新物理学革命—20世纪的科学.ppt

本 章 目 录 世纪之交的物理学革命 物理学家们认为，电磁传播的媒介是以太。问题在于以太具有什么样的物理性质。比如，它有重量吗？它对物体的运动会产生阻力吗？它的密度有多大？这些问题都非常难于回答。 实验设计无可挑剔，仪器灵敏度至今令人叹服。用这样的精密仪器可以测得一根条纹的百分之一的移动变化。他们在一年四季、一天的白昼和夜晚都进行观测，都未观测到预期的条纹移动。实验结果迫使人们作出非此即彼的选择：要么地球不在运动；要么根本就没有以太这种东西。 发现α射线 基本假定： 1、广义相对性原理（物理定律在一切参考系中是平权的） 2、等效原理（惯性质量和引力质量相等，已经实验严密证实） 几个推论： 1、引力的实质 = 时空弯曲 2、引力场方程 — 宇宙学方程 2、引力红移 一切物体在引力场附近时，都不可能走直线，因为引力的作用要使它们的轨道偏向引力源。根据等效原理可以判断， 光在引力场中传播时， 也会有类似的现象。 1900年，德国物理学家普朗克(1858—1947)采用拼凑的办法，得出了一个在长波和短波均与实验相吻合的公式。但该公式的理论依据尚不消楚。 最靠近地球的大引力场是太阳引力场。爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面，将会发生一点七秒的偏转。这个预言很难验证，因为大白天太阳太亮，看不到星光。晚上能看到星光，太阳又下山了。但也有机会，那就是日全食的时候。 1919年5月29日，英国人派出两支远征队，一支到非洲西部的普林西比岛，另一支到南美的索布腊尔，两支队伍不久就带回了日全食时的太阳照片，经反复核对和比较，最终结论是，星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。 3、引力场使光线偏转 1919年11月6日，皇家学会和皇家天文学会正式宣读了两支队伍的观测报告，确认了广义相对论的正确性。 当时的皇家学会会长汤姆 逊致词说：”爱因斯坦的相对论 是人类思想史上最伟大的成就 之一，也许就是最伟大的成就。 它不是发现一个孤岛，而是发 现了新的科学思想的新大陆。” 爱因斯坦、洛仑兹与爱丁顿在一起 相对论的诞生，革新了物理科学的基本概念框架。相对论革新了世界图景，世界图景不再是“筐子装东西”式的“时空+物质”模式。由于时空与物质及其运动之间发生了关联，世界图景成了“时空—场—物质—流形”。物质运动与时间、空间成为一体。 相对论在时空观方面的革命完全奠基于对希腊古典科学精神的再度弘扬。这种精神就是对世界普遍性的追求，对宇宙和谐的追求，对数学简单性的追求。 狭义相对论中，“光速不变原理”起到重要作用，它的功能在于统一电动力学与牛顿力学。 广义相对论中，“等效原理”即引力场与加速系的等效是一个关键。它的功能也是为物理学的大统一奠定基础，广义相对论第一次阐述了四维时空和物质的分布相联系的重要思想。 可以说，为物理学奠定新的统一的概念基础是相对论的最重要贡献，也是它导致物理学革命的主要原因。 狭义相对论发表100周年， 也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛， 但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变。 狭义相对论著名公式，是释放原子能的理论依据。 爱因斯坦关于相对论的比喻 为了通俗说明这一深奥理论，爱因斯坦曾风趣地对一名男青年说：“比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱，同样的时间你觉得哪一个更长？”男青年说：“当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。”爱因斯坦说：“这就是我的相对论内容。” 这个故事形象说明了时间和空间的相对性。 “在我们这一时代的物理学史中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是，将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说，他究竟是同牛顿一样伟大，还是比牛顿更伟大；不过，可以肯定地说，他的伟大是可以同牛顿相比拟的。按照我的见解，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，更加深刻地进入了人类思想基本概念的结构中。” 法国物理学家朗之万在1931年对爱因斯坦作出的评价 1930年爱因斯坦访问美国，1940年成为美国公民。 1915年—1917年的3年中，是爱因斯坦科学成就的第2个高峰，他在三个不同领域中分别取得了历史性成就。 1915年建成了人类思想史中最伟大成就之一的广义相对论， 1916年在辐射量子方面提出引力波理论， 1917年又开创了现代宇宙学。 在专利局工作的爱因斯坦 爱因斯坦（右）和两位年轻朋友组成“奥林比亚科学院” 爱因斯坦和他的妹妹在一起 14岁的爱因斯坦 德拜1936年诺贝尔化学奖