[文学]第4讲 从爱因斯坦到霍金.ppt

第4讲 相对论的历史与哲学 危机之一:迈克尔逊—莫雷实验（1881-1887） 迈克尔逊 莫雷 物理学家 化学家 迈克尔逊：地球就像一艘没有摩擦力的船穿过海水一样穿过“以太” 。 C:游泳者的速度；V:水流速；L:距离 游泳者往返一次所需时间： 如果将游泳者换成光，地球的公转速度可以算出，v/c=1/10000.因此在地球上验证地球穿越以太的实验，其精度起码达到一亿分之一！ “零结果”！ 对这个实验结果只有两种可能的解释：要么以太随着地球一起运动（斯托克斯1846年的以太拖曳，基于1818年菲涅尔发现的光速在流水中的变化），而这就无法解释布拉德雷1728年发现的光行差现象（利用以太风理解恒星光的偏移）；要么根本没有以太这种东西。 迈克耳逊他们如实地报道了实验结果，但迈克耳逊没有意识到他们所做的实验给出的结果具有的重大意义，他称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为“神圣”的经典物理学的根基。迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。 危机之二： “放射性衰变” 1895年，德国实验物理学家伦琴发现X-射线。 (Wilhelm Reontgen, 1845-1923） 左图：伦琴夫人的手—世界第一张X-照片 8吨铀矿=1克镭 1898年7月，玛丽·居里（Marie Curie,1867-1934）夫妇发现钋（polonium），12月发现镭。两次获得诺贝尔奖！ 元素自行转变这违背了最基本的原子不变信念。原子不变性被打破就像物种不变性被打破一样，向科学提出了一个大难题。 危机之三：“光电效应” 1887年，赫兹发现，当用光照射某些物质时，能激发出电流，而且只有光波短于一定波长才会出现这种现象。如果波长大于一定的阈值，无论怎样增加光的强度也触发不出电流。 危机之四：“黑体辐射” “绝对黑体”（黑体）是在任何温度下都能全都吸收落在它上面的一切辐射的理想物体。根据经典物理学，可以得到：辐射的能量与频率的平方成正比。所以，当辐射频率极高时，能量必然趋于无穷大，即在紫色端发散。对于由经典物理学解决热辐射问题导致的这一结果，被称为“紫外灾难”。 “数学物理当前的危机” 物理学的新发现已经推翻了物理学过去建立起来的基本原理：放射性和镭的永恒发热的发现，推翻了能量守恒定律；电子电磁质量随速度而变化的发现，推翻了质量守恒定律，“以太漂移”实验的否定结果，推翻了伽利略相对性原理；电磁作用以有限速度传播，使电荷体之间的相互作用违反了牛顿第三定律。 —彭加勒《科学的价值》 “危机”的重大意义 第一，破除了物理学已经臻于完善的思想，发现了物理学发展的新的生长点。 第二，暴露了经典物理学的局限性，冲击和动摇了经典物理学中一系列的基本概念和基本规律。 第三，给当时占统治地位的形而上学机械论自然观以巨大的冲击，引起了人们自然观念的巨大变革。 一、爱因斯坦与相对论 是一个天才吗？ 爱因斯坦出生于德国乌尔姆的犹太人家庭，幼年迁居慕尼黑。1894年他父亲经商失败后去了米兰，爱因斯坦留在慕尼黑完成中学学业，但他的功课如拉丁文和希腊文很差，他只对数学感兴趣，所以老师劝他退学，并对他说：“爱因斯坦，你永远不会有多大前途。”这样这位后来要登上科学史上的最高峰的年青人中途退学了。 特立独行 1896年爱因斯坦放弃了德国国籍，在瑞士苏黎世工业大学学习。他自己有一套独特的学习和阅读19世纪伟大物理学家著作的方法，并以此代替听课。他的老师，著名物理学家韦伯：爱因斯坦，你是一个非常聪明的学生，但你最大的缺点，那就是不接受别人教你的东西！ 牛顿力学的成功使近距作用退隐 ? 在十八世纪末，超距作用成了欧洲大陆的电学家们牢固的思想基础，安培，韦伯和诺伊曼一直用这种观点概括电荷之间的作用力。 ? 在韦伯的理论（1846）中，电力是沿电荷连线传递的超距作用；电力公式形式上统一了静电库仑力，运动电荷的安培力，加速电荷的法拉第电磁感应力。 ? 诺伊曼理论（1845）引入了随着电流变化与线圈运动变化的矢势，从得出感应电动势。某处电流的变化，或线圈位置的移动，立即引起整个空间矢势的时间变化，而无需传播时间。 而爱因斯坦倾向于法拉第-麦克斯韦的电磁场论。 专利局的小职员 1900年8月，爱因斯坦如释重负的以“优异”成绩从大学毕业。1901年苏黎世大学却拒绝授予他博士学位—爱因斯坦感到整个科学界联合起来排斥他。他的大学好友格罗斯曼将他推荐给伯尔尼专利局。爱因斯坦很满意—薪水高、有闲暇：可以有充裕的时间继续自己的“构想”。 1903年爱因斯坦和几位好友