現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論物理學(xué)

第一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三19世紀(jì)末20世紀(jì)初的物理學(xué)革命

Physics

Revolutionin19C-20C第二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三古典物理學(xué)的頂峰與物理學(xué)危機(jī)

Thezenithandcrisisofclassicalphysics19世紀(jì)末古典物理學(xué)大廈建成形成牛頓力學(xué)體系為中心，聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)大一統(tǒng)，小到原子、大到宇宙天體的世界圖景，使物理學(xué)顯示出一種形式上的完整，被譽(yù)為“一座莊嚴(yán)雄偉的建筑體系和動(dòng)人心弦的美麗的廟堂”。量子力學(xué)奠基人普朗克的老師約利就曾勸說普朗克不要學(xué)習(xí)物理，因?yàn)椤斑@門科學(xué)中的一切都已經(jīng)被研究了，只有一些不重要的空白需要被填補(bǔ)”。大部分人認(rèn)為，物理學(xué)大廈已經(jīng)最終建成，剩下的工作只是把物理常數(shù)的測量弄得再準(zhǔn)確一些。第三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三古典物理學(xué)的頂峰與物理學(xué)危機(jī)

Thezenithandcrisisofclassicalphysics19世紀(jì)末古典物理學(xué)大廈建成動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式。但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)烏云開爾文勛爵(LordKelvin)，1900年第四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三物理學(xué)晴朗天空中的兩朵烏云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds1886年，美國物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷進(jìn)行探測光以太對于地球的漂移速度的實(shí)驗(yàn)，在人們當(dāng)時(shí)的觀念里，以太代表了一個(gè)絕對靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于一艘船在高速行駛，迎面會(huì)吹來強(qiáng)烈的“以太風(fēng)”。這可能是當(dāng)時(shí)物理史上進(jìn)行過的最精密的實(shí)驗(yàn)了，但是邁克爾遜和莫雷一連觀測了數(shù)天，沒有觀測到以太的飄移速度，以失敗告終。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果

Michelson–Morleyexperiment

難以觀測到以太的絕對運(yùn)動(dòng)，這便動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)和經(jīng)典時(shí)空觀的基礎(chǔ)第五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三物理學(xué)晴朗天空中的兩朵烏云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領(lǐng)比較強(qiáng)，比如煤炭對電磁波的吸收率可達(dá)到80％左右。所謂“黑體”是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100％的理想物體。黑體輻射與紫外災(zāi)難

BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe英國物理學(xué)家瑞利和物理學(xué)家、天文學(xué)家金斯認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利一金斯公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強(qiáng)度可以無止境地增加，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是趨于零，這部分的嚴(yán)重偏離，被稱為“紫外災(zāi)難”。第六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三物理學(xué)晴朗天空中的兩朵烏云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds黑體輻射與紫外災(zāi)難

BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe第七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三物理學(xué)晴朗天空中的兩朵烏云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)相對論黑體輻射與紫外災(zāi)難量子力學(xué)第八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三世紀(jì)之交的物理學(xué)

PhysicsattheturnofcenturyX射線：倫琴(WilhelmConradRoentgen)放射性：居里夫婦(MarieandPierreCurie)電子：湯姆孫(JosephJohnThomson)原子結(jié)構(gòu)：盧瑟福(ErnestRutherford)量子：普朗克(MaxPlanck)第九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld早在16歲時(shí)愛因斯坦就在想一個(gè)問題，如果一個(gè)人以光速遠(yuǎn)行，他將看到一幅什么樣的世界景象呢，電磁波是不是就像凝固了那樣靜止不動(dòng)呢，如果是那樣，電動(dòng)力學(xué)就完了?？雌饋?，電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程只對一個(gè)絕對靜止不動(dòng)的參考系即以太參考系是成立的?？墒沁@與牛頓力學(xué)所遵從的慣性系等效原理相矛盾。所有的牛頓定律對于所有的慣性系都是成立的，伽利略恰當(dāng)?shù)胤Q之為相對性原理。他的著名實(shí)驗(yàn)是，一個(gè)坐在船艙里的人無論用什么物理實(shí)驗(yàn)，也無法確定該船是否在相對于河流做均勻直線運(yùn)動(dòng)即慣性運(yùn)動(dòng)?？墒?，電動(dòng)力學(xué)為什么不遵從伽利略的相對性原理呢?第十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld

在伯爾尼專利局的歲月里，愛因斯坦廣泛關(guān)注著物理學(xué)界的前沿動(dòng)態(tài)，在許多問題上深入思考，形成了自己獨(dú)特的見解。1905年是科學(xué)史上值得記取的一年，這一年中，愛因斯坦在德國《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了五篇論文，其中的三篇每篇均屬劃時(shí)代的成就。第十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld第一篇論文發(fā)表在《物理學(xué)年鑒》第17卷132-148頁，是關(guān)于光電效應(yīng)的。當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，金屬在光的照射下可以發(fā)射出電子。但奇怪的是，光的強(qiáng)度只與電子的多少有關(guān)，而不能使電子的發(fā)射能量變大。對這一點(diǎn)古典物理學(xué)無法解釋。愛因斯坦將德國物理學(xué)家普朗克在此之前提出的量子觀點(diǎn)大膽推廣，指出光是由一定能量的光量子組成。正是這些光量子激發(fā)了金屬內(nèi)部的電子，而且，只有一定能量的光量子能被金屬所吸收，并激發(fā)一定能量的電子。這就解釋了光電效應(yīng)。由于這篇論文，愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。第十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld第二篇論文發(fā)表在《物理學(xué)年鑒》第17卷549-560頁，是關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的。布朗運(yùn)動(dòng)是1827年英國植物學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)的顯微鏡下花粉顆垃的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，長期以來得不到解釋。分子運(yùn)動(dòng)論建立之后，曾有人從大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)解釋布朗運(yùn)動(dòng)。但愛因斯坦第一個(gè)從數(shù)學(xué)上詳盡地解決了這一問題。最偉大的成就是第三篇論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，刊于《物理學(xué)年鑒》第17卷第89l-921頁。在這篇論文中，愛因斯坦提出了他舉世聞名的相對性理論即相對論。這是他多年來思考以太與電動(dòng)力學(xué)問題的結(jié)果。他以同時(shí)性的相對性這一點(diǎn)作為突破口，建立了全新的時(shí)間和空間理論。并在新的時(shí)空理論基礎(chǔ)上給動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)以完整的形式。第十三頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，刊于《物理學(xué)年鑒》第17卷第89l-921頁。第十四頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：慣性參照系等價(jià)：同時(shí)性的相對性光速不變廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：引力質(zhì)量=慣性質(zhì)量，等效原理火箭實(shí)驗(yàn)(升降機(jī)實(shí)驗(yàn))相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld第十五頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：光速不變在所有慣性系中，真空中的光速都等于

299792458m/s2.慣性參照系等價(jià)：同時(shí)性的相對性在所有慣性系中，物理定律有相同的表達(dá)形式。第十六頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：3.尺縮鐘慢效應(yīng)（lengthcontractionandtimedilation）尺縮：物體相對于觀察者為靜止時(shí)，該物體的長度測量值最大；當(dāng)它相對于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，在它的運(yùn)動(dòng)方向上，該物體的長度測量值要縮短，速度越快，縮短越多。鐘慢：發(fā)生在運(yùn)動(dòng)物體上的過程，在靜止的觀察者看來都變慢了。第十七頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：3.雙生子佯謬（Twinparadox）有一對雙生兄弟，其中一個(gè)跨上一宇宙飛船作長程太空旅行，而另一個(gè)則留在地球。結(jié)果當(dāng)旅行者回到地球后，我們發(fā)現(xiàn)他比他留在地球的兄弟更年青。但如果我們從宇宙飛船上的兄弟的角度去想這個(gè)問題，我們似乎會(huì)得出矛盾的結(jié)果：旅行者在宇宙飛船中會(huì)看到地球以高速離他而去，然后又高速回來。他可以認(rèn)為他在地球上的兄弟才是移動(dòng)時(shí)鐘，所以是他的兄弟才會(huì)受時(shí)間膨脹所影響，而不是他自己。第十八頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：4.四維時(shí)空（4Dspace-time）經(jīng)典力學(xué)中，時(shí)間和空間是互不相干的兩種實(shí)在。而在相對論中，時(shí)間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)由洛倫茲變換緊密聯(lián)系在一起，時(shí)間和空間實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)存在緊密聯(lián)系的不可分割的統(tǒng)一體。5.速度變換公式（TransformationofVelocities）若u等于c時(shí)，公式為1，即為光速不變原理；若u和v極小于c，即為經(jīng)典力學(xué)中的速度疊加公式。這也反映了相對論力學(xué)對經(jīng)典力學(xué)的兼容。第十九頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：6.質(zhì)能方程（Mass-energyequivalence）物體的質(zhì)量隨其運(yùn)動(dòng)速度增加而增加，根據(jù)質(zhì)量是動(dòng)量與速度之比，可以建立質(zhì)量與能量之間的內(nèi)在聯(lián)系，即質(zhì)能關(guān)系式：第二十頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：1905年愛因斯坦發(fā)表狹義相對論后，他開始著眼于如何將引力納入狹義相對論框架的思考。以一個(gè)處在自由落體狀態(tài)的觀察者的理想實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，他從1907年開始了長達(dá)八年的對引力的相對性理論的探索。在歷經(jīng)多次彎路和錯(cuò)誤之后，他于1915年11月在普魯士科學(xué)院上做了發(fā)言，其內(nèi)容正是著名的愛因斯坦引力場方程。這個(gè)方程描述了處于時(shí)空中的物質(zhì)是如何影響其周圍的時(shí)空幾何，并成為了愛因斯坦的廣義相對論的核心。廣義相對論是愛因斯坦于1916年發(fā)表的用幾何語言描述的引力理論，它代表了現(xiàn)代物理學(xué)中引力理論研究的最高水平。廣義相對論將經(jīng)典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用等效原理而建立。在廣義相對論中，引力被描述為時(shí)空的一種幾何屬性（曲率）；而這種時(shí)空曲率與處于時(shí)空中的物質(zhì)與輻射的能量-動(dòng)量張量直接相聯(lián)系，其聯(lián)系方式即是愛因斯坦的引力場方程（一個(gè)二階非線性偏微分方程組）。第二十一頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：等效原理認(rèn)為引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量是等同的，或者說，兩個(gè)空間分別受到引力和與之等大的慣性力的作用，在這兩個(gè)空間中從事一切實(shí)驗(yàn)，都將得出同樣的物理規(guī)律。6.引力質(zhì)量=慣性質(zhì)量，等效原理（Equivalenceprinciple）小球落到正在加速的火箭的地板上（左）和落到地球上（右），處在其中的觀察者會(huì)認(rèn)為這兩種情形下小球的運(yùn)動(dòng)軌跡沒有什么區(qū)別第二十二頁，共二十六頁，編輯于2023年，星期三相對論：世界圖景的重建

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