自然科學史10新物理學革命—20世紀的科學

1、 新物理學革命新物理學革命20世紀的科學世紀的科學本本 章章 目目 錄錄243 13 33 5世紀之交的物理學革命世紀之交的物理學革命n 物理學家們認為，物理學家們認為，電磁傳播的媒介電磁傳播的媒介是是以太以太。問題在于。問題在于以太具有以太具有什么樣的什么樣的物理性物理性質(zhì)質(zhì)。比如，它。比如，它有重量嗎有重量嗎？它對物體的運動？它對物體的運動會產(chǎn)生會產(chǎn)生阻力阻力嗎？它的嗎？它的密度密度有多大？這些問有多大？這些問題都非常難于回答。題都非常難于回答。 邁克爾遜邁克爾遜莫雷實驗莫雷實驗n 實驗設計無可挑剔，儀器靈敏度儀器靈敏度至今令至今令人嘆服人嘆服。用這樣的精密儀器可以測得一根條紋的百分之一的

2、移動變化。他們在一年四季、一天的白晝和夜晚都進行觀測，都未觀測到預期的條紋移動條紋移動。實驗結果迫使人們作出實驗結果迫使人們作出非非此即彼此即彼的選擇：要么地球不在運動；要么的選擇：要么地球不在運動；要么根根本就沒有以太這種東西本就沒有以太這種東西。 （1845-1923）德國物理學家德國物理學家 1852年年12月月15日出生于日出生于法國巴黎法國巴黎。 1872年年-1874年在年在巴黎綜合技術學校巴黎綜合技術學校學習。學習。1874年年-1877年在巴黎年在巴黎公路橋梁公路橋梁學校學習，學校學習，畢業(yè)后獲畢業(yè)后獲工程師工程師職位。職位。1878年起，任巴黎年起，任巴黎自然歷史博物館自然歷

3、史博物館助理。助理。1888年獲得年獲得巴黎大學巴黎大學科學部科學部博士博士學位。學位。1889年被選為年被選為法國科學院院士法國科學院院士。1892年擔任巴黎年擔任巴黎自然歷史博物館教授自然歷史博物館教授。 1906年年12月月1日當選為日當選為法國科學院副院法國科學院副院長長。1908年當選為法國科學院年當選為法國科學院院長院長1908年年8月月25日在布勒達尼去世，日在布勒達尼去世，享年享年56歲歲。 （瑪麗（瑪麗斯可羅多夫斯卡）斯可羅多夫斯卡） 居里夫人1891年進入法年進入法國索邦學院。國索邦學院。1895年與年與法國化學家比埃爾 居里結婚。 1898 年年7 月月發(fā)現(xiàn)新元素：釙 。

4、1898 年年12月月26日居里日居里夫婦又發(fā)現(xiàn)夫婦又發(fā)現(xiàn)新元素鐳。并。并經(jīng)過經(jīng)過45個月的苦戰(zhàn)，他們終，他們終于從于從30多噸礦石當中，得到，得到了了十分之一克鐳。 1903年年居里夫人完成居里夫人完成博士論文博士論文，同年獲，同年獲諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎。 1911年因發(fā)現(xiàn)兩個新元素而獲得年因發(fā)現(xiàn)兩個新元素而獲得諾貝爾化諾貝爾化學獎學獎。成為。成為第一個第一個獲得獲得兩個諾貝爾獎的人。兩個諾貝爾獎的人。 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)射線射線n 由于組成由于組成射線射線的的粒子粒子帶有巨大能量帶有巨大能量和和動量動量，就成為就成為盧瑟福盧瑟福用來用來打開原子大門打開原子大門、研究、研究原子內(nèi)部原子內(nèi)部結構

5、結構的有力工具。的有力工具。 n 盧瑟福用盧瑟福用鐳鐳發(fā)射的發(fā)射的粒子粒子作作“炮彈炮彈”，用，用“閃爍法閃爍法”觀察觀察被轟擊被轟擊的的粒子粒子。1919年，終于觀年，終于觀察到察到氮原子核氮原子核俘獲一個俘獲一個粒子粒子后放出一個后放出一個氫核氫核，同同時變成另一種原子核時變成另一種原子核（氧（氧17原子核）原子核）。n 這是人類歷史上第一次實現(xiàn)這是人類歷史上第一次實現(xiàn)原子核原子核的人工嬗變的人工嬗變，使，使古代煉金術士古代煉金術士夢寐以求的夢寐以求的把一種元素把一種元素變成變成另一種元素另一種元素的的空想空想有可能有可能成為現(xiàn)實成為現(xiàn)實。當時盧瑟福寫了一本書就取名。當時盧瑟福寫了一本書就

6、取名為為新煉金術新煉金術。是在研究是在研究的過程中得到的。的過程中得到的。人認為是人認為是。人認為是人認為是。 1897年年證明陰極射線證明陰極射線是一種是一種。 1898年進一步證明年進一步證明只有只有的的。曾任曾任實驗室主任長實驗室主任長達達經(jīng)典物理學的危機經(jīng)典物理學的危機（1879-1955）相對論的誕生相對論的誕生 愛因斯坦獲得愛因斯坦獲得19211921年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎 “天上方一日，天上方一日，人間已一年人間已一年” 乘坐乘坐“光子火箭光子火箭”以光速作星際旅以光速作星際旅行，回到地球時，行，回到地球時，我們會發(fā)現(xiàn)什么我們會發(fā)現(xiàn)什么變化？變化？ n 基本假定：基本假

7、定：n 1、廣義相對性原理、廣義相對性原理（物理定律物理定律在在一切參考一切參考系系中是中是平權的平權的）n 2、等效原理、等效原理（慣性質(zhì)量慣性質(zhì)量和和引力質(zhì)量引力質(zhì)量相等，相等，已經(jīng)實驗嚴密證實）已經(jīng)實驗嚴密證實）n 幾個推論：幾個推論：n 1、引力的實質(zhì)、引力的實質(zhì) = 時空彎曲時空彎曲n 2、引力場方程、引力場方程 宇宙學方程宇宙學方程 水星近日點的多余進動值已有人作過計算，每百年為水星近日點的多余進動值已有人作過計算，每百年為43角秒（角秒（43），），n1、水星近日點的進動、水星近日點的進動2、引力紅移、引力紅移n 一切物體在引力場附近時，都不可一切物體在引力場附近時，都不可能走直

8、線，因為能走直線，因為引力的作用要使它們引力的作用要使它們的軌道偏向引力源。的軌道偏向引力源。根據(jù)根據(jù)等效原理等效原理可可以判斷，以判斷，n光光在引力場中傳播時，在引力場中傳播時，n也會也會有類似的現(xiàn)象有類似的現(xiàn)象。 狹義相對論發(fā)表狹義相對論發(fā)表100100周年，周年，也許全世界只有幾十個人能完全理解他的真諦，也許全世界只有幾十個人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對論對人類生活的巨大改變。但這并不能掩蓋相對論對人類生活的巨大改變。 愛因斯坦關于相對論的比喻愛因斯坦關于相對論的比喻 愛因斯坦與塞爾維亞數(shù)學家米列娃有一私愛因斯坦與塞爾維亞數(shù)學家米列娃有一私生女，生女，19031903年到年到1

9、9191919年愛因斯坦娶了米列娃，年愛因斯坦娶了米列娃，米列娃為愛因斯坦生了兩個兒子。米列娃為愛因斯坦生了兩個兒子。 愛因斯坦的第二任妻子愛爾莎是他的表姐。愛因斯坦的第二任妻子愛爾莎是他的表姐。愛因斯坦的二兒子受米列娃家庭遺傳的影響患愛因斯坦的二兒子受米列娃家庭遺傳的影響患精神分裂，一生未娶。大兒子是美國伯克利加精神分裂，一生未娶。大兒子是美國伯克利加州大學的水利工程教授，有三個孩子，大兒子州大學的水利工程教授，有三個孩子，大兒子是一名物理學家。是一名物理學家。有一次，一個美國記者問愛因斯坦關于他有一次，一個美國記者問愛因斯坦關于他成功的秘訣。他回答：成功的秘訣。他回答：“早在早在1901年

10、，我還是年，我還是二十二歲的青年時，我已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了成功的公式。二十二歲的青年時，我已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了成功的公式。我可以把這公式的秘密告訴你，那就是我可以把這公式的秘密告訴你，那就是A=X+Y+Z! A就是就是成功成功，X就是就是努力工作努力工作，Y是是懂得休息懂得休息，Z是是少說廢話少說廢話！這公式對我有用，！這公式對我有用，我想對許多人也一樣有用。我想對許多人也一樣有用?！?愛因斯坦說，愛因斯坦說，關于自然，我了解一點，關于人，關于自然，我了解一點，關于人，我?guī)缀跻稽c也不了解。我?guī)缀跻稽c也不了解。 愛因斯坦被同胞們的好意感動了，但他想得更愛因斯坦被同胞們的好意感動了，但他想得更多的是如何婉拒大使和以色

11、列政府，又不使他們失多的是如何婉拒大使和以色列政府，又不使他們失望。不久，愛因斯坦在報上發(fā)表聲明，正式謝絕出望。不久，愛因斯坦在報上發(fā)表聲明，正式謝絕出任以色列總統(tǒng)。任以色列總統(tǒng)。在愛因斯坦看來，在愛因斯坦看來，“當總統(tǒng)可不是當總統(tǒng)可不是一件容易的事。一件容易的事?！蓖瑫r，他還再次引用他自己的話：同時，他還再次引用他自己的話：“方程對我更重要些，因為政治是為當前，而方程方程對我更重要些，因為政治是為當前，而方程卻是一種永恒的東西。卻是一種永恒的東西。” 早在早在1919年年，愛因斯坦的，愛因斯坦的相對論就介紹到中國相對論就介紹到中國。1922年冬年冬，他應邀到日本講學，往返途中他應邀到日本講學

12、，往返途中兩次經(jīng)過上海兩次經(jīng)過上海，共停留共停留3天天，親眼，親眼看到苦難中的中國，并寄予深切同情?？吹娇嚯y中的中國，并寄予深切同情。 他在日記中記下他在日記中記下“悲慘的圖象悲慘的圖象”和他的感慨：和他的感慨：“在外表上，在外表上，中國人受人注意的是他們的勤勞，是他們對生活方式和兒童福利中國人受人注意的是他們的勤勞，是他們對生活方式和兒童福利的要求的低微。他們要比印度人更樂觀，也更天真。但他們大多的要求的低微。他們要比印度人更樂觀，也更天真。但他們大多數(shù)是負擔沉重的：數(shù)是負擔沉重的：男男女女為每日男男女女為每日5分錢的工資天天在敲石子。分錢的工資天天在敲石子。他們似乎他們似乎魯鈍得不理解他們

13、命運的可怕魯鈍得不理解他們命運的可怕。”“”“愛因斯坦看到這個愛因斯坦看到這個在勞動著，在呻吟著，并且是頑強的民族，他的社會同情心再度在勞動著，在呻吟著，并且是頑強的民族，他的社會同情心再度被喚醒。他認為，這是被喚醒。他認為，這是地球上最貧困的民族地球上最貧困的民族，他們被殘酷地虐待，他們被殘酷地虐待著，他們所受的著，他們所受的待遇比牛馬還不如待遇比牛馬還不如?！保ㄔS良英等編譯許良英等編譯愛因斯愛因斯坦文集坦文集）十幾年后（）十幾年后（1936年），愛因斯坦在美國普林斯頓大學年），愛因斯坦在美國普林斯頓大學與前來進修的與前來進修的周培源周培源第一次個別交談時就說：第一次個別交談時就說：“中國人

14、民是苦難中國人民是苦難的人民。的人民。”他的同情是真摯的、發(fā)自內(nèi)心的，不是掛在嘴上，而他的同情是真摯的、發(fā)自內(nèi)心的，不是掛在嘴上，而是付諸行動的。是付諸行動的。 1931年年“918”事變發(fā)生，國際社會表現(xiàn)出無奈和無能，事變發(fā)生，國際社會表現(xiàn)出無奈和無能，當年當年11年年17日，愛因斯坦公開譴責日本侵略東三省，日，愛因斯坦公開譴責日本侵略東三省，呼吁各呼吁各國聯(lián)合起來對日本進行經(jīng)濟制裁，可惜回音空蕩。國聯(lián)合起來對日本進行經(jīng)濟制裁，可惜回音空蕩。 1932年年10月月，中國共產(chǎn)黨創(chuàng)始人，中國共產(chǎn)黨創(chuàng)始人陳獨秀陳獨秀（時已被開除出（時已被開除出黨）在上海被捕，他和有國際聲望的知識分子聯(lián)名黨）在上海

15、被捕，他和有國際聲望的知識分子聯(lián)名致電蔣介致電蔣介石石，要求，要求釋放釋放。 1937年年3月月，主張抗日的沈鈞儒、章乃器、王造時、史良，主張抗日的沈鈞儒、章乃器、王造時、史良等等“七君子七君子”鋃鐺入獄后，他又聯(lián)合杜威、孟祿等著名知識鋃鐺入獄后，他又聯(lián)合杜威、孟祿等著名知識分子通電援救，分子通電援救，向國民黨施壓向國民黨施壓。 1938年年6月月，為了幫助中國的抗日戰(zhàn)爭，他還和，為了幫助中國的抗日戰(zhàn)爭，他還和羅斯?？偭_斯福總統(tǒng)的長子統(tǒng)的長子一同發(fā)起一同發(fā)起“”，在美國，在美國2000個城鎮(zhèn)個城鎮(zhèn)開展援華開展援華募捐活動募捐活動。愛因斯坦是真正的愛因斯坦是真正的世界公民世界公民，他的愛沒有國界

16、，他對中國，他的愛沒有國界，他對中國的感情沒有任何功利色彩，完全建立在人類的同情心和強烈的的感情沒有任何功利色彩，完全建立在人類的同情心和強烈的人道主義情懷之上。人道主義情懷之上。 “918”事變后不久，在讀事變后不久，在讀初二初二的的許良英許良英是他的熱情崇拜者。是他的熱情崇拜者。1934年，愛因斯坦的文集年，愛因斯坦的文集在歐洲出版，幾年后在歐洲出版，幾年后（1937年抗戰(zhàn)前夕）就有了中譯本，是留學法國的年抗戰(zhàn)前夕）就有了中譯本，是留學法國的物理學教授物理學教授葉蘊理葉蘊理根據(jù)法文譯本轉(zhuǎn)譯的。青年根據(jù)法文譯本轉(zhuǎn)譯的。青年許良英許良英在在1938年上大學前有年上大學前有幸買到一本。愛因斯坦的

17、許多至理名言令他終生難忘，愛因斯幸買到一本。愛因斯坦的許多至理名言令他終生難忘，愛因斯坦的形象在他未來的人生道路上始終占有重要的地位。坦的形象在他未來的人生道路上始終占有重要的地位。 1955年，愛因斯坦去世后，年，愛因斯坦去世后，許良英和周培源許良英和周培源發(fā)表長篇悼念發(fā)表長篇悼念文章。文章。 1979年年，北京隆重舉行，北京隆重舉行愛因斯坦誕辰愛因斯坦誕辰100周年周年的紀念大會。的紀念大會。 n 1900年，德國物理學家普朗克普朗克(18581947)采用拼湊拼湊的辦法，得出了一個在長波和短波均與實驗相長波和短波均與實驗相吻合的公式吻合的公式。但該公式的理論理論依據(jù)尚不消楚尚不消楚。 n

18、 對黑體輻射的研究發(fā)現(xiàn)了一些對黑體輻射的研究發(fā)現(xiàn)了一些經(jīng)驗定律經(jīng)驗定律。n第一個定律第一個定律是：黑體是：黑體輻射能力輻射能力(每秒以電磁輻射的每秒以電磁輻射的形式發(fā)射的能量形式發(fā)射的能量)，正比于它的溫度四次方正比于它的溫度四次方：(WT4)這個定律是這個定律是斯蒂芬斯蒂芬和和玻耳茲曼玻耳茲曼發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)的。第二個定律是第二個定律是：隨著黑體溫度：隨著黑體溫度T的升高，它所發(fā)射的升高，它所發(fā)射的輻射最強的的輻射最強的波長將要變短波長將要變短，即向，即向光譜的紫色區(qū)移光譜的紫色區(qū)移動動。此定律稱為。此定律稱為維恩位移定律維恩位移定律（mT0.2898厘厘米米K）。）。1896年年維恩維恩根據(jù)熱力學，結合實驗數(shù)據(jù)根據(jù)熱力學，結合實驗數(shù)據(jù)湊出湊出一個一個輻射能譜公式輻射能譜公式，在，在短波區(qū)短波區(qū)幾乎與實驗完全幾乎與實驗完全符合。符合。+=n普朗克普朗克一直受到同