文科物理-第1章物理學(xué)文化第2節(jié)物理學(xué)思想與物理學(xué)方法

1、1第一章第一章 物理學(xué)文化物理學(xué)文化第二節(jié)第二節(jié) 物理學(xué)思想與物理學(xué)方法物理學(xué)思想與物理學(xué)方法一、物理學(xué)思想一、物理學(xué)思想二、物理學(xué)方法二、物理學(xué)方法 2一、物理學(xué)思想一、物理學(xué)思想v什么是物理學(xué)思想？什么是物理學(xué)思想？v所謂物理學(xué)思想就是研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式、內(nèi)在規(guī)所謂物理學(xué)思想就是研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式、內(nèi)在規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的客觀存在反映在人的意識(shí)中經(jīng)過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的結(jié)果。這種思維活動(dòng)是人的一過(guò)思維活動(dòng)而產(chǎn)生的結(jié)果。這種思維活動(dòng)是人的一種精神活動(dòng)，是從社會(huì)實(shí)踐中產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)社會(huì)實(shí)踐種精神活動(dòng)，是從社會(huì)實(shí)踐中產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)社會(huì)實(shí)踐檢驗(yàn)的科學(xué)思想。檢驗(yàn)的科學(xué)

2、思想。v物理學(xué)思想很多且深刻，對(duì)于文科類學(xué)生，給他們物理學(xué)思想很多且深刻，對(duì)于文科類學(xué)生，給他們傳授關(guān)于傳授關(guān)于物質(zhì)的本性、時(shí)空觀、量子觀、對(duì)稱與守物質(zhì)的本性、時(shí)空觀、量子觀、對(duì)稱與守恒定律的關(guān)系恒定律的關(guān)系的物理學(xué)思想是最基本、最必不可少的物理學(xué)思想是最基本、最必不可少的。的。31、原子：物質(zhì)（實(shí)物）的本性、原子：物質(zhì)（實(shí)物）的本性v如果在某次災(zāi)難中，所有科學(xué)知識(shí)都將被毀滅，如果在某次災(zāi)難中，所有科學(xué)知識(shí)都將被毀滅，只有一句話能傳遞給后來(lái)的智能生物。那么，只有一句話能傳遞給后來(lái)的智能生物。那么，一句什么樣的話能夠以最少的語(yǔ)言包含最多的一句什么樣的話能夠以最少的語(yǔ)言包含最多的信息呢？我相信那就

3、是原子假說(shuō)（或原子事實(shí)，信息呢？我相信那就是原子假說(shuō)（或原子事實(shí)，或者隨便你叫它什么名字）。即萬(wàn)物皆由原子或者隨便你叫它什么名字）。即萬(wàn)物皆由原子構(gòu)成，原子是一種小粒子，他們永不停息地四構(gòu)成，原子是一種小粒子，他們永不停息地四處運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它們分開(kāi)一個(gè)小距離時(shí)就彼此相吸，處運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它們分開(kāi)一個(gè)小距離時(shí)就彼此相吸，而被擠到一起時(shí)則相互排斥。只要稍微的仔細(xì)而被擠到一起時(shí)則相互排斥。只要稍微的仔細(xì)思考，這一句話里，包含著關(guān)于這個(gè)世界的極思考，這一句話里，包含著關(guān)于這個(gè)世界的極大量的信息。大量的信息。 （美）理查德（美）理查德費(fèi)茵曼費(fèi)茵曼4物質(zhì)的本性物質(zhì)的本性v古今中外，無(wú)數(shù)的哲學(xué)家、思想家們都想要古今中

4、外，無(wú)數(shù)的哲學(xué)家、思想家們都想要對(duì)萬(wàn)物溯本求源對(duì)萬(wàn)物溯本求源, ,即關(guān)于物質(zhì)（實(shí)物）的本即關(guān)于物質(zhì)（實(shí)物）的本性的問(wèn)題。所謂物質(zhì)，就是像木頭、石塊、性的問(wèn)題。所謂物質(zhì)，就是像木頭、石塊、水、泥土、塑料、金屬這些材料的實(shí)體。如水、泥土、塑料、金屬這些材料的實(shí)體。如何回答萬(wàn)物的本原？或者說(shuō)物質(zhì)是什么？這何回答萬(wàn)物的本原？或者說(shuō)物質(zhì)是什么？這個(gè)問(wèn)題，從文明之初到個(gè)問(wèn)題，從文明之初到19051905年愛(ài)因斯坦關(guān)于年愛(ài)因斯坦關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的解釋工作，結(jié)束科學(xué)家們對(duì)原子布朗運(yùn)動(dòng)的解釋工作，結(jié)束科學(xué)家們對(duì)原子論的質(zhì)疑，跨越近論的質(zhì)疑，跨越近25002500多年。多年。5 物質(zhì)的本性物質(zhì)的本性v古希臘最早的思想

5、家、科學(xué)家、哲學(xué)家泰勒斯古希臘最早的思想家、科學(xué)家、哲學(xué)家泰勒斯（ThalesThales，約公元前，約公元前624-624-公元前公元前547547年）提出：年）提出：“萬(wàn)物源于水萬(wàn)物源于水”的觀點(diǎn)。的觀點(diǎn)。v其后，希臘人發(fā)展了其后，希臘人發(fā)展了“四根說(shuō)四根說(shuō)”，認(rèn)為土、水、，認(rèn)為土、水、氣、火四種元素組成萬(wàn)物。氣、火四種元素組成萬(wàn)物。v中國(guó)古代的中國(guó)古代的“五行說(shuō)五行說(shuō)”那樣，用金、木、水、那樣，用金、木、水、火、土五種常見(jiàn)的物質(zhì)來(lái)說(shuō)明萬(wàn)物的本源。火、土五種常見(jiàn)的物質(zhì)來(lái)說(shuō)明萬(wàn)物的本源。v公元前四世紀(jì)，古希臘思想家、哲學(xué)家德謨克公元前四世紀(jì)，古希臘思想家、哲學(xué)家德謨克利特（利特（Democr

6、itusDemocritus，公元前，公元前460-460-公元前公元前371371）用）用原子論的觀點(diǎn)闡明了他對(duì)物質(zhì)本性的看法。原子論的觀點(diǎn)闡明了他對(duì)物質(zhì)本性的看法。6 物質(zhì)的本性物質(zhì)的本性v我們?cè)趺床胖廊f(wàn)物由原子構(gòu)成的呢？我們?cè)趺床胖廊f(wàn)物由原子構(gòu)成的呢？v德謨克利特間接地論證說(shuō)，因?yàn)槲覀兡軌蛟谶h(yuǎn)處聞德謨克利特間接地論證說(shuō)，因?yàn)槲覀兡軌蛟谶h(yuǎn)處聞到面包香味，所以小的面包粒子一定從面包上脫落到面包香味，所以小的面包粒子一定從面包上脫落下來(lái)飄進(jìn)了我們的鼻孔。下來(lái)飄進(jìn)了我們的鼻孔。v英國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家約翰英國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家約翰道爾頓（公元道爾頓（公元17661766公元公元18441844）

7、，在），在1919世紀(jì)初把原子假說(shuō)引入了科學(xué)主世紀(jì)初把原子假說(shuō)引入了科學(xué)主流，發(fā)現(xiàn)了關(guān)于原子的第一例特別的證據(jù)。道爾頓流，發(fā)現(xiàn)了關(guān)于原子的第一例特別的證據(jù)。道爾頓注意到，注意到，當(dāng)甲、乙兩種元素相互當(dāng)甲、乙兩種元素相互化合化合，能生成幾種，能生成幾種不同的不同的化合物化合物時(shí)，則在這些化合物中，與一定量甲時(shí)，則在這些化合物中，與一定量甲元素相化合的乙元素的質(zhì)量必互成簡(jiǎn)單的元素相化合的乙元素的質(zhì)量必互成簡(jiǎn)單的整數(shù)整數(shù)比。比。這個(gè)規(guī)律叫做倍比定律。這個(gè)規(guī)律叫做倍比定律。 7物質(zhì)的本性物質(zhì)的本性v英國(guó)植物學(xué)家羅伯特英國(guó)植物學(xué)家羅伯特布朗（布朗（Robert Robert BrownBrown，177

8、31773年年1212月月2121日日18581858年年6 6月月1010日）用顯微鏡觀察到懸浮在液體中的花粉日）用顯微鏡觀察到懸浮在液體中的花粉小顆粒無(wú)規(guī)則地動(dòng)來(lái)動(dòng)去，這種微小顆粒小顆粒無(wú)規(guī)則地動(dòng)來(lái)動(dòng)去，這種微小顆粒物體在液體中的無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為布朗運(yùn)物體在液體中的無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)稱為布朗運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。v后來(lái)，人們根據(jù)原子論提出了新的看后來(lái)，人們根據(jù)原子論提出了新的看法，認(rèn)為原子在不停地運(yùn)動(dòng)，而布朗運(yùn)動(dòng)法，認(rèn)為原子在不停地運(yùn)動(dòng)，而布朗運(yùn)動(dòng)就是因?yàn)榛ǚ垲w?；驂m埃顆粒不斷受到大就是因?yàn)榛ǚ垲w粒或塵埃顆粒不斷受到大量運(yùn)動(dòng)著的原子沖撞所產(chǎn)生。量運(yùn)動(dòng)著的原子沖撞所產(chǎn)生。8 物質(zhì)的本性物質(zhì)的本性v190519

9、05年，當(dāng)時(shí)還不為人所熟知的年輕的物理學(xué)家年，當(dāng)時(shí)還不為人所熟知的年輕的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦的研究有力地支持了這種假說(shuō)。愛(ài)因斯坦的研究有力地支持了這種假說(shuō)。v他運(yùn)用已經(jīng)建立的理論，計(jì)算了像塵埃顆粒這樣他運(yùn)用已經(jīng)建立的理論，計(jì)算了像塵埃顆粒這樣的粒子受到運(yùn)動(dòng)原子的隨機(jī)撞擊會(huì)怎樣亂沖亂撞的粒子受到運(yùn)動(dòng)原子的隨機(jī)撞擊會(huì)怎樣亂沖亂撞的情況，并給出了幾個(gè)定量的（數(shù)值的）預(yù)言。的情況，并給出了幾個(gè)定量的（數(shù)值的）預(yù)言。例如，塵埃顆粒聚集物由于液體中的無(wú)規(guī)則碰撞例如，塵埃顆粒聚集物由于液體中的無(wú)規(guī)則碰撞而散開(kāi)的速率。這樣的預(yù)言是能夠通過(guò)測(cè)量檢驗(yàn)而散開(kāi)的速率。這樣的預(yù)言是能夠通過(guò)測(cè)量檢驗(yàn)的，而測(cè)量結(jié)果與愛(ài)因斯坦的

10、預(yù)言相符。的，而測(cè)量結(jié)果與愛(ài)因斯坦的預(yù)言相符。v這種以實(shí)驗(yàn)測(cè)量為基礎(chǔ)的證據(jù)無(wú)可爭(zhēng)辯，從而在這種以實(shí)驗(yàn)測(cè)量為基礎(chǔ)的證據(jù)無(wú)可爭(zhēng)辯，從而在愛(ài)因斯坦的這一工作之后，科學(xué)家們不再對(duì)原子愛(ài)因斯坦的這一工作之后，科學(xué)家們不再對(duì)原子論提出質(zhì)疑。論提出質(zhì)疑。9 物質(zhì)的本性物質(zhì)的本性v我們能看到原子嗎？我們能看到原子嗎？v19701970年，科學(xué)家研制出了一種可以顯現(xiàn)年，科學(xué)家研制出了一種可以顯現(xiàn)更微小物體影像的儀器更微小物體影像的儀器掃描電子顯微掃描電子顯微鏡（鏡（Scanning Electron MicroscopeScanning Electron Microscope）, ,簡(jiǎn)稱掃描電鏡（簡(jiǎn)稱掃描電鏡（

11、SEMSEM）. .當(dāng)掃描電子顯微鏡的電子束掃過(guò)單個(gè)原子時(shí)，電子束當(dāng)掃描電子顯微鏡的電子束掃過(guò)單個(gè)原子時(shí)，電子束的的物質(zhì)波受到擾動(dòng)。受擾動(dòng)的物質(zhì)波可以由儀器檢測(cè)，物質(zhì)波受到擾動(dòng)。受擾動(dòng)的物質(zhì)波可以由儀器檢測(cè)，該該儀器收集并記錄電子產(chǎn)生的圖樣，從而產(chǎn)生樣品表面儀器收集并記錄電子產(chǎn)生的圖樣，從而產(chǎn)生樣品表面的的高分辨率圖像，且圖像呈三維，被用來(lái)鑒定樣品的表高分辨率圖像，且圖像呈三維，被用來(lái)鑒定樣品的表面面結(jié)構(gòu)。上圖顯示了在掃描電鏡下石墨烯由碳原子組成結(jié)構(gòu)。上圖顯示了在掃描電鏡下石墨烯由碳原子組成的的六邊形結(jié)構(gòu)。六邊形結(jié)構(gòu)。10 物質(zhì)的本性物質(zhì)的本性v掃描隧穿顯微鏡（掃描隧穿顯微鏡（Scanning

12、 Tunneling Scanning Tunneling MicroscopyMicroscopy，簡(jiǎn)寫為，簡(jiǎn)寫為STMSTM），問(wèn)世于），問(wèn)世于19831983年。年。v作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，通過(guò)它人們終于可作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，通過(guò)它人們終于可以觀察、定位、移動(dòng)單個(gè)原子。以觀察、定位、移動(dòng)單個(gè)原子。v19901990年，國(guó)際商用機(jī)器公司年，國(guó)際商用機(jī)器公司（IBMIBM）的科學(xué)家拾取了）的科學(xué)家拾取了3535個(gè)單個(gè)個(gè)單個(gè)的氙原子并將它們重新排列在金屬的氙原子并將它們重新排列在金屬鎳的表面上，拼寫出實(shí)驗(yàn)室的名稱。鎳的表面上，拼寫出實(shí)驗(yàn)室的名稱。v下圖顯示了用掃描隧穿顯微鏡下圖顯

13、示了用掃描隧穿顯微鏡觀察到的單個(gè)鈷原子在觀察到的單個(gè)鈷原子在CuCu表面上表面上的形貌影像，就像德謨克利特曾經(jīng)想象過(guò)的那樣。的形貌影像，就像德謨克利特曾經(jīng)想象過(guò)的那樣。112、時(shí)空觀、時(shí)空觀v何謂時(shí)空觀？何謂時(shí)空觀？v所謂時(shí)空觀，是指對(duì)時(shí)間和空間的看法或觀點(diǎn)。所謂時(shí)空觀，是指對(duì)時(shí)間和空間的看法或觀點(diǎn)。v在哲學(xué)家看來(lái)，空間和時(shí)間是物質(zhì)存在的兩種基在哲學(xué)家看來(lái)，空間和時(shí)間是物質(zhì)存在的兩種基本形式：本形式：空間是物質(zhì)存在廣延性和伸張性的表現(xiàn)，空間是物質(zhì)存在廣延性和伸張性的表現(xiàn)，時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)持續(xù)性和順序性的表現(xiàn)。時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)持續(xù)性和順序性的表現(xiàn)。v簡(jiǎn)單的說(shuō)，空間是物質(zhì)存在的簡(jiǎn)單的說(shuō)，空間是物質(zhì)存在

14、的“廣延廣延”屬性，時(shí)屬性，時(shí)間是物質(zhì)存在的間是物質(zhì)存在的“持續(xù)持續(xù)”屬性。他們都是物質(zhì)存屬性。他們都是物質(zhì)存在的屬性，但它們的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系也在的屬性，但它們的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系也不是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換關(guān)系，它們是以物質(zhì)存在為前提不是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換關(guān)系，它們是以物質(zhì)存在為前提的，拋開(kāi)物質(zhì)存在來(lái)談?wù)摽臻g和時(shí)間是沒(méi)有意義的，拋開(kāi)物質(zhì)存在來(lái)談?wù)摽臻g和時(shí)間是沒(méi)有意義的。的。12 時(shí)空觀時(shí)空觀v空間用以描述物體的位形，時(shí)間用以描述空間用以描述物體的位形，時(shí)間用以描述事件之間的先后順序?？臻g和時(shí)間的物理事件之間的先后順序?？臻g和時(shí)間的物理性質(zhì)主要通過(guò)它們與物體運(yùn)動(dòng)的各種聯(lián)系性質(zhì)主要通過(guò)它們與物體運(yùn)動(dòng)的各

15、種聯(lián)系而表現(xiàn)出來(lái)。而表現(xiàn)出來(lái)。v從測(cè)量的角度講，時(shí)間是用時(shí)鐘測(cè)量出的從測(cè)量的角度講，時(shí)間是用時(shí)鐘測(cè)量出的量，而空間則是用尺子來(lái)度量的。量，而空間則是用尺子來(lái)度量的。13 時(shí)空觀時(shí)空觀v人們對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)可以簡(jiǎn)單分為生活中直觀的、樸人們對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)可以簡(jiǎn)單分為生活中直觀的、樸素的時(shí)空觀和物理學(xué)上的時(shí)空觀。素的時(shí)空觀和物理學(xué)上的時(shí)空觀。v生活中，我們常常會(huì)說(shuō)，生活中，我們常常會(huì)說(shuō)， “ “某某學(xué)校提供體育運(yùn)某某學(xué)校提供體育運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所太小動(dòng)的場(chǎng)所太小”、“開(kāi)往北京的火車是早上開(kāi)往北京的火車是早上8 8點(diǎn)發(fā)點(diǎn)發(fā)車車”、“一節(jié)課是一節(jié)課是4040分鐘分鐘”等。這就是生活中的直等。這就是生活中的直觀的、樸素

16、的時(shí)空觀。觀的、樸素的時(shí)空觀。v物理學(xué)上的時(shí)空觀指的是人們對(duì)時(shí)間和空間的物理物理學(xué)上的時(shí)空觀指的是人們對(duì)時(shí)間和空間的物理特性的一種認(rèn)識(shí)，這種認(rèn)識(shí)是不依賴于人們的感覺(jué)特性的一種認(rèn)識(shí)，這種認(rèn)識(shí)是不依賴于人們的感覺(jué)經(jīng)驗(yàn)判斷的，在一定意義上被看作客觀存在的物質(zhì)經(jīng)驗(yàn)判斷的，在一定意義上被看作客觀存在的物質(zhì)性的反映。性的反映。v經(jīng)典力學(xué)階段、狹義相對(duì)論階段及廣義相對(duì)論階段。經(jīng)典力學(xué)階段、狹義相對(duì)論階段及廣義相對(duì)論階段。14 經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀v在經(jīng)典力學(xué)中，空間和時(shí)間的本性被認(rèn)為是在經(jīng)典力學(xué)中，空間和時(shí)間的本性被認(rèn)為是與任何物體及運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的，存在著絕對(duì)空間與任何物體及運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的，存在著絕對(duì)空間和

17、絕對(duì)時(shí)間。和絕對(duì)時(shí)間。v即空間是絕對(duì)的，時(shí)間也是絕對(duì)的。即空間是絕對(duì)的，時(shí)間也是絕對(duì)的。v牛頓在牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中對(duì)絕對(duì)空中對(duì)絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間是這么定義的：間和絕對(duì)時(shí)間是這么定義的：“絕對(duì)的空間，絕對(duì)的空間，就其本性來(lái)說(shuō)，與外界任何事物無(wú)關(guān)，永遠(yuǎn)就其本性來(lái)說(shuō)，與外界任何事物無(wú)關(guān)，永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的是相同的和不動(dòng)的”。v“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性而在均勻地、與任何外著，而且由于其本性而在均勻地、與任何外界事物無(wú)關(guān)地流逝著界事物無(wú)關(guān)地流逝著”。15 經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀v牛頓的時(shí)空?qǐng)D景是，既然存

18、在一個(gè)容納萬(wàn)事牛頓的時(shí)空?qǐng)D景是，既然存在一個(gè)容納萬(wàn)事萬(wàn)物的絕對(duì)空間，那么當(dāng)我們觀察宇宙運(yùn)動(dòng)萬(wàn)物的絕對(duì)空間，那么當(dāng)我們觀察宇宙運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)，在可被選擇的無(wú)數(shù)個(gè)參考系中，必圖像時(shí)，在可被選擇的無(wú)數(shù)個(gè)參考系中，必然有一個(gè)參考系和絕對(duì)空間保持靜止，稱之然有一個(gè)參考系和絕對(duì)空間保持靜止，稱之為絕對(duì)參考系，這個(gè)絕對(duì)參考系具有優(yōu)先地為絕對(duì)參考系，這個(gè)絕對(duì)參考系具有優(yōu)先地位。位。16 狹義相對(duì)論時(shí)空觀狹義相對(duì)論時(shí)空觀v愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中提出不存在絕對(duì)的、孤愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中提出不存在絕對(duì)的、孤立的空間和時(shí)間，兩者是一個(gè)統(tǒng)一整體，不可分立的空間和時(shí)間，兩者是一個(gè)統(tǒng)一整體，不可分割。割。v空間和時(shí)間不是絕對(duì)

19、的，而是與相對(duì)于觀察者所空間和時(shí)間不是絕對(duì)的，而是與相對(duì)于觀察者所在的參考系而言的，空間和時(shí)間都是相對(duì)的。在的參考系而言的，空間和時(shí)間都是相對(duì)的。v空間會(huì)因?yàn)槲矬w的運(yùn)動(dòng)變得使長(zhǎng)度收縮，物體運(yùn)空間會(huì)因?yàn)槲矬w的運(yùn)動(dòng)變得使長(zhǎng)度收縮，物體運(yùn)動(dòng)得越快，其長(zhǎng)度收縮得越明顯。與之對(duì)應(yīng)，時(shí)動(dòng)得越快，其長(zhǎng)度收縮得越明顯。與之對(duì)應(yīng)，時(shí)間會(huì)因?yàn)槲矬w的運(yùn)動(dòng)而延緩，即時(shí)間變慢了，或間會(huì)因?yàn)槲矬w的運(yùn)動(dòng)而延緩，即時(shí)間變慢了，或者說(shuō)時(shí)間膨脹了，物體運(yùn)動(dòng)越快，時(shí)間延緩越顯者說(shuō)時(shí)間膨脹了，物體運(yùn)動(dòng)越快，時(shí)間延緩越顯著。著。v同時(shí)性也是相對(duì)的，即在一個(gè)參考系中被認(rèn)為是同時(shí)性也是相對(duì)的，即在一個(gè)參考系中被認(rèn)為是同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，會(huì)

20、因?yàn)檫@個(gè)參考系的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，會(huì)因?yàn)檫@個(gè)參考系的運(yùn)動(dòng)，在另一個(gè)參考系中看來(lái)不是同時(shí)發(fā)生。在另一個(gè)參考系中看來(lái)不是同時(shí)發(fā)生。17 廣義相對(duì)論時(shí)空觀廣義相對(duì)論時(shí)空觀v廣義相對(duì)性原理廣義相對(duì)性原理在廣義相對(duì)論中，愛(ài)在廣義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦放棄了慣性系的優(yōu)越地位，把相對(duì)因斯坦放棄了慣性系的優(yōu)越地位，把相對(duì)性原理從慣性系推廣到非慣性系，即物理性原理從慣性系推廣到非慣性系，即物理定律在任何參考系中都相同，愛(ài)因斯坦稱定律在任何參考系中都相同，愛(ài)因斯坦稱之為廣義相對(duì)論的相對(duì)性原理。之為廣義相對(duì)論的相對(duì)性原理。v等效原理等效原理引力場(chǎng)中的一個(gè)靜止參考系引力場(chǎng)中的一個(gè)靜止參考系與自由空間中一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)

21、的參考系是等與自由空間中一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的參考系是等效的，即加速參考系等效于引力場(chǎng)。效的，即加速參考系等效于引力場(chǎng)。18 廣義相對(duì)論時(shí)空觀廣義相對(duì)論時(shí)空觀v這樣，愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論的相對(duì)時(shí)空觀上，又這樣，愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論的相對(duì)時(shí)空觀上，又加進(jìn)了幾何學(xué)內(nèi)容，用幾何學(xué)代替了重力。于是，加進(jìn)了幾何學(xué)內(nèi)容，用幾何學(xué)代替了重力。于是，慣性參考系和非慣性參考系之間不再存在任何物理慣性參考系和非慣性參考系之間不再存在任何物理學(xué)上的實(shí)質(zhì)性區(qū)別，只有幾何學(xué)上的區(qū)別。學(xué)上的實(shí)質(zhì)性區(qū)別，只有幾何學(xué)上的區(qū)別。v由此我們看到，廣義相對(duì)論由兩條基本原理，揭示由此我們看到，廣義相對(duì)論由兩條基本原理，揭示出在非慣性系中重力

22、的相對(duì)性，與此相聯(lián)系的是時(shí)出在非慣性系中重力的相對(duì)性，與此相聯(lián)系的是時(shí)空的幾何彎曲。換句話說(shuō)，時(shí)空彎曲了?？盏膸缀螐澢Q句話說(shuō)，時(shí)空彎曲了。v廣義相對(duì)論最一般地討論了時(shí)空、物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)之間廣義相對(duì)論最一般地討論了時(shí)空、物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，如果說(shuō)狹義相對(duì)論以相對(duì)時(shí)空觀取代了絕的關(guān)系，如果說(shuō)狹義相對(duì)論以相對(duì)時(shí)空觀取代了絕對(duì)時(shí)空觀，則廣義相對(duì)論又進(jìn)一步以彎曲時(shí)空取代對(duì)時(shí)空觀，則廣義相對(duì)論又進(jìn)一步以彎曲時(shí)空取代了平直時(shí)空。了平直時(shí)空。193、物質(zhì)觀的革命、物質(zhì)觀的革命量子觀念量子觀念v1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克為了解決黑體輻年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克為了解決黑體輻射經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)不符的問(wèn)題，不得不放

23、棄能射經(jīng)典理論與實(shí)驗(yàn)不符的問(wèn)題，不得不放棄能量連續(xù)性這個(gè)概念，而提出能量量子化即量連續(xù)性這個(gè)概念，而提出能量量子化即“能能量子量子”這個(gè)嶄新的概念。這個(gè)嶄新的概念。v1900年年12月月14日普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上提日普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上提出這樣的假設(shè)：輻射的能量不再連續(xù)變化，而出這樣的假設(shè)：輻射的能量不再連續(xù)變化，而是以一個(gè)能量的基本單元，即一份一份的能量是以一個(gè)能量的基本單元，即一份一份的能量為單位改變的，這個(gè)能量的基本單元就是為單位改變的，這個(gè)能量的基本單元就是“能能量子量子”，能量只能是能量子的整數(shù)倍。也就是，能量只能是能量子的整數(shù)倍。也就是說(shuō)，能量的輻射或吸收只能以能量子為基本單說(shuō)

24、，能量的輻射或吸收只能以能量子為基本單位一份一份地進(jìn)行。位一份一份地進(jìn)行。20 物質(zhì)觀的革命物質(zhì)觀的革命量子觀念量子觀念v1905年，愛(ài)因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)年，愛(ài)因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過(guò)程，提出程，提出“光量子光量子”（光子）的概念，成功解釋（光子）的概念，成功解釋了困擾人的光電效應(yīng)，并進(jìn)一步提出光同時(shí)具有了困擾人的光電效應(yīng)，并進(jìn)一步提出光同時(shí)具有波動(dòng)和粒子的性質(zhì)，即光的波動(dòng)和粒子的性質(zhì)，即光的“波粒二象性波粒二象性”。v法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出“物質(zhì)波物質(zhì)波”概念，即概念，即一切物質(zhì)粒子均具備波粒二象性；一切物質(zhì)粒子均具備波粒二象性；v德國(guó)物理學(xué)家海森

25、伯等人建立了量子矩陣?yán)碚摚坏聡?guó)物理學(xué)家海森伯等人建立了量子矩陣?yán)碚?；奧地利物理學(xué)家薛定諤建立了量子波動(dòng)理論；奧地利物理學(xué)家薛定諤建立了量子波動(dòng)理論；v1928年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克完成了矩陣?yán)碚撃?，英?guó)物理學(xué)家狄拉克完成了矩陣?yán)碚摵筒▌?dòng)理論之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，對(duì)量子理論進(jìn)行了和波動(dòng)理論之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，對(duì)量子理論進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。系統(tǒng)的總結(jié)。21 物質(zhì)觀的革命物質(zhì)觀的革命量子觀念量子觀念v能量量子化思想是能量量子化思想是2020世紀(jì)最具革命性的物理學(xué)思想世紀(jì)最具革命性的物理學(xué)思想之一，因?yàn)橛纱艘l(fā)而建立的量子理論帶給人們的之一，因?yàn)橛纱艘l(fā)而建立的量子理論帶給人們的不僅是對(duì)物質(zhì)世界結(jié)構(gòu)的新的認(rèn)識(shí)，而

26、且是思維方不僅是對(duì)物質(zhì)世界結(jié)構(gòu)的新的認(rèn)識(shí)，而且是思維方式的根本變革。式的根本變革。v例如，微觀粒子運(yùn)動(dòng)演化概率性因果觀的思想；在例如，微觀粒子運(yùn)動(dòng)演化概率性因果觀的思想；在測(cè)量物理量時(shí)測(cè)量?jī)x器和被測(cè)量客體相互作用的思測(cè)量物理量時(shí)測(cè)量?jī)x器和被測(cè)量客體相互作用的思想；微觀粒子的物理量呈現(xiàn)想；微觀粒子的物理量呈現(xiàn)“量子化量子化”分立值的思分立值的思想；測(cè)量微觀粒子位置和動(dòng)量時(shí)滿足的不確定性關(guān)想；測(cè)量微觀粒子位置和動(dòng)量時(shí)滿足的不確定性關(guān)系的思想等等。系的思想等等。v然而檢驗(yàn)這些思想觀點(diǎn)是否正確的有力證據(jù)是實(shí)驗(yàn)然而檢驗(yàn)這些思想觀點(diǎn)是否正確的有力證據(jù)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而不是生活經(jīng)驗(yàn)，也不是經(jīng)典物理學(xué)的現(xiàn)有結(jié)果，

27、而不是生活經(jīng)驗(yàn)，也不是經(jīng)典物理學(xué)的現(xiàn)有結(jié)論。當(dāng)然，以上這些思想觀點(diǎn)都結(jié)論。當(dāng)然，以上這些思想觀點(diǎn)都一一一一得到了實(shí)驗(yàn)得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。的證實(shí)。224、對(duì)稱性與物理定律、對(duì)稱性與物理定律v 物理學(xué)在物理學(xué)在20世紀(jì)取得了令人驚訝的成世紀(jì)取得了令人驚訝的成功。它改變了我們對(duì)空間和時(shí)間、存在功。它改變了我們對(duì)空間和時(shí)間、存在和認(rèn)識(shí)的看法，也改變了我們描述自然和認(rèn)識(shí)的看法，也改變了我們描述自然的基本語(yǔ)言。在本世紀(jì)行將結(jié)束之際，的基本語(yǔ)言。在本世紀(jì)行將結(jié)束之際，我們已擁有一個(gè)對(duì)宇宙的嶄新看法。在我們已擁有一個(gè)對(duì)宇宙的嶄新看法。在這個(gè)新的宇宙觀中，物質(zhì)已失去了它原這個(gè)新的宇宙觀中，物質(zhì)已失去了它原來(lái)的中心

28、地位，取而代之的是自然界的來(lái)的中心地位，取而代之的是自然界的對(duì)稱性。對(duì)稱性。 （美）斯蒂芬（美）斯蒂芬溫伯格溫伯格23 對(duì)稱性與物理定律對(duì)稱性與物理定律v對(duì)稱性對(duì)稱性自然界的一項(xiàng)美學(xué)原則，是人們自然界的一項(xiàng)美學(xué)原則，是人們觀察客觀事物形體上的特征而形成的認(rèn)識(shí)。觀察客觀事物形體上的特征而形成的認(rèn)識(shí)。v例如正六邊形具有六角對(duì)稱，一個(gè)平面圓形具有軸對(duì)稱，例如正六邊形具有六角對(duì)稱，一個(gè)平面圓形具有軸對(duì)稱，人體具有左右對(duì)稱，一條連續(xù)的花邊具有平移對(duì)稱，其他人體具有左右對(duì)稱，一條連續(xù)的花邊具有平移對(duì)稱，其他還有鏡像對(duì)稱等等。還有鏡像對(duì)稱等等。v對(duì)稱性的精確數(shù)學(xué)定義涉及不變性的概念，如果一個(gè)幾何對(duì)稱性的精確

29、數(shù)學(xué)定義涉及不變性的概念，如果一個(gè)幾何圖形在某些操作下保持不變，就說(shuō)這個(gè)圖形在這些操作下圖形在某些操作下保持不變，就說(shuō)這個(gè)圖形在這些操作下具有不變性。例如圓形在繞它的中心轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度，形狀具有不變性。例如圓形在繞它的中心轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度，形狀都不會(huì)變，而正方形就不一樣，只有繞它的中心轉(zhuǎn)動(dòng)都不會(huì)變，而正方形就不一樣，只有繞它的中心轉(zhuǎn)動(dòng)90、180、270、360時(shí)才保持不變。因此，我們時(shí)才保持不變。因此，我們說(shuō)，圓形的對(duì)稱性比正方形高。同理，正方形的對(duì)稱性比說(shuō)，圓形的對(duì)稱性比正方形高。同理，正方形的對(duì)稱性比矩形的高。矩形的高。24 對(duì)稱性與物理定律對(duì)稱性與物理定律v能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、角動(dòng)量

30、守恒能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、角動(dòng)量守恒定律等這樣的規(guī)律，為什么最為基本，最為定律等這樣的規(guī)律，為什么最為基本，最為普遍，適用范圍最為廣泛？普遍，適用范圍最為廣泛？v它們和對(duì)稱性是否存在著某種聯(lián)系呢？它們和對(duì)稱性是否存在著某種聯(lián)系呢？v為此，先了解一下時(shí)間和空間所具有的某些為此，先了解一下時(shí)間和空間所具有的某些基本特性，它們分別表現(xiàn)為時(shí)間的均勻性、基本特性，它們分別表現(xiàn)為時(shí)間的均勻性、空間的均勻性及空間方向的均勻性?？臻g的均勻性及空間方向的均勻性。25 對(duì)稱性與物理定律對(duì)稱性與物理定律v時(shí)間的均勻性：古往今來(lái)的物理現(xiàn)象應(yīng)該服時(shí)間的均勻性：古往今來(lái)的物理現(xiàn)象應(yīng)該服從相同的客觀規(guī)律。從相同的客觀

31、規(guī)律。v例如牛頓時(shí)代所做的一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，我們今天重復(fù)去做，得例如牛頓時(shí)代所做的一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，我們今天重復(fù)去做，得出的還是同一結(jié)果。出的還是同一結(jié)果。v因此時(shí)間的均勻性意味著：因此時(shí)間的均勻性意味著：當(dāng)時(shí)間的計(jì)算起點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，物理當(dāng)時(shí)間的計(jì)算起點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，物理規(guī)律規(guī)律(表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)方程表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)方程)的具體形式不會(huì)改變的具體形式不會(huì)改變。通常又說(shuō)物理。通常又說(shuō)物理規(guī)律對(duì)于時(shí)間平移變換具有不變性，也就是說(shuō)在一個(gè)具體的規(guī)律對(duì)于時(shí)間平移變換具有不變性，也就是說(shuō)在一個(gè)具體的物理規(guī)律中，如把時(shí)間變量進(jìn)行平移變換，所得的結(jié)果不變。物理規(guī)律中，如把時(shí)間變量進(jìn)行平移變換，所得的結(jié)果不變。所以，這種不變性表明，不同的時(shí)

32、刻在物理規(guī)律上是等價(jià)的。所以，這種不變性表明，不同的時(shí)刻在物理規(guī)律上是等價(jià)的。從這個(gè)意義上說(shuō)，我們看到了時(shí)間的對(duì)稱性。從這個(gè)意義上說(shuō)，我們看到了時(shí)間的對(duì)稱性。26 對(duì)稱性與物理定律對(duì)稱性與物理定律v空間方向的均勻性：在空間任何方向上所發(fā)空間方向的均勻性：在空間任何方向上所發(fā)生的物理現(xiàn)象，都服從相同的客觀規(guī)律。生的物理現(xiàn)象，都服從相同的客觀規(guī)律。v因此空間方向的均勻性因此空間方向的均勻性 (或或“空間的各向同性空間的各向同性”)意味意味著，當(dāng)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，物理規(guī)律的具體形式著，當(dāng)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，物理規(guī)律的具體形式不會(huì)改變，或者說(shuō)不會(huì)改變，或者說(shuō)物理規(guī)律對(duì)于空間方向轉(zhuǎn)動(dòng)下的坐物理規(guī)律

33、對(duì)于空間方向轉(zhuǎn)動(dòng)下的坐標(biāo)變換具有不變性標(biāo)變換具有不變性。這種不變性表明了物理空間中的。這種不變性表明了物理空間中的一切方向都是等價(jià)的，可以說(shuō)我們看到了空間方向的一切方向都是等價(jià)的，可以說(shuō)我們看到了空間方向的對(duì)稱性。對(duì)稱性。27 對(duì)稱性與物理定律對(duì)稱性與物理定律v空間的均勻性：空間各處的物理現(xiàn)象應(yīng)服從相同空間的均勻性：空間各處的物理現(xiàn)象應(yīng)服從相同的客觀規(guī)律。的客觀規(guī)律。v如果物理?xiàng)l件相同，同一物理實(shí)驗(yàn)無(wú)論放在哪里做，比如果物理?xiàng)l件相同，同一物理實(shí)驗(yàn)無(wú)論放在哪里做，比如北京或是上海，都會(huì)得到相同結(jié)果。如北京或是上海，都會(huì)得到相同結(jié)果。v因此空間的均勻性意味著：當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，物理規(guī)因此空間的均勻

34、性意味著：當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，物理規(guī)律律(表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)方程表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)方程)的具體形式不會(huì)改變。也可以表述的具體形式不會(huì)改變。也可以表述為：物理規(guī)律對(duì)于空間（具體表現(xiàn)為坐標(biāo)）平移變換具為：物理規(guī)律對(duì)于空間（具體表現(xiàn)為坐標(biāo)）平移變換具有不變性。因此這種不變性表明物理空間中一切點(diǎn)都是有不變性。因此這種不變性表明物理空間中一切點(diǎn)都是等價(jià)的，由此我們看到了空間的對(duì)稱性。等價(jià)的，由此我們看到了空間的對(duì)稱性。28 對(duì)稱性與物理定律對(duì)稱性與物理定律v最先注意到對(duì)稱性與某種守恒量相聯(lián)系的人是最先注意到對(duì)稱性與某種守恒量相聯(lián)系的人是德國(guó)女?dāng)?shù)德國(guó)女?dāng)?shù)學(xué)家諾特爾學(xué)家諾特爾。v諾特爾定律：作用量的每一種對(duì)稱性必定存在諾特爾

35、定律：作用量的每一種對(duì)稱性必定存在一個(gè)守恒量與之對(duì)應(yīng)。一個(gè)守恒量與之對(duì)應(yīng)。v物理規(guī)律在時(shí)間平移、空間平移及空間旋轉(zhuǎn)變換下的不物理規(guī)律在時(shí)間平移、空間平移及空間旋轉(zhuǎn)變換下的不變性，分別對(duì)應(yīng)于時(shí)間、空間以及空間方向的對(duì)稱性。變性，分別對(duì)應(yīng)于時(shí)間、空間以及空間方向的對(duì)稱性。而從時(shí)間的均勻性、空間的均勻性及空間方向的均勻性而從時(shí)間的均勻性、空間的均勻性及空間方向的均勻性（空間的各向同性）這些對(duì)稱性出發(fā)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评?，（空間的各向同性）這些對(duì)稱性出發(fā)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评恚涂梢詫?dǎo)出能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和角動(dòng)量守恒就可以導(dǎo)出能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和角動(dòng)量守恒定律。換句話說(shuō)，定律。換句話說(shuō)，能量守恒

36、是時(shí)間平移不變性的結(jié)果能量守恒是時(shí)間平移不變性的結(jié)果，動(dòng)量守恒是空間平移不變性的結(jié)果動(dòng)量守恒是空間平移不變性的結(jié)果，角動(dòng)量守恒是空間角動(dòng)量守恒是空間旋轉(zhuǎn)不變性的結(jié)果旋轉(zhuǎn)不變性的結(jié)果。29二、物理學(xué)方法二、物理學(xué)方法v什么是物理學(xué)方法？什么是物理學(xué)方法？v所謂物理學(xué)方法，它是指通過(guò)對(duì)物理現(xiàn)象和所謂物理學(xué)方法，它是指通過(guò)對(duì)物理現(xiàn)象和物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)，借助科學(xué)語(yǔ)言和數(shù)學(xué)公式，物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)，借助科學(xué)語(yǔ)言和數(shù)學(xué)公式，以嚴(yán)密的邏輯性和系統(tǒng)性所體現(xiàn)的、隱藏在以嚴(yán)密的邏輯性和系統(tǒng)性所體現(xiàn)的、隱藏在物理學(xué)定律和定理背后的關(guān)于對(duì)物質(zhì)世界的物理學(xué)定律和定理背后的關(guān)于對(duì)物質(zhì)世界的基本觀念和理解，透過(guò)這種理解而反映出對(duì)

37、基本觀念和理解，透過(guò)這種理解而反映出對(duì)自然界的深刻認(rèn)識(shí)的根本方法。自然界的深刻認(rèn)識(shí)的根本方法。301、以思辨方式為主的邏輯方法、以思辨方式為主的邏輯方法v邏輯方法是人們?cè)谶壿嬎季S過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)實(shí)邏輯方法是人們?cè)谶壿嬎季S過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)實(shí)材料，按照邏輯思維的規(guī)律和規(guī)則，形成概念材料，按照邏輯思維的規(guī)律和規(guī)則，形成概念并做出判斷和進(jìn)行推理的方法。邏輯方法是科并做出判斷和進(jìn)行推理的方法。邏輯方法是科學(xué)研究中的理性方法，也是人們正確表述思想學(xué)研究中的理性方法，也是人們正確表述思想和互相交流必不可少的一種思維方法。和互相交流必不可少的一種思維方法。v最先開(kāi)創(chuàng)邏輯方法的人是古希臘思想家、哲學(xué)家泰勒斯。最先開(kāi)

38、創(chuàng)邏輯方法的人是古希臘思想家、哲學(xué)家泰勒斯。v之后，柏拉圖建立了以之后，柏拉圖建立了以“理念論理念論”為核心的客觀唯心主為核心的客觀唯心主義體系。義體系。v亞里士多德關(guān)于邏輯學(xué)的大部分論著匯集在他的著作亞里士多德關(guān)于邏輯學(xué)的大部分論著匯集在他的著作工具論工具論中，其中最知名的內(nèi)容就是他關(guān)于中，其中最知名的內(nèi)容就是他關(guān)于“邏輯三邏輯三段論段論”的學(xué)說(shuō)。的學(xué)說(shuō)。312、以實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)、以實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)歸納歸納演繹方法演繹方法v如果說(shuō)，亞里士多德的邏輯方法還是一個(gè)以思辨如果說(shuō)，亞里士多德的邏輯方法還是一個(gè)以思辨為主、單純觀察為輔的方法，涉及的是關(guān)于如何為主、單純觀察為輔的方法，涉及的是關(guān)于如何進(jìn)行正確思維的問(wèn)題，那么，首先由羅吉爾進(jìn)行正確思維的問(wèn)題，那么，首先由羅吉爾 培根培根提