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当代科学的突破和自然观的发展第三讲19世纪末20世纪初，物理学出现三大新发现和两个问题，彻底地变革了科学的自然图景，推动自然科学进入现代自然科学发展的新阶段。一、19—20世纪之交的物理学革命一、世纪之交的物理学发现、危机这些新发现动摇了原子和元素不可分、不变、是物质组成最小单位的形而上学的观念。同时，正当人们陶醉在物理学经典体系“尽善尽美”的境界时，物理学的晴朗天空中却出现了“两朵乌云”，这就是当时经典物理学理论无法解释的麦克尔逊—莫雷实验和黑体辐射实验。物理学陷入空前的危机。经典物理学的危机实质是形而上学思维方式和机械论自然观的危机，表明旧理论在新发现面前的无能为力。•20世纪初，正是在解决新实验事实同旧理论之间的矛盾的过程中，爱因斯坦和普朗克等科学家创立了以相对论和量子力学为支柱的现代物理学理论体系。二、相对论•1905年德国科学家爱因斯坦创建狭义相对论，科学地揭示了时间与空间、时间和空间与物质运动之间、质量和能量之间的统一性。•1916年他又创立了广义相对论，揭示了空间、时间与物质之间存在的辩证关系。相对论是关于时间与空间的物理学理论，有力冲击着牛顿的时空观。时钟变慢和缩短的程度，取决于参考系运动的速度。速度越快，相对论效应就越明显。相对论是研究物体告诉运动的科学，它告诉我们时空同物质运动有密切关系。•爱因斯坦还指出，当物体高度运动时，它的质量不断增加，并且写出了著名的智能关系式：E=mc^(2)。它揭示了质量与能量之间的本质联系，物质内部蕴涵着巨大的能量，拉开了原子能时代的序幕。•“同时”具有相对性，两个事件对于一个参考系来说是同时发生的，对于另一个参考系来说，却可能是先后发生的。•广义相对论假定加速度与引力的效果是相同的，认为光通过引力场时走的是弯曲的道路，就像炮弹在引力场作用下沿抛物线下落。而光速是物体运动速度的极限，所以光走的是短程线。•弯曲的线是短程线，这说明引力场使空间弯曲了，空间弯曲的程度取决于引力场的强度，或者说取决于物质的状态。•这样，空间同物质发生了密切的联系。我们所熟悉的欧几里得空间（也是牛顿所要求的空间）是平直的空间，但不是惟一的空间。引力不是通常所说的力，而是空间弯曲的表现。时空的绝对性与相对性•牛顿的绝对时空观•爱因斯坦的相对论三、量子力学1927年矩阵力学和波动力学被证实二者是等价的，后称“量子力学”。1、黑体辐射实验绝对黑体:若物体在任何温度下,对任何波长的辐射能的吸收比都等于1,则称该物体为绝对黑体,简称黑体。维恩经验公式问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式),()(0TfTMTCeCTM2510)(这个公式与实验曲线波长短处符合得很好，但在波长很长处与实验曲线相差较大。2、普朗克提出能量子假说瑞利--金斯经验公式TCTM430)(这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区，按此公式，将随波长趋向于零而趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难”。0M维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε.n为正整数，称为量子数。对于频率为ν的谐振子最小能量为能量量子经典h能量也像粒子一样，是一颗一颗的。能量的变化是“跳跃式”的，正如英国的秦斯所说：“物质的基本粒子其运动不像是铁道上平滑走过的火车，而像是田野中跳跃的袋鼠。”后来玻尔的原子模型认为，当电子从一个核外轨道“跃迁”到相邻一个轨道上时，没有中间的过渡过程。这表明，自然界的变化既有连续性，又有间断性，是连续性与间断性的辩证统一。振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式。能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获1918年诺贝尔物理学奖。•1905年，爱因斯坦在研究光电效应时，提出光量子的概念，即光所携带的能量是不连续的，称光量子。•宏观物体的运动，一般都有一个稳定的轨道。•但微观粒子的运动没有轨道，我们根本不可能准确预言某个粒子在某个时刻的位置。3、光的本质4、玻恩对量子力学作出统计学解释•玻恩认为在量子力学中机遇是基本概念，统计规律是基本规律。这不是因为我们的量子力学不完备，而是由微观粒子的本性决定的。•量子世界是几率世界。•在微观物理世界中，一些成对的物理量（如位置与速度、时间与能量等）不可能同时具有确定性，因而不可能同时被我们精确测量。•如果一个物理量的测量误差趋于零，那另一个物理量测量的误差就趋向无穷大。对一个量的精确测量，必须以放弃对另一个量的精确测量为前提。5、海森堡的测不准原理•量子世界中的许多现象，用传统的思维方式都是无法理解的，不少科学家都意识到需要一种新的思维方式。在这种背景下，玻尔提出了互补原理。•玻尔指出，描述一个物理现象可以有两种不同的图像，它们是互相排斥的，我们不能同时应用它们，但这两种不同的图像又是相互补充的，无论哪一种图像，都不可能单独向我们提供一个完整的表述，只有把两种图像综合起来，才能提供某种完整的描述。6、玻尔的互补原理•这些革命性成就的取得，一方面产生了两个全新的自然科学基础理论：相对论和量子力学，另一方面还对自然观产生了深远影响，展现出一幅全新的自然景观：•其一，彻底推翻了物质与运动无关的形而上学观点，深刻地揭示了物体质量与运动速度、物质质量与时空之间的深刻关联；•其二，绝对时空并不存在，时空不仅与物质关联，而且本身就是物质、运动的存在属性和方式。同时，它还触发了一系列深刻的哲学和科学争论。四、系统科学的出现和系统自然观的诞生•20世纪40年代末兴起的控制论、信息论、系统论，是系统科学研究的第一批成果。•20世纪70年代前后相继出现的耗散结构理论、协同学、突变论、超循环论等自组织理论及分形理论、孤粒子理论和混沌理论，是系统科学的最新发展。•系统科学的诞生给辩证自然观的发展增添了新的思想和内容：•在物质观上开始把具有复杂性特征的事物作为研究对象；•在时空观上深入研究时空与物质关联的复杂性；在演化观上强调事物的生成与演化及其方向和趋势；•在生命观上突出“自组织”的观点（事物自发自主地从非生命演化出生命）；•在发展观上强调环境和条件（外因）的作用；最大的变革在于它提出了自然界是一个系统的观点。重点：普利高津的耗散结构理论•于1969年在国际“理论物理与生物学会议”上发表了《结构、耗散和生命》一文，提出了耗散结构理论，把理论热力学的研究推向了当代的最高峰。普里高津由于这一重大贡献，荣获1977年诺贝尔化学奖。•这是普里高津学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。普里高津（I．Prigogine，1917~）•普里高津和他的同事在建立“耗散结构”理论时准确地抓住了如贝纳尔流、B-Z化学波和化学振荡反应以及生物学演化周期等自发出现有序结构的本质，使用了“自组织”的概念，并且用该概念描述了那些自发出现或形成有序结构的过程，从而在“存在”和“演化”的两种科学之间，在两种文化之间构架了一座科学的桥梁。普里高津在研究了大量系统的自组织过程以后，总结、归纳得出，系统形成有序结构需要下列条件：•（1）系统必须开放。热力学第二定律指出：孤立系统的熵不可能减少。对于一个孤立系统，无论其微观机制如何，如果从宏观上看，它可以被当成是孤立系统，则必然要达到平衡态。耗散结构理论认为，对于孤立系统来说熵是增加的，总过程是从有序到无序；而对于开放系统来说，由于通过与外界交换物质和能量，可以从外界获取负熵用来抵消自身熵的增加，从而使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化。（2）远离平衡态。远离平衡态是系统出现有序结构的必要条件，也是对系统开放的进一步说明。开放系统在外界作用下离开平衡态，开放逐渐加大，外界对系统的影响逐渐变强，将系统逐渐从近平衡区推向远离平衡的非线性区，只有这时，才有可能形成有序结构，否则即使开放，也无济于事。（3）非线性相互作用。组成系统的子系统之间存在着相互作用，一般来讲，这些相互作用是非线性的，不满足叠加原理。正因为这样，由子系统形成系统时，会涌现出新的性质。（4）涨落。涨落是指对系统稳定状态的偏离，它是实际存在的一切系统的固有特征。系统内部原因造成的涨落，称为内涨落；系统外部原因造成的涨落，称为外涨落。处于平衡态系统的随机涨落，称为微涨落；处于远离平衡态的非平衡态系统的随机涨落，称为巨涨落。对于远离平衡态的非平衡态系统，随机的小涨落有可能迅速放大，使系统由不稳定状态跃迁到一个新的有序状态，从而形成耗散结构。五、系统自然观的基本内涵和思想•系统自然观建立在新物理学革命和系统科学基础之上，为人们描绘出一幅从基本粒子、原子、分子化合物直到人类，从微观领域到宇观天体系统演化的自组织、自我运动、自我创造的辩证的演化发展的自然图景。它最深层次、最基本的内涵，在于它揭示了自然系统:•不仅存在着，而且演化着；•自然系统不仅是确定的，而且会自发地产生不可预测的随机性；•自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的，阐发了自然界是确定性与随机性、简单性与复杂性、线性与非线性的辩证统一的思想。•这不仅丰富和发展了辩证唯物主义自然观，更为重要的是，它突破了传统的思维方式，提供了一种探索组织性、复杂性问题的全新的思维方式——系统思维方式。自然的简单性与复杂性时空的绝对性与相对性自然的构成性与生成性世界的决定性与非决定性