近代物理學(xué)奠基人和革命者自己

近代物理學(xué)奠基人和革命者自己第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五一、認(rèn)識史上的飛躍1、背景認(rèn)為必須有力的作用在物體上，物體才能運(yùn)動，沒有力的作用，物體就會停止。在中世紀(jì)的歐洲長期被教會奉為教條。

（1）亞里斯多德的學(xué)說第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五

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)了以實驗事實為根據(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”。他第一個把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)天空進(jìn)行觀測，用自己制作的望遠(yuǎn)鏡證明了哥白尼的“日心說”，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話》，把哥白尼學(xué)說推到最終勝利的階段。（2）伽利略的貢獻(xiàn)第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五創(chuàng)立自由落體定律1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“自由落體”的著名實驗，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，糾正了這個持續(xù)了1900年之久的錯誤結(jié)論。突出成就：通過觀察、實驗和推理得出結(jié)論第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五你知道牛頓撿到了哪些“光滑的卵石”和“美麗的貝殼”？

“我好像是一個在海邊玩耍的孩子，為不時發(fā)現(xiàn)比通常更光滑的卵石或更美麗的貝殼而歡欣鼓舞，面對展現(xiàn)在我面前的浩瀚的真理的海洋，卻全然沒有發(fā)現(xiàn)。”

——牛頓臨終遺言2、飛躍（牛頓經(jīng)典力學(xué)體系的建立）第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五（1）內(nèi)容牛頓（1642—1727）牛頓曾經(jīng)使用過的望遠(yuǎn)鏡第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五

1666年秋天的一個傍晚，牛頓坐在花園的蘋果樹下，正在考慮一個運(yùn)動的問題。忽然一只熟透的蘋果掉了下來，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)過研究、演算和論證，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。——引自《科學(xué)簡史》第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五①牛頓的運(yùn)動三大定律構(gòu)成了近代力學(xué)體系的基礎(chǔ)，成為整個近代物理學(xué)的重要支柱。②牛頓的萬有引力定律慣性定律加速度定律作用力和反作用力定律牛頓的運(yùn)動三大定律萬有引力定律經(jīng)典力學(xué)體系慣性定律、加速度定律和作用力與反作用力定律第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五英國著名詩人波普曾寫過一首贊美牛頓的詩：自然和自然界的規(guī)律，隱藏在黑暗里。上帝說：“讓牛頓去吧!”于是，一切成為光明。

我之所以能比別人看得遠(yuǎn)些，是因為我站在巨人們的肩上。

——牛頓（2）標(biāo)志1687年科學(xué)巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的發(fā)表3、意義第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五“牛頓的發(fā)現(xiàn)，給人類帶來從未有過的自信。曾經(jīng)匍匐在上帝腳下的人類，終于大膽地抬起頭來，開始用自己的理性的眼光大量世界。”第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五（1）牛頓力學(xué)體系對自然界的力學(xué)現(xiàn)象做了系統(tǒng)合理的說明，從而完成了人類對自然界認(rèn)識史上的第一次理論大綜合。（2）萬有引力定律適用于一切天體運(yùn)動和宇宙中的所有物體。其確立使力學(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)實驗中得到廣泛的應(yīng)用和驗證，成為近代科學(xué)形成的標(biāo)志。（3）萬有引力定律準(zhǔn)確算出了地球的平均密度和扁平率，正確解釋了潮汐的成因。（海王星的發(fā)現(xiàn)）3、意義從此，科學(xué)擺脫了神學(xué)的束縛向前發(fā)展，19世紀(jì)進(jìn)入全面繁榮時期，各門自然科學(xué)的理論體系紛紛建立。第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五對地球認(rèn)識的變化第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五1781年天王星被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家用牛頓力學(xué)計算它的軌道，可是計算結(jié)果總是同觀測紀(jì)錄不大相符。經(jīng)反復(fù)核算，觀測無誤。那問題是否出現(xiàn)在牛頓力學(xué)上面？法國的勒維列和英國的亞當(dāng)斯堅信牛頓力學(xué)的正確，大膽猜想計算結(jié)果之所以不理想，是因為太陽系中還有一顆未知的行星，我們沒有考慮到它對天王星的引力作用。他們用牛頓力學(xué)算出了這顆未知行星的位置和質(zhì)量。1848年9月23日，柏林天文臺臺長在收到勒維列來信的當(dāng)晚，用望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)勒維列所指出的位置，一下子就看到了一顆新的行星—海王星。勒維列無需觀測星空，就在筆尖上發(fā)現(xiàn)了新行星。牛頓力學(xué)又創(chuàng)造了新的奇跡。

海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五哈雷慧星軌道的推算

長期以來，人們一直認(rèn)為彗星是神秘的，不吉利的災(zāi)星，根本不能用科學(xué)來說明。牛頓的好友哈雷用牛頓力學(xué)算出了1682年出現(xiàn)的彗星的軌道，指出它的回歸周期是75—76年，由此預(yù)言它將在1758年再次出現(xiàn)。53年以后的1758年（當(dāng)時哈雷已去世），這顆彗星果然如期出現(xiàn)。哈雷慧星的發(fā)現(xiàn)驗證了萬有引力定律的科學(xué)性。第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五

“走進(jìn)威斯敏斯特教堂，人們所瞻仰的不是君王們的陵寢，而是國家為感謝那些為國增光的最偉大人物建立的紀(jì)念碑。這便是英國人民對于才能的尊敬?！保鼱柼┪挥谟鴤惗赝姑羲固亟烫玫陌隹恕づｎD勛爵墓地

第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五質(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。”

高速運(yùn)動的微觀粒子發(fā)生的現(xiàn)象，是經(jīng)典力學(xué)無法解釋的！

經(jīng)典物理學(xué)是以日常生活中常見的低速運(yùn)動的物體為研究對象的，一旦進(jìn)入光速運(yùn)動時，經(jīng)典物理學(xué)的某些結(jié)論就變得不準(zhǔn)確。第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五19世紀(jì)末，物理學(xué)界連續(xù)發(fā)生了三個重大事件，這就是X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)。這三大發(fā)現(xiàn)以實驗事實使得原子不可分、不變化的傳統(tǒng)觀念發(fā)生了動搖。物理學(xué)家們曾認(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)了動搖，這就是所謂的“物理學(xué)危機(jī)”。

過去的物理學(xué)都以牛頓的理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為時間和空間是絕對的，兩者是沒有任何直接聯(lián)系的。似乎宇宙間存在著一個永遠(yuǎn)走動著的大鐘，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)動在時間上都以它為度量標(biāo)準(zhǔn)。二、驅(qū)走烏云的太陽第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五（1）19世紀(jì)的物理學(xué)領(lǐng)域，在牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上，聲學(xué)、光學(xué)、電磁和熱學(xué)有了進(jìn)一步發(fā)展。（2）19世紀(jì)末，物理學(xué)界的重大研究課題是黑體輻射，量子理論就是在此過程中發(fā)現(xiàn)的。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。1、背景2、量子論的誕生和發(fā)展（1）誕生第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五黑體輻射任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射。為了研究，物理學(xué)家們定義了一種理想物體——黑體(blackbody)，以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體。

所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射(當(dāng)然黑體仍然要向外輻射)。第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五普朗克，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。普朗克是德國人所具有的最好品質(zhì)的范例：誠懇、忠于職守，他的業(yè)余愛好是音樂，在這方面表現(xiàn)了專業(yè)藝術(shù)才干；另一項業(yè)余愛好是他一直堅持到晚年的登山運(yùn)動。

量子力學(xué)的創(chuàng)立者第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五普朗克與愛因斯坦在一起第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五（1）德國愛因斯坦：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)。（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)動的各個層面進(jìn)行深入探討；（2）該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)乃至整個自然科學(xué)的觀念都發(fā)生重大變革。（2）發(fā)展3、意義第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五量子論確實深奧難懂，甚至連量子論奠基人之一的玻爾都說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！钡诙摚踩屙?，編輯于2023年，星期五

1999年12月，在20世紀(jì)最后一期的《時代》周刊中，評出了一位“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與倫比的形象獨占鰲頭”。第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五狹義相對論發(fā)表100多年，也許全世界只有幾十個人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對論對人類生活的巨大改變。

三、愛因斯坦的“時空”

1、相對論的主要內(nèi)容第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五1、狹義相對論2、廣義相對論創(chuàng)立內(nèi)容意義1905年《論動體的電動力學(xué)》1916年（1）時間和空間都與物質(zhì)運(yùn)動有關(guān)；（2）時間和空間隨著物質(zhì)運(yùn)動的速度的變化而變化（1）物質(zhì)存在的現(xiàn)實空間是彎曲的（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)為引力場強(qiáng)度打破絕對時間和絕對空間，但不是對牛頓力學(xué)的全盤否定，而是繼承和發(fā)展第一次闡述了四維時空和物質(zhì)的分布相聯(lián)系的重要思想第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五愛因斯坦的“時空彎曲”概念第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五這個故事形象地說明了時間和空間的相對性愛因斯坦關(guān)于相對論的比喻：

為了對這一深奧的理論做通俗的說明，愛因斯坦曾經(jīng)風(fēng)趣地對一名男青年說：“我打個比方，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愛，那么，同樣的時間你覺得哪一個更長？”男青年說：“當(dāng)然坐在火爐上烤的時間覺得長久?！睈垡蛩固拐f：“這就是我的相對論內(nèi)容?！钡诙隧?，共三十五頁，編輯于2023年，星期五（1）相對論的建立是對牛頓力學(xué)體系的繼承和發(fā)展，是對近代物理學(xué)理論框架的重大突破，深刻揭示了空間和時間的本質(zhì)屬性。（2）這種全新的時空觀，運(yùn)動觀和物質(zhì)觀的形成，是人類思想發(fā)展史中的一次根本性變革，對整個自然科學(xué)和哲學(xué)都產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。（3）同量子論一起構(gòu)成代物理學(xué)的基本理論框架。2、意義第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五愛因斯坦與奧本海默第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五探究：相對論和牛頓經(jīng)典力學(xué)之間的關(guān)系既否定有發(fā)展的關(guān)系1、繼承、發(fā)展（1）牛頓力學(xué)體系反映的是宏觀物體低速運(yùn)動的客觀規(guī)律；相對論反映的是物體高速運(yùn)動的客觀規(guī)律，是對牛頓力學(xué)的繼承和發(fā)展。（2）相對論發(fā)展了牛頓力學(xué)，把牛頓力學(xué)概括在相對論力學(xué)之中。牛頓力學(xué)只是相對論力學(xué)在低速運(yùn)動狀態(tài)下的一個特例。2、否定相對論否定了牛頓力學(xué)體系的絕對時空觀，提出時空不是絕對不變的，而是隨著物質(zhì)的運(yùn)動而變化，物質(zhì)質(zhì)量隨運(yùn)動速度的變化而變化，并提出了質(zhì)能轉(zhuǎn)化原理，奠定了利用原子能的理論基礎(chǔ)，加深了人們對物質(zhì)和運(yùn)動的認(rèn)識，具有了科學(xué)和哲學(xué)的雙重意義。第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五1955年4月18日因主動脈瘤破裂逝世于普林斯頓。遵照他的遺囑，不發(fā)訃告，不舉行公開葬禮，不建墳?zāi)梗涣⒓o(jì)念碑?；鸹瘯r按照他的書面遺囑：免除所有花卉布置以及所有音樂典禮。骨灰撒在永遠(yuǎn)對人保密的地方，為的是不使任何地方成為圣地。遺囑執(zhí)行者用歌德悼念席勒的詩結(jié)束了那樸素的葬禮：

我們?nèi)极@益不淺，

全世界都感謝他的教誨；

那專屬他個人的東西，

早已傳遍廣大人群。他像行將隕滅的彗星，

光華四射，

把無限的光芒同他的光芒永相連結(jié)。

他的主治醫(yī)生賀維博士認(rèn)為如此偉大的大腦，應(yīng)該進(jìn)行研究，所以他便把愛因斯坦的大腦保留了下來，并切成200片帶走。但至今沒有結(jié)論。第三十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五經(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、相對論（19世紀(jì)末～20世紀(jì)初）伽利略（意）牛頓（英）普朗克（德）愛因斯坦（德）近代物理學(xué)的發(fā)展過程第三十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期五經(jīng)典力學(xué)體系的創(chuàng)立和發(fā)展量子理論的誕生(從普