《現(xiàn)代科學(xué)革命》

第25課現(xiàn)代科學(xué)革命17至18世紀(jì)經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了完整、系統(tǒng)和成熟階段，一些科學(xué)家還根據(jù)萬有引力定律計(jì)算出了海王星和冥王星的位置，證明了經(jīng)典物理學(xué)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和可預(yù)見性。但是，經(jīng)典物理學(xué)是以日常生活中常見的低速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)為研究對(duì)象的，一旦進(jìn)入光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)的某些結(jié)論就變得不準(zhǔn)確。一、經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī)以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理學(xué)無法解釋19世紀(jì)末以來的物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)，如：微觀世界，原子，宇宙放射線，高速光學(xué)元素的放射性、電子運(yùn)動(dòng)、黑體輻射、光電效應(yīng)等等，看來經(jīng)典物理學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀已經(jīng)不合時(shí)宜了。這種狀況隨著20世紀(jì)以來科學(xué)研究的不斷深入而日益顯現(xiàn)，如神秘的“以太”一直不能被證明是存在的、高速運(yùn)動(dòng)的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象非經(jīng)典力學(xué)所能解釋等。物理學(xué)只有來一番徹底的革命，才能適應(yīng)科學(xué)研究的新形勢(shì)。在這種背景下，相對(duì)論與量子論應(yīng)運(yùn)而生。時(shí)空那么遙遠(yuǎn)，100年就是一個(gè)世紀(jì)。今年是愛因斯坦逝世50周年，同時(shí)也是他提出狹義相對(duì)論100周年。100年前，年僅26歲的毛頭小伙愛因斯坦，以他卓越的思考力、非凡的洞察力，提出了狹義相對(duì)論，傳統(tǒng)經(jīng)典物理學(xué)由此徹底改變。這一種顛覆是多么激動(dòng)人心，為紀(jì)念相對(duì)論誕生100周年暨愛因斯坦逝世50周年，聯(lián)合國大會(huì)將今年——2005年確定為“國際物理年”，這是聯(lián)合國首次為一個(gè)學(xué)科確定的全球規(guī)模的紀(jì)念活動(dòng)。愛因斯坦，這位在許多國度千年人物(1001－2000年)評(píng)選中都居榜首的俊杰，絕不僅僅是因?yàn)樵谖锢韺W(xué)上的成就。他既是偉大的科學(xué)家、現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，更是杰出的思想家，他是一幅視野開闊的思想寬銀幕。

作為科學(xué)家的愛因斯坦，他是窺見上帝秘密的人；作為思想家的愛因斯坦，他是窺見人間秘密的人。

有高度社會(huì)責(zé)任感的人，通常是具有良心的智識(shí)者。讓我們輕輕地伸出我們的手，撫摸一下愛因斯坦的滾燙的良心：1939年8月2日，愛因斯坦出于對(duì)人類命運(yùn)的極大關(guān)注，寫信給羅斯?？偨y(tǒng)建議美國務(wù)必?fù)屧诜ㄎ魉沟聡爸圃斐鲈訌?；后來，?dāng)原子彈真的從潘多拉魔盒里跳出來后，愛因斯坦陷入了巨大的后悔與痛苦之中，自認(rèn)一生最大錯(cuò)誤就是建議研制原子彈。他痛心地說，“早知如此，我寧可當(dāng)個(gè)修表匠！”愛因斯坦就核武器問題的懊悔，代表了人類良知的高度，是人類良心發(fā)出的最強(qiáng)音。聽愛因斯坦的自責(zé)之聲，我們明白人類良知之寶貴

請(qǐng)記住愛因斯坦的話吧：“沒有能獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的有創(chuàng)造性的個(gè)人，社會(huì)的向上發(fā)展是不可想象的?！泵藗饔浐团ｎD一樣，愛因斯坦年幼時(shí)也未顯出智力超群，相反，到了四歲多還不會(huì)說話，家里人甚至擔(dān)心他是個(gè)低能兒。而且，就是這樣一位光彩奪目的人物，在整個(gè)中小學(xué)時(shí)代卻常常被斥為“生性孤僻、智力遲鈍”，“不守紀(jì)律、心不在焉。想入非非”。中學(xué)畢業(yè)前夕，校方甚至斷言他未來將“一事成”，勒令他退了學(xué)。16歲那年，他以同等學(xué)歷報(bào)考大學(xué)，盡管物理。數(shù)學(xué)成績(jī)很好，但由于需要死記硬背的科目考砸了鍋，只得名落孫山。第二年進(jìn)入大學(xué)后，他仍然不愿意強(qiáng)迫自己去適應(yīng)那種被動(dòng)的、刻板的、純粹按部就班的學(xué)習(xí)生活，他擅自“刷掉了”很多課程，只以“極大的興趣”去聽某些課和在家里自學(xué)。在四年大學(xué)生活中，他仍然不是“好學(xué)生”：曾被數(shù)學(xué)教授稱為“懶狗”，曾因做實(shí)驗(yàn)出事故受到處分，還曾被物理教授認(rèn)為不適宜學(xué)物理而應(yīng)當(dāng)改行。大學(xué)畢業(yè)時(shí)幾位同窗好友都留校當(dāng)了助教，他卻因得不到教授們的賞識(shí)而遭到了“畢業(yè)即失業(yè)”的命運(yùn)。這種種親身經(jīng)歷，使愛因斯坦對(duì)教育的總體印象一直不佳。正因?yàn)槿绱耍擅蟮膼垡蛩固雇ㄟ^自身的體驗(yàn)和長期的觀察，形成了一種與眾不同的教育觀點(diǎn)。

“知識(shí)是死的；而學(xué)校卻要為活人服務(wù)?！边@是愛因斯坦對(duì)于學(xué)校教育的基本看法。他反對(duì)把學(xué)校僅僅看做是傳授知識(shí)的工具，更反對(duì)把學(xué)生“當(dāng)作死的工具來對(duì)待”。他認(rèn)為：“學(xué)校的目的始終應(yīng)當(dāng)是：青年人在離開學(xué)校時(shí)，是作為一個(gè)和諧的人，而不是作為一個(gè)專家。”

1916年，愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》，在這篇文章中，愛因斯坦首先將以前適用于慣性系的相對(duì)論稱為狹義相對(duì)論，并進(jìn)一步表述了廣義相對(duì)性原理：物理學(xué)的定律必須對(duì)于無論哪種方式運(yùn)動(dòng)著的參照系都成立。愛因斯坦預(yù)言，遙遠(yuǎn)的星光如果掠過太陽表面將會(huì)發(fā)生一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。1919年，英國派出了兩支遠(yuǎn)征隊(duì)分赴兩地觀察日全食，經(jīng)過認(rèn)真的研究得出最后的結(jié)論是：星光在太陽附近的確發(fā)生了一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。英國皇家學(xué)會(huì)確認(rèn)廣義相對(duì)論的結(jié)論是正確的。會(huì)上，著名物理學(xué)家、皇家學(xué)會(huì)會(huì)長湯姆孫說：“這是自從牛頓時(shí)代以來所取得的關(guān)于萬有引力理論的最重大的成果”，“愛因斯坦的相對(duì)論是人類思想最偉大的成果之一”。

1）相對(duì)論的兩個(gè)基本原理是相對(duì)性原理和光速不變?cè)?。在相?duì)性原理中，愛因斯坦認(rèn)為時(shí)間、運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量不是絕對(duì)的，而是相對(duì)的。較典型的現(xiàn)象是運(yùn)動(dòng)的物體長度變短（尺縮效應(yīng)）、運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢（鐘慢效應(yīng)）、運(yùn)動(dòng)的物體重量變大。光速不變?cè)韯t認(rèn)為光的傳播速度在任何條件下都是不變的。

2）相對(duì)論內(nèi)容：相對(duì)性原理與和光速不變?cè)?。時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量是相對(duì)的。3）意義：擴(kuò)展了物理學(xué)的研究空間和應(yīng)用領(lǐng)域（從日常范圍到宏觀宇宙空間）；開闊了人們的思維?！跋鄬?duì)論”妙解有一次，群眾包圍了從德國移居美國的科學(xué)家愛因斯坦的住宅，要他用“最簡(jiǎn)單的話”解釋清楚他的“相對(duì)論”。當(dāng)時(shí)，據(jù)說全世界只有幾個(gè)高明的科學(xué)家看得懂他關(guān)于“相對(duì)論”的著作。愛因斯坦走出住宅，對(duì)大家說：“比方這么說——你同你最親的人坐在火爐邊，一個(gè)鐘頭過去了，你覺得好像只過了5分鐘！反過來，你一個(gè)人孤孤單單地坐在熱氣逼人的火爐邊，只過了5分鐘，但你卻像坐了一個(gè)小時(shí)。——唔，這就是相對(duì)論！”*時(shí)間與永恒有一次，一個(gè)美國女記者走訪愛因斯坦，問道：“依您看，時(shí)間和永恒有什么區(qū)別呢？”愛因斯坦答道：“親愛的女士，如果我有時(shí)間給您解釋它們之間的區(qū)別的話，那么，當(dāng)你明白的時(shí)候，永恒就消失了！”*成功的秘訣

一個(gè)愛說廢話而不愛用功的青年，整天纏著大科學(xué)家愛因斯坦，要他公開成功的秘訣。愛因斯坦厭煩了，便寫了一

*個(gè)公式給他：A＝x＋y＋z愛因斯坦解釋道：“A代表成功，x代表艱苦的勞動(dòng)，y代表正確的方法……”“z代表什么？”青年迫不及待地問。“代表少說廢話。”愛因斯坦說。三、量子理論中的微觀世界微觀世界二十世紀(jì)物理學(xué)是起始于兩位偉大的科學(xué)家的偉大的發(fā)現(xiàn)。敢于對(duì)古典理論說不的是兩位當(dāng)時(shí)還不知名的年輕科學(xué)家，普郎克和愛因斯坦。這個(gè)就是普郎克，當(dāng)時(shí)四十來歲，為了解釋黑體輻射譜提出量子論，用光量子去解釋了光電效應(yīng)。

量子論及其意義量子論最先由德國物理學(xué)家普郎克于1900年提出。他認(rèn)為，物質(zhì)的輻射能不是連續(xù)的，而是以最小的、不可再分的能量單位即能量量子的整數(shù)倍跳躍式地變化的。隨后英國物理學(xué)家盧瑟福和丹麥物理學(xué)家玻爾把量子論用于原子結(jié)構(gòu)的研究，證實(shí)原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成。電子在不同軌道上圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子從外層軌道跳到內(nèi)層軌道時(shí)就放出相應(yīng)波長的電磁波。玻爾在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了原子結(jié)構(gòu)的理論。愛因斯坦利用原子論成功地解釋了光電效應(yīng)出現(xiàn)的現(xiàn)象及光的本質(zhì)，進(jìn)一步推動(dòng)了量子論的發(fā)展。

量子論和相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，量子論的形成標(biāo)志著人類對(duì)于客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)，開始從宏觀世界深入到微觀世界。基于量子規(guī)律的新技術(shù)深深地改變了人類的生活，包括激光