近代物理學(xué)的奠基者

近代物理學(xué)的奠基者第1頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四經(jīng)典力學(xué)奠基者（17世紀(jì)初）經(jīng)典力學(xué)建立者（17世紀(jì)晚期）從經(jīng)典力學(xué)發(fā)展到量子論、相對(duì)論（19世紀(jì)末～20世紀(jì)初）伽利略（意）牛頓（英）普朗克（德）愛(ài)因斯坦（德）近代物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程第2頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四■巨人肩上的思索■1、背景在中世紀(jì)的歐洲，亞里士多德的學(xué)說(shuō)長(zhǎng)期被教會(huì)奉為教條。近代科學(xué)誕生后，亞里士多德的力學(xué)不斷受到質(zhì)疑。第3頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

伽利略（1564—1642），偉大的意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家，他開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系和數(shù)學(xué)表述形式的近代科學(xué)，被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。他第一個(gè)把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天空進(jìn)行觀測(cè)，出版了《星空使者》一書。1632年，他出版了《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》，把哥白尼學(xué)說(shuō)推到最終勝利的階段。2、伽利略的貢獻(xiàn)第4頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）勻速運(yùn)動(dòng)、勻加速運(yùn)動(dòng)（2）自由落體定律（3）用自己制造的望遠(yuǎn)鏡證明了哥白尼的“日心說(shuō)”

1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“自由落體”的著名實(shí)驗(yàn)，從此推翻了亞里士多德“物體落地下的速度和重量成比例”的學(xué)說(shuō)，糾正了這個(gè)持續(xù)了1900年之久的錯(cuò)誤結(jié)論。第5頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、牛頓的貢獻(xiàn)第6頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1666年秋天的一個(gè)傍晚，牛頓坐在花園的蘋果樹下，正在考慮一個(gè)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。忽然一只熟透的蘋果掉了下來(lái)，正好落在牛頓的前面。這只蘋果引起了牛頓的注意。他想，蘋果為什么不向天上飛，也不向前后左右落，而偏偏垂直地落到地面上呢？肯定是地球在吸引它。既然地球能吸引離地面這么高的蘋果樹上的蘋果，那它也肯定在吸引著月亮。經(jīng)過(guò)研究、演算和論證，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律?！浴犊茖W(xué)簡(jiǎn)史》第7頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）牛頓的運(yùn)動(dòng)三大定律構(gòu)成了近代力學(xué)體系的基礎(chǔ)，成為整個(gè)近代物理學(xué)的重要支柱。（2）牛頓的萬(wàn)有引力定律（3）科學(xué)巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》總結(jié)了他的力學(xué)體系及數(shù)學(xué)、天文學(xué)方面的研究成果。慣性定律加速度定律作用力和反作用力定律牛頓的運(yùn)動(dòng)三大定律萬(wàn)有引力定律經(jīng)典力學(xué)體系第8頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

我之所以能比別人看得遠(yuǎn)些，是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟稀?/p>

——牛頓第9頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、重大意義（1）牛頓力學(xué)體系對(duì)自然界的力學(xué)現(xiàn)象做了系統(tǒng)合理的說(shuō)明，從而完成了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)史上的第一次理論大綜合。（2）萬(wàn)有引力定律不僅適用于太陽(yáng)系而且適用于用于一切天體運(yùn)動(dòng)和宇宙中的所有物體。使力學(xué)和天文學(xué)在理論上達(dá)到相當(dāng)完備的程度，并且在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到廣泛的應(yīng)用和驗(yàn)證，根據(jù)萬(wàn)有引力定律，人們準(zhǔn)確地算出了地球的平均密度和扁平度，正確地解釋了潮汐的成因。還在理論上首先預(yù)測(cè)了海王星的存在。（立。第10頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3）從此，科學(xué)擺脫了神學(xué)的束縛向前發(fā)展，成為近代科學(xué)形成的標(biāo)志。19世紀(jì)近代科學(xué)進(jìn)入全面繁榮時(shí)期，各門自然科學(xué)的理論體系紛紛建立。第11頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)第12頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四■驅(qū)走烏云的太陽(yáng)■質(zhì)疑與思考：經(jīng)典力學(xué)體系是最完美的物理學(xué)理論嗎？19世紀(jì)末，面對(duì)經(jīng)典物理學(xué)近乎完美的發(fā)展，有的物理學(xué)家表示：“19世紀(jì)已經(jīng)將物理大廈全部建成，今后物理學(xué)家只是修飾和完美這座大廈?！?/p>

經(jīng)典物理學(xué)是以日常生活中常見(jiàn)的低速運(yùn)動(dòng)的物體為研究對(duì)象的，一旦進(jìn)入光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)的某些結(jié)論就變得不準(zhǔn)確。第13頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

19世紀(jì)末，物理學(xué)界連續(xù)發(fā)生了三個(gè)重大事件，這就是X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)。這三大發(fā)現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)事實(shí)使得原子不可分、不變化的傳統(tǒng)觀念發(fā)生了動(dòng)搖。物理學(xué)家們?cè)J(rèn)為的似乎已經(jīng)基本上完成了的經(jīng)典物理學(xué)體系，從根本上出現(xiàn)了動(dòng)搖，這就是所謂的“物理學(xué)危機(jī)”。過(guò)去的物理學(xué)都以牛頓的理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的，兩者是沒(méi)有任何直接聯(lián)系的。似乎宇宙間存在著一個(gè)永遠(yuǎn)走動(dòng)著的大鐘，在任何情況下，它的速率永遠(yuǎn)都是相同的，世界上的一切運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上都以它為度量標(biāo)準(zhǔn)。第14頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、背景（1）19世紀(jì)的物理學(xué)領(lǐng)域，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)，形成了完整的理論體系；（2）19世紀(jì)末，物理學(xué)界的重大研究課題士黑體輻射，量子理論就是在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的。2、誕生（1）奧地利斯蒂芬：1879年發(fā)現(xiàn)黑體輻射的總能量與其溫度之間的定量關(guān)系；（2）德國(guó)普朗克：1900年在《關(guān)于正常光譜能量分布定律的理論》中提出量子概念。標(biāo)志著量子理論的誕生。第15頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四普朗克，生于基爾。1879年普朗克在慕尼黑大學(xué)獲得博士學(xué)位后，先后在慕尼黑大學(xué)和基爾大學(xué)任教。由于量子論創(chuàng)立，普朗克獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第16頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、發(fā)展（1）德國(guó)愛(ài)因斯坦：1905年解釋光電效應(yīng)，得出了光具有波粒二象性的結(jié)論；（2）法國(guó)德布羅意：1923年提出物質(zhì)波理論；（3）奧、德物理學(xué)家：建立量子力學(xué)。4、意義（1）量子力學(xué)成為反映自然界基本規(guī)律的理論體系，指導(dǎo)人們向物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的各個(gè)層面進(jìn)行深入探討；（2）理論從根本上改變了近代物理學(xué)中的傳統(tǒng)觀念，使物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)的觀念都發(fā)生重大變革。第17頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1999年12月，在20世紀(jì)最后一期的《時(shí)代》周刊中，評(píng)出了一位“世紀(jì)人物”。該刊稱贊他為“天才、政治難民、人道主義者、原子彈和宇宙迷的開啟者”，“以其偉大的思想和無(wú)與倫比的形象獨(dú)占鰲頭”。第18頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四■愛(ài)因斯坦的“時(shí)空”■狹義相對(duì)論發(fā)表100周年，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。

第19頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、狹義相對(duì)論2、廣義相對(duì)論創(chuàng)立內(nèi)容意義1905年《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》1916年（1）時(shí)間和空間都與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)；（2）時(shí)間和空間隨著物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度的變化而變化（1）物質(zhì)存在的現(xiàn)實(shí)空間是彎曲的（2）空間結(jié)構(gòu)取決于物質(zhì)的質(zhì)量和分布情況（3）空間彎曲的程度體現(xiàn)為引力場(chǎng)強(qiáng)度（4）空間時(shí)間不是獨(dú)立的存在，它們是物質(zhì)的存在形式。打破絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間，但不是對(duì)牛頓力學(xué)的全盤否定，而是繼承和發(fā)展第一次闡述了思維時(shí)空和物質(zhì)的分布相聯(lián)系的重要思想第20頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四這個(gè)故事形象地說(shuō)明了時(shí)間和空間的相對(duì)性愛(ài)因斯坦關(guān)于相對(duì)論的比喻：

為了對(duì)這一深?yuàn)W的理論做通俗的說(shuō)明，愛(ài)因斯坦曾經(jīng)風(fēng)趣地對(duì)一名男青年說(shuō)：“我打個(gè)比方，比如你屁股坐在火爐上烤和坐在公園柳蔭下與女士談情說(shuō)愛(ài)，那么，同樣的時(shí)間你覺(jué)得哪一個(gè)更長(zhǎng)？”男青年說(shuō)：“當(dāng)然坐在火爐上烤的時(shí)間覺(jué)得長(zhǎng)久?！睈?ài)因斯坦說(shuō)：“這就是我的相對(duì)論內(nèi)容?！钡?1頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四愛(ài)因斯坦的“時(shí)空彎曲”概念第22頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、意義（1）相對(duì)論的建立是對(duì)近代物理學(xué)理論框架的重大突破，深刻揭示了空間和時(shí)間的本質(zhì)屬性。（2）這種全新的時(shí)空觀，運(yùn)動(dòng)觀和物質(zhì)觀的形成，是人類思想發(fā)展史中的一次根本性變革，對(duì)整個(gè)自然科學(xué)和哲學(xué)都產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。量子