哪些称作入门?就是才能把对事物的基本认识观及认识角度给到我们。虽然对化学学有浓烈兴趣的人,也绝对不是一开始就从直接面对硬核的物理公式和冗长的专业术语开始的。
所以,假若对化学学有一点点兴趣的话,这么理查德·费曼的数学学课件似乎真得能帮你打开化学学的房门。
对普通人来说,认识化学真正困难的地方在于,我们没有办法一开始就从专业、精细化的概念上理解它。我们首先理解的是普遍性的东西,还有就是泛化性的概念。化学学家从精细化、专业化的方向下去研究数学规律,她们不能取代我们思索,但他若能给到我们认识数学的角度,那我们就能从理解数学里面获益,虽然我们要面对的是自然界中确定无疑的定理。无论我们去不去发觉它,它始终就在那儿。
法籍犹太裔数学学家理查德·费曼
费曼的数学科学观
费曼即使作为一位理论化学学家,但他却仍然指出实验的重要性。这一点在他的数学学课件中彰显得淋漓尽致。他发表了好多对于其他学科的想法,他说“物理学是过去所称的自然哲学在昨天的等当物,现代科学的大部份来自于自然哲学。”但对于纯粹哲学的心态,费曼又说“为了发觉某种东西,去做一些细致的实验要比引用深刻的哲学论点强。”
在对心理学的心态上,费曼称“精神剖析并不是一门科学,它充其量是一个医疗过程。”至于理由,费曼则称“因为精神剖析并没有用实验仔细检验过,难以给出一张清单,在多少例中它有效,多少例它无效,等等。”
费曼深信,我们通过“大多数实验”来具象出某个普遍定理。我们仅仅必须接受我们所看到的,之后通过我们的实际经验来产生我们其他的观念。
其实在对待科学的心态上,这一点使他在院长数学学上,也会使非数学学的专业人士愈发容易接受一些。由于数学学学习的困难不仅仅在于接受数学学概念的能力,还在于连结概念的能力。我们若能通过实验(尤其是亲身试验)来验证数学规律的话,那我们接受数学概念会愈加容易。我们亲眼看到东西从空中掉到地上、西湖的潮汐现象后,再来理解万有引力,会愈加直观地理解化学学。而若是纯粹的理论化学学,对于这么深奥玄奥的知识,普通人理解它的困难在于根本没有想像的能力去接受其明显但又硬核的化学学概念。
但是即使用实验来验证理论化学,那也是化学学家的事情。非专业人士并不懂得怎样做实验,更不用说控制实验中的相关变量。相对于理解其为何要那样做实验,我们更在乎的是实验发觉了哪些。费曼在院士化学学上,依然采用的是往年所用的精典反例。这种实验真得是我们绕不开的理解数学学(尤其是量子化学学)所须要的实验。但是费曼讲解的方法,是用的是愈发浅显的方法,这促使我们接受数学学的概念不再这么佶屈聱牙。
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理查德·费曼
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首先看我们从基本认识观上来理解化学,费曼提出的这种观点促使我们理解化学及其他相关学科显得愈发有信心。有信心很重要,由于它使我们勇于面对化学学。
“一切人类的直接经验和直觉都是关于大的客体的。我们晓得大的客体的行为将是如何,然而小尺度事物的行为偏偏不是这样。为此我们不得不用一种具象或想像的方法来学习它,而不是与我们的直接经验相联系。”这是费曼对于我们认识数学学方法的论述。后面的一句话是针对于宏观物理(精典热学)的认识,上面的一句话则是针对微观化学学的认识,非常是针对于20世纪90近代以来的量子热学的发觉。
费曼对于整个数学学的认识观如下:
大自然整体的每一片段或部份,仍然只是对完整的真理(或迄今我们所认识的完整真理)的迫近。事实上,我们晓得的每件事物都只是某种近似,由于我们晓得我们至今还不晓得所有的定理。为此,我们之所以要学习一些东西,正是为了之后再舍弃它,或则,更恰当地说物理学家费曼,再改正它。
从这个观点上来说,化学学虽然正在迈向大统一理论,化学学家也在不断尝试着将化学学的四大互相斥力统一上去。费曼在化学学课件中提及“物理学历史的统一,首先,是力学和热学的统一。当原子在运动时,运动越剧烈,系统包含的热量就越多,因而,热和所有的体温效应可以使劲学定理来说明。另一次极大规模的统一是发觉了电、磁和光之间的关系,弄清楚了它们是同一事物即我们明天所称的电磁场的不同侧面。另一次统一是物理现象(各类物质的各类性质)和原子行为的统一,这发生在量子物理中。”
现今的问题似乎是,这些统一能不能继续进行下去,直到把万事万物都统一在一起,但是发觉这个世界仅仅是一种事物的不同侧面?没人晓得它的答案。我们只晓得,这样做下去时,我们发觉可以把一些事实统一进来,然而此后又发觉一些不能列入这个统一方案的事实,我们就继续玩这些拼图游戏。拼图的基元单位的数量是否有限,或拼图是否有个边界,都还是未知数。除非有这么三天能拼成这个图,否则我们永远不会晓得这种问题的答案。如今我们要做的是,瞧瞧这个用最少的原理来理解各类基本现象的统一过程进行到哪些程度了,现状怎么。简单地说就是,事物是由哪些构成的?有多少种基本元素?
由此我们晓得费曼对于数学学的认识给与我们两个观点,一,把对化学学的认识当作一个拼图游戏,我们如今早已有了拼图的基本框架(基本数学学的理论框架)在玩这个游戏的过程中,不断把新发觉的理论当作拼图的一角,之后将其填充到拼图里。最后我们会得到一个关于真理的完整统一的拼图。至于它最终是哪些样的,没人晓得,当前仍是数学学往前发展的阶段。二,这个世界仅仅是一种事物的不同侧面,从这个角度讲,我们看见的万事万物是同一件事物的不同表现,无论是事物上表现下来的万有引力,还是电磁力、热力等,都是其热学的不同表现。
晓得了这两点,会对我们理解数学学有一点帮助。对于专业的知识,我们首先了解的是泛化的概念,而不是精确的概念,正是由于此,普通人才能在数学的学习上参与进来,发表议论;但我们谈得可能不会很深。我们可以谈万有引力定理,却极少晓得怎样证明它;我们谈量子
热学,但我们却不能晓得角动量守恒定理是怎么得下来的。要想真正理解一条定理,那是入门以后的事情了。
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怎样样才是理解?费曼在课件中给我们做出了精彩浅显的比喻。
我们所谓的“理解”某一事物,到底是哪些意思呢?我们可以把组成这个“世界”的这种运动事物的复杂组合物理学家费曼,想像成天神们下的一盘巨大的围棋,而我们是这局棋的听众。我们不晓得弈棋的规则,容许我们做的就是观看这场棋赛。其实,假如我们看的时间够长,我们终归能看出几条规则来。这种弈棋规则就是我们所说的基础数学学。并且,虽然我们晓得每一条规则,我们也可能不懂在棋赛中为何要走具体某一步棋,这仅仅是由于情况太复杂而我们的智力是有限的。假如你会对弈就一定晓得,学会所有的规则是容易的,而要选择最佳的走法或理解人家为何如此走则往往很难。在自然界中也是这么,只是程度更厉害,但我们起码才能发觉所有的规则。实际上,明天我们还不晓得所有的规则。(比方,时常发生的“王车易位”我们就还不懂。)不仅我们还不晓得全部规则之外,用已知的规则我们确实能解释的事物也是十分有限的,由于几乎所有的情况都非常复杂,我们不能用这种规则领会这盘棋的走法,更不用说预言下一步将发生哪些情况了。为此,我们只能满足于弈棋规则这个比较基本的问题。假如我们晓得了规则,就觉得我们“理解”了世界。
所以对我们普通人来说,我们要理解,是理解化学学发觉了哪些,而不是关心它为何这样运行。
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理查德·费曼
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对量子热学的认识观
明天我们晓得,牛顿定理在太阳系内是绝对正确的,但是它还是至为简单的。“但是这条定理真是如此简单么?它的机制是哪些?我们所做的全部只是描述月球怎么绕太阳转,而且我们并没有说是哪些使它这样运行。牛顿对此没有做任何假定;他只满足于找出它做哪些,而没有深入研究它的机制。从那时以来,没有人给出过任何成功的机制。这是数学定理的特点,它们都具有这些具象的特点。”
艾萨克·牛顿
对于牛顿来说,他把这一切归为是上帝的杰作。但对于更多的化学学家,她们通过其他方法来认识数学。她们发觉,所有的物质都是由微小粒子组成的,而且自然界中存在几种互相作用,例如核力等。但在这种核力或电力中,还从未发觉有哪一个可以拿来解释引力。爱因斯坦把相对论引进来,对它进行了修正。
在对于电磁波的精典理论上,大量事实表明,它特别适宜描述自然界的许多效应。但是在讨论比较大块物质的行为—比方说它们的热学性质或热性质。在讨论这种性质时,我们会发觉,“经典理论”(或较老的理论)几乎立刻就失效了,由于物质实际上是由原子大小的粒子组成的。也正因因此,量子热学骤然出现了。
但是问题又出现了,我们要用实验验证新的量子热学的理论。我们做实验仪器的尺度必须小到不可能做下来的程度。由此我们才可以对其做出观测。为此,我们如今才晓得为何量子热学的好多理论是通过“思想实验”(不确定性原理、薛定谔的猫等等)验证下来的,费曼说我们之所以选择这样做是由于它适于想像。似乎,这是对量子理论化学学家来说的。对于普通人来说,我们并不具备这些想像的能力。
用炮弹做的干涉实验
用水波做的干涉实验
用电子做的干涉实验
对于精典热学来说,我们晓得了行星的运动规律,我们晓得了星体之所以发光,是由于内部在不断地进行着核反应。我们可以预测并观察到太阳系内其他天体的运动。
海森堡提出,只有存在着某种前所未知的对我们的实验能力的基本限制,当时新发觉的这些自然定理才才能相容一致。也就是说,我们能发觉这种自然定理是由于我们可以理所应该的发觉它们。在量子热学这儿,我们发觉不了它们也是理所应该的发觉不了。
我们可以用不确定性原理来解释里面的电子干涉实验的结果,就是我们“不可能设计出一种仪器以确定电子穿过那个孔,而同时又不使电子遭到足以破坏其干涉图样的干扰。”如果一种仪器才能确定电子穿过那个孔,它就不可能精巧到使分布图样不遭到实质的干扰。没有任何人找到过(或甚至想到过)一种绕开不确定原理的方式。为此我们必须假设它描述了自然界的一个基本特点。”
测出墙的反冲的实验
也就是说,精典热学和量子热学之间的一个特别重要的差异就是:我们仍然在谈论一个电子在给定的情况下到达的机率。我们曾暗示,在我们的实验安排下(或哪怕是在尽可能好的实验安排下)不可能精确预言会发生的事情。我们只能预言事情发生的机会!假如这是真的,这将意味着,物理学早已舍弃了精确预言在确定的情况下会发生哪些事情。是的,数学学已然舍弃了这个!我们不晓得怎么预言在给定情况下会发生哪些事情,但是如今我们相信这是不可能的,唯一可以预言的东西是不同风波的几率。
虽然爱因斯坦说上帝不会掷色子,但在阿姆斯特丹学派这儿看来,虽然她们才是对的。在目前,我们只能限于估算几率。
第五届索尔维大会合影
至于说“这是如何导致的?这条规律背后有哪些机制?”还没有人找到过这一规律背后的任何机制。
为此,费曼对量子热学做出了这样的推论:量子热学以其饱含风险但却精确的形式存在着。