文科物理学 翠柏怀瑜第一章物理学是自然科学的基础1.1 物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科物理学是在人类探索自然的奥秘中形成的学科。物理学研究宇宙间物质存在的基本形式、物质的性质、物质的运动规律、物质之间如何相互作用、相互转化以及各种物质形态内部结构的基本规律。物理学是自然科学的基础，是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。 物理学上的每一次在探索未知的物质结构和运动基本规律的重大突破都带来物理学新领域、新方向的发展，以至新的分支学科、交叉学科和新技术学科的产生。物理学的发展是许多新兴学科、交叉学科和新技术学科产生、成长和发展的基础和前导。1.2 物理学的发展和启示物理学的历史可以上溯到古希腊的自然哲学。事实上，在英文中的物理学“Physics”源于希腊文中的“”。意思是“自然”，从这可以看出，物理学在早期是广泛研究自然界的一切事物并对它们的演化、发展以及伴随它们发生的种种现象进行讨论。20 世纪近代物理学的发展显示：人类在探索自然奥秘的过程中，一个重要的方面是探索物质微观结构和物质运动的基本规律；另一个重要的基本问题是探索物质大范围结构和运动的基本规律；再一个重要的基本问题方面是探索宏观物质结构复杂系统运动的基本规律。这三个方面物理学的探索研究构成了近代物理的发展。物理学研究的最大对象是整个宇宙，宇宙学实际上是物理学的一个分支。在微观领域，物理学的重要分支是粒子物理学。粒子物理学的主要实验手段是加速器，但加速器能量的提高受到财力、物力和社会等因素的限制。粒子物理学家也希望从宇宙早期演化的观测中获得一些信息和证据来检验极高能量下的粒子理论。这样，物理学中研究最大对象和最小对象的两个分支宇宙学和粒子物理学，竟然奇妙地衔接起来，成为密不可分的姐妹学科，就像一条大蛇咬住了自己的尾巴。1.3 物理学的分支学科20世纪初30年代： 原子和分子物理学 30年代后： 原子核物理学 50年代： 粒子物理学 50年代后： 半导体物理学1.4 自然科学和现代高、新技术的基础物理学是自然科学的基础。体现在：1其他自然科学，如化学、天文学、生物学等，都包含着物理过程和物理现象；2这些科学都把物理学创造的科学语言和基本概念作为自身语言、概念的最基本构件；3任何自然科学的理论都不能和物理学的定律相抵触。物理学与信息科学技术所谓信息，就是对客观事物的状态、特征及其变化的反映，也可以理解为一切有意义的信号，信息能够减少不确定性。现代信息科学建立的标志是1948年数学家山农发表的著名的通讯的数学理论。山农信息理论的基本思路是通过消除不确定性的大小来度量信息量的大小。处于理论核心地位的信息量公式正是在统计物理学中玻耳兹曼熵的启发下建立的，是对玻耳兹曼熵的推广，也成为息熵。物理学与社会科学 1999年3月在美国亚特兰大召开的第23届国际物理与应用物理联合会（IUPAP）通过的决议五的标题就是“物理学对社会的重要性”：“物理学研究物质、能量和它们的相互作用的学科是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键作用。对物理教育的支持和研究，在所有国家多是重要的”物理学与生命科学物理学对生物学的影响可以追溯到1718世纪用显微镜观察生物和对解剖青蛙时产生生物电现象的研究。20世纪50年代以来，随着物理学向生物学的渗透，一门新兴的交叉学科生物物理学诞生了第二章 两种文化的历史演变_人文文化与科学文化2.1 源远流长的中华文明一、五千年光辉历史的回眸夏商周断代工程地球上有史可考的古代文明发源地大体分布在两个区域，一是地中海附近的希腊、埃及和两河流域，一是在东方的中国和印度。夏商周断代工程向全世界展示了历史悠久而熠熠生辉的中华文明，也是在中国科学家集体大协作下奏出的科学精神、科学态度和科学方法的一曲凯歌。二、中国四大发明对世界文明做出伟大贡献造纸：蔡伦总结了当时尚处于雏形的造纸技术，用树皮、麻头、破布、旧渔网等原料造纸。印刷： 唐代时传到日本，公元12世纪传到埃及，14世纪传入欧洲，为欧洲科学的兴起及文艺复兴运动提供了重要的物质条件 。火药：顾名思义就是“着火的药”，它的起源与炼丹术有着密切的关系，是古代炼丹士在炼丹时无意中配制出来的，也有人推测，起源于一起炼丹中的意外事故。宋朝时已有火药配制的方法的记载，不久流入欧洲。诺贝尔是造炸药起家的，据说，他参考了中国古代火药的配方。 指南针：战国时期出现司南、勺形磁石，后发展为指南针、罗盘，并于12世纪末传入欧洲。罗盘是航海的重要工具。永乐三年（1405年）郑和七次下西洋，1492年哥伦布发现美洲大陆。 2.2 探讨中国科学在历史上逐渐落后的原因“李约瑟难题”制度问题：科举制度，闭关锁国 从文化视角看：我过传统文化讲究“实用”，缺乏科学探索，建立理论思维的动力。从科学方法看：满足表面现象，虽有演绎法的萌芽，但没有严格意义下的实验和归纳法。例如，只有“勾三股四弦五”，却没有a2+b2=c2。2.3 试论中国哲学与西方哲学的异同一、东西方哲学的不同“开局” 中国哲学萌芽于宗教思想，从一开始便有泛神论或无神论的特征。从多神论发展到泛神论，比一神论更接近无神论。在中国，不是神创造人，而是人创作神。我国知识分子历来是以无神论为自然观的基础，从文化视角研究宗教。印度和日本的哲学，与中国有同样特点，都不把神看作凌驾与世界之上的统治者。我国历史上是“政教分离”。西方哲学是以神超越人类为特征的。西方的宗教势力曾一度掌握国家政权。二、从易经到老庄和元气论我国哲学萌芽于殷周时代的宗教思想，一开始带有朴素辩正的特点。1973年，长沙马王堆汉墓出土了我国最早的哲学书周易。 “阴阳对立，物极必反” 三、西方哲学对近代科学所起的促进作用1古希腊哲学家的贡献在古希腊出现了许多哲学家及著名学派，他们的哲学思想在哲学史上都占有重要地位，对欧洲的哲学和科学发展的影响很大。以泰勒斯和赫拉克利特为代表的学派。后者在欧洲哲学史上第一次提出“统一物是由两个对立面组成的”原理。“对立统一”的哲学直接影响黑格尔辩证法的建立，成为马克思主义哲学的重要来源。“原子说”学派，德谟克利特的原子说在哲学史上意为重要。以苏格拉底、柏拉图和亚里士多德三代人为代表的学派，尤以后者著述最丰。他们关于运动、天文学方法论等思想对哲学发展很有影响。 2近代西方哲学史上也出现不少杰出人物：笛卡儿、培根、卢梭、康德、黑格尔等康德认为：必须对客体在两个层次上加以定义：一样东西首先是“自在之物”，或用多数表达为，它自己存在着，我们对它毫无知识。仅当我们感觉到它时，它才转化为现象。更明确地说，现象是“为我之物”，那才是我们已知的东西，它才有了表示，并据此形成了人们的知识。康德的“为我之物”思想十分正确和深刻，与老子的哲学不谋而合。 2.4 文艺复兴和科学革命 两种文化的分裂1科学与哲学的分裂 文艺复兴时期人文主义思想广泛传播，与当时的科学革命一起冲破了经院哲学的束缚。使唯物主义和辩证法思想重新活跃起来。科学复兴导致科学逐渐从哲学中分裂出来，这一时期，力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展。随着一门门科学的分出，自然哲学主要地变为对认识论与方法论的研究，如由于培根和笛卡儿等哲学家的推动，分析归纳法和演绎法得到推广。哲学自身也以新的面貌对科学发展起积极推动作用。科学与哲学的分离是历史的必然。 2要全面、辨证地看待科学与哲学分离，它也有消极的一面：离开了哲学的科学，“只见树木不见森林”。离开了科学的哲学，由于缺乏“营养”，对社会和群众的影响日益衰微。3两种文化必须融合“这种分裂和对立，对整个社会来说，是一种很大的损失。”“消除现代文化中两种文化科学文化和人文文化之间的隔阂，而为加强这两方面的交流和联系，没有比大学更合适的场所了。” 4两种文化分裂导致严重后果 造成人与自然、人与社会、人与人之间的关系被严重扭曲和破坏，造成新的矛盾和冲突，严重影响科学与社会的可持续发展。不利于高素质人才的培养，使人迷失价值取向，出现有知识无文化的现象。科学技术的成果不是造福人类，而是给人类和社会带来严重危害。 2.5 可持续发展呼唤东西方文化的融合1东西方文化不同西方文化首先强在科学文化，西方科学文化不但主导着世界的科学文化，甚至也主导着西方人文文化。东方文化在科学文化上弱于西方，但是在人文文化方面并不弱于西方。在当今日益严重的全球性危机面前，一些西方学者正在把目光逐渐转向东方文化。中国古代哲学所提倡的“和而不同”、“天人合一”已被作为处理人与人和人与自然关系的思想原则。 2把两种文化融合，把人文精神贯穿于科学技术工作中去，对改革教育，培养全面和谐发展的新型人才，都是至关重要的，也可以说是一件决定人类今后命运的大事。 2.6 21世纪的科学需要文理相通一、原因1科学发展需要哲学指导，需要正确的科学思维和科学方法的指导。 2现代科学发展要求高素质创新人才，不仅是“专”，还需要“博”。“博”不只是指在“文”和“理”内部，而且要有广阔的视野，还要“文理相通”。 3一些世界著名的科学家都有高尚的人格和很高的文化修养（如在文学艺术或音乐上有相当高的造诣），这也是他们走上成功之路的重要条件。 一切科学揭示的存在和生存的最高境域都是诗意的存在。在诗意存在的境域中，一切存在的高级状态又都具有艺术的特征。科学家作为创作者也具有艺术家的诗意气质，从某种意义上说，他们都是表现宇宙真实存在的艺术家，而艺术家则是表现宇宙真实存在的科学家，因为他们按照美的科学规律探索和创造着世界，科学家和艺术家的存在状态是一种高级行为方式。作为存在者的存在显现，这种高级行为方式本身就构成了宇宙万物神性和诗意的艺术特性。因此，科学家和艺术家作为揭示宇宙和情感奥秘的探索者和创造者，前者的最高境界是以人性之浪漫情怀拥抱宇宙之道，后者的最高境界是以按宇宙之道表达人性的浪漫情怀，他们追寻的终极目标都指向了真、善、美的最高境域。 二、 物理学与人类文明的关系物理学是一门自然科学,它起始于伽利略和牛顿的年代,经过三个多世纪的发展,已经成为有众多分支的学科。在远到宇宙深处，近至迟尺之间，大到广袤苍穹，小到微观粒子的浩瀚而又精细的时空中，物理学研究物质存在的基本形式，以及它们的性质和运动规律，物理学还研究物质的内部结构，在不同层次上认识物质世界的各种组成部分及其相互作用以及它们的运动和转化规律，因此，物理学是关于“万物之理”的学问并不为过。物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的科学。由于自然界并不自动地展现其背后的本质内在联系，所以物理学又极具洞察力和想象力的科学。在物理学研究中形成的基本概念和理论，基本实验方法和精密测试技术，已经越来越广泛应用于其它科学，进而极大地丰富了人类对物质世界的认识，极大地推动了科学技术的创新和革命，极大地促进了物质的生产与人类文明的进步。物理学的发展促进了技术的进步，引发了一次又一次的产业革命，现代物理学是成为高科技的基础。纳米科学技术是用单个原子分子制造物质的科学技术,纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成的.纳米粒子也叫超微粒子,尺寸在1100nm之间的粒子.纳米固体材料:通常指尺寸小于15纳米的超微粒子在高压力下制成型的.或再经一定热处理工序后所生成的致密型的固体材料,纳米材料具有高韧性. 物理学与社会进步：物理学的发展孕育了技术的革新，促进了物质生产的繁荣，改变了人类的生产和生活方式，推动了社会的进步。物理学与思维观念：物理学极大地丰富了人类对物质世界的认识，也改变和扩展着人类的思维方式，物理学的每一个重大进展