經(jīng)典力學(xué)和物理學(xué)革命

1、經(jīng)典力學(xué)和物理學(xué)革命經(jīng)典力學(xué)和物理學(xué)革命問(wèn)題一：我們有可能穿越回到過(guò)去嗎？如果可以，到底怎么回去呢？問(wèn)題二：如果在一紙箱里放有一只貓和一瓶劇毒毒藥，打開(kāi)紙箱后我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，這只貓要么打翻毒藥而死掉，要么幸運(yùn)的活著。那么，如果不讓你打開(kāi)這只紙箱，你將不能判斷這只貓到底是活著還是死掉，那么此時(shí)你如何描述貓的生命狀態(tài)呢，介于活著和死去之間的某一種狀態(tài)嗎？經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性經(jīng)典力學(xué)的成就與局限性現(xiàn)代物理現(xiàn)代物理相對(duì)論相對(duì)論量子論量子論經(jīng)典力學(xué)的前世今生經(jīng)典力學(xué)的前世今生公元384到322年：亞里士多德時(shí)代，人類開(kāi)始利用觀察和邏輯理性的研究物體的運(yùn)動(dòng)。公元1564至1642年： 意大利物理學(xué)家伽利略。

2、慣性定律，落體定律和相對(duì)性原理的建立。此后笛卡爾、惠更斯和開(kāi)普勒等人在慣性運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞和天體運(yùn)動(dòng)方面的努力進(jìn)一步推進(jìn)了人們對(duì)于力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。1666年，23歲的牛頓為了躲避瘟疫，回到鄉(xiāng)下的老家度假。在那段日子里，他一個(gè)人獨(dú)立完成了幾項(xiàng)開(kāi)天辟地的工作，包括發(fā)明了微積分（流數(shù)），完成了光分解的實(shí)驗(yàn)分析，以及萬(wàn)有引力的開(kāi)創(chuàng)性工作。在那一年，他為數(shù)學(xué)、力學(xué)和光學(xué)三大學(xué)科分別打下了基礎(chǔ)，而其中的任何一項(xiàng)工作，都足以讓他名列有史以來(lái)最偉大的科學(xué)家之列。很難想象，一個(gè)人的思維何以能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)涌動(dòng)出如此多的靈感，人們只能用一個(gè)拉丁文 annus mirabilis 來(lái)表示這一年，也就是“

3、奇跡年”。1687年，發(fā)表了自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，標(biāo)志著以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)體系成立。后牛頓時(shí)代：后牛頓時(shí)代：1864年，光學(xué)方面，法拉弟、麥克斯韋等人建立了電磁理論。1865年左右，熱學(xué)方面，在范德瓦爾資，克勞修斯，波爾茲曼和吉布斯等一批天才的努力下，統(tǒng)計(jì)力學(xué)和熱力學(xué)也建力起來(lái)。這是一段偉大而光榮的日子，是經(jīng)典物理的黃金時(shí)代。經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和經(jīng)典熱力學(xué)（加上統(tǒng)計(jì)力學(xué)）形成了物理世界的三大支柱。它們緊緊地結(jié)合在一塊兒，構(gòu)筑起了一座華麗而雄偉的殿堂。從當(dāng)時(shí)來(lái)看，我們也許的確是有資格這樣驕傲的，因?yàn)樗赖囊磺形镔|(zhì)，幾乎都可以從現(xiàn)成的理論里得到解釋。從天上的行星到地上的石塊，力、熱、光

4、、電、磁一切的一切萬(wàn)物都必恭必敬地遵循著它制定的規(guī)則。19 世紀(jì)末的物理學(xué)天空中閃爍著金色的光芒，象征著經(jīng)典物理帝國(guó)的全盛時(shí)代。這樣的偉大時(shí)期在科學(xué)史上是空前的，或許也將是絕后的。然而，這個(gè)統(tǒng)一的強(qiáng)大帝國(guó)卻注定了只能曇花一現(xiàn)。喧囂一時(shí)的繁盛，終究要像泡沫那樣破滅凋零。 經(jīng)典力學(xué)的局限性與實(shí)用范圍經(jīng)典力學(xué)的局限性與實(shí)用范圍一、經(jīng)典力學(xué)只能應(yīng)用于低速運(yùn)動(dòng)的物體，如果物體的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)于光速不可乎略，經(jīng)典力學(xué)不再適用。二、牛頓力學(xué)只適用于宏觀領(lǐng)域而不適用于微觀世界。微觀世界遵從量子力學(xué)的規(guī)律。附：一般情況下，在納米（10-9）限度以下的都可以視為微觀世界。狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論理論基礎(chǔ)：一、相對(duì)性原理

5、：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。二、光速不變?cè)恚翰还茉谀膫€(gè)慣性參考系中，測(cè)得的真空中的光速都相同。狹義相對(duì)論的奇怪結(jié)論狹義相對(duì)論的奇怪結(jié)論時(shí)間膨脹效應(yīng)：運(yùn)動(dòng)著的時(shí)鐘會(huì)比相對(duì)于觀察者靜止的時(shí)鐘走的更慢。尺縮效應(yīng)：相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)的物體在運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度會(huì)縮短，運(yùn)動(dòng)的越快，縮短的越利害。質(zhì)量增加效應(yīng)：物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)比靜止時(shí)質(zhì)量大，并且運(yùn)動(dòng)的越快，質(zhì)量增加的越多。偉大的愛(ài)因期坦：1905 年愛(ài)因斯坦在專利局里蝸居的一年發(fā)表了6 篇論文，3 月18日，關(guān)于光電效應(yīng)的文章，這成為了量子論的奠基石之一。4 月30日，發(fā)表了關(guān)于測(cè)量分子大小的論文，這為他贏得了博士學(xué)位。5 月11 日和后來(lái)

6、的12 月19 日，兩篇關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的論文，成了分子論的里程碑。6 月30日，發(fā)表題為論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)的論文，這個(gè)不起眼的題目后來(lái)被加上了一個(gè)如雷貫耳的名稱，叫做“狹義相對(duì)論”。9 月27日，關(guān)于物體慣性和能量的關(guān)系的論文，這是狹義相對(duì)論的進(jìn)一步說(shuō)明，并且在其中提出了著名的質(zhì)能方程E=mc2 。 單單這一年的工作，便至少配得上3 個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。狹義相對(duì)論發(fā)表狹義相對(duì)論發(fā)表100100周年，周年，也許全世界只有幾十個(gè)人能完全理解他的真諦，也許全世界只有幾十個(gè)人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對(duì)論對(duì)人類生活的巨大改變。但這并不能掩蓋相對(duì)論對(duì)人類生活的巨大改變。 上帝擲骰子嗎上帝擲骰子嗎黑體輻

7、射：19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)無(wú)法解釋的問(wèn)題之一，牛頓力學(xué)體系發(fā)展過(guò)來(lái)的麥克斯韋電磁理論給出的黑體輻射公式與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的公式不合。1900年12月，德國(guó)物理學(xué)家普朗克手寫(xiě)出了經(jīng)驗(yàn)公式，此公式與實(shí)驗(yàn)吻合得很好，但是，這里面有一個(gè)讓人無(wú)法理解的假設(shè)：能量吸收或發(fā)射必須是一份一份的，每一份就是一個(gè)能量單位。光電效應(yīng)：當(dāng)用一束特定頻率的光照射在金屬上，金屬的表面上會(huì)有電子逸出。光電效應(yīng)光電效應(yīng)愛(ài)因期坦的解釋：光在傳播過(guò)程中，也不是連續(xù)的，它由數(shù)值分立的能量子組成的，愛(ài)因期坦稱這些能量子為光量子，也稱為“光子”。經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀：經(jīng)典時(shí)空觀和相對(duì)論時(shí)空觀：牛頓的時(shí)空觀認(rèn)為，空間是獨(dú)立于物質(zhì)存在的，

8、不會(huì)受到物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，而時(shí)間在空間中單向均勻流逝。而相對(duì)論時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)空不是不能單獨(dú)存在的，時(shí)空存在的意義其實(shí)是在于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，并且時(shí)空的狀態(tài)會(huì)不可避免的受到物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響。量子理論對(duì)世界的描述：量子理論對(duì)世界的描述：任何物質(zhì)的存在都內(nèi)稟有玻粒二象性，這決定著自然世界中物質(zhì)各種物理性質(zhì)的分布（位置、動(dòng)量、角動(dòng)量、電荷、時(shí)間等）是概率性的，這種概率以波動(dòng)的形式存在著的。量子物理的天才們：量子物理的天才們：1900 年年12 月月14 日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)于黑體輻射的論日，普朗克在柏林宣讀了他關(guān)于黑體輻射的論文，宣告了量子的誕生。那一年他文，宣告了量子的誕生。那一年他42歲。歲。 就在那一

9、年，一個(gè)名叫阿爾伯特就在那一年，一個(gè)名叫阿爾伯特愛(ài)因斯坦（愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein ）的青年從蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)（的青年從蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)（ETH）畢業(yè)，正在為將來(lái)的生）畢業(yè)，正在為將來(lái)的生活發(fā)愁?；畎l(fā)愁。在丹麥，在丹麥，15 歲的尼爾斯歲的尼爾斯玻爾（玻爾（Niels Bohr）正在哥本哈根的中）正在哥本哈根的中學(xué)里讀書(shū)。學(xué)里讀書(shū)。埃爾文埃爾文薛定諤（薛定諤（Erwin Schrodinger）比玻爾小兩歲，當(dāng)時(shí)在）比玻爾小兩歲，當(dāng)時(shí)在維也納的一間著名的高級(jí)中學(xué)維也納的一間著名的高級(jí)中學(xué)Akademisches Gymnasium上上學(xué)。小埃爾文長(zhǎng)得非常帥氣，穿上禮服和緊身褲

10、，儼然一個(gè)翩學(xué)。小埃爾文長(zhǎng)得非常帥氣，穿上禮服和緊身褲，儼然一個(gè)翩翩小公子，這也使得他非常受到歡迎。翩小公子，這也使得他非常受到歡迎。馬克斯馬克斯波恩（波恩（Max BornMax Born）和薛定諤有著相似的教育背景不過(guò)相）和薛定諤有著相似的教育背景不過(guò)相比薛定諤來(lái)說(shuō)，波恩并不怎么喜歡拉丁文，甚至不怎么喜歡數(shù)學(xué)，比薛定諤來(lái)說(shuō)，波恩并不怎么喜歡拉丁文，甚至不怎么喜歡數(shù)學(xué)，盡管他對(duì)數(shù)學(xué)的看法后來(lái)在大學(xué)里得到了改變。盡管他對(duì)數(shù)學(xué)的看法后來(lái)在大學(xué)里得到了改變。路易斯路易斯德布羅意（德布羅意（Louis de Brog lieLouis de Brog lie）當(dāng)時(shí)）當(dāng)時(shí)8 8 歲，正在他那歲，正在他那顯赫的貴族家庭里接受良好的幼年教育。他對(duì)歷史表現(xiàn)出濃厚的顯赫的貴族家庭里接受良好的幼年教育。他對(duì)歷史表現(xiàn)出濃厚的興趣，并樂(lè)意把自己的時(shí)間花在這上面。興趣，并樂(lè)意把自己的時(shí)間花在這上面。沃爾夫?qū)譅柗驅(qū)魉固囟魉固嘏堇ㄅ堇╓olfgang Ernst PauliWolfgang Ernst Pauli）才出生）才出生8 8 個(gè)個(gè)月，可憐的小家伙似乎一出世就和科學(xué)結(jié)緣。月，可憐的小家伙似乎一出世就和科學(xué)結(jié)緣。而再過(guò)而再過(guò)12 12 個(gè)月，維爾茲堡（個(gè)月，維爾茲堡（WurzbergWurzberg）的一位著名希臘文獻(xiàn)教）的一位著名希臘文獻(xiàn)教授就要喜滋滋地