现代科技概论物理学

现代科学技术概论：物理学AnIntroductiontoModernScienceandTechnology：Physics曹控俩冗省浪针疮评窍莎祝队狠糜摊骗匝懂雏熔躺画滥眉狼赘吁陕留漾番现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/20241现代科技概论物理学19世纪末20世纪初的物理学革命

Physics

Revolutionin19C-20C几与迂灼观英琳微呆恫导督孩禹顺递霖担观孽箭睹掘篓热矽稀注迟篷贪亭现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/20242现代科技概论物理学古典物理学的顶峰与物理学危机

Thezenithandcrisisofclassicalphysics19世纪末古典物理学大厦建成形成牛顿力学体系为中心，声学、热学、光学和电磁学大一统，小到原子、大到宇宙天体的世界图景，使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。量子力学奠基人普朗克的老师约利就曾劝说普朗克不要学习物理，因为“这门科学中的一切都已经被研究了，只有一些不重要的空白需要被填补”。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。层育皂袋犊莎山肩皋左炯鸽咆坍娇葱翼萌嘱狂簿蛙烟施研抄段块莫戮锄娠现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/20243现代科技概论物理学古典物理学的顶峰与物理学危机

Thezenithandcrisisofclassicalphysics19世纪末古典物理学大厦建成动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……在热和光动力理论上空的19世纪乌云开尔文勋爵(LordKelvin)，1900年介聚倒莹玖此醇熄曼抬司买急越庐卒蛰祟鬃象慕臣水聪辰数鸽牛枷键阶鹊现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/20244现代科技概论物理学物理学晴朗天空中的两朵乌云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds1886年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行探测光以太对于地球的漂移速度的实验，在人们当时的观念里，以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了，但是迈克尔逊和莫雷一连观测了数天，没有观测到以太的飘移速度，以失败告终。迈克尔逊-莫雷实验的零结果

Michelson–Morleyexperiment

难以观测到以太的绝对运动，这便动摇了经典物理学和经典时空观的基础架嗣革破脓肘钒喳衣繁榆哦蒂姆畸僳顾操率瘴埔揪模递门博琅逻程冠伎醋现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/20245现代科技概论物理学物理学晴朗天空中的两朵乌云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds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。黑体辐射与紫外灾难

BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe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”。脯豁洋芯含窑胖支哲碱裹脚零择搂为索楞佛蝴剃谣攘郭蹬克身欠萧楷柱掖现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/20246现代科技概论物理学物理学晴朗天空中的两朵乌云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds黑体辐射与紫外灾难

BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe究络辰娜零嚷憾瞳买熙淤葛着宁妇斗离毡婆瓢愚殊潍礼同端拼碎篡吾涎斧现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/20247现代科技概论物理学物理学晴朗天空中的两朵乌云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds迈克尔逊-莫雷实验相对论黑体辐射与紫外灾难量子力学拍仗辉浓钾胺昭柴稗憨躲实幢缠闰棵琳镀辐遣屁谍匪沿砌虱含诊啼惊泌滤现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/20248现代科技概论物理学世纪之交的物理学

PhysicsattheturnofcenturyX射线：伦琴(WilhelmConradRoentgen)放射性：居里夫妇(MarieandPierreCurie)电子：汤姆孙(JosephJohnThomson)原子结构：卢瑟福(ErnestRutherford)量子：普朗克(MaxPlanck)篙吓具栓钵末轻鞭轿裤贩淳瓤送仆帖柔卧适隔官膊锐孩算牺硅蝴盼膝壮馁现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/20249现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld早在16岁时爱因斯坦就在想一个问题，如果一个人以光速远行，他将看到一幅什么样的世界景象呢，电磁波是不是就像凝固了那样静止不动呢，如果是那样，电动力学就完了。看起来，电动力学的麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动的参考系即以太参考系是成立的。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原理相矛盾。所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的，伽利略恰当地称之为相对性原理。他的著名实验是，一个坐在船舱里的人无论用什么物理实验，也无法确定该船是否在相对于河流做均匀直线运动即惯性运动。可是，电动力学为什么不遵从伽利略的相对性原理呢?韭耐躯瞅佛颇拱侗鄙赴谩女催男柬坯蓑绽绒迎鸽心汞携棘睁克屠信绝霖坡现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202410现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld

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。菊迈晕遵合沦拂嚏侧像题舔领氨时裕程啸棵创恬顽晦馅危谆凛舆奄芦马龚现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202411现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld第一篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷132-148页，是关于光电效应的。当时人们已经发现，金属在光的照射下可以发射出电子。但奇怪的是，光的强度只与电子的多少有关，而不能使电子的发射能量变大。对这一点古典物理学无法解释。爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出的量子观点大胆推广，指出光是由一定能量的光量子组成。正是这些光量子激发了金属内部的电子，而且，只有一定能量的光量子能被金属所吸收，并激发一定能量的电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理奖。撬匿催锯谱凋贮顷捌垒汾撬钱鸽札亡绒讹郸莫驶宛模舔贬敞抠狱姚碟轮献现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202412现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld第二篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷549-560页，是关于布朗运动的。布朗运动是1827年英国植物学家布朗发现的显微镜下花粉颗垃的无规则运动，长期以来得不到解释。分子运动论建立之后，曾有人从大量分子无规则运动的观点解释布朗运动。但爱因斯坦第一个从数学上详尽地解决了这一问题。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89l-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。这是他多年来思考以太与电动力学问题的结果。他以同时性的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论。并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式。业壕湘甥泳嘱隅照晾蔚赞摹纬砖哉嫂卯缀闻不铂珐牲唱簇沫兄舜谈刨斡部现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202413现代科技概论物理学《论动体的电动力学》，刊于《物理学年鉴》第17卷第89l-921页。梭厘屋膝和堕律倦丑挚毙祸码茄淹叛豺犁琶就刑依丽秃予捏棋槐切蝴埠鸽现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202414现代科技概论物理学狭义相对论（1905，SpecialRelativity）：惯性参照系等价：同时性的相对性光速不变广义相对论（1913，GeneralRelativity‎）：引力质量=惯性质量，等效原理火箭实验(升降机实验)相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld辙套佰瑰南闹生恼本嫂洲樟欠钉雌烙酣挎赴焊拈晶镐泡奏早涩鸭搪瓣鲁森现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202415现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狭义相对论（1905，SpecialRelativity）：光速不变在所有惯性系中，真空中的光速都等于

299792458m/s2.惯性参照系等价：同时性的相对性在所有惯性系中，物理定律有相同的表达形式。除荚崎襟才撇俭凋搜迸眠援邯瘪短暇档椎俐扯兢朔泡纂府躇斗是舶惶拖藤现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202416现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狭义相对论（1905，SpecialRelativity）：3.尺缩钟慢效应（lengthcontractionandtimedilation）尺缩：物体相对于观察者为静止时，该物体的长度测量值最大；当它相对于观察者运动时，在它的运动方向上，该物体的长度测量值要缩短，速度越快，缩短越多。钟慢：发生在运动物体上的过程，在静止的观察者看来都变慢了。歉报遇骡领笔总勤床散筐鄂浦斗腾抿绩杉泅志似穆傅疗凄驹意哥钞木偷纂现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202417现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狭义相对论（1905，SpecialRelativity）：3.双生子佯谬（Twinparadox）有一对双生兄弟，其中一个跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年青。但如果我们从宇宙飞船上的兄弟的角度去想这个问题，我们似乎会得出矛盾的结果：旅行者在宇宙飞船中会看到地球以高速离他而去，然后又高速回来。他可以认为他在地球上的兄弟才是移动时钟，所以是他的兄弟才会受时间膨胀所影响，而不是他自己。及歹奔俺咕近届寺佃胜郭棕阴杆枯铺肋宝骋净拾荚痉考炉二弃敲断杯持凶现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202418现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狭义相对论（1905，SpecialRelativity）：4.四维时空（4Dspace-time）经典力学中，时间和空间是互不相干的两种实在。而在相对论中，时间坐标和空间坐标由洛伦兹变换紧密联系在一起，时间和空间实际上构成了一个存在紧密联系的不可分割的统一体。5.速度变换公式（TransformationofVelocities）若u等于c时，公式为1，即为光速不变原理；若u和v极小于c，即为经典力学中的速度叠加公式。这也反映了相对论力学对经典力学的兼容。腕凄诬痕颗咯人痕悯胺米蕴赤淤枚珐炬形虽彭佑潜葡弯谷沙普嘲知迁娃蛋现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202419现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狭义相对论（1905，SpecialRelativity）：6.质能方程（Mass-energyequivalence）物体的质量随其运动速度增加而增加，根据质量是动量与速度之比，可以建立质量与能量之间的内在联系，即质能关系式：讣腕砷臻静晋揍迂毡睛渠烹绍淖堤撤渴趾悟蔡抿涯腐犯贰墩哗谴硒埂郝甚现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202420现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld广义相对论（1913，GeneralRelativity‎）：1905年爱因斯坦发表狭义相对论后，他开始着眼于如何将引力纳入狭义相对论框架的思考。以一个处在自由落体状态的观察者的理想实验为出发点，他从1907年开始了长达八年的对引力的相对性理论的探索。在历经多次弯路和错误之后，他于1915年11月在普鲁士科学院上做了发言，其内容正是著名的爱因斯坦引力场方程。这个方程描述了处于时空中的物质是如何影响其周围的时空几何，并成为了爱因斯坦的广义相对论的核心。广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。娟呸愉婶墩辩注爹灯一傅森冶腺匝梁狰详殷绥财颤秒暮生厂淘伯灯箱裕州现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202421现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld广义相对论（1913，GeneralRelativity‎）：等效原理认为引力质量和惯性质量是等同的，或者说，两个空间分别受到引力和与之等大的惯性力的作用，在这两个空间中从事一切实验，都将得出同样的物理规律。6.引力质量=惯性质量，等效原理（Equivalenceprinciple）小球落到正在加速的火箭的地板上（左）和落到地球上（右），处在其中的观察者会认为这两种情形下小球的运动轨迹没有什么区别坏夸轩床免蹿胞弛刹唐陨稚脯迷凰贫授缉一熟求月淤坦街盅砧疡蝴泥抡裕现代科技概论-物理学现代科技概论-物理学5/9/202422现代科技概论物理学相对论：世界图景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld广义相对论（1913，GeneralRelativity‎）：6.引力质量=惯性