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基本物理常数的潜科学特征

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1 问题的提出
111 基本物理常数不常 物理学知识涉及到了许多物理常数 ,这些常数
就其种类来讲可分为两类 :一类是表征物质固有特 性的物质常数 ,如 :密度 、电阻率 、折射率 、磁导率 、电 阻温度系数等等 ;另一类是基本物理常数 ,与具体的 物质特性无关 ,是普适的 ,如 ,引力常数 、普朗克常 数 、摩尔气体常数 、真空中的光速 、阿伏加德罗常数 等等. 每一个基本物理常数 G、h 、e 、c 、R 、R ∞或 NA 固然现在是把它当作一个常数 ,有一个具体的数值 , 但这并不意味着常数就是固定不变的. 一方面 ,就测 量而言 ,常数是测量得来的 ,而测量手段又是不断改 进的 ,必然会使常数的测量精确度越来越高 ,越来越 准确 ,从这一角度来看 ,常数是变的. 另一方面 ,就物 理内涵而言 ,常数所表征的物理意义也常常是经历 了一个不断丰富和发展的过程 ,存在着潜科学思想 的演化和发展. 显然 ,基本物理常数与物理学中的其 他知识一样也都存在着潜科学 ,既都存在着由“潜 渐显 - 显 - 渐潜 ……”的不断循环往复 、螺旋式上升 的系统进化的过程[1] . 112 基本物理常数教学理念的错位
阿伏伽德罗常数的测量精确度随着实验技术的 发展而不断提高. 为了使测量更加精确 ,科学家们运 用了电化学当量法 、布朗运动法 、油滴法 、X 射线衍 射法 、黑体辐射法 、光散射法等多种方法 ,而每一种 方法的创立 ,都直接反映出不同历史时期物理实验 的发展水平及人们对阿伏加德罗分子学说的理解. 1981 年舍夫利德 ( Seyfried) 等人在对 X 射线 ———干 涉术 做 了 改 进 之 后 , 测 得 NA = 610221367 ×1023 mol - 1 ,相对不确定度为 0159ppm ,使 NA 的测定首次 突破了 ppm 大关 ,走到了基本物理常量的前列 ,此 值也被确定为 1986 年的推荐值[4] .
为此 ,把潜科学的理论和方法运用于基本物理 常数的教学和研究 ,并从分析科学家们的思维活动 和基本物理常数由“潜 - 渐显 - 显 - 渐潜 ……”的历 史过程之中 ,揭示出基本物理常数的潜科学特征 ,这 对于改进基本物理常数的教学和研究具有重要的指 导作用和借鉴价值.
2 基本物理常数的潜科学特征
第 26 卷 第 3 期 2005 年 9 月
首都师范大学学报 (自然科学版) Journal of Capital Normal University
(Natural Science Edition)
Vol. 26 ,No. 3 Sept. 2005
基本物理常数的潜科学特征
郭 玲1 李 华2 王 珊2
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
第3期
郭 玲等 :基本物理常数的潜科学特征
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1831～1879) 提出了“光的电磁理论”假说 ,把光现象 与电磁现象联系起来 ,并预言光的传播速度 c 就是 电磁波的传播速度 ……所有这些无不充满着浓烈的 创造性色彩 ,显然没有以往科学家们的创造也就没 有今天到处可见的基本物理常数 ,创造是基本物理 常数的灵魂. 212 基本物理常数研究的反常性特征
在这三代测量 R 的方法中 ,每一代相对于后一 代而言 ,都是潜科学 ,相反 ,从第二代开始 ,每一代又 是前一代的显科学. 充分表明了不仅潜与显是相 对的 ,流动的 ,而且基本物理常数的创造具有鲜明的 待定性.
3 结 语
基本物理常数 G、h 、e 、c 、R 、R ∞或 NA 构架了 物理学中不可缺少的一些关节点 ,不仅是物理规律 、 物理实质的深刻揭示 ,物理重大理论的建立标志 ,更 是创造性 、反常性 、高难性和待定性这些潜科学特征 的集中反映. 在物理教学中 ,物理教师应渗透“基本 物理常数不常”的思想 ,揭示出基本物理常数和物理 学中的其他知识一样也都具有的潜科学特征 ,并利 用这些潜科学特征来培养学生良好的素质. 本论文 首次探讨了基本物理常数的潜科学特征 ,旨在抛砖 引玉 ,旨在把潜科学在物理学整个学科 、各个分支学 科 ,特别是物理学中个体的研究推向深入 ,从而希望 最终能切实改变目前基本物理常数教学中普遍存在 的重数值传授 、轻演变过程 、轻思想方法 、轻潜能开 发等现象 ,不断提高教学质量 ,培养创新人才.
在常规的基础物理教学中 ,常常是忽视基本物 理常数的教学 ,忽视与物理学史相结合 (即便有也只
收稿日期 :2005201212
是很零碎的 、片面的) ,对基本物理常数一笔代过 ,光 讲数值 ,而不讲其形成过程 、其背后所隐含的物理思 想 ,特别是 ,把常数看作是一个毫无生命力的死常 数 ,忽略了可以利用基本物理常数的潜科学特征来 培养学生良好素质的作用 ……,致使学生只知道基 本物理常数的数值 ,而不知道数值是怎样来的 ,更不 知道这个数值问世之前科学家所经历的艰难曲折历 程 ,这不仅严重削弱了学生对基本物理常数在物理 学中重要作用和地位的认识 ,而且束缚了教师的学 术思想 ,影响了教与学的兴趣和积极性.
211 基本物理常数研究的创造性特征 潜科学是未来科学的先导 ,而科学的本质又是
批判的 、革命的 ,因而潜科学思维必然是创造性思 维. 牛顿 (Newton I ,1642～1727) 把维持月球在其轨 道上运动所需的力和地球表面的重力做比较 ,用遵 循反平方律的引力提供了统一的解释 ,首次突破了 天上人间的鸿沟 ,提出了万有引力定律 ,并指出引力 常数 G 是一个很大的数. 麦克斯韦 (Maxwell J C ,
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
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首都师范大学学报 (自然科学版)
2005 年
科学也谈不上显科学 ,潜与显既有区别又有联系 ,在 一定的条件下相互转化. 潜科学作为孕育中的科学 思想 ,是不尽完善 、不够成熟的成果 ,是有待于人们 进一步深化和完善的. 特别是随着科学理论的发展 、 实验仪器的不断更新 ,基本物理常数的相对不确定 度必然会进一步减小 ,因而这也就决定了基本物理 常数仍将具有一定的待定性. 例如 : 摩尔气体常数 R. 1973 年以前 , R 的数值都是根据第一代“有限密 度法”确定的 ,1973 年国际推荐值 R = 8131441 (26) J ·mol·k - 1 ,相对不确定度为 31ppm[5] ; 第二代测量 R 是采用“声学干涉仪法”. 1976 年英国国家实验室 (NPL) 的实验结果为 R = 81314510 (70) J ·mol - l ·k - 1 , 相对不确定度为 814ppm ,1986 年基本物理常量平差 采用的就是这一测定结果[6] .
从阿伏伽德罗假说的提出到对 NA 的精密测 量 ,经历了一个多世纪 ,这充分说明基本物理常数的 验证有相当长的一段潜的时期 ,有一个极其复杂 、曲 折 、艰难的创造性劳动过程 ,因而是具有高难性的. 214 基本物理常数研究的待定性特征
潜科学是相对显科学而言的 ,两者相互依存 ,共 处于同一体中. 没有显科学就谈不上潜科学 ,没有潜
(Bohr N ,1885～1962) NA 就是如此. 1811 年 ,阿伏伽
德罗建立了分子学说 ,提出了阿伏伽德罗假设 ,当时 不仅没有得到科学界的承认 ,反而遭到了像道尔顿 (Dalton J , 1766～1844) 、贝采力乌斯 (Berzelius J J , 1779～1848) 这些权威人士的反对. 直到半个世纪以 后 ,1860 年 9 月康尼查罗 (Stanislao Cannizzaro ,1826～ 1920) 提出了见解 “: 只要我们把分子和原子区别开 来 ,只要我们不把比较分子数目和重量的标志与推 导原子量的标志混为一谈 ,只要我们最终不固执己 见 ……那么它 (指阿伏伽德罗分子学说) 和已知事实 就无矛盾之处”[3] . 特别是 ,洛喜密脱常数的问世. 阿 伏伽德罗虽然提出了著名的假说 ,但他本人对于 NA 究竟有多大并不了解 ,只知道是一个很大的数目. 1865 年洛喜密脱 (Loschmidt) 根据分子运动论推得任 何气体在 1 米3 中含有的分子数都等于 216876 × 1025个/ 米3 . 这一洛喜密脱常数 ,有力地支持了长期 以来被化学权威所疏忽或轻视的阿伏伽德罗分子学 说 ,使人们开始重新把目光投向阿伏伽德罗的理论 , 但与此同时 ,这一巨大的天文数字也使人难以置信 , 也正因为如此 ,甚至到 19 世纪后期 ,一些学术权威 还持激烈的反对意见. 1908～1923 年间 ,佩兰 ( Perrin J B ,1870～1942) 共用了 11 种不同的方法测得 NA 的平均值为 6185 ×1 023mol - 1 ,验证了洛喜密脱对 NA 的推算[3] ,为此他被授予 1926 年的诺贝尔物理 学奖 ,至此以后 ,阿伏伽德罗的分子学说才得到了公 认.
潜科学与显科学都有艰难性 ,但相比之下 ,潜科 学更加艰难 ,即它具有高难性. 主要表现在两个方 面 :第一 ,潜科学的本质在于创造 ,而创造又是认识 的一种飞跃 ,一种质变. 没有反复的实践与思索 ,没 有反复的成功与失败 ,没有在认识上量的积累 ,就不 可能有认识上质的飞跃 ,也就没有科学思想上的创 新. 第二 ,由于种种原因 ,潜科学的成果取得后 ,往往 得不到人们的承认 ,甚至长期被埋没. 比如 :作为联 系宏观物理量与微观物理量桥梁的阿伏伽德罗常数
一个新的潜科学思想 ,在它刚刚诞生时 ,未免显 得离奇古怪 ,不相容于流行的已有理论 ,使人感到难 以理解. 1900 年 12 月 14 日 ,普朗克 ( Plank M ,1858～ 1947) 利用内插法给出了新黑体辐射公式 ,为了确切 地解释这一公式 ,他必须假定在黑体辐射中所放出 的能量是不连续的 ,是一个与辐射频率有关 ,以 hν 为最小能量单位一份一份地发出的 ,因而提出了令 人震惊的“能量子”假说 ,并进一步指出 h 是个非常 小的数 ,称为作用量子 (以后称为普朗克常数) ,并且 于 1901 年根据斯忒藩公式和维恩位移定律计算得 到了作用量子 h 的精确值 , h = 61558 ×10 - 27 尔格· 秒. 普朗克的能量子假说 ,推翻了经典物理关于电磁 辐射连续性的观点 ,否决了莱布尼茨 (Leibniz G W , 1646～1716)“自然界不作跳跃”的命题 ,给经典物理 学一个沉重的打击. 为此普朗克本人深深地为自己 在量子化这一步引入 h 而感到不安 ,希望有朝一日 能够证实它只是一个代用品而己 ,仅仅是在经过十 多年的努力证明任何复归于经典理论的企图都以失 败而告终之后 ,普朗克才坚定地相信 h 的引入确实 反映了新理论的本质[2] . 通常人们认为违背“常理” 就是荒谬 ,其实不然 ,常理也是带有很大局限性的 , 历史上几乎所有有关基本物理常数的科学突破 ,都 是在正常和反常的相互转化中实现的. 试问如果没 有普朗克孕育出的“能量子”怪胎 ,那么又何有标志 着人类打开微观世界大门的常量 h 呢 ? 213 基本物理常数研究的高难性特征

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基本物理常数的潜科学分析

基本物理常数的潜科学分析

科 学 在 物 理 教 学 中 的 应 用 研 究 ， 要 是 针 对 物 理 学 主
表及里 、 由特 殊 到 一 般 、 由低 层 次 到 高 层 次 的 发 展 历 程 ． 普 朗 克 常 数 ｈ物 理 内 涵 的 发 展 而 言 ， 经 历 就 它 了 五 个 阶 段 ． 一 阶 段 （ ９ ０～１０ ） 在 普 朗 克 （ 第 １０ ９１， Ｍ．
就 是 一 磅 一 磅 地 装 开 的 ， 不 是 在 销 售 时 才 分 装 并 的 ． 别 是 在 １０ 特 ９ ９年 ９月 德 国 自 然 科 学 家 协 会 第
８ 届 会 议 、９ １年 １ １ １１ ０月 第 一 届 国 际 索 尔 维 会 议 之
收 稿 日期 ： ０ １０ ５ 修 回 日期 ：０ １ １． ７ ２ ０ ． ７０ ２ ０ ． １０
育 之 中的 内容 、 法 与作 用 ． 方
关键词 ： 基本 物 理常 数 ， 生认 识论 ，潜 科学 分 析 ． 发
中 图 分 类 号 ： － Ｏ４ ９ ０
潜 科 学 （ ｏｅｔ ｌ ｃ ｎ ｅ 是 二 十 世 纪 ７ Ｐ ｔ ｉ ｉ ｃ ） ｎａ Ｓ ｅ ０年 代 末 到 ８ ０年 代 初 由 申先 甲 、 红 州 、 树 滋 、 恩 泽 等 学 赵 柳 解
不 是 量 子 化 的 ） 但 是 当 牛 油 在 杂 货 铺 中 被 销 售 时 是 ，
一
事实上 ， 基本 物 理 常 数 作 为 物 理 学 中 的 一 个 重 要 内容 ， 自然 也会 有 一 个 发 生 和 发 展 的 过 程 ， 一 个 有 由 “ ” “ ” 经 历 不 同发 展 阶段 逐 步 深 化 的过 程 ， 潜 到 显 、 其 中所 蕴含 的 物 理 内容 、 理 思 想 、 学 方 法 等 ， 物 科 决 不是一个单纯 的数 学符 号或 一个 数 字所能 表 达 的 ． 本 文 拟 从 基 本 物 理 常 数 的 自身 发 展 、 生 认 识 论 和 发 基 本 物 理 常 数 的教 学 出发 ， 基 本 物 理 常 数 进 行 潜 对 科 学 分 析 ， 讨 把 潜 科 学 的 理 论 和 方 法 运 用 于 基 本 探
基本物理常量

基本物理常量

基本物理常量物理学是一研究自然界宏观现象和微观结构的科学，其中包含着许多基本物理常量。

这些常量不仅描述了物理系统宏观和微观之间的关系，还揭示了宇宙的更深层次结构。

物理学家在不断探索和完善各种基本物理常量的含义，进而领悟自然的本质，实现物理学规律的更好发现和利用。

基本物理常量是物理学的基石，可以用来描述自然界的运动规律和其他现象的特征。

最著名的物理常量之一就是现在普遍认可的“光速”。

它描述了光在未受任何其他外力影响的情况下以恒定的速度传播，即299792.458 km/s，一直被认为是宇宙中最快的运动速度。

此外，在基本物理常量列表中，另一个有名的常量便是“斯特拉斯纳常量”，用符号“Z”表示。

它是光的折射率，即当光在介质中传播时，其速度会受到折射的影响，随着介质的不同而有所变化，其中它的值为1.000277。

此外，在基本物理常量列表中，还有电磁相对论常量、量子力学常量以及电磁力常量等等。

电磁相对论常量有磁通密度、电导率和电磁系数等，它们是物理系统中磁场和电场的量化衡量，其中最著名的常量为电磁系数，即“电磁单位张力”，它的数值约为1.0 * 10-7 N/A^2。

量子力学常量也有许多非常重要的常量，比如“普朗克常量”，该常量描述了量子力学系统中粒子的行为，其值约为6.626068*10-34 J.s。

此外，还有一些其他常量，比如摩尔常数、Stefan热常数等，它们都在描述物质的各种性质以及其他宇宙现象时发挥着关键作用。

以上，所提及的都是一些比较著名的物理常量，但在实际科学研究过程中，物理常量远不止于此。

每个物理学家都会寻找新的物理常数，试图从中发现一些新的现象，从而获取一些有意义的物理学结论。

回顾历史，许多物理常量被发现后都为社会带来了重大的科技进步和更好的生活体验，所以物理常量的发现与探索，对于人类来说，无疑是一个极具挑战性的任务，今后可期。

物理学实验的潜科学分析

物理学实验的潜科学分析

论物理学实验的潜科学特征与潜科学形态摘要：本文对物理学实验卡文迪许扭秤实验的潜变进化进行系统的潜科学分析。

首先，概述了物理学实验卡文迪许扭秤实验由潜到显得进化过程，阐述其主要的研究方法；其次，揭示了物理学实验卡文迪许扭秤实验潜变进化的创造性、待定性、模糊性、高难性、趋显性等潜科学特征；而后，探讨了科学问题、科学幻想、科学猜测、科学经验、科学悖论、科学失误、科学伯乐、科学潜才、科学团队、科学疑难等潜科学形态对于物理学实验卡文迪许扭秤实验潜变进化的作用与意义；最后，给出几点建议。

1.潜科学的主要特征与形态1.1潜科学及其研究对象潜科学，是指孕育中的科学，是"科学胚胎"、"科学幼芽"。

任何一种科学理论或学说的产生，都必然要经历一个酝酿、孕育和发展的过程，都有一段潜在期或孕育期。

每一门科学在创建初期，往往以科学家头脑中的思想火花、瞬时灵感和科学家想像等形成出现，经过不断筛选、雕琢、组合，向某些难点发起集中思维攻势，终于形成一股定向的思维潜流，推动其跨入科学理论之列，这类似胚胎的个体发育过程。

如果把已经成熟并被社会承认的科学称为"显科学"的话，那么，对于那些尚未成熟，还处于幼芽阶段的科学则可称为"潜科学"。

1.2潜科学的主要特征1.2.1 创造性：潜科学是未来科学的先导，而科学的本质又是批判的、革命的，因而潜科学思维必然是创造性思维。

1.2.2 待定性：既然我们把孕育中的科学思想称之为潜科学，那么它就是不够成熟的东西，就是一个在认识上尚待进一步深化、完善和确定的过程，其结果可能被肯定，也可能被否定。

1.2.3 隐变性：潜科学作为孕育中的科学思想，常常表现为人们头脑中的潜意识流，因而具有鲜明的隐变性。

1.2.4 反常性：一个新的潜科学思想，在它刚刚诞生时，未免显得离奇古怪，不相容于流行的已有理论，使人感到难以理解。

1.2.5 高难性：潜科学与显科学都有艰难性，但相比之下，潜科学更加艰难，即它具有高难度。

关于物理常数的思考

关于物理常数的思考

摘要基本物理常数的发现在物理学的发展中起到了很大的作用。

本文阐述了一些基本物理常数如万有引力常数G、光速c、普朗克常数h等的历史来源和它们之间的相互关系，以及这些物理常数在物理学中的地位和作用。

本文对物理常数是否变化也做了一些讨论。

关键词基本物理常数物理学发展常数的变化Discussion on Some Fundamental Physical Constants// Chen JieAbstract The discovery of fundamental physical constants pl-ays an important role in the development of physics.This paper expounds the history of some fundamental physical constants, such as,universal gravitational constant G,light velocity c,Planck constant h and their correlations,as well as their positions and functions in physics.This paper studies another problem that whether the constants change or not,too.Key words fundamental physical constants;the development of physics;the change of constantsAuthor's address Anhui Communist Youth League School, 230061,Hefei,Anhui,China1引言美丽而变幻莫测的大自然，她绚丽的外表内有着简单和谐的自然规律。