自然辩证法概论课件第二章

第二章

现代科学技术

和自然观的发展

第一节19—20世纪之交的物理学革命与系统自然观的产生

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。

麦克尔逊—莫雷实验：

按照麦克斯韦的理论，电磁波必须依靠以太介质以有限速度来传递，但寻找以太的实验未取得肯定结果。这意味着在真空中传播的光速对以任何速度运动的物体来说都是不变的。这意味着不存在时空的绝对参考系。（爱因斯坦突破了以太说和牛顿的绝对时空观，在1905年提出了狭义相

对论）

黑体辐射实验

1900年，英国物理学家瑞利根据经典统计力学和电磁理论，推出了黑体辐射的能量分布公式。该理论在长波部分与实验比较符合，但在短波部分却出现了无穷值，而实验结果趋于零。这部分的严重背离，被称为紫外灾难。

1900年普朗克作出了一个公式，使在长波和短波部分均与实验相吻合的公式。但根据不足。他发现，只要假定物体的辐射能不是连续变化，而是以一定的整数倍跳跃式的变化，就可以对自己的公式做出合理的解释。

他于是将最小的不可再分的能量单元称谓能量子或量子。当年宣告量子论的诞生。

19世纪末的三大发现，动摇了经典物理学的许多基本概念，打开了原子结构的大门，否定了经典物理学原子不可分、元素不能变的传统观念，揭示了质量、能量的新形式。

量子理论的能量子假说与经典物理学几百年信奉的关于自然界的连续的观念直接矛盾。这样一个理论为光的波粒二象性本质的认识提供了方向。

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。

量子力学和相对论的创立充分说明这样一个事实：自然科学的重大理论突破，需要善于发现已有的理论与实践的矛盾，需要有勇于挑战传统理论的自信心与勇气；重大理论的创建和形成，往往要经历长时间的争论以至非难，在得到反复验证后，才被承认；同时也说明创新意识、创新思想在科学研究中所具有的重大作用和意义。

二、20世纪上半叶的物理学革命及其辩证自然观思想

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。

1 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。

同时性具有相对性。

运动着的钟会变慢。

运动的尺会变短。

以上都取决于参考系运动的速度。光速。时空与物质运动速度有关。

光走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。而光是物体运动的极限，所以光走的是最短程。弯曲的线是短曲线，这说明引力场时空间弯曲，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。————进一步说明空间与物质发生了密切的联系。引力红移。引力场时光线偏转。

广义和狭义相对论的诞生，革新了物理科学的基本概念的框架。由于近代世界图景主要由物理科学提供，也可以说相对论革新了世界图景。世界的图景不再是“筐子装东西”式的“时空+物质”模式。由于时空与物质及其运动之间发生了关联，世界图景变成了“时空-场-物质-流形”。经典物理学中时空与物质之间的二分消解了，物质运动与时空成为一体。

相对论在时空观方面的革命完全奠基于对希腊古典科学精神的再度弘扬。这种精神就是对世界普遍性的追求，对宇宙和谐的追求，对数学简单性的追求。在狭义相对论中，“光速不变原理”起到重要的作用，它的功能在于统一电动力学与牛顿力学，他说：狭义相对论的成就可以表征为一般地指出了普遍常数c（光速）在自然规律中所起的作用。在广义相对论中，等效原理即引力场与加速度的等效是一个关键，它的功能也视为物理学的大统一奠定基础。可以说，为物理学奠定新的统一的概念基础是相对论的最重要贡献，也就是导致物理学革命的主要原因。

卢瑟福：原子有核模型。原子质量基本上集中于核上，饶核旋转的电子所带负电正好与核所带的正电相等量。原子表现出电中性。

玻尔：量子化的原子结构模型。电子只在一些特定的圆轨道上绕核运行。当它在这些特定的轨道上运行时并不发射能量，只有从一个较高能量的轨道向一个能量较低的轨道跃迁时才发出辐射，反过来则吸收辐射能。

这样一个理论是对卢瑟福模型的完善，也得到氢原子光谱分析的验证。这个理论违背古典理论

德布罗意：物质波理论。光量子理论推广到一切物质粒子，特别是电子。电子也是一种波。海森堡：矩阵力学。互补原理：微观领域测不准原理。

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。

爱因斯坦与波尔之争.doc

海森堡提出微观领域测不准原理。任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确测量，要准确测量一个，另一个就完全测不准。珀尔敏锐地意识到它正是表征了经典概念的局限性，因此以之为基础提出了“互补原理”，认为在量子领域里总是存在着互相排斥的两套经典特征，正是它们的互补构成了量子力学的基本特征。珀尔的互补原理被称为正统的哥本哈根解释，但爱因斯坦表示坚决反对。他始终认为统计性的量子力学是不完备的，而互补原理是一种妥协。二人之争持续半个世纪，直到他们本人各自去世也没有完结。

量子力学更激烈地改表了世界图景的构造。如果说相对论只是把时空框架与物质运动融为一体，还保留了牛顿力学固有的严格决定论的数学微分方程，保留了因果律，保留了定域性（拒绝超距作用），那么这一切在量子世界中都多或少地遭到了破怀。

量子概念是量子力学的首要概念，它的引入导致了一系列基本概念的改变：连续轨迹的概念被打破，代之以不连续的量子跃迁概念；严格决定论的概念被打破，代之以概率决定论；定域的概念被打破，代之以整体论的概念。伴随着这些基本概念的变化，量子世界出现了波