實(shí)證和化約論的成功與限制課件

1、實(shí)證和化約論的成功與限制 近代科學(xué)的兩條腿實(shí)證和化約 實(shí)證化約的歷史路徑 希臘傳統(tǒng)中的-“原子” 波義爾 氣壓的實(shí)證 拉瓦錫 定義化學(xué)元素化學(xué)反應(yīng)中的化約觀 原子論 道爾頓ROBERT BOYLE (1627-91) Boyles air pump. Lavoisier,Antoine (1743-1794) 1788 Oil on canvas Metropolitan Musuem of Art, New York Portrait of Antoine-Laurent and Marie-Anne Lavoisier (detail)The Phlogiston Theory Chemi

2、stry was so underdeveloped at the time Lavoisier gained interest in it that it could hardly be called a science. The prevailing view of combustion was the Phlogiston Theory which involved a weightless or nearly weightless substance known as phlogiston. Metals and fire were considered to be rich in p

3、hlogiston and earth was considered oxygen poor. /e1.shtml John Dalton - father of the modern atomic theory Lavoisier definition of the chemical elements was an essential foundation for Daltons atomic theory物理學(xué)的化約論 1895年 拉塞福 原子核 1898年 湯普生 電子的發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子、電子 更小的粒子 輕子和夸克Ernest Rutherford J.J. Thomson May 19

4、32: Chadwick reports the discovery of the neutron 物理學(xué)的化約論 1895年 拉塞福 原子核 1897年 湯普生 電子的發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子、電子 更小的粒子 輕子和夸克 Quantum Theory Timeline At the start of the twentieth century, scientists believed that they understood the most fundamental principles of nature. Atoms were solid building blocks of nature; p

5、eople trusted Newtonian laws of motion; most of the problems of physics seemed to be solved. However, starting with Einsteins theory of relativity which replaced Newtonian mechanics, scientists gradually realized that their knowledge was far from complete. Of particular interest was the growing fiel

6、d of quantum mechanics, which completely altered the fundamental precepts of physics. /other/history/quantumt.htmlParticles discovered 1898 - 1964/other/history/quantumt.html/physdiv/images/new/1999chart.jpgStandard Model of Elementary ParticlesMissMJ Murray Gell-Mann Coined quark James Joyces Novel

7、 Finnegans Wake jurvetson of Forces of Nature. Between them, Caltech physicists Murray Gell-Mann (left) and Richard Feynman dominated the landscape of postwar theoretical physicis and laid much of the groundwork for the current work on unification./periodicals/CaltechNews/articles/v38/asymptotic.htm

8、l波還是粒子?波動(dòng)力學(xué)矩陣力學(xué)哥本哈根詮釋把電子波與發(fā)現(xiàn)機(jī)率聯(lián)繫起來(lái)，並主張波包塌縮的一種對(duì)物質(zhì)波的量子論解釋，已經(jīng)成為量子論的標(biāo)準(zhǔn)詮釋。它是由波爾和海森堡於1927年在哥本哈根合作研究時(shí)共同提出的。此詮釋建立在由德國(guó)數(shù)學(xué)家，物理學(xué)家Max Born所提出的波函數(shù)的機(jī)率表達(dá)上，之後發(fā)展為著名的測(cè)不準(zhǔn)原理。此後，量子理論中的機(jī)率特性便不再是猜想，而是作為一條定律而存在了。 量子論以及這條詮釋在整個(gè)自然科學(xué)以及哲學(xué)的發(fā)展和研究中都起著非常顯著的作用。維基百科：哥本哈根詮釋Max BornNiels BohrNiels Bohr InstituteNiels Bohr, Werner Heisenb

9、erg, Wolfgang Pauli, Otto Stern, Lise Meitner, Rudolf Ladenburg and other physicists, probable 1937 on the occasion of an colloquy with Nobel Price winners at CopenhagenGFHund測(cè)不準(zhǔn)原理與巨人之爭(zhēng) 在量子力學(xué)發(fā)展之初(1925)，有一些關(guān)鍵人物，如玻爾（Niels Bohr, 1885-1962）、愛(ài)因斯坦(Albert Einstein, 1878-1955)、海森堡(Werner Heisenberg, 1901-19

10、76)、薛定鄂(Erwin Schrdinger, 1887-1961)。特別是愛(ài)因斯坦與玻爾，聲望崇高，公認(rèn)是廿世紀(jì)上半葉物理的巨人。 (還有其他人，從略。)這四個(gè)人後來(lái)分為兩派，玻爾與海森堡成為所謂哥本哈根學(xué)派的中心人物，而愛(ài)因斯坦與薛定鄂則是反對(duì)派的代表。1935左右，他們?cè)诹孔恿W(xué)的詮釋上起了很大的爭(zhēng)議。但在用波函數(shù)來(lái)描述粒子(如電子、光子)行為上，他們是一致同意的（海森堡雖然認(rèn)為用矩陣更好，但也不反對(duì)波函數(shù)）。這原因不難理解：在當(dāng)時(shí)已有相當(dāng)?shù)脑^據(jù)，使他們不得不認(rèn)為電子也有波的性質(zhì)，而光波也有粒子性質(zhì)。這就是所謂波粒雙重性。描述波的性質(zhì)，使用到像波函數(shù)這樣的數(shù)學(xué)工具，是順理成章的事。波

11、粒雙重性（Wave-Particle Duality）：在波粒雙重性觀念提出之初，就引起了很多人的質(zhì)疑。甚而有人在報(bào)紙上調(diào)侃：電子星期一、三、五是粒子，二、四、六是波，星期天放假。一直到今天，一般大眾及很多初學(xué)者，甚至成名的學(xué)者，還認(rèn)為這波粒雙重性是神秘難解的。但另一方面，很多學(xué)者（包括以上四人），並不認(rèn)為這難以接受。物理史上，固有觀念被推翻的例子，在所多有（如地心說(shuō)、熱素說(shuō)等）；祗要滿足兩個(gè)條件：（1） 觀測(cè)証據(jù)充分，包括：有預(yù)言實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力；（2） 沒(méi)有內(nèi)在矛盾，可以自圓其說(shuō)。.tw/dcc/History/Struggle%20of%20Titans.htm測(cè)不準(zhǔn)原理（Principl

12、e of Uncertainty）：海森堡在1927年發(fā)表了他著名的測(cè)不準(zhǔn)原理：qph/4p; tEh/4p.這就是說(shuō)：任何粒子之位置(q)與動(dòng)量(p)不可能同時(shí)精準(zhǔn)地測(cè)量出來(lái)。其不準(zhǔn)確之程度(q及p)之乘積有一個(gè)厎限，與蒲朗克常數(shù)h有關(guān)。同樣的限制也加於時(shí)間(t)與能量(E)上。這原理很扼要地指出了量子力學(xué)與古典力學(xué)之不同(在一個(gè)確定的時(shí)間，一粒質(zhì)點(diǎn)有其確定的位置與速度是古典力學(xué)之起點(diǎn))，否定了古典力學(xué)復(fù)辟的可能性；它與波函數(shù)之或然率詮釋(Max Born, 1926)結(jié)合，也成為所謂哥本哈根詮釋的基礎(chǔ)。在海森堡的論文中，用了想像實(shí)驗(yàn)(thought experiment)來(lái)說(shuō)明其測(cè)不準(zhǔn)原理

13、。例如：用顯微鏡來(lái)測(cè)電子之位置，必須用到光子，而光子之作用，使電子之動(dòng)量不準(zhǔn)。如要測(cè)得之電子位置準(zhǔn)確，必須用短波長(zhǎng)之光子，而光子波長(zhǎng)越短，電子之動(dòng)量不準(zhǔn)越大。這個(gè)想像實(shí)驗(yàn)被很多量子力學(xué)的教科書(shū)引用，細(xì)節(jié)就不提了。但為什麼要用想像實(shí)驗(yàn)？因?yàn)樵谙胂駥?shí)驗(yàn)中，操作疏失、機(jī)件故障等技術(shù)問(wèn)題都可以假定不存在，所以便於探討理論上的最佳情況。測(cè)不準(zhǔn)原理中的不準(zhǔn)，不是因?yàn)榧夹g(shù)不佳而造成的誤差，而是技術(shù)再好也避免不了的不凖。(下文中出現(xiàn)的測(cè)量，也不考慮技術(shù)問(wèn)題。)愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)公式(1905)是量子力學(xué)創(chuàng)始時(shí)之里程碑之一。對(duì)量子力學(xué)以後的發(fā)展，他也積極參與，並很有貢獻(xiàn)。但到1925左右，他在量子力學(xué)的看法上，

14、與哥本哈根一派起了歧見(jiàn)。他與玻爾有過(guò)很多次公開(kāi)與私下的辯論。最有名的一次公開(kāi)辯論發(fā)生在1930年十月的一次Solvay Conference。愛(ài)因斯坦也設(shè)計(jì)了一個(gè)想像實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)盒子中，放進(jìn)光子（或粒子）。盒子上有一小孔，由一時(shí)鐘控制。若有光子自孔中逸出，逸出之時(shí)間可以從時(shí)鐘得到，其精確度可以做到任意地小。在逸出前後可以仔細(xì)地測(cè)量盒子之重量，以精準(zhǔn)決定逸出光子之能量（用質(zhì)能互換）。這樣，時(shí)間與能量都可以測(cè)得很準(zhǔn)，推翻了時(shí)間與能量的測(cè)不準(zhǔn)原理。玻爾也參加了這次會(huì)議。聽(tīng)了愛(ài)因斯坦的想像實(shí)驗(yàn)後，一時(shí)不知如何反駁，悶悶不樂(lè)。當(dāng)晚一夜苦思，想出了破解之法：如果要測(cè)盒子重量，須要用秤。故光子之逸出前後，盒

15、子之高低位置便有一個(gè)不準(zhǔn)度。再根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，這又就會(huì)造成時(shí)鐘讀數(shù)的不準(zhǔn)確。計(jì)算結(jié)果正好可以滿足測(cè)不準(zhǔn)原理的要求。愛(ài)因斯坦被他自己一手建造的廣義相對(duì)論打敗。這一次兩位物理學(xué)巨人交手，玻爾大獲全勝。經(jīng)此一役之後，玻爾更確立了他在量子詮釋的教父地位。而愛(ài)因斯坦雖然仍覺(jué)得哥本哈根詮釋有問(wèn)題，但以後的發(fā)言更謹(jǐn)慎了。.tw/dcc/History/Struggle%20of%20Titans.htm量子力學(xué)的成功和限度 海森堡 測(cè)不準(zhǔn)原理 哥本哈根的詮釋 薛丁格的貓 愛(ài)因斯坦的反對(duì) 上帝不玩骰子 The more precisely the POSITION is determined,the

16、 less precisely the MOMENTUM is known 量子力學(xué)的成功和限度 海森堡 測(cè)不準(zhǔn)原理 哥本哈根的詮釋 薛丁格的貓 愛(ài)因斯坦的反對(duì) 上帝不玩骰子 Erwin SchrdingerSchrdingers CatDhatfield愛(ài)因斯坦-波多斯基-羅森悖論 EPR paradox Einstein-Podolsky-Rosen1935年發(fā)表於物理評(píng)論雜誌的論文所揭示的悖論。 他們?cè)仁且运伎紝?shí)驗(yàn)形式出現(xiàn)，目的在於展示量子力學(xué)的不完備性，然而爾後真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻駁倒所謂的局域理論(Principle of locality) ，使得愛(ài)、波、羅三人的原先目的失效。困擾愛(ài)

17、、波、羅三位論文作者的鬼般的超距作用(spooky action at a distance)在為數(shù)眾多的可再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中一再地出現(xiàn)。愛(ài)因斯坦到過(guò)世前都沒(méi)有接受量子力學(xué)是一個(gè)真實(shí)而完備的理論，一直嚐試著想要找到一種詮釋可以與相對(duì)論相容，且不會(huì)暗指擲骰子的上帝，這可以從他對(duì)量子力學(xué)內(nèi)稟的隨機(jī)性以及與直觀相違有所不滿上頭觀察得到。維基百科God plays no dice. 量子力學(xué)是令人讚嘆的，但是有一個(gè)內(nèi)在的聲音告訴我，這還不是真正的貨色。 這個(gè)理論有很大的貢獻(xiàn)，但是他並不使我們更多一點(diǎn)的接近上帝的奧祕(mì)。 無(wú)論如何，我不相信上帝是擲骰子的。. 我正在辛苦的工作，要從廣義相對(duì)論的微分方程，推導(dǎo)出看作

18、奇點(diǎn)的物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)方程。 1926年12月4日愛(ài)因斯坦致波爾信函原文參考：A reprint of this book was published by Edition Erbrich in 1982, ISBN 388682005XFreeman Dyson, frog prince of physics Freeman Dyson loves the metaphor that divides scientists into two groups: Birds, who look down upon everything and have a Gods-eye view of the w

19、orld, and frogs, who spend their time in the mud. The renowned Princeton physicist calls himself a frog. Im not against the first group, but they take an exalted view of science.Frogs typically enjoy exploring things locally and developing skills. October 6, 2006 By Esther Soloveichik Sponk生物學(xué)的效尤分子生

20、物學(xué)到基因科學(xué)實(shí)証的迷思和認(rèn)知的困境 跳不動(dòng)的青蛙 走不出迷宮的老鼠Rudolf Ludwig MssbaueGerman physicist and winner, with Robert Hofstadter of the United States, of the Nobel Prize for Physics in 1961 for his discovery of the Mssbauer effect.Two criteria for the Empirical ScienceRepeatReproduce跳不動(dòng)的青蛙Flicker:striaticTwo criteria for

21、 the Empirical ScienceRepeatReproduce 7 13 17 23 37 6 8 12 20 25 36 走不出迷宮的老鼠Wiki user : MadprimeWiki User:ZeroOne實(shí)證科學(xué)的再定義Redefination of the Empirical Science自圓其說(shuō) ( Self Consistency)運(yùn)作有效 (Operation Effective)測(cè)不準(zhǔn)原理與巨人之爭(zhēng) 在量子力學(xué)發(fā)展之初(1925)，有一些關(guān)鍵人物，如波耳（Niels Bohr, 1885-1962）、愛(ài)因斯坦(Albert Einstein, 1878-195

22、5)、海森堡(Werner Heisenberg, 1901-1976)、薛丁格(Erwin Schrdinger, 1887-1961)。特別是愛(ài)因斯坦與波耳，聲望崇高，公認(rèn)是廿世紀(jì)上半葉物理的巨人。 (還有其他人，從略。)這四個(gè)人後來(lái)分為兩派，玻爾與海森堡成為所謂哥本哈根學(xué)派的中心人物，而愛(ài)因斯坦與薛丁格則是反對(duì)派的代表。1935左右，他們?cè)诹孔恿W(xué)的詮釋上起了很大的爭(zhēng)議。但在用波函數(shù)來(lái)描述粒子(如電子、光子)行為上，他們是一致同意的（海森堡雖然認(rèn)為用矩陣更好，但也不反對(duì)波函數(shù)）。這原因不難理解：在當(dāng)時(shí)已有相當(dāng)?shù)脑^據(jù)，使他們不得不認(rèn)為電子也有波的性質(zhì)，而光波也有粒子性質(zhì)。這就是所謂波粒雙重

23、性。描述波的性質(zhì)，使用到像波函數(shù)這樣的數(shù)學(xué)工具，是順理成章的事。波粒雙重性（Wave-Particle Duality）：在波粒雙重性觀念提出之初，就引起了很多人的質(zhì)疑。甚而有人在報(bào)紙上調(diào)侃：電子星期一、三、五是粒子，二、四、六是波，星期天放假。一直到今天，一般大眾及很多初學(xué)者，甚至成名的學(xué)者，還認(rèn)為這波粒雙重性是神秘難解的。但另一方面，很多學(xué)者（包括以上四人），並不認(rèn)為這難以接受。物理史上，固有觀念被推翻的例子，在所多有（如地心說(shuō)、熱素說(shuō)等）；祗要滿足兩個(gè)條件：（1） 觀測(cè)証據(jù)充分，包括：有預(yù)言實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力；（2） 沒(méi)有內(nèi)在矛盾，可以自圓其說(shuō)。.tw/dcc/History/Struggl

24、e%20of%20Titans.htm自然科學(xué)本身絕無(wú)資格稱為嚴(yán)格之學(xué)。不管是那一門(mén)自然科學(xué)物理、天文、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)等等都建立在兩個(gè)未經(jīng)嚴(yán)格批判就加以接受的預(yù)設(shè)或假定之上：1、自然科學(xué)家毫不批判的接納他們所研究的對(duì) 象的外在世界和內(nèi)在世界的實(shí)有性和存在性的看法，無(wú)疑假定研究對(duì)象的真實(shí)性。2、自然科學(xué)家毫不究問(wèn)的假定人類有認(rèn)知外在 世界的能力。 奧地利的現(xiàn)象學(xué)大師 胡塞爾 (Edmund Gustav Albrecht Husserl)我的觀察經(jīng)驗(yàn)科學(xué)家的信念和科學(xué)界的信仰Niels Bohr 如果一個(gè)人說(shuō)他可以思考量子物理而不感到疑惑迷糊，那只表示出他完全不懂得量子物理是怎麼一回事

25、。量子力學(xué)大師 波爾（Neils Bohr) I think it is safe to say that no one understands quantum mechanics. Do not keep saying to yourself, if you can possibly avoid it, But how can it be like that? because you will get down the drain into a blind alley from which nobody has yet escaped.“ Richard FeynmanThose who a

26、re not shocked when they first come across quantum mechanics cannot possibly have understood it. Niels BohrEugene Paul Wigner 1902-1995The Nobel Prize in Physics 1963Thus,relativisticQuantum Theory is at least four lavers Deep. “The Limits of Science” By Eugene P. Wigner 原文參考： The Limits of Science EUGENE P. WIGNER人們沒(méi)有認(rèn)識(shí)自