西方文化史.ppt

1、第十三章,现代西方自然科学成就和理论,The Modern western natural scientific achievements and theory,20世纪现代科学技术迅猛发展 In twentieth Century the rapid developing of modern science and technology 改善人类生活，坚定人类改造自然，改造社会的信心和决心，产生一系列的伟大发明和发现 1895年，德国伦琴发现X射线 The German Roentgens discovery of X rays 陌生王国微观世界 Strange Kingdom - the

2、microscopic world 1897年，发现电子，揭开电的本质 Found electronic, reveal the nature of electricity 1898年，居里夫妇发现镭 Curie had discovered the radium,X射线 元素的天然放射性 电子 物理三大发现,X ray elements of the natural emission electron,相对论,狭义相对论发表100周年 The special theory of relativity published 100 years 也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛 但这并不能

3、掩盖相对论对人类生活的巨大改变。,Relativity,阿尔伯特爱因斯坦,Albert Einstein,1879年出生于德国的乌尔姆（ Ulm Germany ） 大学毕业，曾在伯尔尼专利工作（ Bern patent work ） 1891年，自学欧几里德几何学（Euclidean geometry），感到狂热的喜爱，同时开始自学高等数学。爱因斯坦开始怀疑欧几里德的假定。 1905年3月，发表量子论(Quantum theory )，提出光量子假说(Light quantum hypothesis )，解决了光电效应(Photoelectric effect )问题。4月向苏黎世大学提出论

4、文分子大小的新测定法A new method for determination of molecular size ，取得博士学位。5月完成论文论动体的电动力学On the electrodynamics of moving bodies ，独立而完整地提出狭义相对性原理，开创物理学的新纪元 （New era ）,Albert Einstein,1909-1912年先后在苏黎世大学(University of Zurich)和布拉格大学（Prague University）与苏黎世工业专科学（ Zurich industry college ）校任教授 1913年回德国，成威廉皇家物理研究所

5、所长和普鲁士科学院院士（ the Prussian Academy of Sciences ），并在柏林大学任教 1921年获诺贝尔物理学奖（Nobel Prize in Physics ） 1933年因纳粹（ Nazi ）迫害迁居美国，加入美籍在普林斯顿高等研究所从事理论物理研究工作 (Princeton engaged in theoretical physics research) 1955年4月18日逝世 Death in April 18, 1955 1999年被美国时代周刊Time 评选为“世纪伟人” The great man of the century,狭义相对论的创立,Th

6、e creation of special relativity,爱因斯坦1905年论动体的电动力学on the electrodynamics of moving bodies提出相对论，后来称作狭义相对论the special theory of relativity ，以光速永不改变、相对性原则来推论，得到“时间”会因速度快慢而改变的结论。,诞生,启发： 1. 倘若一个人以光速跟着光线跑，那将会看到什么结果？ 2. 一个人凑巧在一个自由下落的升降机里，那又会发生什么呢？ 原因： 物理危机直接导致了他的相对论产生 物理的晴空中有两朵令人担忧的乌云：黑辐射问题和关于光速的迈克尔逊莫雷实验。后

7、者直接导致相对论产生,Michelson,最先，牛顿理论：光的传递速度在绝对静止的坐标系里各向相同。 Newtonian theory: the light transmission speed in absolute stationary coordinate system in which the same 美国迈克尔逊（ Michelson ）和莫雷（ Morley）设计的实验装置测量地球上光速，实验的结果零结果表明光速与参考系的运动无关 （the speed of light and the zero reference system independent of the moveme

8、nt. ）。 在麦氏预言（ Maxwell predicted）电磁波之后，多数科学家就认为电磁波传播需要媒质（介质）。这种介质称为“以太”（经典以太）the electromagnetic wave propagation need medium ( medium ). The media called“ Ether” ( classical Ethernet ),根据,以太示意图,证实,赫兹（Hz ）认为，地球带着传播光的以太一道运动，而光在以太中传播的速度总是同一数值C。 1895年爱尔兰学者G.裴兹杰诺（The Irish scholar G.F. Pei Zijie North ）和

9、荷兰物理学者.洛仑兹（Holland physicist H.A. Lorentz ）独立地认为，以太是相对绝对空间不动的，不随着运动物体而运动。 彭加莱在数学物理学原理Mathematical Physics中预言，物体运动速度大于光速时，洛伦兹长度缩短公式失去意义。,地球运动，解释迈克尔逊莫雷实验,爱因斯坦相对 论产生,狭义相对论的原理,The principle of special relativity,相对性原理：即物体对运动惯性的阻抗是可以变化的量 The principle of Relativity : the objects on the motion of inertial

10、 resistance can change quantity 光速不变性原理：质量可以直接度量物体所含的能量，光可以转变为质量Principle of constancy of light velocity: quality can directly measure the objects contained in the energy, light can be changed into quality 爱因斯坦认为：当一个物体的运动速度接近于光速时，物体的质量将增加，时钟会变慢，尺子会变短。 Einstein: when an object s velocity is close to

11、the speed of light, the mass of an object will increase 公式为 ： 这里M是改变后的质量 (quality)，m是改变前的质量，v是运动的速度，c是光速。,公式：质能E=mc,表示能量，m表示质量，c表示光速,狭义相对论,爱因斯坦否定了经典力学关于质量和能量守恒定律是相互独立的理论，论证 质量中有能量，能量中有质量 The quality of energy, energy quality 这不仅批判了牛顿的时空论(spacetime theory )和动力学说(motivation theory)，更重要的是，当原子力这一质量转换成能量

12、时(atomic force of this mass is converted into energy)，对人类的命运和前途产生巨大影响,爱因斯坦的质能关系公式，正确地解释了各种原子核反应：就拿氦4(He4)来说，它的原子核是由2个质子和2个中子组成的,意义： 改变了牛顿力学的时空观念(Newtonian concept of time )，揭露了物质和能量的相当性， 为原子能(atomic energy )的利用奠定了理论基 础,是近代物理学领域的一次伟大革命 爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了著

13、名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。,1905年 普朗克首先向柏林大 学(atomic energy )介绍相对论 1908年 闵克夫斯基(Minkowski ) 作全新归纳，提出相对论四维 时空(four-dimensional space-time ) 表示法 历史表明：创造科学 真理需要有胆识者，肯 定与赏识创造也需要有胆识者 History shows that : the creation of scientific truth need to have courage, affirmation and appreciation to crea

14、te also need to have courage.,Minkowski,Planck,广义相对论的创立,1916年广义相对论的基础的发表 the basis of general relativity,Generalized relativity,广义相对论认为，物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间的结构取决于物质的质量及其分布情况，空间弯曲（ spatial curved ）的程度体现为引力场强度。 空间、时间不是独立的实在，而是物质存在的形式。广义相对论第一次阐述了四维时空(the four-dimensional spacetime )和物质的分布(the distri

15、bution of matter)相联系的重要思想。,Einsteins general theory of relativity,爱因斯坦的广义相对论： 解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的，爱因斯坦利用数学(mathematical) 指出物体运动使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物，即使是光线，也要改变路径。(objects movement makes the surrounding space, time warps, in objects having very large relative quality ( s

16、uch as a star ), the bending can make from it by any other things, even light, to change the path. ),广义相对论,The general theory of relativity,爱因斯坦提出的假设(hypothesis)： 自然规律对于以任何形式相对运动着的观察者来说都是一样 物质存在的空间不是平直的欧几里得空间(Euclidean space ) 是弯曲的黎曼空间（ The Riemann space ）：某一区域时空曲率取决于该区域的物质质量及其分布状况；引力场中的一切运动在时空中都走最短

17、路程；光线的路程要弯曲 。时钟的走快要变慢。,爱因斯坦验证广义相对论的三个现象： 1.爱因斯坦指出，水星近日点的运动包含着广义相 对论的效应，用广义相对论计算比用牛顿力学(Newtonian mechanics calculation)计算，这种运动每百年应多43秒。 2.1915年爱因斯坦按广义相对论计算出太阳边缘(the solar edge )通过的光线要发生1.70秒的偏转。 3. 爱因斯坦根据广义相对论引力论预言，在强引力场中因时钟要走慢，所以，从大质量星球表面射到地球上的光谱线将向红端移 (from massive planet surface onto the earth s s

18、pectral lines will be to end movement ),Einstein,W Adams,爱因斯坦相对论后： 1925年 美国天文学家W.亚当斯(W Adams )观测到天狼星伴星发出的光线的引力频移(the Sirius Star light is emitted gravitational frequency shift ) 到1965年，利用穆斯堡尔效应(the Mossbauer effect )测得更准确的相对频移值，与相对论的理论预测值误差不到1/100。,相对论的意义：,相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。 微观粒子的运

19、动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。 相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。,其他领域成就,Other achievements in the field of,1.现代宇宙论(modern cosmology ) 现代宇宙学是天文学和物理学的分支学科，它从整体的角度研究宇宙的结构、运动和演化。爱因斯坦证明，空间和时间（时空）皆与物质不可分离。宇宙作为演化着的整体被确认，在现代自然科学的发展中具有非常重要的意义。 宇宙学家研究证实，爱因斯坦相对论中提出的宇宙膨胀

20、观点 “精确地令人难以置信” 。目前，宇宙正在以一种不可思议的速度膨胀，但膨胀原因至今仍是个未解之谜 1916年8月 完成关于辐射的量子理论Quantum theory on radiation ,2.统一场论(unified field theory ) 1929年2月发表统一场论 统一场论是一种只用单一场论就可以允许所有种类的基本相互作用之间的基本粒子，在同一原则之下可以解释他们之间关系的物理理论。截至目前为止尚没有成功的统一场论出现，而统一场论也是今日物理学界研究的重点之一。统一场论这个名词首先由阿尔伯特爱因斯坦提出，他同时也是试图整合广义相对论以及电磁学成为一个单一场论的物理学家。“万

21、有理论”(Theory of Everything )和统一场论相当的接近，但是它们之间不同的是“万有理论”并不要求将自然界基础当作是场，且万有理论也试图解释所有自然界中的常数的成因。,3.1905年，提出光量子假说 (light quantum hypothesis ) 获得1921年诺贝尔物理奖 爱因斯坦大胆假设：光和原子电子一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子(light quantum )。同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是Eh，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为pE/ch/,4. 1906年，把量子概念运用到晶格振动（ the latti

22、ce vibration ）上，解决了低温时固体比热同温度(the low temperature solid specific heat with temperature)变化的关系问题,5. 1924年，用德布罗意物质波假说(De Broglie matter wave hypothesis)来处理单原子理想的气体，同玻色一起建立了波色-爱因斯坦量子统计理论（ Bose Einstein quantum statistical theory ） 原理简介 根据量子力学，玻色子是自旋为整数的粒子，其本征波函数对称，在玻色子的某一个能级上，可以容纳无限个粒子。因而符合玻色-爱因斯坦统计分布的粒子，当他们处于某一分布left n j right（“某一分布”指这样一种状态：即在能量为left epsilon j right的能级上同时有n j个粒子存在着，不难想象，当从宏观观察体系能量一定的时候，从微观角度观察体系可能有很多种不同的分布状态，而且在这些不同的分布状态中，总有一些状态出现的几率特别的大，而其中出现几率最大的分布状态被称为最可几分布）时，体系总状态数为： Omega j=frac(g_j+n_j-1)!n_j!(g_j-1)! 由于量子统