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1、 科学、技术与社 会系列课程现代科学技术概论：物理学An Introduction to Modern Science and Technology：Physics19世纪末20世纪初的物理学革命Physics Revolution in 19C-20C古典物理学的顶峰与物理学危机The zenith and crisis of classical physics 19世纪末古典物理学大厦建成形成牛顿力学体系为中心，声学、热学、光学和电 磁学大一统，小到原子、大到宇宙天体的世界图景 ，使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一 座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂” 。量子力学奠基人普朗
2、克的老师约利就曾劝说普朗克 不要学习物理，因为“这门科学中的一切都已经被研 究了，只有一些不重要的空白需要被填补”。大部分人认为，物理学大厦已经最终建成，剩下的 工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些。古典物理学的顶峰与物理学危机The zenith and crisis of classical physics 19世纪末古典物理学大厦建成动力学理论断言，热和光都是运 动的方式。但现在这一理论的优 美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽 ，显得黯然失色了 在热和光动力理论上空的19世纪乌云开尔文勋爵(Lord Kelvin)，1900年物理学晴朗天空中的两朵乌云The physical sky is
3、obscured by two clouds1886年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行探测光以太对于地 球的漂移速度的实验，在人们当时的观念里，以太代表了一个 绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于 一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。这可能是当 时物理史上进行过的最精密的实验了，但是迈克尔逊和莫雷一 连观测了数天，没有观测到以太的飘移速度，以失败告终。 迈迈克尔逊逊-莫雷实验实验 的零结结果MichelsonMorley experiment 难难以观测观测 到以太的绝对绝对 运动动，这这便动摇动摇 了经经典物 理学和经经典时时空观观的基础础物理学晴朗天空中的两朵乌
4、云The physical sky is obscured by two clouds在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。 颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸 收率可达到80左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐 射而毫无任何反射和透射，吸收率是100的理想物体。 黑体辐辐射与紫外灾难难Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种 连续变 化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候 和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯
5、公 式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可 以无止境地增加，而实验数据是趋于零，这部分的严重偏离， 被称为“紫外灾难”。物理学晴朗天空中的两朵乌云The physical sky is obscured by two clouds 黑体辐辐射与紫外灾难难Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe物理学晴朗天空中的两朵乌云The physical sky is obscured by two clouds迈迈克尔逊逊-莫雷实实 验验相对论对论黑体辐辐射与紫外灾难难量子力学世纪之交的物理学 Physics at the
6、turn of century X射线：伦琴(Wilhelm Conrad Roentgen) 放射性：居里夫妇(Marie and Pierre Curie) 电子：汤姆孙(Joseph John Thomson) 原子结构：卢瑟福(Ernest Rutherford) 量子：普朗克(Max Planck)相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 早在早在1616岁时爱因斯坦就在想一个问题，如果一个人以光速远行岁时爱因斯坦就在想一个问题，如果一个人以光速远行 ，他将看到一幅什么样的世界景象
7、呢，电磁波是不是就像凝固，他将看到一幅什么样的世界景象呢，电磁波是不是就像凝固 了那样静止不动呢，如果是那样，电动力学就完了。看起来，了那样静止不动呢，如果是那样，电动力学就完了。看起来， 电动力学的麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动的参考系即以电动力学的麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动的参考系即以 太参考系是成立的。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原太参考系是成立的。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原 理相矛盾。理相矛盾。所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的，伽利略恰当地所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的，伽利略恰当地 称之为相对性原理。他的著名实验是，一个坐在船舱里的人无称之为
8、相对性原理。他的著名实验是，一个坐在船舱里的人无 论用什么物理实验，也无法确定该船是否在相对于河流做均匀论用什么物理实验，也无法确定该船是否在相对于河流做均匀 直线运动即惯性运动。可是，电动力学为什么不遵从伽利略的直线运动即惯性运动。可是，电动力学为什么不遵从伽利略的 相对性原理呢相对性原理呢? ?相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 在伯尔尼专利局的岁月里，爱在伯尔尼专利局的岁月里，爱因斯坦广泛关注着物理学界的前沿因斯坦广泛关注着物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，形动态，在许多
9、问题上深入思考，形成了自己独特的见解。成了自己独特的见解。19051905年是科年是科学史上值得记取的一年，这一年中学史上值得记取的一年，这一年中，爱因斯坦在德国，爱因斯坦在德国物理学年鉴物理学年鉴发表了五篇论文，其中的三篇每篇发表了五篇论文，其中的三篇每篇均属划时代的成就。均属划时代的成就。相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 第一篇论文发表在物理学年鉴第17卷132-148页 ，是关于光电效应的。当时人们已经发现 ，金属在 光的照射下可以发射出电子。但奇怪的是，光的强度 只与电子的多
10、少有关，而不能使电子的发射能量变 大。对这一点古典物理学无法解释。 爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出的量 子观点大胆推广，指出光是由一定能量的光量子组成 。正是这些光量子激发了金属内部的电子，而且， 只有一定能量的光量子能被金属所吸收，并激发一定 能量的电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文 ，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理奖。相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 第二篇论文发表在物理学年鉴第17卷549-560页，是关 于布朗运动的。布朗运动是1827年英国植物学家布朗发
11、现的 显微镜下花粉颗垃的无规则运动，长期以来得不到解释。分 子运动论建立之后，曾有人从大量分子无规则运动的观点解 释布朗运动。但爱因斯坦第一个从数学上详尽地解决了这一 问题。 最伟大的成就是第三篇论文论动体的电动力学，刊于 物理学年鉴第17卷第89l-921页。在这篇论文中，爱因斯坦 提出了他举世闻名的相对性理论即相对论。这是他多年来思 考以太与电动力学问题的结果。 他以同时性的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间 和空间理论。并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以 完整的形式。论动体的电动力学论动体的电动力学， 刊于刊于物理学年鉴物理学年鉴第第1717卷第卷第89l-92189l-92
12、1页。页。 狭义相对论（1905，Special Relativity）： 惯性参照系等价：同时性的相对性 光速不变 广义相对论（1913，General Relativity）： 引力质量=惯性质量，等效原理 火箭实验(升降机实验)相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 狭义相对论 （1905，Special Relativity）：1. 光速
13、不变在所有惯性系中，真空中的光速都等于 299 792 458 m/s 2. 惯性参照系等价：同时性的相对性在所有惯性系中，物理定律有相同的表达形式。 相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 狭义相对论 （1905，Special Relativity）：3. 尺缩钟慢效应（length contraction and time dilation）尺缩：物体相对于观察者为静止时，该物体的长度测量值最大；当它相 对于观察者运动时，在它的运动方向上，该物体的长度测量值要缩短， 速度越快，缩短越
14、多。钟慢：发生在运动物体上的过程，在静止的观察者看来都变慢了。相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 狭义相对论 （1905，Special Relativity）：3. 双生子佯谬（Twin paradox）有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个 则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄 弟更年青。 但如果我们从宇宙飞船上的兄弟的角度去想这个问题，我们似乎会得出 矛盾的结果：旅行者在宇宙飞船中会看到地球以高速离他而去，然后又 高速回来。他可以
15、认为他在地球上的兄弟才是移动时钟，所以是他的兄 弟才会受时间膨胀所影响，而不是他自己。相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 狭义相对论 （1905，Special Relativity）：4. 四维时空（4D space-time ）经典力学中，时间和空间是互不相干的两种实在。而在相对论中，时间 坐标和空间坐标由洛伦兹变换紧密联系在一起，时间和空间实际上构成 了一个存在紧密联系的不可分割的统一体。5. 速度变换公式（Transformation of Velocities ）若u等于c时
16、，公式为1，即为光速不变原理； 若u和v极小于c，即为经 典力学中的速度叠加 公式。这也反映了相对论力学对经 典力学的兼 容。相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 狭义相对论 （1905，Special Relativity）：6. 质能方程（Mass-energy equivalence）物体的质量随其运动速度增加而增加，根据质量是动量与速度之比， 可以建立质量与能量之间的内在联系，即质能关系式：相对论：世界图景的重建Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 广义相对论 （1913，General Relativity）：1905年爱因斯坦发表狭义相对
