《新自然观的发展》PPT课件.ppt

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1、四、 20世纪自然观的发展 20世纪初 ， 相对论 、 量子理论以及物 质结构理论的产生 ， 导致了物理学领域的 深刻革命 ， 这场革命动摇了形而上学自然 观的基础即经典力学 。 与 19世纪相比 ， 20 世纪自然科学的发展有两个特点： A科学向纵深发展 ， 揭示了小至微观 ， 大至 宇观的层次结构 。 B科学向横向发展 ， 出现了既高度分化又高度 综合的整体化趋势 。 与此相应 ， 以新能源 、 新材料 、 生物工程 、 航天技术 、 海洋技术 、 信息技术为主要内容的 世界新科技革命迅速发展起来 ， 这些技术与计 算机技术相结合造成了一种崭新的技术体系 ， 以此为手段 ， 人工自然的疆界

2、迅速扩大 ， 其社 会效应和环境效应成为引人注目的问题 ， 也必 须从自然观和方法论的高度进行研 讨 。 当代自然观的新发展的概括 1、时空的绝对性和相对性 何谓同时性的相对性？不同地点的 两个事件我们何以知道它是同时发生的 呢？这个问题看似平常，却至关重要。 同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状 态。这一结论否定了牛顿力学所引以为基础 的绝对时间和绝对空间框架。 狭义相对论 的提出： 两大假设（基本出发点）： 狭义相对性原理 在一切惯性坐标系内不 能通过物理试验来判断该惯性系是静止的还 是。或者说，物理规律的数学表示在一切惯 性系表示不变； 光速不变原理 在所有的相互作匀速直线 运动的坐

3、标系中，光在真空中的速度都是不 变的。 狭义相对论的五大推论： 同时性是相对的； 运动物体的长度在运动方向要收缩； 运动时钟要变慢； 物体质量将随速度增加而增加； 在光速运动条件下，物体的质量与能量可 以相互转化。 相对效应产生于两个相对运动的惯性系，且速度与 光速比拟，不同惯性系看到的同一事件的时间延缓 量和运动的尺缩量是不同的 尺缩钟慢效应说的是：对于两个相互运动的参照 系来说，处在某参照系中的观察者将会发现另一 参照系中的物体，其运动方向缩短了，其时钟走 慢了。这两个效应都只是相对论效应。在本参照 系中的观察者将看不出这种效应。而且相对论效 应是相互的，你看见我的尺缩钟慢，我也看见你 的

4、尺缩钟慢。 2 2 1 C V t t 2 2 1 C V ll 时间和空间随着物质运动速度的变化而变化 尺缩钟慢效应 狭义相对论 揭示了空间、时间、质量和物质 运动之间的联系 否定了 牛顿 的绝对时空观，空间和时间不再 是与物质及其运动无关的独立实体，经典物 理学中的基本常数如物体长度、时间间隔、 惯性质量等都不再是绝对的，而 与参考系的 选择有关 。物体的运动状态、时空特性、惯 性质量等基本属性是相对于一定的参考系而 言的，因而对它们的测量和认识依赖于参考 系的选择。 广义相对论： 基本原理： 1广义相对性原理 所有参考系， 无论惯性系还是非惯性系，都同样适合表达 自然定律 2等效原理 一

5、个存在引力场的 惯性系和另一个有加速度的非惯性系比较， 并无本质的区别 广义相对论的理论体系 几个推论： 1、引力的实质 = 时空弯曲 2、引力场方程 宇宙学方程 爱因斯坦广义相对 论认为，重力场的 时间空间特性是依 赖于物质的质量分 布的，物质的质量 愈大、分布愈密、 重力场愈强，则空 间的“曲率”就愈 大、时间的流逝就 愈慢。 银河系正面图 广义相对论指出，由于有物质的存在，空间 和时间会发生弯曲，引力场实际上是一个弯曲的 时空。也就是说，牛顿提出了万有引力，而爱因 斯坦事实上取消了它：引力的本质是没有引力， 宇宙中无处不在的引力其实不是引力，而是时空 的弯曲！在弯曲的宇宙时空中，天体只能

6、沿路程 最短的短程线运动，投射到欧几里的空间中，就 呈现出椭圆形的运动轨道。 广义相对论指出，时间与空间不能离开物质 而独立存在，时空的结构和性质取决于物质 的分布，物质存在的空间不是平坦而是弯曲 的，物质的密度越大，其周围的空间越是弯 曲。 揭示了空间与时间之间，空间时间与物 质及其运动之间存在的辩证联系。 2、从存在到演化 无时间性 如牛顿力学 、相对论、量子力学 F=mdr/dt 把 t t，方程形式不变， 对时间反演对称，意味时间无方向性 时间的重新发现 热力学第二定律： 汤姆逊：不能从单一热源取热全部转化 为 功而不产生其它影响。 克劳修斯：热不可能从低温物体流向高温 物体而不产生其

7、它影响 用熵表述为： 一个孤立系统的熵总趋于增大（熵增定律） 在动力学框架内的新的时间之矢也出现了 相对论为基础的宇宙学指出宇宙膨胀 量子力学：测量 在 20世纪，演化的观念进一步发扬 耗散结构理论、协同学、突变论，勾画了自 然从存在到演化的画面，展示了自然演化的 不可逆性的序向，提出了“ 内部时间 ”的新 概念，使时间从一个外部参量转变为自然演 化的内在尺度，展示了自然界演化的分叉、 突现方式。 3、自然的简单性与复杂性统一 自然界不作无用之事，只要少做一点就成了， 多做了却是无用；因为自然喜欢简单化，而 不爱用什么多余的原因夸耀自己 -牛顿 自然规律的简单性也是一种客观事实，而且 真正的概

8、念体系必须使这种简单性的主观方 面和客观方面保持平衡。 爱因斯坦 自然的规律性 ：表明自然具有机械性的确定 性、固有的秩序、决定性、必然性、和单一 因果关联等 还原性 自然的外在分离性 自然的祛魅 对称性 可逆性 复杂性它表现为一种众多因素相互作用的一 种状态。 不可还原，超越还原的特征 涌现 例： 氢和氧原子组成了水，氢它有可燃性，作为 氧原子组成的氧气，它有助燃性，但是，当我们 把氢和氧原子组合在一起，变成水这样一种液态， 或者是其他状态，它这两个性质都没有了 具有分形的特征，自嵌套，自分叉，自相似 非集中控制性 自组织 4、世界的决定性与非决定性统一 在牛顿力学的机械传统里，一切自然过

9、程都服从决定论性的因果律。这中决定 论性的因果律人们也称之为机械决定论 或拉普拉斯决定论。 爱因斯坦始终认定“上帝不会掷骰子”。 统计热力学：概率引入科学，表明群体 行为的规律已丧失了确定性，只能以 确 定的概率加以预言 量子力学 普朗克提出了 “ 能量子 ” 的概念，对 “ 紫外灾难 ” 作了解释，认为能量是不连续 的；爱因斯坦由此进一步提出了 “ 光量子 ” 学说，揭示了光的波粒二相性，并奠定了量 子力学的理论基础；经德布罗意，最后由海 森堡与薛定谔发展完成。量子力学的建立实 现了物理史上的第五次大综合，统一了波粒 二相性。 量子性 量子关联 统计规律性 量子力学在自然观上的贡献 (1)丰

10、富了辩证唯物主义的物质观，揭示了物 质世界的波粒二相性，证明了世界的统一性； 否认了形而上学自然观的 “ 非此即彼 ” ，承 认了物质世界是 “ 亦此亦彼 ” 的。揭示了物 质世界是建立在连续与非连续，粒子性与波 动性之上，不能摆脱一者去认识另一者，不 能将它们隔离开来，是粒子与波动，连续与 阶段的统一。 因为量是连续的，所以运动也是连续的。 时间是关于前和后的运动的数，并且是连 续的。 亚里士多德 自然界是不允许飞跃；自然界里的一切都 是以着色的方法逐渐而均匀地完成的。如 果在两个东西之间有一个空的间隔，那么 从一个东西过渡到另一个东西有什么基础 呢。 波涅特 (2) 牛顿力学固有的严格决定

11、论的数学微分 方程、因果律，在量子世界图景中都或多或 少地遭到了破坏。 量子力学的基本方程 薛定格方程，也是 一个微分方程，根据初始条件得到的方程的 解是量子力学中的波函数。波函数描述微观 粒子的运动状况，但它不能确定地表示一个 微观粒子在何时何地出现，只告诉我们微观 粒子在某时某地出现的几率。量子力学中的 测不准原理明白无误地表明，对于微观粒子， 位置和动量不能同时测定，时间和能量也不 能同时测定，如果其中一个两测得越准，另 一个量越测不准。所以在微观领域，那种决 定论性的因果律，不再起作用，替代它的是 统计性的因果律。 混沌理论是对决定论的又一次挑战 正是在这种意义上，格莱克说：“混沌是

12、20 世纪物理科学中的第三次革命，就像前两次 革命一样，混沌割断了牛顿力学的基本原 则。” 混沌定义 包含有序的特殊状态 宏观无序无律、微观有序有律的状态 与规则运动相对的行为 混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的 不规则运动 特性 -混沌对初始条件具有敏感依赖性，任何一 处微小的变化都会使系统在随后的发展中发 生预想不到的变化。 混沌理论的创始人之一，美国气象学家洛伦兹把这 一特性形象地比喻为蝴蝶效应。他说，一只蝴蝶在 巴西扇动翅膀，也许就是得克萨斯一场龙卷风的起 因。 钉子缺，蹄铁卸，蹄铁卸，战马蹶，战马 蹶，骑士绝，骑士绝，战事折，战事折， 国家灭。 37 非平衡过程产生的混沌是一种

13、“ 奇异吸引子 ” 当演化时间趋于无穷大时，系统所达到 的极限集合，称为 “ 吸引子 ” 。例如单摆运 动，如果有磨擦（耗散系统），振幅将逐渐 减小，最终将停止在中间位臵，这个状态 （不动点）就是一个吸引子。 38 混沌状态相当于一个吸引子，它有一些奇 特的性质。系统一切在吸引子外的状态都向 吸引子靠拢，这是吸引作用，反映系统运动 “ 稳定 ” 的一面；而一旦到达吸引子内，其 运动又互相排斥，这对应着 “ 不稳定 ” 的一 面。在混沌区内，两个靠的非常近的点，随 着时间的推移会指数发散开来，两个相距很 远的点，又可能无限地靠近，它们将在混沌 区中自由地游荡，又跳不出混沌区，因此无 法描述它们的

14、 “ 轨道 ” ，无法预测其未来的 状态。 1971年，法国物理学家茹勒和泰肯首 次把混沌的这种特殊性质叫作奇异吸引子。 第四章 自然系统演化的规律性 39 -混沌理论揭示出确定性系统的 “ 内在随机 性 ” ， 体现了随机性存在于确定性之中 ， 确 定性自己规定自己为不确定性 确定性系 统自己产生了随机运动 。 它从根本上消除了 拉普拉斯决定论的可预测性的狂想 。 -分形的几何结构，非整数维 涨落对严格决定论的否定 所谓涨落 ， 是指系统中某个变量或行为对统 计平均值的偏离 。 43 系统中存在涨落是不可避免的，它是一 切实际系统固有的特征。 44 涨落所起的作用与系统所处的状态有关 。 当系统处于稳定时 ， 涨落还仅仅是一些小的 干扰而已 ， 它会由于系统自身的抗干扰能力而逐 步衰减 ， 从而使系统回到原来的状态 。 但是 ， 如果系统处于远离平衡的不稳定态 ， 即在临界点附近 ， 微小的涨落才会得以放大 ， 变 成具有宏观尺度的 “ 巨涨落 ” ， 从而使系统一下 子跃迁到一个新的有序状态 45 46 这是一个偶然性与必然性相互影响的过程。 在靠近临界点的地方 ， 系统呈现出很大的 起伏 ， 系统好象在各种可能的演化方向之间 “ 犹豫不决 ” ， 一个小的起伏可以引起一个新 的变化 ， 它将剧烈地改变宏观系统的整个行为 。