第五章物理學(xué)革命及其影響課件

這場危機(jī)是由“以太”漂移實(shí)驗(yàn)和對(duì)黑體輻射現(xiàn)象的研究引起的。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)展出量子力學(xué)和相對(duì)論，而量子力學(xué)和相對(duì)論正是構(gòu)成近代物理學(xué)新摩天大廈的兩大支柱。百年之后的今天，當(dāng)我們回顧那個(gè)歷史時(shí)刻時(shí)，當(dāng)時(shí)物理學(xué)所面臨的形勢，豈止是像人們形容的山雨欲來風(fēng)滿樓，更像是坐在即將噴發(fā)的火山口上，隆隆雷聲，滾滾地火，沒多久爆發(fā)了一場偉大而深刻的科學(xué)革命，導(dǎo)致了現(xiàn)代物理學(xué)的誕生，更使人類的社會(huì)生活發(fā)生了翻天覆地的、不同于歷史上以往的變化。而在當(dāng)時(shí)居然有那么多大科學(xué)家具有那樣的物理學(xué)已經(jīng)達(dá)到終極的認(rèn)識(shí)，這在物理學(xué)的發(fā)展史，乃至人類的思想史上，是否具有深刻的教益呢？這場危機(jī)是由“以太”漂移實(shí)驗(yàn)和對(duì)黑體輻射現(xiàn)象的研1§5.1相對(duì)論

相對(duì)論是近代物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)之一。相對(duì)論的誕生，不僅大大地推動(dòng)了自然科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，而且在哲學(xué)世界觀方面具有非常重大的意義，為辯證唯物主義的時(shí)空觀提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)?！?.1相對(duì)論25.1.1狹義相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景測量“以太風(fēng)”的邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)邁克爾遜莫雷5.1.1狹義相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景邁克爾遜莫雷3

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明“以太風(fēng)”并不存在，宣告經(jīng)典物理學(xué)的理論預(yù)言同實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不相符的——零結(jié)果。有關(guān)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與經(jīng)典物理學(xué)理論發(fā)生了尖銳的矛盾。這兩個(gè)問題被英國物理學(xué)家湯姆孫稱為物理學(xué)晴朗天空中的“兩朵烏云”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明“以太風(fēng)”并不存在，宣告經(jīng)典物理學(xué)的理4洛倫茲的工作：在邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)后，洛倫茲為了支持“以太”存在的說法，引入了“長度收縮”的假設(shè)，并提出了著名的洛倫茲變換。洛倫茲的工作，最后被愛因斯坦的狹義相對(duì)論所取代，但是他的貢獻(xiàn)不可忽視。建立相對(duì)論的重任就最終落在了愛因斯坦的肩頭。洛倫茲洛倫茲的工作：在邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)后，洛倫茲為了洛倫5愛因斯坦認(rèn)為，自然界的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是統(tǒng)一的，作為自然規(guī)律正確反映的科學(xué)理論就要顯示出應(yīng)有的簡單性來。具體到經(jīng)典力學(xué)，他認(rèn)為力學(xué)的伽利略相對(duì)性原理就體現(xiàn)了簡單性思想。因此他提出了狹義相對(duì)論的兩條基本原理。愛因斯坦認(rèn)為，自然界的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是統(tǒng)一的，作為自然規(guī)律正確65.1.2狹義相對(duì)論的創(chuàng)立（一）狹義相對(duì)論的基本原理愛因斯坦認(rèn)為：我們應(yīng)該毫無保留地接受這樣的事實(shí)，并且應(yīng)將其提升為公理，從而得到了狹義相對(duì)論的一條基本原理——光速不變?cè)恚涸诒舜讼鄬?duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的任一慣性參考系中，所測得的光速都是相同的。愛因斯坦，深邃的目光，洞悉宇宙奧秘。5.1.2狹義相對(duì)論的創(chuàng)立愛因斯坦，深邃的目光，洞悉宇宙7愛因斯坦摒棄了“絕對(duì)靜止”的概念，而將相對(duì)性原理保留、推廣為狹義相對(duì)論的另一條基本原理——狹義相對(duì)性原理：一切彼此作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系，對(duì)于描述運(yùn)動(dòng)的一切規(guī)律來說都是等價(jià)的。這表明，絕對(duì)靜止的參考系是不存在的。第五章物理學(xué)革命及其影響課件8兩條基本原理的提出，奠定了狹義相對(duì)論的理論基礎(chǔ)。而建立相對(duì)論的突破口，則是千百年來人們所習(xí)慣的盲目的“同時(shí)性”觀念的推翻。以光速不變?cè)砗土W(xué)相對(duì)性原理為前提，經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯與數(shù)學(xué)論證，愛因斯坦于1905年終于創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。兩條基本原理的提出，奠定了狹義相對(duì)論的理論基礎(chǔ)。而建立相對(duì)論9（二）狹義相對(duì)論的主要結(jié)論及其意義狹義相對(duì)論的核心內(nèi)容，是它所給出的一組新的坐標(biāo)變換關(guān)系——洛倫茲變換。

發(fā)生在空間-時(shí)間中的一個(gè)事件，在S參考系中記為（x,y,z,t）,在S’系（相對(duì)S系沿x軸以速度做勻速運(yùn)動(dòng)）中記為（x’,y’,z’,t’）,它們之間的變換關(guān)系在狹義相對(duì)論中由光速不變?cè)砜蓪?dǎo)出為：（二）狹義相對(duì)論的主要結(jié)論及其意義10從S系

系：從S'系

S系：上述變換稱為洛倫茲變換，是一個(gè)線性變換。從S系系：從S'系S系：上述變換稱為洛倫茲變換，是一11由洛倫茲變換得到的一些結(jié)論：

1.物體在運(yùn)動(dòng)方向上的收縮測量一個(gè)物體的長度即空間間隔的辦法是同時(shí)即當(dāng)t1=t2時(shí)測量它兩端的坐標(biāo)，若所測坐標(biāo)為x1和x2，則物體長度為l0=x2-x1。若物體相對(duì)S’系靜止而相對(duì)于S系以速度運(yùn)動(dòng)，根據(jù)洛倫茲變化公式得到

l=l0(1-v2/c2)1/2

由此看出，在S系中測量運(yùn)動(dòng)的物體的長度l，比其靜止時(shí)的長度l0縮短了。相對(duì)論的這種效應(yīng)，我們稱為空間間隔的“尺縮效應(yīng)”。由洛倫茲變換得到的一些結(jié)論：12

2.運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的延緩設(shè)S’系相對(duì)S系沿x軸以速度運(yùn)動(dòng)。在S系中觀察者甲看S’系中乙的鐘時(shí)，乙鐘坐標(biāo)x’保持不變。由此看出，在S系中靜止的觀察者看來，相對(duì)S系運(yùn)動(dòng)的慣性系S’中的時(shí)鐘變慢了，這種現(xiàn)象被稱為時(shí)間間隔的“鐘慢效應(yīng)”。2.運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的延緩13盡管相對(duì)論與電磁理論的有關(guān)定律結(jié)合得非常完美，但它與牛頓的引力定律不相容。牛頓的引力理論表明，如果你改變空間的物質(zhì)分布，整個(gè)宇宙中引力場的改變是同時(shí)發(fā)生的，這不但意味著你可以發(fā)送比光速傳播更快的信號(hào)（這是為相對(duì)論所不容的），而且需要絕對(duì)或普適的時(shí)間概念，這又是為相對(duì)論所拋棄的。盡管相對(duì)論與電磁理論的有關(guān)定律結(jié)合得非常完美，但它與14

1911年，愛因斯坦深入思考這個(gè)問題。愛因斯坦意識(shí)到加速與引力場的密切關(guān)系，在密封廂中的人，無法區(qū)分他自己對(duì)地板的壓力是由于他處在地球的重力場中的結(jié)果，還是由于在無引力空間中他被火箭加速所造成的。于是他提出了引力與加速度等效原理。并用黎曼幾何處理彎曲四維空間，創(chuàng)立了廣義相對(duì)論。

1915年愛因斯坦把狹義相對(duì)論原理推廣到更一般的情況，即非慣性系中，建立了廣義相對(duì)論。1911年，愛因斯坦深入思考這個(gè)問題。愛因斯坦意識(shí)到加速155.1.3

廣義相對(duì)論的建立

愛因斯坦認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理必須進(jìn)一步推廣，即自然定律對(duì)于任何參考系而言都應(yīng)具有相同的數(shù)學(xué)形式。這一思想被愛因斯坦提升為廣義相對(duì)論一條基本原理——廣義協(xié)變?cè)?。然而完成從慣性系向非慣性系的過渡，還需要另一條基本原理即等效原理的保證。5.1.3廣義相對(duì)論的建立16等效原理是愛因斯坦關(guān)于把慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量等同起來，或把加速度與引力場等同起來的假設(shè)。它的成立是以如下的事實(shí)為基礎(chǔ)的，那就是指在一個(gè)有限大小的體積范圍內(nèi)，萬有引力和某一加速系統(tǒng)的慣性力相互等效，或者說物體的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等。以等效原理和廣義協(xié)變?cè)頌榛A(chǔ)，借助于新的數(shù)學(xué)工具黎曼幾何，愛因斯坦與1916年建立起廣義相對(duì)論的理論大廈，進(jìn)一步揭示出時(shí)間、空間的根本屬性及其與物質(zhì)分布、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間內(nèi)在的深刻聯(lián)系。等效原理是愛因斯坦關(guān)于把慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量等同起來，或把17廣義相對(duì)論提出了三個(gè)可檢驗(yàn)的預(yù)言。第一個(gè)是水星的近日點(diǎn)的攝動(dòng)，第二個(gè)預(yù)言是，光線在引力場中將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。第三個(gè)預(yù)言通常被稱為譜線“紅移”，即恒星輻射總是背離我們而去。

第一次世界大戰(zhàn)剛一結(jié)束，英國天文學(xué)家愛丁頓立即在1919年組織了英國日蝕觀測隊(duì)，去檢測星光經(jīng)過日全蝕太陽時(shí)將發(fā)生偏轉(zhuǎn)的預(yù)言。兩支觀測隊(duì)分別出發(fā)，一個(gè)派往巴西的索布拉爾，另一個(gè)由愛丁頓率領(lǐng)來到西班牙所屬圭那亞海岸附近的普林西比島。觀測結(jié)果與預(yù)言相符，立即震撼了全世界的科學(xué)家和公眾。廣義相對(duì)論提出了三個(gè)可檢驗(yàn)的預(yù)言。第一個(gè)是水星的近日18相對(duì)論的建立，深刻地揭示出時(shí)間、空間、物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性，從而改變了人們所習(xí)慣的關(guān)于時(shí)間和空間的傳統(tǒng)看法即絕對(duì)時(shí)空觀，并為辯證唯物主義的時(shí)空觀提供了充分的科學(xué)依據(jù)。愛因斯坦當(dāng)選“20世紀(jì)風(fēng)云人物”,實(shí)至名望所歸。相對(duì)論的建立，深刻地揭示出時(shí)間、空間、物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的19§5.2量子力學(xué)量子力學(xué)是研究微觀粒子如電子、原子、分子等運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論，它是現(xiàn)代物理學(xué)的又一重要基礎(chǔ)理論，極大地推動(dòng)著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展。如原子能技術(shù)的開發(fā)、激光的問世、大規(guī)模集成電路的建立等，無一不以量子理論為前提，同時(shí)。量子力學(xué)也對(duì)人們的哲學(xué)世界觀產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響，并為辯證唯物主義自然觀提供了重要的科學(xué)依據(jù)?！?.2量子力學(xué)量子力學(xué)是研究微觀粒子如電子、原205.2.1量子力學(xué)產(chǎn)生的歷史背景量子力學(xué)產(chǎn)生于19世紀(jì)末飄蕩在物理學(xué)晴朗天空中的另外一朵烏云即所謂的“紫外災(zāi)難”！物理學(xué)中為了研究物體的吸收和輻射的規(guī)律，構(gòu)造了一種理想模型，稱為黑體。它能百分之百地吸收輻射到它上面的電磁波，并且在同樣溫度下，它所發(fā)出的電磁波即熱輻射也比其他任何物體都強(qiáng)。5.2.1量子力學(xué)產(chǎn)生的歷史背景21自然界中沒有絕對(duì)的、真正的理想黑體，但人們可以構(gòu)造與黑體性質(zhì)相似的物體——一種只在表面上開一小孔的空腔：任何輻射進(jìn)入小孔后，在空腔內(nèi)進(jìn)行多次反射和吸收，很難再有機(jī)會(huì)從小孔射出，猶如輻射被完全吸收一樣。黑體輻射自然界中沒有絕對(duì)的、真正的理想黑體，但人們可以構(gòu)造與黑體性質(zhì)22

19世紀(jì)末熱輻射研究的根本問題是如何從理論上來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果所反映的熱輻射的特征。首先是德國的維恩得到的經(jīng)驗(yàn)公式，它在頻率高、溫度較低時(shí)與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符，而在低溫范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)顯著不同。后來，英國的瑞利和金斯又得到一個(gè)公式，它在低頻范圍、溫度較高時(shí)與實(shí)驗(yàn)值相符，在高頻范圍與實(shí)驗(yàn)差距甚大。維恩瑞利19世紀(jì)末熱輻射研究的根本問題是如何從理論上來解釋23經(jīng)典物理學(xué)因無法解釋這一現(xiàn)象而再次陷入困境，這一困難就稱為“紫外災(zāi)難”。經(jīng)典物理學(xué)因無法解釋這一現(xiàn)象而再次陷入困境，245.2.2量子力學(xué)的建立（一）量子假說的提出

1900年德國物理學(xué)家普朗克放棄經(jīng)典的能量均分原理，提出了“能量子”假說：

1.黑體的腔壁是由無數(shù)電諧振子組成的，這些諧振子不斷吸收和輻射電磁波并與腔內(nèi)輻射場交換能量。

2.這些諧振子具有的能量是分立的，它們只能是一個(gè)最小能量E的整數(shù)倍。當(dāng)振子與腔內(nèi)交換能量時(shí)，能量的改變值只能是E的整數(shù)倍，表示為公式即

En=nh(n=0,1,2,3,…)

式中n為量子數(shù)，h為普朗克常量，為頻率。5.2.2量子力學(xué)的建立25普朗克將這個(gè)不可分的能量最小單元稱為“能量子”或“量子”，稱En中每一個(gè)可能的能量狀態(tài)為一個(gè)量子態(tài)。這種不連續(xù)的能量狀態(tài)稱為“量子化”的狀態(tài)。普朗克提出的能量子假說,說明振子吸收和輻射能量的過程不是連續(xù)進(jìn)行的。而是以能量子的整數(shù)倍跳躍進(jìn)行的，從而揭示了微觀領(lǐng)域中的新的奧妙，并宣告了量子論的誕生。普朗克將這個(gè)不可分的能量最小單元稱為“能量子”或“26（二）光的波粒二象性的發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)最早是由赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)的，它指的是某些物體如金屬內(nèi)的電子由于光照而移出物體表面的現(xiàn)象。在光電效應(yīng)中，物體釋放出的電子稱為光電子，光電子運(yùn)動(dòng)形成的電流稱為光電流。赫茲光電效應(yīng)（二）光的波粒二象性的發(fā)現(xiàn)赫茲光電效應(yīng)27愛因斯坦提出“光量子”的概念來解釋光電效應(yīng)中的新現(xiàn)象。他假設(shè)光是以速度c在真空中運(yùn)動(dòng)著的微粒流，這些微粒稱為“光量子”或“光子”，每個(gè)光量子不僅具有能量E，而且也具有動(dòng)量p，光子的E和p與它相應(yīng)的光波的頻率ν和波長λ的關(guān)系為

E=hν

,p=h/λ

式中h為普朗克常量。愛因斯坦提出“光量子”的概念來解釋光電效應(yīng)中的新現(xiàn)28愛因斯坦的光量子假說被康普頓效應(yīng)所證實(shí)，光的粒子說終于得以復(fù)興。光既非經(jīng)典的粒子也非經(jīng)典的波：它有時(shí)表現(xiàn)出粒子性，有時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性，光的這種特性被稱為波粒二象性愛因斯坦的光量子假說被康普頓效應(yīng)所證實(shí)，光的粒子說終29（三）關(guān)于原子結(jié)構(gòu)問題的探索

1911年，英國的盧瑟福提出一個(gè)廣為人們接受的原子核式結(jié)構(gòu)模型，即認(rèn)為原子中帶正電的部分集中在原子的核心部分，稱為原子核；電子分布在原子核外，并繞原子核作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核式結(jié)構(gòu)（三）關(guān)于原子結(jié)構(gòu)問題的探索盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核式結(jié)構(gòu)30（四）物質(zhì)波概念的提出在人們認(rèn)識(shí)到光具有波動(dòng)和微粒的二象性之后，為了解釋一些經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象，法國物理學(xué)家德布羅意于1923年提出微觀粒子具有波粒二象性的假說。德布羅意認(rèn)為：正如光具有波粒二象性一樣，實(shí)體的微粒(如電子、原子等)也具有這種性質(zhì)，既具有粒子性也具有波動(dòng)性。

λ=h/mv

式中h為普朗克常量。這一公式是連接微觀粒子波粒二象性的普遍公式，稱為德布羅意公式。實(shí)物粒子的波稱為物質(zhì)波。（四）物質(zhì)波概念的提出在人們認(rèn)識(shí)到光具有波動(dòng)和微31德布羅意德布羅意波他提出了物質(zhì)波理論，預(yù)言電子波的衍射，這一假說不久就為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。獲1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1927年戴維孫和湯姆遜發(fā)現(xiàn)了晶體對(duì)電子的衍射和電子照射晶體的干涉現(xiàn)象，證實(shí)了德布羅意的預(yù)言，他們因此獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。德布羅意德布羅意波他提出了物質(zhì)波理論，預(yù)言電子波的衍射，這一32（五）量子力學(xué)的建立德國物理學(xué)家海森伯建立矩陣力學(xué)1925年，海森伯（1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）基于物理理論只處理可觀察量的認(rèn)識(shí)，充分利用了數(shù)學(xué)家創(chuàng)造出的先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具－矩陣論，和玻恩、約爾丹一起創(chuàng)建了另一種量子力學(xué)——矩陣力學(xué)。（五）量子力學(xué)的建立德國物理學(xué)家海森伯建立矩陣力學(xué)1925年33奧地利物理學(xué)家薛定諤創(chuàng)立波動(dòng)力學(xué)1925年，物理學(xué)家薛定諤把德布羅意的理論大大向前推進(jìn),建立了量子力學(xué)的波動(dòng)力學(xué)體系，加深了對(duì)微觀客體的波粒二象性的理解，為數(shù)學(xué)上解決原子物理學(xué)、核物理學(xué)、固體物理學(xué)和分子物理學(xué)問題提供了一種有力的理論工具。他于1933年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。奧地利物理學(xué)家薛定諤創(chuàng)立波動(dòng)力學(xué)1925年，物理學(xué)家薛定諤把34建立量子力學(xué)建立量子力學(xué)355.2.3量子力學(xué)的若干基本概念及其意義從形式上看，微觀粒子或其體系的各種物理量在量子力學(xué)中都被表示為一些符號(hào)性的算符，而我們對(duì)微觀粒子的某一可測力學(xué)量的描述，是通過從屬于某種力學(xué)量的算符的波函數(shù)Φ

及其本征值a

的可能取值來表達(dá)的。

波函數(shù)Φ

所能給出的只是粒子在力學(xué)量A

所展開的抽象的希爾伯特空間中某處出現(xiàn)的概率，根據(jù)量子力學(xué)的這種觀點(diǎn)，所謂物質(zhì)波實(shí)質(zhì)上是一種概率波。5.2.3量子力學(xué)的若干基本概念及其意義36海森伯提出的“不確定原理”或稱“測不準(zhǔn)關(guān)系”，實(shí)質(zhì)上代表了當(dāng)我們硬是企圖同時(shí)應(yīng)用這種互斥的經(jīng)典概念組時(shí)必須付出的代價(jià)。如在微觀世界中，人們不能用實(shí)驗(yàn)手段來同時(shí)準(zhǔn)確地測定微觀粒子的位置和動(dòng)量。

Δx

·Δp≥h

當(dāng)我們測定的粒子的坐標(biāo)越準(zhǔn)確即Δx

越小，則同時(shí)測得的粒子在這個(gè)坐標(biāo)方向上的動(dòng)量分量的準(zhǔn)確度就越差即Δp越大，反之亦然。海森伯提出的“不確定原理”或稱“測不準(zhǔn)關(guān)系”，實(shí)質(zhì)上37量子力學(xué)的建立，是20世紀(jì)物理學(xué)革命的重要內(nèi)容。在科學(xué)上，使人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)前進(jìn)一大步。在哲學(xué)上，進(jìn)一步揭示了連續(xù)性與間斷性、偶然性與必然性，以及決定論與因果律之間的辯證關(guān)系。量子力學(xué)的建立，是20世紀(jì)物理學(xué)革命的重要內(nèi)容。在38我們用20世紀(jì)著名的丹麥物理學(xué)家尼爾斯?玻爾的話結(jié)束本節(jié)內(nèi)容：

“誰如果在量子面前不感到震驚，他就不懂得現(xiàn)代物理學(xué)；同樣如果誰不為此理論感到困惑，他也不是一個(gè)好的物理學(xué)家?！蔽覀冇?0世紀(jì)著名的丹麥物理學(xué)家尼爾斯?玻爾的話結(jié)束本節(jié)內(nèi)39§5.3現(xiàn)代化學(xué)理論的發(fā)展5.3.1