二十世紀(jì)物理學(xué)回眸.ppt

二十世紀(jì)物理學(xué)回眸,19世紀(jì)是化學(xué)世紀(jì)， 20世紀(jì)是物理學(xué)世紀(jì)， 21世紀(jì)是什么世紀(jì),20世紀(jì)初，相對(duì)論和量子力學(xué)的建立標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的誕生，物理學(xué)不僅深入探討物質(zhì)的本質(zhì)，而且促進(jìn)了技術(shù)的飛速發(fā)展，電視、激光、電腦、半導(dǎo)體、集成電路、無(wú)線電通訊，原子能、航空及航天技術(shù) 無(wú)一不是建筑在物理學(xué)成果基礎(chǔ)之上。20世紀(jì)是物理學(xué)世紀(jì)，當(dāng)之無(wú)愧。,一、輝煌的發(fā)展,1、時(shí)空理論的革新-相對(duì)論 2、經(jīng)典力學(xué)的突破-量子力學(xué) 3、宇宙之謎的破譯-現(xiàn)代宇宙學(xué),二、物理思想的討論,1、時(shí)空是形而上還是形而下？ 2、決定性與概率性？ 3、科學(xué)原理的逆命題的表述 4、基礎(chǔ)理論與應(yīng)用科學(xué),三、21世紀(jì)物理學(xué)展望,1、宇宙學(xué)-引力的量子化及宇宙起源 2、生物物理-把生物學(xué)提高到分子生物學(xué)水平 3、納米科學(xué)-納米材料性質(zhì)的理論解釋,“ 我們所見(jiàn)的固然美好， 我們明了的愈加美妙， 我們尚未徹悟的更是不勝其美， 美不可言?！?尼爾斯斯坦森（丹麥自然學(xué)者） （Niels Steensen）,結(jié)語(yǔ),謝謝, 愛(ài)因斯坦及其相對(duì)論,愛(ài)因斯坦（A.Einstein 1978-1955） “我們?nèi)极@益匪淺，全世界都要感謝他的教誨，那專屬于他個(gè)人的東西，早已傳遍廣大人群。他象行將隕滅的慧星，光華四射，把無(wú)限的光芒同他的光芒永相連結(jié)”。 歌德為席勒的葬禮而寫的詩(shī),“在我們這一時(shí)代的物理學(xué)家中，愛(ài)因斯坦將位于最前列。他現(xiàn)在是，將來(lái)也是人類宇宙中有頭等光輝的一顆巨星。很難說(shuō)，他究竟是同牛頓一樣偉大，還是比牛頓更偉大；不過(guò)可以肯定地說(shuō)他的偉大是可以同牛頓相比擬的。按照我的見(jiàn)解，他也許比牛頓更偉大，因?yàn)樗麑?duì)于科學(xué)的貢獻(xiàn)更加深入到人類思想基本概念的結(jié)構(gòu)中去了。” 朗之萬(wàn),在不久之前，加拿大環(huán)球時(shí)報(bào)約請(qǐng)世界各地讀者評(píng)選“從公元1001年起，迄今1000年內(nèi)對(duì)環(huán)球最有影響的100位偉人”榮登榜首的正是愛(ài)因斯坦。 瑞典科學(xué)院頒發(fā)1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的措詞是： “由于愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)定律以及他在理論物理領(lǐng)域的其它工作，特授予獎(jiǎng)金。”, 狹義相對(duì)論（1905年）,問(wèn)題 以太之謎 邁克爾遜一莫雷實(shí)驗(yàn) 光速不變與牛頓時(shí)空觀的矛盾 愛(ài)因斯坦的方案 光速不變?cè)?相對(duì)性原理 構(gòu)建新的時(shí)空理論 改造經(jīng)典力學(xué),兩種時(shí)空理論的比較：,兩個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)結(jié)論 質(zhì)速關(guān)系 E=mc2 質(zhì)能關(guān)系 存在問(wèn)題 光速為什么是不變的？ 光速為什么是不可超越的？ 超光速現(xiàn)象存在嗎？, 廣義相對(duì)論（1915年）,問(wèn)題： 慣性的特殊地位； 牛頓引力論的困難； 引力如何納入相對(duì)論。,愛(ài)因斯坦解決方案： 廣義協(xié)變?cè)硪磺袇⒖枷灯降热魏螀⒖枷当磉_(dá)的物理方程形式不變 等效原理mI=mG引力與慣性力等效 引力與參考系相聯(lián)系把引力與時(shí)空相聯(lián)系,廣義相對(duì)論的新時(shí)空觀： 時(shí)空幾何及度量由引力場(chǎng)強(qiáng)弱分布決定由物質(zhì)的分布及其運(yùn)動(dòng)決定； 引力場(chǎng)越強(qiáng)，空間彎曲得越厲害，時(shí)間進(jìn)程就越慢； 地球的引力場(chǎng)很弱，太陽(yáng)附近的引力場(chǎng)也不強(qiáng)，這里的時(shí)空可近似看作平直時(shí)空，即歐幾里得性質(zhì)的。,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證： 1）太陽(yáng)光譜線的引力紅移 2）水星近日點(diǎn)剩余進(jìn)動(dòng)（42/百年） 3）星光在太陽(yáng)附近的偏折（1.75）（1919年） 4）利用穆斯堡爾效應(yīng)測(cè)定引力頻移（1960年） 5）利用雷達(dá)回波在引力場(chǎng)中的時(shí)間延遲（1968，1977） 存在問(wèn)題： 變化引力場(chǎng)中的時(shí)間問(wèn)題，量子化問(wèn)題,量子論,a）黑體輻射的紫外災(zāi)難與普朗克的量子論（1900年） 經(jīng)典理論的連續(xù)性信條的第一次挫敗，普朗克引入的不連續(xù)的能量子=hv突破了經(jīng)典物理的連續(xù)性原理，從此標(biāo)志了量子物理的誕生，普朗克被稱為量子論之父。 量子化物理量的分立化微觀世界的基本特征之一。,b）光電效應(yīng)對(duì)經(jīng)典物理的發(fā)難與愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)（1905年） 光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)難以解釋光電效應(yīng)，經(jīng)典連續(xù)性理論的又一次失敗，愛(ài)因斯坦把普朗克的能量子假設(shè)推廣到光輻射問(wèn)題上，簡(jiǎn)單引入光量子=hv假設(shè)，光電效應(yīng)很快解決了理論解釋，愛(ài)因斯坦因此而獲得了1921年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。,c）經(jīng)典原子模型的困難及玻爾的量子化假設(shè) 1911年盧琵福實(shí)驗(yàn)確立了原子有核模型的地位，但原子有核模型卻存在著原子穩(wěn)定性的困難。 玻爾于1913年提出了原子模型的新理論，在他的新理論中，主要是兩條假設(shè)：定態(tài)與躍遷。 定態(tài)：原子中的電子只能在確定的幾個(gè)狀態(tài)上存在，而原子保持穩(wěn)定； 躍遷：原子中的電子在不同定態(tài)間的躍遷，發(fā)射出單一頻率的申磁波，其頻率由普朗克公式確定。 普朗克的量子論打開了量子世界的一扇窗戶，玻爾的原子理論則打開了量子世界的大門。, 量子力學(xué),a）1924年德布羅意在他的博士論文中提出了一切實(shí)物粒子亦具有波動(dòng)性的假設(shè)，他把實(shí)物粒子的波性質(zhì)與粒子的能量與動(dòng)量相聯(lián)系。 E=hv，P=h/ 德布羅意認(rèn)為“一束電了穿過(guò)非常小的孔，可能產(chǎn)生沖射現(xiàn)象，這也許是實(shí)驗(yàn)上證實(shí)我們想法的方向。” 1927年戴維遜和革末利用電子在晶體表面上的反射產(chǎn)生沖射的實(shí)驗(yàn)；湯姆遜又用電子通過(guò)金簡(jiǎn)獲得電子沖射的圖象，證實(shí)了德布羅意的假設(shè)。電子、質(zhì)子、中子、原子、分子等一切微觀粒子均具有波動(dòng)性。,b）薛定諤方程 既然微觀粒子具有波動(dòng)性，不能采用經(jīng)典力學(xué)位置函數(shù)的方法來(lái)描寫粒子的運(yùn)動(dòng)，而采用所謂波函數(shù)（r,t）來(lái)描寫，1926年根據(jù)波粒二象性寫出了波函數(shù)所滿足的動(dòng)力學(xué)方程，即薛定諤方程： 以薛定諤方程為代表的量子力學(xué)亦稱波動(dòng)力學(xué)。 另外德國(guó)物理學(xué)家海森堡與約爾丹等人在1925年創(chuàng)立了矩陣力學(xué)。薛定諤證明了波動(dòng)力學(xué)與短陣力學(xué)等價(jià)。 1927年英國(guó)物理學(xué)家狄拉克則把二者非常簡(jiǎn)潔地作了統(tǒng)一的表述，使量子力學(xué)進(jìn)一步完善，現(xiàn)在統(tǒng)稱為量子力學(xué)。,c)波函數(shù)的概率解釋 微觀粒子的波動(dòng)性，即德布羅意波常被稱為物質(zhì)波，但這種波并不是真實(shí)波，而是一種概率波，即粒子在空間出現(xiàn)的概率正比于波函數(shù)的平方。關(guān)于這一點(diǎn)是物理學(xué)家玻恩在1926年提出的。,d)海森堡的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 微觀粒子不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量其位置與速度，即有 xp h 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系反映了微觀粒子的本性，即波粒二象性。 量子力學(xué)的建立大大促進(jìn)了固體理論，半導(dǎo)體物理，低溫物理，超導(dǎo)物理等的發(fā)展，很快微電子電子學(xué)等應(yīng)用科學(xué)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，20世紀(jì)許多高技術(shù)的發(fā)展離不開量子力學(xué)。,I. 人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí),牛頓宇宙-古典宇宙學(xué)的矛盾 愛(ài)因斯坦宇宙-現(xiàn)代宇宙學(xué)的開端 大爆炸宇宙學(xué)-思路，證據(jù)，問(wèn)題,II.宇宙的起源與終結(jié),宇宙從無(wú)到有量子起伏，宇宙來(lái)自真空。 三種可能的終結(jié)-臨界密度 大宇宙與小粒子 宇宙的人擇原理(Anthropic Princple),只要上帝作第一次推動(dòng) 人類第一次描繪的完整宇宙的科學(xué)圖景 萬(wàn)有引力與無(wú)限宇宙的矛盾 引力佯謬（Zeeliger 1895年指出引力無(wú)限大問(wèn)題） 光度佯謬（Olber 1826年指出的夜黑問(wèn)題）,宇宙是廣義相對(duì)論的用武之地（強(qiáng)場(chǎng)條件） GM GM m mc2 1 R RC2 空間時(shí)間性質(zhì)決定于物質(zhì)分布 我們的宇宙空間是彎曲的（不是歐幾里德的）宇宙,是有限而無(wú)邊的,宇宙膨脹與哈勃（Hubble）定律 宇宙蛋奇點(diǎn)大爆炸（什么是大爆炸？） 演化 3分鐘后（中子、質(zhì)子聚合成氦核） 40萬(wàn)年后（光子脫離物質(zhì) 形成宇宙背景輻射） 10億年后（星系恒星形成） 100億年后（太陽(yáng)系、地球形成） 140億年后（智慧人類出現(xiàn)） 證據(jù) 年齡，氮豐度，3K背景輻射，宇宙 膨脹。 問(wèn)題 星系形成問(wèn)題，爆漲的可觀測(cè)效應(yīng) 問(wèn)題。,免費(fèi)午餐產(chǎn)生出來(lái)的物質(zhì)量是正能量 兩者之和等于零 物質(zhì)之間的引力勢(shì)能是負(fù)能量 Planek時(shí)代（10-43秒之前） l,t,m,臨界密度 E=Eu+Ek GM 4 m 4 Eu= -m = - R3G = - mR2G R 3 R 3 1 1 Ek= mv2 = m(HR)2 2 2 E0(EKEU); E C =C= 8G c=4.510-27Kg/m3 =2.710-6個(gè)核子/cm3或0.0027個(gè)核子/升,物理常數(shù),粒子數(shù)據(jù)取值與宇宙穩(wěn)定結(jié)構(gòu)密切有關(guān) 狄拉克的大數(shù)定律為什么？ 宇宙半徑/電子半徑=1040 宇宙壽命/強(qiáng)粒子壽命=1040 氫核中電力/引力=1040 物理常數(shù)與宇宙結(jié)構(gòu)有什么關(guān)聯(lián)？,這個(gè)宇宙為什么是今天這個(gè)樣子，而不是另外一個(gè)樣子？ 上帝創(chuàng)造？自然而然？人的選擇？ 1974年B.Carter(卡特)提出,“我們?nèi)祟愃J(rèn)識(shí)的宇只能是認(rèn)識(shí)主體可以存在的宇宙”。 “人是這個(gè)宇宙的人，這個(gè)宇宙是人的宇宙，對(duì)此沒(méi)有任何選擇余地”。 “只有以大爆炸為起點(diǎn)，具有特定物理常數(shù)的宇宙，才有幸成為茫茫宇宙中一片充滿生機(jī)的綠洲人所”選擇“的是允許他自己存在并進(jìn)行認(rèn)識(shí)的宇宙” “假如人是宇宙得天獨(dú)厚的驕子，那么又正是宇宙選擇了人。”選擇的雙向性。,大數(shù)決定了星際演化的特定機(jī)遇，如果太早，恒星未形成或太年輕，不具備生命所必須的元素；如果太晚，恒星耗盡了光和熱，變成了白矮星、中子星、黑洞，生命根本談不上，只有電子/引力之比恰當(dāng)正好，使宇宙年齡合適，才會(huì)有能夠思考宇宙的人出現(xiàn)。 方法論：初始條件演化方程預(yù)言結(jié)果！ 人類存在的結(jié)果演化方程必須的初始條件！ 宇宙為什么是今天這樣，正是為了人類的出現(xiàn)、存在，這些大數(shù)必須相等，是人類選擇了這樣一個(gè)宇宙！,時(shí)間、空間在相對(duì)論之前，是哲學(xué)的范疇；在相對(duì)論之后，是物理學(xué)范疇。 時(shí)間、空間是物質(zhì)存在的形式，與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)密不可分，物質(zhì)的分布與運(yùn)動(dòng)決定時(shí)間，空間的幾何性質(zhì)及度量規(guī)則。 問(wèn)題：在動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)中，廣義相對(duì)論無(wú)法定義時(shí)間的同時(shí)性。,經(jīng)典物理的決定性原則在現(xiàn)代物理中不再成立，取而代之的是概率性，即統(tǒng)計(jì)