第三节现代的科学

第三节现代的科学一、20世纪初的物理学革命（一）物理学革命的背景◆牛顿经典力学体系的建立实现了物理学的第一次理论大综合。

◆能量守恒和转化定律的发现实现了物理学的第二次理论大综合。

◆麦克斯韦电磁理论的建立完成了物理学的第三次理论大综合。经典物理学所取得的辉煌成就，使当时不少科学家感到陶醉，认为物理理论已接近最后完成，今后的工作只需把公式中各个常数测定得更精确一些而已，一切问题都可以应用现有理论加以解决。然而就在此时，经典物理学体系已开始出现危机。危机来自“经典物理学大厦上空的两朵乌云”——“以太之谜”和“紫外灾难”，以及X射线、电子、天然放射现象这胆大发现，由此揭开了20世纪物理学革命的序幕。1.“以太之谜”传播声波的介质是空气。传播水面波的介质是水。通过类比，当时的科学家们就认为，“光是一种波，那么就应该存在着一种传播光波的介质”。于是古希腊哲学家亚里士多德设想一种物质“以太”，被假想为电磁波的传播媒质。但后来的实验和理论表明，如果不假定“以太”的存在，很多物理现象可以有更为简单的解释，没有任何观测证据表明“以太”的存在。“以太”性质不明我们知道，太阳光来到地球，必须经过这之间广袤的宇宙空间。如果真的有以太，那么，它就应该充满太阳与地球之间的整个宇宙空间。同时，地球在围绕太阳的公转，因此地球就是在拨开以太前进。

骑自行车旅行，即使无风的日子，我们也感受到风的吹拂。这是因为自行车正在相对于静止的空气作运动。那么，在以太中行进的地球也应该受到“以太风”的吹拂，那将使地球之类的任何天体的运动最终停下来。光既然是在以太中传播，也不能不受到以太的影响。拿声波作类比：传播声波的介质是空气，相对于静止的空气，声波的传播速度是每秒340米，如果有风的存在，音速会变慢会者变快。当时科学家们对于光也是这么认识的：在以太中运动着的地球上测量光的速度，由于存在着以太风，测得的光速就应该是有时候大，有时候小。

能够探测到“以太风”吗？

迈克耳孙－莫雷实验美国科学家迈克耳孙和莫雷着手用实验手段来证实是否真的存在以太。实验中，光经过不同路径A和B到达检测器的时间，就应该显现差异。然后，反复进行多次实验，始终没有发现到达时间的差异。两束光总是“同时到达”。这项实验没有能够发现“以太风”对光速的影响，验证了不存在着什么以太风。爱因斯坦据此干脆否定以太的存在。

2.“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。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。

19世纪末，卢梅尔（1860－1925）等人的著名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。怎样解释黑体辐射实验的结果呢？人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。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——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，这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“紫外灾难”。它的失败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”3.三大发现（1）X射线空放电现象→阴极射线→X射线真X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流。一般来说，较大原子有较大机会吸收X射线光子。人体软组织由较小原子组成而骨组织含较多钙离子，所以骨组织比软组织吸引较多X射线。故此，X射线可以用作检查人体结构。（2）天然放射性天然放射性，是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线。（如α射线、β射线、γ射线等）而衰变形成稳定的元素而停止放射（衰变产物），这种现象称为放射性。天然放射性元素是指那些最初从自然界发现而不是用人工方法合成的放射性元素。它们是：钋Po（pō）、氡Rn、钫Fr（fāng）、镭Ra、锕Ac（ā）、钍Th（tǔ）、镤Pa（pú）、铀U（yóu）、镎Np（ná）、钚（bù）Pu铀盐不产生荧光，但底片感光→铀原子本身发出的射线，与荧光无关法国皮埃尔.居里及其妻子居里夫人：铀、镭等元素都具有放射性→1903年诺贝尔物理学奖。天然放射性物质的放射危害天然放射性物质的放射危害，主要是通过其放射的射线对人体细胞基本分子结构的电离，破坏了分子结构而造成伤害的。天然放射性物质放射的射线主要有３种：α射线、β射线、γ射线。α射线和β射线都是带电粒子，α粒子在空气或其他物质中造成的电离密集，能量损耗很快，射程（即可以穿透的距离）很短；β粒子造成的电离比α粒子较弱，能量损耗较慢，因而射程较长，但天然放射性物质在自然界中含量毕竟很少，因而β射线不至于从人体外部对人体构成伤害。γ射线在空气中的电离小，射程长，可以从建筑材料中放射出来，从人体外部对人体构成伤害。危险的氡气一般情况下，天然放射性物质是很难进入人体内的，但是，从岩石、土壤跑到空气中的氡气，却很容易随人们的呼吸而进入肺部，并随着血液循环走向全身。氡－２２２原子核放射的是α粒子，在它所经过的路径上，造成原子的电离密集，破坏细胞结构分子，细胞受伤害的程度也就大，修复的可能性也较小。据估算，人如果长期在氡浓度370Bq/m3的室内环境中生活，每千人中将有30～120死于肺癌。若长期生活在含氡量高的环境里，还可能造成白细胞和血小板减少，严重的还会导致白血病。案例:我国河南郑州某大学校址，地质构造上处于断裂带，地下深部的氡气易上升而析出地面，因而土壤中氡浓度较高，室内氡的浓度也较高，使该校癌症、白血病发生率比河南其他大学高的多。由于氡的危害是长期积累的，且不易被察觉，因此必须引起高度重视并做好宣传普及和防护工作。为降低室内氡的浓度，建筑部门在新建住宅时应避开含氡量高的地段，并尽可能选择含氡量低的建材。营销商在销售建材时需向客户出示放射性水平检测证明。居民在进行家庭装修时应注意选择含氡量低的装饰材料。增加室内通风是最方便、最有效的降氡措施。（3）电子围绕阴极射线本性问题以太→带电粒子流（二）物理学革命的历程1.相对论相对论是关于时间、空间和物质运动之间关系的理论。由爱因斯坦创立，依其研究对象的不同分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。（1）狭义相对论（2）广义相对论（3）相对论的实验验证我如果以光速飞行，能够从镜子中看到自己的脸吗？爱因斯坦16岁时有这么个疑问：“我如果以光速飞行，能够从镜子中看到自己的脸吗？”要从镜子中看到自己的脸，从脸部发出的光必须要抵达镜面，再从那里反射到自己眼里。但是，我如果以光速运动，结果会怎么样？光不是就无法抵达镜面吗？？

根据相对论，即使以光速飞行，一个人也能够从镜子中看到自己的脸。2.早期量子论1