第六章6经典力学的局限性.docx
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1、第六章6经典力学的局限性经典力学的基础是牛顿运动定律,万有引力定律更是建立了人们对牛顿物理学的尊敬。 牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域,包括天体力学的研究中, 经受了实践的检验,取得了巨大的成就。著名物理学家杨振宁曾赞颁道:“如果一定要举出 某个人、某一天作为近代科学诞生的标志,我选牛顿自然哲学的数学原理在1687年出 版的那一天。”是的,从地面上物体的运动到天体的运动,从大气的流动到地壳的变动,从拦河筑坝、 修建桥梁到设计各种机械,从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动,从投出篮 球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船所有这些都服从经典力学的规律。经典力学在如此 广
2、阔的领域里与实际相符合,显示了牛顿运动定律的正确性和经典力学的魅力。但是,像一切科学一样,经典力学没有也不会穷尽一切真理,它也有自己的局限性。它 像一切科学理论一样,是一部“未完成的交响曲”。从低速到高速上面提到的各种物体的运动,速度都远小于真空中的光速。处理这些运动,经典力学完 全适用。20世纪初,著名物理学家爱因斯坦建立了狭义相对论。狭义相对论阐述物体在以 接近光的速度运动时所遵从的规律,得出了一些不同于经典力学的观念和结论。例如,在经典力学中,物体的质量机是不随运动状态改变的,而狭义相对论指出,质量 要随着物体运动速度的增大而增大,即式中20是物体静止时的质量,力是物体速度为U时的质量,
3、。是真空中的光速。依上式计算,在低速运动中,如地球以3Xl()4m/s的速度绕太阳公转时,它的质量增大 十分微小,可以忽略,经典力学完全适用。但是如果物体的速度接近光速c,例如速度以= 0.8c时,物体的质量约增大到静止质量的L7倍。这时,经典力学就不适用了。又如,一条河流中的水以相对于河岸的速度u水岸流动,河中的船以相对于河水的速度u 船水顺流而下。在经典力学中,船相对于岸的速度为V船岸=u船水+ u水岸经验告诉我们,这简直就是天经地义的。但是仔细一想,这个关系式涉及两个不同的惯 性参考系,而速度总是与位移(空间长度)及时间间隔的测量相联系。在牛顿看来,位移的 测量、时间的测量都与参考系无关
4、,正是在这种时空观念下,上式才成立。然而,相对论认 为,同一过程的位移和时间的测量在不同参考系中是不同的,因而上式不能成立,经典力学 也就不适用了。科学漫步时间和空间是什么?物体运动时它的空间位置在随时间变化,因而要描述物体的运动,就应该对空间(space) 和时间(time)有一些认识。通过生活经验我们体会到,所谓空间就像一个广阔无边又硕大无朋的房间,它是容纳一 切物体的“容器”。它给物体提供一个运动的“舞台”,但并不干扰物体的“演出”。也就 是说,空间是独立于物体及其运动而存在的。通过生活经验我们还能体会到,时间像一条看不见的“长河”,均匀地自行流逝着,它 计量着物体运动的持续性,而任何物
5、体都影响不了它。也就是说,时间也是独立于物体及其 运动而存在的。令人高兴的是,我们这种认识与物理学的伟大奠基者牛顿的看法是一致的。人们对时空 的这种认识称为牛顿时空观,也叫经典时空观。牛顿时空观与我们的经验是那样地吻合,以至于我们会情不自禁地想,时间和空间的概 念太浅显了,牛顿时空观是天经地义的,而“时空究竟是什么”似乎是一个多余而又天真的 问题!然而,1905年,爱因斯坦提出了一种崭新的时空观念。他指出,在研究物体的高速运动 (速度接近真空中的光速)时,物体的长度即物体占有的空间以及物理过程、化学过程,甚 至还有生命过程的持续时间,都与它们的运动状态有关。这样,空间和时间不再与物体及其 运动
6、无关而独立存在了。你大概难以想像这是什么样的情景!然而,物理学的进展表明,一些看似天真的问题,其答案却是惊天动地的。人们对空间 和时间概念的扬弃与修正,推动着物理学研究的深化,扩展着人类的科学视野。即使在今天, 还有许多物理学家正在花时间思考和研究时间和空间呢!让我们在今后的学习中去逐渐地领 悟吧1从宏观到微观19世纪末和20世纪初,物理学研究深入到微观世界,发现了电子、质子、中子等微观 粒子,而且发现它们不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动规律在很多情况下不 能用经典力学来说明。20世纪20年代,量子力学建立了,它能够很好地描述微观粒子运动 的规律,并在现代科学技术中发挥了重要作用。
7、这就是说,经典力学一般不适用于微观粒子。相对论和量子力学的出现,说明人类对自然界的认识更加广泛和深入,而不表示经典力 学失去了意义。它只是使人们认识到经典力学有它的适用范围:只适用于低速运动,不适用 于高速运动;只适用于宏观世界,不适用于微观世界。1物理选修3.4将对上面提到的问题做些稍微深入的讨论。从弱引力到强引力万有引力定律的发现解释了天体运动的规律,并预言了海王星的存在。它首次使地面物 体的运动规律与天上星体的运动规律统一起来,把经典力学推上了当时科学的顶峰。但是,按牛顿的万有引力定律推算,行星的运动应该是一些椭圆,行星沿着这些椭圆做 周期性运动。然而,实际的天文观测告诉我们,行星的轨道
8、并不是严格闭合的,它们的近日 点在不断地旋进,如图6.6-1所示。经典力学可以对此做出一些解释。不过,水星旋进的实际观测值比经典力学的预言值要 大。自19世纪以来,这个问题就引起了科学界的注意,但得不到令人满意的解释。1915年, 爱因斯坦创立了广义相对论,这是一种新的时空与引力的理论。他根据广义相对论计算出, 水星近日点的旋进应有每百年43的附加值,同时还预言光线在经过大质量星体附近时,如 经过太阳附近时会发生偏转等现象,这些都被观测证实了。图6.6-1水星的公转轨道在不断旋进根据牛顿万有引力定律,假定一个球形天体的总质量不变,并通过压缩减小它的半径, 天体表面上的引力将会增加。半径减小到原
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