（推荐）19世纪末20世纪初的物理学革命

1、1 物理学的新时代 19世纪末20世纪初的物理 学革命 人文学院科技所 屠聪艳 2 参考书目 主要参考： 科学技术史讲义清华大学出版社 辅助参考： 大学物理导论物理学的理论方法、历史与 前沿（上册）向义和 清华大学出版社 科学史及其与宗教和哲学的关系丹皮尔 商务 印书馆 历史上的科学贝尔纳 科学出版社 3 本书的优缺点 优点：条理清晰，容易把握，讲课的理想选择； 缺点：过于简单，需要辅助理解。 比较： 科学史：重思想，有逻辑，过难； 大学物理导论：兼顾理论、方法与历史，是理解 相对论的最佳选择（p267p337）； 历史上的科学：揭示了很多本质性的东西，但缺 乏内在的连贯性。 4 物理学革命的

2、序幕 古典物理学的顶峰与物理学危机 X射线、放射性与电子的发现 物理学的新发现与哲学上两条路线的斗 争 5 相对论的创立 从绝对时空观到狭义相对论的建立 广义相对论极其验证 6 1、古典物理学的顶峰 牛顿力学建立后，被顺利地推广到刚体和流体。到了 19世纪，热力学、统计力学和电动力学也建立起来了。 古典物理学在科学与技术的各个领域得到了广泛的应 用，取得了巨大的成功。1846年海王星的发现又完全 证实了根据牛顿理论所作出的预言。19世纪40年代能 量守恒定律的发现，揭示了各种物质运动形式之间的 转化关系，从而把力学、热学、电学、化学等联系在 一起。牛顿力学成为各门科学的理论基础牛顿力学成为各门

3、科学的理论基础，这样，大 至日月星辰、小到原子分子，似乎无不被牛顿体系所 包罗。大部分人认为，物理学大厦已经最终建成，剩大部分人认为，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下的工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些。 7 2、物理学危机 隐含的危机：麦克斯韦电磁场理论的无法解释 正当古典物理达到了顶峰，人们陶醉于“尽善 尽美”的境界时，却出乎意料地发生了物理学 危机。 这场危机是从以太漂移实验和黑体辐射定律的 研究开始的。 以太漂移实验的零结果 对比热和热辐射定律研究中出现了“紫外灾难” 8 9 序幕：阴极射线的发现 1836年法拉第就注意到低压气体中的放电现象

4、， 但因缺少高真空的手段未能实现真空放电； 1854年盖斯勒发明了“盖斯勒真空管”； 1876年戈尔茨坦指出真空放电时阴极管壁上产 生的绿色光辉，是由负极上所产生的某种射线 射到玻璃上引起的，他把这种射线称为“阴极 射线”。 “阴极射线”的发现，引起科学家的兴趣，不 少人来研究射线的性质，从而导致了X射线、 放射性和电子等一系列重要发现。 10 X射线的发现 德国物理学家伦琴在用“希托夫克鲁克斯真 空管”研究阴极射线时偶尔发现，一个涂有亚 铂氰化钡（一种荧光物质）的幕屏放在放电管 附近时，屏幕上会闪耀着青绿色的光辉；无论 怎么挪远屏幕距离，结果都是一样；他将一些 东西放在玻璃管与屏幕之间，发现

5、有某种新射 线从管中射出来；这种射线不仅能使某些物质 发出荧光，而且还能穿透玻璃、厚纸板甚至金 属；这种射线还能透过黑纸使照相底片感光。 11 X射线阴极射线 X射线是由放电设备的玻璃管壁上的阴极 射线所产生的。然而，通过移动荧光屏 又发现，X射线并不是阴极射线，因为后 者决不能在空气中走那么远的距离。 伦琴称这种性质未知的射线为X射线。 12 X射线之后 伦琴的发现震惊了整个科学界，许多物理学家转来研 究X射线，产生了一系列的成果： 1906年英国物理学家巴克拉发现，当X射线被金属散射 时，散射后的X射线的穿透本领会随金属的不同而迥然 不同，这表明每种金属都有自己的“特征X射线”。 1913

6、年年轻的物理学家莫斯莱求出了各种金属的特征X 射线的波长，并且得到一个重要发现：各种金属的波 长非常有规律地随着他们在周期表中的排列顺序而递 减。利用这个规律，他准确地确立了各元素的原子序 数，并且发现他们恰与核电荷数相等。 13 放射性的发现 1896年法国物理学家昂利贝克勒尔对一种称为 硫酸双氧铀钾的物质进行了研究，想知道这种 荧光辐射中是否含有X射线。实验发现，虽然 未经阳光照射（失去了紫外线对荧光的刺激作 用），底片却由于很强的辐射而变得很黑。这 决不是荧光或阳光所能造成的，必然有一种特 别的东西在起作用。经过多次实验，他很快判 明这种东西就是硫酸双氧铀钾中的铀，这就是 最早发现的放射

7、性现象。 居里夫人建议把这种辐射能力叫做“放射性”。 14 三种射线 天然放射性元素能够放射出、 射线。 射线是带两个氦核的粒子流；射线是高速的 电子流；射线是波长比X射线更短的电磁波， 即光子流。 这三种射线都是从原子里跑出来的，原子不可 分的观念被彻底打破了。 1902年卢瑟福和索迪提出原子自然衰变的理论， 阐明放射性的本质就是放射性元素的原子核自 发地转变为另一种原子核的过程。这就证明了 元素不是不可改变的，而是可以转化的。 15 电子的发现 阴极射线究竟是什么？电磁辐射or某种 粒子流？ 1897年JJ 汤姆生演示阴极射线证明，阴 极射线不仅能被磁铁所偏转而且还能被 电荷所偏转，并且确

8、定它是带负电的粒 子流。汤姆生用“电子”作为这种粒子 的名称。 16 汤姆生的发现 汤姆生巧妙地测出了阴极射线在磁场和电场中 的偏转度，求出这种粒子的荷质比e/m约为氢 离子的2000倍，确定它的质量相当于氢原子的 质量的1/2000左右。 他还发现不管怎样改变放电管中的气体，也不 管怎样改变电极材料，阴极射线粒子的荷质比 总是保持不变。 由此可以断定这种粒子应是电极材料原子的基 本组成部分，进一步的研究证明它是一组元素 的原子的组成部分。 17 迎接物理学的新时代 X射线、放射性和电子的发现，打开了原 子的大门，否定了原子不可分、元素不 可变的传统观念，使人们的认识深入到 微观领域，推动人们

9、去研究原子的内部 结构，从而确立了物质结构的新理论。 这些发现打破了物理学已经达到最终绝 对真理的迷梦，揭开了物理学革命的序 幕，迎来了物理学的新世纪！ 18 新发现对旧理论的冲击 X射线、放射性和电子的发现批判了原子是物 质的始原、原子不可分、元素不可变的传统思 想； 以太漂移实验否认了绝对不变、绝对静止和绝 对连续的另一始原物质以太，动摇了牛顿的绝 对时空观念； 黑体辐射定律的研究否定了能量是绝对连续的 旧观点； 放射性的发现揭示了新的能量形态，要求对旧 能量守恒定律加以重新考察。 19 新发现对哲学观的冲击 物理学的新发现暴露了古典物理学的局限性， 给当时占统治地位的形而上学自然观以巨大

10、的 冲击，不少物理学家在思想上开始陷入混乱和 动摇之中。 “在今天，人们提出与昨天所说的话完全相反 的主张，在这样的时期，已经没有真理的标准， 也不知道科学是什么了。我很悔恨我没有在这 些矛盾出现的五年前死去。”洛伦兹 20 牛顿的绝对时空观 “绝对的空间，就其本质而言，是与外界任何 事物无关，而永远是相同的和不动的。” “绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着， 而且由于其本性而在均匀地，与任何其它外界 事物无关地流逝着。” 牛顿的绝对时空观是从古典力学及其实验中概 括总结出来的，它又是古典力学的基础。 21 伽利略变换 古典力学是以力学相对性原理和惯性定 律为基础的。力学相对性原理要求力学

11、 定律在一切惯性系中保持不变。满足这 个要求的座标变换是伽利略变换。 在伽利略变换中，空间和时间座标彼此 独立，并且与物质运动无关，长度、时 间和同时性都有绝对的意义。 伽利略变换体现了牛顿的绝对时空观。 22 “水桶实验” 牛顿还设计了一个“水桶实验”来证明绝对空 间以及相对于绝对空间的绝对运动的存在：设 有一桶水，把它吊在一根长绳上，让它做旋转 运动。最初桶壁与水之间有相对运动，桶壁旋 转而水不运动，水面会同静止时一样是平的； 但此后桶壁逐渐把它的运动传递给水，使桶壁 与水间的相对运动消失，水桶便和桶壁一起旋 转，并且逐渐离开中心而向水桶的边缘升起， 形成一个凹面。 23 注意！ 绝对旋转

12、运动存在的前提是：可以找到 一个比其它一切惯性系都优越的绝对静 止的坐标系！ 24 马赫的挑战 马赫指出不可能用绝对空间来描述运动，并且 认为“水桶实验”只能说明水桶相对于地球和 其它天体是否有转动，并不能证明水桶是否相 对绝对空间有转动。 马赫认为，不存在相对于绝对空间的加速度， 他把加速度看成是物体相对于世界上存在着的 其它一切物体的加速度；他还提出了惯性力起 源于宇宙间物质的相互作用的观点。 马赫对牛顿绝对时空观的批判虽然没有动摇它 的根基，但在一定程度上为相对论的产生做了 哲学上的准备。 25 狭义相对论产生的历史背景 法拉第麦克斯韦电磁理论 迈克耳孙莫雷实验 洛伦兹变换 彭加勒对相对

13、性原理的坚持 26 1、法拉第麦克斯韦电磁理论 在牛顿力学领域里普遍成立的伽利略的 相对性原理，在麦克斯韦电动力学中不 成立！ 麦克斯韦方程只适合于静止的以太坐标 系？ 27 2、迈克耳孙莫雷实验 如果真有绝对静止的以太存在的话，那么地球 相对于以太运动就会有以太风的存在，即使感 觉不到，也可以用仪器测量出来。 为了寻找以太绝对静止坐标系，迈克耳孙根据 麦克斯韦提出的指导思想设计了一个实验，用 以测量地球相对于以太运动的速度，这个实验 应该可以观察到干涉条纹的移动。但尽管实验 本身达到了很高的精确度，却并未观察到干涉 条纹的移动。 28 一些挽救性解释 以太被地球完全拖动与其同行？迈 克耳孙

14、光速依赖于光源的速度？里茨 收缩说？菲茨杰拉德、洛伦兹 对迈克耳孙莫雷实验的任何解释都不能 使人满意，这充分暴露了古典理论的局 限性。 29 3、洛伦兹的启示 洛伦兹坚持静止坐标系的存在，并人为地引进 一个数学量导出了从以太绝对静止参考系到其 它惯性系的时空变换关系（后被爱因斯坦发展 为洛伦兹变换）。 洛伦兹试图用修补的方法挽救旧理论，但他努 力的某些结果却不由自主地超出了旧理论的框 架。对此爱因斯坦曾形象地比喻说，好像一个好像一个 医生在抢救一个临死的病人，虽然没有把人救医生在抢救一个临死的病人，虽然没有把人救 活，但在抢救的过程中却发明了一些救人的方活，但在抢救的过程中却发明了一些救人的方

15、 法。法。 注意：洛伦兹引进的只是一些数学的辅助量。 30 4、彭加勒对相对性原理的坚持 相对性原理在麦克斯韦电磁理论上陷入困境， 使得当时绝大多数物理学家抛弃了相对性原理。 彭加勒认为，相对性原理虽然受到电磁理论发 展的“打击”，可是它已经“为日常经验所证 实”，他说：“也许我们同样应该建立一门崭 新的力学，对这门力学我们还只能窥见它的一 鳞半爪，在这门力学中惯性将随着速度增加， 光速将会成为一个不可逾越的界限。”他甚至 提出了物理方程对于洛伦兹变换应该具有不变 形式。 注意：彭加勒论述的只是相对运动原理。 31 一个自然的疑问 1905年狭义相对论产生的历史条件已经 成熟，洛伦兹、彭加勒等

16、人也已经走到 了相对论的门口，无论是就学识的渊博 还是数学水平来讲，他们都要优于爱因 斯坦，但为什么这个伟大发现会让“初 出茅庐”的爱因斯坦作出呢？ 32 爱因斯坦与狭义相对论 爱因斯坦的逆向思维：根本不存在以太静止坐 标系，没有任何理由承认绝对运动，一切经验， 包括力学的和电动力学的实验都支持相对性原 理。 经验使我们坚信光速是不变的（光在真空中总 是以恒定的速度在前进，光速同光源的运动状 态和光的颜色无关）。 为此，“必须把光速不变定律对于一切惯性系 的有效性，提高到原理的地位上来。” 33 相对论的突破口：同时性 爱因斯坦用光信号从物理上给“同时性”下了 一个科学定义：假设光速不变，在彼

17、此相距相 当远的两处A和B，发出两个光信号，在AB中 点M处，如果同时接收到两个光信号，那么这 两个光信号的发出便是同时的。 然而，A向B运动的观察者可能认为B点的闪光 先于A点到达“同时性”遭到怀疑。 从一个坐标系看来不同地点同时发生的事件， 在另一个相对于它运动的坐标系来看就不再是 同时的了，“同时性”丧失了绝对性质。 34 洛伦兹变换 爱因斯坦把光速不变原理和狭义相对性原理作 为两个基本公设，以它们为前提，逻辑地推出 了洛伦兹变换。 在洛伦兹变换下，空间间隔（长度）、时间、 时间间隔、同时性都变成了相对的量，时间和 空间不再是彼此独立的了，它们都随物质运动 的速度一起变化。 在洛伦兹变换

18、下，麦克斯韦方程能够保持形式 不变。 35 相对论的内容 通过洛伦兹变换，爱因斯坦得出了一系列重要 结论，如运动的尺子缩短，运动的时钟变慢， 光速不可逾越等。 在相对论中，质量不再是一个绝对不变的量， 它将随物质运动的速度而改变； 相对论还提供了质量与能量之间的重要关系式： E=mc2，它把质量和能量统一起来，并在理论 上预示了原子能利用的可能性。 36 狭义相对论的局限 狭义相对论把牛顿的时空理论作为特殊 情况包括在自身中，当物体的运动速度 远小于光速时，可以由狭义相对论过渡 到牛顿理论。 狭义相对论也有它的适用范围，只有在 弱引力场的情况下，狭义相对论的结论 才是正确的。 37 狭义相对论

19、的推广 从狭义相对论得出了一切惯性系对于描 写自然规律都是等效的结论之后，爱因 斯坦自然地想到，“坐标系有没有进一 步的等效呢？自然规律是客观存在的， 它同我们描写它所选用的坐标系又有何 干呢？狭义相对论如何推广到非惯性系？ 38 广义相对论的前提 广义相对性原理认为自然规律同我们引进的坐 标系无关。 前提：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）（引力强度）（引力质量） 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。 在引力场中的同一地点，一切物体的加速

20、度 都是相同的（引力场的特征性质）。 39 等效原理 设想有一个惯性系K，一些物体在其中没有加 速度，即处于静止或匀速直线运动状态；我们 再设想另有一个相对于此惯性系K做匀加速运 动的非惯性系K，那么在非惯性系K看来，这 些物体都将以相同的加速度在运动。如果我们 把此非惯性系看成“静止的”，那末，物体的 行为就同处于均匀引力场中的情形是一样的。 等效原理（广义相对论的第二个基本原理）： 一个存在着引力场的惯性系和一个不存在引力 场的加速运动的非惯性系是等效的。 40 广义相对论的创立 “等效原理”把引力同惯性统一起来了，有了 等效原理就可以把相对性原理推广到非惯性系。 如同建立狭义相对论的方法

21、一样，爱因斯坦以 广义相对性原理和“等效原理”为基础创立了 广义相对论。 1916年初，爱因斯坦发表了广义相对论的基 础，最后完成了广义相对论的创立。 41 广义相对论与万有引力 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。 42 爱因斯坦的引力理论同牛顿的引力理论 的基本假定是完全不同的，但是这两种 性质根本不同的引力理论所得出的推

22、论， 在许多方面都是一致的。因此在日常经 验的范围内很难分辨两者的差异。只有 从广义相对论才能得出的能被经验检验 的推论是为数不多的。 43 验证1：水星近日点的移动 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”。 44 验证2：光线在引力场中的偏转 爱因斯坦根据等效原理预言光线经过太阳边缘 时要发生1.7秒的偏转，这种偏转会导致日蚀的 发生。 英国天文学家爱丁顿根据广义相