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文化物理. 南京航空航天大学理学院. 施大宁. shi@nuaa.edu.cn http://gc.nuaa.edu.cn/phyandart/. 第一章 造化无限 妙理堪寻. 人类生存于地球. 太平洋中一片浮叶上的蚂蚁. 但是 ，人类需要理解自然，得到自然的法则，以我们发明的方式表达出来，并应用于自然，这正是物理学的范式。. 《 雾海上的漫游者 》 （弗里德里希， 1818 ）. 费因曼 （ Feynman 1918 － 1988 ） 思想最空灵潇洒的物理学家. 我想知道这是为什么。我想知道这是为什么。 我想知道为什么我想知道这是为什么。
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文化物理 南京航空航天大学理学院 施大宁 shi@nuaa.edu.cn http://gc.nuaa.edu.cn/phyandart/
第一章 造化无限 妙理堪寻 人类生存于地球 太平洋中一片浮叶上的蚂蚁 但是，人类需要理解自然，得到自然的法则，以我们发明的方式表达出来，并应用于自然，这正是物理学的范式。 《雾海上的漫游者》（弗里德里希，1818）
费因曼（Feynman 1918－1988） 思想最空灵潇洒的物理学家 我想知道这是为什么。我想知道这是为什么。 我想知道为什么我想知道这是为什么。 我想知道究竟为什么我非要知道 我为什么想知道这是为什么！ ――费因曼
一个玩物理的人. • 一个杰出的教育家, 最好的大学物理教材. • 一个表演艺术家. • 一个在Topless酒吧做物理的诺贝尔奖获得者 • 一个开锁专家. • 一个空前绝后的卡片机操作员. • 一个特别会算积分的非数学家. • 一个特别会捉弄数学家的狡辩者. • 最后的辉煌 • 永远的传奇, We love you, Dick.
Richard Feynman lecturing at Caltech Seminar Day 1978 Physics. Seminar at Caltech
§1.1 物理学的意义 • 我们在宇宙中的位置 • 物理学的起源 • 物理简史
一、我们在宇宙中的位置 科学的基本问题是： 宇宙是怎样起源的？ 生命是怎样起源的？ 人类的未来会怎样？ “世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。” —— 康德 康德（I. Kant，1724-1804）
一、我们在宇宙中的位置 地-月距离大约为38万公里，光走1秒，目前测量误差不超过8厘米 地球周长大约为4万公里 我们是如何知道的？
一、我们在宇宙中的位置 物理学有史以来最美丽的十大实验： “最美丽”的科学之魂： 最简单的仪器和设备，发现了最根本的科学准则。
一、我们在宇宙中的位置 厄拉多塞（ Eratosthenes ）在公元前三世纪估算地球周长 (276-194 B.C. a librarian in Alexandria) 两城市间距离 = 800 公里 Ø = 7°14’ (1/50 of 360°) 地球周长= 40000 公里（实际：40076公里） 实验测量决定一切，是物理学基本原则。
一、我们在宇宙中的位置 太阳据地球一亿五千万公里，光从太阳到地球要走8分多钟。 太阳、地球、月亮三者在空间上的关系，导致了许多奇妙的自然现象 日蚀 月蚀 惟有科学才能破除迷信
一、我们在宇宙中的位置 日 日 潮汐现象 地 月 大潮 地 小潮 月
一、我们在宇宙中的位置 太阳系 这被评为最好的太阳系照片：构图和这些行星的颜色都恰到好处。红色的火星、绿色天王星和天蓝色海王星。该图还显示了这些行星的相对大小：金星跟地球一样大，但是它处于近地点时，看起来显然比更加遥远的土星更大。更令人不可思议的是，所有这些照片都是在同一天晚上拍摄的。摄影师的创造力，持之以恒的态度和显而易见的激情共同成就了这幅作品。
一、我们在宇宙中的位置 太阳是银河系中至少1千亿（1的后12个0）个恒星中的一员。 银河系由恒星和星系物质组成的巨大的、盘状系统，又是构成宇宙的几千亿个星系中的一个，属旋涡星系类 。 光年：光年是宇宙学中的长度单位，意义是光以每秒30万公里速度狂奔1年，所经过的距离 。
一、我们在宇宙中的位置 织女星 相距16光年 天界夜色凉如水 坐看牵牛织女星 牛郎星
一、我们在宇宙中的位置 银河系之外又如何？宇宙究竟有多大？它在运动还是静止？ 多普勒效应： 声音会在声源相对于观察者运动时发生变化： 高亢代表靠近，低沉就是离远 C. Doppler，1803-1853
一、我们在宇宙中的位置 光也是一种波，也有类似特征，只不过光不是以音调，而是以颜色来表现 当一个天体（光源）远离我们而去时，光谱中的颜色向红色端移动，简称红移；而接近我们时，颜色向蓝色端移动，称之蓝移
一、我们在宇宙中的位置 红移 哈勃（P. Hubble，1889-1953）——现代天文学之父 从遥远星系中传来的电磁波谱，与地球上测量到的同种元素的光谱相比，具有红移现象 为了解释这个想象，他假设所有星系都在远离我们而去（多普勒效应）。
一、我们在宇宙中的位置 最终的问题是：宇宙从何而来？ 宇宙爆炸理论：伽莫夫告诉我们10-4秒以来宇宙发生的故事。 • 大约在140亿年前，没有空间、没有时间、更没有物质存在。 • 宇宙所有的一切——从现在到宇宙创建之时的每个粒子——全部浓缩在一个无限高温的“奇点”中。 • 能量奇点突然爆裂 ，膨胀开始了 • 时间开始了……. 伽莫夫（Gamow 1904-1968）
一、我们在宇宙中的位置 • 能量演化出物质，包括时间和空间、所有的基本粒子和四种基本力。 • 50亿年以后，太阳系诞生了。 • 90亿年后地球诞生 • 140亿后（十万年前）智人的出现 • 2500年前哲学（不论是东方还是西方）肇始 • 400年前科学启蒙 一切都是在大约煎好一个荷包蛋的时间里完成
一、我们在宇宙中的位置 这个宇宙诞生和演化图像，看似荒诞，提出时更是受到冷嘲热讽，但几十年来一直受到实验的严格检验。 BBC电台以此图片讽刺伽莫夫打开了潘多拉黑匣子。
一、我们在宇宙中的位置 实验证据：宇宙背景辐射 彭齐亚斯和威尔逊被授予了1978年的诺贝尔物理学奖，得到了哈勃和伽莫夫都未曾获得的最高荣誉 宇宙背景辐射示意图
一、我们在宇宙中的位置 Cosmic Background Explorer (COBE) 测量结果与现在的最新理论预言（背景温度2.735K）完全符合，使大爆炸理论经历了最严格的实验检验。 1989年1月，美国发射了一颗专门的宇宙背景辐射探测器(COBE)
一、我们在宇宙中的位置 宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏 ，科学家们花了一整年的时间，收集了3亿个观测数据，用计算机绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图像，称之为“宇宙蛋” 。热斑点对应于更密集区域，后来这些区域发展成为星系。
一、我们在宇宙中的位置 宇宙庞大无垠，给人一种威慑的感觉，它一直深深地埋藏在人类的心灵中。太阳西沉，星星爬上天空，由此产生了一种危险与飘忽不定的感觉。现在都知道，星球离我们实在太远，但它们的光亮仍能激励我们。事实上，正是星星邀请你研究自然，访问科学。另外一方面，当评估了地球在宇宙格局中的地位时，这使我们变得较为谦虚。同时，当400年的科学技术发展到能够审视和理解宇宙结构，甚至探究她的起源时，我们又为人类的智慧感到自豪。 《雾海上的漫游者》（弗里德里希，1818）
二、物理学的起源 理性主义的起源 我们必须从古希腊开始……. 第一个自然哲学家 泰勒斯（Thales，624-567 BC）： “万物源于水”——追求万物的共同本源，是哲学思维的开始 赫拉克利特（Heraclitus，536-470BC）———火 “对立统一”；“万物皆流” 首次科学综合———水、火、气、土 德漠克利(Democritus 前460-前371）的原子论 ——古希腊哲学第一个伟大时期的最高峰。 东方：金、木、水、火、土
二、物理学的起源 世界分成两大部分：可见的世界和理念的世界。理念的世界则不依赖于时空,是永恒不变的、真正的实在 ；可见的世界“一切皆变，无物常在” 。 • 强调必须从人类需要和意向中先验论出发，来推导出对自然的看法； • 神是好的，球是最完美的形式，因此宇宙必然是球体； • 实验是渎神的，是下流的机械技术 ； • 艺术乃人类灵魂的大敌，提出理念世界必须拒斥艺术。 柏拉图(427-347BC） 怀疑论和神秘主义结合到一起，成就了一个伟大的唯心主义哲学家。 整部西方哲学史都是在为柏拉图做注脚。
二、物理学的起源 • 哲学活动只关涉惟一的一个世界，也就是人类生活和经验的世界。为了把握世界的真理，必须重视感性经验。 • ——“我爱我师，我更爱真理” • 哲学的目的在于找出事物的本性和原因，因而发展了一套“物理学”，以穷事物之道理。 • 逻辑学、物理学、政治学、经济学、心理学、形而上学、气象学、修辞学和伦理学的奠基人。 • 他让人类开始理解能量、以太、动因、归纳、证明、实质、属性、本质、逻辑、偶因、范畴等等概念 • 三段论法的发现，就足以使他永垂不朽。 亚里士多德(Aristotle, 384 - 322 B.C.) “智者的老师” －－但丁
二、物理学的起源 庄子曰：“析万物之理”。就是物理学的目的和意义 中国的理性自然观：格物致知 ；天人合一 ；阴阳太极 中国文化传统中的宇宙观： 宇宙的概念： “四方上下曰宇，往古来今曰宙” 宇宙进化论：“道生一，一生二，二生三，三生万物” “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦” “万物生于有，有生于无”
二、物理学的起源 哲 你望着星空发出的天问 谜宫中望见的星空 不论东方还是西方，哲学都是思辩 科学方法论 物理学从哲学中独立出来 • 实验研究 • 逻辑思考 • 抽象模型 • 数量分析 • 统一法则
二、物理学的起源 为什么要开设“文科物理”？ 两种文化 人文文化 文学知识分子 矛盾 敌意 科学文化 科学家 斯诺（C.P. Snow，1905-1980），物理学家出身，后来从文，作过政府顾问，一生丰富多彩，犹喜论战。
二、物理学的起源 斯诺说：“人文学者对于不读莎士比亚的科学家嗤之以鼻，但是，不懂“热力学第二定律”的艺术家和文学家自己不是常常伊于胡底？” In effect, that their lack of knowledge of the second law of thermodynamics was equivalent to scientists not ever reading a work of Shakespeare .
二、物理学的起源 人文文化——是关于精神世界的，主要是满足精神世界与社会需要的终极关怀，主要是求善，追求具有普适价值观的人文精神。 科学文化——是关于客观世界的，追求的目标是以科学的方法认知自然界及其本质与规律，科学的求真精神贯穿科学文化始终。 共同基础： 同源于实践，同源于人脑 源于实践，生于大脑；形成经验，凝成知识，差于形态，异于功能；通于思维，补于方法，融于精神，升于境界；浑成整体，不可分割，互动互融，止于至善。
二、物理学的起源 • 我们这门课的主要目的，不是叫你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识……我希望的是，你们能够像真正的物理学家们一样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许，你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。 ——费因曼
二、物理学的起源 千禧之年，加拿大的《环球邮报》、美国新闻周刊和英国BBC等10几家世界级大媒体作了一次调查，请世界各国的读者评选，从公元1001年至今，1000年来对整个世界影响最大的100位名人。 猜猜看是谁荣登榜首？ 拿破仑 华盛顿 莎士比亚 比尔· 盖茨 爱因斯坦 No No No No Yes
三、物理简史 “致知在格物，物格而后知至”。 《礼记·大学》 一片花飞减却春，风飘万点正愁人。且看欲尽花经眼，莫厌伤多酒入唇。江上小堂巢翡翠，苑边高冢卧麒麟。细推物理须行乐，何用浮名绊此身。－－杜甫( 唐，712-770 ) 细看物理愁如海， 遥想朋从眼欲花。 逆水雨儿冲断岸， 贪泥燕子堕危沙。 百年乔木参天上，一昔平芜着处佳。 行乐不妨随邂逅，我无官守似蚳蛙。 －－陈傅良（ 宋, 1137-1203）
三、物理简史 什么是物理学？ 物理学是最基础的关于自然的学问，因此是最具有诗意的科学。 —— 霍金（S. Hawking, 1942- ) 物理学是人类理解自然的最普适语言 为什么要学习物理学？ 哲学——与社会对话 物理——与自然对话 艺术——与自我对话 理解宇宙
三、物理简史 1642—1727 牛顿 爱因斯坦 伽利略 麦克斯韦 1564 —1642 1879—1955 1831 —1879 科学研究方法 经典物理学 现代物理学
三、物理简史 “他是第一个给我们打开通向整个物理领域大门的人。” ——霍布斯（T. Hobbes，1588-1679 ） “伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。” ——爱因斯坦
三、物理简史 牛顿运动三大定律奠定了经典力学的基础 ——宇宙的经典力学图像 “牛顿是人类真正的骄傲。” ——伏尔泰
三、物理简史 综各家之所长，挥经纶之巨手，天才般地写出了麦克斯韦方程组 ——宇宙的电磁图像 “麦克斯韦的名字将永远闪烁在经典物理的大门之上” ——普朗克
三、物理简史 爱因斯坦彻底改变了人类对宇宙的基本看法 爱因斯坦标志着经典物理学的结束，近代物理学的开始。
三、物理简史 1564 —1642 1642—1727 1879—1955 伽利略 牛顿 爱因斯坦 江山代有才人出，各领风骚一百年。
三、物理简史 “科学、宗教与艺术是一个金字塔的三面，当人们站在塔的不同侧面的底部时，他们之间相距很远，但当他们爬到塔的高处时，他们之间的距离就近多了。” 萨顿 ( G. Sarton, 1884-1956，历史学家，科学史的奠基人）
