愛因斯坦提出的相對(duì)論和普朗尼提出的量子論

第25課現(xiàn)代科學(xué)革命

導(dǎo)言

科學(xué)總是向前發(fā)展的，托勒密的地心說被哥白尼的日心說取代，這就是一種對(duì)權(quán)威的挑戰(zhàn)以及超越，而最終的目的是科學(xué)的進(jìn)步。20世紀(jì)初，在牛頓經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到頂峰，形成一種權(quán)威的時(shí)候，也出現(xiàn)了對(duì)這種權(quán)威的挑戰(zhàn)——愛因斯坦提出的相對(duì)論和普朗尼提出的量子論，而這個(gè)挑戰(zhàn)引起了物理學(xué)的一場(chǎng)革命，也促進(jìn)了科技和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的飛躍，促進(jìn)了人類認(rèn)識(shí)能力和思維模式的發(fā)展，也改變了人們的自然觀念。學(xué)習(xí)本課，你將了解相對(duì)論和量子論的主要內(nèi)容及其意義。為紀(jì)念愛因斯坦對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)，聯(lián)合國(guó)教科文組織特選定相對(duì)論發(fā)表100周年暨愛因斯坦逝世50周年的05年為世界物理年，許多國(guó)家更將2005年定為愛因斯坦年。并透過展示物理在經(jīng)濟(jì)技術(shù)文化等方面的重要作用，爭(zhēng)取公眾對(duì)物理學(xué)的理解與支持，期使物理學(xué)能在21世紀(jì)得到全新的發(fā)展。尋找本世紀(jì)愛因斯坦，再創(chuàng)科學(xué)奇跡

一、經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī)

牛頓是一位偉大的科學(xué)家。數(shù)學(xué)界，他總結(jié)出了微積分；在物理界，他總結(jié)出了萬有引力定律以及經(jīng)典力學(xué)的三大定律；在光學(xué)方面，他最早發(fā)現(xiàn)了白光的組成，指出了色散的本質(zhì)。

1727年3月20日，偉大的牛頓逝世，他被埋葬在威斯敏斯特教堂，在他的墓碑上鐫刻著：讓人們歡呼這樣一位多么偉大的人類榮耀曾經(jīng)在世界上存在！牛頓力學(xué)剛剛問世時(shí)，曾受到不少人的懷疑和反對(duì)。牛頓力學(xué)是否是科學(xué)？只能由實(shí)踐來檢驗(yàn)。牛頓力學(xué)不斷被證實(shí)，歷史上最著名的有三件事。

第一件，用牛頓力學(xué)算出地球的形狀象只桔子。古希臘的亞里士多德認(rèn)為地球是個(gè)正球體，兩千年來人們對(duì)此深信不疑。牛頓卻根據(jù)他的力學(xué)，說地球是個(gè)扁球體，象只大桔子。此言一出，學(xué)界嘩然。地球那么大，牛頓又從不出遠(yuǎn)門，他憑什么說地球有點(diǎn)扁？可是法國(guó)科學(xué)家經(jīng)過三次實(shí)地測(cè)量，終于證實(shí)了牛頓的看法。用力學(xué)能算出地球的形狀，真是個(gè)奇跡。第二件，用牛頓力學(xué)算出了哈雷彗星的回歸周期。長(zhǎng)期以來到，人們一直認(rèn)為彗星是神秘的，不吉利的災(zāi)星，根本不能用科學(xué)來說明。牛頓說，既然彗星也是天體，就必然遵循力學(xué)規(guī)律。他的好友哈雷用牛頓力學(xué)算出了1682年出現(xiàn)的彗星的軌道，指出它的回歸周期是75—76年，由此預(yù)言它將在1758年再次出現(xiàn)。哈雷1705年發(fā)表這個(gè)預(yù)言，當(dāng)時(shí)他已49歲，卻要預(yù)言53年以后的事，豈非聳人聽聞？可是1758年這顆彗星果然如期出現(xiàn)，并被命名為哈雷彗星。牛頓力學(xué)剝掉了彗星的神秘外衣，對(duì)它的運(yùn)行作出了科學(xué)預(yù)見，這又是一個(gè)奇跡。

第三件，用牛頓力學(xué)算出了一顆未知行星的位置。1781年天王星被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家用牛頓力學(xué)計(jì)算它的軌道，可是計(jì)算結(jié)果總是同觀測(cè)紀(jì)錄不大相符。經(jīng)反復(fù)核算，觀測(cè)無誤。那問題是否出現(xiàn)在牛頓力學(xué)上面？法國(guó)的勒維列和英國(guó)的亞當(dāng)斯堅(jiān)信牛頓力學(xué)的正確，大膽猜想計(jì)算結(jié)果之所以不理想，是因?yàn)樘?yáng)系中還有一顆未知的行星，我們沒有考慮到它對(duì)天王星的引力作用。他們用牛頓力學(xué)算出了這顆未知行星的位置和質(zhì)量。1848年9月23日，柏林天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)在收到勒維列來信的當(dāng)晚，用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)勒維列所指出的位置，一下子就看到了一顆新的行星—海王星。勒維列無需觀測(cè)星空，就在筆尖上發(fā)現(xiàn)了新行星。牛頓力學(xué)又創(chuàng)造了新的奇跡。

有了牛頓力學(xué)，秀才不出門，能知地球事，能知天上事。牛頓力學(xué)創(chuàng)造的一次又一次奇跡，使科學(xué)享有崇高的威望。

1875年時(shí)，普朗克在慕尼黑大學(xué)學(xué)物理，物理老師曾勸他不要學(xué)純理論，因?yàn)槲锢韺W(xué)“是一門高度發(fā)展的、幾乎是臻善臻美的科學(xué)”，現(xiàn)在這門科學(xué)“看來很接近于采取最穩(wěn)定的形式。也許，在某個(gè)角落里還有一粒塵屑或一個(gè)小氣泡，對(duì)它們可以去進(jìn)行研究和分類，但是，作為一個(gè)完整的體系，那是建立得足夠牢固的。而理論物理學(xué)正在明顯地接近于幾何學(xué)在數(shù)百年中所已具有的那樣完美的程度?！?、17—19世紀(jì)牛頓經(jīng)典力學(xué)日趨完善、成熟危機(jī)與機(jī)遇：“晴空上漂浮著兩朵烏云”“以太”說破滅

水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介，它們離開了介質(zhì)都不能傳播。太陽(yáng)光穿過真空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個(gè)傳播介質(zhì)—“以太”。他們假定整個(gè)宇宙空間都充滿了“以太”，“以太”是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介?！耙蕴笔枪狻㈦?、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門“以太學(xué)”。

地球以每秒30公里的速度繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，就必須會(huì)遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來，同時(shí)，它也必須對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。這個(gè)問題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接憽耙蕴L(fēng)”存在與否。

1887年，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，不論地球運(yùn)動(dòng)的方向同光的射向一致或相反，測(cè)出的光速都相同，在地球同設(shè)想的“以太”之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因而，根本找不到“以太”或“絕對(duì)靜止的空間”。2、19世紀(jì)末以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典物理學(xué)陷入危機(jī)無法解釋之例子一：夜空的金牛座上的“蟹狀星云”，是900多年前一次超新星爆發(fā)中拋出來的氣體殼層。

結(jié)論：在25年持續(xù)看到超新星爆發(fā)時(shí)發(fā)出的強(qiáng)光。史書記載：強(qiáng)光從出現(xiàn)到隱沒還不到兩年。矛盾L（距離）C+V（速度）狹義相對(duì)論發(fā)表100周年，也許全世界只有幾十個(gè)人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對(duì)論對(duì)人類生活的巨大改變，這樣的改變還將繼續(xù)下去。二、愛因斯坦與相對(duì)論1905年，愛因斯坦26歲，接連寫下4篇改變整個(gè)20世紀(jì)物理學(xué)面貌的論文：1、光的量子說（解釋光電效應(yīng)）2、布朗運(yùn)動(dòng)（證明分子的存在）3、狹義相對(duì)論（修正了牛頓力學(xué)）4、質(zhì)能互換律（E=mc2）1916年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論基礎(chǔ)，最具創(chuàng)見也是最偉大的貢獻(xiàn)：5、廣義相對(duì)論（取代了牛頓的萬有引力理論）1905

神奇的一年愛因斯坦1905年提出的相對(duì)論，后來稱作狹義相對(duì)論，以光速永不改變、相對(duì)性原則來推論，得到“時(shí)間”會(huì)因速度快慢而改變的結(jié)論。相對(duì)論的例子：一卷錄音帶，如果在地面上播放需要一個(gè)小時(shí)；在快速飛行的宇宙飛船里播放，宇宙飛船里的人測(cè)定也是一個(gè)小時(shí)。但是由地面上的人員，來測(cè)定在宇宙飛船中播放的時(shí)間呢？根據(jù)牛頓的理論，因?yàn)闀r(shí)間是絕對(duì)的，所以也是一小時(shí)；但是愛因斯坦的理論則認(rèn)為應(yīng)該是一個(gè)多小時(shí)，因?yàn)闀r(shí)間是相對(duì)的，在不同速度下測(cè)量時(shí)間，長(zhǎng)度是不一樣的。什么是狹義相對(duì)論？什么是廣義相對(duì)論？廣義相對(duì)論是新的萬有引力概念

愛因斯坦闡述“萬有引力”的本質(zhì)是導(dǎo)因于物質(zhì)的分布而彎曲了鄰近的時(shí)間─空間幾何結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)出比牛頓萬有引力定律更精確的理論，得到彎曲的四維時(shí)空觀念，牛頓的萬有引力理論成了廣義相對(duì)論中的一個(gè)特例。廣義相對(duì)論的重要結(jié)論是，加速運(yùn)動(dòng)與引力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的，要區(qū)別是由慣性力或者引力所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是不可能的。對(duì)此，愛因斯坦作了一個(gè)的比喻。假想有一個(gè)人乘摩天樓的電梯自由降落，人不會(huì)感到自己在下降，因?yàn)檫@時(shí)電梯和人都依照重力加速度定律在下降，彷佛在電梯里不存在地球引力。“相對(duì)論”妙解有一次，群眾包圍了從德國(guó)移居美國(guó)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)?！?，這就是相對(duì)論！”

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?！睈垡蛩固拐f。

由于相對(duì)論的觀點(diǎn)與人們的日常經(jīng)驗(yàn)不太一致，甚至有著尖銳的沖突，相對(duì)論從一開始就受到包括一些科學(xué)家在內(nèi)的很多人的反對(duì)。1921年愛因斯坦獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，當(dāng)時(shí)不少德國(guó)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者威脅說，如果給相對(duì)論授獎(jiǎng)，他們就要退回已獲得的獎(jiǎng)?wù)拢Y(jié)果評(píng)選委員會(huì)只好讓愛因斯坦作為光電效應(yīng)理論的建立者得獎(jiǎng)，相對(duì)論始終沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)。但相對(duì)論在物理學(xué)上卻非常合理且為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。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(guó)務(wù)必?fù)屧诜ㄎ魉沟聡?guó)之前制造出原子彈；后來，當(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。”

關(guān)于愛因斯坦的小故事多得不勝枚舉，有此些是因?yàn)樗闹忍?，穿鑿附?huì)，以訛傳訛；有些則是真實(shí)的。無論是真是假，人們對(duì)一位偉大物理學(xué)家的崇拜是不會(huì)改變的?！窭缢┑囊m子左右腳常不同顏色；愛因斯坦的小故事●用手推車推孩子散步，竟會(huì)由于專心思考問題，而一不小心把孩子推到水溝里；●陪太太看電影時(shí)，卻在電影院里用手電筒看書；●

1952年，以色列共和國(guó)請(qǐng)愛因斯坦去擔(dān)任總統(tǒng)，因?yàn)橐陨卸际仟q太人，愛因斯坦是猶太人心目中的精神領(lǐng)袖，然而他沒有接受，覺得自己的個(gè)性并不適合處理行政。1955年

4月18日因主動(dòng)脈瘤破裂逝世于普林斯頓。遵照他的遺囑，不發(fā)訃造，不舉行公開葬禮，不建墳?zāi)梗涣⒓o(jì)念碑?；鸹瘯r(shí)按照他的書面遺囑：免除所有花卉布置以及所有音樂典禮。骨灰撒在永遠(yuǎn)對(duì)人保密的地方，為的是不使任何地方成為圣地。遺囑執(zhí)行者用歌德悼念席勒的詩(shī)結(jié)束了那樸素的葬禮：

我們?nèi)极@益不淺，

全世界都感謝他的教誨；

那專屬他個(gè)人的東西，

早已傳遍廣大人群。他像行將隕滅的彗星，

光華四射，

把無限的光芒同他的光

芒永相連結(jié)。

他的主治醫(yī)生賀維博士認(rèn)為如此偉大的大腦，應(yīng)該進(jìn)行研究，所以他便把愛因斯坦的大腦保留了下來，并切成200片帶走。但至今沒有結(jié)論。

二、愛因斯坦與相對(duì)論

1.相對(duì)論的提出：1905年，愛因斯坦發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文，完整地提出了狹義相對(duì)論。1916年，他又建立了廣義相對(duì)論。2.相對(duì)論的兩個(gè)基本原理：相對(duì)性原理和光速不變?cè)恚?）相對(duì)論的觀點(diǎn)提醒人們，不要被常識(shí)和日常經(jīng)驗(yàn)所蒙蔽，常識(shí)不一定是正確的。（2）相對(duì)論提出是物理學(xué)領(lǐng)域最偉大的革命。（3）相對(duì)論打破了經(jīng)典物理學(xué)絕對(duì)化的思維，為人們提供了辯證地看待世界的途徑。3.意義：三、普朗克與量子理論

1900年，普朗克為了克服經(jīng)典物理學(xué)對(duì)黑體輻射現(xiàn)象解釋上的困難，創(chuàng)立了物質(zhì)輻射（或吸收）的能量只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數(shù)倍的假說，即量子假說。他引進(jìn)了一個(gè)物理普適常數(shù)，即普朗克常數(shù)，以符號(hào)h表示，其數(shù)值為6.626176×10-27爾格·秒，是微觀現(xiàn)象量子特性的表征。量子論的發(fā)展：1）愛因斯坦提出了光的量子理論；2）丹麥物理學(xué)家玻爾提出了原子的量子理論；3）在這個(gè)基礎(chǔ)上，一門新的物理學(xué)分支量子力學(xué)建立起來。

量子力學(xué)標(biāo)志著人類的認(rèn)識(shí)對(duì)客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)，開始從宏觀世界深入到微觀世界。量子論提出的意義：1）量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的另一支柱，是非世紀(jì)最深刻、最有成就的科學(xué)理論之一，使人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)有了革命性的進(jìn)步。2）量子力學(xué)對(duì)化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、古生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域都產(chǎn)生了大眾的影響，帶來了許多劃時(shí)代的技術(shù)創(chuàng)新，直接推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，從根本上改變了人類的物質(zhì)生活。量子力學(xué)的產(chǎn)生和相對(duì)論的產(chǎn)生有什么共同點(diǎn)？這說明了什么？共同點(diǎn)：從背景上看，19世紀(jì)末，物理學(xué)得到了極大的發(fā)展，物理學(xué)的研究一方面深入到物質(zhì)內(nèi)部的微觀世界，另一方面擴(kuò)展到整個(gè)宇宙。但是，一系列新的發(fā)現(xiàn)無法用經(jīng)典物理學(xué)解釋，這使得經(jīng)典物理學(xué)陷入了危機(jī)，面臨著挑戰(zhàn)。從產(chǎn)生過程看，第一，都是科學(xué)大師們敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)，追求真理的結(jié)果。第二，都經(jīng)歷了一個(gè)產(chǎn)生發(fā)展完善的過程。說明：社會(huì)意識(shí)是一定的社會(huì)存在的反映；任何事物的產(chǎn)生和發(fā)展都要經(jīng)歷一個(gè)曲折的過程。選擇題練習(xí)海王星的發(fā)現(xiàn)是根據(jù)：A、哥白尼日心說的推算B、牛頓理論的推測(cè)C、法拉第演說計(jì)算D、愛因斯坦對(duì)時(shí)間、空間屬性的揭示現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)是：A、牛頓力學(xué)B、相對(duì)論C、量子假說D、量子理論、相對(duì)論愛因斯坦相對(duì)論