實證和化約論的 成功與限制

1. 第11單元：第十一講：實證和化約論的成功與限制第11單元：第十一講：實證和化約論的成功與限制 實證和化約論的成功與限制 【本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出】

2. 近代科學的兩條腿 實證和化約

3. 實證化約的歷史路徑希臘傳統中的----“原子” 波義爾 氣壓的實證 拉瓦錫 定義化學元素化學反應中的化約觀 原子論 道爾頓

4. ROBERT BOYLE (1627-91) 

5. Boyle's air pump.

6. Lavoisier, Antoine  (1743-1794)

7. 1788 Oil on canvas Metropolitan Musuem of Art, New York Portrait of Antoine-Laurent and Marie-Anne Lavoisier (detail)

8. The Phlogiston Theory Chemistry 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 phlogiston and earth was considered oxygen poor. http://www.philiplarson.com/e1.shtml

9. John Dalton - father of the modern atomic theory

10. Lavoisier definition of the chemical elements was an essential foundation for Dalton’s atomic theory

11. 物理學的化約論1895年 拉塞福 原子核1898年 湯普生 電子的發現質子、中子、電子 更小的粒子 輕子和夸克

12. Ernest Rutherford derivative work: Diego Grez

14. J.J. Thomson

15. May 1932: Chadwick reports the discovery of the neutron

16. 物理學的化約論1895年 拉塞福 原子核1897年 湯普生 電子的發現質子、中子、電子 更小的粒子 輕子和夸克

17. 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; people trusted Newtonian laws of motion; most of the problems of physics seemed to be solved. However, starting with Einstein's theory of relativity which replaced Newtonian mechanics, scientists gradually realized that their knowledge was far from complete. Of particular interest was the growing field of quantum mechanics, which completely altered the fundamental precepts of physics.

18. Particles discovered 1898 - 1964 http://www.particleadventure.org/other/history/quantumt.html

19. http://www-physics.lbl.gov/physdiv/images/new/1999chart.jpg

20. Standard Model of Elementary Particles MissMJ

21. Murray Gell-Mann Coined quark James Joyce’s Novel Finnegans Wake jurvetson of flickr.com

22. http://pr.caltech.edu/periodicals/CaltechNews/articles/v38/asymptotic.htmlhttp://pr.caltech.edu/periodicals/CaltechNews/articles/v38/asymptotic.html 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.

23. 波還是粒子? • 波動力學 • 矩陣力學

24. 哥本哈根詮釋 • 把電子波與發現機率聯繫起來，並主張「波包塌縮」的一種對物質——波的量子論解釋，已經成為量子論的標準詮釋。它是由波爾和海森堡於1927年在哥本哈根合作研究時共同提出的。此詮釋建立在由德國數學家，物理學家Max Born所提出的「波函數的機率表達」上，之後發展為著名的測不準原理。此後，量子理論中的機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自然科學以及哲學的發展和研究中都起著非常顯著的作用。

25. Max Born

26. Niels Bohr

27. Niels Bohr Institute

28. GFHund Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Otto Stern, Lise Meitner, Rudolf Ladenburg and other physicists, probable 1937 on the occasion of an colloquy with Nobel Price winners at Copenhagen

29. 測不準原理與巨人之爭 • 在量子力學發展之初(~1925)，有一些關鍵人物，如玻爾（Niels Bohr, 1885-1962）、愛因斯坦(Albert Einstein, 1878-1955)、海森堡(Werner Heisenberg, 1901-1976)、薛定鄂(Erwin Schrödinger, 1887-1961)。特別是愛因斯坦與玻爾，聲望崇高，公認是廿世紀上半葉物理的「巨人」。(還有其他人，從略。)這四個人後來分為兩派，玻爾與海森堡成為所謂「哥本哈根學派」的中心人物，而愛因斯坦與薛定鄂則是反對派的代表。1935左右，他們在量子力學的詮釋上起了很大的爭議。但在用波函數來描述粒子(如電子、光子)行為上，他們是一致同意的（海森堡雖然認為用矩陣更好，但也不反對波函數）。這原因不難理解：在當時已有相當的証據，使他們不得不認為電子也有波的性質，而光波也有粒子性質。這就是所謂「波粒雙重性」。描述波的性質，使用到像波函數這樣的數學工具，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疑。甚而有人在報紙上調侃：「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者，甚至成名的學者，還認為這「波粒雙重性」是神秘難解的。但另一方面，很多學者（包括以上四人），並不認為這難以接受。物理史上，「固有觀念」被推翻的例子，在所多有（如地心說、熱素說等）；祗要滿足兩個條件： • （1）    觀測証據充分，包括：有預言實驗結果的能力； • （2）    沒有內在矛盾，可以自圓其說。

30. 測不準原理（Principle of Uncertainty）： • 海森堡在1927年發表了他著名的測不準原理： • ΔqΔp³h/4p;         ΔtΔE³h/4p. • 這就是說：任何粒子之位置(q)與動量(p)不可能同時精準地測量出來。其不準確之程度(Δq及Δp)之乘積有一個厎限，與蒲朗克常數h有關。同樣的限制也加於時間(t)與能量(E)上。這原理很扼要地指出了量子力學與古典力學之不同(「在一個確定的時間，一粒質點有其確定的位置與速度」是古典力學之起點)，否定了古典力學「復辟」的可能性；它與「波函數之或然率詮釋」(Max Born, 1926)結合，也成為所謂「哥本哈根詮釋」的基礎。 • 在海森堡的論文中，用了「想像實驗」(thought experiment)來說明其測不準原理。例如：用顯微鏡來測電子之位置，必須用到光子，而光子之作用，使電子之動量不準。如要測得之電子位置準確，必須用短波長之光子，而光子波長越短，電子之動量不準越大。──這個「想像實驗」被很多量子力學的教科書引用，細節就不提了。但為什麼要用「想像實驗」？因為在「想像實驗」中，操作疏失、機件故障等「技術問題」都可以假定不存在，所以便於探討理論上的最佳情況。測不準原理中的不準，不是因為技術不佳而造成的「誤差」，而是技術再好也避免不了的「不凖」。(下文中出現的「測量」，也不考慮技術問題。) • 愛因斯坦的光電效應公式(1905)是量子力學創始時之里程碑之一。對量子力學以後的發展，他也積極參與，並很有貢獻。但到1925左右，他在量子力學的看法上，與哥本哈根一派起了歧見。他與玻爾有過很多次公開與私下的辯論。 • 最有名的一次公開辯論發生在1930年十月的一次Solvay Conference。愛因斯坦也設計了一個「想像實驗」：在一個盒子中，放進光子（或粒子）。盒子上有一小孔，由一時鐘控制。若有光子自孔中逸出，逸出之時間可以從時鐘得到，其精確度可以做到任意地小。在逸出前後可以仔細地測量盒子之重量，以精準決定逸出光子之能量（用質能互換）。這樣，時間與能量都可以測得很準，推翻了時間與能量的測不準原理。 • 玻爾也參加了這次會議。聽了愛因斯坦的「想像實驗」後，一時不知如何反駁，悶悶不樂。當晚一夜苦思，想出了破解之法：如果要測盒子重量，須要用秤。故光子之逸出前後，盒子之高低位置便有一個不準度。再根據愛因斯坦的廣義相對論，這又就會造成時鐘讀數的不準確。計算結果正好可以滿足測不準原理的要求。──愛因斯坦被他自己一手建造的廣義相對論打敗。 • 這一次兩位物理學「巨人」交手，玻爾大獲全勝。經此一役之後，玻爾更確立了他在量子詮釋的「教父」地位。而愛因斯坦雖然仍覺得哥本哈根詮釋有問題，但以後的發言更謹慎了。

31. 量子力學的成功和限度 海森堡 測不準原理 哥本哈根的詮釋 薛丁格的貓 愛因斯坦的反對 上帝不玩骰子

33. 量子力學的成功和限度 海森堡 測不準原理 哥本哈根的詮釋 薛丁格的貓 愛因斯坦的反對 上帝不玩骰子

34. Erwin Schrödinger

35. Schrödinger's Cat Dhatfield

36. 愛因斯坦-波多斯基-羅森悖論EPR paradox • Einstein-Podolsky-Rosen1935年發表於《物理評論》雜誌的論文所揭示的悖論。 他們原先是以思考實驗形式出現，目的在於展示量子力學的不完備性，然而爾後真實的實驗結果卻駁倒所謂的局域理論(Principle of locality) ，使得愛、波、羅三人的原先目的失效。困擾愛、波、羅三位論文作者的「鬼般的超距作用」(spooky action at a distance)在為數眾多的可再現實驗中一再地出現。 • 愛因斯坦到過世前都沒有接受量子力學是一個「真實」而完備的理論，一直嚐試著想要找到一種詮釋可以與相對論相容，且不會暗指「擲骰子的上帝」，這可以從他對量子力學內稟的隨機性以及與直觀相違有所不滿上頭觀察得到。

37. God plays no dice.

38. 量子力學是令人讚嘆的，但是有一個內在的聲音告訴我，這還不是真正的貨色。量子力學是令人讚嘆的，但是有一個內在的聲音告訴我，這還不是真正的貨色。 這個理論有很大的貢獻，但是他並不使我們更多一點的接近上帝的奧祕。 無論如何，我不相信上帝是擲骰子的。......... 我正在辛苦的工作，要從廣義相對論的微分方程，推導出看作奇點的物質粒子的運動方程。 1926年12月4日愛因斯坦致波爾信函

39. Freeman Dyson, frog prince of physics

40. Freeman Dyson loves the metaphor that divides scientists into two groups: Birds, who look down upon everything and have a God's-eye view of the world, and frogs, who spend their time in the mud. The renowned Princeton physicist calls himself a frog. "I'm not against the first group, but they take an exalted view of science. Frogs typically enjoy exploring things locally and developing skills."

42. Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponktranslation: Sponk

43. 生物學的效尤 分子生物學到基因科學

44. 實証的迷思和認知的困境 跳不動的青蛙 走不出迷宮的老鼠

45. Rudolf Ludwig Mössbaue German physicist and winner, with Robert Hofstadter of the United States, of the Nobel Prize for Physics in 1961 for his discovery of the Mössbauer effect.

46. Two criteria for the Empirical Science • Repeat • Reproduce

47. 跳不動的青蛙 Flicker:striatic

48. Two criteria for the Empirical Science • Repeat • Reproduce

49. 走不出迷宮的老鼠 7 13 17 23 37……  6 8 12 20 25 36 ……

50. 實證科學的再定義Redefination of the Empirical Science • 自圓其說 ( Self Consistency) • 運作有效(Operation Effective)