1、 科学、技术与社会系列课程现代科学技术概论：物理学现代科学技术概论：物理学An Introduction to Modern Science and TechnologyAn Introduction to Modern Science and Technology：PhysicsPhysics19世纪末20世纪初的物理学革命 Physics Revolution in 19C-20C古典物理学的顶峰与物理学危机 The zenith and crisis of classical physics 19世纪末古典物理学大厦建成世纪末古典物理学大厦建成形成牛顿力学体系为中心，声学、热学、光学和电
2、形成牛顿力学体系为中心，声学、热学、光学和电磁学大一统，小到原子、大到宇宙天体的世界图景，磁学大一统，小到原子、大到宇宙天体的世界图景，使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。量子力学奠基人普朗克的老师约利就曾劝说普朗克量子力学奠基人普朗克的老师约利就曾劝说普朗克不要学习物理，因为不要学习物理，因为“这门科学中的一切都已经被这门科学中的一切都已经被研究了，只有一些不重要的空白需要被填补研究了，只有一些不重要的空白需要被填补”。大部分人认为，物理学大厦已经最终建成，剩
3、下的大部分人认为，物理学大厦已经最终建成，剩下的工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些。古典物理学的顶峰与物理学危机 The zenith and crisis of classical physics 19世纪末古典物理学大厦建成世纪末古典物理学大厦建成动力学理论断言，热和光都是运动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了显得黯然失色了 在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的19世纪乌云世纪乌云开尔文勋爵(Lord Kelvin)，1
4、900年物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds1886年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行探测光以太对于地球的漂移速度的实验，在人们当时的观念里，以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的“以太风”。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了，但是迈克尔逊和莫雷一连观测了数天，没有观测到以太的飘移速度，以失败告终。迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验的零结果莫雷实验的零结果 MichelsonMorley experiment 难以观测到以太的绝对运动，这便动摇了经典物理难
5、以观测到以太的绝对运动，这便动摇了经典物理学和经典时空观的基础学和经典时空观的基础物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100的理想物体。黑体辐射与紫外灾难黑体辐射与紫外灾难 Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是
6、一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，而实验数据是趋于零，这部分的严重偏离，被称为“紫外灾难”。物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds 黑体辐射与紫外灾难黑体辐射与紫外灾难 Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two cl
7、ouds迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验相对论相对论黑体辐射与紫外灾难黑体辐射与紫外灾难量子力学量子力学世纪之交的物理学Physics at the turn of century X射线：伦琴(Wilhelm Conrad Roentgen)放射性：居里夫妇(Marie and Pierre Curie)电子：汤姆孙(Joseph John Thomson)原子结构：卢瑟福(Ernest Rutherford)量子：普朗克(Max Planck)相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world
8、相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 第一篇论文发表在物理学年鉴第17卷132-148页，是关于光电效应的。当时人们已经发现，金属在光的照射下可以发射出电子。但奇怪的是，光的强度只与电子的多少有关，而不能使电子的发射能量变大。对这一点古典物理学无法解释。爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出的量子观点大胆推广，指出光是由一定能量的光量子组成。
9、正是这些光量子激发了金属内部的电子，而且，只有一定能量的光量子能被金属所吸收，并激发一定能量的电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理奖。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 第二篇论文发表在物理学年鉴第17卷549-560页，是关于布朗运动的。布朗运动是1827年英国植物学家布朗发现的显微镜下花粉颗垃的无规则运动，长期以来得不到解释。分子运动论建立之后，曾有人从大量分子无规则运动的观点解释布朗运动。但爱因斯坦第一个从数学上详尽地解决了这一问题。最伟大
10、的成就是第三篇论文论动体的电动力学，刊于物理学年鉴第17卷第89l-921页。在这篇论文中，爱因斯坦提出了他举世闻名的相对性理论即相对论。这是他多年来思考以太与电动力学问题的结果。他以同时性的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论。并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式。狭义相对论（1905，Special Relativity）：惯性参照系等价：同时性的相对性 光速不变 广义相对论（1913，General Relativity）：引力质量=惯性质量，等效原理 火箭实验(升降机实验)相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstruc
11、ting the picture of the world 相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：1.光速不变在所有惯性系中，真空中的光速都等于 299 792 458 m/s 2.惯性参照系等价：同时性的相对性在所有惯性系中，物理定律有相同的表达形式。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Spec
12、ial Relativity）：3.尺缩钟慢效应（length contraction and time dilation）尺缩：物体相对于观察者为静止时，该物体的长度测量值最大；当它相对于观察者运动时，在它的运动方向上，该物体的长度测量值要缩短，速度越快，缩短越多。钟慢：发生在运动物体上的过程，在静止的观察者看来都变慢了。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：3.双生子佯谬（Twin paradox）有一对双生兄弟，其中一个
13、跨上一宇宙飞船作长程太空旅行，而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后，我们发现他比他留在地球的兄弟更年青。但如果我们从宇宙飞船上的兄弟的角度去想这个问题，我们似乎会得出矛盾的结果：旅行者在宇宙飞船中会看到地球以高速离他而去，然后又高速回来。他可以认为他在地球上的兄弟才是移动时钟，所以是他的兄弟才会受时间膨胀所影响，而不是他自己。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：4.四维时空（4D space-time）经典力学中，时间
14、和空间是互不相干的两种实在。而在相对论中，时间坐标和空间坐标由洛伦兹变换紧密联系在一起，时间和空间实际上构成了一个存在紧密联系的不可分割的统一体。5.速度变换公式（Transformation of Velocities）21uvuu vc若u等于c时，公式为1，即为光速不变原理；若u和v极小于c，即为经典力学中的速度叠加公式。这也反映了相对论力学对经典力学的兼容。相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 狭义相对论（1905，Special Relativity）：6.质能方程（Mass-
15、energy equivalence）物体的质量随其运动速度增加而增加，根据质量是动量与速度之比，可以建立质量与能量之间的内在联系，即质能关系式：2E=mc相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the picture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：1905年爱因斯坦发表狭义相对论后，他开始着眼于如何将引力纳入狭义相对论框架的思考。以一个处在自由落体状态的观察者的理想实验为出发点，他从1907年开始了长达八年的对引力的相对性理论的探索。在历经多次弯路和错误之后，他于1915年11月
16、在普鲁士科学院上做了发言，其内容正是著名的爱因斯坦引力场方程。这个方程描述了处于时空中的物质是如何影响其周围的时空几何，并成为了爱因斯坦的广义相对论的核心。广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。相对论：世界图景的重建 Theory of relati
17、vity:reconstructing the picture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：等效原理认为引力质量和惯性质量是等同的，或者说，两个空间分别受到引力和与之等大的惯性力的作用，在这两个空间中从事一切实验，都将得出同样的物理规律。6.引力质量=惯性质量，等效原理（Equivalence principle）小球落到正在加速的火箭的地板上（左）和落到地球上（右），处在其中的观察者会认为这两种情形下小球的运动轨迹没有什么区别相对论：世界图景的重建 Theory of relativity:reconstructing the pi
18、cture of the world 广义相对论（1913，General Relativity）：6.引力质量=惯性质量，等效原理（Mass-energy equivalence）广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。广义相对论是爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。Einsteins Relativity and the Quantum Revolution
