注册 登录  
 加关注
查看详情
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

夫子授业的博客

有一个空间表达一下自己不太成熟的想法

 
 
 

日志

 
 

读“史”使人明“智” ————读《物理学的进化》有感  

2011-01-15 19:30:54|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

     读过著名科学家、物理学奠基人艾?爱因斯坦和著名科学家利?英费尔德合著的科普名著爱因斯坦的名著周肇威先生的译本:《物理学的进化》,感到收益菲浅。这次省素质教育督导组到我校督导检查,由于图书馆工作由我分管,于是准备一个学生读书报告会的任务就落到我的身上,督导期间我就组织了爱好物理的同学做了一场报告会。

     这本书主要介绍物理学观念从伽利略、牛顿时代的经典理论发展到现代的场论、相对论和量子论的演变情况。其中选择了几个主要的转折点来阐明经典物理学的命运和现代物理学中建立新观念的动机,从而指引读者怎样去找寻观念世界和现象世界的联系。黑格尔有句名言说,熟悉了一门科学的历史,也就熟悉了这门科学本身。——我记住了这句话。感觉这本书有很多值得我们阅读和思考的价值,可分为以下几点:

     (一)这本书很注意重大事件中不同观点、不同思想之间的争论,与物理学大厦的建立过程中的矛盾与波折。

比如说:我们试采用谈话的方式,谈话的一方是牛顿学说的信奉者,简称为“牛”;另一方是惠更斯学说的信奉者,简称为“惠”。两个人都不许利用这两位大师死后所发展的论证。

牛:在微粒说中光的速度具有完全确定的意义,那就是微粒通过真空的空间的速度。在波动说中它的意义是怎样的呢?

惠:自然,它就是光波的速度。每个人都知道波是以某种确定的速度传播的,光波当然也是这样。

牛:这看来不像那样简单吧!声波是在空气中传播的,海波是在水中传播的。每一种波都必须有一种具体的介质才能在其中传播,但是光能透过真空,而声却不能。设定真空中的波实际上等于根本没有设定波。

惠:是的,这是一个困难,不过对我来说这并不是一个新的困难。我的老师已经把这个问题仔细想过,而认为惟一的出路便是假定一种假设的物质——以太的存在,这是一种充斥于整个宇宙的透明的介质。整个的宇宙可以说是浸在以太之中,一旦我们有勇气引用这个概念,其余一切都是明白而确切的了。

牛:但是我反对这样一个假定,首先因为它引用一个新的虚假的物质,而物理学中的物质已经大多了。还有一个反对它的理由,毫无疑问,你相信我们必须用力学来解释一切,但是怎样来解释以太呢?你能答复下面这个简单的问题吗?以太是怎样由基本粒子组成的,而且在旁的现象中它是怎样出现的?

惠:您的第一个反驳当然有道理,但是引入稍为牵强的没有重力的以太以后,我们便可以立刻放弃那更为牵强的光的微粒。这里我们只有一种“神秘的”物质,而不致于有与光谱中的许多种色相对应的无数的物质。你不觉得这实在是一个进步吗?至少,所有的困难都集中在一点上了。我们不再需要虚伪地假定各种色的粒子都以相同的速率通过真空了。您的第二个反驳也是对的,我们不能够对以太作一个力学的解释。但是毫无疑问,对光学的现象以及旁的现象的往后研究中也许会显示出以太的结构来。目前我们必须等待新的实验与结论,但是我希望最后我们总能够解决以大的机械结构问题。

牛:我们暂且丢开这个问题,因为目前无法解决它。即使我们撇开那些困难,我还想知道你的理论如何去解释那些被微粒说解释得很明白而容易理解的现象,例如光线沿直线在“真空”或空气中通过的情况。把一张纸放在灯的前面,结果会在墙上产生一个清晰的。轮廓分明的影。假如光的波动说是正确的,清晰的影决不可能有,因为光会绕过纸的边缘,使影变得模糊。您知道,在海洋中小船不能阻挡波,波会绕过它,也不会出现小船的影子。

惠:这不是一个能使人信服的论证。试看河里短的波打在大船的边上,在船的这一面发生的波在另一面就看不到。如果波十分小而船十分大,便会出现一个清晰的影。我们所以觉得光是沿直线行进的,很可能是因为它的波长比起普通的障碍物以及实验中所用的孔来要小得多。如果我们能够做出一个足够小的障碍物,很可能也会什么影也没有。要制造一个能够证明光是否能被弯曲的仪器,我们可能会遇到很大的实验上的困难。可是,如果能想出这样一个实验,就能对光的波动说和微粒说下一个判决性的结论了。

牛:光的波动说也许在将来能导致新的论据,但是现在我不知道有何可以确切地确认它的实验资料。除非用实验确实证明了光会弯曲,我看不出有什么理由不相信微粒说。这个学说,在我看来比波动说简单,因而也就较好。虽然这个问题还没有彻底解决,我们可以把谈话在这里停下来了。

再比如说书中对于伽利略对自由落体的研究,开创了研究自然规律的科学方法:抽象思维、数学推导和科学实验相结合的历史过程进行的详尽的叙述。它这样评论:“伽利略的发现以及所应用的科学的推理方法是人类思想上最伟大的成就之一,而且标志着物理学真正的开端”等等。让我们更好的体会了科学中的人文精神,我有理由相信科学特别是物理学的发展对人类社会的各方面的贡献。

     (二)运用比较引人入胜的小例子,阐述科学思维的真谛。书中多处在阐述道理的时候,注重激发读者的好奇心,吸引读者津津有味的读下去,它形象的把发现科学的过程与福尔摩斯探案相对比,非常的生动。

“从柯南道尔写出动人的故事以来,几乎在所有的侦探小说里都是这样开始的:侦探首先搜集他所需要的、至少也是他的问题的某一方面所需要的一切事件,这些事件往往是很奇怪的、不连贯的,并且是毫不相关的。可是这个大侦探知道这时不需要再继续侦察了,现在只要用纯粹的思维把所有搜集起来的事件连贯起来。于是他拉拉小提琴,或者躺在安乐椅上抽抽烟,突然间,他灵机一动,这个关系找到了。他现在不仅能解释现有的线索,而且他知道还有其他许多事件一定也已经发生。因为现在他已十分准确地知道在哪里可以找到它,如果他愿意的话,他可以出去收集他的理论的进一步的证明。

如果我们再来说一句老生常谈的话,科学家读自然之书必须由他自己来寻找答案,他不能像某些无耐性的读者在读侦探小说时所常做的那样,翻到书末先去看最后的结局。在这里,他既是读者,又是侦探,他得找寻和解释(哪怕是部分地)各个事件之间的联系。即使是为了得到这个问题部分的解决,科学家也必须搜集漫无秩序地出现的事件,并且用创造性的想象力去理解和把它们连贯起来。

凡是读过侦探小说的人都知道,一个错误的线索,往往把情节弄糊涂了,以至迟迟得不到解决。凭直觉的推理方法是不可靠约,它导致了对运动的虚假观念,这个观念竟然保持了很多世纪。亚里士多德(Aristotle)在整个欧洲享有至高无上的威望,可能是使人们长期相信这一个直觉观念的主要原因。”

由此也让我想到,如果在我们的物理课堂教学中,也能够善于如此,是不是课堂就能够更生动起来,更能激发学生的学习兴趣。而我们的学生能否在生活中更好地感悟物理的存在,运用物理方法去思考生活中的现象呢。

     (三)在物理学发展史中以及重大发现的描述中,他注重质疑和提出问题的重要性,书中写道:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。因为解决一个问题也许是一个数学上或实验上的技巧,而提出新的问题,新的可能性,从新的角度看旧的问题,却需要创造性的能力,而且标志着科学的真正进步。”他创立狭义相对论来源于他从牛顿力学和电磁理论之间找到了一些矛盾,然后从这些矛盾中提出疑问,然后再深入下去找到对物质运动的认识的新的大框架,当时有这个想法的时候,他才16岁,到他26岁的时候,经历了10年的思索研究,1905年的时候提出足以影响科学技术发展进程的狭义相对论,而这个伟大的理论却源于他当时对电动力学的绝对静止观点的置疑。类似地,图灵提出人工智能始于他对“你无法制造出一台替你思考的机器”这一当时的常识的质疑。这也使我想起网上流传的一个关于2010年物理诺贝尔奖的故事,当时,盖姆买了一大块高定向热解石墨,这是一种纯度非常高、通常用于分析的石墨材料。盖姆把它交给了他新来的一位中国博士生,并给了他一台非常高级的抛光机,希望他能制作出尽可能薄的薄膜。三个星期过后,这位博士生拿着一个培养皿告诉盖姆说做好了。盖姆用显微镜观察培养皿底部的石墨斑,发现那足有10微米厚,相当于1000层石墨烯的厚度。盖姆于是问他,能不能磨得再薄一些?他告诉盖姆,那还再需要一块石墨。要知道这种石墨每块大约要花300美元。盖姆承认自己当时的态度可能不太好,于是,那位中国博士生对盖姆说:“既然你这么聪明,那你就自己试试吧。”于是,盖姆用透明胶带在石墨上粘一下,这样就会有石墨层被粘在胶带上。盖姆把胶带对折后,粘一下再拉开,这样,胶带两端都沾有石墨层,石墨层又变薄了。如此反复多次,胶带上的石墨层薄到只有一个碳原子的厚度时,石墨层也就变成了石墨烯。正如黑格尔说过的一句话:“在相同的东西里边,你能够找到不同,这才是你的本事。”更让我想起钱学森之问:“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”

中国有句古话:“于不疑处有疑,方是进也。”所以在没有疑问的地方有人提出问题来了,这个就是进步。“真理往往诞生在100个问号之后”也是这个道理。这更使我想到,在我们的物理教学中,启发学生的思维,鼓励学生学会提出问题以及表达问题多么重要的啊。

     (四)书中的科学推理与思考精彩无比。有人说“科学的全部就是对每天的思考加以提炼。”而爱因斯坦的推理就是让我们真正领略到科学的真谛。比如下面的几段文字。

“我们可以继续应用直接的推理方法。思想的出发点仍然是伽利略的惯性定律。我们着实还可以应用这个在解决运动的难题中极有价值的线索从而推出许多结论来。

让我们考察在平滑桌子上朝不同方向运动的两个球。为了想象得清楚些,假定这两个方向是相互垂直的。因为没有任何外力,所以球的运动是绝对均匀的。再假定它们的速率也相等,即这两个球在相同的时间间隔内经过相同的距离。但如果说这两个球具有相同的速度是否正确呢?可以答是,也可以答否!假使两辆汽车的速率计上都表示约64公里每小时(40英里每小时),我们通常便说它们的速率或速度相等,而不管它们是朝哪一个方向开行的。但科学必须创造自己的语言和自己的概念,供它本身使用。科学的概念最初总是日常生活中所用的普通概念,但它们经过发展就完全不同。它们已经变换过了,并失去了普通语言中所带有的含糊性质,从而获得了严格的定义,这样它们就能应用于科学的思维。”

“把概念加以推广是科学上常用的办法。推广的方法不一定只有一种,通常有很多种。但不管是哪一种推广,都必须严格地满足一个要求:假如原来的条件完备时,推广了的概念必须化成原来的概念。

我们可以用目前所讨论的例子很好地来说明这个意义。我们可以首先试着把速度、速度的改变和力等概念推广到沿着曲线运动的情况里去。在科学术语上,当我们讲到曲线的时候,已把直线包括进去了。直线是曲线的一种特殊的、平凡的例子。因此,如果速度、速度的改变和力被引用于曲线运动,那么它们就自发地被引用于直线运动。但是这个结果不应跟以前所得到的结果相互矛盾。如果曲线变成直线,那么所有推广了的概念都必须化成描述直线运动的已熟知的概念。但是要惟一地确定这个推广,这样一个限制是不够的。根据这个限制来推广一个概念,还存在很多种可能性。科学的史实指出,就是最简单的推广也有时成功,有时失败。我们必须首先作一个猜测。在目前这个例子里,很容易猜出正确的推广方法。新的、推广了的概念是非常成功的,它既帮助我们理解抛在空中的石子的运动,还帮助我们理解行星的运动。”

     《物理学的进化》全书从头到尾,字里行间,无一处不弥漫着“物理—哲学情绪”。虔诚的读者若跟随作者一道“探险”,即能被书中浓郁的“物理—哲学情绪”所感染。

博主2010年11月

  评论这张
 
阅读(631)| 评论(0)
推荐 转载

历史上的今天

在LOFTER的更多文章

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2018