經(jīng)典力學(xué)和物理學(xué)革命

1、經(jīng)典力學(xué)和物理學(xué)革命經(jīng)典力學(xué)和物理學(xué)革命問題一：我們有可能穿越回到過去嗎？如果可以，到底怎么回去呢？問題二：如果在一紙箱里放有一只貓和一瓶劇毒毒藥，打開紙箱后我們會發(fā)現(xiàn)，這只貓要么打翻毒藥而死掉，要么幸運的活著。那么，如果不讓你打開這只紙箱，你將不能判斷這只貓到底是活著還是死掉，那么此時你如何描述貓的生命狀態(tài)呢，介于活著和死去之間的某一種狀態(tài)嗎？經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性現(xiàn)代物理現(xiàn)代物理相對論相對論量子論量子論經(jīng)典力學(xué)的前世今生經(jīng)典力學(xué)的前世今生公元384到322年：亞里士多德時代，人類開始利用觀察和邏輯理性的研究物體的運動。公元1564至1642年： 意大利物理學(xué)家伽利略。

2、慣性定律，落體定律和相對性原理的建立。此后笛卡爾、惠更斯和開普勒等人在慣性運動、彈性碰撞和天體運動方面的努力進一步推進了人們對于力學(xué)和運動學(xué)的本質(zhì)的認識。1666年，23歲的牛頓為了躲避瘟疫，回到鄉(xiāng)下的老家度假。在那段日子里，他一個人獨立完成了幾項開天辟地的工作，包括發(fā)明了微積分（流數(shù)），完成了光分解的實驗分析，以及萬有引力的開創(chuàng)性工作。在那一年，他為數(shù)學(xué)、力學(xué)和光學(xué)三大學(xué)科分別打下了基礎(chǔ)，而其中的任何一項工作，都足以讓他名列有史以來最偉大的科學(xué)家之列。很難想象，一個人的思維何以能夠在如此短的時間內(nèi)涌動出如此多的靈感，人們只能用一個拉丁文 annus mirabilis 來表示這一年，也就是“

3、奇跡年”。1687年，發(fā)表了自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，標志著以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)體系成立。后牛頓時代：后牛頓時代：1864年，光學(xué)方面，法拉弟、麥克斯韋等人建立了電磁理論。1865年左右，熱學(xué)方面，在范德瓦爾資，克勞修斯，波爾茲曼和吉布斯等一批天才的努力下，統(tǒng)計力學(xué)和熱力學(xué)也建力起來。這是一段偉大而光榮的日子，是經(jīng)典物理的黃金時代。經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動力學(xué)和經(jīng)典熱力學(xué)（加上統(tǒng)計力學(xué)）形成了物理世界的三大支柱。它們緊緊地結(jié)合在一塊兒，構(gòu)筑起了一座華麗而雄偉的殿堂。從當時來看，我們也許的確是有資格這樣驕傲的，因為所知道的一切物質(zhì)，幾乎都可以從現(xiàn)成的理論里得到解釋。從天上的行星到地上的石塊，力、熱、光

4、、電、磁一切的一切萬物都必恭必敬地遵循著它制定的規(guī)則。19 世紀末的物理學(xué)天空中閃爍著金色的光芒，象征著經(jīng)典物理帝國的全盛時代。這樣的偉大時期在科學(xué)史上是空前的，或許也將是絕后的。然而，這個統(tǒng)一的強大帝國卻注定了只能曇花一現(xiàn)。喧囂一時的繁盛，終究要像泡沫那樣破滅凋零。 經(jīng)典力學(xué)的局限性與實用范圍經(jīng)典力學(xué)的局限性與實用范圍一、經(jīng)典力學(xué)只能應(yīng)用于低速運動的物體，如果物體的運動速度相對于光速不可乎略，經(jīng)典力學(xué)不再適用。二、牛頓力學(xué)只適用于宏觀領(lǐng)域而不適用于微觀世界。微觀世界遵從量子力學(xué)的規(guī)律。附：一般情況下，在納米（10-9）限度以下的都可以視為微觀世界。狹義相對論狹義相對論理論基礎(chǔ)：一、相對性原理

5、：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。二、光速不變原理：不管在哪個慣性參考系中，測得的真空中的光速都相同。狹義相對論的奇怪結(jié)論狹義相對論的奇怪結(jié)論時間膨脹效應(yīng)：運動著的時鐘會比相對于觀察者靜止的時鐘走的更慢。尺縮效應(yīng)：相對于觀察者運動的物體在運動方向上的長度會縮短，運動的越快，縮短的越利害。質(zhì)量增加效應(yīng)：物體在運動時會比靜止時質(zhì)量大，并且運動的越快，質(zhì)量增加的越多。偉大的愛因期坦：1905 年愛因斯坦在專利局里蝸居的一年發(fā)表了6 篇論文，3 月18日，關(guān)于光電效應(yīng)的文章，這成為了量子論的奠基石之一。4 月30日，發(fā)表了關(guān)于測量分子大小的論文，這為他贏得了博士學(xué)位。5 月11 日和后來

6、的12 月19 日，兩篇關(guān)于布朗運動的論文，成了分子論的里程碑。6 月30日，發(fā)表題為論運動物體的電動力學(xué)的論文，這個不起眼的題目后來被加上了一個如雷貫耳的名稱，叫做“狹義相對論”。9 月27日，關(guān)于物體慣性和能量的關(guān)系的論文，這是狹義相對論的進一步說明，并且在其中提出了著名的質(zhì)能方程E=mc2 。 單單這一年的工作，便至少配得上3 個諾貝爾獎。狹義相對論發(fā)表狹義相對論發(fā)表100100周年，周年，也許全世界只有幾十個人能完全理解他的真諦，也許全世界只有幾十個人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對論對人類生活的巨大改變。但這并不能掩蓋相對論對人類生活的巨大改變。 上帝擲骰子嗎上帝擲骰子嗎黑體輻

7、射：19世紀末20世紀初物理學(xué)無法解釋的問題之一，牛頓力學(xué)體系發(fā)展過來的麥克斯韋電磁理論給出的黑體輻射公式與實驗測得的公式不合。1900年12月，德國物理學(xué)家普朗克手寫出了經(jīng)驗公式，此公式與實驗吻合得很好，但是，這里面有一個讓人無法理解的假設(shè)：能量吸收或發(fā)射必須是一份一份的，每一份就是一個能量單位。光電效應(yīng)：當用一束特定頻率的光照射在金屬上，金屬的表面上會有電子逸出。光電效應(yīng)光電效應(yīng)愛因期坦的解釋：光在傳播過程中，也不是連續(xù)的，它由數(shù)值分立的能量子組成的，愛因期坦稱這些能量子為光量子，也稱為“光子”。經(jīng)典時空觀和相對論時空觀：經(jīng)典時空觀和相對論時空觀：牛頓的時空觀認為，空間是獨立于物質(zhì)存在的，

8、不會受到物質(zhì)運動的影響，而時間在空間中單向均勻流逝。而相對論時空觀認為時空不是不能單獨存在的，時空存在的意義其實是在于物質(zhì)的運動，并且時空的狀態(tài)會不可避免的受到物質(zhì)運動的影響。量子理論對世界的描述：量子理論對世界的描述：任何物質(zhì)的存在都內(nèi)稟有玻粒二象性，這決定著自然世界中物質(zhì)各種物理性質(zhì)的分布（位置、動量、角動量、電荷、時間等）是概率性的，這種概率以波動的形式存在著的。量子物理的天才們：量子物理的天才們：1900 年年12 月月14 日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)于黑體輻射的論日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)于黑體輻射的論文，宣告了量子的誕生。那一年他文，宣告了量子的誕生。那一年他42歲。歲。 就在那一

9、年，一個名叫阿爾伯特就在那一年，一個名叫阿爾伯特愛因斯坦（愛因斯坦（AlbertEinstein ）的青年從蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)（的青年從蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)（ETH）畢業(yè)，正在為將來的生）畢業(yè)，正在為將來的生活發(fā)愁?；畎l(fā)愁。在丹麥，在丹麥，15 歲的尼爾斯歲的尼爾斯玻爾（玻爾（Niels Bohr）正在哥本哈根的中）正在哥本哈根的中學(xué)里讀書。學(xué)里讀書。埃爾文埃爾文薛定諤（薛定諤（Erwin Schrodinger）比玻爾小兩歲，當時在）比玻爾小兩歲，當時在維也納的一間著名的高級中學(xué)維也納的一間著名的高級中學(xué)Akademisches Gymnasium上上學(xué)。小埃爾文長得非常帥氣，穿上禮服和緊身褲

10、，儼然一個翩學(xué)。小埃爾文長得非常帥氣，穿上禮服和緊身褲，儼然一個翩翩小公子，這也使得他非常受到歡迎。翩小公子，這也使得他非常受到歡迎。馬克斯馬克斯波恩（波恩（Max BornMax Born）和薛定諤有著相似的教育背景不過相）和薛定諤有著相似的教育背景不過相比薛定諤來說，波恩并不怎么喜歡拉丁文，甚至不怎么喜歡數(shù)學(xué)，比薛定諤來說，波恩并不怎么喜歡拉丁文，甚至不怎么喜歡數(shù)學(xué)，盡管他對數(shù)學(xué)的看法后來在大學(xué)里得到了改變。盡管他對數(shù)學(xué)的看法后來在大學(xué)里得到了改變。路易斯路易斯德布羅意（德布羅意（Louis de Brog lieLouis de Brog lie）當時）當時8 8 歲，正在他那歲，正在他那顯赫的貴族家庭里接受良好的幼年教育。他對歷史表現(xiàn)出濃厚的顯赫的貴族家庭里接受良好的幼年教育。他對歷史表現(xiàn)出濃厚的興趣，并樂意把自己的時間花在這上面。興趣，并樂意把自己的時間花在這上面。沃爾夫?qū)譅柗驅(qū)魉固囟魉固嘏堇ㄅ堇╓olfgang Ernst PauliWolfgang Ernst Pauli）才出生）才出生8 8 個個月，可憐的小家伙似乎一出世就和科學(xué)結(jié)緣。月，可憐的小家伙似乎一出世就和科學(xué)結(jié)緣。而再過而再過12 12 個月，維爾茲堡（個月，維爾茲堡（WurzbergWurzberg）的一位著名希臘文獻教）的一位著名希臘文獻教授就要喜滋滋地