20世纪初的物理学革命

1、 20世纪初的物理学革命19世纪的力学、光学、热学、电磁学取世纪的力学、光学、热学、电磁学取得了光辉的成果，但在物理学晴朗天空得了光辉的成果，但在物理学晴朗天空的远处，尚有两朵小小的令人不安的乌的远处，尚有两朵小小的令人不安的乌云，这就是当时的物理学无法解释的热云，这就是当时的物理学无法解释的热辐射实验和迈克尔逊辐射实验和迈克尔逊莫雷实验。正是莫雷实验。正是这两朵小小的乌云和这两朵小小的乌云和19世纪末一系列新世纪末一系列新的实验，降下了的实验，降下了20世纪物理学革命的暴世纪物理学革命的暴风骤雨，并使整个自然科学进入了一个风骤雨，并使整个自然科学进入了一个崭新的阶段。崭新的阶段。 电子、X射

2、线和天然放射性的发现 n物理学革命首先是由电子、X射线和天然放射性的发现引起的。“电子”一词，最早使用在1891年，是英国科学家斯托内在他的研究成果中提出的。电子是人类发现的第一代基本粒子。英国著名物理学家汤姆生等对电子的发现作出了自己的贡献 电子、X射线和天然放射性的发现n1876年，德国物理学家戈德斯坦提出，普留卡利用盖斯勒管进行放电实验时，看到的玻璃管壁上辉光是由阴极产生的某种射线所引起的，他把这种射线命名为阴极射线。阴极射线引起了物理学家们的极大兴趣，这分别导致了电子和X射线的发现 英国著名物理学家汤姆生认为阴极射线是英国著名物理学家汤姆生认为阴极射线是带负电的微粒，他利用阴极射线既可

3、被磁带负电的微粒，他利用阴极射线既可被磁场偏转又能为电场所偏转的联合作用，在场偏转又能为电场所偏转的联合作用，在1897年实验测定了阴级射线带负电的微年实验测定了阴级射线带负电的微粒的速度、电荷粒的速度、电荷(e)、质量、质量(m)和荷质比和荷质比(em)，证明不论管中电极用什么材料制，证明不论管中电极用什么材料制成或充以何种气体，生成的带负电的微粒成或充以何种气体，生成的带负电的微粒的荷质比都一样，说明了这种微粒是各种的荷质比都一样，说明了这种微粒是各种原子的共同组成部分，汤姆生把这种微粒原子的共同组成部分，汤姆生把这种微粒叫做电子。叫做电子。 而而X射线的发现主要归功于德国人伦琴的工作，射

4、线的发现主要归功于德国人伦琴的工作，伦琴致力于研究阴极射线所引起的荧光现象。伦琴致力于研究阴极射线所引起的荧光现象。1895年，他发现了高真空管放电时能产生年，他发现了高真空管放电时能产生X射线射线的现象。它的穿透性使人们看到了许多过去没有的现象。它的穿透性使人们看到了许多过去没有见过的新东西。见过的新东西。1896年，法国科学家贝克勒尔在年，法国科学家贝克勒尔在一种铀盐中发现了铀元素的天然放射性。它能使一种铀盐中发现了铀元素的天然放射性。它能使不透光的底片暴光。著名的法国科学家皮埃尔不透光的底片暴光。著名的法国科学家皮埃尔居居里和他的妻子玛丽里和他的妻子玛丽居里，经过多年的研究和实验，居里，

5、经过多年的研究和实验，发现了钍、钋、镭的放射性。发现了钍、钋、镭的放射性。 电子、电子、X射线和放射性现象，这三大发现是射线和放射性现象，这三大发现是19世纪末物理学的重要成就。在此基础上，世纪末物理学的重要成就。在此基础上，20世纪世纪初产生了原子物理学。初产生了原子物理学。伦琴伦琴夫人的手骨伦琴夫人的手骨电子、X射线和天然放射性的发现n英国物理学家汤姆生，在证英国物理学家汤姆生，在证实了电子的存在以后，于实了电子的存在以后，于1904年，提出了他关于原子年，提出了他关于原子结构的结构的“面包夹葡萄干面包夹葡萄干”的的原子模型。英国人卢瑟福在原子模型。英国人卢瑟福在1911年经过实验，得出结

6、论：年经过实验，得出结论：原子中有一个非常非常小的原子中有一个非常非常小的核，它集中了原子核，它集中了原子99.99%的质量。他提出了原子有核的质量。他提出了原子有核模型模型-行星模型。行星模型。n电子、电子、X射线和放射性现象的射线和放射性现象的三大发现打开了经典物理学三大发现打开了经典物理学的缺口，从根本上改变原来的缺口，从根本上改变原来的自然观，猛烈冲击着物理的自然观，猛烈冲击着物理学的物质、质量、能量、学的物质、质量、能量、 运运动、原子、元素等基本概念，动、原子、元素等基本概念，经典物理学中的质量守恒、经典物理学中的质量守恒、能量守恒、运动定律等基本能量守恒、运动定律等基本定律面临严

7、峻考验，物理学定律面临严峻考验，物理学的革命风暴来临了。的革命风暴来临了。爱因斯坦的相对论 n1876至至1887年间年间,美国物理学家迈克尔美国物理学家迈克尔逊和莫雷以寻找以太为目的的实验得到逊和莫雷以寻找以太为目的的实验得到了否定以太风存在的了否定以太风存在的“负结果负结果”。19世世纪到纪到20世纪之交的物理实验和理论准备世纪之交的物理实验和理论准备表明，建立新的时空理论和物质运动理表明，建立新的时空理论和物质运动理论的条件已经具备。在这样的条件下，论的条件已经具备。在这样的条件下，爱因斯坦创立了具有划时代意义的相对爱因斯坦创立了具有划时代意义的相对论学说。他在论学说。他在1905年发表

8、的年发表的论动体的论动体的电动力学电动力学一文中首先创立了狭义相对一文中首先创立了狭义相对论。论。 爱因斯坦的相对论n第一，对于一切惯性系，一切自然定律都同样适用，-相对性原理。n第二，对于任何惯性系，自由空间中的光速都是相同的，-光速不变原理。相对论基本公式n当一个惯性系(X,Y,Z,T)相对另一个惯性系n 沿X轴方向以速度V移动时) ,(t zyx22222/1/1CVCVXttZZYYCVVtXX几个结论n1同时性的相对性；2时钟延缓；3长度缩短；n4物体的质量随速度变化n 设M为某物的静止质量,当它以速度 运动时其质量m大于M22/1CVMm几个结论n5质能相关n物质的质量M与能量E之

9、间有n（这一结论奠定了利用原子能的理论基础）。同时还得出，物体的运动速度V 不可能大于自由空间中的光速C 。 2MCE 爱因斯坦的相对论n 爱因斯坦建立的狭义相对论揭示了既适用于低速运动又适用于高速运动的规律。狭义相对论建立以后,不断受到了实践的检验和证实 。爱因斯坦还把相对论原理推广到非惯性系( 加速运动的参考系 )中，并在1907年提出了广义相对论的基本原理。按照这些原理,爱因斯坦又在1916年建立了广义相对论的引力场方程，论证了空间的结构和性质取决于物质的分布。n爱因斯坦还从广义相对论作出了可供验证的三个推论，即水星近日点的进动、引力场会使光线偏转、光谱线的引力红移。这三个推论都得到验证

10、。接近太阳的水星接近太阳的水星日蚀日蚀光谱爱因斯坦的相对论n爱因斯坦的相对论是对经典物理学的重大突破，它不仅揭示了空间的可变性和时间的可变性，而且说明了单独的空间改变或单独的时间改变都是不可能的,空间和时间的变化是必然地联系在一 起的；不仅如此，时空的变化和时空结构又与物质的运动和状态不可分离。这种新的时空观、运动观、物质观的形成是人类思想发展中的根本变革,对整个自然科学和哲学产生了深远的影响。 工作人员正在对重力探测器工作人员正在对重力探测器B进行最后总装进行最后总装地球重力场时空扭曲效果图地球重力场时空扭曲效果图量子论与量子力学 n1900年末，普朗克在德国物理学会上宣读的年末，普朗克在德

11、国物理学会上宣读的关关于正常光谱能量分布定律的理论于正常光谱能量分布定律的理论的论文中，提的论文中，提出了能量量子化假说。这篇论文宣告了量子论的出了能量量子化假说。这篇论文宣告了量子论的诞生。普朗克的量子理论：物体在发射和吸收辐诞生。普朗克的量子理论：物体在发射和吸收辐射时，能量不是连续变化的，而是以一定数值的射时，能量不是连续变化的，而是以一定数值的整数倍跳跃式地变化；能量也是由一份份整数倍跳跃式地变化；能量也是由一份份“能量能量原子原子”构成。他把每一份能量叫构成。他把每一份能量叫“能量子能量子”或或“量子量子”，其数学表达式为，其数学表达式为(量子量子)=hv，h为普为普朗克常数，朗克常

12、数，v为频率。为频率。n从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。黑体辐射现象。黑体辐射黑体辐射量子论与量子力学n对量子论形成具有重要意义的第二个推动是对光电效应的解释。19世纪80年代，赫兹等科学家发现，当光照射到金属上会使金属表面有电子逸出，这就是光电效应。1902年，德国物理学家勒纳德等人总结了实验研究的成果得出： 1. 入射光的强度越大，它从金属表面打出的电子越多； 2. 被光辐射打出的电子的运动速度与入射光的频率成正比，与光的强度无关； 3. 如果光的频率小于某一截止频率，无论光的强度多大，照射时间多长，都不会产生光电效应。量子

13、论与量子力学n1905年，爱因斯坦发展了普朗克的能量量子化的概念，用光量子假说完满地解释了光电效应。光量子假说揭示了光既有波动性又有微粒性的双重特性。n光量子假说，为美国实验物理学家密立根和康普顿等所证实。对原子稳定性的解释是促进量子论形成的第三个因素。卢瑟福根据散射实验结果，提出了原子行星模型，丹麦人玻尔在1913年把行星模型量子化。量子论与量子力学n玻尔模型很好地解释了原子的稳定性和有关原子光谱的大部分观测事实。1924年,法国物理学家德布罗意又提出了实物粒子也具有波动性即物质波的概念，即一切客体都具有波粒二象性。他用这种物质波的理论解释了玻尔的模型和量子条件。n1927年,美国的戴维逊等

14、物理学家通过电子衍射实验证实了电子的波动性。一系列的实验又证明，一切实物粒子都具有波动性，都有衍射现象发生。n波粒二象性的揭示，使人们有可能从根本上越出经典物理学的规范，开创出一门专门研究微观世界运动规律的统一理论量子力学。量子论与量子力学n奥地利物理学家薛定谔是量子力学的奠基人之一。1926他阐述和发展了德布罗意的物质波的思想，建立了描述微观粒子运动的波动力学和波动方程。同年，德国物理学家玻恩对波函数作出了统计解释。n德国物理学家海森堡在1925年沿着另一个途径为量子力学的创立奠定了基础。他建立了与薛定谔的波动力学在本质上一致的矩阵力学量子力学的另一种数学表达式。海森堡在1927年推出了测不

15、准原理和测不准关系式，这一原理是微观粒子波粒二象性的反映。量子论与量子力学n由于薛定谔、海森堡、波恩、狄拉克以及奥地利物理学家泡利等人的努力，量子力学在本世纪30年代初已形成为完整的体系。n量子论和量子力学的建立，使人们从根本上改变了只承认连续性和机械力学决定论的经典观念，论证了连续与间断统一的自然观，揭示了物质世界中统计决定论的因果观。量子物理学是反映自然界一切领域的普遍适用的理论，人们有了量子阶梯，便可以向物质运动的各个层次深入探讨，各门科学的量子化是20世纪自然科学发展的一个重要特点。n量子力学和相对论的结合，构成了现代物理学的理论基础,使人们对原子、分子、电子、原子核的认识前进了一大步

16、。物理学革命的意义与后果 n20 世纪初的物理学革命，在高速过程和微观领域内实现了一次更为深刻和更为广泛的理论综合，在科学的基本概念上发生了重大的改变，在时间、空间、运动、质量、能量、连续 与非连续、必然与偶然、物质结构等一般的关系上都提出了许多崭新的见解。物理学革命所产生的深远影响，只有牛顿力学的建立才能与其相比 物理学革命的意义与后果n在在20 世纪初的物理学革命中，也引起了科学学派间的争论。科世纪初的物理学革命中，也引起了科学学派间的争论。科学的争论激起了哲学上的论争。它不仅吸引了科学家而且使哲学学的争论激起了哲学上的论争。它不仅吸引了科学家而且使哲学家也加入到这场争论中来。现代科学的发

17、展一再表明科学的最前家也加入到这场争论中来。现代科学的发展一再表明科学的最前沿领域往往是科学家与哲学家共同作战的地方。没有哲学意识的沿领域往往是科学家与哲学家共同作战的地方。没有哲学意识的科学家同没有自然科学知识基础的哲学家一样，在科学前沿的探科学家同没有自然科学知识基础的哲学家一样，在科学前沿的探索中都将是无能为力的。科学发现的新事实与原有理论之间的矛索中都将是无能为力的。科学发现的新事实与原有理论之间的矛盾，这是科学发展的内在动力，由此才有新理论的出现，用以概盾，这是科学发展的内在动力，由此才有新理论的出现，用以概括新的事实。括新的事实。n在科学发展史上不同学派之间发生争论乃是一种正常现象

18、，正是在科学发展史上不同学派之间发生争论乃是一种正常现象，正是这种争论促使人们抛弃错误的观点、理论，揭示出各派在理论上这种争论促使人们抛弃错误的观点、理论，揭示出各派在理论上的缺陷，确立和发展正确的观点和理论，促进理论与实验新事实的缺陷，确立和发展正确的观点和理论，促进理论与实验新事实之间的矛盾不断解决。之间的矛盾不断解决。物理学革命的意义与后果n物理学革命不仅引起了人们观念上的重大变革，而且也在社会实践活动中产生了深远的影响。物理学革命促进了科学技术活动社会化的进程。n20 世纪以来的科学研究正在要求巨大的投资，实验规模也在不断扩大。在这种情况下，陆续出现了由垄断企业建立的大型实验室和由国家资助的实验研究机