物理哲学(幻灯片)(1)

参考书：《自然科学的历程》前言：从物理学到物理哲学罗丹的著名雕塑《思想者》，表现了人类在沉思中将自己的精神提升到一个新的高度。哲学不是单纯的知识，它也不存在具体的结论。哲学就是“思想”，就是对道理的思考。Philosophy就是“爱智慧”。第一讲物理学理论的结构与方法普通物理学：力、热、电、光、原。理论物理学：理论力学；电动力学；热力学与统计物理学；量子力学。高等数学；数学物理方法。普通物理实验；近代物理实验（氢原子光谱、塞曼效应、夫兰克-赫兹实验、电子衍射、核放射性统计规律、威尔逊云室、低温、真空、X射线、微波、激光、迈克尔逊干涉仪、磁共振…等。）经典物理学：经典力学；经典电动力学。近代物理学：相对论；量子力学。现代物理学：宇宙学；粒子物理学。当代高新技术：①电子计算机与信息技术；②生物与基因技术；③核能与新能源技术；④航天技术；⑤激光技术；⑥新材料与纳米技术；⑦自动化与机器人技术；⑧海洋开发技术。亚里士多德的三段论式演绎法希腊考古学家近日在雅典卫城山脚下发现了一尊创作于古罗马帝国时期的古希腊哲学家亚里士多德的胸像，它是迄今发现的唯一一尊把亚里士多德的鼻子塑成钩状的胸像。演绎法和归纳法演绎推理方法的基础是亚里士多德的三段式：大前提+小前提→结论。几何证明用的就是演绎法。公理就是大前提，定理就是小前提，推论就是证明的结论。例如：人皆有死，张三是人，所以张三会死。归纳法是从个别推广到一般。不一定可靠，但可以得出新东西。物理定律都是归纳的结果。例如：甲是白天鹅，乙是白天鹅，…，观察到成千上万只天鹅都是白天鹅，所以一切天鹅都是白天鹅。演绎法与归纳法的比较在演绎法中，其实结论已经隐含地包含在前提里面了，所以严格说来，它并不能得出新东西。但只要前提正确，它就能保证结论正确。几何学中的证明就是如此。演绎法是从一般→特殊。从一般原理推论出需要解释的现象。归纳法是从已知的事实推出未知的一般规律，它是可以推出新东西来的。但是，它并不够可靠。一旦出现例外，就得重新修订结论。归纳法是从特殊→一般。从观察到的现象归纳出一般原理。然后，才有可能进行演绎推理。公理化系统亚里士多德关于科学是演绎系统的理想，在欧几里得的几何学和牛顿的力学中得到了很好的实现。它们都是由公理、定义、定理、推论等组织起来的系统。右图是欧几里得《几何原本》中的一页，空白处是牛顿写的边注。如何给一个概念下定义？定义=最邻近的种概念+属差例如：水是无色、无味、无嗅的透明液体。这里，“液体”是水的种概念，“无色、无味、无嗅、透明”是它区别于其他液体的属差。牛顿的绝对时间和绝对空间绝对的、真实的和数学的时间本身，是自身在那里流，而因其性质，是等速的且不与外界任何对象有关系。绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关，永远是相同的和不动的。物理学中的若干思维规律1.任何基本定律都包含着对某种全称否定的判断热力学第一和第二定律表明，永动机是不可能的。狭义相对论表明，测量绝对速度是不可能的。2.关于物理学中表明原因的方式对现象发生的原因给出解释，是科学的基本任务。但是，这个解释的因果链是不可能追究到底的（最后需要用人择原理解释），这就有必要探讨究竟有哪些表明原因的方式。■伏尔泰格式：事情现在之所以是这样，那是因为它是最可几的。◇为什么光线走折射定律给出的路径？因为它所用的时间最短。例如：牛顿第一定律其实也就是惯性的定义。4.理论体系存在着（至少隐含着）逻辑循环在力学中，惯性定律说，如果有一个物体离开别的物体足够远，那么它运动起来就没有加速度；而只有由于它运动起来没有加速度这一事实，我们才知道它离开别的物体足够远。在量子力学中，卢瑟福的“糟透了的跃迁”质疑，就是针对玻尔理论中的逻辑循环的。类比光的波粒二象性，德布罗意提出了一切微观粒子都具有波粒二象性。6.正确应用回溯推理往往可能导致重大的发现•按照一般的思路，超导电性应该从良导体中去找，其实不然，而且正好相反，竟然在不良导体的陶瓷材料“钡镧铜氧”中被发现，这是很耐人寻味的。对于某个假设的命题，这样分析会得出一种结论，那样分析又会得出另一种结论，而两种结论又是互相矛盾的，这样的命题就称为悖论。比如：“说谎者悖论”：“我说的这句话是谎话。”“理发师悖论”；“塞维利亚的男人分为两类，第一类是自己给自己刮胡子的，第二类自己不给自己刮胡子的。凡自己给自己刮胡子的理发师就不给他刮胡子，那么理发师是否自己给自己刮胡子呢？”悖论（佯谬，paradox）及其在物理学发展中的作用古希腊哲学家伊壁尼门德提出这样一个命题：“我现在说的这句话是谎话。“那么，这句话是谎话还是真话？如果是真话，那他说的就是假话。如果是假话，假话的假话就是真话，他说的就是真话。究竟是真话还是假话？？这个悖论的解决是塔尔斯基提出来的。他认为语言是有层次的。在这里，这整句话是个一级语句（元语言），而它所指涉的“这句话”则是二级语句（对象语言）。二者混淆就造成了悖论。说谎者悖论著名哲学家罗素提出的“理发师悖论”也很有名。这个悖论是说：有个理发师，他只给那些不给自己刮胡子的人刮胡子。那么，他是否给自己刮胡子呢？若是，他就是自己刮胡子的人。按上述，他不能给自己刮胡子。若否，他就是不给自己刮胡子的人。按上述，他应该给自己刮胡子。这样，他既不能给自己刮胡子，也不能不给自己刮胡子，构成了矛盾。“理发师悖论”伽利略和比萨斜塔亚里士多德认为：从高处下落的物体，重物落得快，而轻物落得慢。伽利略指出：如果两物相连，就会得出矛盾的结论。解决的办法是：从高处下落的物体，重物和轻物落的一样快。意大利比萨斜塔上的自由落体实验，证实了伽利略的观点是正确的。亚里士多德的“落体佯谬”与伽利略的解悖善跑的白兔（善跑的阿基里斯）追不上乌龟。因为白兔必须跑到乌龟原来所在的地方，才能继续向前跑，所以白兔永远追不上乌龟。这是一个“似是而非”式的悖论。它的错误在于：忽视了无限个有限量的和，可以是有限量。具体见书的131页。“龟兔赛跑”或芝诺悖论：阿基里斯和龟赛跑善跑的阿基里斯追不上乌龟追光实验佯谬爱因斯坦曾经设想：如果一个人追着光向前飞驰，他的速度如果能和光速一样快，那将会怎样？他将会看到光（也就是电磁波）在他的身下停止不动了。但是，光能静止吗？不能！静止的光就不是光了。所以，这种情况是不可能发生的，至于超光速就更不可能。因此，光速必定是最快的速度。不能把光当做一般的物质对待，光是具有特殊性的。光和时间是紧密联系在一起的。“飞矢不动”和“白马非马”“飞矢不动”和“白马非马”是这样的好例子。芝诺的“飞矢不动”论说：因为一个物体在某个时间，只能在空间某个位置，而不可能在另一个位置，所以，飞驰的箭是不动的。公孙龙的“白马非马”论说：因为马是形体的名称，而白是颜色的名称，形体+颜色不等于形体，所以白马不是马。集合可以分为两类：一类是集合的集合仍然是这个集合的元素。如：一切概念的集合，仍然是一个概念。另一类是集合的集合不是这个集合的元素。如：一条直线上所有点的集合不再是点，也就不再是这个集合的元素。若M是包含集合自身的第一类集合，N是不包含集合自身的第二类集合。那么，所有N的全体构成的集合，属于哪一类集合呢？推论发现：如果它是第一类，它就是第二类；如果它是第二类，它就是第一类。这就构成了悖论。罗素集合论悖论第二讲波粒二象性与互补原理光是波，因为它能够发生衍射和干涉。衍射和干涉现象是波所特有的现象。电子有时候也能发生衍射和干涉（如遇到单狭缝或双狭缝时），所以我们说电子在一定情况下，也具有波性。光的波粒二象性光有时也会显示出粒子性（比如当光照射在金属板上发生光电效应时）。当光照射到金属板上时，只有光的频率超过一定的值，才能打出电子来。这只有把光理解成为粒子而不是电磁波，才能得到解释。所以光除了是电磁波外，也具有粒子性。电子的波粒二象性电子作为粒子，是人们早就习惯了的。把电子打在荧光屏上，就会激发出一个光点，而且可以计数。左图是戴维孙-革末实验，其实就是倒光电效应。它证实的是电子的波动性，电子流以波的形态在晶体的晶格上发生衍射。电子波的双缝干涉2*221212121221||=++=||+||+*+*（）（）2*221212121221||=++=||+||+*+*（）（）像子弹扫射那样的概率叠加，与电子波通过双缝后的概率幅叠加是不同的。前者不会形成干涉条纹。干涉现象的出现源于在概率解释中出现干涉项：微观粒子的波粒二象性微观粒子（如电子）在有些情况下显示出粒子性，有的情况下显示出波性，但两者绝不会同时出现。这就是波粒二象性。波粒二象性是一切物质粒子的共性，只不过宏观粒子质量太大，不容易显现而已。电子波是几率波但是，当电子以波的形式存在时，这种波是几率波，而不是如水波那样的机械波。区别在于：水波的波峰和波谷，是合成振动最强和最弱的地方，而电子波的波峰和波谷是电子出现几率最大和最小的地方。微观现象中的互补原理（N.玻尔）微观粒子的粒子性和波性既是互斥的（不可能同时出现），又是互补的（二者缺一不可）。只有两者一起才能共同组成这个微观客体。当粒子性和波性的一方显现时，另一方是潜藏着的。玻尔的族徽和哥本哈根学派以玻尔为首的、建立在丹麦首都哥本哈根的学派是20世纪上半叶世界物理学的中心。它以两个原理—波粒二象性和测不准关系为基础，以互补原理为学派的理论支柱。提升成为哲学原理的“互补原理”玻尔把互补原理提升成为一个一般的哲学原理，认为：任何事物都具有两个侧面，它们是对立的，又是互补的。互补的两个方面共同地构成了我们的这个世界。这样的例子很多，如公孙龙子的《坚白论》，中国哲学中的“阴”和“阳”，人的“社会性”和“动物性”，理性和感性，逻辑思维（左脑）和形象思维（右脑），…等等。任何事物都包含着两个互相矛盾的方面。（一方是矛盾的主要方面，另一方是矛盾的次要方面。主要方面决定着事物的基本性质。）矛盾的双方各以对方为自己存在的前提。（一方如果不存在，另一方也就不存在了。）并且在一定的条件下，向对立面转化。（这种转化可以是激烈的斗争，也可以是相互的融合）对立统一规律：第三讲量子测量与物理实在互补性原理可以表述为：“量子系统具有同样真实、但相互排斥的性质。”量子系统的行为既像粒子，又像波动，这取决于实验设置的情况。用不同的检测装置，就表现出不同的现实。所以这有点“观测创造现实”的味道。或者说：“我们想看什么，我们才能够看到什么。”“现象非到被观察到之时，绝非现象。”测量的退相干效应在双缝干涉实验中，如果不加干预，将出现干涉条纹。如果想知道电子究竟是从哪个缝通过的而进行观测，干涉条纹立即消失。这就是退相干效应。退相干效应也被称为“量子芝诺效应”：如果一个量子系统被连续不断地观测，那么它就将是不变的。这也常被比喻为：“一壶被盯着看的水总不开。”第四讲薛定谔猫、量子纠缠和非定域性量子力学怎么描述状态？例如氢原子核外的电子，有三个自由度，它的轨道波函数（不考虑自旋）为：如果一个1s轨道电子，还同时考虑电子的自旋向上，则它的量子态就可以写成：薛定谔猫佯谬：猫在箱子里的状态，可以用波函数描述：或者更准确些：在打开箱子观察的一瞬间，发生“量子坍缩”，观测使状态转变为经典态，落在“死”“活”二者之一上。11=+22活死11=+22活死不衰变衰变（）（）mnllm（r,,）=R1()||1|srs薛定谔猫态的量子力学表达式1=||+||12（0）薛定谔猫态：量子纠缠态（entangledstate）在猫佯谬中，猫的死活状态与放射性原子核的衰变或不衰变状态，是紧密地交缠在一起的，我们说猫和放射性原子核是处在一种交缠态中。这种交缠态常称为“薛定谔猫态”。当一个体系有多个自由度时，这个体系的量子态往往是各自由度波函数的乘积（直积）。交缠态是一种特殊的叠加态，不能表示成简单的直积形式。如猫体系与原子核体系纠缠