物理量單位中物理文化探索*①

游云學(xué)

(遵義師范學(xué)院南白分院 貴州 遵義 563100)

戴昌舉

(遵義市第二中學(xué) 貴州 遵義 563100)

物理文化是物理學(xué)中普遍存在的文化現(xiàn)象，物理量及單位中蘊(yùn)含極為豐富的物理文化．人類對物理學(xué)基本量長度、時間和質(zhì)量等概念已經(jīng)有數(shù)千年的認(rèn)識過程，物理量單位的歷史演變記載了人類文明的進(jìn)程，是研究古代科學(xué)(物理學(xué))文化的重要組成部分，是物理文化的主體內(nèi)容[1]，每一個物理學(xué)基本量都留下了很多認(rèn)識自然的精神文化和物質(zhì)文化．伴隨物理學(xué)發(fā)展建立起來的物理量單位體系和量綱分析理論是物理學(xué)的知識元素，雖然只有100多年歷史，但物理文化厚重，體現(xiàn)了物理文化的知識體系、觀念形態(tài)、語言符號和社會組織特征，它一方面繼承了古代度量衡的精華，形成了統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，使物理學(xué)研究世界化和標(biāo)準(zhǔn)化；另一方面選用少量的基本物理量表示整個物理學(xué)中出現(xiàn)的所有物理量，實(shí)現(xiàn)由簡單解釋復(fù)雜、特殊表示一般的優(yōu)美、和諧、統(tǒng)一的物理思想體系；特別是在物理量國際單位制(SI)的單位中引入人文元素，使物理學(xué)文化和物理學(xué)人文精神得到了應(yīng)有的發(fā)展與傳播．

本文通過對物理量的基本單位、量綱分析、物理文化意義闡述，說明物理文化是物理學(xué)的普遍文化現(xiàn)象，它是歷代物理學(xué)者創(chuàng)造物理知識體系、觀念形態(tài)、價值標(biāo)準(zhǔn)以及約定俗成的工作方法的總和[1]．物理文化是鮮活的文化，是人和物構(gòu)成的綜合體．人經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)、嚴(yán)格訓(xùn)練、掌握物理知識、物理方法，形成具有科學(xué)精神、科學(xué)行為的物理學(xué)家和物理學(xué)工作者，這是物理文化的活載體，現(xiàn)在已經(jīng)構(gòu)成了龐大的國際研究群體．物是記錄物理知識文本軟件和研究物理規(guī)律特別設(shè)計的物理儀器設(shè)備等物質(zhì)硬件，這些物質(zhì)硬件記載了物理知識、研究實(shí)踐和研究過程，是物理文化的死載體．諸如物理學(xué)書籍、物理設(shè)備和物理產(chǎn)品，以及由物理文化人和物理文化物共同創(chuàng)造的物理文化環(huán)境．

1 物理量的文化

1.1 長度時間質(zhì)量的文化因素

在人類文明漫長的發(fā)展進(jìn)程中，度量衡有著相當(dāng)長的歷史，一直是古代文明的基石．東西方國家度量衡起源和發(fā)展十分相似，都起源于人體特征．但不同國家和地區(qū)度量衡的產(chǎn)生時間及表達(dá)方式存在差異；就是同一國家或地區(qū)由于時代不同，標(biāo)準(zhǔn)也不相同，從而形成燦爛的文化．例如，中國的度量衡演變就是一個人類文明史化石(表1)．

表1 中國歷代度量衡量值一覽表(長度、時間、質(zhì)量)

(1)長度：我國歷史上有據(jù)可查長度測量工具的尺子，出現(xiàn)于公元前2205年，距今已有4 000多年歷史．無論中國的“丈夫”，還是英國的“foot”都起源于人體某一特征為長度基準(zhǔn)，直到17世紀(jì)由法國鮑爾德、拉普拉斯等人提出現(xiàn)代科學(xué)意義上的米(Meter)定義．經(jīng)歷了數(shù)千年的歷史演變，長度計量從低級到高級、分散到統(tǒng)一、粗略到精確，最終成為物理量綱的基本物理量，不僅包含極為豐富的物理文化，而且記錄了人類文明發(fā)展歷程．

(2)時間：世界文明古國都有自己的時間概念、計時原理、時間標(biāo)準(zhǔn)和計時工具．縱覽中國計時發(fā)展的過程，就是一部社會科技進(jìn)步的歷史．從4 000多年前堯帝時期的“土圭測景”開始，計時工具歷經(jīng)日晷、漏刻、香篆鐘、沙漏、機(jī)械水鐘、機(jī)械鐘、天文鐘、石英鐘、分子鐘、原子鐘計時，現(xiàn)在人類計時精度已經(jīng)達(dá)到3 000萬年誤差1 s．從人類對時間的認(rèn)識上看，表現(xiàn)出東西方文化差異：中國人重視計時的區(qū)間性(Δt=t2-t1)；西方人重視計時的瞬時性(t)．亦即東方“天地合一”的整體哲學(xué)觀與西方“局部和結(jié)構(gòu)”的哲學(xué)觀．

(3)質(zhì)量：質(zhì)量有慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量兩種定義形式，量度工具有慣性秤(測量慣性質(zhì)量)和物理天平(測量引力質(zhì)量)，就目前的科學(xué)水平來說，兩種質(zhì)量在度量結(jié)果的比較上是沒什么差異，所以，人們普遍認(rèn)為引力質(zhì)量就是物體的質(zhì)量(m引=m慣)．桿秤是歷史最悠久的引力質(zhì)量衡器，我國湖南長沙東郊楚墓出土的桿秤，據(jù)考證距今已以有2 700多年．中國衡器實(shí)物和文獻(xiàn)記載證明：歷史上最早的桿秤是等臂秤，與現(xiàn)代的物理天平完全一樣，后來為了普及和實(shí)用才發(fā)展為不等臂桿秤，物理實(shí)質(zhì)是通過重力為媒介進(jìn)行物理質(zhì)量比較，是計量質(zhì)量的衡器．但直到今天人們對重量、質(zhì)量、重力概念還存在不統(tǒng)一的認(rèn)識，出現(xiàn)很多語言表述上的混亂．例如，“重力也常常叫做重量”[3]，“從重量可變談起”[4]，“重量就是重力”、“重量即重力”、“重量是物體靜止時，拉緊豎直懸繩的力或壓在水平支持物上的力”[5]等，這是科學(xué)文化的失敗，關(guān)于質(zhì)量文化另文討論．

1.2 近代物理發(fā)展促進(jìn)物理單位制的產(chǎn)生

西方文藝復(fù)興為物理學(xué)從哲學(xué)中分裂出來做了充分的思想準(zhǔn)備，從牛頓建立經(jīng)典力學(xué)體系起，牛頓力學(xué)思想和方法就深深影響人們對整體物理學(xué)思考．19世紀(jì)人們對電、磁、熱、光等自然現(xiàn)象研究，成功地建立起了完整的物理學(xué)體系．物理學(xué)研究出現(xiàn)了大量的物理量和單位，研究物理量及單位的工作從1889年召開第一屆國際計量大會到2007年召開了23次國際計量大會，歷時一百多年了.在1971年第十四屆國際計量大會上，人們從眾多個物理量中列出了基本物理量(長度、時間、質(zhì)量、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量和光強(qiáng)度)7個；國際導(dǎo)出單位的物理量34個，其中導(dǎo)出自然單位7個，專門名稱25個，補(bǔ)充單位2個[6]；1978年國際純粹和應(yīng)用物理協(xié)會(I.U.P.A.P的S.U.N.Commission)，從488個物理量和26個無量綱參數(shù)中列出具有專門名稱的國際制導(dǎo)出單位19個，其中用物理學(xué)家名字命名的14個，自然命名的3個，補(bǔ)充單位2個[7]．在眾多的物理量中引入了7個基本物理量，即時間、長度、質(zhì)量、電流、溫度、物質(zhì)的量和光強(qiáng)度，每個基本物理量都體現(xiàn)了明確知識體系、觀念形態(tài)、語言符號和社會組織，在物理量的知識體系中還體現(xiàn)了物理學(xué)統(tǒng)一思想(7個基本量—19個導(dǎo)出量—眾多的物理量)和知識規(guī)律的系統(tǒng)性和規(guī)范性．物理量國際單位制(SI)是國際計量行為，是形成統(tǒng)一的世界物理學(xué)觀念和形態(tài)的基礎(chǔ)，選用物理學(xué)家名字來命名物理量單位就是體現(xiàn)觀念層面上的物理文化形態(tài)，即物理學(xué)精神、物理觀念、物理學(xué)思維和物理方法，它是物理文化價值取向和文化內(nèi)在的定向發(fā)展趨勢．

2 物理量量綱的知識體系

2.1 量綱定義

物理量等于數(shù)值(即一個純數(shù)值)和一個單位的乘積(物理量=數(shù)值×單位)，即

A={A}×[A]

(1)

其中{ A }代表數(shù)值，[A]代表單位符號

為了定性地描述物理量，給出導(dǎo)出物理量與基本物理量之間的關(guān)系，引入物理量綱概念．在不考慮數(shù)值因素時，表示一個物理量是由哪些基本物理量導(dǎo)出，以及如何導(dǎo)出的式子叫做此物理量的量綱(或量綱式)，相應(yīng)地把具有獨(dú)立性，不能由其他量綱推導(dǎo)出來的量綱叫基本量綱，把由基本量綱導(dǎo)出的量綱叫做誘導(dǎo)量綱．

在國際單位(SI)制中基本物理量量綱有長度(m)、質(zhì)量(kg)、時間(s)、電流(A)、熱力學(xué)溫度(K)、物質(zhì)的量(mol)、 發(fā)光強(qiáng)度(cd)，其量綱符號分別是是L、M、T、I、Θ、N和J，如表2．按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB3101—93)，物理量Q的量綱記為dimQ，

表2 國際單位制(SI)基本物理量

國際物理學(xué)界習(xí)慣記為[Q]．量綱是物理學(xué)中的一個重要問題．它能定性地表示出物理量與基本量之間的關(guān)系，有效地進(jìn)行單位換算和檢證理論公式的正確與否，還可以通過它來推知某些物理規(guī)律．在量制中，以基本量的冪的乘積表示該量制中一個量的表達(dá)式，即

dimQ=[Q]=LαMβTγIδΘεNξJη

(2)

2.2 量綱分析理論

量綱分析最早由瑞利(L.Reyleigh)1877年提出，1915年白金漢(E.Buckinghan)建立基本理論．

(1)量綱一致性原則.任何一個物理方程中各項的量綱必定相同，用量綱表示的物理方程必定是齊次性的．既然物理方程中各項的量綱相同，那么，用物理方程中的任何一項通除整個方程，便可將該方程化為零量綱方程．量綱分析法正是依據(jù)物理方程量綱一致性原則，找出變化過程的相似準(zhǔn)則數(shù)，并借助實(shí)驗找出這些相似準(zhǔn)則數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系．

(2)白金漢定理.對于某個物理現(xiàn)象，如果存在n個變量互為函數(shù)，即f(x1,x2,…,xn)=0，變量中含有m個基本量，則可排列變量成(n-m)個無量綱數(shù)的函數(shù)關(guān)系φ(π1,π2,…,πn)=0，即可合并n個物理量為n-m個無量綱π數(shù)．

運(yùn)用白金漢定理到國際單位制可以得：

1)若一方程包含n個物理量，每個物理量的量綱均由m個獨(dú)立的基本量綱組成，則這些物理量可以組合成n-m個獨(dú)立的無量綱量，稱為π數(shù)．由于獨(dú)立的基本量綱為m=7.設(shè)物理方程為

x1=g(x2,x3,…,xn)

(3)

n個變量可組合成n-7個獨(dú)立的π數(shù)，構(gòu)成新的方程.

π1=φ(π2,π3,…,πn-7)

(4)

2)選擇m=7個獨(dú)立的物理量為基本物理量，將其余n-7個物理量作為導(dǎo)出量，依次對基本物理量做組合量綱分析，可求得相互獨(dú)立的n-7個π數(shù)．

2.3 量綱分析法

(1)量綱分析一般步驟

1)列出所有相關(guān)物理量．

2)選擇不同基本物理量(≤7)．

3)其余的物理量均作為導(dǎo)出量，以基本物理量為底構(gòu)成指數(shù)形式的π表達(dá)式

π1=φ(π2,π3,…,πn-7)

4)求解每個π表達(dá)式中的指數(shù)，組成π數(shù)．

5)用π數(shù)構(gòu)成新的方程.

(2)說明

1)量綱分析法關(guān)鍵不能遺漏物理量和引入無關(guān)的物理量.

2)量綱分析的結(jié)果主要用于指導(dǎo)實(shí)驗和檢驗物理理論結(jié)果的正確性．

物理基本量單位和量綱分析構(gòu)成了物理量單位的龐大科學(xué)計量體系，物理學(xué)中所有物理量單位都可以用基本物理量單位通過量綱形式表示出來．

3 物理量單位中的人文元素

隨著近代科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)在人類社會的地位不斷提高，為了弘揚(yáng)科學(xué)精神，傳播科學(xué)文化，在科學(xué)名詞、科學(xué)計量和計量單位中大量引入以科學(xué)家的名字命名，已成為科學(xué)發(fā)展的一個趨勢．物理學(xué)是整個自然科學(xué)的基礎(chǔ)，在物理量單位中引用物理學(xué)家名字命名單位的現(xiàn)象更為突出．我們把物理單位分為三類，基本物理量單位、具有專門名稱的導(dǎo)出物理量單位和一般導(dǎo)出物理量單位(表3)．

表3 物理量單位分類及物理量個數(shù)

注：隨著物理學(xué)的發(fā)展，新的物理量時常會出現(xiàn)，目前有近500個物理量，約250個不同的導(dǎo)出單位．

(1)具有專門名稱的導(dǎo)出物理量的單位可以用基本物理量的單位量綱表示出來，一般導(dǎo)出物理量單位都可以用基本物理量單位和具有專門名稱的導(dǎo)出物理量單位通過量綱表示出來,見表4．

表4 有專門名稱的導(dǎo)出物理量單位

(2)從表3看出，基本物理量中存在自然命名的長度、時間和質(zhì)量等物理量單位，物理量整體人文化是不可能的，也是沒有必要的．中學(xué)物理是大眾物理，具有專門名稱的物理量單位中除少數(shù)物理量外，多數(shù)單位都已經(jīng)人文化，人文化率高達(dá)87.50%．

(3)一般導(dǎo)出物理量單位中物理學(xué)家名字很少，人文化率在中學(xué)物理中不到13%，隨著物理學(xué)深度和廣度的增加比例更小，說明國際上在物理單位中引用科學(xué)家名字非常嚴(yán)格．

(4)從表4看出，命名為物理單位的物理學(xué)家多數(shù)生活在1600～1 900年間的科學(xué)巨匠．在光學(xué)、聲學(xué)和近代物理領(lǐng)域還沒有出現(xiàn)物理量單位人文化的現(xiàn)象．

4 結(jié)語

總之，物理量單位的歷史演變給人類文明帶來了極豐富多彩的科學(xué)文化，為繼續(xù)研究科學(xué)樹立了榜樣.不管最初在物理量單位中引入物理學(xué)家名字的用意是什么，這種做法對未來物理學(xué)的發(fā)展是有其重大意義．

(1)物理學(xué)是認(rèn)識無生命物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動變化規(guī)律的科學(xué)，它不能沒有人的因素，在物理量和物理量單位中引入物理家名字增強(qiáng)了物理學(xué)的人文元素，使物理學(xué)更有文化內(nèi)容；

(2)物理量和物理單位中出現(xiàn)的物理學(xué)家都是在物理學(xué)研究上有杰出貢獻(xiàn)的歷史人物，他們除了在物理學(xué)研究上取得無與倫比的科學(xué)成就外，還是歷史上鮮活的人，他們的科學(xué)精神[8](實(shí)事求是、理性、不畏權(quán)勢，追求真理、不斷創(chuàng)新和團(tuán)結(jié)協(xié)作)、人文精神[9](個人價值觀、集體價值觀、國家價值觀和人類價值觀)是人類社會發(fā)展的重要的精神財富，是維系物理學(xué)發(fā)展的精神動力．

(3)本文意在從物理單位和量綱的知識元素中挖掘文化因素，目的是為物理文化的存在尋求一點(diǎn)認(rèn)識上的支持．不論是從物理單位發(fā)展的歷史還是形成單位知識體系的量綱分析理論，以及物理單位中的人文元素的形成都證明物理文化不但存在，而且極為豐富．

參考文獻(xiàn)

1 厚宇德.物理文化與物理學(xué)史.成都：西南交通大學(xué)出版社2004.10

2 解世雄.物理文化與教育.北京：科學(xué)出版社，2009.12

3 張同恂,方玉珍，等.物理(高級中學(xué)課本).北京：人民教育出版社.1983

4 陳浩元.閑話經(jīng)典物理學(xué).北京：中國青年出版社.1982.17～24

5 中學(xué)物理教師手冊.上海：上海教育出版社.1984.347

6 F.W.Sears，等著.郭泰運(yùn)譯.大學(xué)物理(第一冊)(國際單位制).北京：人民教育出版社，1979

7 物理(第十卷).北京：科學(xué)出版社.1982

8 錢時惕.什么是科學(xué)精神(科學(xué)與人人文漫話之六).物理通報，2010(3)：85～87

9 錢時惕.什么是人文精神(科學(xué)與人人文漫話之七).物理通報，2010(4)：86～88