现代科技概论-物理学.ppt

科学、技术与社会系列课程现代科学技术概论：物理学现代科学技术概论：物理学An Introduction to Modern Science and TechnologyAn Introduction to Modern Science and Technology：PhysicsPhysics19世纪末20世纪初的物理学革命 Physics Revolution in 19C-20C古典物理学的顶峰与物理学危机 The zenith and crisis of classical physics19世纪末古典物理学大厦建成世纪末古典物理学大厦建成形形成成牛牛顿顿力力学学体体系系为为中中心心，声声学学、热热学学、光光学学和和电电磁磁学学大大一一统统，小小到到原原子子、大大到到宇宇宙宙天天体体的的世世界界图图景景，使使物物理理学学显显示示出出一一种种形形式式上上的的完完整整，被被誉誉为为“一一座座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。量量子子力力学学奠奠基基人人普普朗朗克克的的老老师师约约利利就就曾曾劝劝说说普普朗朗克克不不要要学学习习物物理理，因因为为“这这门门科科学学中中的的一一切切都都已已经经被被研究了，只有一些不重要的空白需要被填补研究了，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大部分人认为，物理学大厦已经最终建成，剩下的，剩下的工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些。古典物理学的顶峰与物理学危机 The zenith and crisis of classical physics19世纪末古典物理学大厦建成世纪末古典物理学大厦建成动动力力学学理理论论断断言言，热热和和光光都都是是运运动动的的方方式式。但但现现在在这这一一理理论论的的优优美美性性和和明明晰晰性性却却被被两两朵朵乌乌云云遮遮蔽蔽，显得黯然失色了显得黯然失色了在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的19世纪乌云世纪乌云开尔文勋爵(Lord Kelvin)，1900年物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds1886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。迈迈克克尔尔逊逊-莫雷莫雷实验实验的零的零结结果果 MichelsonMorley experiment 难难以以观测观测到以太的到以太的绝对绝对运运动动，这这便便动摇动摇了了经经典物理典物理学和学和经经典典时时空空观观的基的基础础物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds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。黑体黑体辐辐射与紫外灾射与紫外灾难难 Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe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”。物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds黑体黑体辐辐射与紫外灾射与紫外灾难难 Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds迈迈克克尔尔逊逊-莫雷莫雷实验实验相相对论对论黑体黑体辐辐射与紫外灾射与紫外灾难难量子力学量子力学世纪之交的物理学Physics at the turn of centuryX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)相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 早早在在1616岁岁时时爱爱因因斯斯坦坦就就在在想想一一个个问问题题，如如果果一一个个人人以以光光速速远远行行，他他将将看看到到一一幅幅什什么么样样的的世世界界景景象象呢呢，电电磁磁波波是是不不是是就就像像凝凝固固了了那那样样静静止止不不动动呢呢，如如果果是是那那样样，电电动动力力学学就就完完了了。看看起起来来，电电动动力力学学的的麦麦克克斯斯韦韦方方程程只只对对一一个个绝绝对对静静止止不不动动的的参参考考系系即即以以太太参参考考系系是是成成立立的的。可可是是这这与与牛牛顿顿力力学学所所遵遵从从的的惯惯性性系系等等效效原原理理相矛盾。相矛盾。所所有有的的牛牛顿顿定定律律对对于于所所有有的的惯惯性性系系都都是是成成立立的的，伽伽利利略略恰恰当当地地称称之之为为相相对对性性原原理理。他他的的著著名名实实验验是是，一一个个坐坐在在船船舱舱里里的的人人无无论论用用什什么么物物理理实实验验，也也无无法法确确定定该该船船是是否否在在相相对对于于河河流流做做均均匀匀直直线线运运动动即即惯惯性性运运动动。可可是是，电电动动力力学学为为什什么么不不遵遵从从伽伽利利略略的的相对性原理呢相对性原理呢?相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 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。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 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。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 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。论动体的电动力学，刊于物理学年鉴第17卷第89l-921页。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 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：1.光速不变在所有惯性系中，真空中的光速都等于299 792 458 m/s 2.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。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：3.尺缩钟慢效应（length contraction and time dilation）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。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：3.双生子佯谬（Twin paradox）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。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：4.四维时空（4D space-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（Transformation of Velocities）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。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：6.质能方程（Mass-energy equivalence）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：相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：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）。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：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（Equivalence principle）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相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：6.引力质量=惯性质量，等效原理（Mass-energy equivalence）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）。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）。EinsteinsRelativityandtheQuantumRevolution