浙大課件——物理學(xué)與人類文明

1、葉高翔、葉高翔、盛正卯盛正卯浙江大學(xué)物理系浙江大學(xué)物理系2005年年3月月Z物理學(xué)與人類文明w 第一章 經(jīng)典物理學(xué) w 第二章 量子物理學(xué)w 第三章 量子力學(xué) 現(xiàn)代高科技的基石之一w 第四章 相對(duì)論與現(xiàn)代時(shí)空觀相對(duì)論與現(xiàn)代時(shí)空觀 w 第五章 宇宙之磚 物質(zhì)結(jié)構(gòu)w 第六章 膨脹著的宇宙w 第七章 簡單性與復(fù)雜性的奇遇 非線性物理簡介w 第八章 物理學(xué)在未來科技和社會(huì) 中的作用 Developing Theories The goal of theory is to integrate as many observations of nature as possible under one con

2、ceptual umbrella2004年9月3日，著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧教授楊振寧教授在北京人民大會(huì)堂召開的 “2004文化高峰論壇”上，以“易經(jīng)對(duì)中華文化的影響”為題作了報(bào)告。提出觀點(diǎn)稱“易經(jīng)影響了中華文化的思維方式，而這個(gè)影響是近代科學(xué)沒有在中國萌芽的重要原因之一”。 第二、易經(jīng)是漢語成為單音語言的原因之一。第三、易經(jīng)影響了中華文化的審美觀念。楊振寧：楊振寧：“天人合一天人合一”和推演法的欠缺阻礙科學(xué)誕生和推演法的欠缺阻礙科學(xué)誕生楊振寧把近代科學(xué)沒有在中國萌生的原因放在他論題的首位。原因歸結(jié)為五點(diǎn)：第一，中國的傳統(tǒng)是入世的，不是出世的。 換句話就是比較注重實(shí)際的，不

3、注重抽象的理論架構(gòu)。第二，科舉制度。第三，觀念上認(rèn)為技術(shù)不重要，認(rèn)為是“奇技淫巧”。第四，中國傳統(tǒng)里面無推演式的思維方法無推演式的思維方法。第五，有天人合一的觀念。楊振寧認(rèn)為，其中第四點(diǎn)和第五兩點(diǎn)跟易經(jīng)有著密切的關(guān)系。w 中國的傳統(tǒng)是入世的，不是出世的例子之一是天文學(xué)。w 直到18世紀(jì)、19世紀(jì)中國大部分人還認(rèn)為大地是平的。w Anaximander（BC 610-545)等認(rèn)為地是薄薄的圓片，漂浮在空氣的旋渦里，孤立在球狀宇宙的中心。w Pythagoras (BC580-500)等，首先發(fā)現(xiàn)地是球形的。 方法1：出去的船在地平線處桅桿隱沒。 方法2：人向南行，南天的星上升， 北天 的星下沉

4、。 第四章 相對(duì)論與現(xiàn)代時(shí)空觀相對(duì)論與現(xiàn)代時(shí)空觀4.1 狹義相對(duì)論的創(chuàng)立狹義相對(duì)論的創(chuàng)立 4.2 狹義相對(duì)論的基本原理狹義相對(duì)論的基本原理4.3 狹義相對(duì)論的主要結(jié)論狹義相對(duì)論的主要結(jié)論4.4 新引力理論新引力理論-廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論4.5 廣義相對(duì)論的主要結(jié)論廣義相對(duì)論的主要結(jié)論4.6 廣義相對(duì)論的一些預(yù)言廣義相對(duì)論的一些預(yù)言4.7 相對(duì)論的一些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用相對(duì)論的一些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用4.8 相對(duì)論的時(shí)空觀相對(duì)論的時(shí)空觀Albert Einstein in 19164.1 狹義相對(duì)論的創(chuàng)立狹義相對(duì)論的創(chuàng)立w 牛頓認(rèn)為光是由微粒構(gòu)成的，18世紀(jì)人們普遍接受了他的結(jié)論。w 19世紀(jì)卻積

5、累了大量的證據(jù)支持光是一種波的說法。w 1873年麥克斯韋建立的電磁理論指出光是一種電磁波。w 光波是靠什么作為傳播媒介的呢？w 它是無孔不入、無處不在的傳播媒質(zhì)“以太”嗎？vvu0u 5米秒v020米秒vvu025米秒“以太”的漂移v0460米秒A點(diǎn)接收到的光速為vcv0B點(diǎn)接收到的光速為vcv0邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)始終得到否定的結(jié)論邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)4.2 狹義相對(duì)論的基本原理狹義相對(duì)論的基本原理 4.2.1 光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)砉庠诓煌橘|(zhì)中的傳播速度是可以不一樣的4.2 狹義相對(duì)論的基本原理狹義相對(duì)論的基本原理4.2.2 相對(duì)性原理相對(duì)性原理 乘坐的火車仃在車站上時(shí)，有一列原仃靠在相

6、鄰鐵軌上的火車向后駛離車站，您卻覺得自己所乘坐的列車向前開動(dòng)了相對(duì)性原理相對(duì)性原理伽利略在關(guān)于兩個(gè)世界體系的對(duì)話一書中，借主人翁塞爾維亞蒂之口闡述道：“你和你的朋友被關(guān)進(jìn)大船甲板下的主艙里，里面還有幾只蒼蠅、蝴蝶 和其他小飛蟲，魚缸里還有幾條魚。然后，將一只水瓶倒掛，讓瓶里的水一滴一滴地滴進(jìn)下邊的水罐里。船不動(dòng)時(shí)，小飛蟲向著艙內(nèi)各個(gè)方向自由飛行，魚向各個(gè)方向自由游動(dòng)，水滴滴進(jìn)罐子。你扔?xùn)|西給你的朋友，只要距離相等，向這個(gè)方向不比向另外一個(gè)方向用更多的力。你雙腳齊跳，不論向哪個(gè)方向跳的距離都一樣。當(dāng)船以任何速度向任何方向勻速前進(jìn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象沒有絲毫變化。你無法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來確定，船

7、是在運(yùn)動(dòng)還是靜止不動(dòng)。即使船開得很快，你向船尾跳也不會(huì)比向船頭跳得更遠(yuǎn)；不論你的朋友在船尾還是在船頭，扔?xùn)|西給他所用的力還是相同；水滴仍然進(jìn)下面的罐子，盡管水滴在空中時(shí)，船已向前運(yùn)動(dòng)了 ”4.3 狹義相對(duì)論的主要結(jié)論狹義相對(duì)論的主要結(jié)論 4.3.1 同時(shí)的相對(duì)性同時(shí)的相對(duì)性 w 在車廂上同時(shí)發(fā)生的兩件事，在地面上看來并不同時(shí)發(fā)生。w 同時(shí)性具有相對(duì)性。w 既然同時(shí)性是相對(duì)的，為什么時(shí)間一定是絕對(duì)的呢？0/ 2cthct12斜邊為()()()ctctvt1212122022w 民間有一種說法，天上一天人間一年w 乘坐0.99996247倍光速宇宙飛船航行,則宇航員的一天,在地球上的人們看來就相當(dāng)

8、于一年。w 為什么我們?cè)诔俗w機(jī)、火車時(shí)沒有感覺到時(shí)間延緩？因?yàn)樗俣认鄬?duì)于光速來說太小了w 乘3倍聲速的超音速飛機(jī)，一百年后，時(shí)間也只延長了0.015秒ttvc02214.3.3 長度縮短長度縮短 clt002lv tc t11tlcv1lv tc t22tlcv2llvc0221220220222221121122)11(cvclcvtcvclvclcvcvcltttllvc0221 表明空間也是相對(duì)的，在不同參照系有不同的空間結(jié)構(gòu)。 在一個(gè)參照系看物體是一個(gè)正方體，在另一個(gè)參照系可能是長方體；在一個(gè)參照系是球形，在另一個(gè)參照系卻是扁球形的。 表明物體的形狀是相對(duì)的。 SSu11tuLtv

9、P F 所化時(shí)間為 ， F D所化時(shí)間1t2t22tuLtc 4.3.4 相對(duì)論的速度疊加關(guān)系：ucLt20000000)(/cvvcLcLvLt)()(122021ucuvvcLttttcu200/1cuvuvvuvLt12201cvLL四維時(shí)空中的不變量w 狹義相對(duì)論中，距離和時(shí)間在不同的參照系是不一樣的。然而222)()(rtcs 是四維時(shí)空中的不變量。 表明時(shí)間和空間不是獨(dú)立的，相互間存在 聯(lián)系！ 例如前面的離子：在列車看來，發(fā)射到接收發(fā)生在同一地點(diǎn)，()r2020222)()()(tcrtcs在地面看來rv t202022222)(1)()()()(22tctvctvtcscv4.3

10、.5 質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系在化學(xué)反應(yīng)中，例如氫與氧結(jié)合生成水，水的質(zhì)量等于參加反應(yīng)的氫和氧的質(zhì)量之和。在反應(yīng)中放出的熱量，被認(rèn)為是氫和氧原子中儲(chǔ)存的化學(xué)能，在整個(gè)反應(yīng)過程中，能量和質(zhì)量分別守恒。愛因斯坦要使物體運(yùn)動(dòng)定律既滿足相對(duì)性原理，又要求低速下與牛頓定律一致，得到了一個(gè)令人意外的結(jié)果：物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為能量，能量也物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為能量，能量也可轉(zhuǎn)化為物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。 質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 靜止質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量：如正負(fù)粒靜止質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量：如正負(fù)粒子相互湮滅成光子，而光子只有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量子相互湮滅成光子，而光子只有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量沒有靜止質(zhì)量沒有靜止質(zhì)量. 反之亦然

11、。反之亦然。更多的推論更多的推論Em c2物質(zhì)與能量相互等價(jià)物質(zhì)與能量相互等價(jià)質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能轉(zhuǎn)化質(zhì)能轉(zhuǎn)化w 氫與氧結(jié)合生成水時(shí)放出的熱量來源于氫與氧的質(zhì)量和與水的質(zhì)量之差（也稱質(zhì)量虧損）。w 化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量虧損比例約為十億分之一到一千億分之一。核反應(yīng)的比例約為一千到一萬分之一。w 50克物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為能量，可將西湖中的所有水加熱到沸騰。w 靜止質(zhì)量不為零的物體以光速為速度極限。mmvc0221w運(yùn)動(dòng)質(zhì)量隨物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變化運(yùn)動(dòng)質(zhì)量隨物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變化w一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在不同的參照系看來是一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在不同的參照系看來是 不一樣的，所以物體的質(zhì)量隨參照系而變化：不一樣的，所以物

12、體的質(zhì)量隨參照系而變化：第一顆原子彈于1945年7月在新墨西哥沙漠中引爆一些貌似超光速的現(xiàn)象并不是真正的超光速現(xiàn)象 4.4 新引力理論廣義相對(duì)論新引力理論廣義相對(duì)論慣性系疑難慣性系疑難： 宇宙中不存在真正的慣性系。 4.4.1 廣義協(xié)變?cè)韽V義協(xié)變?cè)怼?41022. ms3010102. ms地球自轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn)4.4.2 等效原理等效原理等效原理：等效原理：比薩斜塔實(shí)驗(yàn) m引m慣4.5 廣義相對(duì)論的主要結(jié)論廣義相對(duì)論的主要結(jié)論引力大的地方時(shí)鐘引力大的地方時(shí)鐘走得慢走得慢 引力導(dǎo)致空間彎曲引力導(dǎo)致空間彎曲TGMc rt1224.6 廣義相對(duì)論的一些預(yù)言廣義相對(duì)論的一些預(yù)言w 4.6.1 恒星光的

13、引力偏轉(zhuǎn)恒星光的引力偏轉(zhuǎn)w 4.6.2 雷達(dá)回波延遲雷達(dá)回波延遲w 4.6.3 水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)4.6.1 恒星光的引力偏轉(zhuǎn)恒星光的引力偏轉(zhuǎn)4GMR57 . 1 1919年5月29日,英國天文學(xué)家愛丁頓實(shí)測結(jié)果 198.161.1975年對(duì)射電源0116+08的觀測 17610016.4.6.2 雷達(dá)回波延遲雷達(dá)回波延遲對(duì)于金星，理論值為t 205104.秒 1971年I. Shapiro）等人的測量結(jié)果對(duì)此的偏離不超過2%4.6.3 水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)560073.每世紀(jì)水星近日點(diǎn)偏轉(zhuǎn) 牛頓理論預(yù)言有進(jìn)動(dòng) 555762.4311.差 廣義相對(duì)論 4303.4.7

14、 相對(duì)論的其他實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及相對(duì)論的其他實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用 4.7.1 介子的壽命介子的壽命 4.7.2 孿生子效應(yīng)孿生子效應(yīng) 4.7.3 全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（GPS）電子電場中加速 電子獲得q.U的動(dòng)能 動(dòng)能為mc2，所需要的加速電壓只要25萬伏特 實(shí)際上即使加上100億伏特的電壓，也達(dá)不到光速4.7.1 介子的壽命介子的壽命子在靜止參照系中的平均壽命為在大氣層上層產(chǎn)生的子,速度0.998c。沒有相對(duì)論效應(yīng)，能運(yùn)動(dòng)的距離實(shí)際上介子可穿越上萬米的大氣層到達(dá)地面。22106. 6600 tvttvc0225134810.4.7.2 孿生子效應(yīng)孿生子效應(yīng)宇航員乘坐0.99996247倍

15、光速飛行的宇宙宇航員的一天，在地球人看來相當(dāng)于一年。地球上的一天，在宇航員看來就是一年，到底誰對(duì)呢？“孿生子效應(yīng)孿生子效應(yīng)”。1971年科學(xué)家將銫原子鐘放在飛機(jī)上，沿赤道向東繞地球一周，回到原處后，比靜止在地面上的鐘慢59納秒。4.7.3 全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（GPS）w 70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億 美元，于1994年全面建成.w GPS系統(tǒng)包括三大部分： GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設(shè)備. w 24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，在兩萬公里的高空，每12恒星時(shí)繞地球一周。最少可見到4顆，最多可見到11顆。全球定位系統(tǒng)定位原理全球定位系統(tǒng)定位原理全球定位系統(tǒng)定位誤差

16、全球定位系統(tǒng)定位誤差tMGRMGRH()109AAllc t 0202()lc t ll004020510 /. 1公里w 北京時(shí)間2003年5月25日零時(shí)34分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號(hào)甲”運(yùn)載火箭，成功地將第三顆“北斗一號(hào)”導(dǎo)航定位衛(wèi)星送入太空。w 前兩顆“北斗一號(hào)”衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空，運(yùn)行至今導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作穩(wěn)定。這次發(fā)射的是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備份星。它與前兩顆“北斗一號(hào)”工作星組成了完整的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，確保全天候、全天時(shí)提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息。w 歐盟將與中國就“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航計(jì)劃進(jìn)行合作(2003.10.27)，中國將在“伽利略聯(lián)合企業(yè)”中投

17、入約億歐元。w 歐盟于年提出了旨在建立全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的“伽利略”計(jì)劃。該系統(tǒng)由顆運(yùn)行衛(wèi)星和顆預(yù)備衛(wèi)星組成，可以覆蓋全球，預(yù)計(jì)將在年投入使用?！百だ浴庇?jì)劃的投資總額估計(jì)高達(dá)億歐元。 西昌衛(wèi)星發(fā)射中心指揮控制大廳 4.8 相對(duì)論的時(shí)空觀相對(duì)論的時(shí)空觀w牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的、均勻的，相互獨(dú)立的。w根據(jù)相對(duì)論,時(shí)間和空間是相對(duì)的。即在不同的參照系時(shí)間是不同的，物體的形狀，質(zhì)量等都是不同的w“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同?！?（蘇軾題西林壁）時(shí)間和空間是相互關(guān)聯(lián)的w 一個(gè)參照系中的所有鐘都校準(zhǔn)了，即相互同步的，在另一參照系看這些不同地點(diǎn)的鐘都不同

18、步了。四維時(shí)空中的“不變論”w 相對(duì)論（relativity）不同于“公說公有理，婆說婆有理。”沒有是非標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)主義（relativism）的理論。w 尋求不同參照系中各觀測量之間的聯(lián)系，重點(diǎn)是不同參照系中的共性，即所謂的“不變性”w 真空中的光速在不同參照系中是不變的，物理規(guī)律的數(shù)學(xué)形式在不同參照系中是一樣的。The oldest picture Santa Barbara, 1933Violin, 19411945w 建立相對(duì)論的邏輯過程： 少量的事實(shí)啟示 基本原理 + 基本理念 邏輯推理 實(shí)驗(yàn)可檢驗(yàn) 對(duì)推論作 的推論 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 證實(shí)或證偽理論w 經(jīng)典物理學(xué)、量子物理學(xué)的建立更多地應(yīng)用了

19、歸納法w 相對(duì)論主要應(yīng)用了演繹法w 其原理、結(jié)論不是很直觀，但更具超前性，更具震撼力w 歸納與演繹的結(jié)合能達(dá)到事半功倍的效果w 時(shí)間是相對(duì)的時(shí)間是相對(duì)的w 空間也是相對(duì)的空間也是相對(duì)的w 時(shí)間與空間是相互關(guān)聯(lián)的時(shí)間與空間是相互關(guān)聯(lián)的w 時(shí)空會(huì)改變物體的形狀、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)空會(huì)改變物體的形狀、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等等“內(nèi)在的特性內(nèi)在的特性”狹義相對(duì)論有關(guān)時(shí)空的結(jié)狹義相對(duì)論有關(guān)時(shí)空的結(jié)論論 時(shí)空會(huì)影響物質(zhì)的“內(nèi)在的特性內(nèi)在的特性” ！ 物質(zhì)是否也會(huì)反過來改變時(shí)空呢？ 或者說時(shí)空與物質(zhì)的關(guān)系如何？ 這正是廣義相對(duì)論要告訴我們的！相對(duì)論的時(shí)空觀相對(duì)論的時(shí)空觀w 時(shí)間與空間不僅是相對(duì)的、相互關(guān)聯(lián)的時(shí)間與空間不僅是