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1、物理学史与物理教育物理学史与物理教育 四川师大四川师大 冯一兵冯一兵物理学物理学 是研究物质运动、物质基本结构及物质变是研究物质运动、物质基本结构及物质变化的最普遍形式的规律的科学。化的最普遍形式的规律的科学。物理学史物理学史 是研究人类对自然界各种物理现象的认识是研究人类对自然界各种物理现象的认识史，研究物理学发生和发展的基本规律，研究物理学史，研究物理学发生和发展的基本规律，研究物理学概念和思想发展及变革的过程，研究物理学怎样成为概念和思想发展及变革的过程，研究物理学怎样成为一门独立学科，怎样不断开拓新领域，怎样产生新的一门独立学科，怎样不断开拓新领域，怎样产生新的飞跃，它的各个分支怎样互
2、相渗透，怎样综合又怎样飞跃，它的各个分支怎样互相渗透，怎样综合又怎样分化。它的基本任务就是描述物理概念、定律、理论分化。它的基本任务就是描述物理概念、定律、理论和研究方法的脉络，提示物理学观念、方法和内容的和研究方法的脉络，提示物理学观念、方法和内容的发生、发展的原因和规律性。发生、发展的原因和规律性。物物理教育在现代素质教育中有不可替代的作用。理教育在现代素质教育中有不可替代的作用。物理学史则在培养学生科学素养方面有独特的功能。物理学史则在培养学生科学素养方面有独特的功能。物理学史是人类对自然界各种物理现象的认识史物理学史是人类对自然界各种物理现象的认识史, , 关注物理学概念和思想发展和变
3、革的过程，并有效地关注物理学概念和思想发展和变革的过程，并有效地融入物理教学过程中融入物理教学过程中, ,不仅能提高学生的学习兴趣不仅能提高学生的学习兴趣, ,加深记加深记忆忆, ,而且能使学生在学习物理知识的同时而且能使学生在学习物理知识的同时, ,了解科学发现、了解科学发现、科学争论和科学重大实验中所孕育的科学思想和方法科学争论和科学重大实验中所孕育的科学思想和方法, ,学学习科学家的探索创造精神、逻辑思维能力、创造性思维能习科学家的探索创造精神、逻辑思维能力、创造性思维能力力, ,有助于理解科学的社会角色和人文意义有助于理解科学的社会角色和人文意义, ,使学生树立科使学生树立科学的研究观
4、。学的研究观。 当前当前, ,物理学史在物理教学中的独特作用越来越受物理学史在物理教学中的独特作用越来越受到广泛重视。到广泛重视。1 1、优化教学过程、优化教学过程 2 2、培养科学思维、培养科学思维3 3、激发学习兴趣、激发学习兴趣 4 4、学习科学方法、学习科学方法5 5、提高人文素质、提高人文素质 6 6、树立哲学观、树立哲学观7 7、接受美学熏陶、接受美学熏陶 8 8、辩证教学关系、辩证教学关系9 9、借鉴历史经、借鉴历史经 1010、验明辨科学是非、验明辨科学是非1111、培养爱国主义、培养爱国主义 1212、弘扬科学精神、弘扬科学精神总之，通过对物理学史的学习，可以进一步培养我们的
5、总之，通过对物理学史的学习，可以进一步培养我们的人文素质，人文素质，科学素质，科学素质，创新素质，创新素质，思想素质。思想素质。物理学史的物理学史的意义意义1 1、古代物理学时期、古代物理学时期-科学的萌芽期科学的萌芽期时间：时间：从远古到从远古到1616世纪中叶。世纪中叶。特点：特点：主要是对自然现象的观察和记载。主要是对自然现象的观察和记载。 这一时期，自然科学与哲学融合在一起，对自然这一时期，自然科学与哲学融合在一起，对自然现象的解释往往是哲理性的。现象的解释往往是哲理性的。文化中心：文化中心：古希腊和古代中国。古希腊和古代中国。2 2、经典物理学时期：、经典物理学时期：时间：时间：从从
6、1616世纪中叶到世纪中叶到1919世纪末。世纪末。1515世纪末，资本主世纪末，资本主义开始萌芽，社会生产力得到发展，有力地推动了科义开始萌芽，社会生产力得到发展，有力地推动了科学的进程。学的进程。1616世纪中叶，哥白尼提出世纪中叶，哥白尼提出“日心说日心说”。1717世纪晚期，世纪晚期，牛顿建立了经典力学体系，标志着经典物牛顿建立了经典力学体系，标志着经典物理学的诞生。理学的诞生。之后，经典热力学、电磁学相继建立。之后，经典热力学、电磁学相继建立。到到1919世纪末，形成了比较完整的经典物理学体系。世纪末，形成了比较完整的经典物理学体系。物理学史的分期物理学史的分期3 3、现代物理学时期
7、：、现代物理学时期：时间：时间：从从1919世纪末到现在是现代物理学时期。世纪末到现在是现代物理学时期。 1919世纪末一系列实验新事实的发现，使经典物世纪末一系列实验新事实的发现，使经典物理学理论出现了不可克服的危机，从而导致了物理学理学理论出现了不可克服的危机，从而导致了物理学革命。革命。标志：标志：相对论、量子力学的相继建立，标志着现代物相对论、量子力学的相继建立，标志着现代物理学的诞生。理学的诞生。 2020世纪世纪5050年代以后，物理学已经发展成为一个年代以后，物理学已经发展成为一个相当庞大的学科群，包括高能物理（粒子物理）、原相当庞大的学科群，包括高能物理（粒子物理）、原子核物理
8、、等离子体物理、凝聚态物理、计算物理和子核物理、等离子体物理、凝聚态物理、计算物理和理论物理等主体学科以及难以计数的分支学科。物理理论物理等主体学科以及难以计数的分支学科。物理学与各学科之间相互交叉、相互渗透形成了众多很有学与各学科之间相互交叉、相互渗透形成了众多很有发展前途的交叉科学。发展前途的交叉科学。1 1、古代：、古代： 主要依靠不充分的直观观察、思辩性猜测、形式逻辑的演主要依靠不充分的直观观察、思辩性猜测、形式逻辑的演绎和简单的推理，直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性。绎和简单的推理，直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性。2 2、近代：、近代： 观察方法从自然观察为主发展为以仪
9、器观察为主；观察方法从自然观察为主发展为以仪器观察为主； 强调系统的有目的的实验；使物理学作为一门实验科学的强调系统的有目的的实验；使物理学作为一门实验科学的特点显现出来；特点显现出来； 科学实验和数学方法的结合，使精确的、定量的物理学研科学实验和数学方法的结合，使精确的、定量的物理学研究有了很快发展；究有了很快发展； 分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展，促进了经验材料的分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展，促进了经验材料的整理和理论建构；整理和理论建构； 到到1919世纪末统计方法的应用使由大量分子偶然事件组成的世纪末统计方法的应用使由大量分子偶然事件组成的体系的宏观规律得以研究。体系的宏观规律得
10、以研究。物理学的研究方法物理学的研究方法3 3、现代：、现代：大型、精密仪器的创制、分析技术的发展和计算机的发明大型、精密仪器的创制、分析技术的发展和计算机的发明应用，使物理实验在精密、快速和自动化方面都达到新水应用，使物理实验在精密、快速和自动化方面都达到新水平；平；物理理论的公理化、数学化特征日益突出，现代物理成为物理理论的公理化、数学化特征日益突出，现代物理成为数学物理学；数学物理学；由于物理学研究领域越来越远离人们的感性经验，创造性由于物理学研究领域越来越远离人们的感性经验，创造性思维在创建新理论中的作用更加突出：如科学想象、理想思维在创建新理论中的作用更加突出：如科学想象、理想实验、
11、大胆猜测，以及类比、直觉和灵感等非逻辑性方法；实验、大胆猜测，以及类比、直觉和灵感等非逻辑性方法；追求简单、对称、和谐与数学美。追求简单、对称、和谐与数学美。 当不断增加的感性经验知识尚可为原有的观念所容当不断增加的感性经验知识尚可为原有的观念所容纳和理解时，科学的发展表现为渐进的积累；纳和理解时，科学的发展表现为渐进的积累； 而当新的科学事实无法为原有的理论框架所包容时，而当新的科学事实无法为原有的理论框架所包容时，就会发生科学革命，提出新的基本观念。就会发生科学革命，提出新的基本观念。1 1、古代物理观与经典物理观：、古代物理观与经典物理观： 地心说地心说日心说；亚里士多德的运动观与伽利落
12、的日心说；亚里士多德的运动观与伽利落的运动观；运动观；2 2、经典时空与相对时空：、经典时空与相对时空： 牛顿的绝对时空观：牛顿的绝对时空观：物质实在具有不变质量的粒子物质实在具有不变质量的粒子和粒子体系；力只引起运动状态的变化；物体间只存和粒子体系；力只引起运动状态的变化；物体间只存在中心力作用；与媒质无关的即时作用；物质的运动在中心力作用；与媒质无关的即时作用；物质的运动状态只由初始条件唯一确定的因果观；平直空间等。状态只由初始条件唯一确定的因果观；平直空间等。 物理学基本观念的变更物理学基本观念的变更爱因斯坦的相对时空观爱因斯坦的相对时空观：奥斯特电流磁效应奥斯特电流磁效应非中心力；法非
13、中心力；法拉第电磁感应拉第电磁感应力产生于空间状态的变化；质量与能量有力产生于空间状态的变化；质量与能量有关关E=mc2E=mc2；时空具有非欧几里德性质，引力只是；时空具有非欧几里德性质，引力只是“时空时空”弯曲的表现。弯曲的表现。3 3、经典理论与量子论：、经典理论与量子论： 经典物理学的连续性原理经典物理学的连续性原理微观现象不连续性的量子化微观现象不连续性的量子化概念；概念； 波和粒子的矛盾波和粒子的矛盾波粒二相性概念；波粒二相性概念； 精确测量原理精确测量原理测不准关系；测不准关系； 机械决定性原理机械决定性原理采用有几率意义的波函数作为运动状采用有几率意义的波函数作为运动状态的描述
14、态的描述物理学的起源大约在距今物理学的起源大约在距今60006000到到40004000年以前，当年以前，当时人类的文明中心已在东方的几条大河流域逐步时人类的文明中心已在东方的几条大河流域逐步形成。形成。黄河、长江流域的黄河、长江流域的中国中国，中亚美索不达尼亚平原的中亚美索不达尼亚平原的巴比仑巴比仑，尼罗河流域的尼罗河流域的埃及埃及和印度河流域的和印度河流域的印度印度。中国、中国、埃及、巴比仑和印度埃及、巴比仑和印度称为古代四大文明古国。称为古代四大文明古国。中国古代物理学中国古代物理学中国从夏代正式建国（前中国从夏代正式建国（前22052205年）进入奴隶社会，从年）进入奴隶社会，从铜石并
15、用到青铜的一千七百多年发展集聚大量科学知铜石并用到青铜的一千七百多年发展集聚大量科学知识，春秋战国时期（前识，春秋战国时期（前770-770-前前221221年）伴随奴隶社会向年）伴随奴隶社会向封建社会过渡，社会生产关系发生重大变化，科学技封建社会过渡，社会生产关系发生重大变化，科学技术得到很大发展，出现百家争鸣的局面，提出了诸如术得到很大发展，出现百家争鸣的局面，提出了诸如物质本源、时空、运动、静止等观念，秦汉以后，特物质本源、时空、运动、静止等观念，秦汉以后，特别是宋元以来，伴随各种机械技术的发展和四大发明，别是宋元以来，伴随各种机械技术的发展和四大发明，物理学知识得到迅速的传播和广泛的应
16、用。物理学知识得到迅速的传播和广泛的应用。古中国的自然哲学古中国的自然哲学1 1、五行说、五行说 早在殷商时期的部分甲骨文中，已常见早在殷商时期的部分甲骨文中，已常见“土、木、水、土、木、水、火火”等文字，后等文字，后尚书尚书的的大传篇大传篇中记载：中记载：“水水火者，百姓之所饮食；金木者，百姓之所以兴作也；火者，百姓之所饮食；金木者，百姓之所以兴作也；土，万物之所滋生，是为人用。土，万物之所滋生，是为人用。”2 2、阴阳说、阴阳说 阴阳，最早只是表示日照的背与向，向日者谓之阳，阴阳，最早只是表示日照的背与向，向日者谓之阳，背日者，谓之阴，后被引伸，用来指称两种相互对立背日者，谓之阴，后被引伸
17、，用来指称两种相互对立的气和气的两种状态。再后，提升为自然哲学观念，的气和气的两种状态。再后，提升为自然哲学观念，指称宇宙间一切相互对立的事物矛盾统一的动态平衡指称宇宙间一切相互对立的事物矛盾统一的动态平衡势力和属性。势力和属性。 老子在老子在老子道德经老子道德经中指出中指出“万物负阴抱阳万物负阴抱阳”朱熹说：朱熹说：“天地之间，无往而非阴阳，一动一静、一天地之间，无往而非阴阳，一动一静、一语一默，皆是阴阳之理。语一默，皆是阴阳之理。”3、原子说原子说墨经墨经是我国也是全世界最早的科学文献。是我国也是全世界最早的科学文献。墨经墨经中说中说“端，体之无厚而最前者也。端，体之无厚而最前者也。”“端
18、端”+“+“虚虚”，世界上关于物质结构的最早的图象。，世界上关于物质结构的最早的图象。战国名家惠施有战国名家惠施有“至大无外，谓之大一；至大无外，谓之大一； 至小无内，谓之小一。至小无内，谓之小一。” ” “ “大一大一”是宇宙，是宇宙，“小一小一”是原是原子。子。4 4、元气说、元气说元气说最早出现在殷商元气说最早出现在殷商易经易经， 易经易经关于物质的本原有关于物质的本原有“易有太极，是生两仪易有太极，是生两仪”，“两仪生四象两仪生四象”，“四象生八卦四象生八卦”，八卦生万物。八卦生万物。老子继承了易经的思想，并将太极明确发展老子继承了易经的思想，并将太极明确发展为为“道道”，“有物混成，
19、先天地生，寂兮廖兮，独立不有物混成，先天地生，寂兮廖兮，独立不改，周行而不殆，可以为天下母，吾不知其改，周行而不殆，可以为天下母，吾不知其名，字之曰道，强为之，名曰大名，字之曰道，强为之，名曰大”，“道生道生一，一生二，二生三，三生万物，万物负阴一，一生二，二生三，三生万物，万物负阴抱阳，冲气以为和抱阳，冲气以为和”。古希腊、罗马的物理成就古希腊、罗马的物理成就公元前公元前1000-800年，爱情海周围的地区开始从原始年，爱情海周围的地区开始从原始社会向奴隶社会转化，建立了以工商奴隶主为主体的社会向奴隶社会转化，建立了以工商奴隶主为主体的城帮共和国，与此同时，包括科学在内的希腊文化在城帮共和国
20、，与此同时，包括科学在内的希腊文化在比较短的时期达到巅峰比较短的时期达到巅峰希腊时代分为三个时期：希腊时代分为三个时期： 早期希腊时期、希腊化时期、罗马时期。早期希腊时期、希腊化时期、罗马时期。古希腊罗马自然哲学中的物质观古希腊罗马自然哲学中的物质观和宇宙观和宇宙观1、米利都学派、米利都学派代表人物：代表人物： 泰勒斯泰勒斯，第一个把哲学从宗教、神话中，第一个把哲学从宗教、神话中分离出的人。主要观点分离出的人。主要观点“水是万物之源水是万物之源”。 阿那克西曼徳阿那克西曼徳认为，万物本源是不具固认为，万物本源是不具固定性质的定性质的“无限者无限者”，由它产生出土、气、，由它产生出土、气、水、火
21、。水、火。 阿那克西美尼阿那克西美尼进一步扩展为，无限的空气。进一步扩展为，无限的空气。 赫拉克利特赫拉克利特发展了米利都学派学派的思想，他认为：发展了米利都学派学派的思想，他认为：万物本源是万物本源是“火火”，燃烧着的火象征着自然界中普遍，燃烧着的火象征着自然界中普遍川流不息的现象和转化。川流不息的现象和转化。2、毕达哥拉斯学派、毕达哥拉斯学派创始人：创始人：毕达哥拉斯毕达哥拉斯秘密进行数学研究和宗教修行秘密进行数学研究和宗教修行毕达哥拉斯学派反对米利都学派的物质元素观念，认毕达哥拉斯学派反对米利都学派的物质元素观念，认为为“数数”才是万物的本源，才是万物的本源，“数支配着世界数支配着世界”
22、，自然，自然界一切现象和规律都是由数决定的，都必须遵从数的界一切现象和规律都是由数决定的，都必须遵从数的和谐，对称最美。和谐，对称最美。发现了发现了“无理数无理数”3 3、古原子说、古原子说代表人物：代表人物：留基佰留基佰，认为万物都是由原子组成的。，认为万物都是由原子组成的。德谟克利特德谟克利特（约（约460460370BC.370BC.）他是色雷斯阿布德拉城人，一生著述宏富，但所他是色雷斯阿布德拉城人，一生著述宏富，但所传不多。他的哲学的基本内核是原子论。传不多。他的哲学的基本内核是原子论。他认为宇宙的本原是原子和虚空。他认为宇宙的本原是原子和虚空。原子是物质，内部无空隙，不再可分，原子是
23、物质，内部无空隙，不再可分， 构成世界上的一切事物。构成世界上的一切事物。 原子和原子之间只有量的多少，无质的差异。原子和原子之间只有量的多少，无质的差异。4 4、亚里士多德的物理学、亚里士多德的物理学 1、亚里士多德亚里士多德( (公元前公元前384-384-公元前公元前322322）: :马其顿国王私人医生的儿子，马其顿国王私人医生的儿子，1818岁进入柏拉图学院岁进入柏拉图学院 ，他爱独，他爱独立思考立思考, ,老师传授的知识老师传授的知识, ,他都要寻根究底地仔细研究他都要寻根究底地仔细研究, ,不盲从不盲从. .以致在许多问题上他与柏拉图的观点不同以致在许多问题上他与柏拉图的观点不同
24、. .他说过这样的话他说过这样的话: :教师是可尊敬的教师是可尊敬的, ,但真理更可贵但真理更可贵。约在公元前约在公元前342 342 年，他成为亚力山大大帝的私人教师。年，他成为亚力山大大帝的私人教师。一生著作颇丰，在科学领域里起着奠基性的作用。一生著作颇丰，在科学领域里起着奠基性的作用。达尔文达尔文曾说某些大科学家曾说某些大科学家“比起亚里士多德不过是小学生。比起亚里士多德不过是小学生。”2 2、主要物理学观点、主要物理学观点提出物理学名称的第一人，强调科学分类提出物理学名称的第一人，强调科学分类若物体不受力，运动即停止若物体不受力，运动即停止物体越重，下落速度应该越大物体越重，下落速度应
25、该越大地球是宇宙的中心，地球是宇宙的中心，太阳、行星和月亮应该围绕它转太阳、行星和月亮应该围绕它转对亚里士多德如何评价？对亚里士多德如何评价？ 我们应该全面地历史的来看他我们应该全面地历史的来看他我们应该全面地历史的来看他我们应该全面地历史的来看他，亚里士多德是西方古代亚里士多德是西方古代亚里士多德是西方古代亚里士多德是西方古代知识的集大成者，在他死后的数百年间，在西方世界没有一知识的集大成者，在他死后的数百年间，在西方世界没有一知识的集大成者，在他死后的数百年间，在西方世界没有一知识的集大成者，在他死后的数百年间，在西方世界没有一个人象他那样对知识有着那么系统的考察和把握。在哲学、个人象他那
26、样对知识有着那么系统的考察和把握。在哲学、个人象他那样对知识有着那么系统的考察和把握。在哲学、个人象他那样对知识有着那么系统的考察和把握。在哲学、逻辑学、科学分类学、生物学等方面的贡献特别多。他的著逻辑学、科学分类学、生物学等方面的贡献特别多。他的著逻辑学、科学分类学、生物学等方面的贡献特别多。他的著逻辑学、科学分类学、生物学等方面的贡献特别多。他的著作多数成为古希腊的百科全书。对后来的西方哲学和科学的作多数成为古希腊的百科全书。对后来的西方哲学和科学的作多数成为古希腊的百科全书。对后来的西方哲学和科学的作多数成为古希腊的百科全书。对后来的西方哲学和科学的发展有很大的影响。发展有很大的影响。发
27、展有很大的影响。发展有很大的影响。亚氏的某些观点符合封建与宗教统治者的利益，统治集亚氏的某些观点符合封建与宗教统治者的利益，统治集亚氏的某些观点符合封建与宗教统治者的利益，统治集亚氏的某些观点符合封建与宗教统治者的利益，统治集团将其抬到吓人的高度，企图让科学成为宗教和封建统治的团将其抬到吓人的高度，企图让科学成为宗教和封建统治的团将其抬到吓人的高度，企图让科学成为宗教和封建统治的团将其抬到吓人的高度，企图让科学成为宗教和封建统治的装饰。经院哲学，成为自然科学的障碍。装饰。经院哲学，成为自然科学的障碍。装饰。经院哲学，成为自然科学的障碍。装饰。经院哲学，成为自然科学的障碍。经院哲学经院哲学经院哲
28、学经院哲学: : : :科学的根本目的在于适应神学，人的知识不科学的根本目的在于适应神学，人的知识不科学的根本目的在于适应神学，人的知识不科学的根本目的在于适应神学，人的知识不必来自实践，而是存在于教义之中。必来自实践，而是存在于教义之中。必来自实践，而是存在于教义之中。必来自实践，而是存在于教义之中。 僧侣主义扼杀了亚里士多德学说中活的东西，而使僵僧侣主义扼杀了亚里士多德学说中活的东西，而使僵死的东西永世长存。死的东西永世长存。列宁列宁 5 5、爱利亚学派、爱利亚学派代表人物：代表人物：巴门尼德巴门尼德、芝诺芝诺观点：否定运动观点：否定运动四大悖论四大悖论（1 1）、二分发困难）、二分发困难
29、（2 2）、阿基里斯追不上乌龟）、阿基里斯追不上乌龟（3 3）、飞矢不动）、飞矢不动（4 4）、纵列问题）、纵列问题芝诺悖论芝诺悖论在自然哲学和数学史上都产生了深远的影响。在自然哲学和数学史上都产生了深远的影响。因他提出了可分和不可分、一和多、间断与连续的矛盾因他提出了可分和不可分、一和多、间断与连续的矛盾。 古印度、巴比仑和阿拉伯古印度、巴比仑和阿拉伯的贡献的贡献 古印度、巴比伦和阿拉伯在天文学、古印度、巴比伦和阿拉伯在天文学、数学方面的贡献也很惊人。数学方面的贡献也很惊人。据载，古印度发现了十进制记数法，据载，古印度发现了十进制记数法，经阿拉伯传到欧洲，逐步演变为当经阿拉伯传到欧洲，逐步演
30、变为当今的今的“阿拉伯记数阿拉伯记数”。祖冲之祖冲之之后之后10001000年，阿拉伯数学家求得圆周率年，阿拉伯数学家求得圆周率，准确，准确到小数之后到小数之后1717位。位。 总之，在古代，我们的祖先创造了瑰丽的文明，许总之，在古代，我们的祖先创造了瑰丽的文明，许多物理现象和规律被发现和记载下来，成为今后物理学多物理现象和规律被发现和记载下来，成为今后物理学发展的基础。从物理学的研究方法上，可以看到已经从发展的基础。从物理学的研究方法上，可以看到已经从直觉和思辩向观察、实验等科学的方法过渡。直觉和思辩向观察、实验等科学的方法过渡。 从古代物理学家的身上我们要看到那种执著、为真从古代物理学家的
31、身上我们要看到那种执著、为真理而献身的精神。理而献身的精神。近代科学革命近代科学革命1 1、近代科学技术革命产生的条件、近代科学技术革命产生的条件（1 1）资本主义生产方式的出现）资本主义生产方式的出现（2 2）航海探险与地理大发现）航海探险与地理大发现（3 3）文艺复兴运动）文艺复兴运动（4 4）宗教改革）宗教改革2 2、产生革命的三大标志：、产生革命的三大标志： 哥白尼哥白尼“日心说日心说”的建立，的建立， 哈维的血液循环，哈维的血液循环， 牛顿的力学体系。牛顿的力学体系。哥白尼哥白尼“日心说日心说”伽利伽利略略1 1、牛顿的万有引力定律、牛顿的万有引力定律 2 2、牛顿的第一、二、三定律
32、、牛顿的第一、二、三定律3 3、绝对时空观、绝对时空观牛顿的力学体系牛顿的力学体系哥白尼哥白尼牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观1 1、存在绝对时空和相对时空，绝对时空中的运动是、存在绝对时空和相对时空，绝对时空中的运动是绝对运动，相对时空中的运动是相对运动绝对运动，相对时空中的运动是相对运动2 2、通常的感知是用相对的处所和运动来代替绝对的、通常的感知是用相对的处所和运动来代替绝对的处所和运动。尽管我们探知的速度和位置是相对的，处所和运动。尽管我们探知的速度和位置是相对的，但力和加速度却是绝对的，及运动是绝对的但力和加速度却是绝对的，及运动是绝对的3 3、任何物体间的作用超距，不需要媒介，瞬时
33、发生。、任何物体间的作用超距，不需要媒介，瞬时发生。4 4、上帝凭自己的永远和普遍存在构成时间和空间，、上帝凭自己的永远和普遍存在构成时间和空间，并给世界一个全智的主宰的推动。并给世界一个全智的主宰的推动。光学的发展光学的发展1 1、光学在、光学在1717世纪就已经成为物理学的一个重世纪就已经成为物理学的一个重要学科但直到要学科但直到1919世纪末光的波动说的建立，光世纪末光的波动说的建立，光学理论才建立起来。学理论才建立起来。2 2、光学内容包括：几何光学、物理光学、量、光学内容包括：几何光学、物理光学、量子光学、激光子光学、激光2 2、光的本质的认识、光的本质的认识热学的发展热学的发展四个
34、时期：四个时期：1 1、热学早期，、热学早期，17-1917-19世纪，大量实验，关于热的本世纪，大量实验，关于热的本质争论质争论2 2、唯象热力学，、唯象热力学，1919世纪中叶世纪中叶-70-70年代末，热力学第年代末，热力学第一、二定律的得到一、二定律的得到3 3、统计热力学，、统计热力学，1919世纪世纪7070年代年代-20-20世纪，唯象热力世纪，唯象热力学概念与分子动理论结合。学概念与分子动理论结合。4 4、2020世纪世纪3030年代起，量子统计物理学和非平衡态理年代起，量子统计物理学和非平衡态理论论电磁学的发展电磁学的发展早期，早期，1919世纪以前，基本概念及实验世纪以前，
35、基本概念及实验中期，中期，1919世纪世纪20-5020-50年代，年代，18201820年奥斯特发现电的年奥斯特发现电的磁效应，磁效应，18311831年法拉第发现磁的电效应年法拉第发现磁的电效应后期，后期，18651865年麦克斯韦的综合年麦克斯韦的综合由由伽利略伽利略(1564(15641642)1642)和牛顿和牛顿(1642(16421727)1727)等人于等人于1717世世纪创立的经典物理学，经过纪创立的经典物理学，经过1818世纪在各个基础部门的拓世纪在各个基础部门的拓展到展到1919世纪得到了全面、系统和迅速的发展达到了它辉世纪得到了全面、系统和迅速的发展达到了它辉煌的顶峰。
36、到煌的顶峰。到1919世纪末，已建成了一个包括力、热、声、世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电磁诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是光、电磁诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是它的三大支柱它的三大支柱经典力学、经典电动力学、经典热力经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学学和统计力学已臻于成熟和完善，不仅在理论的表已臻于成熟和完善，不仅在理论的表述和结构上已十分严谨和完美，而且它们所蕴涵的十分述和结构上已十分严谨和完美，而且它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基本观念，对人类的科学认识也产明晰和深刻的物理学基本观念，对人类的科学认识也产生了深远的影响生了深远的影响（一）经典力学
37、和机械决定论（一）经典力学和机械决定论由牛顿将力学概括在一个严密的统一理论中，实现了由牛顿将力学概括在一个严密的统一理论中，实现了近代物理学发展史上第一次理论大综合。在近代物理学发展史上第一次理论大综合。在l687l687年出年出版的版的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理中，牛顿提出了动力学中，牛顿提出了动力学的三个基本原理和万有引力定律。利用变分法的数学的三个基本原理和万有引力定律。利用变分法的数学方法和方法和“最小作用量原理最小作用量原理”的物理学基础建立起了和的物理学基础建立起了和牛顿动力学方程等价的欧拉牛顿动力学方程等价的欧拉拉格朗日方程，并最终拉格朗日方程，并最终于于1834183
38、4年由英国的哈密顿年由英国的哈密顿(18051865)(18051865)提出了哈密顿提出了哈密顿原理和正则方程，建立了原理和正则方程，建立了“分析力学分析力学”理论，实现了理论，实现了牛顿后力学理论的一个最大的飞跃牛顿后力学理论的一个最大的飞跃 （二）热力学与能量和熵二）热力学与能量和熵能量守恒原理的建立，使物理学思想和理论结构获得能量守恒原理的建立，使物理学思想和理论结构获得了辉煌的进展是了辉煌的进展是1919世纪自然科学上的一个伟大胜利也世纪自然科学上的一个伟大胜利也是近代物理学发展中的第二次理论大综合是近代物理学发展中的第二次理论大综合熵原理的发现，实际上把演化的思想带进了物理学，熵原
39、理的发现，实际上把演化的思想带进了物理学，指出了自然过程的不可逆性和历史性指出了自然过程的不可逆性和历史性在经典力学和电磁场理论中，基本物理定律中的时间在经典力学和电磁场理论中，基本物理定律中的时间都是对称的、可逆的，它们的基本方程对时间反演都都是对称的、可逆的，它们的基本方程对时间反演都是具有对称性的，运动对于过去和未来没有本质的区是具有对称性的，运动对于过去和未来没有本质的区别，时间在那里仅仅是从外部描述运动的一个参量，别，时间在那里仅仅是从外部描述运动的一个参量，它的变化对运动的性质并无影响。因而时间箭头在那它的变化对运动的性质并无影响。因而时间箭头在那里没有实质性的意义里没有实质性的意
40、义“统计力学统计力学”这个名称是这个名称是18841884年由美国物理学家吉布斯年由美国物理学家吉布斯(1839(1839一一1903)1903)首先提出的。吉布斯在麦克斯韦和玻耳首先提出的。吉布斯在麦克斯韦和玻耳兹曼思想的基础上，明确形成了兹曼思想的基础上，明确形成了“系综系综”概念，创立概念，创立了系综统计方法。从而将热学的唯象的和分子运动论了系综统计方法。从而将热学的唯象的和分子运动论的两个基本的研究方向统一到一个有机整体之中，完的两个基本的研究方向统一到一个有机整体之中，完成了统计力学这个经典物理学的又一次理论大综合成了统计力学这个经典物理学的又一次理论大综合（三）经典电动力学和（三）
41、经典电动力学和“以太以太”说说18621862年，麦克斯韦引入了一个电磁以太的准力学模型年，麦克斯韦引入了一个电磁以太的准力学模型和和“位移电流位移电流”假设，假设，18641864年提出了电动力学方程组，年提出了电动力学方程组，预言了电磁波的存在，井揭示了光的电磁波动本性。预言了电磁波的存在，井揭示了光的电磁波动本性。麦克斯韦的方案使媒递接触观念得以完全实现，并使麦克斯韦的方案使媒递接触观念得以完全实现，并使电磁学理论的全部物理基础得以奠定，成为近代物理电磁学理论的全部物理基础得以奠定，成为近代物理学发展中的第三次理论大综合学发展中的第三次理论大综合 （四）经典物理学的完成和局限（四）经典物
42、理学的完成和局限大约到了大约到了18951895年前后，以经典力学、经典热力学和统计年前后，以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学为三大支柱的经典物理学，结合成力学、经典电动力学为三大支柱的经典物理学，结合成一座具有雄伟的建筑体系和动人心弦的一座具有雄伟的建筑体系和动人心弦的“美丽的殿堂美丽的殿堂”，达到了它的颠峰时期，达到了它的颠峰时期在力学方面，与机械观相联系的绝对时间、绝对空间在力学方面，与机械观相联系的绝对时间、绝对空间的概念以及关于质量的定义，都已受到普遍的批评，的概念以及关于质量的定义，都已受到普遍的批评，牛顿对于引力的本质问题也采取了回避的态度。而牛牛顿对于引力的本质问题
43、也采取了回避的态度。而牛顿力学的理论框架实际上必然要把引力看作是一种瞬顿力学的理论框架实际上必然要把引力看作是一种瞬时传递的超距作用，这与时传递的超距作用，这与1919世纪发展起来的世纪发展起来的“场场”物物理学是根本对立的理学是根本对立的在热学方面，熵增加原理揭示的与热现象有关的自然在热学方面，熵增加原理揭示的与热现象有关的自然过程的不可逆性，反映出热力学原理与经典力学和经过程的不可逆性，反映出热力学原理与经典力学和经典电动力学原理之间深刻的内在矛盾，而统计力学中典电动力学原理之间深刻的内在矛盾，而统计力学中引入的概率统计思想以及热力学规律的统计性质，已引入的概率统计思想以及热力学规律的统计
44、性质，已使经典力学的严格确定性出现了缺口使经典力学的严格确定性出现了缺口在光学和电磁学方面，作为光波与电磁波的传播媒介在光学和电磁学方面，作为光波与电磁波的传播媒介的的“以太以太”，其令人难以理解的特殊性质以及关于它，其令人难以理解的特殊性质以及关于它的存在的检测，都使科学家们费尽心血而一筹莫展。的存在的检测，都使科学家们费尽心血而一筹莫展。根据电磁学理论，可用空间坐标的连续函数描写的根据电磁学理论，可用空间坐标的连续函数描写的“场场”，是具有能量的不能再简化的物理实在，这又与，是具有能量的不能再简化的物理实在，这又与经典力学把运动的质点看作能量的唯一裁体的观点严经典力学把运动的质点看作能量的
45、唯一裁体的观点严重背离重背离1 1、X X射线的发现射线的发现18951895年，德国物理学家伦琴，偶然发现高真空的放电年，德国物理学家伦琴，偶然发现高真空的放电管会发射出一种未知的射线，可让照像底片感光，他管会发射出一种未知的射线，可让照像底片感光，他称其位称其位X X射线。射线。1010年后，通过实验科学家才知道年后，通过实验科学家才知道X X射线射线是波长很短的电磁波。是波长很短的电磁波。1919世纪末的三大发现世纪末的三大发现1901年，首届诺年，首届诺贝尔物理学奖授贝尔物理学奖授予予德国物理学家伦德国物理学家伦琴以表彰他在琴以表彰他在1895年发现的年发现的X射线射线1X189518
46、95年年1111月伦琴发现月伦琴发现X X射线，一种具有强穿透力的射线，一种具有强穿透力的新的射线，它是由阴极射线打到玻璃管壁上所产生新的射线，它是由阴极射线打到玻璃管壁上所产生的；它可以穿透厚达一千页的书、几厘米厚的木板、的；它可以穿透厚达一千页的书、几厘米厚的木板、1515毫米厚的铝片，并可用照相的方法透过人体显示毫米厚的铝片，并可用照相的方法透过人体显示骨骼的轮廓和金属物体内部的缺陷骨骼的轮廓和金属物体内部的缺陷劳厄 (Max von Laue ,1879-1960) 1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄以表彰他发现了晶体的X射线衍射。亨利布拉格 劳伦斯布拉格 (Willi
47、am Henry Bragg ,1862-1942) （William Lawrence Bragg, 1890-1971） 1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.布拉格以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。 2 2、天然放射性的发现、天然放射性的发现 18961896年，法国科学家贝克勒尔在研究年，法国科学家贝克勒尔在研究X X射线时意射线时意外地发现了铀元素的放射现象。法国的居里夫人外地发现了铀元素的放射现象。法国的居里夫人和英国的卢瑟福等深入研究，揭示了元素天然放和英国的卢瑟福等深入研究，揭示了元素天然放射性的本质是原
48、子自发衰变。射性的本质是原子自发衰变。 贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel ,1852 -1908） 1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利贝克勒尔以表彰他发现了自发放射性；另一半授予法国物理学家皮埃尔居里（Pierre Curie ,1859 -1906）和玛丽斯可罗夫斯卡居里（Marie Sklodowska ,1867 - 1934）,以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象所作的卓越贡献。 居里夫妇贝可勒尔贝可勒尔发现底片上有铀盐包的清晰的廓影。贝可勒尔发现底片上有铀盐包的清晰的廓影。贝可勒尔推想，感光必定是由于铀盐自身发出的某种神秘射线所推想，感光必定是由于
49、铀盐自身发出的某种神秘射线所致，实验证明，辐射只与铀元素的存在有关，而且纯金致，实验证明，辐射只与铀元素的存在有关，而且纯金属铀的辐射比铀化合物强许多倍，铀辐射不但能使底片属铀的辐射比铀化合物强许多倍，铀辐射不但能使底片感光，还能使气体电离变成导体感光，还能使气体电离变成导体波兰出生的物理学家波兰出生的物理学家玛丽玛丽居里居里当时选择了放射性物质当时选择了放射性物质作为她博士论文的题目作为她博士论文的题目她首先证实了铀的辐射强度同铀的数量成正比，而同其她首先证实了铀的辐射强度同铀的数量成正比，而同其化学形式无关，随后，她和德国的化学形式无关，随后，她和德国的施米特施米特同时发现了钍同时发现了钍
50、也具有这种性质，她建议把物质的这种性质称为也具有这种性质，她建议把物质的这种性质称为“放射放射性性”，以区别于一般的射线。以后钋和镭的发现，动摇，以区别于一般的射线。以后钋和镭的发现，动摇了长期以来科学家们所信守的基本理论。了长期以来科学家们所信守的基本理论。元素衰变理论是一个革命性的理论，它打破了自古以元素衰变理论是一个革命性的理论，它打破了自古以来一直认为的原子永远不能破坏和毁灭的传统观念，来一直认为的原子永远不能破坏和毁灭的传统观念，证明一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。这证明一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。这个理论虽然受到了个理论虽然受到了门捷列夫和开尔文门捷列夫和开尔文
51、等科学泰斗的激等科学泰斗的激烈反对，但终因实验事实的不断证实而得到科学界的烈反对，但终因实验事实的不断证实而得到科学界的承认承认3 3、电子的发现、电子的发现英国物理学家英国物理学家J.J.J.J.汤姆逊汤姆逊支持带电微粒说。于支持带电微粒说。于18971897年对阴年对阴极射线进行了周密的实验考察。用磁场使阴极射线发生偏极射线进行了周密的实验考察。用磁场使阴极射线发生偏转而进入法拉第筒，证明负电荷确实来自阴极射线。他通转而进入法拉第筒，证明负电荷确实来自阴极射线。他通过阴极射线在电场和磁场中分别发生偏转时偏转量的测定，过阴极射线在电场和磁场中分别发生偏转时偏转量的测定，计算出了阴极射线的荷质
52、比和速度，发现其荷质比的数值计算出了阴极射线的荷质比和速度，发现其荷质比的数值大约是氢离子的千分之一，而其速度大约在大约是氢离子的千分之一，而其速度大约在109109厘米厘米/ /秒的秒的数量级数量级J.J.汤姆孙爵士（Sir Joseph Thomon,1856-1940） 1906年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学的J.J.汤姆孙爵士以表彰他对气体导电的理论和实验所作的贡献。 经典物理学的两朵乌云经典物理学的两朵乌云19001900年年4 4月月2727日，日，开尔文开尔文在英国皇家学会以在英国皇家学会以1919世纪热和世纪热和光的动力理论上空的乌云光的动力理论上空的乌云为题所作的长篇演讲中
53、，虽然为题所作的长篇演讲中，虽然认为物理学是万里晴空，但又说：认为物理学是万里晴空，但又说：“动力学理论断言热和动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动理论而开始出现的。菲涅第一朵乌云是随着光的波动理论而开始出现的。菲涅耳和托马斯耳和托马斯杨研究过这个理论，它包括这样一个问杨研究过这个理论，它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦玻
54、耳兹曼关于能量均分的学第二朵乌云是麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说。说。这两朵乌云涉及到两方面的实验发现与力学、电磁学、这两朵乌云涉及到两方面的实验发现与力学、电磁学、气体分子运动论理论的困难气体分子运动论理论的困难第一朵乌云第一朵乌云“以太以太”学说、以太漂移学说、以太漂移的探索的探索以太是作为一种特殊的物质被引进物理学的，在物理学思以太是作为一种特殊的物质被引进物理学的，在物理学思想的发展中起过很重要的作用。想的发展中起过很重要的作用。1717世纪法国科学家笛卡尔为了解释物体之间的作用力就最世纪法国科学家笛卡尔为了解释物体之间的作用力就最先赋予以太力学性质。先赋予以太力学性质。牛顿也承认
55、以太的存在，但其超距作用思想，以太没有用。牛顿也承认以太的存在，但其超距作用思想，以太没有用。1919世纪，托马斯世纪，托马斯. .杨杨, ,菲耶尔的工作使光的波动说得以复兴菲耶尔的工作使光的波动说得以复兴18811881年，迈克尔逊第一次对以太漂移观察，后与莫雷合作年，迈克尔逊第一次对以太漂移观察，后与莫雷合作测定，结果还是否定的。这叫测定，结果还是否定的。这叫“以太漂移为零以太漂移为零”相对性原理是经典力学的一个最基本的原理，这个原相对性原理是经典力学的一个最基本的原理，这个原理认为，绝对静止和绝对匀速运动都是不存在的，一理认为，绝对静止和绝对匀速运动都是不存在的，一切可测量的、因而也是有
56、物理意义的运动，都是相对切可测量的、因而也是有物理意义的运动，都是相对于某一参照物的相对运动。牛顿本人也充分意识到了于某一参照物的相对运动。牛顿本人也充分意识到了确定确定“绝对运动绝对运动”的困难，最后只能以臆测性的的困难，最后只能以臆测性的“绝绝对空间对空间”的存在作为避难所，麦克斯韦的电磁场理论的存在作为避难所，麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动绝对运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在，的背景框架。既然以太也是
57、一种物质存在，或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以通过或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动美国物理学家迈克尔逊（美国物理学家迈克尔逊（1852185219311931）在在18811881年，他年，他和莫雷（和莫雷（1838183819231923）在在18871887年利用干涉仪所进行的年利用干涉仪所进行的精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于地精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动球的运动2020世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的一世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的
58、一场大变革。场大变革。第一朵乌云第一朵乌云“以太以太”学说导致了相对论的诞生。学说导致了相对论的诞生。第二朵乌云第二朵乌云“紫外灾难紫外灾难”导致了量子力学的产导致了量子力学的产生。因此也可以说，对这两朵生。因此也可以说，对这两朵“乌云乌云”的研究的研究就标志着现代物理时代的到来就标志着现代物理时代的到来狭义相对论的建立狭义相对论的建立以太漂移实验与收缩假说以太漂移实验与收缩假说自从自从1919世纪初，光的波动说复活以来，关于传光的媒质，世纪初，光的波动说复活以来，关于传光的媒质，始终是一个争论的话题。人们认为光的波动必须有一个始终是一个争论的话题。人们认为光的波动必须有一个载体，它就是载体，
59、它就是“以太以太”。关于以太的存在形式在当时有。关于以太的存在形式在当时有两种不同的观点，以菲涅耳为代表的一派认为以太是静两种不同的观点，以菲涅耳为代表的一派认为以太是静止，以斯托克斯为代表的一派认为以太是可以被部分曳止，以斯托克斯为代表的一派认为以太是可以被部分曳引的，如果静止以太说是正确的，在地球高速运动时，引的，如果静止以太说是正确的，在地球高速运动时，应存在着应存在着“以太风以太风”。多年来，人们做了一系列光学的。多年来，人们做了一系列光学的与电学的以太漂移实验，企图测量地球在静止以太中的与电学的以太漂移实验，企图测量地球在静止以太中的相对运动，它们均给出了否定的结果。其中最著名的实相
60、对运动，它们均给出了否定的结果。其中最著名的实验是由迈克尔逊和莫雷完成的。验是由迈克尔逊和莫雷完成的。迈克耳孙（ Albert Abrham Michelson ,1852 -1931） 1907年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的迈克耳孙以表彰他对光学精密仪器及用之于光谱学与计量学研究所作的贡献。 洛仑兹变换洛仑兹变换18951895年，洛仑兹发表了题为年，洛仑兹发表了题为运动物体中电磁现象和运动物体中电磁现象和光现象的理论研究光现象的理论研究的论文。这篇论文讨论了在相对的论文。这篇论文讨论了在相对运动与相对静止参照系间，同一物理现象间的坐标变运动与相对静止参照系间，同一物理现象间的坐标变换问题
61、，在一级近似下，提出了洛仑兹变换关系。换问题，在一级近似下，提出了洛仑兹变换关系。这一工作对以后的狭义相对论理论体系这一工作对以后的狭义相对论理论体系 有着重要的意义有着重要的意义19051905年年5 5月，洛仑兹完成了月，洛仑兹完成了速度小于光速系统中的电磁速度小于光速系统中的电磁现象现象的论文。在这篇论文中，他发表了著名的时空相对的论文。在这篇论文中，他发表了著名的时空相对论变换公式，这就是后来所称的洛仑兹变换式，并且进一论变换公式，这就是后来所称的洛仑兹变换式，并且进一步证明了，在洛仑兹变换下，电磁方程具有不变形式。在步证明了，在洛仑兹变换下，电磁方程具有不变形式。在这篇论文中，他还给
62、出了两点极为重要的给论，一个是粒这篇论文中，他还给出了两点极为重要的给论，一个是粒子质量随速度变化的公式，一个是粒子在以太中运动的速子质量随速度变化的公式，一个是粒子在以太中运动的速度不可能大于光速度不可能大于光速彭加勒的相对性原理彭加勒的相对性原理在物理学的这场变革中，彭加勒在物理学的几个领域中在物理学的这场变革中，彭加勒在物理学的几个领域中都做出了重要的贡献。其中著名的有彭加勒相对性原理都做出了重要的贡献。其中著名的有彭加勒相对性原理的建立。的建立。18951895年，彭加勒首次提出了相对性原理的想法。年，彭加勒首次提出了相对性原理的想法。他认为，各种实验事实的结论都可以表明，他认为，各种
63、实验事实的结论都可以表明，“要证明物要证明物质的绝对运动，或者更确切地说，要证明可称量物质相质的绝对运动，或者更确切地说，要证明可称量物质相对以太的运动是不可能的。对以太的运动是不可能的。”狭义相对论狭义相对论青年时期的爱因斯坦受青年时期的爱因斯坦受休墨和马赫休墨和马赫的怀疑的经验论、的怀疑的经验论、斯宾斯宾诺莎诺莎的物质的统一思想的影响，形成自己的基本观念：对的物质的统一思想的影响，形成自己的基本观念：对称、统一。称、统一。伽利略相对性原理表明，所有的惯性系对力学定律都是等伽利略相对性原理表明，所有的惯性系对力学定律都是等效的，但在经典力学中普遍成立的这种运动的相对性，在效的，但在经典力学中
64、普遍成立的这种运动的相对性，在以以太为背景的麦克斯韦电动力学中却不成立了，要消除以以太为背景的麦克斯韦电动力学中却不成立了，要消除这种不对称，就要对作为经典物理基础的空间和时间观念这种不对称，就要对作为经典物理基础的空间和时间观念加以改造。加以改造。狭义相对论两个基本假说：光速不变、狭义相对性原理狭义相对论两个基本假说：光速不变、狭义相对性原理一个基本概念：同时性一个基本概念：同时性在狭义相对论中，爱因斯坦成功地把时间与空间、物质与在狭义相对论中，爱因斯坦成功地把时间与空间、物质与运动、质量与能量、多普勒效应与光行差效应、电场与磁运动、质量与能量、多普勒效应与光行差效应、电场与磁场分别统一起来
65、了，直至把经典力学与经典电动力学统一场分别统一起来了，直至把经典力学与经典电动力学统一起来，使物理学在抛弃旧力学理论的框架后，得以在新的起来，使物理学在抛弃旧力学理论的框架后，得以在新的理论体系中继续发展理论体系中继续发展闵科夫斯基的闵科夫斯基的4 4维世界维世界闵科夫斯基以优美的数学形式，揭示了闵科夫斯基以优美的数学形式，揭示了3 3维空间与维空间与1 1维维时间的内在联系。在他所提供的时间的内在联系。在他所提供的4 4维空间中，不仅全部维空间中，不仅全部力学与电动力学的概念及重要规律得以进一步地简化力学与电动力学的概念及重要规律得以进一步地简化与统一，它们被自然与和谐地纳入到相对论的理论之
66、与统一，它们被自然与和谐地纳入到相对论的理论之中中 广义相对论的建立广义相对论的建立按狭义相对性原理，由于在洛仑兹变换下，许多物理按狭义相对性原理，由于在洛仑兹变换下，许多物理定律都具有协变形式，相对各物理定律而言。各个惯定律都具有协变形式，相对各物理定律而言。各个惯性系都应彼此等效。狭义相对论在说明惯性运动的相性系都应彼此等效。狭义相对论在说明惯性运动的相对性上取得了极大的成功，它却存在明显的缺陷。首对性上取得了极大的成功，它却存在明显的缺陷。首先是惯性系是什么？如何确定物体在做惯性运动。最先是惯性系是什么？如何确定物体在做惯性运动。最终又回到了终又回到了 不动的绝对空间不动的绝对空间“广义
67、相对论两个基本假说：广义相对性原理，等效原广义相对论两个基本假说：广义相对性原理，等效原理理量子论的初期发展与量子力学建立量子论的初期发展与量子力学建立（一）量子论的初期发展一）量子论的初期发展 1 1黑体辐射的研究黑体辐射的研究 2 2普朗克的普朗克的“量子量子”假说假说 3 3光量子假说光量子假说（二）量子力学理论的建立（二）量子力学理论的建立 1 1德布罗意波德布罗意波 2 2薛定谔的波动力学薛定谔的波动力学 3 3海森伯的矩阵力学海森伯的矩阵力学 4 4量子力学的哥本哈根学派的诠释量子力学的哥本哈根学派的诠释第二朵乌云黑体辐射第二朵乌云黑体辐射 的的“紫外灾难紫外灾难”第二朵乌云涉及的
68、是经典物理学另一分支，热力学和分子第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分支，热力学和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是“麦克斯麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说韦玻耳兹曼关于能量均分的学说”。实际上是指。实际上是指1919世纪世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难18591859年，德国物理学家年，德国物理学家基尔霍夫基尔霍夫给出黑体模型，并导出黑给出黑体模型，并导出黑体发射本领与吸收本领的比值关系。体发射本领与吸收本领的比值关系。18791879年、年、18841884年，斯蒂芬玻尔兹曼定律年，斯蒂芬玻尔
69、兹曼定律18961896年年维恩维恩得到维恩公式及维恩位移定律得到维恩公式及维恩位移定律维 恩(WilhelmWien ,1864-1928) 1911年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩以表彰他发现了热辐射定律。 19001900年年6 6月，为了解释黑体辐射实验的结果，英国物月，为了解释黑体辐射实验的结果，英国物理学家理学家瑞利瑞利- -金斯金斯认为能量是一种连续变化的物理量，认为能量是一种连续变化的物理量，然后从全部经典物理出发，建立起在波长比较长、然后从全部经典物理出发，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温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公
70、式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）公式。但是，这个公式推出，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，这随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难紫外灾难”普朗克普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Plank ,1858-1947） 1918年诺贝尔物理学奖授予德国柏林大学的普郎克以承认他发现能量级对物理学的进展所作的贡献。 普朗克的普朗克的“量子量子”假说假说 19001900年，对热力学有长期研
71、究的德国物理学家年，对热力学有长期研究的德国物理学家普朗克普朗克综合了维恩公式和瑞利综合了维恩公式和瑞利- -金斯公式，利用内插法，引入金斯公式，利用内插法，引入了一个自己的常数，结果得到一个公式，而这个公式与了一个自己的常数，结果得到一个公式，而这个公式与实验结果精确相符，它就是普朗克公式，即普朗克辐射实验结果精确相符，它就是普朗克公式，即普朗克辐射定律定律普朗克的能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可普朗克的能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态是这些谐
72、振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有中，谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量（称为能量子）任意值。相应的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍。能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传的整数倍。能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论做出了卓越贡献，获得了对建立量子理论做出了卓越贡献，获得了19181918年诺贝年诺贝尔
73、物理学奖尔物理学奖普朗克关于能量只能以普朗克关于能量只能以“能量子能量子”为最小单元作不连为最小单元作不连续变化的假设，冲击了经典物理学长期信奉的续变化的假设，冲击了经典物理学长期信奉的“自然自然界无跳跃界无跳跃”的信条，彻底变革了经典物理学中一切因的信条，彻底变革了经典物理学中一切因果关系都是以物理量的连续变化为基础的物理学思想果关系都是以物理量的连续变化为基础的物理学思想方法方法爱因斯坦 (Allbert Einstein ,1879-1955) 1921年诺贝尔物理学奖授予德国柏林马克斯普朗克物理研究所的爱因斯坦以表彰他在理论物理学上的发现,特别是发现了光电效应的定律. 光量子假说光量子
74、假说19051905年年6 6月，爱因斯坦在德国月，爱因斯坦在德国物理学纪事物理学纪事上发表的上发表的关关于光的产生和转化的一个启发性观点于光的产生和转化的一个启发性观点，为研究辐射问题，为研究辐射问题带来了一个崭新的观点。他认为，在普朗克的理论中，只带来了一个崭新的观点。他认为，在普朗克的理论中，只考虑了腔壁上振子能量的量子化，但对空腔内电磁辐射的考虑了腔壁上振子能量的量子化，但对空腔内电磁辐射的处理，还是用的麦克斯韦电磁波动理论，这种观点是不彻处理，还是用的麦克斯韦电磁波动理论，这种观点是不彻底的。在爱因斯坦看来，电磁场能量本身也是量子化的，底的。在爱因斯坦看来，电磁场能量本身也是量子化的
75、，辐射场不是连续的，而是由分立的能量子组成的。他把这辐射场不是连续的，而是由分立的能量子组成的。他把这种能量子称为种能量子称为“光量子光量子”。后来美国物理学家。后来美国物理学家路易斯路易斯把它把它改称为改称为“光子光子”量子力学理论的建立量子力学理论的建立路易斯.德布罗意 (Prince Louis-victor de Broglie ,1892-1987) 1929年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎索本大学的路易斯.德布罗意以表彰他发现了电子的波动性. 德布罗意波德布罗意波19231923年年9 9月至月至1010月间，德布罗意在连续发表了三篇论文月间，德布罗意在连续发表了三篇论文辐射辐射波和量
76、子波和量子、光学光量子、衍射和干涉光学光量子、衍射和干涉、物理学量子、气体运动理论以及费马原理物理学量子、气体运动理论以及费马原理。在这几篇短文中，提出了在这几篇短文中，提出了“德布罗意波德布罗意波”的思想。的思想。18241824年，德布罗在年，德布罗在量子理论研究量子理论研究的博士论文中，的博士论文中，系统地阐述了他在前几篇文章中提出的相波理论系统地阐述了他在前几篇文章中提出的相波理论原子结构理论的发展原子结构理论的发展1 1原子有核模型的建立原子有核模型的建立2 2玻尔原子结构的量子理论玻尔原子结构的量子理论3 3玻尔理论的推广玻尔理论的推广尼尔斯玻尔 （Niels Bohr,1885-
77、1962） 1922年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根的尼尔斯玻尔以表彰他在研究原子结构,特别是研究从原子发出的辐射所作的贡献。 原子有核模型的建立原子有核模型的建立19091909年，卢瑟福的助手盖革，年，卢瑟福的助手盖革， 学生马斯登从粒子被很薄的学生马斯登从粒子被很薄的 金箔散射的实验中，金箔散射的实验中， 观察到了一种出人意料的现象：观察到了一种出人意料的现象： 大约有八千分之一的粒子的偏转角度超过大约有八千分之一的粒子的偏转角度超过9090度，有的度，有的甚至被反弹回来。粒子散射实验的意外结果，为建立正确甚至被反弹回来。粒子散射实验的意外结果，为建立正确的原子有核棋型据供了科学依据的原
78、子有核棋型据供了科学依据玻尔原子结构的量子理论玻尔原子结构的量子理论19131913年玻尔提出的原子结构理论，是量子论发展史上年玻尔提出的原子结构理论，是量子论发展史上的一个重要阶段。在此之前，量子论主要被用于与辐的一个重要阶段。在此之前，量子论主要被用于与辐射有关的问题，玻尔的理论却表明在描述原子的结构射有关的问题，玻尔的理论却表明在描述原子的结构和运动规律中，作用量子也具有本质的意义。他希望和运动规律中，作用量子也具有本质的意义。他希望把量子概念与卢瑟福原子模型结合起来，以解决原子把量子概念与卢瑟福原子模型结合起来，以解决原子结构的稳定性问题，玻尔理论提出了一个动态的原于结构的稳定性问题，
79、玻尔理论提出了一个动态的原于结构轮廓，揭示了光谱线与原子结构的内在联系，从结构轮廓，揭示了光谱线与原子结构的内在联系，从而推动了物质结构理论的发展。玻尔由于这一杰出的而推动了物质结构理论的发展。玻尔由于这一杰出的工作，获得了工作，获得了19221922年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖弗兰克 G.赫兹 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克和哈雷大学的G.赫兹以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律.弗兰克和赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律共同获得了1925年诺贝尔物理学奖 夫兰克夫
80、兰克赫兹实验赫兹实验玻尔理论的推广玻尔理论的推广索索末末菲菲在在19161916年年把把一一般般量量子子化化条条件件推推广广到到四四个个自自由由度度，即即主主量量子子数数，轨轨道道量量子子数数，磁磁量量子子数数和和电电子子自自旋旋量量子子数数，很很好好的的解解释释了了塞塞曼曼效效应应和和碱碱金金属属光光谱谱的的主主线线系系，漫线系，锐线系等现象漫线系，锐线系等现象海森伯格海森伯格矩阵力学矩阵力学19251925年，德国青年物理学家年，德国青年物理学家海森伯海森伯写出了写出了一篇名为一篇名为关于运动学和力学关系的量子关于运动学和力学关系的量子论重新解释论重新解释的论文，创立了解决量子波的论文，创
81、立了解决量子波动理论的矩阵方法。动理论的矩阵方法。玻尔理论玻尔理论中的电子轨道、运行中的电子轨道、运行周期周期这样古典的然而是不可测量的概念被辐这样古典的然而是不可测量的概念被辐射频射频率率和强度所代替。和强度所代替。19251925年年9 9月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯的思想发展成为将海森伯的思想发展成为系统系统的的矩阵力学矩阵力学理论。海理论。海森伯写出了以森伯写出了以“关于运动学和力学关系的量子论的关于运动学和力学关系的量子论的重新解释重新解释”为题的论文，创立了解决量子波动理论为题的论文，创立了解决量子波动理论的的矩阵矩阵方法。方法。 薛
82、定谔薛定谔波动力学波动力学薛定谔是薛定谔是奥地利奥地利物理学家。他从爱因斯坦的一篇论文中得物理学家。他从爱因斯坦的一篇论文中得知了德布罗意的物质波概念后立刻接受了这个观点。他提知了德布罗意的物质波概念后立刻接受了这个观点。他提出，粒子不过是波动辐射上的出，粒子不过是波动辐射上的泡沫泡沫。19251925年，他推出了一年，他推出了一个相对论的波动方程，但与实验结果不完全吻合。个相对论的波动方程，但与实验结果不完全吻合。19261926年，年，他改而处理非相对论的电子问题，得出的波动方程在实验他改而处理非相对论的电子问题，得出的波动方程在实验中得到了证实。中得到了证实。 19251925年年-19
83、26-1926年薛定谔率先沿着物质波概年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子的念成功地确立了电子的波动波动方程方程，为量子理论找到了一个，为量子理论找到了一个基本公式，并由此创建了基本公式，并由此创建了波动力学波动力学 波动力学与矩阵力学各自的支持者们一度争论不休，指责波动力学与矩阵力学各自的支持者们一度争论不休，指责对方的理论有缺陷。到了对方的理论有缺陷。到了19261926年，薛定谔发现这两种理论年，薛定谔发现这两种理论在数学上是等价的，双方才消除了敌意。在数学上是等价的，双方才消除了敌意。 19291929年狄拉克年狄拉克改进了矩阵力学的改进了矩阵力学的数学数学形式，使其成为一个概念
84、完整、逻形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系，并将两种理论进行了综合辑自洽的理论体系，并将两种理论进行了综合 ，统称为，统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵更易量子力学，而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的理解，成为量子力学的基本方程基本方程。 量子力学诠释量子力学诠释玻恩认为，量子力学中的波实际上是一种几率，玻恩认为，量子力学中的波实际上是一种几率，波函数波函数表表示的是电子在某时某地出现的几率。示的是电子在某时某地出现的几率。19271927年，海森伯提出了年，海森伯提出了微观微观领域里的不确定关系，他认为领域里的不确定关系，他认为任何一个
85、粒子的任何一个粒子的位置位置和和动量动量不可能同时准确不可能同时准确测量测量，要准确，要准确测量其中的一个，另一个就将是不确定的。这就是所谓的测量其中的一个，另一个就将是不确定的。这就是所谓的“不确定原理不确定原理”。它和玻恩的波函数几率解释一起，奠定。它和玻恩的波函数几率解释一起，奠定了了量子力学诠释量子力学诠释的物理基础。的物理基础。玻尔敏锐地意识到不确定原理正表征了经典概念的局限性，玻尔敏锐地意识到不确定原理正表征了经典概念的局限性，因此在此基础上提出了因此在此基础上提出了“互补原理互补原理”。玻尔的互补原理被。玻尔的互补原理被人们看成是正统的人们看成是正统的哥本哈根哥本哈根解释，但爱因
86、斯坦不同意不确解释，但爱因斯坦不同意不确定原理，认为定原理，认为自然自然界各种事物都应有其确定的因果关系，界各种事物都应有其确定的因果关系，而量子力学是统计性的，因此是不完备的，而互补原理更而量子力学是统计性的，因此是不完备的，而互补原理更是一种权宜之计。于是在爱因斯坦与玻尔之间进行了长达是一种权宜之计。于是在爱因斯坦与玻尔之间进行了长达三四十年的争论，直到他们去世也没有作出定论。三四十年的争论，直到他们去世也没有作出定论。 爱因斯坦与玻尔的有关量子力学的争论爱因斯坦与玻尔的有关量子力学的争论玻尔的互补原理被人们看成是正统的玻尔的互补原理被人们看成是正统的哥本哈根哥本哈根解解释，但爱因斯坦不同意不确定原理，认为释，但爱因斯坦不同意不确定原理，认为自然自然界界各种事物都应有其确定的因果关系，而量子力学各种事物都应有其确定的因果关系，而量子力学是统计性的，因此是不完备的，而互补原理更是是统计性的，因此是不完备的，而互补原理更是一种权宜之计。于是在爱因斯坦与玻尔之间进行一种权宜之计。于是在爱因斯坦与玻尔之间进行了长达三四十年的争论，直到他们去世也没有作了长达三四十年的争论，直到他们去世也没有作出定论。出定论。谢谢！谢谢！
