浙大課件——物理學與人類文明

1、葉高翔、葉高翔、盛正卯盛正卯浙江大學物理系浙江大學物理系2005年年3月月Z物理學與人類文明w 第一章 經(jīng)典物理學 w 第二章 量子物理學w 第三章 量子力學 現(xiàn)代高科技的基石之一w 第四章 相對論與現(xiàn)代時空觀相對論與現(xiàn)代時空觀 w 第五章 宇宙之磚 物質(zhì)結(jié)構(gòu)w 第六章 膨脹著的宇宙w 第七章 簡單性與復(fù)雜性的奇遇 非線性物理簡介w 第八章 物理學在未來科技和社會 中的作用 Developing Theories The goal of theory is to integrate as many observations of nature as possible under one con

2、ceptual umbrella2004年9月3日，著名華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授楊振寧教授在北京人民大會堂召開的 “2004文化高峰論壇”上，以“易經(jīng)對中華文化的影響”為題作了報告。提出觀點稱“易經(jīng)影響了中華文化的思維方式，而這個影響是近代科學沒有在中國萌芽的重要原因之一”。 第二、易經(jīng)是漢語成為單音語言的原因之一。第三、易經(jīng)影響了中華文化的審美觀念。楊振寧：楊振寧：“天人合一天人合一”和推演法的欠缺阻礙科學誕生和推演法的欠缺阻礙科學誕生楊振寧把近代科學沒有在中國萌生的原因放在他論題的首位。原因歸結(jié)為五點：第一，中國的傳統(tǒng)是入世的，不是出世的。 換句話就是比較注重實際的，不

3、注重抽象的理論架構(gòu)。第二，科舉制度。第三，觀念上認為技術(shù)不重要，認為是“奇技淫巧”。第四，中國傳統(tǒng)里面無推演式的思維方法無推演式的思維方法。第五，有天人合一的觀念。楊振寧認為，其中第四點和第五兩點跟易經(jīng)有著密切的關(guān)系。w 中國的傳統(tǒng)是入世的，不是出世的例子之一是天文學。w 直到18世紀、19世紀中國大部分人還認為大地是平的。w Anaximander（BC 610-545)等認為地是薄薄的圓片，漂浮在空氣的旋渦里，孤立在球狀宇宙的中心。w Pythagoras (BC580-500)等，首先發(fā)現(xiàn)地是球形的。 方法1：出去的船在地平線處桅桿隱沒。 方法2：人向南行，南天的星上升， 北天 的星下沉

4、。 第四章 相對論與現(xiàn)代時空觀相對論與現(xiàn)代時空觀4.1 狹義相對論的創(chuàng)立狹義相對論的創(chuàng)立 4.2 狹義相對論的基本原理狹義相對論的基本原理4.3 狹義相對論的主要結(jié)論狹義相對論的主要結(jié)論4.4 新引力理論新引力理論-廣義相對論廣義相對論4.5 廣義相對論的主要結(jié)論廣義相對論的主要結(jié)論4.6 廣義相對論的一些預(yù)言廣義相對論的一些預(yù)言4.7 相對論的一些實驗驗證及實際應(yīng)用相對論的一些實驗驗證及實際應(yīng)用4.8 相對論的時空觀相對論的時空觀Albert Einstein in 19164.1 狹義相對論的創(chuàng)立狹義相對論的創(chuàng)立w 牛頓認為光是由微粒構(gòu)成的，18世紀人們普遍接受了他的結(jié)論。w 19世紀卻積

5、累了大量的證據(jù)支持光是一種波的說法。w 1873年麥克斯韋建立的電磁理論指出光是一種電磁波。w 光波是靠什么作為傳播媒介的呢？w 它是無孔不入、無處不在的傳播媒質(zhì)“以太”嗎？vvu0u 5米秒v020米秒vvu025米秒“以太”的漂移v0460米秒A點接收到的光速為vcv0B點接收到的光速為vcv0邁克爾遜-莫雷實驗始終得到否定的結(jié)論邁克爾遜-莫雷實驗4.2 狹義相對論的基本原理狹義相對論的基本原理 4.2.1 光速不變原理光速不變原理光在不同介質(zhì)中的傳播速度是可以不一樣的4.2 狹義相對論的基本原理狹義相對論的基本原理4.2.2 相對性原理相對性原理 乘坐的火車仃在車站上時，有一列原仃靠在相

6、鄰鐵軌上的火車向后駛離車站，您卻覺得自己所乘坐的列車向前開動了相對性原理相對性原理伽利略在關(guān)于兩個世界體系的對話一書中，借主人翁塞爾維亞蒂之口闡述道：“你和你的朋友被關(guān)進大船甲板下的主艙里，里面還有幾只蒼蠅、蝴蝶 和其他小飛蟲，魚缸里還有幾條魚。然后，將一只水瓶倒掛，讓瓶里的水一滴一滴地滴進下邊的水罐里。船不動時，小飛蟲向著艙內(nèi)各個方向自由飛行，魚向各個方向自由游動，水滴滴進罐子。你扔東西給你的朋友，只要距離相等，向這個方向不比向另外一個方向用更多的力。你雙腳齊跳，不論向哪個方向跳的距離都一樣。當船以任何速度向任何方向勻速前進，你會發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象沒有絲毫變化。你無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船

7、是在運動還是靜止不動。即使船開得很快，你向船尾跳也不會比向船頭跳得更遠；不論你的朋友在船尾還是在船頭，扔東西給他所用的力還是相同；水滴仍然進下面的罐子，盡管水滴在空中時，船已向前運動了 ”4.3 狹義相對論的主要結(jié)論狹義相對論的主要結(jié)論 4.3.1 同時的相對性同時的相對性 w 在車廂上同時發(fā)生的兩件事，在地面上看來并不同時發(fā)生。w 同時性具有相對性。w 既然同時性是相對的，為什么時間一定是絕對的呢？0/ 2cthct12斜邊為()()()ctctvt1212122022w 民間有一種說法，天上一天人間一年w 乘坐0.99996247倍光速宇宙飛船航行,則宇航員的一天,在地球上的人們看來就相當

8、于一年。w 為什么我們在乘坐飛機、火車時沒有感覺到時間延緩？因為速度相對于光速來說太小了w 乘3倍聲速的超音速飛機，一百年后，時間也只延長了0.015秒ttvc02214.3.3 長度縮短長度縮短 clt002lv tc t11tlcv1lv tc t22tlcv2llvc0221220220222221121122)11(cvclcvtcvclvclcvcvcltttllvc0221 表明空間也是相對的，在不同參照系有不同的空間結(jié)構(gòu)。 在一個參照系看物體是一個正方體，在另一個參照系可能是長方體；在一個參照系是球形，在另一個參照系卻是扁球形的。 表明物體的形狀是相對的。 SSu11tuLtv

9、P F 所化時間為 ， F D所化時間1t2t22tuLtc 4.3.4 相對論的速度疊加關(guān)系：ucLt20000000)(/cvvcLcLvLt)()(122021ucuvvcLttttcu200/1cuvuvvuvLt12201cvLL四維時空中的不變量w 狹義相對論中，距離和時間在不同的參照系是不一樣的。然而222)()(rtcs 是四維時空中的不變量。 表明時間和空間不是獨立的，相互間存在 聯(lián)系！ 例如前面的離子：在列車看來，發(fā)射到接收發(fā)生在同一地點，()r2020222)()()(tcrtcs在地面看來rv t202022222)(1)()()()(22tctvctvtcscv4.3

10、.5 質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系在化學反應(yīng)中，例如氫與氧結(jié)合生成水，水的質(zhì)量等于參加反應(yīng)的氫和氧的質(zhì)量之和。在反應(yīng)中放出的熱量，被認為是氫和氧原子中儲存的化學能，在整個反應(yīng)過程中，能量和質(zhì)量分別守恒。愛因斯坦要使物體運動定律既滿足相對性原理，又要求低速下與牛頓定律一致，得到了一個令人意外的結(jié)果：物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為能量，能量也物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為能量，能量也可轉(zhuǎn)化為物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。 質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量 靜止質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為運動質(zhì)量：如正負粒靜止質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為運動質(zhì)量：如正負粒子相互湮滅成光子，而光子只有運動質(zhì)量子相互湮滅成光子，而光子只有運動質(zhì)量沒有靜止質(zhì)量沒有靜止質(zhì)量. 反之亦然

11、。反之亦然。更多的推論更多的推論Em c2物質(zhì)與能量相互等價物質(zhì)與能量相互等價質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能關(guān)系質(zhì)能轉(zhuǎn)化質(zhì)能轉(zhuǎn)化w 氫與氧結(jié)合生成水時放出的熱量來源于氫與氧的質(zhì)量和與水的質(zhì)量之差（也稱質(zhì)量虧損）。w 化學反應(yīng)的質(zhì)量虧損比例約為十億分之一到一千億分之一。核反應(yīng)的比例約為一千到一萬分之一。w 50克物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為能量，可將西湖中的所有水加熱到沸騰。w 靜止質(zhì)量不為零的物體以光速為速度極限。mmvc0221w運動質(zhì)量隨物體的運動狀態(tài)而變化運動質(zhì)量隨物體的運動狀態(tài)而變化w一個物體的運動狀態(tài)在不同的參照系看來是一個物體的運動狀態(tài)在不同的參照系看來是 不一樣的，所以物體的質(zhì)量隨參照系而變化：不一樣的，所以物

12、體的質(zhì)量隨參照系而變化：第一顆原子彈于1945年7月在新墨西哥沙漠中引爆一些貌似超光速的現(xiàn)象并不是真正的超光速現(xiàn)象 4.4 新引力理論廣義相對論新引力理論廣義相對論慣性系疑難慣性系疑難： 宇宙中不存在真正的慣性系。 4.4.1 廣義協(xié)變原理廣義協(xié)變原理。341022. ms3010102. ms地球自轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn)4.4.2 等效原理等效原理等效原理：等效原理：比薩斜塔實驗 m引m慣4.5 廣義相對論的主要結(jié)論廣義相對論的主要結(jié)論引力大的地方時鐘引力大的地方時鐘走得慢走得慢 引力導(dǎo)致空間彎曲引力導(dǎo)致空間彎曲TGMc rt1224.6 廣義相對論的一些預(yù)言廣義相對論的一些預(yù)言w 4.6.1 恒星光的

13、引力偏轉(zhuǎn)恒星光的引力偏轉(zhuǎn)w 4.6.2 雷達回波延遲雷達回波延遲w 4.6.3 水星近日點的進動水星近日點的進動4.6.1 恒星光的引力偏轉(zhuǎn)恒星光的引力偏轉(zhuǎn)4GMR57 . 1 1919年5月29日,英國天文學家愛丁頓實測結(jié)果 198.161.1975年對射電源0116+08的觀測 17610016.4.6.2 雷達回波延遲雷達回波延遲對于金星，理論值為t 205104.秒 1971年I. Shapiro）等人的測量結(jié)果對此的偏離不超過2%4.6.3 水星近日點的進動水星近日點的進動560073.每世紀水星近日點偏轉(zhuǎn) 牛頓理論預(yù)言有進動 555762.4311.差 廣義相對論 4303.4.7

14、 相對論的其他實驗驗證及相對論的其他實驗驗證及實際應(yīng)用實際應(yīng)用 4.7.1 介子的壽命介子的壽命 4.7.2 孿生子效應(yīng)孿生子效應(yīng) 4.7.3 全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（GPS）電子電場中加速 電子獲得q.U的動能 動能為mc2，所需要的加速電壓只要25萬伏特 實際上即使加上100億伏特的電壓，也達不到光速4.7.1 介子的壽命介子的壽命子在靜止參照系中的平均壽命為在大氣層上層產(chǎn)生的子,速度0.998c。沒有相對論效應(yīng)，能運動的距離實際上介子可穿越上萬米的大氣層到達地面。22106. 6600 tvttvc0225134810.4.7.2 孿生子效應(yīng)孿生子效應(yīng)宇航員乘坐0.99996247倍

15、光速飛行的宇宙宇航員的一天，在地球人看來相當于一年。地球上的一天，在宇航員看來就是一年，到底誰對呢？“孿生子效應(yīng)孿生子效應(yīng)”。1971年科學家將銫原子鐘放在飛機上，沿赤道向東繞地球一周，回到原處后，比靜止在地面上的鐘慢59納秒。4.7.3 全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（GPS）w 70年代開始研制，歷時20年，耗資200億 美元，于1994年全面建成.w GPS系統(tǒng)包括三大部分： GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設(shè)備. w 24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，在兩萬公里的高空，每12恒星時繞地球一周。最少可見到4顆，最多可見到11顆。全球定位系統(tǒng)定位原理全球定位系統(tǒng)定位原理全球定位系統(tǒng)定位誤差

16、全球定位系統(tǒng)定位誤差tMGRMGRH()109AAllc t 0202()lc t ll004020510 /. 1公里w 北京時間2003年5月25日零時34分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲”運載火箭，成功地將第三顆“北斗一號”導(dǎo)航定位衛(wèi)星送入太空。w 前兩顆“北斗一號”衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空，運行至今導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作穩(wěn)定。這次發(fā)射的是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備份星。它與前兩顆“北斗一號”工作星組成了完整的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，確保全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息。w 歐盟將與中國就“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航計劃進行合作(2003.10.27)，中國將在“伽利略聯(lián)合企業(yè)”中投

17、入約億歐元。w 歐盟于年提出了旨在建立全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的“伽利略”計劃。該系統(tǒng)由顆運行衛(wèi)星和顆預(yù)備衛(wèi)星組成，可以覆蓋全球，預(yù)計將在年投入使用?！百だ浴庇媱澋耐顿Y總額估計高達億歐元。 西昌衛(wèi)星發(fā)射中心指揮控制大廳 4.8 相對論的時空觀相對論的時空觀w牛頓的絕對時空觀認為時間和空間是絕對的、均勻的，相互獨立的。w根據(jù)相對論,時間和空間是相對的。即在不同的參照系時間是不同的，物體的形狀，質(zhì)量等都是不同的w“橫看成嶺側(cè)成峰，遠近高低各不同橫看成嶺側(cè)成峰，遠近高低各不同?！?（蘇軾題西林壁）時間和空間是相互關(guān)聯(lián)的w 一個參照系中的所有鐘都校準了，即相互同步的，在另一參照系看這些不同地點的鐘都不同

18、步了。四維時空中的“不變論”w 相對論（relativity）不同于“公說公有理，婆說婆有理?！睕]有是非標準的相對主義（relativism）的理論。w 尋求不同參照系中各觀測量之間的聯(lián)系，重點是不同參照系中的共性，即所謂的“不變性”w 真空中的光速在不同參照系中是不變的，物理規(guī)律的數(shù)學形式在不同參照系中是一樣的。The oldest picture Santa Barbara, 1933Violin, 19411945w 建立相對論的邏輯過程： 少量的事實啟示 基本原理 + 基本理念 邏輯推理 實驗可檢驗 對推論作 的推論 實驗檢驗 證實或證偽理論w 經(jīng)典物理學、量子物理學的建立更多地應(yīng)用了

19、歸納法w 相對論主要應(yīng)用了演繹法w 其原理、結(jié)論不是很直觀，但更具超前性，更具震撼力w 歸納與演繹的結(jié)合能達到事半功倍的效果w 時間是相對的時間是相對的w 空間也是相對的空間也是相對的w 時間與空間是相互關(guān)聯(lián)的時間與空間是相互關(guān)聯(lián)的w 時空會改變物體的形狀、質(zhì)量、運動狀態(tài)時空會改變物體的形狀、質(zhì)量、運動狀態(tài)等等“內(nèi)在的特性內(nèi)在的特性”狹義相對論有關(guān)時空的結(jié)狹義相對論有關(guān)時空的結(jié)論論 時空會影響物質(zhì)的“內(nèi)在的特性內(nèi)在的特性” ！ 物質(zhì)是否也會反過來改變時空呢？ 或者說時空與物質(zhì)的關(guān)系如何？ 這正是廣義相對論要告訴我們的！相對論的時空觀相對論的時空觀w 時間與空間不僅是相對的、相互關(guān)聯(lián)的時間與空間不僅是