实证和化约论的成功与限制课件.ppt

1、實證和化約論的實證和化約論的成功與限制成功與限制 近代科學的兩條腿近代科學的兩條腿實證和化約實證和化約 實證化約的歷史路徑實證化約的歷史路徑 希臘傳統中的希臘傳統中的-“原子原子”波義爾波義爾 氣壓的實證氣壓的實證 拉瓦錫拉瓦錫 定義化學元素定義化學元素化學反應中的化約觀化學反應中的化約觀 原子論原子論 道爾頓道爾頓ROBERT BOYLE(1627-91)Boyles air pump.Lavoisier,Antoine (1743-1794)1788 Oil on canvas Metropolitan Musuem of Art,New York Portrait of Antoine-

2、Laurent and Marie-Anne Lavoisier(detail)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 kn

3、own as phlogiston.Metals and fire were considered to be rich in phlogiston and earth was considered oxygen poor.http:/ John Dalton-father of the modern atomic theory Lavoisier definition of the chemical elements was an essential foundation for Daltons atomic theory物理學的化約論物理學的化約論 1895年年 拉塞福拉塞福 原子核原子核

4、 1898年年 湯普生湯普生 電子的發現電子的發現質子、中子、電子質子、中子、電子 更小的粒子更小的粒子 輕子和夸克輕子和夸克Ernest Rutherford J.J.Thomson May 1932:Chadwick reports the discovery of the neutron 物理學的化約論物理學的化約論 1895年年 拉塞福拉塞福 原子核原子核 1897年年 湯普生湯普生 電子的發現電子的發現質子、中子、電子質子、中子、電子 更小的粒子更小的粒子 輕子和夸克輕子和夸克 Quantum Theory Timeline At the start of the twentieth

5、 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 Einsteins theory of relativity which replaced Newto

6、nian 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.http:/www.particleadventure.org/other/history/quantumt.htmlParticles discovered 1898-

7、1964http:/www.particleadventure.org/other/history/quantumt.htmlhttp:/www-physics.lbl.gov/physdiv/images/new/1999chart.jpgStandard Model of Elementary ParticlesMissMJ Murray Gell-Mann Coined quark James Joyces Novel Finnegans Wake jurvetson of Forces of Nature.Between them,Caltech physicists Murray G

8、ell-Mann(left)and Richard Feynman dominated the landscape of postwar theoretical physicis and laid much of the groundwork for the current work on unification.http:/pr.caltech.edu/periodicals/CaltechNews/articles/v38/asymptotic.html波還是粒子?波動力學 矩陣力學哥本哈根詮釋哥本哈根詮釋 把電子波與發現機率聯繫起來，並主張波包塌把電子波與發現機率聯繫起來，並主張波包塌縮

9、的一種對物質縮的一種對物質波的量子論解釋，已經成波的量子論解釋，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，物理學家釋建立在由德國數學家，物理學家Max Born所提所提出的波函數的機率表達上，之後發展為著名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。不再是猜想，而是作為一條定律而存在了。量子量子論以及這條詮釋在整個自然科學以及哲學的

10、發展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。和研究中都起著非常顯著的作用。維基百科：哥本哈根詮釋Max BornNiels BohrNiels Bohr InstituteNiels 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 CopenhagenGFHund測不準

11、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 Schrdinger,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

12、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。波粒雙重性波粒雙重性（Wave-Particle Duality）：在波粒雙重性觀念提出之初，就引起了）：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，還認是波，星期天

13、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；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。沒有內在矛盾，可以自圓其說。http:/www.phy.ncu.edu.tw/dc

14、c/History/Struggle%20of%20Titans.htm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：qph/4p;tEh/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(q及p)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

15、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

16、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

17、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。http:/www.phy.ncu.edu.tw/dcc/History/Struggle%20of%20Titans.htm量子力學的成功和限度量子力學的成功和限度 海森堡海森堡 測不

18、準原測不準原理理 哥本哈根的詮釋哥本哈根的詮釋 薛丁格的貓薛丁格的貓 愛因斯坦的反對愛因斯坦的反對 上帝不玩骰子上帝不玩骰子 The more precisely the POSITION is determined,the less precisely the MOMENTUM is known 量子力學的成功和限度量子力學的成功和限度 海森堡海森堡 測不準原測不準原理理 哥本哈根的詮釋哥本哈根的詮釋 薛丁格的貓薛丁格的貓 愛因斯坦的反對愛因斯坦的反對 上帝不玩骰子上帝不玩骰子 Erwin SchrdingerSchrdingers CatDhatfield愛因斯坦愛因斯坦-波多斯基波多斯基

19、-羅森悖論羅森悖論 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

20、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。維基百科God plays no dice.量子力學是令人讚嘆的，但是有一個內在的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。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。更多一點的接近上帝的奧祕。無論如何，無論如何，我不相信上帝是擲骰子的。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方程，推導出看作奇點的物質粒子的運動方程。程。19

21、26年年12月月4日愛因斯坦致波爾信函日愛因斯坦致波爾信函原文參考：A reprint of this book was published by Edition Erbrich in 1982,ISBN 388682005XFreeman Dyson,frog prince of physics Freeman Dyson loves the metaphor that divides scientists into two groups:Birds,who look down upon everything and have a Gods-eye view of the world,and

22、 frogs,who spend their time in the mud.The renowned Princeton physicist calls himself a frog.Im not against the first group,but they take an exalted view of science.Frogs typically enjoy exploring things locally and developing skills.October 6,2006 By Esther Soloveichik Sponk生物學的效尤生物學的效尤分子生物學到基因科學分子

23、生物學到基因科學實証的迷思實証的迷思和和認知的困境認知的困境 跳不動的青蛙跳不動的青蛙 走不出迷宮的老鼠走不出迷宮的老鼠Rudolf Ludwig MssbaueGerman physicist and winner,with Robert Hofstadter of the United States,of the Nobel Prize for Physics in 1961 for his discovery of the Mssbauer effect.Two criteria for the Empirical Science Repeat Reproduce跳不動的青蛙跳不動的青蛙

24、Flicker:striaticTwo criteria for the Empirical Science Repeat Reproduce 7 13 17 23 37 6 8 12 20 25 36 走不出迷宮的老鼠走不出迷宮的老鼠Wiki user:MadprimeWiki User:ZeroOne實證科學的再定義實證科學的再定義Redefination of the Empirical Science 自圓其說自圓其說 (Self Consistency)運作有效運作有效 (Operation Effective)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

25、波耳（Niels Bohr,1885-1962）、愛因斯坦(Albert Einstein,1878-1955)、海森堡(Werner Heisenberg,1901-1976)、薛丁格(Erwin Schrdinger,1887-1961)。特別是愛因斯坦與波耳，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，而愛因斯坦與薛丁格則是反對派的代表。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

26、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。波粒雙重性波粒雙重性（Wave-Particle Duality）：在波粒雙重性觀念提出之初，就引起了）：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

27、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；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。沒有內在矛盾，可以自圓其說。http:/www.phy.ncu.edu.tw/dcc/History/Struggle%20of%20Titans.

28、htm自然科學本身絕無資格稱為嚴格之學。自然科學本身絕無資格稱為嚴格之學。不管是那一門自然科學不管是那一門自然科學物理、天文、化學、生物理、天文、化學、生物、醫學、心理學等等物、醫學、心理學等等都建立在兩個未經嚴格都建立在兩個未經嚴格批判就加以接受的預設或假定之上：批判就加以接受的預設或假定之上：1、自然科學家毫不批判的接納他們所研究的對、自然科學家毫不批判的接納他們所研究的對 象的象的外在世界和內在世界外在世界和內在世界的實有性和的實有性和存在性的看法，無疑假定研究對象的真實性。存在性的看法，無疑假定研究對象的真實性。2、自然科學家毫不究問的假定人類有認知外在、自然科學家毫不究問的假定人類有

29、認知外在 世界的能力。世界的能力。奧地利的現象學大師奧地利的現象學大師 胡塞爾胡塞爾 (Edmund Gustav Albrecht Husserl)我的觀察經驗我的觀察經驗科學家的信念科學家的信念和和科學界的信仰科學界的信仰Niels Bohr 如果一個人說他可以思考量子物理如果一個人說他可以思考量子物理而不感到疑惑迷糊，而不感到疑惑迷糊，那只表示出他完全不懂得量子物理那只表示出他完全不懂得量子物理是怎麼一回事。是怎麼一回事。量子力學大師量子力學大師 波爾波爾（Neils Bohr)I think it is safe to say that no one understands quant

30、um mechanics.Do not keep saying to yourself,if you can possibly avoid it,But how can it be like that?because you will get down the drain into a blind alley from which nobody has yet escaped.“Richard FeynmanThose who are not shocked when they first come across quantum mechanics cannot possibly have u

31、nderstood it.Niels BohrEugene Paul Wigner 1902-1995The Nobel Prize in Physics 1963Thus,relativisticQuantum Theory is at least four lavers Deep.“The Limits of Science”By Eugene P.Wigner 原文參考：The Limits of Science EUGENE P.WIGNER人們沒有認識自己所做實驗的選擇性質，選人們沒有認識自己所做實驗的選擇性質，選擇是建立在概念上的，而這個概念也許是不合擇是建立在概念上的，而這個概念

32、也許是不合適的。適的。每個人創造力的生理局限和社會局限，可能每個人創造力的生理局限和社會局限，可能比自然的局限性更為嚴重比自然的局限性更為嚴重。物理學的未來物理學的未來 楊振寧楊振寧 1961年年 發表於美國麻省理工學院發表於美國麻省理工學院百年校慶論壇百年校慶論壇Alanmak杨振宁文集一種化約論的學說並不就是一種建構論的學說。一種化約論的學說並不就是一種建構論的學說。具備將任何事物化約成簡單基本定律的能力，並不就代表能夠具備將任何事物化約成簡單基本定律的能力，並不就代表能夠 靠這些基本定律去建構宇宙。靠這些基本定律去建構宇宙。事實上，粒子物理學家告訴我們越多基本定律的特性，他們和事實上，粒

33、子物理學家告訴我們越多基本定律的特性，他們和其他科學領域中而真正要緊問題的相關也就越少，和社會中真正其他科學領域中而真正要緊問題的相關也就越少，和社會中真正要緊問題的關聯，則更加的少。要緊問題的關聯，則更加的少。建構論的學說，遇上尺度和複雜性的雙難建構論的學說，遇上尺度和複雜性的雙難局面時就說不通了。局面時就說不通了。諾貝爾物理獎得主諾貝爾物理獎得主 安德森安德森(P.W.Anderson)Human science face an impasse since their central concept of the self is transcendental.人類科學面對了一個難局，人類科

34、學面對了一個難局，因為他對於本身的中心概念是先驗的。因為他對於本身的中心概念是先驗的。史登（史登（Gunther S.Stent)近代科學的成功不是來自知識理論的正確性近代科學的成功不是來自知識理論的正確性，而是來自其可以發揮的巨大應用效力而是來自其可以發揮的巨大應用效力。The Limits of ScienceBy Eegene P.Wigner原文參考：The Limits of Science EUGENE P.WIGNERSteven Weinberg,American Physcist,Winner of 1979 Nobel Prize on Physics 我們對宇宙了解得越多，我們對宇宙了解得越多，就越發感覺到宇宙的無意義。就越發感覺到宇宙的無意義。The more the universe seems comprehensible,the more it also seems pointless.“宇宙的最初三分鐘宇宙的最初三分鐘”“The first three minutes”諾貝爾物理獎得主諾貝爾物理獎得主 溫伯格溫伯格（Steven Weinberg)Wikipedia原文語句是先天?還是測量?Neils Bohr:Complementarity PrincipleGJo版權標示頁