現(xiàn)代自然科學-物理學.ppt

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第四章現(xiàn)代自然科學的發(fā)展,第一節(jié)現(xiàn)代物理學的發(fā)展,本節(jié)要點,第一朵烏云：以太漂移實驗,開爾文所稱第一朵烏云指的是以太漂移實驗。物理學家們認為，電磁傳播的媒介是以太。問題在于以太將具有什么樣的物理性質(zhì)。比如，它有重量嗎?它對物體的運動會產(chǎn)生阻力嗎?它的密度有多大？對這些問題都非常難于回答。,邁克爾遜莫雷實驗,第二朵烏云黑體輻射與“紫外災(zāi)難”,在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領(lǐng)比較強，比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80左右。所謂“黑體”是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100的理想物體。,普朗克公式-與實驗吻合很好,瑞利一金斯公式:-紫外災(zāi)難,“紫外災(zāi)難”,英國物理學家瑞利和物理學家、天文學家金斯認為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利一金斯公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，而實驗數(shù)據(jù)是趨于零，這部分的嚴重偏離，被稱為“紫外災(zāi)難”。,“紫外災(zāi)難”,“紫外災(zāi)難”無可懷疑地表明經(jīng)典物理學理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經(jīng)典物理學的“災(zāi)難”。無怪乎凱爾文要把它說成是經(jīng)典物理學晴朗天空上的兩朵烏云之一。,1.發(fā)現(xiàn)光,1895年，物理學家倫琴在探索陰極射線本性的研究中，意外發(fā)現(xiàn)了X光。X光的發(fā)現(xiàn)，不僅揭開了物理學革命的序幕，也給醫(yī)療保健事業(yè)帶來了新的希望。倫琴因此成為第一個諾貝爾物理學獎得主。,2.發(fā)現(xiàn)放射性,在對X光的研究中，物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)只要有鈾元素存在，就有貫穿輻射產(chǎn)生，由此證明，發(fā)射這種射線是鈾原子自身的作用。1903年，貝克勒爾與皮埃居里和居里夫人因發(fā)現(xiàn)放射線榮獲諾貝爾物理學獎。,1911年，她因發(fā)現(xiàn)兩種新元素而再度獲諾貝爾獎。這一次是化學獎。化學家們終于承認了居里夫人的工作。她成了第一位兩次獲諾貝爾獎殊榮的人物。,發(fā)現(xiàn)射線,盧瑟福1898年發(fā)現(xiàn)鈾和鈾的化合物所發(fā)出的射線有兩種不同類型：一種是極易吸收的，他稱之為射線；另一種有較強的穿透能力，他稱之為射線。后來法國化學家維拉爾又發(fā)現(xiàn)具有更強穿透本領(lǐng)的第三種射線射線。,3.發(fā)現(xiàn)電子,電子是在研究陰極射線的本質(zhì)過程中得到的，陰極射線究竟是什么？物理學家湯姆遜設(shè)計了一個巧妙的實驗裝置，證實了陰極射線是由帶負電荷的粒子組成的，并推算出其質(zhì)量和電荷比值,十九世紀末的物理學危機,在世紀交替時，經(jīng)典物理學領(lǐng)域中，幾乎所有的原理、基本概念都受到懷疑和重新審查，如物質(zhì)的不滅性、能量守恒性、原子的不可分割和不變性、時空的絕對性、運動的連續(xù)性。,在伯爾尼專利局的歲月里，愛因斯坦廣泛關(guān)注著物理學界的前沿動態(tài)，在許多問題上深入思考，形成了自己獨特的見解。1905年是科學史上值得記取的一年，這一年中，愛因斯坦在德國物理學年鑒發(fā)表了五篇論文，其中的三篇每篇均屬劃時代的成就。,21,一篇論文發(fā)表在物理學年鑒第17卷第132148頁，是關(guān)于光電效應(yīng)的。第二篇論文發(fā)表在物理學年鑒第17卷第549560頁，是關(guān)于布朗運動的。最偉大的成就是第三篇論文論動體的電動力學，刊于物理學年鑒第17卷第891921頁。在這篇論文中，愛因斯坦提出了他舉世聞名的相對性理論即相對論。,論動體的電動力學，刊于物理學年鑒第17卷第89l一921頁。,以太概念不再是必要的，以太漂移問題也不再存在。如果邁克爾遜的實驗導致了零結(jié)果，那么它正是一次成功的實驗，證明所謂以太漂移根本就是虛幻的。,何謂同時性的相對性？不同地點的兩個事件我們何以知道它是同時發(fā)生的呢？這個問題看似平常，卻至關(guān)重要。,設(shè)AB兩地各發(fā)生了一個事件(如發(fā)生了一次閃光)，在AB的中點C處的觀察者，由AB兩地發(fā)來的光信號同時到達這一點，推測兩事件是同時發(fā)生的。按定義，它也的確是同時發(fā)生的，因此地面上的每一位靜止的觀察者均會同意。,A,C,B,但一個由A向B運動的觀察者卻不同意，因為也是在C點，他卻發(fā)現(xiàn)B點的閃光先于A點到達，按定義，B事件先于A事件，它們是不同時的。也就是說，同時性不是絕對的，而取決于觀察者的運動狀態(tài)。這一結(jié)論否定了牛頓力學所引以為基礎(chǔ)的絕對時間和絕對空間框架。,A,C,B,狹義相對論的理論體系,基本假定：1、狹義相對性原理（物理定律在一切慣性參考系中是平權(quán)的）2、光速不變原理（真空中光速不因光源的運動而變，永遠是30萬公里/秒，即邁克爾遜莫雷的實驗結(jié)果）,狹義相對論的理論體系,幾個推論：1、鐘慢效應(yīng)(已被實驗證實）2、尺縮效應(yīng)（無法在實驗中證實）3、光速是物質(zhì)運動的極限速度4、相對論力學還可以還原為牛頓力學（低速時）質(zhì)量可變、質(zhì)能關(guān)系式E=MC2（原子彈爆炸）,鐘慢效應(yīng),尺縮效應(yīng),光速不變原理,質(zhì)量可變,雙生子宇航悖論,35,假定有一對孿生兄弟，其中的一個要以接近于光速(為了充分顯示相對論效應(yīng))的速度做一次宇宙航行，按照相對論效應(yīng)，呆在地球上的那位就會發(fā)現(xiàn)其兄弟生命周期放慢，比如，自己活了10年，對方才過了1年。當然，按照相對論，在宇宙飛船上的那位，也會發(fā)現(xiàn)呆在地球上的兄弟生命周期放慢，因為在他看來，地球以一個與飛船速度相等的速度反向運動?，F(xiàn)在假定，宇航結(jié)束了，兩兄弟又相遇在一起了，那么他們究竟誰更老、誰更年輕?,正在人們忙于理解狹義相對論時，愛因斯坦正接近完成廣義相對論。1916年，愛因斯坦在老同學格羅斯曼的幫助下，運用黎曼幾何完成了廣義相對論的最終形式。在這個理論中，引力是被考慮的主要問題。,狹義相對論與牛頓的萬有引力理論實際上存在矛盾。在牛頓看來，引力是即時作用，引力場就像是一個絕對時空的載體。這種看法為時空的相對性觀念所不容。愛因斯坦將相對性原理推廣到引力場中，指出引力場就相當于一個非慣性系。人們對一個物體是正被加速，還是正處在引力場中原則上無法做出區(qū)分。這一原則被稱為等效原理。慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等是等效原理的一個自然的推論。,愛因斯坦等效原理思想實驗,廣義相對論還指出，由于有物質(zhì)的存在，空間和時間會發(fā)生彎曲，引力場實際上是一個彎曲的時空。也就是說，牛頓提出了萬有引力，而愛因斯坦事實上取消了它：引力的本質(zhì)是沒有引力，宇宙中無處不在的引力其實不是引力，而是時空的彎曲！在彎曲的宇宙時空中，天體只能沿路程最短的短程線運動，投射到歐幾里的空間中，就呈現(xiàn)出橢圓形的運動軌道。,空間彎曲就好像把一塊石子放在橡皮模上石子=重力橡皮模=彎曲的空間,時空幾何量=物質(zhì)的物理量,時空幾何量=物質(zhì)的物理量（時空度規(guī)張量）(能量動量張量),廣義相對論的理論體系,基本假定：1、廣義相對性原理（物理定律在一切參考系中是平權(quán)的）2、等效原理（慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，已經(jīng)實驗嚴密證實）,廣義相對論的理論體系,幾個推論：1、引力的實質(zhì)=時空彎曲2、引力場方程宇宙學方程,幾個實驗驗證預(yù)言,1、水星近日點的進動,廣義相對論首先解釋了水星近日點的進動。這個進動被曾經(jīng)預(yù)測海王星的法國天文學家勒維列用行星攝動方法來解釋，他推測水星附近存在一個新的行星“火神星”?？墒窃S多年過去了，誰也沒有發(fā)現(xiàn)什么“火神星”。愛因斯坦用太陽引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點進動中無法解釋的43秒。,2、強引力場會使時鐘變慢，即會使原子的振動變慢，光的頻率變低，光譜紅移；,廣義相對論的第二大預(yù)言是引力紅移，即在強引力場中光譜應(yīng)向紅端移動。20年代，天文學家在天文觀測中證實了這一點。,3、引力場會使光線偏折,光線彎曲,一切物體在引力場附近時，都不可能走直線，因為引力的作用要使它們的軌道偏向引力源。根據(jù)等效原理可以判斷，光在引力場中傳播時，也會有類似的現(xiàn)象。,一束通過太陽表面附近引力場的星光，偏轉(zhuǎn)角只有1.75，當沒有太陽時，星光以直線傳到我們的地球，但當太陽出現(xiàn)在星體與地球之間時，光線發(fā)生彎曲，我們將看到星體的位置移動到虛線的方向即如圖84所示。,1919年以后，幾乎每逢有便于進行觀測的日全食時。各國的天文學家都要做這個光線彎曲的實驗。下表中列出各次觀測的主要結(jié)果。,近年來射電天文學的定位技術(shù)大大提高，分辨率超過了光學。因此檢驗光線彎曲的精度也大大提高了?？汕桑磕耆?、四月間太陽要在射電源011608附近通過一次（見圖8-5）。011608與011911及011102三個射電源幾乎構(gòu)成一條直線。而當太陽通過011608附近時，它們的相對位置將要發(fā)生變化。用這種方法得到的光線彎曲值是1.775土0.019。,4、雷達回波的延遲,1964年夏皮羅等提出了一個光在引力場中傳播的新的可以檢驗的效應(yīng)。夏皮羅從地球上利用雷達發(fā)射一束電磁波脈沖，這些電磁波到達其它行星之后，將發(fā)生反射，然后再回到地球，被雷達接收到。我們可以測出來回一次的時間，并對比兩種不同的情況，一種是電波來回的路程遠離太陽。這時太陽的影響可以不計；一種是電波來回的路程要經(jīng)過太陽附近，受到引力場的作用。后一種情況的回波要比前者延遲一些，這就是太陽引力場感應(yīng)的傳播時間的加長，或叫做雷達回波的延遲。,相對論革新了世界圖景。世界圖景不再是”筐子裝東西”式的“時空+物質(zhì)”模式。由于時空與物質(zhì)及其運動之間發(fā)生了關(guān)聯(lián)，世界圖景成了”時空場物質(zhì)流形”。經(jīng)典物理學中時空與物質(zhì)之間的二分消解了，物質(zhì)運動與時間空間成為一體。,量子理論的提出：普朗克、愛因斯坦,1900年德國物理學家普朗克(18581947)采用拼湊的辦法，得出了一個在長波和短波部分均與實驗相吻合的公式。但該公式的理論依據(jù)尚不消楚。,普朗克公式-與實驗吻合很好,瑞利一金斯公式:-紫外災(zāi)難,對黑體輻射的研究發(fā)現(xiàn)了一些經(jīng)驗定律。第一個定律是：黑體的輻射能力，即它每秒以電磁輻射的形式發(fā)射的能量，正比于它的溫度四次方：（WT4）這個定律是斯蒂芬（J.Stefanl8351892）和玻耳茲曼（L.Boltzmannl8441906）發(fā)現(xiàn)的。,第二個定律是：隨著黑體溫度T的升高，它所發(fā)射的輻射最強的波長將要變短，即向光譜的紫色區(qū)移動。此定律稱為維恩位移定律（mT0.2898厘米K）。1896年維恩（W.Wienl8641928）根據(jù)熱力學，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)湊出一個輻射能譜公式，在短波區(qū)幾乎與實驗完全符合。,1900年英國物理學家瑞利（L.J.W.Rayleighl8421919）從經(jīng)典理論中推導出一個輻射公式，后經(jīng)金斯（J.H.Jeansl8771946）改進，合稱瑞利金斯定律：熱物體輻射強度正比于它的絕對溫度，而反比于這個發(fā)射光線波長的平方。但是這個公式只在可見光譜的長波部分才能很好地與實驗符合，當波長變短時，這個公式就失效了。,普朗克公式-與實驗吻合很好,瑞利一金斯公式:-紫外災(zāi)難,從瑞利金斯公式得出：波長越短，熱輻射強度應(yīng)越大，并且隨著波長的縮短，輻射強度應(yīng)無止境地增大，這顯然是荒謬的。這個公式在紫區(qū)出了問題，被稱為“紫外災(zāi)難”；而瑞利金斯公式是完全根據(jù)經(jīng)典物理學推導出來的，因此，“紫外災(zāi)難”實際上也是整個經(jīng)典物理學的“災(zāi)難”，這就是開爾文把它看成是物理學天空中的一朵“烏云”的原因。,1900年普朗克為了與實驗數(shù)據(jù)符合，在維恩公式和瑞利金斯公式之間利用內(nèi)插法建立了一個普遍公式。其中引入了一個常數(shù)h，后來被稱為普朗克常數(shù)。普朗克公式把前兩個公式作為它的極限情形。普朗克公式同實驗符合得很好，在高頻區(qū)普朗克公式近似地化為維恩公式，而在低頻區(qū)又近似地化為瑞利金斯公式。1900年10月19日他在德國物理學會上報告了自己的成果，普朗克公式被認為是正確的普遍公式。,+,=,普朗克公式-與實驗吻合很好,瑞利一金斯公式:-紫外災(zāi)難,普朗克認為這個公式必能從某些理論中推導出來，經(jīng)典物理學的所有理論和方法他都試過了，但都失敗了。他從失敗中認識到這個公式不能單純從經(jīng)典理論中推導出來，只要做一個簡單的假設(shè)，一切問題就會迎刃而解。他注意到在過去的理論中器壁上的分子原子被看作吸收電磁波的“振子”，在能量上可以連續(xù)地變化，就是說電磁波和振子之間的能量交換，可以無限制地減少或增大，正是這一假設(shè)導致了“紫外災(zāi)難”。,普朗克發(fā)現(xiàn)，只要假定物體的輻射能不是連續(xù)變化，而是以一定的整數(shù)倍跳躍式地變化，就可以對該公式做出合理的解釋。普朗克將最小的不可再分的能量單元稱做“能量子”或“量子“。,1900年12月14日普朗克在德國物理學會上報告了自己的研究結(jié)果，他的公式受到歡迎，但他的能量子假說，卻受到冷遇，當時沒有人相信他的假說。能量子假說的提出，給經(jīng)典物理學打開了一個缺口，為量子物理學安放了一塊奠基石，宣告量子物理學的誕生。,1905年，愛因斯坦提出光量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)；1906年，他又將量子理論運用到固體比熱問題，獲得成功；1912年，玻爾將量子理論引入到原子結(jié)構(gòu)理論中，克服了經(jīng)典理論解釋原子穩(wěn)定性的困難，建立了他的原子結(jié)構(gòu)模型，取得了原子物理學劃時代的進展；1922年，康普頓通過實驗最終使物理學家們確認光量子圖景的實在性，從而使量子理論得到科學界的普遍承認。,面對量子論的發(fā)展與成功，以及科學界的批評，普朗克最終放棄了倒退的立場。1920年，在諾貝爾獎頒獎儀式上，他作了題為量子理論的創(chuàng)立和當前的發(fā)展狀況的演講，演講中他說：“我覺得整個的發(fā)展過程似乎是為歌德在很久以前所說的一句名言提供了一個新的證明，這句名言是：人要奮斗就要有錯誤?！?第一個意識到量子概念的普遍意義，并將其運用到其他問題上的是愛因斯坦。他建立了光量子論以解釋光電效應(yīng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象。他指出：關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的瞬時現(xiàn)象，波動論的結(jié)論同經(jīng)驗不相符；要解釋這類現(xiàn)象，只能假設(shè)光是由能量子所組成，即光量子，以后人們稱其為光子。這是人類認識自然界歷史上第一次揭示了微觀客體的波動性和粒子性的對立統(tǒng)一，即波粒二象性。,光量子論的提出使光的本性的歷史爭論進入了一個新的階段。自牛頓以來光的微粒說和波動說此起彼伏。愛因斯坦的理論重新肯定了微粒說和波動說對于描述光的行為的意義。它們均反映了光的本質(zhì)的一個側(cè)面，因為光的確有時表現(xiàn)出波動性，有時表現(xiàn)出粒子性。但它既非經(jīng)典的粒子也非經(jīng)典的波。這就是光的波粒二象性。主要由于愛因斯坦的工作，使量子論在最初的十年得以進一步地發(fā)展。,量子力學的建立者：玻爾、德布羅意、海森伯薛定格、狄拉克,玻爾,1913年，丹麥物理學家尼爾斯亨利克大衛(wèi)玻爾（18851962)，哥本哈根學派的創(chuàng)始人。將量子理論與盧瑟福行星結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合，提出了原子結(jié)構(gòu)新理論，即玻爾模型。,1923年，法國物理學家路易德布羅意(18921987)提出了物質(zhì)波理論，將量子論發(fā)展到一個新的高度。,愛因斯坦一德布羅意關(guān)系式,1925年，德國青年物理學家海森伯(19011976)寫出了以關(guān)于運動學和力學關(guān)系的量子論的重新解釋為題的論文創(chuàng)立了解決量子波動理論的矩陣方法。,沿著物質(zhì)波概念繼續(xù)前進并創(chuàng)立了被動力學的，是奧地利物理學家薛定諤(18871961)。1926年推出的波動方程與實驗證據(jù)非常吻合。波動力學就此誕生了。,1925年9月玻恩與另一位物理學家約丹合作，將海森伯的思想發(fā)展成為系統(tǒng)的矩陣力學理論。在英國，另一位年輕人狄拉克(19021984)改進了矩陣力學的數(shù)學形式，使其成為一個概念完整、邏輯自治的理論體系。,量子力學更激烈地改變了世界圖景的構(gòu)造。如果說相對論只是把時空框架與物質(zhì)運動融為一體，還保留了牛頓力學固有的嚴格決定論的數(shù)學微分方程，保留了因果律，那么這一切在量子世界圖景中都或多或少地遭到了破壞。,物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第一層次原子結(jié)構(gòu)模型,1911年，湯姆孫的學生盧瑟福根據(jù)散射實驗的結(jié)果，確立了原子的有核結(jié)構(gòu)，并提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型。,物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第二層次微觀粒子,人們通過進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的。微觀世界中除了質(zhì)子、中子、電子這3種微觀粒子外，還有幾百種微觀粒子，各種微觀粒子都有反粒子。1931年狄拉克提出“正電子”就是電子的反粒子，它們的質(zhì)量相等，電荷相反，同時狄拉克還指出質(zhì)子也有反粒子，這些都為實驗所證實。微觀粒子之間存在著4種基本的相互作用，即引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。,根據(jù)相互作用的特點，按照各種基本粒子參與各種相互作用的性質(zhì)，可以將基本粒子分為3大類。,物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第三層次夸克模型,1964年蓋爾曼對微觀粒子結(jié)構(gòu)進行了深入研究，提出了強子結(jié)構(gòu)的夸克模型，認為所有強子(重子、介子及它們的反粒子)都是由夸克和反夸克組成。1974年美籍華人科學家丁肇中與美國科學家里克特分別發(fā)現(xiàn)了一種大質(zhì)量的電中性介子J粒子，并證明它是具有“粲”特性的第4種夸克c。1977年7月費米實驗室又發(fā)現(xiàn)一種質(zhì)量更大的粒子，于是提出第5種夸克b。1995年3月，t夸克的發(fā)現(xiàn)得到認定。,以上共60余種基本粒子構(gòu)成的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)圖像被稱為“標準模型”，1990年8月在新加坡召開的第25屆高能物理會議上，總結(jié)當時多方面實驗得到的結(jié)論是：“標準模型理論令人注目地成功地經(jīng)受了實驗的檢驗，超出標準模型理論的實驗結(jié)果一個也沒有得到?！边@一結(jié)論時至今日沒有改變。,TheEnd,