沒有評(píng)估臭氧、二氧化硫及懸浮微粒的影響，因而不合理也不合法。于去年就大橋香港段環(huán)評(píng)報(bào)告申請(qǐng)司法復(fù)核。2012年4月18日，香港高院裁定香港環(huán)保署2009年完成的環(huán)保報(bào)告無(wú)效。大橋因此停工。預(yù)計(jì)于2016年通車的港珠澳大橋，因香港市民提出司法復(fù)核，推翻了環(huán)境影響評(píng)估報(bào)告，導(dǎo)致工期延誤，造價(jià)比評(píng)估高出88億港元。Fourmainthemesthescientificprocessmodernphysicsenergy:itsuseandmisusethesocialcontextofphysics.推薦書目1．教材：[美]ArtHobson著，秦克成劉培森周國(guó)榮譯：《物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng)》（第四版：翻譯版）高等教育出版社2008.6，2．參考資料：（1）趙崢：《物理學(xué)與人類文明十六講》高等教育出版社2008.9（2）郭奕玲，沈慧君：《物理學(xué)史》第二版清華大學(xué)出版社2005（3）盛正卯葉高翔：《物理學(xué)與人類文明》第二版浙江大學(xué)出版社2006.2（4）倪光炯等：《改變世界的物理學(xué)》第三版復(fù)旦大學(xué)出版社2007.8（5）倪光炯，王炎森：《物理與文化：物理思想與人文精神的融合》第二版高等教育出版社2009.3（6）吳翔等：《文明之源——物理學(xué)》上海科學(xué)技術(shù)出版社2001.9第1章科學(xué)的方法：經(jīng)驗(yàn)和理性星星的微塵：邀請(qǐng)你訪問(wèn)科學(xué)觀察夜空古希臘理論：地心宇宙哥白尼理論：日心宇宙開普勒理論：以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的宇宙科學(xué)：大自然與心智的對(duì)話哥白尼革命：近代科學(xué)的黎明第1章科學(xué)的方法：經(jīng)驗(yàn)和理性星星的微塵：邀請(qǐng)你訪問(wèn)科學(xué)1觀察夜空2古希臘理論：地心宇宙3哥白尼理論：日心宇宙4開普勒理論：以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的宇宙5科學(xué)：大自然與心智的對(duì)話6哥白尼革命：近代科學(xué)的黎明71.1星星的微塵：邀請(qǐng)你訪問(wèn)科學(xué)所有深思過(guò)治理人類的藝術(shù)的人，都深信帝國(guó)的興亡依賴于他們的青年人所接受的教育?！獊喞锸慷嗟陆逃膶?shí)質(zhì)就是克服狹隘性，也就是開闊人的眼界。你們一定要擴(kuò)展見識(shí)，超越個(gè)人狹窄眼界的限制?！猈.Manger，地質(zhì)學(xué)家，阿肯色大學(xué)對(duì)于任何人，不關(guān)心科學(xué)就是睜著眼走向奴役?！狫.Bronowski，哲學(xué)家和科學(xué)家1.1星星的微塵：邀請(qǐng)你訪問(wèn)科學(xué)科學(xué)——對(duì)自然界的觀察和理論認(rèn)識(shí)。學(xué)習(xí)科學(xué)的理由：不斷增長(zhǎng)的意識(shí)或知識(shí)發(fā)展適合科學(xué)時(shí)代的價(jià)值觀物理學(xué)就是研究潛藏在大自然中的最普遍原理的科學(xué)分支。對(duì)像下落這類普遍存在的現(xiàn)象的研究。物理學(xué)家研究巖石、青蛙以及一切其它東西都遵循的普遍原則?！段覀儚暮翁巵?lái)？我們是什么？我們往何處去？》——高更（PaulGauguin，1897）科學(xué)的基本問(wèn)題：宇宙是怎樣起源的？生命是怎樣起源的？人類的未來(lái)會(huì)怎樣？《亞當(dāng)?shù)膭?chuàng)造》

（米開朗琪羅,1475–1564）1.2觀察夜空1.2觀察夜空英國(guó)古代巨石群1.2觀察夜空1.2觀察夜空哈勃望遠(yuǎn)鏡1.2觀察夜空歐洲南方天文臺(tái)甚大望遠(yuǎn)鏡觀察夜空中微子天文望遠(yuǎn)鏡太陽(yáng)系

滿天星斗循環(huán)往復(fù)、東起西落，是什么力量使日月星辰有著這樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？1.2觀察夜空世界上只有兩件東西最能震撼我的心靈，一件是我們心中崇高的道德法則，一件是我們頭頂上燦爛的星空——康德我們來(lái)自星星。1.2觀察夜空古人說(shuō)，“上下四方曰宇，古往今來(lái)曰宙”，宇宙就是時(shí)間、空間和物質(zhì)的總稱。杞人憂天杞國(guó)有人,憂天地崩墜,身亡無(wú)寄,廢寢食者大熊座1.2觀察夜空老子曰：“天下萬(wàn)物生于有，有生于無(wú)?！薄暗郎?，一生二，二生三，三生萬(wàn)物”按照今天的科學(xué)，我們的宇宙從無(wú)中誕生，是真正的“無(wú)中生有”。1.2觀察夜空牛頓認(rèn)為空間象一個(gè)大容器，它為物體運(yùn)動(dòng)提供了一個(gè)場(chǎng)所，物體放進(jìn)去也好，取出來(lái)也好，空間本身并不會(huì)發(fā)生什么變化。這種空間稱為絕對(duì)空間。牛頓：“這種絕對(duì)空間就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無(wú)關(guān)的，而且永遠(yuǎn)是均勻的和不動(dòng)的?！?.2觀察夜空牛頓認(rèn)為時(shí)間象一條川流不息的河流，有事件發(fā)生也好，無(wú)事件發(fā)生也好，這條河流總是不斷地、均勻地、不變地流逝著。這種時(shí)間稱為絕對(duì)時(shí)間。牛頓：“絕對(duì)的、真正的及數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性，在均勻地、與任何其它外界事物無(wú)關(guān)地流逝著?！?.2觀察夜空總之，時(shí)間和空間是獨(dú)立于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之外的，而具體的物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，是在這種絕對(duì)的時(shí)空背景下進(jìn)行的，這就是經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀。子在川上曰：“逝者如斯夫！不舍晝夜。”——《論語(yǔ)子罕篇》1.2觀察夜空愛因斯坦則認(rèn)為，物質(zhì)與時(shí)空之間存在相互影響，有物質(zhì)的時(shí)空是彎曲的，沒有物質(zhì)的時(shí)空是平直的。他還認(rèn)為如果沒有物質(zhì)，也就沒有了時(shí)間和空間。1.2觀察夜空相信獨(dú)一無(wú)二的真理，相信自己是其擁有者，這是這個(gè)世界的萬(wàn)惡之源。

——玻恩，物理學(xué)家1.3古希臘理論：地心宇宙泰勒斯測(cè)量金字塔高度泰勒斯的宇宙觀1.3古希臘理論：地心宇宙泰勒斯是西方第一位自然哲學(xué)家，他最先把埃及的測(cè)地術(shù)介紹到希臘，開創(chuàng)了幾何學(xué)的研究。1.3古希臘理論：地心宇宙泰勒斯的學(xué)生畢達(dá)哥拉斯——數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家——畢達(dá)哥拉斯學(xué)派萬(wàn)物皆數(shù)畢達(dá)哥拉斯首先認(rèn)識(shí)到大地是球形的，并最早提出了地球這個(gè)概念。他認(rèn)為宇宙也是球形的?；鹗亲钍嵉臇|西，位于宇宙的中心，稱為中心火。太陽(yáng)、地球、月亮、行星和恒星都圍繞中心火轉(zhuǎn)動(dòng)。howdoweknow?howdoweknow?——大地是球形的船出海時(shí)漸漸地沒入地平線。希臘旅行者報(bào)告，在北方，中午時(shí)刻的太陽(yáng)在天空中的位置較低。在月食時(shí)觀察到的地球投到月亮上的影子，正好符合地球與月亮兩者都是球狀時(shí)所預(yù)期的形狀。1.3古希臘理論：地心宇宙古希臘人的宇宙結(jié)構(gòu)圖火星退行蘇格拉底這個(gè)時(shí)期還出現(xiàn)了杰出的雄辯家蘇格拉底。他到處講演、辯論，但和中國(guó)的孔夫子一樣，沒有留下著作。蘇格拉底的言論，主要是由他的忠實(shí)學(xué)生柏拉圖記錄整理而留傳給后人的，這一點(diǎn)也和孔夫子相似。1.3古希臘理論：地心宇宙柏拉圖1.3古希臘理論：地心宇宙柏拉圖出身于名門望族，是蘇格拉底最出色也是最親近的學(xué)生。柏拉圖長(zhǎng)期追隨蘇格拉底。在他的老師由于引導(dǎo)學(xué)生自由討論而遭到雅典“民主政府”誣陷，被指責(zé)為“無(wú)神論者”，以“敗壞青年”的罪名被處以死刑之后，柏拉圖痛感政治的腐敗和骯臟，從此不再參與政治活動(dòng)。于是柏拉圖開始周游世界,到處求學(xué)、講學(xué),到過(guò)埃及和意大利。烏托邦1.3古希臘理論：地心宇宙柏拉圖最后回到雅典，開辦了一所學(xué)院,名為“阿卡德米”，后來(lái)成為“學(xué)會(huì)”或“研究院”的代名詞。柏拉圖還寫了一本知名的著作《烏托邦》。1.3古希臘理論：地心宇宙柏拉圖的阿卡德米學(xué)院培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的學(xué)生，其中最優(yōu)秀的是亞里士多德。亞里士多德創(chuàng)立了與老師柏拉圖不同的哲學(xué)體系，曾使老年的柏拉圖非常難過(guò)和失望。但亞里士多德留下了一句名言：“吾愛吾師，吾尤愛真理?！睆闹惺兰o(jì)一直到十五世紀(jì)，教會(huì)承認(rèn)希臘天文學(xué)家托勒密總結(jié)的宇宙地心體系：地球作為宇宙的中心，日、月、恒星等圍繞地球運(yùn)動(dòng)。托勒密Ptolemy(2ndcenturyA.D.希臘天文學(xué)家）1.3古希臘理論：地心宇宙托勒密用象限儀在測(cè)量月亮的高度，巴塞爾作，1508問(wèn)題1：為什么月亮?xí)r大時(shí)?。看鸢福汉鼋鲞h(yuǎn)問(wèn)題2：為什么有行星退行現(xiàn)象？答案：均輪+本輪“如果上帝在創(chuàng)世時(shí)能與我商量一下，我會(huì)給他更好的建議?！卑柗剿箛?guó)王（KingＡlfonse）1.4哥白尼理論：日心宇宙公元1543年常常被看成是近代科學(xué)誕生的一年。尼古拉·哥白尼在他臨終前出版了他畢生致力的著作《天體運(yùn)行論》。哥白尼認(rèn)為太陽(yáng)是宇宙的中心，地球、行星和恒星都圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。1.4哥白尼理論：日心宇宙哥白尼日心說(shuō)示意圖1.4哥白尼理論：日心宇宙1.4哥白尼理論：日心宇宙哥白尼的日心說(shuō)自然地解釋了火星退行現(xiàn)象。howdoweknow?——地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)托勒密體系和哥白尼體系都與當(dāng)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)是一致的。哥白尼去世大約70年后，伽利略將望遠(yuǎn)鏡引入到天文學(xué)中。在伽利略觀察到的各種現(xiàn)象中，一件是金星經(jīng)歷著與月亮相似的盈虧變化，這說(shuō)明金星并非自身發(fā)光而是反射太陽(yáng)光。托勒密體系不能解釋“滿盈”的金星。哥白尼體系預(yù)言只要地球和金星處于太陽(yáng)相反的兩側(cè)，我們就能看到“滿盈”的金星。1.5開普勒理論：以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓宇宙觀測(cè)精密而著稱的丹麥著名天文學(xué)家第谷，第谷本人不同意哥白尼的日心說(shuō)，于是他提出了折中的混合說(shuō)：地球位于宇宙中心不動(dòng)，太陽(yáng)、月亮和恒星天圍繞地球轉(zhuǎn)，但金、木、水、火、土五大行星不是圍繞地球轉(zhuǎn)，而是圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)，再跟太陽(yáng)一起圍繞地球轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)軌道都是正圓。第谷，出生于丹麥的天文學(xué)家，二十年如一日精確地測(cè)量和記錄了行星的運(yùn)行軌道。第谷(TychoBrahe1546-1601)Themanwiththegoldennose丹麥貴族，擁有王室天文臺(tái)，托勒密的忠實(shí)信徒，但酷愛科學(xué)，被稱為天文學(xué)泰斗，近代天文學(xué)始祖。第谷從不相信哥白尼體系，當(dāng)他去世時(shí)，把畢生的天文觀測(cè)資料傳給了他的學(xué)生，德國(guó)天文學(xué)家開普勒（JohannesKepler）。與第谷不同的是，開普勒?qǐng)?jiān)定地相信哥白尼的日心說(shuō)，但他不能解釋為什么行星的圓周軌道與第谷的天文觀測(cè)結(jié)果不同。他相信老師的觀測(cè)，更傾向于從理論上思考問(wèn)題。最終，他放棄了自己七十余次“圓上加圓”的方法構(gòu)造的火星軌道曲線，放棄了勻速圓周運(yùn)動(dòng)這個(gè)一向?yàn)槿藗兯姁鄣墓爬闲拍睿⒘诵行沁\(yùn)動(dòng)三定律。1.5開普勒理論：以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓宇宙1.5開普勒理論：以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓宇宙開普勒長(zhǎng)期致力于尋找各行星軌道之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系。通過(guò)反復(fù)地計(jì)算，他驚奇地發(fā)現(xiàn)：用柏拉圖的5種正多面體，剛好可以給出6大行星軌道半徑之間的關(guān)系：六面體

earth

solid四面體fire

heat八面體

air

gas十二面體

universe

aether二十面體

water

liquid1.5開普勒理論：以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓宇宙開普勒第一定律：行星運(yùn)動(dòng)的軌道是一個(gè)橢圓，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。開普勒第二定律：行星軌道的矢徑在單位時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等。1.4哥白尼理論：日心宇宙開普勒第一、二定律1.5開普勒理論：以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓宇宙開普勒猜測(cè)行星運(yùn)動(dòng)的快慢，可能與行星軌道的半徑有某種關(guān)系。他把地球的軌道半徑定義為1，地球的公轉(zhuǎn)周期也定義為1，然后給出其他行星軌道半徑與周期對(duì)地球的相對(duì)值。他畫出了一張表，但沒有看出表中的數(shù)據(jù)間有什么關(guān)系。1.4哥白尼理論：日心宇宙行星名稱公轉(zhuǎn)周期（T）太陽(yáng)距離（R）水星0.2410.387金星0.6150.723地星1.0001.000火星1.8811.524木星11.8625.203土星29.4579.5391.5開普勒理論：以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓宇宙一天早晨，當(dāng)陽(yáng)光照進(jìn)書房，夫人進(jìn)來(lái)收拾房間時(shí)，苦熬了一夜的開普勒突然跳了起來(lái)，拉住妻子大叫：“親愛的，我發(fā)現(xiàn)了，感謝上帝將你賜給我，我們是和諧的，宇宙也是和諧的，現(xiàn)在弄清楚了。”開普勒又算出了這樣一張表。從這個(gè)表的數(shù)字里，可以看出這個(gè)奇妙的規(guī)律：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它同太陽(yáng)距離的立方成正比。這就是著名的開普勒第三定律。1.4哥白尼理論：日心宇宙行星名稱公轉(zhuǎn)周期（T）太陽(yáng)距離（R）周期平方（T2）距離立方（R3）水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.378地星1.0001.0001.0001.000火星1.8811.5243.543.54木星11.8625.203140.7140.85土星29.4579.539867.7867.98JohannesKepler(1571-1630)我曾測(cè)量過(guò)天空，而現(xiàn)在測(cè)量幽冥，靈魂飛向天國(guó)，肉體安息土中。墓志銘，自撰“天空立法者”太陽(yáng)系金星凌日美景，小黑痣增添太陽(yáng)風(fēng)韻理論：一個(gè)或一組得到充分證實(shí)的觀念，它解釋或統(tǒng)一一系列觀察結(jié)果。模型是一種可以直觀想象的理論。原理或定律是通常包含在一個(gè)更大的理論中的單個(gè)概念。理論的目的有兩個(gè)：滿足我們心靈的需要，這是科學(xué)發(fā)展的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力！實(shí)用的需要，也就是經(jīng)濟(jì)發(fā)展，日常生活的需要。這是科學(xué)發(fā)展的外在推動(dòng)力。觀測(cè)：采集事實(shí)的過(guò)程。測(cè)量是一種定量的觀測(cè)，而實(shí)驗(yàn)是一種受控制的觀測(cè)。1.6哥白尼革命：近代科學(xué)的黎明假說(shuō)：一種有根據(jù)的提議或猜測(cè)，一種嘗試性的理論?？茖W(xué)認(rèn)知過(guò)程：科學(xué)基于經(jīng)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)和觀察結(jié)果）與理性（整理經(jīng)驗(yàn)使之相互關(guān)聯(lián)的理論和假說(shuō)）之間的互動(dòng)。這一植根于經(jīng)驗(yàn)與理性的基礎(chǔ)，將科學(xué)與基于信仰、直覺、個(gè)人權(quán)威或權(quán)威性著作的其它形式的知識(shí)區(qū)分開來(lái)。1.6哥白尼革命：近代科學(xué)的黎明哥白尼理論：以太陽(yáng)為宇宙中心的理論，與阿利斯塔克理論相似。各個(gè)行星包括地球環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，并且地球繞自身的軸自轉(zhuǎn)。哥白尼革命：對(duì)人類是宇宙的中心、從而與宇宙的其它地方根本不相同的思想的擯棄。1.6哥白尼革命：近代科學(xué)的黎明哥白尼革命對(duì)天文學(xué)的影響“不在于它自己說(shuō)了什么，而在于它使得別人說(shuō)了什么”哥白尼革命對(duì)天文學(xué)之外的自然科學(xué)的影響引起科學(xué)思想的大革新哥白尼革命對(duì)哲學(xué)、宗教以及人文社會(huì)科學(xué)的影響1.6哥白尼革命：近代科學(xué)的黎明那些星球該多么巨大??！而這個(gè)地球，這個(gè)類似劇院的地方，在這里進(jìn)行著我們所有的宏偉構(gòu)想、所有的航行和所有的戰(zhàn)爭(zhēng)，與那些星球相比，它是多么微不足道。對(duì)于那些國(guó)王和君主們，這是一件很值得思考和反省的事：他們犧牲眾多臣民的生命，只是為了滿足其野心以成為這個(gè)小地方中某個(gè)可憐角落的主人。

——惠更斯，物理學(xué)家，大約1690年1.6哥白尼革命：近代科學(xué)的黎明古希臘人相信星星和其它天體是自己發(fā)光的。他們是否相信肉眼看到的每個(gè)天體都是這樣？（A）是；（B）否。B（月亮）概念檢查金星常常作為晨星或昏星出現(xiàn)。托勒密對(duì)這一觀察結(jié)果的解釋是：（A）金星環(huán)繞太陽(yáng)的軌道靠近太陽(yáng)；（B）金星的本輪的中心位于地球和太陽(yáng)的連線上（C）金星和水星繞太陽(yáng)運(yùn)行，而其它