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1、科学、技术与社会系列课程现代科学技术概论：物理学现代科学技术概论：物理学An Introduction to Modern Science and TechnologyAn Introduction to Modern Science and Technology：PhysicsPhysics19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 physics19世纪末古典物理学大厦建成世纪末古典物理学大厦建成形形成成牛牛顿顿力力学学体体系系为为中中心心，声
2、声学学、热热学学、光光学学和和电电磁磁学学大大一一统统，小小到到原原子子、大大到到宇宇宙宙天天体体的的世世界界图图景景，使使物物理理学学显显示示出出一一种种形形式式上上的的完完整整，被被誉誉为为“一一座座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。量量子子力力学学奠奠基基人人普普朗朗克克的的老老师师约约利利就就曾曾劝劝说说普普朗朗克克不不要要学学习习物物理理，因因为为“这这门门科科学学中中的的一一切切都都已已经经被被研究了，只有一些不重要的空白需要被填补研究了，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大部分人认为，物理学大厦
3、已经最终建成，剩下的，剩下的工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些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 physics19世纪末古典物理学大厦建成世纪末古典物理学大厦建成动动力力学学理理论论断断言言，热热和和光光都都是是运运动动的的方方式式。但但现现在在这这一一理理论论的的优优美美性性和和明明晰晰性性却却被被两两朵朵乌乌云云遮遮蔽蔽，显得黯然失色了显得黯然失色了在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的19世纪乌云世纪乌云开尔文勋爵(Lord Kelvin)，1900年物理学晴朗天空中的两朵
4、乌云 The physical sky is 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。迈克克尔尔逊-莫雷莫雷实验的零的零结果果 MichelsonMorley experiment 难以以观测到以太的到以太的绝对运运动，这便便动摇了了经典物理典物理学和学和经典典时空空
5、观的基的基础物理学晴朗天空中的两朵乌云 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。黑体黑体辐射与紫外灾射与紫外灾难 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
6、合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯公式推出，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黑体黑体辐射与紫外灾射与紫外灾难 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迈克克尔尔逊-莫雷莫雷实验相相对论黑体黑体辐射与紫外灾射与紫外灾难量子力
7、学量子力学世纪之交的物理学Physics at the turn of centuryX射线：伦琴(WilhelmConradRntgen)放射性：居里夫妇(MarieandPierreCurie)电子：汤姆孙(JosephJohnThomson)原子结构：卢瑟福(ErnestRutherford)量子：普朗克(MaxPlanck)相对论：世界图景的重建 Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 早早在在1616岁岁时时爱爱因因斯斯坦坦就就在在想想一一个个问问题题，如如果果一一个个人人以以光光速速远远行行，他他将
8、将看看到到一一幅幅什什么么样样的的世世界界景景象象呢呢，电电磁磁波波是是不不是是就就像像凝凝固固了了那那样样静静止止不不动动呢呢，如如果果是是那那样样，电电动动力力学学就就完完了了。看看起起来来，电电动动力力学学的的麦麦克克斯斯韦韦方方程程只只对对一一个个绝绝对对静静止止不不动动的的参参考考系系即即以以太太参参考考系系是是成成立立的的。可可是是这这与与牛牛顿顿力力学学所所遵遵从从的的惯惯性性系系等等效效原原理理相矛盾。相矛盾。所所有有的的牛牛顿顿定定律律对对于于所所有有的的惯惯性性系系都都是是成成立立的的，伽伽利利略略恰恰当当地地称称之之为为相相对对性性原原理理。他他的的著著名名实实验验是是，
9、一一个个坐坐在在船船舱舱里里的的人人无无论论用用什什么么物物理理实实验验，也也无无法法确确定定该该船船是是否否在在相相对对于于河河流流做做均均匀匀直直线线运运动动即即惯惯性性运运动动。可可是是，电电动动力力学学为为什什么么不不遵遵从从伽伽利利略略的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，形成了自己独特的见解。1905年是科学史上值得记取的一年，这一年中，爱因斯坦在德国物理学
10、年鉴发表了五篇论文，其中的三篇每篇均属划时代的成就。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
11、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
12、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，刊于物理学年鉴第17卷第89l-921页。狭义相对论（1905，SpecialRelativity）：惯性参照系等价：同时性的相对性光速不变广义相对论（1913，GeneralRelativity）：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 o
13、f 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）
14、：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
15、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
16、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，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 equival
17、ence）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论后，他开始着眼于如何将引力纳入狭义相对论框架的思考。以一个处在自由落体状态的观察者的理想实验为出发点，他从1907年开始了长达八年的对引力的相对性理论的探索。在历经多次弯路和错误之后，他于1915年11月在普鲁士科学院上做了发言，其内容正是
18、著名的爱因斯坦引力场方程。这个方程描述了处于时空中的物质是如何影响其周围的时空几何，并成为了爱因斯坦的广义相对论的核心。广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity: reconstructi
19、ng the picture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：等效原理认为引力质量和惯性质量是等同的，或者说，两个空间分别受到引力和与之等大的惯性力的作用，在这两个空间中从事一切实验，都将得出同样的物理规律。1. 引力质量=惯性质量，等效原理（Equivalence principle）小球落到正在加速的火箭的地板上（左）和落到地球上（右），处在其中的观察者会认为这两种情形下小球的运动轨迹没有什么区别爱因斯坦升降机：设想观察者在一个密封的箱子中在引力场中自由下落，他将处于一种失重状态。假定观察者无法看到箱子外面的情况，那么他将无法区分自己
20、所在的箱子到底是在引力场中自由下落，还是在无引力的太空中作惯性运动。因为在这两种情况下，观察者都同样看到箱子中一切物体都处于失重状态。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）：广义相对论的定律以及在广义相对论框架中得到的物理定律在所有参考系中具有相同的形式。或者说，物理定律的形式在所有的观察者看来都是相同的，自然规律同我们引进的坐标系无关。2. 广义协变原理（General covariance principle）这一原理的前
21、提是认为惯性质量与引力质量相等。引力质量与惯性质量相等是一个观测的事实，爱因斯坦则把它解释为同一本质的体现。引力场中的牛顿方程式：（惯性质量）（加速度）（引力质量） （引力强度）惯性质量同引力质量相等就意味着：引力场加给物体的加速度同物体的本性无关。也就是说，在引力场中的同一地点，一切物体的加速度都是相同的（引力场的特征性质）。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）：由于在广义相对论中时空是弯曲的，故欧氏几何不复有效，需用黎曼
22、几何描述。广义相对论指出时空弯曲的曲率取决于物质的分布，引力不过是时空弯曲的“效应”，这就取消了牛顿万有引力的假定。从广义相对论的观点看来，地球绕太阳运动是由于太阳的巨大质量，使太阳周围的时空发生了弯曲，并不是因为存在什么神秘的引力。3. 广义相对论与万有引力（G.R. & universal gravitation ）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）：4. 水星近日点的进动（Perihelion precession
23、of Mercury）1845年法国天文学家勒维列发现水星近日点在不断前移，根据牛顿理论计算，在考虑所有可能摄动影响之后，仍有每百年43秒的差异无法解释。因此就预言“火神星”的存在，然而经过几十年的寻找还是毫无结果。根据广义相对论的计算，水星近日点本来就应当有43秒的进动，根本不存在“火神星”。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）：4. 光线在引力场中的偏转（deflection of light by the suns g
24、ravitational field）爱因斯坦根据等效原理预言，光线经过太阳边缘时由于太阳引力的作用会产生弯曲，要发生1.7秒的偏转，偏角为0.83，也就是说从地球上观察太阳附近的星星视位置会变化。他指出这一现象可以在日全食进行观测。英国天文学家爱丁顿利用将要发生日全蚀的机会验证这一伟大理论。根据非洲几内亚湾的普林西比岛和南美洲的索布腊尔的观测结果，分别是1.610.30秒和1.980.12秒，爱因斯坦的预言得到了证实。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，Gen
25、eral Relativity）：4. 光线在引力场中的偏转（deflection of light by the suns gravitational field）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）：5. 引力红移（Gravitational redshift）光波或者其他波动从重力场源(如巨大星体或黑洞)远离时，整体频谱会往红色端方向偏移，亦即发生“频率变低，波长增长”的现象。质量庞大的星球上所发出的光远离星球时，会发
26、生红位移从蓝色偏到红色。1925年，美国天文学家亚当斯对天狼伴星的光谱线的观测证实了引力频移。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity: reconstructing the picture of the world 相对论的意义：相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和空间的传统看法即绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充分的科学依据。同时，相对论作为人们探索自然奥秘的强有力的理论武器，不仅为物理学的发展开辟了一个全新的方向，而且为现代科学技术的发展奠定了牢固的基础。因此，无论在科学上还是在哲学世界观与方法论，
27、无论在理论上还是在实践上，相对论都具有极其重要的意义，而爱因斯坦也因此成为继牛顿之后最伟大的科学巨人。量子力学的建立 Quantum Mechanics普朗克的量子假说（1900，Plancks quantum hypothesis）：普朗克在解决黑体辐射问题时，提出了普朗克公式。但是在引导这个公式时，他不得不假设这些原子谐振子的能量，不是连续的，而是离散的（经典物理学的观点恰好相反）：能量吸收和辐射的离散性。En = nhv (n=0,1,2,3,)这里n为量子数，h为自然常数（普朗克常数），v为频率。能量的最小单位为“量子”，其改变值是最小能量E的整数倍。氢原子的电子云的概率密度：从上向下
28、为主量子数n（1、2、3），量子力学的建立 Quantum Mechanics普朗克的量子假说（1900，Plancks quantum hypothesis）：量子力学的建立 Quantum Mechanics爱因斯坦的光量子假说 （1905，Einsteins Light Quantum Hypothesis）光电效应指的是某些物体如金属内的电子由于光照而移出物体的表面现象。经典电磁理论无法对此做出解释，因为是波动说。爱因斯坦认为，光是以速度c在真空中运动着的微粒流，微粒即“光量子”或“光子”。当光照射到物体表面时，能力为hv的光子被电子吸收，电子把这份能量中的一部分用来克服物体表面对它的
29、的束缚力，另一部分则变为它离开物体表面的动能。这样就完满地解释了光电效应实验的特性了。这一假说后来被康普顿效应所证实photoelectric effect 量子力学的建立 Quantum Mechanics光的波粒二象性 （wave-particle duality of light）至此，人们对光的本性有了一个认识上的飞跃。这时的光既非经典的粒子也非经典的波，而有时表现出粒子性，有时表现出波动性，它们均反映了光的本质的一个侧面。这即是光的波粒二象性。光的干涉图像，显示出波动性光电效应，显示出粒子性量子力学的建立 Quantum Mechanics玻尔量子化的原子模型 （1913，Bohrs
30、 atom model of quantization）玻尔将“量子化”概念引入原子核模型，认为电子只在一些不连续的特定的圆轨道上绕核运动，而且电子在这些特定轨道上运行并不辐射能量，只有当它从一个较高能量的轨道向一个较低能量的轨道上跃迁时才发出辐射，反之则吸收辐射。这一理论不仅解决了原子的稳定性问题，而且与氢原子的光谱实验完全吻合，引起了物理学界的震动。但有一些缺陷。量子力学的建立 Quantum Mechanics德布罗意的物质波理论（1924） （de Broglies Matter Wave）微观实物粒子如电子、中子及原子等也具有波粒二象性。量子力学的建立 Quantum Mechani
31、cs矩阵力学（1925）和波动力学（1926） （Matrix mechanics & Wave mechanics）海森堡（W. Heisenberg），玻恩（M. Born）：矩阵力学薛定谔（E. Schrodinger）：波动力学矩阵力学同波动力学在数学上是完全等价的，它们可以通过数学变换从一种理论转化为另一种理论，两者实质上是同一理论的两种表达形式。量子力学的建立 Quantum Mechanics量子力学的建立 玻恩（M. Born），1926年，波函数的概率解释；海森堡（W. Heisenberg），1927年，测不准原理；泡利（W. Pauli），不相容原理。狄拉克（P. Dirac），1928年，相对论波动方程；量子力学的哥本哈根解释及其哲学意义Copenhagen School Explanation of Quantum Mechanicsand Its Philosophical Significance波函数：几率波（1926）确定性的缺失测不准原理（不确定性原理）（1927）：观察者与观察对象的不可分割EPR关联：定域性的缺失互补原理（1927）：理论模型的工具属性
