物理学本科毕业论文---简单性原理在物理学中的应用

分类号        编  号         毕业   目:  简单性原理在物理学中的应用  学  院:    物理与信息科学学院  姓  名:        马瑞斌      专  业:        物理学        学  号:      291040425        研究类型:      文献综述        指导教师:      刘晓斌             提交日期:    2013年5月23日      原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的论文是在刘晓斌指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：      年  月  日 论文指导教师 目录 摘  要    1 关键词    1 引  言    1 1 简单性原理在物理学中的应用举例    2 1.1毕达哥拉斯简单性原理    2 1.2奥卡姆简单性原理    3 1.3哥白尼简单性原理    3 1.4开普勒简单性原理    4 1.5牛顿简单性原理    5 1.6爱因斯坦简单性原理    6 2 结 论    7 参考文献    8 Abstract    8 致 谢    9 简单性原理在物理学中的应用 马瑞斌 （天水师范学院  物理与信息科学学院  甘肃 天水  741001） 摘  要：简单性原理一直是引导科学家走向真理的灯塔，从古希腊到现代，众多科学家至为推崇简单性原理，把简单性看作是真理的必要条件。本文主要从简单性原理的提出以及对此原理的发展和完善过程入手，说明简单性原理在物理学中的应用，并阐述此原理对科学家研究自然规律的统一性和揭示自然规律的简单性的重要意义。 关键词：简单性原理，自然规律，统一性，简单性 引  言 物理学是研究物质的结构和物质运动即机械运动、热运动、电磁运动和微观运动的科学。物理学家们在探索自然界的物质结构和物质运动形式过程中, 提出了简单性原理，在物理学研究的过程中起到了非常重要的作用，极大的推动了物理学发展。 现在国内普遍有这样几种看法，第一种看法认为，简单性原则“即以尽可能少的互相独立的初始假设为基础，解释尽可能多的经验事实”[1]. 这里，简单性原则的内涵是指“尽可能少的互相独立的初始假设”，其外延是科学(理论) 。这是理论的简单性原则。第二种看法是在承认第一种看法的基础上又加上了另一种简单——自然界的简单性[2]. “简单”的范围既包括科学理论又包括自然界。第三种看法把简单性原则分为“简单性的世界观和简单性的方法论[2]. 古希腊数学家、哲学家毕达哥拉斯的科学美学思想，是简单性思想的最原始的表示，他认为天体是按一定的和谐的数的关系运动的，形成“天体和谐”[3]，甚至天体的数目也具有完美性，甚至天体的数目也具有完美性，并希望从自然界的各种现象中找出具有普遍性的“数”以及规律，这是人类首次对科学理论提出数学要求和美学。后来著名唯名论者维廉·奥卡姆提出：“如无必要，勿增实体”[4] .人们认为：“能以较少者完成的事，若以较多者去做，即是徒劳”[4]. 奥卡姆主张用“剃刀”把那些琐碎的论证和多余的假设统统剃掉，这就是历史上著名的“奥卡姆剃刀”。这两种科学论述是简单性原理的最初表述，启发了后来的科学家揭示自然规律，自然界现在虽然是复杂的，但本质具有简单性、统一性等起到了非常重要的指导意义。后人在应用简单性原理的时候并对它做了完善。 最先受影响的哥白尼总结前人的观测资料提出日心说，结束了神学统治的地心说，解放了人们的思想，科学解释自然规律的思想深入人心。紧接着开普勒从简单性出发，结合弟谷多年积累的观测资料，提出了开普勒三大定律，将抽象的日心说理论利用数学语言表达的形象具体。牛顿认为：“除那些真实而已足够说明其现象者外，不必去寻求自然界事物的其他原因。因此哲学家说，自然界不作无用之事，只要少做一点就成了，多种了却无用；因为自然界喜欢简单化，而不用什么多余的原因以夸耀自己”[5]. 牛顿继承了前人的基本思想，坚信自然界习惯于简单性，各类自然现象中有它的内在相似性，自然界总是和谐统一的。并发现了牛顿三大定律，万有引力定律，创立了经典力学。到十九世纪下半叶，马赫提出思维经济原则，即“极小值问题”，是指尽可能通过花费较少的思维对事实作尽可能完善的描述。还有后来马赫的思维经济性原理都对简单性原理做了相应的完善。爱因斯坦在创立相对论时对简单性原理的内涵做了更精确的概括，他认为：“自然规律的简单性也是一种客观事实，而且正确的概念体系必须使这种简单性的主观方面和客观方面保持平衡”[6].“理论物理学的目的，是要以数量上尽可能少的，逻辑上不相关的假说为基础，来建立起概念体系”[7]. 建立理论和理论的标准………逻辑简单性，是爱因斯坦方法论和认识论的主要思想。 到现代，追求理论的简单性是所有科学家的目标，也是评价科学理论的标准之一。对于启发人们认识自然规律，解释自然规律有重要的指导意义，简单性原理诞生在物理学，发展在物理学，完善在物理学，推动着物理学，在物理学中有非常重要的应用。 1 简单性原理在物理学中的应用举例 1.1毕达哥拉斯简单性原理 古希腊数学家、哲学家毕达哥拉斯的科学美学思想，是简单性思想的最原始的表示，他认为天体是按一定的和谐的数的关系运动的，形成“天体和谐”，甚至天体的数目也具有完美性，并希望从自然界的各种现象中找出具有普遍性的“数”以及规律，这是人类首次对科学理论提出数学要求和美学标准。毕达哥拉斯还认为，地球和整个宇宙的结构都是球形的，球形是一切几何形体中最完美的形状，宇宙中的各种天体均作匀速圆周运动，因为圆是表面上最完美、最简单的几何图形。这一观点深深地影响了后来的天文学，托勒密和哥白尼都坚信天体运动所作的是匀速圆周运动，直到开普勒证明了实际上它们在作椭圆运动[8]. 牛顿后来用万有引力定律进一步验证了天体是作椭圆运动的。 毕达哥拉斯学派“简单、和谐、完美”的思想成为后来宇宙规律性一次又一次被更清晰、更准确地说出来的深刻的哲学思想基础，对后人的科学研究工作产生了重要的影响，也成为今天我们值得回味和传承的人类精神的火花[3]. 是简单性原理的最启蒙思想。 1.2奥卡姆简单性原理 毕达哥拉斯思想启发了人们，认识自然规律，解释自然规律时运用简单性原理，公元14世纪，英国奥卡姆对当时无休无止的关于“共相”、“本质”之类的争吵感到厌倦，于是著书立说，宣传唯名论，只承认确实存在的东西，认为那些空洞无物的普遍性要领都是无用的累赘，应当被无情地“剃除”。他所主张的“思维经济原则”，概括起来就是“如无必要，勿增实体”[4] . 人们就把这句话称为“奥卡姆剃刀”。这把剃刀出鞘后，剃秃了几百年间争论不休的经院哲学和基督教神学，使科学、哲学从神学中分离出来，引发了欧洲的文艺复兴和宗教改革。奥卡姆使用这个原理证明了许多结论，包括“通过思辨不能得出上帝存在的结论”；如果你有两个类似的解决，选择最简单的；多出来的东西未必是有益的，相反更容易使我们为自己制造的麻烦而烦恼。奥卡姆剃刀定律的另外一种阐释就是：当你有两个处于竞争地位的理论能得出同样的结论，那么简单的那个更好。 奥卡姆主张用“剃刀”把那些琐碎的论证和多余的假设统统剃掉，他本人是中世纪最后一批学者，可是大多数学者认为自然界的运动总以最简单的方式进行，因为这是上帝的智慧。因此简单性原理对于人们认识自然的规律有重要的意义，即把它作为概念的形成与理论的建立的标准。“奥卡姆剃刀”的提出不单单对哲学的发展有重要的意义，而且在整个科学史上有重要的意义。启发了好多科学家。 1.3哥白尼简单性原理 哥白尼受前人的简单性思想的影响，“简单、和谐、完美”的毕达哥拉斯简单性思想以及奥卡姆的“奥卡姆剃刀”的简单性思想等，指引他推翻了一千多年不变的地心说，创立了日心说。结束了占统治地位的托勒密的地心说。哥白尼相信天体运动符合“简单、和谐、完美”的原理。他认为天体运动具有简单性，而地心说几何图形太复杂，宇宙的结构应当能用简单的图形来表示，哥白尼认真分析相关资料，总结天体运动的规律后发现，每个行星都有三个共同的运动周期：周日旋转；周年运动和周期运动。如果把这三种共同的成份都看成行星围绕太阳转动和地球自身运动的反映,则各个行星的运动就十分简单，大多数的本轮假设就没有必要，表现出期望的秩序与和谐[3]，哥白尼的代表作《天体运动论》的出版，标志着日心说的创立，日心说比较全面真实的反应了太阳系的结构和运动特性，是人类天文史上的一次巨大飞跃，标志着人类被神学束缚的思想得到了解放，从此自然科学有了新的开始。在纪念哥白尼逝世四百年的大会上爱因斯坦评价说哥白尼的贡献几乎比谁都大。 哥白尼受简单性原理的影响，从理论上对天体运动做了比较简单、系统的概述，推翻了神学统治时期的地心说，对自然科学的发展具有里程碑的意义，为人类的思想解放做出了巨大的贡献。 1.4开普勒简单性原理 开普勒也受毕达哥拉斯学派“简单、和谐、完美”的思想影响，在天文学方面的研究时，坚信宇宙的构造符合简单性、和谐性、完美性的特点，总结哥白尼与前人的有关天文观测的资料，尤其是第谷在临终时将关于火星的观测资料赠给了他，开普勒正是利用这些记载来计算的，他在计算火星的圆形轨道上匀速运动的位置时发现，不论是哥白尼的理论体系还是托勒密的体系还是第谷的折衰体系，都计算不出和弟谷的观测数据一致的结果，总是有无法消除的小至 的误差，这个误差比观测到的 误差还大，在进行大量的有关火星的数据中，都显示这样的系统误差。在之后的研究过程中他专注于寻找这一系统误差和观测误差的原因，他之前的计算都是以轨道是圆形的进行的，都出现了误差，他于是就用各种不同的几何曲线以及非匀速运动的来表示火星的运动情况，经过这样大量的计算以后，终于发现了“行星轨道是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上”即开普勒第一定律。 紧接着开普勒坚信宇宙简单与和谐的信念，在计算地球与火星的轨道时，发现了所谓的开普勒第二定律，即从椭圆到行星的失径在相等的时间内，扫过的面积相等。之后他又发现了开普勒第三定律，即各个行星运动周期的平方与各自离太阳的平均距离的立方成正比。这三大定律合称开普勒三定律，记载于他的1619年出版的专著《宇宙的和谐》一书中。 第一定律行星把太阳作为一个焦点, 沿着一个椭园轨道运行。 第二定律连接太阳和行星的直线, 在单位时间内扫过的面积是相等的。 第三定律行星围绕太阳公转周期的平方与椭园轨道的半长径的三次方成正比， 开普勒的有关行星运动的三大定律抛弃了行星运动沿圆形轨道作匀速运动的思想，简化了哥白尼体系，使日心说真正体现出宇宙结构的简单性和完美性，更进一步巩固了哥白尼的日心说。开普勒三大定律对天文学是非常重要的，开普勒因此被称为“天空的立法者”，更重要的是，它奏响了经典力学诞生的序曲。