目录

  • 1 绪论
    • 1.1 易中天悖论
    • 1.2 钱学森问题
    • 1.3 科学是什么?
    • 1.4 爱因斯坦定义科学
    • 1.5 科学起源
    • 1.6 欧洲历史简介
    • 1.7 通识教育是什么?
    • 1.8 学习要点
  • 2 哲学、数学、科学同时起源于古希腊
    • 2.1 科学祖师在哪里?
    • 2.2 新月沃土
    • 2.3 地中海
    • 2.4 古希腊神话
    • 2.5 《神谱》与宇宙起源说
    • 2.6 理性之门
      • 2.6.1 盗用神权
      • 2.6.2 剥夺神权
      • 2.6.3 寻求普遍性
    • 2.7 理性之祖Thales
    • 2.8 原创何来?
  • 3 古希腊三杰建立形式逻辑体系
    • 3.1 古希腊哲学简介
    • 3.2 前苏格拉底哲学家中的其他科学家
    • 3.3 苏格拉底简介
    • 3.4 苏格拉底之问
    • 3.5 苏格拉底之法
    • 3.6 苏格拉底之死
    • 3.7 理性是什么?
    • 3.8 柏拉图简介
    • 3.9 柏拉图的“回忆”说
    • 3.10 柏拉图定义“意见”与“知识”
    • 3.11 柏拉图的“洞穴喻”
    • 3.12 柏拉图正多面体四原素说
    • 3.13 柏拉图的《理想国》
    • 3.14 柏拉图的理念、理型与共相
    • 3.15 理念是什么?
    • 3.16 柏拉图定义“哲学”
    • 3.17 柏拉图的“太阳隐喻”
    • 3.18 柏拉图的“线喻”
    • 3.19 理念、理型的词源
    • 3.20 亚里斯多德完成形式逻辑体系
  • 4 形式逻辑体系启蒙教科书
    • 4.1 跟谁学逻辑?
    • 4.2 欧几里德原本
    • 4.3 “自学”是扯淡
    • 4.4 欧几里德原本的内容
    • 4.5 欧几里德的“定义”
    • 4.6 欧几里德的“公设”
    • 4.7 欧几里德的“共识”
    • 4.8 欧几里德的“证明”
    • 4.9 古希腊科学是什么?
  • 5 从自然哲学到自然科学之路
    • 5.1 古希腊科学的创新亮点
    • 5.2 荒谬的亚里斯多德物理学
    • 5.3 阿基米德
    • 5.4 中世纪的阿拉伯科学
      • 5.4.1 西方的科学导师海什木
      • 5.4.2 西方的哲学、医学导师阿维森纳
    • 5.5 中世纪的西方科学
      • 5.5.1 罗吉尔•培根
      • 5.5.2 牛津大学校长罗伯特•格罗塞特
      • 5.5.3 冲力说理论
      • 5.5.4 巴黎大学校长让•布里丹
      • 5.5.5 牛津计算者与默顿匀加速运动定律
      • 5.5.6 尼古拉•奥里斯梅与运动的几何表示
      • 5.5.7 奥卡姆剃刀
    • 5.6 文艺复兴简介
    • 5.7 “通才”或者“文艺复兴人”
      • 5.7.1 达•芬奇
      • 5.7.2 文艺复兴式科学家盖姆
    • 5.8 天主教会的神职科学家
    • 5.9 科学革命简介
    • 5.10 科学革命英雄谱
      • 5.10.1 Andreas Vesalius 维萨留斯
      • 5.10.2 Christopher Clavius 克拉维
      • 5.10.3 Tycho Brahe 第谷•布拉赫
      • 5.10.4 William Gilbert 威廉•吉尔伯特
      • 5.10.5 Thomas Hobbes 托马斯•霍布斯
      • 5.10.6 Baruch Spinoza 斯宾诺莎
      • 5.10.7 Robert Boyle 罗伯特•波义耳
      • 5.10.8 Robert Hooke 罗伯特•胡克
      • 5.10.9 Christiaan Huygens 惠更斯
      • 5.10.10 Simon Stevin 力学先驱
      • 5.10.11 “科学革命”六人行
        • 5.10.11.1 哥白尼
        • 5.10.11.2 培根
        • 5.10.11.3 伽利略
        • 5.10.11.4 开普勒
        • 5.10.11.5 笛卡尔
        • 5.10.11.6 牛顿
  • 6 科学的基石:经验 + 理性
    • 6.1 科学界为何粉培根?
    • 6.2 培根的“四个偶像”
    • 6.3 科学探索的培根方法
    • 6.4 培根与英国经验主义传统
    • 6.5 归纳法的致命伤
    • 6.6 笛卡尔简介
    • 6.7 笛卡尔科学方法“四戒律”
    • 6.8 笛卡尔几何学
    • 6.9 笛卡尔几何PK欧几里德几何
    • 6.10 笛卡尔PK培根
  • 7 牛顿建立第一个科学体系
    • 7.1 伽利略开创现代科学
    • 7.2 伽利略的《论两种新科学》
    • 7.3 开普勒行星运动三定律
    • 7.4 牛顿简介
    • 7.5 牛顿的老师
    • 7.6 《自然哲学的数学原理》
    • 7.7 牛顿“发现”“定律”了吗?
    • 7.8 牛顿的光学
    • 7.9 牛顿的研究方法
    • 7.10 牛顿的影响无以伦比
  • 8 爱因斯坦、狄拉克开创现代科学体系
    • 8.1 李政道先生的启蒙老师讲牛顿
    • 8.2 动能概念的发明
    • 8.3 古典力学体系
    • 8.4 牛顿以来的基本物理学发现
    • 8.5 爱因斯坦简介
    • 8.6 相对论与量子力学
    • 8.7 现代科学体系
  • 9 科学的核心是科学方法
    • 9.1 科学方法总结
    • 9.2 量子物理学始创者所用科学方法举例
      • 9.2.1 普朗克的量子理论
      • 9.2.2 玻尔的量子理论
      • 9.2.3 德布罗意的量子理论
      • 9.2.4 海森堡的量子理论
      • 9.2.5 狄拉克的量子理论
      • 9.2.6 薛定谔的量子理论
    • 9.3 科学范式与科学革命中的范式转变
    • 9.4 科学是什么?
  • 10 它山之石,可以攻玉
    • 10.1 徐光启遗教:苟利于国,远近何论焉?
    • 10.2 “西学中源”实乃误国之妄言
    • 10.3 日本科学崛起之启示
    • 10.4 解决钱学森问题之法则
牛顿以来的基本物理学发现


Advances in the knowledge of the laws of nature consisting either of experimental discoveries or theoretical proposals that were confirmed experimentally:

  1. 1687 Newton Laws of motion,Law of gravity

  2. 1782 Lavoisier Conservation of matter

  3. 1785 Coulomb Inverse square law for electric charges

  4. 1801 Young Wave theory of light

  5. 1803 Dalton  Atomic theory of matter

Antoine Lavoisier

(1743—1794)

He found and termed oxygen、hydrogen、the first extensive list of elements. 

拉瓦锡,法国著名化学家,近代化学的奠基人之一,“燃烧的氧学说”的提出者。1743年8月26日生于巴黎,因其包税官的身份在法国大革命时的1794年5月8日于巴黎被处死。拉瓦锡与他人合作制定出化学物种命名原则,创立了化学物种分类新体系。拉瓦锡根据化学实验的经验,用清晰的语言阐明了质量守恒定律和它在化学中的运用。这些工作,特别是他所提出的新观念、新理论、新思想,为近代化学的发展奠定了重要的基础,因而后人称拉瓦锡为近代化学之父。拉瓦锡之于化学,犹如牛顿之于物理学。

Charles-Augustin de Coulomb

(1736—1806)

法国物理学家

军事工程师

土力学奠基人

库仑出生于昂古莱姆,毕业于军事工程学校,在军中服役多年,后因为健康原因被迫退役。有了闲暇的时间,他便开始进行科学研究,著有Theoriedes Machines Simples,并因此选为法国科学院院士。于1785年发现,因而命名的一条物理学定律库仑定律。

库仑定律阐明,在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与距离平方成反比,与电量乘积成正比,作用力的方向在它们的连线上,同号电荷相斥,异号电荷相吸。

Thomas Youg

(1773—1829)

Polymath

Physics

Physiology

Egyptology

托马斯·杨(Thomas Young)英国医生、物理学家,光的波动说的奠基人之一。他不仅在物理学领域领袖群英、名享世界,而且涉猎甚广,光波学、声波学、流体动力学、造船工程、潮汐理论、毛细作用、用摆测量引力、虹的理论……力学、数学、光学、声学、语言学、动物学、埃及学……他对艺术还颇有兴趣,热爱美术,几乎会演奏当时的所有乐器,并且会制造天文器材,还研究了保险经济问题。而且托马斯·杨擅长骑马,并且会耍杂技走钢丝。

根据实验观察的水波图样,托马斯·杨亲手绘制的双缝干涉现象。

托马斯·杨在物理学上作出的最大贡献是关于光学,特别是光的波动性质的研究。1801年他进行了著名的杨氏双缝实验,证明光以波动形式存在,而不是牛顿所想象的光颗粒(Corpuscles),该实验被评为“物理最美实验”之一。二十世纪初物理学家将杨的双缝实验结果和爱因斯坦的光量子假说结合起来,提出了光的波粒二象性,后来又被德布罗意利用量子力学引申到所有粒子上。

双缝衍射图案 :

“尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是百无一失的。我……遗憾地看到他也会弄错,而他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”

                                                                                                                               ——托马斯·杨

John Dalton

(1766—1844)

English chemist

meteorologist

physicist

1820 Ampère, Biot, Savart Evidence forelectro-magnetic interactions

1824 Carnot Ideal gas cycle analysis

1838 Michael Faraday Lines of force, fields

1843 Mayer, Kelvin Conservation of energy

Michael Faraday法拉第

(1791—1867)

Faraday's law of induction

Electro chemistry

Faraday effect

Faraday cage

Faraday constant

Faraday cup

Faraday's laws of electrolysis

Faraday paradox

Faraday rotator

Faraday-efficiency effect

Faraday wave

Faraday wheel Lines of force

Benzene Terms anode,cathode,electrode,and ion

In 1838,Michael Faraday passed a current through a rarefied air filled glass tube and noticed a strange light arc with its beginning at the cathode and its end almost at the anode.

Crookes tube 早期阴极射线管:

Although Faraday received little formal education and knew little of higher mathematics, such as calculus,he was one of the most influential scientists in history.Historians of science refer to Faraday as the best experimentalist in the history of science.

Albert Einstein kept a photograph of Faraday on his study wall alongside pictures of Isaac Newton and James Clerk Maxwell.

1847 Joule,Helmholtz Conservation of energy 2

1850 Clausius,Kelvin Second law of thermodynamics

1863 Clausius Entropy

1867 Maxwell Dynamic theory of gases

1861 Kirchhoff Black body

1864 Maxwell Dynamical theory of the electromagnetic field

1871—89 Boltzmann,Gibbs Statistical mechanics 

1888 Hertz Electromagnetic waves

Carl Friedrich Gauss高斯

(1777—1855)

德国数学家

物理学家

天文学家

在高斯19岁时,仅用尺规便构造出了17边形,并为流传了2000年的欧氏几何提供了自古希腊时代以来的第一次重要补充。高斯被认为是最重要的数学家,并有“数学王子”的美誉。

麦克斯韦James Clerk Maxwell

(1831—1879)

电动力学的创始人

统计物理学的奠基人

麦克斯韦方程式是古典物理学的基本方程式,更是现代物理学的(相对论、量子论)。

1888年,赫兹发现电磁波,用实验证实了麦克斯韦方程。这是牛顿力学之后,又一个理论物理学辉煌成就(triumph)。

四大力学中两大古典力学被实验证实。

赫兹Heinrich Rudolf Hertz

(1857—1894)

电磁波之父

光电效应之父

“波粒二象性”之父

赫兹对人类文明作出了很大贡献,正当人们对他寄以更大期望时,他却于1894年元旦因血中毒逝世,年仅36岁。为了纪念他的功绩,人们用他的名字来命名各种波动频率的单位,简称“赫”。赫兹也是是国际单位制中频率的单位,它是每秒中的周期性变动重复次数的计量。赫兹的名字来自于德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹,其符号是Hz。电(电压或电流),有直流和交流之分。在通信应用中,用作信号传输的一般都是交流电。呈正弦变化的交流电信号,随着时间的变化,其幅度时正、时负,以一定的能量和速度向前传播。通常,我们把上述正弦波幅度在1秒钟内的重复变化次数称为信号的“频率”,用f表示;而把信号波形变化一次所需的时间称作“周期”,用T表示,以秒为单位。波行进一个周期所经过的距离称为“波长”,用λ表示,以米为单位。f、T和λ存在如下关系: f=1/T ,v=λf ,其中,v是电磁波的传播速度,等于3x108米/秒。频率的单位是赫兹,简称赫,以符号Hz表示。赫兹(H·Hertz)是德国著名的物理学家,1887年,是他通过实验证实了电磁波的存在。后人为了纪念他,把“赫兹”定为频率的单位。常用的频率单位还有千赫(KHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等。在载带信息的电信号中,有时会包含多种频率成分;将所有这些成分在频率轴上的位置标示出来,并表示出每种成分在功率或电压上的大小,这就是信号的“频谱”。它所占据的频率范围就叫做信号的频带范围。例如,在电话通信中,话音信号的频率范围是300—3400赫;在调频(FM)广播中,声音的频率范围是40赫—15千赫,电视广播信号的频率范围是0—4.2兆赫等。

J.J.Thomson汤普生

(1856—1940)

Discovery of electron

汤普生发现电子和建立原子模型。19世纪末,许多科学家都研究阴极射线,原因是对它的本质还没搞清。这么多的科学家研究阴极射线,为什么他们不能发现阴极射线是带负电的颗粒呢?原因是只要在阴极射线管内有一定的气体,当阴极射线通过时,这些气体就变成导体而使阴极射线受到屏蔽,令它不受电场或磁场的影晌。

1897年,汤普生把阴极射线管内抽到残留的气体很少,当阴极射线通过时把原来过多气体变成导体的屏蔽效应消除。他就可以看见阴极射线受到磁场(电场)的偏转。这表示阴极射线是带负电的粒子。这样,汤普生研究阴极射线实际就是研究带负电颗粒的远动。1899年汤普生从电(磁)场的强度,颗粒运动的速度和偏转的角度,就可以测出电子的质量以及它所带的电荷。汤普生得出结论是,他所发现的带负电的颗粒比最轻的原子都要轻一千倍,它是原子的组成元素。后来,科学家把它称为电子。由于电子带负电,为了解析原子的电中性,汤普生提出,电子是分布在正电的海中的“葡萄干布丁”原子模型。

汤普生发现同位素和质谱仪。1912年为了深入研究阴极射线的成分,汤普生和他的助手把一束游离的氖阴极射线通过电场和磁场,并用感光板在回路上看它们的偏转,结果看到两个斑点。这说明氖是由二种不同质量的原子所组成(氖-20和氖-22),即有二种同位素。这是常态元素存在同位素的第一个证据。

汤普生从质量分离氖同位素的仪器就是第一台质谱仪。后来,由F.W.Aston 和A.J.Dempster 改进和发展成通用的方法。

汤普生对现代科学的贡献还有就是他对后代的良好教育:他使他的七个研究助手和他的儿子都获得诺贝尔奖。

J.J.Thomson汤普生实验示意图:The cathode ray (blue line) was deflected by the electric field (yellow).In 1896, J.J.Thomson’s Three Experiments and One Big Idea通过三个阴极射线管的实验,大胆提出阴极射线的成分为从阴极板物质原子中跑出来的微质量、负电荷的小体(corpuscle )。Thomson实际上提出了电子的假说,并没有命名为“electron”。由此,Thomson进一步提出了第一个原子结构模型。

        汤姆生1904梅子布丁原子模型                                            长岡半太郎1904土星链原子模型