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现代自然科学导论
现代自然科学导论
第一章自然科学基本概念的形成与基本测量
1O、人类的进化与自然科学基本概念的形成
作为今天高级智慧生物的人类,在远古时期也与别的动物一样,对自然界的感受没什么不同。
那时的人类和一般动物一样,都能感受到饥饿、疼痛、疲倦、危险、光亮、黑暗等等。
后来人类和高级一点的哺乳动物一样,也能感受到食物、敌人、恐惧、花草、树木、别的若干动物等等。
或许这些感受从某个时期已经能上升到意识的地步,但还远远达不到形成概念的程度。
人类能与普通的动物区分开来,或许是由于生存环境的变化,或许是由于人类生存发展的需求,自然地迫使人类大脑的进化达到其功能可以把对环境的感受提高到意识的地步,并进而能形成相应的一些粗略概念。
在原始人类头脑中的众多原始而又粗略的概念中,有三个发展出了数学和物理学。
这就是物品的多少、物品的远近和诸如日月星辰的升落及等待过程的长短。
显然,物品的多少首先就是一个数量的概念,数量的概念就是数学发展起点。
但物品的多少这个概念还可以发展出另一个极有价值的概念,那就是质量。
同样,我们可以看出,物品的远近无疑可以发展出距离的概念,而日月星辰的升落及等待过程的长短,可以发展出时间的概念。
或许某些动物的头脑中也形成了物品的多少、物品的远近和诸如日月星辰的升落及等待过程的长短等概念。
但为什么它们没有象人类一样发展出数量、质量、距离和时间这些计量的概念呢?
这个问题用于人类发展的历程又过于久远而太过于复杂,因此是很难完全搞清楚的。
但有几个要素可以提供一点线索。
首先,在人类还未从灵长类动物分化出来的1700万年以前,和灵长类动物一样,有一个特殊的生理结构,那就是它们的前肢可以方便地抓拿物品。
其次,自然气候和环境的变化,有可能使得某些灵长类种群的栖息地的森林逐步消亡。
这就迫使这些灵长类种群逐步地从树上下来,到地面上寻找食物。
这时,这些灵长类种群的前肢就不再是平时要抓住树枝,以维持身体的平衡,而是用它们的前肢来搜寻抓拿食物和其他物品。
这样,这些灵长类种群的前肢就解放了,可以做更多不同的事,而前肢的功能就可能得到更大的发展。
伴随着搜寻食物和拨弄抓拿物品的过程,使得这些灵长类种群的大脑功能发展得更大、更快、更强。
无疑,前肢使用得越多,躯体就越依赖于后肢的支撑而使整个身体移动。
终于有一天,这些灵长类种群完全地直立行走奔跑了,人类诞生了!
而这一时间大约是在700万年前。
最初的人类其前肢即手的功能已发展到很强大的地步。
他们可以用手来使用木棍、木棒和石头作为工具进行捕猎、捕鱼。
后来可以用手来制造简单的工具,如刮削用的石刀、砍砸用的石斧等等。
而手使用的越多、使用方式的越复杂,就越能促使大脑功能的发展。
大脑功能发展的越强大,就越能感受和意识到越复杂过程越长的事物,并进而形成相应的概念。
而要把各种概念能加以描述,语言是不可或缺的。
人类发展出语言的时间已无从可考了。
但语言使得人类能对各种自然概念加以描述并进行交流是人类与别的包括灵长类动物的动物之间最大的不一样之处,也是人类超越别的动物的最明显表征,这也是人类能发展出数量、质量、距离和时间这些计量的较准确概念而别的动物却不能的原因。
而人类在总体功能发展的同时,也就从最初的捕猎寻求食物的生存方式,发展出了游牧和农耕的生产形态,并进而发展出了贸易、商业,同时也促进了各种概念的形成。
进行捕猎的原始人类,有的族群有时可能一次捕获的猎物多了一点,其中有活的、幼小的动物,不能全都吃完。
这时,他们有可能把那些活的和幼小的动物圈养起来,以备以后食用。
如果圈养的时间长了,某些动物如牛、羊等就有可能被驯化,并能进行放牧。
这样,游牧生产方式就开始形成了。
但某些原始人类族群有可能总是捕获不到足够动物食用,他们就有可能搜寻植物的种子食用,以维持生存。
有的族群可能其大脑的功能已发展得足够强大,能对较复杂和过程较长的事物加以感知,进而能较好地理解这类较复杂的事物,以为生存所需。
如随着对植物发芽生长、开花、结果整个较复杂过程的理解,有的原始人类族群就有可能选择一些其果实可以食用的植物,进行种植,如玉米、小麦、稻谷。
这样,农耕生产方式就形成了。
而这种生产方式只有群体协同,才会有效率,这就必然要导致了社会的产生。
华夏民族的祖先神农氏(族),就是世界上最早发展出农耕生产方式的原始人类族群之一。
不过,这些原始人类族群距离现代人类已不太远了,只不过是大约7000~1万年前的事了。
传说神农氏名叫石年,他尝了成百种植物及其种子,并一一试种,最后挑出了麦、麻、黍、稷、菽五谷进行耕种。
石年的氏族在他带领下进行了农业种植,在很大的程度上,解决了生存的问题。
为此,神农氏的族群把他尊奉为炎帝。
后来,另一个氏族的首领轩辕氏,领导着他那有点庞大的族群,打败了另一个称之为蚩尤较庞大的族群,甚至连神农氏族群的部落也归顺了,解决了轩辕氏族群的周边安全问题和发展空间问题,他的族群和各归顺的部落也就奉他为黄帝,而这也正是后来华夏大地上生活着的人们自称炎黄子孙的缘由。
今天,华夏大地上生活着的人们,有的或许就是远古时这些氏族和部落的后裔,有的或许不是。
但无论如何,这些氏族部落发展起来的文明传承到了今天,这就是华夏文明。
虽然人类的各种活动如贸易、战争等等,都能促进或阻碍自然科学的发展。
但游牧业、畜牧业和农业社会的发展,却是促进自然科学基本概念发展的主要因素之一。
对畜牧业和农业所生产出来的剩余物品要进行交换,一方面发展出了商业贸易,一方面又促进了对物品的计数和称量的技术和工具的发展。
而随着农作物种植生产的发展,相应的农业社会就需要对不同种植者所拥有的土地进行丈量,这就发展了对距离的测量工具和技术。
如生活在尼罗河畔古埃及人,每年雨季的尼罗河水,都要泛滥冲毁河畔的大片农田。
水退之后,各农家的农田都要重新丈量。
如果丈量的偏差太大,就会引起农家的冲突。
因此,丈量的工具和技术都需要提高。
另一方面,农作物的种植和人类群聚的社会,也对时间的计量和测量提出了需求。
农作物的种植是与气候相关的,而气候又与地球绕太阳的公转轨道周期一年相关-即便那时的人们还不知道地球绕着太阳公转。
再者,人们的起居生活节律是以一天为周期的。
这种生物节律在人类社会形成以后被社会强化了。
社会要求人们某天某时集结,以准备抗击入侵;会要求人们某天某时集结公布某项集体活动的处理等等。
这样,对时间的计量和测量就提出了明确的多的需求。
而这时整个人类的发展也就形成了计数(数学)和距离、质量、时间等基本的自然概念。
20、长度距离的测量
对计数方法和技术的需求,是发展出数学的前提,这是不言而喻的。
但这里并不准备讨论数学的产生和问题,这里首先要讨论的是长度距离的测量问题。
最初对距离的测量可能以步长或臂长来计,百步穿杨的成语想来汉语系统的人们都很熟悉。
但不同的人其步长或臂长是不一样的,于是就可能以一根固定长度的木棍来计。
这种固定长度的木棍后来发展成了有等分刻度的尺。
4千多年前的古埃及和中国古代都有这种测量长度距离的尺的记载,考古上这种古老的工具实物也有发现。
古代不同时期不同地区测量长度距离的工具是不一样的,作为测量长度距离的基本单位也不同。
中国古代就以丈、尺、寸作为测量长度距离的单位。
但不同的朝代,丈、尺、寸的长度也不一样。
近代中国使用的丈、尺、寸长度距离单位现在都还能见到,其换算关系是:
1丈=10尺
1尺=10寸
长度单位的不统一,会引起测量上的差异和混乱,在土地丈量时还可能引起纠纷。
中国秦朝时代的秦始皇一统战国七国后,就废除了其它六国的度量衡制,将度量衡制也统一在秦国的体系下,以免引起混乱。
当然,另一个目的就是从度量体制上,消除其他六国的存在。
古代英国国王亨利一世为了统一其国家的长度距离测量单位,有一天对大臣们平伸出自己的手臂说:
“就以我的鼻尖到手指尖的距离为一尺吧。
”这样他就统一了当时英国长度距离的测量单位。
现在的英尺是以两百年前荷兰一个鞋匠制作的一种鞋的长度为标准的,因为他做的鞋极其规整,故英语中的一英尺也就是一脚(afoot)。
我们今天常使用的米这个长度距离单位,最初是法国1791年提出来的。
1791年,法国规定从赤道到北极经过巴黎子午线其长度的一千万分之一为1米,并以1米作为测量长度距离的基本单位。
后来根据实际测量的结果,用纯铂制成了一个标准米原器,保存在法国国家档案局。
1889年,第一届国际计量大会上,又用90%的铂和10%的铱的合金制作了一个X型的国际米原器。
在它的凹槽两端分别刻着三条细线。
规定在0℃时,两端细线中间的各一条之间的直线距离为1米。
毫无疑问,用直尺进行长度距离的测量时,首先确定的只是尺子两端顶点间的直线距离,然后再对所要测量的直线段或曲线段长度一段一段地去量。
如果你用一把固定长度的尺子测量某个长度时,刚好不是这尺子的整数倍怎么办?
看来你得用更短的尺子。
但有一个更好的办法,那就是把你原来的尺子等分成更短的线段刻度,再进行测量。
如一尺分为十等分,每一等分的线段为一寸。
或者1米分成100等分,每一等分的线段为1厘米。
但你如何保证你能够对一尺进行等分呢?
古希腊人利用不知是谁发明的圆规就可以做到这一点,这你可以从两千多年前古希腊人欧几里德所写的《几何原本》中发现这种方法。
当然,他所写的书中的主要内容,你在初中的平面几何课程中都学过。
古代中国也发明了圆规这种工具,否则“没有规矩,不能成方圆”这句成语从何而来。
但把尺等分到寸是否也是用欧几里德的方法,就不得而知了。
今天,我们所使用的米这个长度距离单位用于测量时,有时会觉得太长。
于是就将其十等分或百等分,如:
1米=10分米=100厘米=103毫米=106微米=109纳米
表1.1数量级名称表
倍数和分数
用的词头
用的前缀词
符号
英语词头
G
Giga
M
Mega
k
Kilo
h
hecta
da
deca
d
deci
c
centi
m
milli
μ
micro
n
nano
p
pico
f
femto
既便长度单位的统一能消除测量上可能引起的差异和混乱,但不同的领域为了不同要点的突出,还是有使用不同长度单位的情况。
如对于天文测量,为了突出太阳系内不同行星与太阳距离的相对数量级,就使用天文单位这样的长度单位。
一个天文单位就是地球与太阳的平均距离。
地球绕太阳的运行轨道不是一个标准的圆,而是一个椭圆,距太阳的平均距离是
公里,即大约14,960万公里。
所以
1天文单位(AU)
米
有了天文单位这个长度距离的单位后,我们就可以比较突出地表出太阳系内各行星到太阳的距离。
如各行星到太阳的距离可如下表所示
表1.2各行星到太阳的平均距离
行星
水星
金星
地球
火星
木星
土星
天王星
海王星
冥王星
到太阳的平均距离
(天文单位AU)
0.39
0.72
1
1.52
5.20
9.54
19.22
30.06
39.50
作为天文观测,在很多情况下以天文单位来衡量天体之间的距离就显得太小了。
这时,通常会用光年这个长度距离单位(lightyear,单位符号是l.y.)。
1光年就是光在真空中一年所走过的距离,也就是大约
公里。
即
1光年
米
r
lφ
φ视差
图1,视差的确定与物体距离的测量
实际上,天文学家们在实际作天文观测时更常用到的一个长度距离单位是所谓的秒差距(parsec,单位符号是pc)。
秒差距这种长度距离单位来源于天文观测上一种重要的方法,即视差法。
如图,观测者在两个不同的参考位置对远处同一物体的观测,在视向上有一个角度差,这个视向角度差,就叫做视差。
若所观测的物体很远,两参考位置间的连线称为基线,则物体的距离r、基线的长度l和视差φ可有如下的关系:
通常,基线的长度和视差都可以很方便地预先测定下来。
这样,物体的距离也就可以确定了。
这种预先测定基线、在观测记下视差以确定物体距离的方法,叫做视差法。
视差法在天文观测中特别有价值,因为天体距我们的地球距离,通常都是不可直接丈量的,只有用视差法才有可能测出这种距离。
如人们就曾以地球的半径为基线长度,通过测量观测太阳或月亮的视差来得到日地距离和月地距离。
显然,基线选得越长,就越可以测量更远的天体距离我们的距离。
对于太阳系以外的天体如一些恒星,地球的半径也还嫌太短。
这时的视差太小,以至于测不出来。
但天文学家可以选取一个更长的基线,那就是地球绕太阳的公转轨道半径。
天文上规定,选此基线,测量到视差为1角秒的距离,称为1秒差距(pc)。
如此就有:
l.y.
反之,1光年的距离只相当于0.3的秒差距,即1l.y.=0.3pc。
不同的领域会使用不同长度单位,不同的文化系统也会使用不同的长度单位。
正如前面所提到的,直到现在我们还能看到汉文化系统使用的丈、尺、寸这样的长度单位。
目前,英联邦国家普遍还在使用英制单位。
如英里、英尺、英寸这样的单位。
这些不同的长度相关单位换算关系如下表所示:
表1.3长度相关单位换算表
米m
厘米cm
毫米mm
埃A
英里mile
英尺ft
英寸in
海里nmile
码yd
1
100
1000
1010
6.214*10-4
3.281
39.369
5.399*10-4
1.094
厘米cm
0.01
1
10
108
6.214*10-6
3.281*10-2
0.394
5.399*10-6
1.094*10-2
毫米mm
0.001
0.1
1
107
6.214*10-7
3.281*10-3
0.0394
5.399*10-7
1.094*10-3
埃A
10-10
10-8
10-7
1
6.214*10-14
3.281*10-10
3.937*10-9
5.399*10-14
1.094*10-10
英里mile
1609.344
1.609*105
1.609*106
1.609*1013
1
5280
63358.264
0.8689
1760.622
英尺ft
0.3048
30.48
304.8
3.048*109
1.894*10-4
1
12
1.665*10-4
0.3335
英寸in
0.0254
2.54
25.4
2.54*108
1.578*10-5
8.334*10-2
1
1.37*10-5
2.779*10-2
海里nmile
1852
1.852*105
1.852*106
1.852*1013
1.1516
6076.412
72911.388
1
2026.088
码yd
0.9144
91.44
914.4
9.144*109
5.682*10-4
3
35.999
4.937*10-4
1
30、时间的测量
人类最初对时间的测量,是以日升日落再日升为一天,以春夏秋冬四季变化一轮为一年。
这样的时间计量,最短是一天。
古代中国人又将一天分为12个时辰,分别以12种动物命名:
子(鼠)时、丑(牛)时、寅(虎)时、卯(兔)时、辰(龙)时、巳(蛇)时、午(马)时、未(羊)时、申(猴)时、酉(鸡)时、戌(狗)时和亥(猪)时,每一时辰又分为四个时刻,如午时三刻。
古代中国人还发明了一种称之为日晷的时间测量仪器(如图),可将每一时刻再细分为十二分,如午时三刻十分。
当然,如果没有太阳,日晷就不能计时了。
这时,计时就得用别的方法了。
如燃香,中国古代就有一柱香的时间这种说法。
欧洲人的计时技术一开始要比中国的落后。
但17世纪钟表的发明,使得欧洲人的计时技术一跃超过了中国。
据说,伽利略有一次注意到教堂里悬挂的油灯被风吹过后的摆动很有规律,于是他用单摆做成了一座钟。
这种钟的时间计量可以精确到今天的秒。
不过,真正实用的钟是荷兰科学家惠更斯发明的。
欧洲人把一天分为24小时,每个小时分为60分,每一分钟又分为60秒,即
1小时=60分
1分钟=60秒
今天,我们使用的计时单位就是这种时、分、秒。
能把时间计量到秒以内有着重大的意义,因为这时较准确地测量物体的运动速度就成为可能。
要知道众所周知的伽利略小车下滑实验,不但最后导致了牛顿第一运动定律的归纳性结论,也由于使用了时钟测量,最后导致了牛顿第二运动定律的产生。
实际上,伽利略用他自己的脉搏,测量了等时间内小车在斜面上下滑的距离后得出,小车是在作匀加速运动的结论。
不过,精确到秒的时钟,能更准确地测量物体的运动。
牛顿在伽利略实验的基础上,进一步实验归纳出:
物体运动的加速度与其所受到的外力成正比,与其质量成反比。
这就是著名的牛顿第二运动定律。
不过牛顿用他所研究的微分学表述了这一定律,并用他所发现的积分公式对这一定律所代表的动力学方程进行处理。
牛顿集当时集微积分学的大成,把他归纳的三个运动定律和他所发现的万有引力定律,一同写进了他的《自然哲学的数学原理》一书中。
这有点欲比古希腊几何大成欧几里德的《几何原本》一书之嫌,但并不过分,因为这是物理学的第一座理论大厦。
其搭建物理学理论的思想方法,一直影响到今天,并有可能继续影响下去。
40、质量—物质之多少的测量
质量这个词是17世纪初开始使用的,意思是指物质之多少的量度。
物质之量这个概念与化学的的发展相关,用来衡量同种化学性质的物质所含的化学分子数目。
现在衡量物质多少的计量单位是摩尔数(mol),1摩尔的某种物质其基本粒子数,如分子数、原子数、中子数的多少,是由阿伏加德罗常数来确定的。
阿伏加德罗常数是
即1摩尔的某种物质,其同类的基本粒子数是
个。
对于物理上常说的质量,则是称量出来的。
这种称量首先是与重力相关,因为如果没有重力,就不可能用什么秤来称量。
其次是要用另一种物品作比较,才能称量。
过去中国曾用斗、升等器具来称量物品,但这种称量实际上是体积的称量。
当然,无论是中国古代,还是古埃及或古希腊,都发明了秤这种工具来称量物品。
秤是利用了杠杆的原理制成的。
明确地写下杠杆原理的是古希腊人阿基米德。
古代中国人虽然没有明确写下杠杆原理,但显然是了解这个原理的,至少也是有这个原理的概念的,否则怎么会发明秤这种称量工具呢。
近代直至现代,在物理上称量质量的工具是天平。
用来作比较的物体为千克原器,它保存在巴黎的国际计量局内,是用铂铱合金制做的圆柱体。
它也是1889年第一届国际计量大会规定的。
显然,我们常用的物理上的质量与物质之多少的量,在概念上是完全不同的。
这两个概念如何关联起来呢?
今天,要做到这一点并不困难。
如我们可以定义:
(
)个质子称量的质量为1千克。
实际上,质量的概念远非如此简单。
因为,即便质量由称量来确定,也还有用什么方式称量的问题。
如我们通常对物体质量的称量,是与万有引力相关的相对静止性称量。
而用运动时物体间的相互作用来“称量”质量,则完全是另一种途径。
两种方式称量出来的质量是否等价,是一个严肃的问题。
这就是所谓的引力质量与惯性质量是否等价的著名问题。
这一问题到今天还没有真正解决。
图2,远方航行来的船,总是先看到桅杆,再看到船身。
50、观测与实验
无论一开始测量工具显得多么原始初级,但只要有了上述长度距离、时间和质量三种测量工具,那人类对所看到或感受到的,就可以由观察上升到观测的地步。
在人类文明的发展史上,可能观测出人类生活的大地是圆球形并测出其周长是第一个伟大的观测。
公元前500多年,古希腊人就注意到远方航行来的船,总是先看到桅杆,再看到船身。
由此,他们就推断船与观测者之间的地表面是圆弧形的。
并推论:
大地是一个大圆球,可称之为地球。
更妙的是,古希腊人注意到月食发生的时候,月亮上的那个黑影总是圆形的。
那时就有人推想,那个黑影不就是大地的影子吗。
由此推论,大地是圆球形的。
大约公元前240年,古希腊天文学家埃拉托斯特尼非但通过另一种观测推断大地是一个圆球,并且还测量了这个圆球即地球的周长!
据说,埃拉托斯特尼在担任亚利山大图书馆馆长时,看到一篇莎草纸文稿。
上面记载,在现今埃及的阿斯旺,6月21日夏至那天的正午时分,竖立在地面上的棍子没有阴影。
太阳可倒映在深井中的水面上。
也可能他看到这篇文稿时,刚好就要到夏至了。
于是这段记载引起了埃拉托斯特尼极大的兴趣,他决定测一下他所在的亚利山大有没有这种情况。
埃拉托斯特尼马上就作了观测实验,结果是不可能。
在亚利山大,夏至这天的阳光至少要偏离7o,也就是说正午时分阳光并不竖直照射地面。
这个观测结果非同寻常。
因为,如果大地地面是平的,就不可能出现这种情况。
只有大地地面是弧形的,才可能解释这种现象,于是他就推论大地是一个圆球。
埃拉托斯特尼不但推论大地是一个圆球,还决定测量一下地球的周长。
他雇了一名商人用旅行的方式,帮他测量一下亚利山大城与阿斯旺城之间的距离。
以今天的单位计,埃拉托斯特尼得到的测量结果大约是800公里。
据此,他很快就算出了地球的周长。
其计算结果极为精确,与今天先进技术所测量的结果4万公里相比,误差不超过400公里!
140年过后,另一位古希腊天文学家波希多留斯重做了埃拉托斯特尼的工作。
但这一次的测量结果只有2万8千公里。
由于古希腊一代学豪托勒密采用了后一个数据,所以这个错误就一直沿用至麦哲伦的环球航行后,才被重新更正为埃拉托斯特尼的数据。
有趣的是,在历史上,哥伦布正是采用了那个较小的错误数据,才敢于向西航行,从而发现了美洲大陆。
因为哥伦布以为他只要向西航行4,800公里就可以到达亚洲。
如果他知道地球的真实大小的话,说不定他就不敢作那次冒险的航行了。
大地是圆球形的概念是很重要的,因为这可以解释为什么日月星辰总是从某个固定方位升起,又向相反的方位落下。
不过可能人类有了自我意识后,人类超越了别的生物的自大心理也产生了。
那时对日月星辰总以某个固定方位升落的解释就是,日月星辰都围绕着我们转!
即日月星辰都绕着地球转,根本不考虑为什么不是地球在自转呢?
而随着测量工具的精度不断提高,测量的技术在不断地发展,观测在尽可能的情况下,成了实现或再现,即实验。
通过观测与实验,人类对自然界的了解愈来愈多、愈来愈广泛和深入。
法国人拉瓦锡从实验中对氧气的发现,结束了西方炼金术士的历史,使炼金术士走上了成为化学家的路,同时也开始了人类分析寻找构成物质的元素之路。
伽利略的自由落体实验和小球下滑滚动实验,为牛顿总结出其运动三定律和万有引力定律奠定了基础。
从此,开始了物理学理论大厦的搭建。
教士孟德尔8年的豌豆种植观察,开创了现代生物遗传科学。
当然,要不是两位植物学家科伦斯和切尔马克发现,他们所做的遗传学方面的工作,在他们35年之前的孟德尔就已经在他那小教堂的菜园里就做过,那孟德尔很可能就掩没在漫漫的历史沉积之中。
今天的自然科学就是建立在观察、观测和实验的基础上,以找到自然现象背后所遵循的规律,并以此建立理论体系。
目前所进行的观察,主要是对近距离发生的自然现象作不破坏性的观察,如观察生物种群的繁衍、迁徙、生长、生息等。
而观测主要是对远距离的存在、所发生的自然现象作的观察测量,如天文观测。
人类进行天文观测的历史,可能是所有能进行的观测中最为悠远的。
那深邃的天空,一定能引起远古时代有了意识的人类无限的遐思。
想一想吧,我们今天所说的什么白羊座、摩羯座等等所有的星座,是四千多年前的古希腊人就观测确定的。
公元1054年中国的宋代记录下的一次超新星爆发,其遗留下的就是今天的蟹状星云。
四百多年前荷兰一个小镇上的
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