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大师的必要 精选

已有 3446 次阅读 2022-4-3 10:51 |系统分类:科研笔记

 

世界是复杂的,规律是简单的。科学家就是研究简单规律的。我们有责任研究所有的规律。物理学家塞萨尔伊达尔戈所著《增长的本质:秩序的进化,从原子到经济》一书被誉为21世纪经济增长理论的重要里程碑”,开创了用物理学、社会学研究经济学的先河,颠覆了经济发展和财富起源的传统假设。著名经济学家、纽约大学教授、新增长理论最重要的创建者保罗罗黙对这本书的评价是:最重要的东西往往最简易,这本书给我们带来的启示是:如何像物理学家一样思考

1. 大师成果简介

1) 哥白尼与日心说

哥白尼是一个职业教士,业余天文学家。他能得到的数据和托勒密基本一样,没有新的天文观测资料、新的证据。他对托勒密复杂的“本轮与均轮”理论不满意,他相信,上帝不会设计出这么复杂笨拙的东西。他从“如果我们坐在一个旋转的椅子里,房间似乎围着我们旋转”的现象中认识到:太阳每天从东方升起西方落下,并不意味着太阳一定是绕地球旋转。他丢弃了其他人热衷的、复杂的“本轮与均轮”理论,通过理性的自由思维和严谨的逻辑推理,设计了一个新的几何模型,提出地球和其它行星都围绕太阳运动,恒星固定在远离太阳的天球上静止不动。以一种比托勒密的理论更简单、更优美的方法,解释了人们看到的天空中的运动。“日心说”预测行星位置既简单又准确。

2) 开普勒为天空立法

第谷是一位杰出的观测家,坚持观测达20年之久,其观测精度比前人高一个量级,达到了用肉眼所能达到的最佳观测效果。第谷不善于理性的自由思维和严谨的逻辑推理,只能把自己辛勤工作积累下来的观测资料和手稿,全部交给开普勒使用。开普勒摆脱前辈天文学家的思维方式,他坚信,现象是事物的表面特征及其外部联系,本质是事物的根本性质和事物基本要素的内在联系。开普勒应用理性的自由思维、严谨的逻辑推理和科学的抽象方法,对第谷的观测数据进行分析和综合,建立关于行星运动的三定律,为天空立法。

3) 卡诺定理

为了提高热机的效率,卡诺决心研究蒸汽机。他不像其他人那样着眼于机械细节,而是从理论上对热机的工作原理进行研究。他通过理性的自由思维,对蒸汽机进行合理的抽象与简化,撇开了无关重要的次要过程,设计了一部整个循环由两个可逆等温过程及两个可逆绝热过程组成的理想热机,称为(可逆)卡诺热机。(可逆)卡诺热机效率:,效率仅与高温热源T1和低温热源T2有关,与工作物质无关。

卡诺热机是经过高度抽象与简化的理想模型。它能最普遍地、比较真实地反映出客观事物的基本特征。理想化的模型在真实中是不存在,但是,它不仅为所有热机指出提高效率的正确方向,而且也为热力学第二定律奠定了基础。

4) 普朗克黑体辐射

1894年,普朗克开始研究黑体辐射问题,他试图用连续的经典物理手段攻克这一难题。经过数年的努力,在1900年的107日普朗克意识到,数年的努力徒劳无功,不可能从经典物理学推导出黑体辐射公式

普朗克终于不得不改变思维方式,决定利用数学的内插法先凑出一个高频端要与维恩定律相符合,低频端要与瑞利公式相符合,可以全频段与实验值相符合的公式来。普朗克用了几天就凑出了一个符合要求的公式。1019日,普朗克在柏林德国物理学会的会议上把这个公式公诸于众。当天晚上,鲁本斯就仔细比较了这个公式与实验的结果,这个公式给出的数据都十分精确地与实验值相符合。

为了解释公式的意义,普朗克大胆假设,能量在发射和吸收的时候,必须是不连续的,而是分成一份一份的。普朗克把能量的基本单位称为能量子”,随后改称为“量子”,E=hv“量子”实在是太惊人,太革命。19001214日,“量子”的幽灵从普朗克的公式中脱胎出来,一个神话时代即将拉开帷幕。

5) 爱因斯坦光子理论

19世纪,光的波动说占了绝对优势。从理论与实践上证明光就是一定频率范围内的电磁波。1887年,赫兹发现光电效应。但是,用经典电磁理论却无法解释光电效应的实验中的结果。爱因斯坦相信真理是离开人类而存在的”。“物理上真的东西”和“逻辑上简单的东西”“在基础上具有统一性”。他清醒地认识到,当物理学的基础本身成问题的时候,“物理学家的批判性的思考就不可能只限于检查他自己特殊领域里的概念。如果他不去批判地考察一个更加困难得多的问题,他就不能前进一步。

为了正确地解释光电效应,爱因斯坦没有被“光的本质是电磁波”的概念束缚,受普朗克“能量子”的启发,他勇敢地提出了“光量子”假说。“光量子”假说中隐含了波动性与粒子性是光的两种表现形式的思想,“光量子”实现了波动性与粒子性的统一,使不协调变成统一和谐的美。他的思想远远超出了同代人的接受能力,因此在很长时间中遭受到冷遇。正是由于爱因斯坦等人的不断努力,开辟了人类认识物质世界波粒二象性的新时代,推动了量子力学的诞生。

6) 爱因斯坦狭义相对论

牛顿力学与麦克斯韦电动力学出现了不协调。从麦克斯韦方程组出发,真空中光速是以普适常量的形式出现的。但是从伽利略变换的角度看,速度总是相对于具体的参考系的。通过思考麦克斯韦方程组与牛顿力学之间的显著矛盾,爱因斯坦通过理性的自由思维,重新审视了“时间”、“空间”等概念,提出了狭义相对论的两条基本原理:(1) 狭义相对论的相对性原理; (2) 光速不变原理。在此基础上经过严谨的逻辑推理,用探索性的演绎法创立了狭义相对论。

在狭义相对论中,时间与空间不再是独立的,而是相互联系的,称为“时空”;“同时概念的是相对的;时间膨胀效应;长度收缩效应;质量是速度的函数;质量和能量是统一的。当洛仑兹变换中的速度u  0 时,洛伦兹变换就退化为伽利略变换。牛顿力学只是低速运动中狭义相对论力学的近似。

2. 大师的共性

我们可以看出几位大师具有以下的相同点:

1) 从更高层面用整体的观点来看待事物,更易于抓住事物的本质与核心

无新实验新数据的情况下,他们看待问题没有拘囿原来的具体问题,而是从更高层面用整体的观点来看待事物。这使他们视野更宽阔,更易于抓住事物的本质与核心。现象是事物的表面特征及其外部联系,本质是事物的根本性质和事物基本要素的内在联系。

2) 思维方式的变更是科学革命的核心

几位大师既没作新实验又没有新数据,完全靠的是思维方式的变更,理性的自由思维和丰富的想象力取得了伟大的成就。思维方式的变更类似参考系的变换,即变换一个角度看问题。普朗克6年的努力徒劳无功,思维方式变更后仅用了几天时间就有了突破。从赫兹发现光电效应,到爱因斯坦提出了“光量子”假说,中间有十多年的时间,人们无法用经典电磁理论解释光电效应的实验的结果,但是多数人不知道变更思维方式思维方式的变更是科学革命的核心。

3) 理性的自由思维  严谨的逻辑推理

为了正确的解释光电效应,爱因斯坦没有受“光的本质是电磁波”的概念束缚,经过理性的自由思维勇敢地提出了“光量子”假说,完美地解释光电效应的实验事实。爱因斯坦通过理性的自由思维重新审视了“时间”、“空间”等概念,提出了狭义相对论的两条基本原理,并在此基础上经过严谨的逻辑推理,用探索性的演绎法创立了狭义相对论。

3. 总结

爱因斯坦第谷与开普勒的成就中看到:知识不能单从经验中得出,而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出现代科学很少是由实验、经验、归纳产生的,更多的是依靠理性的自由思维、严谨的逻辑推理、探索性的演绎法提出新理论,由实验验证而产生。爱因斯坦在100年前就指出:适用于科学幼年时代的以归纳法为主的方法,正在让位给探索性的演绎法。 

任何一个时代的科学家都必须面对真假参半的科学,他们都是在未知世界中探索。从更高层面用整体观点来看待事物,变更思维方式,理性的自由思维,严谨的逻辑推理和探索性的演绎法等是成功科学家的必要基本功。

 

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