物理量单位中物理文化探索*①

游云学

(遵义师范学院南白分院 贵州 遵义 563100)

戴昌举

(遵义市第二中学 贵州 遵义 563100)

物理文化是物理学中普遍存在的文化现象，物理量及单位中蕴含极为丰富的物理文化．人类对物理学基本量长度、时间和质量等概念已经有数千年的认识过程，物理量单位的历史演变记载了人类文明的进程，是研究古代科学(物理学)文化的重要组成部分，是物理文化的主体内容[1]，每一个物理学基本量都留下了很多认识自然的精神文化和物质文化．伴随物理学发展建立起来的物理量单位体系和量纲分析理论是物理学的知识元素，虽然只有100多年历史，但物理文化厚重，体现了物理文化的知识体系、观念形态、语言符号和社会组织特征，它一方面继承了古代度量衡的精华，形成了统一的国际标准，使物理学研究世界化和标准化；另一方面选用少量的基本物理量表示整个物理学中出现的所有物理量，实现由简单解释复杂、特殊表示一般的优美、和谐、统一的物理思想体系；特别是在物理量国际单位制(SI)的单位中引入人文元素，使物理学文化和物理学人文精神得到了应有的发展与传播．

本文通过对物理量的基本单位、量纲分析、物理文化意义阐述，说明物理文化是物理学的普遍文化现象，它是历代物理学者创造物理知识体系、观念形态、价值标准以及约定俗成的工作方法的总和[1]．物理文化是鲜活的文化，是人和物构成的综合体．人经过系统学习、严格训练、掌握物理知识、物理方法，形成具有科学精神、科学行为的物理学家和物理学工作者，这是物理文化的活载体，现在已经构成了庞大的国际研究群体．物是记录物理知识文本软件和研究物理规律特别设计的物理仪器设备等物质硬件，这些物质硬件记载了物理知识、研究实践和研究过程，是物理文化的死载体．诸如物理学书籍、物理设备和物理产品，以及由物理文化人和物理文化物共同创造的物理文化环境．

1 物理量的文化

1.1 长度时间质量的文化因素

在人类文明漫长的发展进程中，度量衡有着相当长的历史，一直是古代文明的基石．东西方国家度量衡起源和发展十分相似，都起源于人体特征．但不同国家和地区度量衡的产生时间及表达方式存在差异；就是同一国家或地区由于时代不同，标准也不相同，从而形成灿烂的文化．例如，中国的度量衡演变就是一个人类文明史化石(表1)．

表1 中国历代度量衡量值一览表(长度、时间、质量)

(1)长度：我国历史上有据可查长度测量工具的尺子，出现于公元前2205年，距今已有4 000多年历史．无论中国的“丈夫”，还是英国的“foot”都起源于人体某一特征为长度基准，直到17世纪由法国鲍尔德、拉普拉斯等人提出现代科学意义上的米(Meter)定义．经历了数千年的历史演变，长度计量从低级到高级、分散到统一、粗略到精确，最终成为物理量纲的基本物理量，不仅包含极为丰富的物理文化，而且记录了人类文明发展历程．

(2)时间：世界文明古国都有自己的时间概念、计时原理、时间标准和计时工具．纵览中国计时发展的过程，就是一部社会科技进步的历史．从4 000多年前尧帝时期的“土圭测景”开始，计时工具历经日晷、漏刻、香篆钟、沙漏、机械水钟、机械钟、天文钟、石英钟、分子钟、原子钟计时，现在人类计时精度已经达到3 000万年误差1 s．从人类对时间的认识上看，表现出东西方文化差异：中国人重视计时的区间性(Δt=t2-t1)；西方人重视计时的瞬时性(t)．亦即东方“天地合一”的整体哲学观与西方“局部和结构”的哲学观．

(3)质量：质量有惯性质量和引力质量两种定义形式，量度工具有惯性秤(测量惯性质量)和物理天平(测量引力质量)，就目前的科学水平来说，两种质量在度量结果的比较上是没什么差异，所以，人们普遍认为引力质量就是物体的质量(m引=m惯)．杆秤是历史最悠久的引力质量衡器，我国湖南长沙东郊楚墓出土的杆秤，据考证距今已以有2 700多年．中国衡器实物和文献记载证明：历史上最早的杆秤是等臂秤，与现代的物理天平完全一样，后来为了普及和实用才发展为不等臂杆秤，物理实质是通过重力为媒介进行物理质量比较，是计量质量的衡器．但直到今天人们对重量、质量、重力概念还存在不统一的认识，出现很多语言表述上的混乱．例如，“重力也常常叫做重量”[3]，“从重量可变谈起”[4]，“重量就是重力”、“重量即重力”、“重量是物体静止时，拉紧竖直悬绳的力或压在水平支持物上的力”[5]等，这是科学文化的失败，关于质量文化另文讨论．

1.2 近代物理发展促进物理单位制的产生

西方文艺复兴为物理学从哲学中分裂出来做了充分的思想准备，从牛顿建立经典力学体系起，牛顿力学思想和方法就深深影响人们对整体物理学思考．19世纪人们对电、磁、热、光等自然现象研究，成功地建立起了完整的物理学体系．物理学研究出现了大量的物理量和单位，研究物理量及单位的工作从1889年召开第一届国际计量大会到2007年召开了23次国际计量大会，历时一百多年了.在1971年第十四届国际计量大会上，人们从众多个物理量中列出了基本物理量(长度、时间、质量、电流、热力学温度、物质的量和光强度)7个；国际导出单位的物理量34个，其中导出自然单位7个，专门名称25个，补充单位2个[6]；1978年国际纯粹和应用物理协会(I.U.P.A.P的S.U.N.Commission)，从488个物理量和26个无量纲参数中列出具有专门名称的国际制导出单位19个，其中用物理学家名字命名的14个，自然命名的3个，补充单位2个[7]．在众多的物理量中引入了7个基本物理量，即时间、长度、质量、电流、温度、物质的量和光强度，每个基本物理量都体现了明确知识体系、观念形态、语言符号和社会组织，在物理量的知识体系中还体现了物理学统一思想(7个基本量—19个导出量—众多的物理量)和知识规律的系统性和规范性．物理量国际单位制(SI)是国际计量行为，是形成统一的世界物理学观念和形态的基础，选用物理学家名字来命名物理量单位就是体现观念层面上的物理文化形态，即物理学精神、物理观念、物理学思维和物理方法，它是物理文化价值取向和文化内在的定向发展趋势．

2 物理量量纲的知识体系

2.1 量纲定义

物理量等于数值(即一个纯数值)和一个单位的乘积(物理量=数值×单位)，即

A={A}×[A]

(1)

其中{ A }代表数值，[A]代表单位符号

为了定性地描述物理量，给出导出物理量与基本物理量之间的关系，引入物理量纲概念．在不考虑数值因素时，表示一个物理量是由哪些基本物理量导出，以及如何导出的式子叫做此物理量的量纲(或量纲式)，相应地把具有独立性，不能由其他量纲推导出来的量纲叫基本量纲，把由基本量纲导出的量纲叫做诱导量纲．

在国际单位(SI)制中基本物理量量纲有长度(m)、质量(kg)、时间(s)、电流(A)、热力学温度(K)、物质的量(mol)、 发光强度(cd)，其量纲符号分别是是L、M、T、I、Θ、N和J，如表2．按照国家标准(GB3101—93)，物理量Q的量纲记为dimQ，

表2 国际单位制(SI)基本物理量

国际物理学界习惯记为[Q]．量纲是物理学中的一个重要问题．它能定性地表示出物理量与基本量之间的关系，有效地进行单位换算和检证理论公式的正确与否，还可以通过它来推知某些物理规律．在量制中，以基本量的幂的乘积表示该量制中一个量的表达式，即

dimQ=[Q]=LαMβTγIδΘεNξJη

(2)

2.2 量纲分析理论

量纲分析最早由瑞利(L.Reyleigh)1877年提出，1915年白金汉(E.Buckinghan)建立基本理论．

(1)量纲一致性原则.任何一个物理方程中各项的量纲必定相同，用量纲表示的物理方程必定是齐次性的．既然物理方程中各项的量纲相同，那么，用物理方程中的任何一项通除整个方程，便可将该方程化为零量纲方程．量纲分析法正是依据物理方程量纲一致性原则，找出变化过程的相似准则数，并借助实验找出这些相似准则数之间的函数关系．

(2)白金汉定理.对于某个物理现象，如果存在n个变量互为函数，即f(x1,x2,…,xn)=0，变量中含有m个基本量，则可排列变量成(n-m)个无量纲数的函数关系φ(π1,π2,…,πn)=0，即可合并n个物理量为n-m个无量纲π数．

运用白金汉定理到国际单位制可以得：

1)若一方程包含n个物理量，每个物理量的量纲均由m个独立的基本量纲组成，则这些物理量可以组合成n-m个独立的无量纲量，称为π数．由于独立的基本量纲为m=7.设物理方程为

x1=g(x2,x3,…,xn)

(3)

n个变量可组合成n-7个独立的π数，构成新的方程.

π1=φ(π2,π3,…,πn-7)

(4)

2)选择m=7个独立的物理量为基本物理量，将其余n-7个物理量作为导出量，依次对基本物理量做组合量纲分析，可求得相互独立的n-7个π数．

2.3 量纲分析法

(1)量纲分析一般步骤

1)列出所有相关物理量．

2)选择不同基本物理量(≤7)．

3)其余的物理量均作为导出量，以基本物理量为底构成指数形式的π表达式

π1=φ(π2,π3,…,πn-7)

4)求解每个π表达式中的指数，组成π数．

5)用π数构成新的方程.

(2)说明

1)量纲分析法关键不能遗漏物理量和引入无关的物理量.

2)量纲分析的结果主要用于指导实验和检验物理理论结果的正确性．

物理基本量单位和量纲分析构成了物理量单位的庞大科学计量体系，物理学中所有物理量单位都可以用基本物理量单位通过量纲形式表示出来．

3 物理量单位中的人文元素

随着近代科学的发展，科学在人类社会的地位不断提高，为了弘扬科学精神，传播科学文化，在科学名词、科学计量和计量单位中大量引入以科学家的名字命名，已成为科学发展的一个趋势．物理学是整个自然科学的基础，在物理量单位中引用物理学家名字命名单位的现象更为突出．我们把物理单位分为三类，基本物理量单位、具有专门名称的导出物理量单位和一般导出物理量单位(表3)．

表3 物理量单位分类及物理量个数

注：随着物理学的发展，新的物理量时常会出现，目前有近500个物理量，约250个不同的导出单位．

(1)具有专门名称的导出物理量的单位可以用基本物理量的单位量纲表示出来，一般导出物理量单位都可以用基本物理量单位和具有专门名称的导出物理量单位通过量纲表示出来,见表4．

表4 有专门名称的导出物理量单位

(2)从表3看出，基本物理量中存在自然命名的长度、时间和质量等物理量单位，物理量整体人文化是不可能的，也是没有必要的．中学物理是大众物理，具有专门名称的物理量单位中除少数物理量外，多数单位都已经人文化，人文化率高达87.50%．

(3)一般导出物理量单位中物理学家名字很少，人文化率在中学物理中不到13%，随着物理学深度和广度的增加比例更小，说明国际上在物理单位中引用科学家名字非常严格．

(4)从表4看出，命名为物理单位的物理学家多数生活在1600～1 900年间的科学巨匠．在光学、声学和近代物理领域还没有出现物理量单位人文化的现象．

4 结语

总之，物理量单位的历史演变给人类文明带来了极丰富多彩的科学文化，为继续研究科学树立了榜样.不管最初在物理量单位中引入物理学家名字的用意是什么，这种做法对未来物理学的发展是有其重大意义．

(1)物理学是认识无生命物质结构和物质运动变化规律的科学，它不能没有人的因素，在物理量和物理量单位中引入物理家名字增强了物理学的人文元素，使物理学更有文化内容；

(2)物理量和物理单位中出现的物理学家都是在物理学研究上有杰出贡献的历史人物，他们除了在物理学研究上取得无与伦比的科学成就外，还是历史上鲜活的人，他们的科学精神[8](实事求是、理性、不畏权势，追求真理、不断创新和团结协作)、人文精神[9](个人价值观、集体价值观、国家价值观和人类价值观)是人类社会发展的重要的精神财富，是维系物理学发展的精神动力．

(3)本文意在从物理单位和量纲的知识元素中挖掘文化因素，目的是为物理文化的存在寻求一点认识上的支持．不论是从物理单位发展的历史还是形成单位知识体系的量纲分析理论，以及物理单位中的人文元素的形成都证明物理文化不但存在，而且极为丰富．

参考文献

1 厚宇德.物理文化与物理学史.成都：西南交通大学出版社2004.10

2 解世雄.物理文化与教育.北京：科学出版社，2009.12

3 张同恂,方玉珍，等.物理(高级中学课本).北京：人民教育出版社.1983

4 陈浩元.闲话经典物理学.北京：中国青年出版社.1982.17～24

5 中学物理教师手册.上海：上海教育出版社.1984.347

6 F.W.Sears，等著.郭泰运译.大学物理(第一册)(国际单位制).北京：人民教育出版社，1979

7 物理(第十卷).北京：科学出版社.1982

8 钱时惕.什么是科学精神(科学与人人文漫话之六).物理通报，2010(3)：85～87

9 钱时惕.什么是人文精神(科学与人人文漫话之七).物理通报，2010(4)：86～88