現代科技概論計算機

現代科學技術概論：物理學AnIntroductiontoModernScienceandTechnology：Physics目前一頁\總數四十一頁\編于十四點19世紀末20世紀初的物理學革命

Physics

Revolutionin19C-20C目前二頁\總數四十一頁\編于十四點古典物理學的頂峰與物理學危機

Thezenithandcrisisofclassicalphysics19世紀末古典物理學大廈建成形成牛頓力學體系為中心，聲學、熱學、光學和電磁學大一統，小到原子、大到宇宙天體的世界圖景，使物理學顯示出一種形式上的完整，被譽為“一座莊嚴雄偉的建筑體系和動人心弦的美麗的廟堂”。量子力學奠基人普朗克的老師約利就曾勸說普朗克不要學習物理，因為“這門科學中的一切都已經被研究了，只有一些不重要的空白需要被填補”。大部分人認為，物理學大廈已經最終建成，剩下的工作只是把物理常數的測量弄得再準確一些。目前三頁\總數四十一頁\編于十四點古典物理學的頂峰與物理學危機

Thezenithandcrisisofclassicalphysics19世紀末古典物理學大廈建成動力學理論斷言，熱和光都是運動的方式。但現在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽，顯得黯然失色了……在熱和光動力理論上空的19世紀烏云開爾文勛爵(LordKelvin)，1900年目前四頁\總數四十一頁\編于十四點物理學晴朗天空中的兩朵烏云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds1886年，美國物理學家邁克爾遜和莫雷進行探測光以太對于地球的漂移速度的實驗，在人們當時的觀念里，以太代表了一個絕對靜止的參考系，而地球穿過以太在空間中運動，就相當于一艘船在高速行駛，迎面會吹來強烈的“以太風”。這可能是當時物理史上進行過的最精密的實驗了，但是邁克爾遜和莫雷一連觀測了數天，沒有觀測到以太的飄移速度，以失敗告終。邁克爾遜-莫雷實驗的零結果

Michelson–Morleyexperiment

難以觀測到以太的絕對運動，這便動搖了經典物理學和經典時空觀的基礎目前五頁\總數四十一頁\編于十四點物理學晴朗天空中的兩朵烏云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領比較強，比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80％左右。所謂“黑體”是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100％的理想物體。黑體輻射與紫外災難

BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe英國物理學家瑞利和物理學家、天文學家金斯認為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利一金斯公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，而實驗數據是趨于零，這部分的嚴重偏離，被稱為“紫外災難”。目前六頁\總數四十一頁\編于十四點物理學晴朗天空中的兩朵烏云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds黑體輻射與紫外災難

BlackBodyRadiationandtheUltravioletCatastrophe目前七頁\總數四十一頁\編于十四點物理學晴朗天空中的兩朵烏云

Thephysicalskyisobscuredbytwoclouds邁克爾遜-莫雷實驗相對論黑體輻射與紫外災難量子力學目前八頁\總數四十一頁\編于十四點世紀之交的物理學

PhysicsattheturnofcenturyX射線：倫琴(WilhelmConradRoentgen)放射性：居里夫婦(MarieandPierreCurie)電子：湯姆孫(JosephJohnThomson)原子結構：盧瑟福(ErnestRutherford)量子：普朗克(MaxPlanck)目前九頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld早在16歲時愛因斯坦就在想一個問題，如果一個人以光速遠行，他將看到一幅什么樣的世界景象呢，電磁波是不是就像凝固了那樣靜止不動呢，如果是那樣，電動力學就完了?？雌饋?，電動力學的麥克斯韋方程只對一個絕對靜止不動的參考系即以太參考系是成立的。可是這與牛頓力學所遵從的慣性系等效原理相矛盾。所有的牛頓定律對于所有的慣性系都是成立的，伽利略恰當地稱之為相對性原理。他的著名實驗是，一個坐在船艙里的人無論用什么物理實驗，也無法確定該船是否在相對于河流做均勻直線運動即慣性運動?？墒牵妱恿W為什么不遵從伽利略的相對性原理呢?目前十頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld

在伯爾尼專利局的歲月里，愛因斯坦廣泛關注著物理學界的前沿動態(tài)，在許多問題上深入思考，形成了自己獨特的見解。1905年是科學史上值得記取的一年，這一年中，愛因斯坦在德國《物理學年鑒》發(fā)表了五篇論文，其中的三篇每篇均屬劃時代的成就。目前十一頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld第一篇論文發(fā)表在《物理學年鑒》第17卷132-148頁，是關于光電效應的。當時人們已經發(fā)現，金屬在光的照射下可以發(fā)射出電子。但奇怪的是，光的強度只與電子的多少有關，而不能使電子的發(fā)射能量變大。對這一點古典物理學無法解釋。愛因斯坦將德國物理學家普朗克在此之前提出的量子觀點大膽推廣，指出光是由一定能量的光量子組成。正是這些光量子激發(fā)了金屬內部的電子，而且，只有一定能量的光量子能被金屬所吸收，并激發(fā)一定能量的電子。這就解釋了光電效應。由于這篇論文，愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理獎。目前十二頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld第二篇論文發(fā)表在《物理學年鑒》第17卷549-560頁，是關于布朗運動的。布朗運動是1827年英國植物學家布朗發(fā)現的顯微鏡下花粉顆垃的無規(guī)則運動，長期以來得不到解釋。分子運動論建立之后，曾有人從大量分子無規(guī)則運動的觀點解釋布朗運動。但愛因斯坦第一個從數學上詳盡地解決了這一問題。最偉大的成就是第三篇論文《論動體的電動力學》，刊于《物理學年鑒》第17卷第89l-921頁。在這篇論文中，愛因斯坦提出了他舉世聞名的相對性理論即相對論。這是他多年來思考以太與電動力學問題的結果。他以同時性的相對性這一點作為突破口，建立了全新的時間和空間理論。并在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式。目前十三頁\總數四十一頁\編于十四點《論動體的電動力學》，刊于《物理學年鑒》第17卷第89l-921頁。目前十四頁\總數四十一頁\編于十四點狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：慣性參照系等價：同時性的相對性光速不變廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：引力質量=慣性質量，等效原理火箭實驗(升降機實驗)相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld目前十五頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：光速不變在所有慣性系中，真空中的光速都等于

299792458m/s2.慣性參照系等價：同時性的相對性在所有慣性系中，物理定律有相同的表達形式。目前十六頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：3.尺縮鐘慢效應（lengthcontractionandtimedilation）尺縮：物體相對于觀察者為靜止時，該物體的長度測量值最大；當它相對于觀察者運動時，在它的運動方向上，該物體的長度測量值要縮短，速度越快，縮短越多。鐘慢：發(fā)生在運動物體上的過程，在靜止的觀察者看來都變慢了。目前十七頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：3.雙生子佯謬（Twinparadox）有一對雙生兄弟，其中一個跨上一宇宙飛船作長程太空旅行，而另一個則留在地球。結果當旅行者回到地球后，我們發(fā)現他比他留在地球的兄弟更年青。但如果我們從宇宙飛船上的兄弟的角度去想這個問題，我們似乎會得出矛盾的結果：旅行者在宇宙飛船中會看到地球以高速離他而去，然后又高速回來。他可以認為他在地球上的兄弟才是移動時鐘，所以是他的兄弟才會受時間膨脹所影響，而不是他自己。目前十八頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：4.四維時空（4Dspace-time）經典力學中，時間和空間是互不相干的兩種實在。而在相對論中，時間坐標和空間坐標由洛倫茲變換緊密聯系在一起，時間和空間實際上構成了一個存在緊密聯系的不可分割的統一體。5.速度變換公式（TransformationofVelocities）若u等于c時，公式為1，即為光速不變原理；若u和v極小于c，即為經典力學中的速度疊加公式。這也反映了相對論力學對經典力學的兼容。目前十九頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld狹義相對論（1905，SpecialRelativity）：6.質能方程（Mass-energyequivalence）物體的質量隨其運動速度增加而增加，根據質量是動量與速度之比，可以建立質量與能量之間的內在聯系，即質能關系式：目前二十頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：1905年愛因斯坦發(fā)表狹義相對論后，他開始著眼于如何將引力納入狹義相對論框架的思考。以一個處在自由落體狀態(tài)的觀察者的理想實驗為出發(fā)點，他從1907年開始了長達八年的對引力的相對性理論的探索。在歷經多次彎路和錯誤之后，他于1915年11月在普魯士科學院上做了發(fā)言，其內容正是著名的愛因斯坦引力場方程。這個方程描述了處于時空中的物質是如何影響其周圍的時空幾何，并成為了愛因斯坦的廣義相對論的核心。廣義相對論是愛因斯坦于1916年發(fā)表的用幾何語言描述的引力理論，它代表了現代物理學中引力理論研究的最高水平。廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，并在此基礎上應用等效原理而建立。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率）；而這種時空曲率與處于時空中的物質與輻射的能量-動量張量直接相聯系，其聯系方式即是愛因斯坦的引力場方程（一個二階非線性偏微分方程組）。目前二十一頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：等效原理認為引力質量和慣性質量是等同的，或者說，兩個空間分別受到引力和與之等大的慣性力的作用，在這兩個空間中從事一切實驗，都將得出同樣的物理規(guī)律。1.引力質量=慣性質量，等效原理（Equivalenceprinciple）小球落到正在加速的火箭的地板上（左）和落到地球上（右），處在其中的觀察者會認為這兩種情形下小球的運動軌跡沒有什么區(qū)別目前二十二頁\總數四十一頁\編于十四點愛因斯坦升降機：設想觀察者在一個密封的箱子中在引力場中自由下落，他將處于一種失重狀態(tài)。假定觀察者無法看到箱子外面的情況，那么他將無法區(qū)分自己所在的箱子到底是在引力場中自由下落，還是在無引力的太空中作慣性運動。因為在這兩種情況下，觀察者都同樣看到箱子中一切物體都處于失重狀態(tài)。目前二十三頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：廣義相對論的定律——以及在廣義相對論框架中得到的物理定律——在所有參考系中具有相同的形式。或者說，物理定律的形式在所有的觀察者看來都是相同的，自然規(guī)律同我們引進的坐標系無關。2.廣義協變原理（Generalcovarianceprinciple）這一原理的前提是認為慣性質量與引力質量相等。引力質量與慣性質量相等是一個觀測的事實，愛因斯坦則把它解釋為同一本質的體現。引力場中的牛頓方程式：（慣性質量）×（加速度）＝（引力質量）×（引力強度）慣性質量同引力質量相等就意味著：引力場加給物體的加速度同物體的本性無關。也就是說，在引力場中的同一地點，一切物體的加速度都是相同的（引力場的特征性質）。目前二十四頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：由于在廣義相對論中時空是彎曲的，故歐氏幾何不復有效，需用黎曼幾何描述。廣義相對論指出時空彎曲的曲率取決于物質的分布，引力不過是時空彎曲的“效應”，這就取消了牛頓萬有引力的假定。從廣義相對論的觀點看來，地球繞太陽運動是由于太陽的巨大質量，使太陽周圍的時空發(fā)生了彎曲，并不是因為存在什么神秘的引力。3.廣義相對論與萬有引力（G.R.&universalgravitation）目前二十五頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：4.水星近日點的進動（PerihelionprecessionofMercury）1845年法國天文學家勒維列發(fā)現水星近日點在不斷前移，根據牛頓理論計算，在考慮所有可能攝動影響之后，仍有每百年43秒的差異無法解釋。因此就預言“火神星”的存在，然而經過幾十年的尋找還是毫無結果。根據廣義相對論的計算，水星近日點本來就應當有43秒的進動，根本不存在“火神星”。目前二十六頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：4.光線在引力場中的偏轉（deflectionoflightbythesun'sgravitationalfield）愛因斯坦根據等效原理預言，光線經過太陽邊緣時由于太陽引力的作用會產生彎曲，要發(fā)生1.7秒的偏轉，偏角為0.83″，也就是說從地球上觀察太陽附近的星星視位置會變化。他指出這一現象可以在日全食進行觀測。英國天文學家愛丁頓利用將要發(fā)生日全蝕的機會驗證這一偉大理論。根據非洲幾內亞灣的普林西比島和南美洲的索布臘爾的觀測結果，分別是1.61±0.30秒和1.98±0.12秒，愛因斯坦的預言得到了證實。目前二十七頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：4.光線在引力場中的偏轉（deflectionoflightbythesun'sgravitationalfield）目前二十八頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld廣義相對論（1913，GeneralRelativity?）：5.引力紅移（Gravitationalredshift）光波或者其他波動從重力場源(如巨大星體或黑洞)遠離時，整體頻譜會往紅色端方向偏移，亦即發(fā)生“頻率變低，波長增長”的現象。質量龐大的星球上所發(fā)出的光遠離星球時，會發(fā)生紅位移——從藍色偏到紅色。1925年，美國天文學家亞當斯對天狼伴星的光譜線的觀測證實了引力頻移。目前二十九頁\總數四十一頁\編于十四點相對論：世界圖景的重建

Theoryofrelativity:reconstructingthepictureoftheworld相對論的意義：相對論的建立，深刻地揭示出時間、空間、物質及其運動的統一性，從而改變了人們所習慣的關于時間和空間的傳統看法即絕對時空觀，并為辯證唯物主義的時空觀提供了充分的科學依據。同時，相對論作為人們探索自然奧秘的強有力的理論武器，不僅為物理學的發(fā)展開辟了一個全新的方向，而且為現代科學技術的發(fā)展奠定了牢固的基礎。因此，無論在科學上還是在哲學世界觀與方法論，無論在理論上還是在實踐上，相對論都具有極其重要的意義，而愛因斯坦也因此成為繼牛頓之后最偉大的科學巨人。目前三十頁\總數四十一頁\編于十四點量子力學的建立

QuantumMechanics普朗克的量子假說（1900，Planck’squantumhypothesis）：普朗克在解決黑體輻射問題時，提出了普朗克公式。但是在引導這個公式時，他不得不假設這些原子諧振子的能量，不是連續(xù)的，而是離散的（經典物理學的觀點恰好相反）：能量吸收和輻射的離散性。En

=nhv(n=0,1,2,3,…)這里n為量子數，h為自然常數（普朗克常數），v為頻率。能量的最小單位為“量子”，其改變值是最小能量E的整數倍。氫原子的電子云的概率密度：從上向下為主量子數n（1、2、3），目前三十一頁\總數四十一頁\編于十四點量子力學的建立

QuantumMechanics普朗克的量子假說（1900，Planck’squantumhypothesis）：目前三十二頁\總數四十一頁\編于十四點量子力學的建立

QuantumMechanics愛因斯坦的光量子假說（1905，Einstein’sLightQuantumHypothesis）光電效應指的是某些物體如金屬內的電子由于光照而移出物體的表面現象。經典電磁理論無法對此做出解釋，因為是波動說。愛因斯坦認為，光是以速度c在真空中運動著的微粒流，微粒即“光量子”或“光子”。當光照射到物體表面時，能力為hv的光子被電子吸收，電子把這份能量中的一部分用來克服物體表面對它的的束縛力，另一部分則變?yōu)樗x開物體表面的動