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1、1第三章第三章 现代科学技术与自然观的新发展现代科学技术与自然观的新发展附附:宇宙与人宇宙与人观摩观摩高亮华清华大学科学技术与社会研究所Tel:62773013-233;82866697自然辩证法自然辩证法讲义讲义2目目 录录1 现代科学技术发展的概况2 现代科学技术发展的自然观意义3 20世纪自然观的基本特征31 1 现代科学技术发展的概况现代科学技术发展的概况4n20世纪的科学技术革命导致了社会的迅速发展。科学技术本身也不断扩展自己的研究疆域。一、机械论自然观的悖谬二、主要线索三、重要分支学科四、总体特点5机械论自然观的悖谬机械论自然观的悖谬n正如恩格斯所说，辩证唯物主义自然观战胜形而上学
2、自然观（机械论自然观）有两条道路：科学家自觉学习唯物辩证法的道路；通过科学家自己的努力和摸索的道路。n历史实际上走的是后一道路。6机械论自然观的悖谬机械论自然观的悖谬1、物质观 2、时空观3、运动观4、因果观5、相互作用观6、人类统治自然的可能性及其限度7主要线索主要线索n20世纪上半叶：n相对论 n宏观、高速n量子理论 n微观世界n追求统一性n弱力、强力、电磁和引力作用的统一8n20世纪中叶以来：n探索复杂性n早期出现了一般的系统科学：系统论、信息论和控制论（40年代）；后来出现了一系列自组织科学理论：耗散结构论、协同学、突变论、超循环论、混沌理论、分形理论。n非线性科学的统一特性:n非线性
3、、自组织性、整体特性的涌现性。从不同角度研究和探索了复杂性世界的种种属性。9重要分支学科重要分支学科1.粒子物理学n基本粒子(几百种),n夸克（禁闭,可能还有结构）,n物质的“可分性”,相互作用的统一性,n“物理学理论的终极”。102.现代宇宙学n爱因斯坦,开创现代宇宙学,静态宇宙(加宇宙项)：”一生中犯的最大错误”。n上半叶的演化宇宙预言,60年代得到观测支持。n宇宙,我们的（观测）宇宙,开宇宙、闭宇宙和平宇宙,150亿光年,黑洞。n有限和无限。113.生物学（生命科学）n50年代发现DNA的双螺旋结构n60年代遗传密码破译,人工合成蛋白质n70年代生命起源新理论,人工合成核酸n80年代生物
4、工程n90年代克隆,人类基因组工程n伦理学问题,法律问题,道德问题等124.计算机科学技术、网络技术n40年代出现计算机n50年代晶体管计算机n60年代集成电路计算机n70年代大规模集成电路计算机,人工智能知识工程,ARPANet,计算机网络n80年代神经网络计算机再兴起,因特网135.系统科学、非线性科学与自组织理论n40年代系统工程,一般系统论,控制论,信息论等n60-70年代,耗散结构论,超循环论,协同论n80年代,混沌理论,分性理论,孤子理论n当代探索复杂性科学前沿n整体和部分,有序与无序，结构和功能,非线性世界与线性简化146.生态和环境n50年代现代生态学n60年代环境问题，八大公
5、害，环境、绿色运动n70年代全球问题,联合国人类环境宣言n80年代地球系统科学,可持续发展概念n90年代联合国21世纪议程,中国21世纪议程n科技、经济、自然和社会的协调发展157.高新技术群n计算机技术,信息技术，网络技术n生物工程和科学技术,n新材料科学技术,n新能源技术,n海洋科学技术,n空间科学技术，n先进制造技术。16总体特点总体特点n20世纪科学技术，发展迅速，发展更全面，注重整体，分析更深入；n追求简单性探索复杂性;n关注本体,认识联系道德,伦理,法律;n研究无机界研究生命、智能;n兴趣、小科学大科学、国家利益、国际合作;n探索自然第一生产力、经济效益、生活质量;n自然、科学技术
6、、经济和社会是相互联系的17现代科学技术发展的自然观意义现代科学技术发展的自然观意义18n三大发现与新的物质观n相对论的创立与新的时空观n量子力学与新的自然图景n非线性科学与自然界的演化图景n电子信息技术与赛博空间的出现19物理学新发现与新的物质观物理学新发现与新的物质观n19世纪下半叶，牛顿力学在各个自然科学领域得到了广泛应用，机械自然观总体上仍然处于主导地位。n“经典物理学大厦已经竣工完成”。在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作。n两朵乌云：n当时物理学家中的泰斗开耳文勋爵在新年贺词中把物理学的19世纪发展和20世纪的前景比喻为“物理学一片晴朗天空，只有两朵小小
7、乌云”，它们是：n迈克尔逊莫雷实验，证明了“以太”是不存在的；n黑体辐射引出的“紫色灾难”。两朵乌云：（两朵乌云：（1 1）黑体辐射中的）黑体辐射中的“紫外灾难紫外灾难”（2 2）迈克尔逊迈克尔逊-莫雷所做的莫雷所做的“以太漂移实验以太漂移实验”理论拟合理论拟合的曲线的曲线2理论拟合理论拟合的曲线的曲线1实验实验曲线曲线黑体辐射中的黑体辐射中的“紫外灾难紫外灾难”L1光源光源接收器接收器L2运动方向运动方向以太以太迈克尔逊迈克尔逊-莫雷所做的莫雷所做的“以太漂移实验以太漂移实验”21n三大发现n1895年，伦琴（1845-1923）研究阴极射线时意外发现X射线；获得1901年诺贝尔物理学奖，是
8、第一个获奖人。n1896年，贝克勒耳（1852-1908）意外发现放射线，发现铀。n1897年，汤姆逊证实了电子的存在。n此外，居里夫妇发现放射线元素（钍、钋和镭）；证实元素的嬗变；促使元素嬗变理论建立（卢瑟福，1902年）22n新物质的发现n打破了“原子不可分”、“元素不变”的神话，n打破了物理学已经发展成熟的看法。23相对论的创立与新的时空观相对论的创立与新的时空观1、历史背景理论与实验的矛盾以太之谜与洛伦兹的解释旧理论体系的内在逻辑矛盾马赫、彭加勒242、相对论的创立及其基本内容n1905年，爱因斯坦发表运动物体中的电动力学，从而创立了狭义相对论。n两大假设：n在所有的相互作匀速直线运动
9、的坐标系中，所有的自然规律都是相同的；n在所有的相互作匀速直线运动的坐标系中，光在真空中的速度都是不变的。25n五大推论：n同时性是相对的；n运动物体的长度在运动方向要收缩n运动时钟要变慢；n物体质量将随速度增加而增加；n物体的质量与能量可以相互转化。26n1907年爱因斯坦给出著名公式:Emc2；n1916年爱因斯坦广义相对论的基础建立完整的广义相对论理论。n两大假设与推论n1919年广义相对论理论被验证。273、相对论的时空观时间与空间的内在联系空间和时间依赖于物质的运动过程空间和时间依赖于运动着的物质本身28n科学意义n经典力学实现了力学现象的综合，电磁学理论实现了磁、电、光现象的综合，
10、狭义相对论的建立，使力学理论和电磁学理论在更高的层次上实现了综合。n哲学意义n1、从根本上否定了牛顿经典力学的绝对时空观。根据相对论，时间、空间与物质不可分割，随物质运动状态而改变。n2、揭示了时间与空间的统一性。狭义相对论证明了时间与空间存在着内在的、本质的联系，把三维空间扩展到四维。达利：达利：永恒的记忆永恒的记忆，193130量子力学与新的自然图景量子力学与新的自然图景1、创立过程量子论的诞生1900年普朗克（Max Plank）提出能量子假说1905年爱因斯坦（Albert Einstein）提出光量子假说和理论1913年玻尔（N.Bohr）建立(经典)量子论原子模型31量子力学的建立
11、1923年德布罗意（V.de Brolie）提出物质波假说1925年海森堡(W.K.Heisenberg)提出矩阵力学1926年薛定谔(E.Schrodinger)提出波动力学1927年海森堡提出“测不准原理”，玻尔提出互补原理”。爱因斯坦与玻尔（哥本哈根学派）长达30年的哲学争论几何光学波动光学经典力学量子力学薛定谔海森堡波动力学矩阵力学332、量子力学的自然图景量子性统计性波粒两象性34 以三大发现、相对论与量子力学的创立为核心的物理学革命，最终克以三大发现、相对论与量子力学的创立为核心的物理学革命，最终克服了经典物理学危机，也包括克服了传统机械论哲学观念的影响。服了经典物理学危机，也包括
12、克服了传统机械论哲学观念的影响。35非线性科学与自然界的演化图景非线性科学与自然界的演化图景1、什么是非线性科学n无序到有序n简单到复杂n复杂性n非线性科学：探索复杂性的科学36确定性系统中的无规运动n“混沌”（Chaos），原意紊乱、无序和无规律。但在混沌理论中，它指的不是纯粹的无序。混沌理论研究的是具有确定性的非线性系统，混沌“来源于决定论性方程的无规运动”。混沌是确定性的非线性动力学系统本身产生的不规则的宏观时空行为。37丢失一个钉子，坏了一只蹄铁；坏了一只蹄铁，折了一匹战马；折了一匹战马，伤了一位骑士；伤了一位骑士，输了一场战斗；输了一场战斗，亡了一个帝国。38n混沌具有如下基本特征：
13、1、内在随机性。这种不确定性是系统自发产生的。2、初值敏感性。“失之毫厘，谬之千里”。洛仑兹比喻：“蝴蝶效应”3、非规则有序。混沌不具备周期性和其他明显对称特征的有序态。但非周期运动不是无序运动，而是另一种类型的有序运动。39分形：现实世界的几何学n“分形”（fractal）,意指不规则的、支离破碎的。该词由数学家曼德尔布罗特（BBMandelbrort）新造，用以描述自然界中极不规则、极不光滑的物体形体：弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉、粗糙不堪的断面、枝繁叶茂的树木、飘舞飞扬的雪花、变化无常的浮云和九曲回肠的河流等等。402、自组织理论概念非平衡作用自稳定作用突现作用选择评价作用组织水平评
14、价选择自稳定突现自稳定突现开放与非平衡42电子信息技术与电子信息技术与CyberspaceCyberspace的出现的出现n信息化，全球化，地球村，知识经济,赛博空间（Cyberspace）,伦理、法律、新型人际关系,人机关系。432020世纪自然观的基本特征世纪自然观的基本特征44普遍联系的系统自然观 演化发展的自组织自然观天人和谐的生态自然观45普遍联系的系统自然观普遍联系的系统自然观n联系的思想已经开始在这个世纪初进入科学研究的微观过程。n20世纪初，相对论强调了物质与运动、与时空的普遍联系；量子力学强调了物体运动位置量与运动量、能量与时间量之间的关联。n20世纪40年代的系统科学理论更
15、加强调了联系思想。n20世纪6070年代产生的系统科学更注意系统演化过程中的相互作用和普遍联系。46演化发展的自组织自然观演化发展的自组织自然观n20世纪中期发展起来的系统科学和非平衡态热力学，突破了人类关于演化性质的认识，给人类对自然的看法即自然观带来了从静止到演化的变革。n物理学自从非平衡研究开始，可以划分为存在的物理学和演化的物理学。重视演化，重视演化的时间箭头，成为20世纪后半叶的革命性思想。47天人和谐的生态自然观天人和谐的生态自然观n20世纪的自然观新进展不仅体现了关于自然界普遍联系和演化发展的特征，而且也体现了人与自然关系的新认识特性。n以往的一切自然观的主要内容是关于自然的观点
16、；而20世纪的辩证自然观则是包含人和社会因素的自然观，是人如何对待自然的认知、态度和伦理价值的自然观。这种辩证自然观的特征，可以称为“天人和谐”的辩证自然观。48n现代科技发展与辩证唯物主义自然观n现代科学革命是对牛顿经典力学的全面挑战，为辩证自然观提供了更丰富的科学基础。n现代科学彻底变革机械自然观，极大地促进了辩证唯物主义自然观的发展。在辩证思维方式上提供了可操作的思维方法，在辩证自然观上明晰了自然界联系、发展的具体机制。n现代科学的发展提出诸多新的问题。研究和总结这些新的问题，是完善辩证唯物主义自然观的要求，不断建构辩证自然观的工作正在进行中。49古代自然观近代机械论自然观辩证唯物主义自然观20世纪自然观的新进展