物理学与现代技术精品文稿.ppt

物理学与物理学与物理学与物理学与现现代技代技代技代技术术第1页，本讲稿共50页第一章第一章 物理学对人类的影响物理学对人类的影响第二章第二章 物理学对当代科技的影响物理学对当代科技的影响第三章第三章 物理学与其他学科的关系物理学与其他学科的关系第四章第四章 物理学在各领域中的技术应用物理学在各领域中的技术应用目目 录录第2页，本讲稿共50页3-4 3-4 物理学与生物学的关系物理学与生物学的关系 生生命命是是物物质质的的，所所以以物物理理学学的的发发展展也也必必定定要要涉涉及及涵涵盖盖生生命命物物质质的的规规律律的的研研究究。物物理理学学与与其其他他自自然然科科学学交交叉叉与与相相互互作作用用，曾曾经经产产生生并并形形成成了了科科学学物物理理学学、生生物物物物理理学学和和心心理理物物理理学学、天天体体物物理理学学、地地球球物物理理学学、大大气气物物理理学学、海海洋洋物物理理学学和和空空间间物物理理学学等等诸诸多多的的交交叉叉学学科科，这这种种交交叉叉和和相相互互作作用用最最突突出出的的表表现现还还在在于于，20 20 世世纪纪的的生生命命科科学学在在物物理理学学的的基基础础上上发发生生了了革革命命性性的的变变化化，也也就就是是DNADNA双双螺螺旋旋结结构构的的发发现现以以及及分分子子生生物物学学的的信信息。息。第3页，本讲稿共50页DNADNA双螺旋结构双螺旋结构沃森、克里克沃森、克里克DNA双螺旋结构模型_高清.mp4DNA分子结构立体模型_标清.flv第4页，本讲稿共50页 在在生生物物学学的的成成长长过过程程中中，物物理理学学曾曾从从各各方方面面予予以以慷慷慨慨的的援援助助和及时的扶持。和及时的扶持。从从历历史史上上看看，若若没没有有显显微微镜镜的的发发明明，那那么么细细胞胞生生物物学学和和胚胚胎胎发发育学的研究将流于空泛；育学的研究将流于空泛；同同样样从从现现代代来来看看，若若没没有有X-X-衍衍射射技技术术的的帮帮助助，DNADNA双双螺螺旋旋模模型型结结构构的的发发现现只只能能是是一一个个神神话话，直直至至今今天天，由由于于最最新新扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜的的应应用用，用用它它不不仅仅可可以以直直接接观观察察DNADNA双双螺螺旋旋结结构构，而而且且还还由由此发现了此发现了三链状三链状DNADNA结构的存在。结构的存在。第5页，本讲稿共50页 但但是是，比比这这些些物物理理仪仪器器更更为为重重要要的的是是，物物理理学学家家的的思思维维方方式式、工工作作态态度度对对生生物物学学研研究究所所产产生生的的深深远远影影响响，这这种种影影响响来来自自于于物物理理学学家家与与生生物物学学家家的的频频繁繁接接触触，更更来来自自于于物物理理学学家家直直接接跨跨入入生生物物学学研研究究的的行行列列，分分子子生生物物学学的的孕育、诞生过程就明显地体现了这一点。孕育、诞生过程就明显地体现了这一点。第6页，本讲稿共50页 牛牛顿顿在在方方法法论论上上的的重重大大成成功功之之处处即即在在于于从从复复杂杂多多变变的的客客体体中中，分分解解抽抽象象出出一一个个简简单单的的“质质点点”模模型型，经经典典力力学学的的宏宏伟伟大大厦厦即即奠奠基基于于这这一一模模型型之之上上。于于是是，从从复复杂杂多多变变的的世世界界中中寻寻找找简简单单性性、同同一一性性，寻寻找找 质质点点 模模型型，就就成成了了经经典典物物理理学学思思维维的的一一个个显显著著特特征征。值值得得注注意意的的是是，这这种种求求同同思思维维恰恰与与传传统统生生物物学学中中的的求求异异思思维维形形成成截然截然不同不同的两种研究风格。的两种研究风格。第7页，本讲稿共50页 因因为为生生命命世世界界自自有有其其多多样样性性，高高等等生生物物(如如大大象象)与与低低等等生生命命(如如病病毒毒）之之间间，在在体体制制结结构构、生生理理功功能能上上所所显显示示出出来来的的巨巨大大差差异异，使使生生物物学学家家往往往往习习惯惯于于从从差差异异性性方方面面去去总总结结生生物物界界的的规规律律。正正是是在在这这一一境境况况中中，物物理理学学家家求求同同性性、简简单单性性思思维维方方式式的的引引入入，犹犹如如一一股股清清新新之之风风，打打破破了了生生物物学学家家固固有有的的思思维维定定式式，从从而而开开辟辟了了一一个个崭崭新新的的研研究究领领域域，这这就就是是以以噬噬菌菌体体、细细菌菌为为主主要要研研究究对对象象的的分分子子生生物物学学时时代代的的到到来来。揭揭开开分分子子生生物物学学时时代代惟惟幕幕的的中中心心人人物物之一，是德国物理学家之一，是德国物理学家德尔布吕克德尔布吕克。第8页，本讲稿共50页 作作为为量量子子力力学学奠奠基基人人玻玻尔尔的的学学生生，德德尔尔布布吕吕克克对对互互补补性性原原理理感感受受颇颇深深。玻玻尔尔认认为为互互补补性性现现象象同同样样可可在在生生物物学学中中发发现现，由由此此激激发发了了德德尔尔布布吕吕克克对对生生物物学学研研究究的的浓浓厚厚兴兴趣趣。于于是是在在2020世世纪纪3030年年代代中中期期，德德尔尔布布吕吕克克在在柏柏林林从从事事铀铀分分裂裂研研究究之之余余，常常常常参参加加一一个个由由物物理理学学家家和和遗遗传传学学家家共共同同组组成成的的小小型型讨讨论论组组，关关注注遗遗传传学学的的前前沿沿问问题题。柏柏林林小小组组的的成成立立，标标志志着着物物理理学学家家开开始始涉涉及遗传学领域。及遗传学领域。第9页，本讲稿共50页 分分子子生生物物学学时时代代诞诞生生的的标标志志是是DNADNA双双螺螺旋旋模模型型的的建建立。它代表着生物学与物理学的完美结合。立。它代表着生物学与物理学的完美结合。19531953年年，美美国国生生物物学学家家沃沃森森和和英英国国化化学学家家克克里里克克发发现了现了DNADNA双螺旋结构。双螺旋结构。19541954年年，俄俄国国籍籍的的美美国国物物理理学学家家伽伽莫莫夫夫提提出出核核苷苷酸酸三联体的遗传密码三联体的遗传密码。19581958年年，克克里里克克提提出出了了遗遗传传信信息息传传递递从从DNADNA到到RNARNA再再到蛋白质的中心法则。到蛋白质的中心法则。19611961年年，法法国国生生物物学学家家雅雅各各布布和和莫莫诺诺提提出出了了基基因因的的功能分类和调节基因的概念功能分类和调节基因的概念等。等。第10页，本讲稿共50页 在这些以后，几乎所有对在这些以后，几乎所有对生命现象生命现象的研究，都深入到了的研究，都深入到了分子水平分子水平，去寻找生命本质规律，去寻找生命本质规律，分子生物学分子生物学成为生命现象研究的成为生命现象研究的核心领域核心领域，发展，发展成为了发展生物技术的源泉。成为了发展生物技术的源泉。19701970年，年，基因重组基因重组开辟了基因技术工程应用的可能性，从而使开辟了基因技术工程应用的可能性，从而使人类看到了运用人类看到了运用生物技术造福人类生物技术造福人类的广阔的前景。生命科学的这种的广阔的前景。生命科学的这种革命性的革命性的变革变革正是物理学、化学和生物学等相互交叉的结果，在正是物理学、化学和生物学等相互交叉的结果，在这个过程中，物理学的这个过程中，物理学的概念与方法概念与方法以及物理学家深入到生命科学以及物理学家深入到生命科学领域进行探索，为此做出了重要的贡献。领域进行探索，为此做出了重要的贡献。第11页，本讲稿共50页 所所以以现现在在看看来来，生生命命科科学学与与物物理理学学之之间间，包包括括与与数数学学之之间间，没没有有不不可可跨跨越越的的鸿鸿沟沟，许许多多有有成成就就的的生生命命科科学学家家，有有些些就就是是来来自自于于物物理理学学，化化学学等等其其他他领领域域。有有许许多多原原本本学学物物理理的的科科学学家家，成成名名以以后后兴兴趣趣转转移移到到去去参参与与生生命命科学的研究。科学的研究。量量子子力力学学的的创创立立者者薛薛定定谔谔，19441944年年写写过过生生命命是是什什么么，这这一一书书曾曾深深刻刻影影响响了了一一批批物物理理学学家家和和生生物物学学家家的的思思想想，促促成成了了分分子子生生物物学学诞诞生生出出了了三三个个基基本本的的学学派派。即即比比德德尔尔代代表表的的化化学学学学派派、德德尔尔布布吕吕克克代代表表的的信信息息学学派派以以及肯德鲁代表的及肯德鲁代表的结构学派结构学派。第12页，本讲稿共50页 物物理理学学家家伽伽莫莫夫夫率率先先提提出出了了三三联联体体有有力力地地推推动动信信息息学学派派的的成成长长等等，但但是是我我们们相相信信，三三个个学学派派最最终终是是要要共共同同的的合合作作，才才能能根本根本揭示揭示生命现象的整体生命现象的整体奥秘奥秘。结结构构是是重重要要的的，生生命命现现象象内内部部以以及及内内外外之之间间的的信信息息传传递递也也肯肯定定是是重重要要的的。它它的的生生命命现现象象的的信信息息传传递递、能能量量传传递递、物物质质传传递递，许许多多是是通通过过化化学学方方法法转转化化的的。因因此此生生化化也也依依然然是是生生命命科科学学一一个个重重耍的基础，这是毫无疑问的。耍的基础，这是毫无疑问的。第13页，本讲稿共50页 同同时时我我们们也也要要重重视视生生命命科科学学对对物物理理学学的的影影响响，量量子子论论的的重重要要创创立立者者之之一一波波尔尔曾曾经经号号召召物物理理学学家家关关心心生生命命现现象象研研究究，他他当当时时的的目目的的，主主要要还还是是想想在在生生命命现现象象中中寻寻找找量量子子物物理理适适用用的的界界限限。当当今今，物物理理学学家家已已经经把把一一部部分分眼眼光光注注意意力力转转到到软软物物质质，生生命命物物质质方方面面来来，这这是一个大的趋势。是一个大的趋势。第14页，本讲稿共50页 软软物物质质如如液液晶晶、聚聚合合物物、胶胶体体、膜膜、泡泡沫沫、颗颗粒粒物物质质、生生命命体体系系等等，在在自自然然界界、生生命命体体、日日常常生生活活和和生产中广泛存在。生产中广泛存在。它它们们与与人人们们生生活活休休戚戚相相关关，如如橡橡胶胶、墨墨水水、洗洗涤涤液液、饮饮料料、乳乳液液及及药药品品和和化化妆妆品品等等等等，在在技技术术上上也也有有广广泛泛应应用用，如如液液晶晶、聚聚合合物物等等，生生物物体体基基本本上上由由软软物物质组成，如细胞、体液、蛋白、质组成，如细胞、体液、蛋白、DNADNA等。等。第15页，本讲稿共50页 弱弱力力引引起起大大变变化化 科科普普作作品品软软物物质质与与硬硬科科学学一一书书中中以以橡橡胶胶为为例例，说说明明了了软软物物质质的的性性质质。放放进进一一点点硫硫，液液态态的的橡橡胶胶树树就就变变成成了了固固态态的的橡橡胶胶；一一点点骨骨胶胶可可以以使使墨墨汁汁多多年年不不变变质质；一一点点卤卤汁汁使使豆豆浆浆变变成成豆豆腐腐；非非常常微微弱弱的的电电流流，就就能能使使液液晶晶从从透透明明变变成成不不透透明明。这这些些现现象象告告诉诉我我们们：你你只只须须施施加加微微小小的的作作用用，软软物物质质的的形形状状和和性性质质就就会大变。会大变。第16页，本讲稿共50页软物质物理学体系软物质物理学体系 如如果果你你处处身身于于一一个个满满是是蚊蚊子子的的房房间间里里，你你会会躲躲到到哪哪里里呢呢？答答案案是是靠靠着着墙墙，躲躲在在角角落落里里，这这样样身身后后就就不不会会有有蚊蚊子子来来了了，只只需对付前面的蚊子就可以了。需对付前面的蚊子就可以了。19981998年年的的物物理理评评论论快快报报上上发发表表了了宾宾夕夕法法尼尼亚亚大大学学物物理理和和天天文文系系的的A.A.D.D.Dinsmore,Dinsmore,D.D.T.T.Wong,Wong,Philip Philip NelsonNelson和和A.A.G.G.Yodh Yodh 合合作作的的一一个个有有趣趣的的实实验验。这这个个实实验验与与我我们们的的蚊蚊子子事事件件有着异曲同工之处。有着异曲同工之处。实实验验中中几几位位科科学学家家先先将将一一个个直直径径只只有有0.4740.474微微米米大大的的“大大球球”放放到一个微型的梨形容器里。到一个微型的梨形容器里。第17页，本讲稿共50页 通过长时间多次光学摄影的方法，我们看到这个大球在通过长时间多次光学摄影的方法，我们看到这个大球在这个容器中任何一处都可以出现（图这个容器中任何一处都可以出现（图1b1b，亮处为大球所处位，亮处为大球所处位置）。然后他们又将很多的更小的球（半径置）。然后他们又将很多的更小的球（半径0.0420.042微米）放了微米）放了进去（如图进去（如图1a1a所示）。这时候，从摄影照片看，大球基本上只能待所示）。这时候，从摄影照片看，大球基本上只能待在边上了（图在边上了（图1c1c，小球远小于可见光波长，因此看不到）。这个，小球远小于可见光波长，因此看不到）。这个结果是如何发生的呢？我们来仔细看看。结果是如何发生的呢？我们来仔细看看。第18页，本讲稿共50页躲避躲避 首首先先我我们们知知道道容容器器中中的的大大球球、小小球球都都在在不不停停地地做做随随机机运运动动，同同时时小小球球也也在在不不停停地地从从各各个个方方向向撞撞击击着着大大球球。在在每每一一时时刻刻，大大球球在在不不同同方方向向上上受受到到的的小小球球撞撞击击一一般般来来说说是是不不一一样样多多的的，大大球球就就会会因因为为受受力力的的不不同同而而向向某某个个方方向向运运动动。当当大大球球碰碰到到了了容容器器壁壁的的时时候候，大大球球会会发发现现靠靠着着容容器器的的一一边边不不会会有有东东西西撞撞它它了了，所所有有的的撞撞击击都都来来自自另另一一边边。于于是是这这些些撞撞击击就就迫迫使使它它靠靠在在容容器器的的边边缘缘上上了了。实实际际的的过过程程比比我我们们这这里里的的分分析析的的要要复复杂杂，但但大大体体的的情情况况就就是是如如此此大大球球为为了了躲躲避避小小球球“蚊蚊子子”的的“叮叮咬咬”而而藏藏在在了了墙墙边边上上。上上面面讲讲的的这这个个实实验验讨论的物理体系就是属于被称为软物质的物理体系讨论的物理体系就是属于被称为软物质的物理体系 。第19页，本讲稿共50页3-4 3-4 物理学与地球科学的关系物理学与地球科学的关系 地球是人类赖以生存和繁衍生息以及可持续发展的源泉。地地球是人类赖以生存和繁衍生息以及可持续发展的源泉。地球上的各种球上的各种物理条件物理条件，与人类的生存、生活和生产活动密切，与人类的生存、生活和生产活动密切相关。作为地球科学和物理学的结合，相关。作为地球科学和物理学的结合，地球物理学地球物理学运用物理运用物理学的学的原理和方法原理和方法研究地球本身的研究地球本身的结构结构和发展，以及各种和发展，以及各种地质地质现象。现象。人类从观察地球物理现象到地球物理学在人类从观察地球物理现象到地球物理学在2020世纪真正发展起来，世纪真正发展起来，三次科技革命在地球物理学的发展史上起着至关重要的作用。三次科技革命在地球物理学的发展史上起着至关重要的作用。第20页，本讲稿共50页 1818世世纪纪中中叶叶以以后后，发发生生了了人人类类历历史史上上的的第第一一次次科科技技革革命命。第第一一次次科科技技革革命命以以牛牛顿顿16871687年年的的自自然然哲哲学学的的数数学学原原理理及及牛牛顿顿力学体系的形成为力学体系的形成为标志标志。牛牛顿顿的的经经典典力力学学体体系系的的建建立立对对地地球球物物理理学学尤尤其其是是对对重重力力勘勘探探和和重重力力测测量量有有着着革革命命性性的的作作用用。在在牛牛顿顿以以前前，人人们们对对地地球球的的研研究究基基本本是是静静态态的的三三角角几几何何问问题题。而而牛牛顿顿提提出出的的运运动动定定律律和和万万有有引引力力定定律，给地球的形状和构造律，给地球的形状和构造动力学动力学提供了理论基础。提供了理论基础。第21页，本讲稿共50页 从从这这个个意意义义上上来来说说，牛牛顿顿无无疑疑应应该该被被认认为为是是固固体体地地球球物物理理学的先驱，牛顿对地球物理学主要有两大贡献。学的先驱，牛顿对地球物理学主要有两大贡献。牛牛顿顿的的第第一一大大贡贡献献是是第第一一个个估估计计了了地地球球的的质质量量。根根据据万万有有引引力力定定律律，可可以以得得出出在在一一级级近近似似的的公公式式：g=g=（GMGM）/(R/(R2 2)，其其中中g g为为重力测量值，重力测量值，G G为万有引力常数，为万有引力常数，M M为地球质量，为地球质量，R R为地球半径。为地球半径。牛牛顿顿的的第第二二大大贡贡献献是是第第一一个个估估计计了了地地球球扁扁率率f f的的值值，为为了了得得到到数数学学模模式式，他他把把地地球球看看成成密密度度恒恒定定的的旋旋转转流流体体，由由此此推推导导出出f=f=（a-ba-b）/a,a/a,a、b b分别为地球的赤道长轴和极短轴。分别为地球的赤道长轴和极短轴。第22页，本讲稿共50页 第第二二次次科科技技革革命命发发生生于于1919世世纪纪20-6020-60年年代代，即即从从18191819年年奥奥斯斯特特实实验验开开始始，到到18601860年年麦麦克克斯斯韦韦发发表表电电磁磁场场的的动动力力学学理理论论建立建立电磁场结构电磁场结构为止。为止。第第二二次次科科技技革革命命对对地地球球物物理理学学的的巨巨大大推推动动力力体体现现在在：在在第第二二次次科科技技革革命命的的巨巨大大推推动动下下，以以法法拉拉第第和和麦麦克克斯斯韦韦为为代代表表的的科科学学家家建建立立起起了了电电磁磁学学理理论论，这这直直接接推推动动了了19 19 世世纪纪应应用用地地球球物物理理电电磁磁法法得得到到了了一一系系列列的的发发展展。麦麦克克斯斯韦韦建建立立的的麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组是是勘勘探探地地球球物物理理学学电法电法勘察中最重要的基础理论。勘察中最重要的基础理论。第23页，本讲稿共50页 18701870年年，泰泰朗朗和和铁铁贝贝尔尔制制成成了了寻寻找找磁磁铁铁矿矿的的万万能能磁磁力力仪仪，这是应用地球物理学开始发展的一个重要标志。这是应用地球物理学开始发展的一个重要标志。第第三三次次科科技技革革命命从从2020世世纪纪5050年年代代开开始始兴兴起起的的，以以原原子子能能、电电子子计计算算机机和和空空间间技技术术的的开开发发利利用用，以以及及合合成成材材料料和和生生物物技技术术的的相继出现为标志的第三次科技革命极大地推动生产力的发展。相继出现为标志的第三次科技革命极大地推动生产力的发展。第三次科技革命在对地球物理方面的推动作用主要体现在：第三次科技革命在对地球物理方面的推动作用主要体现在：第24页，本讲稿共50页 第第一一，电电子子计计算算机机技技术术、微微电电子子以以及及通通信信技技术术的的发发展展极极大大地地推推动动了了地地球球物物理理学学尤尤其其是是地地震震勘勘探探的的发发展展。计计算算机机价价格格的的降降低低及及计计算算速速度度的的提提高高使使得得在在实实际际工工作作解解决决了了很很多多数数据据处处理理的的问题。大大节省了解释人员的工作时间。问题。大大节省了解释人员的工作时间。第第二二，新新兴兴技技术术和和新新兴兴科科学学的的发发展展也也极极大大地地推推动动了了地地球球物物理理这一学科的发展。这一学科的发展。（光学的发展、非线性科学中的算法、混沌理论、量子（光学的发展、非线性科学中的算法、混沌理论、量子力学等）力学等）第25页，本讲稿共50页3-6 3-6 物理学与艺术物理学与艺术3-6-1 3-6-1 艺术美的意义艺术美的意义 美美的的哲哲学学定定义义:美美是是具具体体事事物物的的组组成成部部分分和和表表现现形形式式，是是具具体体环环境境、现现象象、事事情情、行行为为、物物体体对对人人类类的的生生存存发发展展具具有有的的公公益益性性能能、正正面面意意义义和和正正价价值值，是是人人们们在在接接触触个个别别具具体体事事物物的的过过程程中中，受受其其作作用用、刺刺激激和和影影响响产产生生愉愉悦悦和和满满足足的的美美好好感感觉觉的的客客观观原原因因，是是人人们们通通过过反反思思和和寻寻找找美美感感产产生生的的原原因因，从从个个别别具具体体事事物物中中分分解解和和抽抽取取出出来来的的有有别别于于丑丑的的相相对对抽抽象象事事物物或或元元实实体体。美美是是具具体体事事物物的的组组成成部部分分，美不能够离开具体事物单独存在。美不能够离开具体事物单独存在。第26页，本讲稿共50页 美美存存在在于于具具体体环环境境、具具体体现现象象、具具体体事事情情、具具体体行行为为、具具体体物物体体之之中中。美美景景、美美酒酒、美美玉玉、美美事事、美美的的生生活活都都是是包包含含美美的的具具体体事事物。物。中中国国人人对对美美的的认认识识和和研研究究具具有有悠悠久久的的历历史史，为为美美学学的的发发展展做做出出了了杰杰出出的的贡贡献献。2020世世纪纪50-6050-60年年代代，围围绕绕美美的的本本质质问问题题，中中国国学界展开了一场大讨论，形成了一些学界展开了一场大讨论，形成了一些基本观点基本观点。一一是是以以高高尔尔泰泰为为代代表表的的主主观观论论，认认为为美美完完全全是是主主观观的的，美美作作为为一一种种意意识识与与客客观观对对象象无无关关。二二是是以以吕吕荧荧为为代代表表的的社社会会意意识识说说，认认为为美美是是人人的的社会意识，社会意识，它是社会存在的反映，第二性的现象它是社会存在的反映，第二性的现象。第27页，本讲稿共50页 三三是是以以蔡蔡仪仪为为代代表表的的客客观观典典型型论论，认认为为美美是是客客观观的的，美美的的本本质质就就是是事事物物的的典典型型性性，是是个个别别之之中中显显现现着着种种类类的的一一般般，典型就是美典型就是美。四四是是以以朱朱光光潜潜为为代代表表的的客客观观和和主主观观统统一一说说，认认为为美美是是“客客观与主观的统一观与主观的统一”。五五是是以以李李泽泽厚厚、刘刘纲纲纪纪等等为为代代表表的的客客观观社社会会说说，认认为为美美既既有有客观性，也有社会性，是客观性，也有社会性，是 “客观性与社会性的统一客观性与社会性的统一”。第28页，本讲稿共50页 从从人人类类关关于于美美的的思思想想发发展展史史可可以以看看到到，人人们们己己经经认认识识到到美美不不是是具具有有可可感感形形态态的的具具体体事事物物，美美是是同同个个别别具具体体事事物物相相联联系系的的抽抽象象事事物物，是是个个别别具具体体事事物物具具有有的的能能够够引引起起人人产产生生美美感感的的性性能能和和原原因因，是是同同人人的的生生存存发发展展需需要要、功功利利或或价价值值相相联联系系的的认认识识对对象象。但但是是由由于于受受到到以以往往哲哲学学本本体体论论和和认认识识论论的的限限制制，人人们们关关于于美美的的本本质质、美美的的定定义、审美问题的观点还存在一些缺陷和不足之处，存在很大争议。义、审美问题的观点还存在一些缺陷和不足之处，存在很大争议。第29页，本讲稿共50页 3-6-2 3-6-2 物理学与美物理学与美 物理学具有美的研究目的。物理美不仅具有欣赏价值，物理学物理学具有美的研究目的。物理美不仅具有欣赏价值，物理学是合理、简单、对称、和谐、有序、守恒的。物理学家始终把是合理、简单、对称、和谐、有序、守恒的。物理学家始终把物理物理美美作为思考问题的一条作为思考问题的一条主线主线。更重要的它是一种重要的思想方法。非。更重要的它是一种重要的思想方法。非常规的创造性思维方法。在物理学习中要注重物理学美的体会。常规的创造性思维方法。在物理学习中要注重物理学美的体会。第30页，本讲稿共50页混沌之美混沌之美 在在非非线线性性科科学学中中，混混沌沌现现象象指指的的是是一一种种确确定定的的但但不不可可预预测测的的运运动动状状态态。它它的的外外在在表表现现和和纯纯粹粹的的随随机机运运动动很很相相似似，即即都都不不可可预预测测。但但和和随随机机运运动动不不同同的的是是，混混沌沌运运动动在在动动力力学学上上是是确确定的，它的不可预测性是来源于运动的不稳定性。定的，它的不可预测性是来源于运动的不稳定性。混混沌沌现现象象是是自自然然界界中中的的普普遍遍现现象象，天天气气变变化化就就是是一一个个典典型型的的混混沌沌运运动动。混混沌沌现现象象的的一一个个著著名名表表述述就就是是蝴蝴蝶蝶效效应应：南南美美洲洲一一只只蝴蝴蝶蝶扇扇一一扇扇翅翅膀膀，就就会会在在佛佛罗罗里里达达引引起起一一场场飓飓风风。并并由由此此提出了天气的不可准确预报性。提出了天气的不可准确预报性。第31页，本讲稿共50页（一）从一滴水中见太阳（一）从一滴水中见太阳小中见大小中见大 混混沌沌为为宇宇宙宙之之源源。许许多多宗宗教教故故事事和和神神话话传传说说中中都都有有“混混沌沌初初开开”的的自自然然起起源源说说。在在道道家家哲哲学学中中，混混沌沌就就是是老老子子的的“道道”。老老子子为为了了定定义义和和描描述述道道而而引引入入一一系系列列同同义义或或近近义义的的概概念念，如如混混成成、混混一一、恍恍惚惚、惚惚恍恍等等，后后人人均均理理解解为为混混沌沌。混混沌沌所所指指，内内涵涵十十分分丰丰富富。其其中中，最最有有代代表表性性的的是是 有有物物混混成成，先先天天地地生生。描描述述宇宙演化的初始状态。宇宙演化的初始状态。寂兮寥兮，独立而不改，周行而不殆，可以为天地母。第32页，本讲稿共50页 有有一一个个东东西西混混然然而而成成，在在天天地地形形成成以以前前就就已已经经存存在在。听听不不到到它它的的声声音音也也看看不不见见它它的的形形体体，寂寂静静而而空空虚虚，不不依依靠靠任任何何外外力力而而独独立立长长存存永永不不停停息息，循循环环运运行行而而永永不不衰衰竭竭，可可以以作作为为万物的根本万物的根本 。（二二）从从混混沌沌的的本本源源性性上上看看，中中国国古古代代只只能能笼笼统统地地表表述述 道道生生一一、一一生生二二、二二生生三三、三三生生万万物物。自自然然界界未未分分化化为为有有形形的的实实体体和和时时空空关关系系之之前前，仍仍是是道道，即即混混沌沌。现现代代宇宇宙宙学学的的发发展展对对极极早早期期宇宇宙宙的的状状态态认认识识上上还还不不统统一一，但但有有一一点点基基本本上上认识是一致的，认识是一致的，即可观测宇宙起源于混沌态，最终必将复归于混沌。即可观测宇宙起源于混沌态，最终必将复归于混沌。第33页，本讲稿共50页 从从混混沌沌的的精精微微性性和和深深奥奥性性上上来来看看，自自然然界界的的道道，看看起起来来是是那那样样朴朴实实。它它们们按按照照共共同同的的统统一一性性存存在在着着，运运动动着着，体体现现着着令令人人惊惊叹叹的的简简单单性性和和一一致致性性;另另外外，自自然然界界的的事事物物和和过过程程又又永永远远没没有有重重复复。人人们们甚甚至至无无法法找找到到两两片片完完全全相相同同的的树树叶叶;在在大大海海中中的的波波涛涛那永恒的运动中，同样包含着新生和死亡、演变和更替。那永恒的运动中，同样包含着新生和死亡、演变和更替。第34页，本讲稿共50页 在在西西方方，认认识识到到“混混沌沌出出秩秩序序”的的，首首推推哲哲学学家家康康德德。在在康康德德看看来来，混混沌沌是是物物质质运运动动不不完完美美的的形形态态。它它们们是是宇宇宙宙的的原原始始形形态态，在在向向着着有有规规则则的的宇宇宙宙演演化化的的过过程程中中，要要经经历历若若干干发发展展阶阶段段，通通过过同同“混混乱乱和和混混沌沌状状态态作作斗斗争争”，才才能能逐逐步步达达到到应应有有的的完完美美程程度度。他他还还认认为为，能能够够欣欣赏赏到到自自然然界界从从混混沌沌到到有有序序演演化化的的生生动动过过程程，是是一一种种难难得得的的审审美美享享受受，可可惜惜很很多多人人被被传传统统的的观观念念所所束束缚缚，不不能能理理解解这这种种假假说说，因因而而使使他他失失去去了了这这样样的的享享受受。下下图图所所示示为为混混沌的自相似性。沌的自相似性。第35页，本讲稿共50页 在整个西方古典美学中，几乎没有人谈过在整个西方古典美学中，几乎没有人谈过混沌的美，原因很简单，因为他们都认为，混混沌的美，原因很简单，因为他们都认为，混沌就是混乱，因而同秩序是对立的。沌就是混乱，因而同秩序是对立的。第36页，本讲稿共50页（二）混沌的结构美（二）混沌的结构美 因陀罗之网和无穷嵌套因陀罗之网和无穷嵌套 现代科学的混沌研究自现代科学的混沌研究自7070年代复兴以来，至今已形成一年代复兴以来，至今已形成一些基本的共识，即内在随机性、自相似性及测度维数。些基本的共识，即内在随机性、自相似性及测度维数。第37页，本讲稿共50页（三）洛伦兹吸引子（混沌吸引子）（三）洛伦兹吸引子（混沌吸引子）混混沌沌吸吸引引子子有有几几个个“奇奇异异”的的特特性性，首首先先是是它它的的分分形形性性质质，它它作作为为相相空空间间的的一一个个子子集集，具具有有精精细细的的嵌嵌套套自自相相似似结结构构，得得到到的的图形的维数不是一个整数。图形的维数不是一个整数。其其次次是是混混沌沌吸吸引引子子有有两两种种运运动动方方向向，一一切切在在吸吸引引子子之之外外的的运运动动都都向向它它靠靠拢拢，对对应应着着稳稳定定方方向向；而而一一切切到到达达吸吸引引子子内内部部的的运运动动轨轨道道都都相相互互排排斥斥，对对应应着着不不稳稳定定的的方方向向。它它作作为为一一个个整整体体是是动动力力系系统统最最终终的的归归宿宿，对对于于微微小小扰扰动动是是稳稳定定的的，即即最最终终运运动动方方向向会会到到达达吸吸引引子子上上；但但是是吸吸引引子子内内部部的的运运动动却却对对初初始始条条件件非非常常敏敏感感，进进入入奇奇异异吸吸引引子子的的部部位位稍稍有有差差异异，运运动动轨轨道变会截然不同。道变会截然不同。第38页，本讲稿共50页 这这也也是是混混沌沌的的初初值值敏敏感感依依赖赖性性根根本本原原因因之之所所在在。必必须须指指出出，只只有有耗耗散散系系统统才才存存在在混混沌沌吸吸引引子子，但但并并非非只只有有耗耗散散系系统统才才存存在在混沌。混沌。相相空空间间形形成成了了一一种种奇奇特特的的类类似似蝴蝴蝶蝶翅翅膀膀那那样样的的图图像像洛洛伦伦兹兹吸吸引引子子，显显示示出出动动态态、流流畅畅的的美美感感，或或构构成成妙妙不不可可言言的的对对称称图案。下图所示为洛伦兹吸引示意图。图案。下图所示为洛伦兹吸引示意图。第39页，本讲稿共50页 其其次次，混混沌沌吸吸引引子子仍仍然然充充分分地地显显示示了了科科学学理理论论的的简简洁洁之之美美。虽虽然然混混沌沌系系统统的的演演化化有有其其不不稳稳定定性性的的一一面面，而而且且这这种种不不稳稳定定性性在演化中还有重要的作用，但最终仍能趋于一种稳定的状态。在演化中还有重要的作用，但最终仍能趋于一种稳定的状态。在在物物理理和和数数学学的的世世界界里里是是否否有有这这种种混混沌沌的的秩秩序序?在在非非周周期期运运动动中中是是否否还还有有某某种种普普适适性性?经经过过几几个个月月的的计计算算，他他终终于于找找到到了了倍倍周周期期分分叉叉的的普普适适常常数数为为4.669 4.669 201 201 609 609 0 0。这这已已足足以以显显示示混混沌沌现现象象背背后后隐隐藏藏的的规规则则性性。混混沌沌的的动动态态美美不不仅仅展展现现出出世世界界统统一一性性中中的的无无限限多多样样性性，简简单单性性中中蕴蕴含含的的无无限限复复杂杂性性，而而且且展展现现出出自自然然系系统统自我运动中的无限生命力。自我运动中的无限生命力。第40页，本讲稿共50页 当当费费根根鲍鲍姆姆最最初初指指出出混混沌沌是是从从有有序序演演化化而而来来的的结结论论时时，人人们们总总以以为为这这是是奇奇谈谈怪怪论论。试试想想，如如果果没没有有混混沌沌和和分分叉叉这这种种导导致致多多样样性性的的运运动动方方式式，无无机机的的自自然然界界怎怎样样生生长长出出有有生生命命的的生生物物直直到到智智慧慧的的人人类类?如如果果没没有有费费根根鲍鲍姆姆那那种种浪浪漫漫的的、貌貌似似模模糊糊甚甚至至是是不不着着边边际际的的思思考考，倍倍周周期期分分叉叉中中的的清清晰晰性性又又如如何何能能够够被被发发现现?开开放放系统的自组织使随机性同有序性相互沟通。系统的自组织使随机性同有序性相互沟通。物理学的应用（01）_标清.flv第41页，本讲稿共50页 蝴蝴蝶蝶效效应应是是气气象象学学家家洛洛伦伦兹兹19631963年年提提出出来来的的。其其大大意意为为：一一只只南南美美洲洲亚亚马马孙孙河河流流域域热热带带雨雨林林中中的的蝴蝴蝶蝶，偶偶尔尔扇扇动动几几下下翅翅膀膀，可可能能在在两两周周后后在在美美国国德德克克萨萨斯斯引引起起一一场场龙龙卷卷风风。其其原原因因在在于于：蝴蝴蝶蝶翅翅膀膀的的运运动动，导导致致其其身身边边的的空空气气系系统统发发生生变变化化，并并引引起起微微弱弱气气流流的的产产生生，而而微微弱弱气气流流的的产产生生又又会会引引起起它它四四周周空空气气或或其其他他系系统统产产生生相相应应的的变变化化，由由此此引引起起连连锁锁反反应应，最最终终导导致致其其他他系系统统的的极极大大变变化化。此此效效应应说说明明，事事物物发发展展的的结结果果，对对初初始始条条件件具具有有极极为为敏敏感感的的依赖性，初始条件的极小偏差，将会引起结果的极大差异。依赖性，初始条件的极小偏差，将会引起结果的极大差异。第42页，本讲稿共50页【文】蝴蝶效应 七喜广告_标清.flv第43页，本讲稿共50页分数维形态分数维形态残缺与破碎的美残缺与破碎的美维纳斯是罗马罗马神话中的爱与美神 第44页，本讲稿共50页分形与相似分形与相似 分分形形通通常常被被定定义义为为“一一个个粗粗糙糙或或零零碎碎的的几几何何形形状状，可可以以分分成成数数个个部部分分，且且每每一一部部分分都都（至至少少近近似似地地）是是整整体体缩缩小小后后的的形形状状”，即即具有自相似的性质。具有自相似的性质。虽虽然然分分形形是是一一个个数数学学构构造造，它它们们同同样样可可以以在在自自然然界界中中被被找找到到，这这使使得得它它们们被被划划入入艺艺术术作作品品的的范范畴畴。分分形形在在医医学学、土土力学、地震学和技术分析中都有应用。力学、地震学和技术分析中都有应用。第45页，本讲稿共50页分形与相似的例子分形与相似的例子曼德博集合是分形分形中的一个很有名的例子。朱利亚集，一个与曼德博集有关的分形。第46页，本讲稿共50页茱莉亚集茱莉亚集茱莉亚集合电茱莉亚集合电脑分形图案脑分形图案 第47页，本讲稿共50页物理科学技术的产品美物理科学技术的产品美 物物理理科科学学技技术术的的产产品品，是是物物理理学学理理论论通通过过主主体体的的创创造造性性劳劳动动转转化为化为技术的物质技术的物质产品。下图分别为动车组、埃菲尔铁塔。产品。下图分别为动车组、埃菲尔铁塔。第48页，本讲稿共50页 物物理理学学是是整整个个技技术术科科学学的的基基础础，因因而而，所所有有现现代代技技术术产产品品都都包包含含物物理理科科学学的的物物化化成成分分。当当我我们们观观赏赏现现代代喷喷气气式式客客机机翘翘首首升升上上蓝蓝天天形形象象时时，当当我我们们看看到到宇宇宙宙火火箭箭或或航航天天飞飞机机直直上上太太空空的的壮壮观观景景象象时时;或或者者当当我我们们看看到到电电影影、电电视视、激激光光布布景景或或游游戏戏机机的的屏屏幕幕上上显显示示出出的的变变幻幻无无穷穷的的美美丽丽图图景景时时，我我们们都都应应想想到到，这这一一切切美美的的现现代代技技术术产产品品同同古古代代凭凭借借经经验验积积累累而而发发明明的的技技术术装装置置有有所所不不同同，它它们们是是在在美美的的物物理理学学理理论论产产生生之之后后，在在这这些些理理论论的的指指导导之之下下创创造造出出来来的的，没没有有物物理理学学的的发发展展，也也就就没没有有现现代代艺艺术术的的诞诞生。生。物理学的艺术魅力 121017 e点e线_高清.mp4第49页，本讲稿共50页结