肖建华的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/肖建华

博文

论自然科学基础问题(1)

已有 3812 次阅读 2008-4-9 10:37 |个人分类:生活点滴

       按照已知的研究工作,早期的科学是由技术发展和观测(天文)而产生的。近代的自然科学是在1500年后开始出现的。

人类最早的自然科学体系是亚里斯多德几何学。它提出了基于公理进行形式逻辑推理而得到大量的正确结果的方法论。这个体系被称为形而上学体系。

受此影响,牛顿建立了理性力学体系,即牛顿力学。在此基础上,对大量的科学技术问题进行了理论研究,建立了形式多样的相关的科学体系。其总体被泛称为经典力学。

 

1. 文明史与科学革命传统

 

目前的研究工作表明,在1500年后,导致科学革命的人类文明主要是:阿拉伯人的代数学,埃及和古罗马文明的几何学;而其直接起因则是中国高度发达的技术成果;以及古罗马及西方国家的天文观测。

元朝对东欧部分地区的近百年的占领使大量的中国工匠将部分中国高度发达的技术成果带到了西方国家,也使西方能够直接与中国贸易和到中国就业(做官)。使西方国家认识到自己的落后。中国的无神论思想和各种宗教的和睦相处被西方国家认为是中国技术高度发达的基础。这间接地给文艺复兴提供了依据。在这一人类文明的发展变化中,西方国家学习上述的文明并将它们结合起来,这就开创了科学革命和技术革命的新局面。

这一个过程:学习未知的知识—--研究这些知识间的关系—--用观测来检验这些知识--—研究被检验为真的知识间的内在关系—--利用对知识间内在关系的发现来推测未知的未被检验为真的知识--—研究这些推测的知识并检验是否为真—--利用扩充的被检验为真的知识建立新理论或更新理论—--探索新理论体系的内涵和外延—--推广—--观测—--。。。。从而形成一个闭合的思维和行动路线。这就是一般说来的科学革命传统。因为它成功的导致西欧各国的工业革命并延续到后来的信息工业革命,故被公认为是正确的,并且是不可违反的。

我们在初中的三角几何和代数相当于1500年前的科学知识;高中的解析几何,代数方程,牛顿力学(初步)也只相当于1800年前的水平(1800年前的初级科学家)。目前的本科教学内涵在总体上是1900年前后的水平。只是在研究生教育阶段才开始真正部分地接触1900年后的现代科学理论。

而当前的知识大暴炸导致即使经过研究生教育阶段也大多数不能进入科学前沿。我国在科学上,总体上落后前沿30—100年(综合各学科、各学派的估计)。为什么?

封建社会的闭关锁国导致:1900年前,亚里斯多德几何学和阿拉伯人的代数学并没有在中国扎根。因而,1900年前,中国没有形成科学的客观条件。即人们说的:没有形成科学传统。

1900年后,对科学和西方国家的崇拜导致急燥的拿来主义,并延续至今。在加上战火,在1949年建国前,基本上没有形成学科体系。50年代的学前苏联和早期中国学成回国人员的努力奋斗,在1960年前后建立了初具规模的学习科学和进行科学研究的机构。但在文革中又受到大的破坏。至1977年,才开宗明义地提出学科学用科学的理念,此后的经济发展对高校和科学研究中心有大的冲击,读书无用论数度抬头,伴随着拜金主义的扩散,中国的科学进步不大,在某些方面进一步落后。中国的科学发展有很长的、困难重重的路要走。这就是我们面临的现实问题。

古人讲:纲举目张。了解科学基本纲领是有效地学习科学、开拓创新的必要基础。

陈胜讲:帝王将相宁有种乎?高层科技人才不是天生的,是可以通过学习和努力奋斗达到的。

易经讲:壮哉,乾元,君子当自强不息。

牛顿讲:站在巨人的肩膀上。

 

       2.经典力学的产生

 

第一阶段:初创

       数学上:将亚里斯多德几何学和阿拉伯人的代数学内在地联系起来,就建立入了解析几何。这是迪卡尔的功劳。直角坐标系和曲线曲面的代数方程标志着在理性认识上的飞跃。为牛顿力学建立了数学的部分基础。

       物理上:伽里略对亚里斯多德关于运动概念的开拓创新,如抛体定律:同时抛出的不同重量的物体有相同的落地速度。时间-空间观点。质量概念与运动概念。动量( 的概念。

       天文学上:开普勒三定律。

       牛顿用分段求和、和分段求变化率(比率)的方法建立了微积分的初期形式并将之应用于解释质量概念与运动概念的内在联系,提出了牛顿三定律,并将它用于解释开普勒三定律而得到牛顿万有引力定律。他模仿亚里斯多德的形而上学体系建力了一个理性力学体系,即牛顿力学。这标志着近代的自然科学的第一个完整的理论体系。

       牛顿力学的纲要如下:

公理:

(1.       物体有质量 (亚里斯多德的重量概念)这是它的本性。

(2.       运动可以用距离与时间的比例(速度,亚里斯多德、伽里略概念)来量度。

(3.       物体运动的变化是由外力作用到物体而引起的(伽里略概念)。

定律1:如物体无外力作用,它将保持原来的状态。(伽里略定律)

定律2:物体的外力与运动的变化率成正比,比率常数为质量。

定律3:一个物体对另一个物体的作用力与另一个物体对该物体的作用力大小相等方向相反。

万有引力定律。

将万有引力定律代入牛顿定律2,就可以解释开普勒三定律。

但早期的牛顿力学是用亚里斯多德几何学,用早期的比率和级数求和的微积分方法论述的,因而受到很大的排挤。

只是在采用来布尼兹的现代微积分方法后,牛顿定律才被广泛性的接受和使用。

 

第二阶段:数学上的完备

来布尼兹的代数微积分方法和牛顿的比率和级数求和的微积分方法导致现代微积分方法的产生。它基于以下概念:

1.开区间内实数的无限可数集合。无限:保证有这样的实数存在;可数:保证这样的实数有序(有方向性);将无限与可数合并:引入邻域的概念。邻域仍旧是实数的无限可数集合。这样就建立无限可分和无限小的概念。

2.由无限可数与邻域的概念用一个无限小的尺度来度量就建立了极限的概念,比率极限的概念导向微分运算,级数求和极限的概念导向积分学。

用微积分方法进一步整理的牛顿理性力学体系就是我们现在看到的牛顿力学。至此,牛顿力学的数学形式才完备化。这样,它也就获得了强大的生存能力。至此,牛顿定律才被广泛性的接受和使用。

 

第三阶段:经典力学的建立

       将解析几何与微积分方法结合去研究曲线、曲面就产生了高斯的内禀几何学和微分几何学。

       在解析几何基础上,结合代数学中线性空间的概念,建立了直角坐标系下的矢量概念及相应的代数运算法则。在结合微积分后就产生了:方向导数,曲线积分,曲面积分等数学分析方法。

       基于牛顿力学体系,用数学分析方法去重新整理弹性力学、热力学、电磁学等等,就形成了经典力学。

       对经过用数学分析方法去重新整理弹性力学、热力学、电磁学的有关微分方程和积分方程的求解,提供了大量的新知识,并直接产生了工业革命。这一过程至今没有结束,在这一路线下的大量研究成果还是被纳入经典力学的范畴。所以,经典力学还在大步的发展变化。其生命力还很强大。目前的大多数工科专业仍然是经典力学的范畴。

 

认为广义相对论和量子力学推翻了牛顿力学的论述不符合客观事实。而用牛顿力学的论述去推翻广义相对论和量子力学的努力也是不符合客观事实的无用功。这二种极端的中间还有大量的伪装成科学的理论存在,有的是由于认识论上的种种原因引起的,有的是由于实验上的误差或计算误差等种种原因引起的,也有少量是个人名利思想驱动下的主观胡说。但在科学发展的过程中,这是必然性现象。而学科学的目的本身就包涵了抵御伪科学的入侵。当前的社会上有:从科普法中废除“伪科学”一词的论调、否定广义相对论的论调、建立“属于中国人的”自然科学体系的论调、在“四书五经”基础上建立“中国人的”整体科学的论调、以及形形色色的新理论。其基本问题就是背离历史和事实真相,对科学本身无实质性了解。因而,因地制宜、因陋就简、因势利导、因为其它种种原因而建立伪科学理论的现象一直是科学发展中的环境污染。简而言之:并不存在“象牙塔”般纯洁的科学界。从科学只是人类文明进程中的产物、是与人类文明进程不可分的这一点看问题是理解伪科学现象的关键。“假作真时真曰假,真作假时假曰真”。

      

3.经典力学的分析化

 

老子说:道可道,非常道。

 

第一阶段:初创

       早期的研究工作发现:动量守恒定律;角动量守恒定律;能量守恒定律;质量守恒定律。欧拉对牛顿力学的分析化做出了很大的贡献。这部分以质点运动为主的理论一般称为质点力学和刚体力学。是大一物理的内容。在此不加论述。

这种牛顿力学的分析化大大地扩充了牛顿力学的内涵和外延。它导致:用守恒定律为基本纲领来处理问题。这一思想也是现代科学的基本纲领。

 

第二阶段:连续介质力学

在高中学牛顿力学的时侯,很多人想:点力?总的有个接触面吧!这是对的。为克服这一矛盾,首先要将牛顿力学推广到连续介质。把作用点的接触力推广为面力。这就是建立连续介质力学。连续介质力学的要点如下:

1.一个有限大小的物体由微元物质(点)组成,这些点构成无限可数3维集合。这样数学上的连续概念就物理化为连续介质的概念。这样,微积分工具就可以使用了。理想的连续介质是固体和流体。

2.应力概念:在直角坐标系中,作用在一个单位面积面上的力可以做矢量分解. 同样的,一个以法向为正方向的有向单位面积也可以做矢量分解。由于将二个矢量联系在一起的量为张量,故也称为应力张量。

       对一维的情况,它与压力(压强)的定义是一致的。为了数学上的准确性,一般用局部切平面的概念来定义有向单位面积。该单位与连续性的单位定义应当一致。故部分书中用极限形式或微分形式。

       3.应变概念:有力就有变化。有应力就有应变。在静态的问题中,应力是对称的,故要求应变也对称,此时将应变定义为对称应变(Green应变)。而将反对称部分定义为Stokes转动应变。采用Green应变的应变定义将导致对位移场的限制,这种对位移场的限制称为“位移协调方程”。这样一来,应变概念一直有各不相同的意见。但大多数理论采用Green应变。

4.质量守恒

       5.动量守恒

       6.能量守恒

       7.熵守恒:

       以上守恒方程并不构成对连续介质的完整描述。

       这样,就要基于实验引入各种附加条件方程,如物性方程。

从而产生各种各样的连续介质力学分枝。它们被统称为:唯象理论,或准科学。

       这是一个庞大的、相互促进、相互竞争、相互指责、相辅相成的科学技术研究领域。

       简单化的将牛顿力学推广到连续性介质产生很大的困惑、困难。从而在1900年前后开始寻求新的出路。

       此时的社会大背景为:工业革命的成果很大,牛顿力学万能的思想感情主导社会风气。但是对科学界而言,神化牛顿的后果是造成满天乌云。科学的发展趋势要求科学革命。

       另一方面,对科学革命的方向性又有不同的认识,因而全面的探索开始了。

       此时,我国爆发了五四运动。此前,科学开始小步进入社会。此后,科学开始大步进入社会。当时,科学被文化界称为“赛先生”。我们应该继续、发扬这一光辉历程。

 

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-39419-21019.html

上一篇:如何理解:科学、不科学、和伪科学
下一篇:论自然科学基础问题(2)

0

发表评论 评论 (6 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-4-7 12:51

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部