第四章 现代自然科学--物理学.ppt

第四章现代自然科学的发展 第一节现代物理学的发展 本节要点 第一朵乌云 以太漂移实验 开尔文所称第一朵乌云指的是以太漂移实验 物理学家们认为 电磁传播的媒介是以太 问题在于以太将具有什么样的物理性质 比如 它有重量吗 它对物体的运动会产生阻力吗 它的密度有多大 对这些问题都非常难于回答 迈克尔逊 莫雷实验 第二朵乌云 黑体辐射与 紫外灾难 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 普朗克公式 与实验吻合很好 瑞利一金斯公式 紫外灾难 紫外灾难 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 紫外灾难 紫外灾难 无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败 所以这也是整个经典物理学的 灾难 无怪乎凯尔文要把它说成是经典物理学晴朗天空上的两朵乌云之一 1 发现 光 1895年 物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中 意外发现了X光 X光的发现 不仅揭开了物理学革命的序幕 也给医疗保健事业带来了新的希望 伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主 2 发现放射性 在对X光的研究中 物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素存在 就有贯穿辐射产生 由此证明 发射这种射线是铀原子自身的作用 1903年 贝克勒尔与皮埃 居里和居里夫人因发现放射线荣获诺贝尔物理学奖 1911年 她因发现两种新元素而再度获诺贝尔奖 这一次是化学奖 化学家们终于承认了居里夫人的工作 她成了第一位两次获诺贝尔奖殊荣的人物 发现 射线 卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型 一种是极易吸收的 他称之为 射线 另一种有较强的穿透能力 他称之为 射线 后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线 射线 3 发现电子 电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的 阴极射线究竟是什么 物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置 证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的 并推算出其质量和电荷比值 十九世纪末的物理学危机 在世纪交替时 经典物理学领域中 几乎所有的原理 基本概念都受到怀疑和重新审查 如物质的不灭性 能量守恒性 原子的不可分割和不变性 时空的绝对性 运动的连续性 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 物理学年鉴 发表了五篇论文 其中的三篇每篇均属划时代的成就 21 一篇论文发表在 物理学年鉴 第17卷第132 148页 是关于光电效应的 第二篇论文发表在 物理学年鉴 第17卷第549 560页 是关于布朗运动的 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891 921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 论动体的电动力学 刊于 物理学年鉴 第17卷第89l一921页 以太概念不再是必要的 以太漂移问题也不再存在 如果迈克尔逊的实验导致了零结果 那么它正是一次成功的实验 证明所谓以太漂移根本就是虚幻的 何谓同时性的相对性 不同地点的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢 这个问题看似平常 却至关重要 设AB两地各发生了一个事件 如发生了一次闪光 在AB的中点C处的观察者 由AB两地发来的光信号同时到达这一点 推测两事件是同时发生的 按定义 它也的确是同时发生的 因此地面上的每一位静止的观察者均会同意 A C B 但一个由A向B运动的观察者却不同意 因为也是在C点 他却发现B点的闪光先于A点到达 按定义 B事件先于A事件 它们是不同时的 也就是说 同时性不是绝对的 而取决于观察者的运动状态 这一结论否定了牛顿力学所引以为基础的绝对时间和绝对空间框架 A C B 狭义相对论的理论体系 基本假定 1 狭义相对性原理 物理定律在一切惯性参考系中是平权的 2 光速不变原理 真空中光速不因光源的运动而变 永远是30万公里 秒 即迈克尔逊 莫雷的实验结果 狭义相对论的理论体系 几个推论 1 钟慢效应 已被实验证实 2 尺缩效应 无法在实验中证实 3 光速是物质运动的极限速度4 相对论力学还可以还原为牛顿力学 低速时 质量可变 质能关系式E MC2 原子弹爆炸 钟慢效应 尺缩效应 光速不变原理 质量可变 双生子宇航悖论 35 假定有一对孪生兄弟 其中的一个要以接近于光速 为了充分显示相对论效应 的速度做一次宇宙航行 按照相对论效应 呆在地球上的那位就会发现其兄弟生命周期放慢 比如 自己活了10年 对方才过了1年 当然 按照相对论 在宇宙飞船上的那位 也会发现呆在地球上的兄弟生命周期放慢 因为在他看来 地球以一个与飞船速度相等的速度反向运动 现在假定 宇航结束了 两兄弟又相遇在一起了 那么他们究竟谁更老 谁更年轻 正在人们忙于理解狭义相对论时 爱因斯坦正接近完成广义相对论 1916年 爱因斯坦在老同学格罗斯曼的帮助下 运用黎曼几何完成了广义相对论的最终形式 在这个理论中 引力是被考虑的主要问题 狭义相对论与牛顿的万有引力理论实际上存在矛盾 在牛顿看来 引力是即时作用 引力场就像是一个绝对时空的载体 这种看法为时空的相对性观念所不容 爱因斯坦将相对性原理推广到引力场中 指出引力场就相当于一个非惯性系 人们对一个物体是正被加速 还是正处在引力场中原则上无法做出区分 这一原则被称为等效原理 惯性质量与引力质量相等是等效原理的一个自然的推论 爱因斯坦等效原理思想实验 广义相对论还指出 由于有物质的存在 空间和时间会发生弯曲 引力场实际上是一个弯曲的时空 也就是说 牛顿提出了万有引力 而爱因斯坦事实上取消了它 引力的本质是没有引力 宇宙中无处不在的引力其实不是引力 而是时空的弯曲 在弯曲的宇宙时空中 天体只能沿路程最短的短程线运动 投射到欧几里的空间中 就呈现出椭圆形的运动轨道 空间弯曲就好像把一块石子放在橡皮模上石子 重力橡皮模 弯曲的空间 时空几何量 物质的物理量 时空几何量 物质的物理量 时空度规张量 能量动量张量 广义相对论的理论体系 基本假定 1 广义相对性原理 物理定律在一切参考系中是平权的 2 等效原理 惯性质量和引力质量相等 已经实验严密证实 广义相对论的理论体系 几个推论 1 引力的实质 时空弯曲2 引力场方程 宇宙学方程 几个实验验证预言 1 水星近日点的进动 广义相对论首先解释了水星近日点的进动 这个进动被曾经预测海王星的法国天文学家勒维列用行星摄动方法来解释 他推测水星附近存在一个新的行星 火神星 可是许多年过去了 谁也没有发现什么 火神星 爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论 很好地解释了水星近日点进动中无法解释的43秒 2 强引力场会使时钟变慢 即会使原子的振动变慢 光的频率变低 光谱红移 广义相对论的第二大预言是引力红移 即在强引力场中光谱应向红端移动 20年代 天文学家在天文观测中证实了这一点 3 引力场会使光线偏折 光线弯曲 一切物体在引力场附近时 都不可能走直线 因为引力的作用要使它们的轨道偏向引力源 根据等效原理可以判断 光在引力场中传播时 也会有类似的现象 一束通过太阳表面附近引力场的星光 偏转角只有1 75 当没有太阳时 星光以直线传到我们的地球 但当太阳出现在星体与地球之间时 光线发生弯曲 我们将看到星体的位置移动到虚线的方向 即如图8 4所示 1919年以后 几乎每逢有便于进行观测的日全食时 各国的天文学家都要做这个光线弯曲的实验 下表中列出各次观测的主要结果 近年来射电天文学的定位技术大大提高 分辨率超过了光学 因此检验光线弯曲的精度也大大提高了 可巧 每年三 四月间太阳要在射电源0116 08附近通过一次 见图8 5 0116 08与0119 11及0111 02三个射电源几乎构成一条直线 而当太阳通过0116 08附近时 它们的相对位置将要发生变化 用这种方法得到的光线弯曲值是1 775土0 019 4 雷达回波的延迟 1964年 夏皮罗等提出了一个光在引力场中传播的新的可以检验的效应 夏皮罗从地球上利用雷达发射一束电磁波脉冲 这些电磁波到达其它行星之后 将发生反射 然后再回到地球 被雷达接收到 我们可以测出来回一次的时间 并对比两种不同的情况 一种是电波来回的路程远离太阳 这时太阳的影响可以不计 一种是电波来回的路程要经过太阳附近 受到引力场的作用 后一种情况的回波要比前者延迟一些 这就是太阳引力场感应的传播时间的加长 或叫做雷达回波的延迟 相对论革新了世界图景 世界图景不再是 筐子装东西 式的 时空 物质 模式 由于时空与物质及其运动之间发生了关联 世界图景成了 时空 场 物质 流形 经典物理学中时空与物质之间的二分消解了 物质运动与时间空间成为一体 量子理论的提出 普朗克 爱因斯坦 1900年 德国物理学家普朗克 1858 1947 采用拼凑的办法 得出了一个在长波和短波部分均与实验相吻合的公式 但该公式的理论依据尚不消楚 普朗克公式 与实验吻合很好 瑞利一金斯公式 紫外灾难 对黑体辐射的研究发现了一些经验定律 第一个定律是 黑体的辐射能力 即它每秒以电磁辐射的形式发射的能量 正比于它的温度四次方 W T4 这个定律是斯蒂芬 J Stefanl835 1892 和玻耳兹曼 L Boltzmannl844 1906 发现的 第二个定律是 随着黑体温度T的升高 它所发射的辐射最强的波长将要变短 即向光谱的紫色区移动 此定律称为维恩位移定律 mT 0 2898厘米 K 1896年维恩 W Wienl864 1928 根据热力学 结合实验数据凑出一个辐射能谱公式 在短波区几乎与实验完全符合 1900年英国物理学家瑞利 L J W Rayleighl842 1919 从经典理论中推导出一个辐射公式 后经金斯 J H Jeansl877 1946 改进 合称瑞利 金斯定律 热物体辐射强度正比于它的绝对温度 而反比于这个发射光线波长的平方 但是这个公式只在可见光谱的长波部分才能很好地与实验符合 当波长变短时 这个公式就失效了 普朗克公式 与实验吻合很好 瑞利一金斯公式 紫外灾难 从瑞利 金斯公式得出 波长越短 热辐射强度应越大 并且随着波长的缩短 辐射强度应无止境地增大 这显然是荒谬的 这个公式在紫区出了问题 被称为 紫外灾难 而瑞利 金斯公式是完全根据经典物理学推导出来的 因此 紫外灾难 实际上也是整个经典物理学的 灾难 这就是开尔文把它看成是物理学天空中的一朵 乌云 的原因 1900年普朗克为了与实验数据符合 在维恩公式和瑞利 金斯公式之间利用内插法建立了一个普遍公式 其中引入了一个常数h 后来被称为普朗克常数 普朗克公式把前两个公式作为它的极限情形 普朗克公式同实验符合得很好 在高频区普朗克公式近似地化为维恩公式 而在低频区又近似地化为瑞利 金斯公式 1900年10月19日他在德国物理学会上报告了自己的成果 普朗克公式被认为是正确的普遍公式 普朗克公式 与实验吻合很好 瑞利一金斯公式 紫外灾难 普朗克认为这个公式必能从某些理论中推导出来 经典物理学的所有理论和方法他都试过了 但都失败了 他从失败中认识到这个公式不能单纯从经典理论中推导出来 只要做一个简单的假设 一切问题就会迎刃而解 他注意到在过去的理论中器壁上的分子原子被看作吸收电磁波的 振子 在能量上可以连续地变化 就是说电磁波和振子之间的能量交换 可以无限制地减少或增大 正是这一假设导致了 紫外灾难 普朗克发现 只要假定物体的辐射能不是连续变化 而是以一定的整数倍跳跃式地变化 就可以对该公式做出合理的解释 普朗克将最小的不可再分的能量单元称做 能量子 或 量子 1900年12月14日普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果 他的公式受到欢迎 但他的能量子假说 却受到冷遇 当时没有人相信他的假说 能量子假说的提出 给经典物理学打开了一个缺口 为量子物理学安放了一块奠基石 宣告量子物理学的诞生 1905年 爱因斯坦提出光量子假说 成功地解释了光电效应 1906年 他又将量子理论运用到固体比热问题 获得成功 1912年 玻尔将量子理论引入到原子结构理论中 克服了经典理论解释原子稳定性的困难 建立了他的原子结构模型 取得了原子物理学划时代的进展 1922年 康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性 从而使量子理论得到科学界的普遍承认 面对量子论的发展与成功 以及科学界的批评 普朗克最终放弃了倒退的立场 1920年 在诺贝尔奖颁奖仪式上 他作了题为 量子理论的创立和当前的发展状况 的演讲 演讲中他说 我觉得整个的发展过程似乎是为歌德在很久以前所说的一句名言提供了一个新的证明 这句名言是 人要奋斗就要有错误 第一个意识到量子概念的普遍意义 并将其运用到其他问题上的是爱因斯坦 他建立了光量子论以解释光电效应中出现的新现象 他指出 关于光的产生和转化的瞬时现象 波动论的结论同经验不相符 要解释这类现象 只能假设光是由能量子所组成 即 光量子 以后人们称其为 光子 这是人类认识自然界历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的对立统一 即 波粒二象性 光量子论的提出使光的本性的历史争论进入了一个新的阶段 自牛顿以来光的微粒说和波动说此起彼伏 爱因斯坦的理论重新肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义 它们均反映了光的本质的一个侧面 因为光的确有时表现出波动性 有时表现出粒子性 但它既非经典的粒子也非经典的波 这就是光的波粒二象性 主要由于爱因斯坦的工作 使量子论在最初的十年得以进一步地发展 量子力学的建立者 玻尔 德布罗意 海森伯薛定格 狄拉克 玻尔 1913年 丹麦物理学家尼尔斯 亨利克 大卫 玻尔 1885 1962 哥本哈根学派的创始人 将量子理论与卢瑟福行星结构模型相结合 提出了原子结构新理论 即玻尔模型 1923年 法国物理学家路易 德布罗意 1892 1987 提出了物质波理论 将量子论发展到一个新的高度 爱因斯坦一德布罗意关系式 1925年 德国青年物理学家海森伯 1901 1976 写出了以 关于运动学和力学关系的量子论的重新解释 为题的论文 创立了解决量子波动理论的矩阵方法 沿着物质波概念继续前进并创立了被动力学的 是奥地利物理学家薛定谔 1887 1961 1926年推出的波动方程与实验证据非常吻合 波动力学就此诞生了 1925年9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系统的矩阵力学理论 在英国 另一位年轻人狄拉克 1902 1984 改进了矩阵力学的数学形式 使其成为一个概念完整 逻辑自治的理论体系 量子力学更激烈地改变了世界图景的构造 如果说相对论只是把时空框架与物质运动融为一体 还保留了牛顿力学固有的严格决定论的数学微分方