物理学史与基本物理概念简介.ppt

1、“牛顿啊！请原谅我。你所发现的道路，在你所处的那个时代，是一位具有高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路。你所创造的概念，甚至今天仍然指导着我们的物理思想，虽然我们现在知道，如果要更加深入地了解各种联系，那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概念来代替这些概念.”爱因斯坦在纪念牛顿诞生300周年纪念会上的讲话,第八章 时空观的革命相对论,Albert Einstein (1879-1955),生平和科学贡献：,1879年3月14日上午11时30分，爱因斯坦出生在德国乌尔姆市班霍夫街135号一个小商人家庭。父母都是犹太人。三岁才学会说话。,1884年父亲送给爱因斯坦一个指南针，引发了爱因斯坦对

2、自然科学的兴趣。同年家里开始聘请家庭教师对他进行教育。,1885年爱因斯坦开始学习小提琴，直到十三岁，小提琴成了爱因斯坦毕生最大的业余爱好。,1889年爱因斯坦遇到Max Talmud（一个穷困医学院学生），开始受到科学启蒙，并经常和Talmud讨论科学和哲学问题，直到1894年。,1891年爱因斯坦自学到欧氏几何学，深受震撼。,1891-1895年，爱因斯坦自学高等数学，包括微积分。,1886年爱因斯坦开始上学接受正规学校教育，在学校期间性格孤独，成绩优异，尤长于数学和拉丁文。,1894年他父亲经商失败后去了米兰，爱因斯坦留在慕尼黑完成中学学业，但害怕服兵役，中途退学去意大利与家人会合。,1

3、895年，爱因斯坦报考瑞士苏黎世联邦工学院，未被录取。接受Weber教授建议在瑞士一间德文中学学习一年，并取得中学毕业证书。,1896年，爱因斯坦再次报考瑞士苏黎世联邦工学院，被录取，进入苏黎世联邦工学院师范系学习物理。,他能各门课都及格是得益于一个朋友M. Grossmann极好的课堂笔记。,在学校他不能算一位好学生，一般课都缺席，自学理论物理学前沿的书，如Maxwell的经典电磁理论等。,在校期间和同学Mileva Maric成为朋友， 1903年两人结婚，1914年离婚。,1900年7月，爱因斯坦从苏黎世联邦工学院毕业。由于他对某些功课不热心，以及对老师态度冷漠，被拒绝留校。他找不到工作

4、，靠做家庭教师和代课教师过活。期间申请作W. Ostwald（1909 诺贝尔化学奖得主）和Kamerlingh Onnes（1913诺贝尔物理学讲得主）的助手均被拒。,1900年12月，爱因斯坦完成第一篇论文，并向德国物理年鉴Annalen Der Physik 投稿。,1901年2月，爱因斯坦加入瑞士籍。,1902年6月，爱因斯坦在大学同学M. Grossmann的父亲的帮助下在瑞士伯尔尼专利局谋得一个试用三等技术专家的位置，1904年转为永久职位。,1905年，物理学奇迹年,1905年，爱因斯坦在科学史上创造了一个史无前例奇迹。这一年他写了六篇论文，在3月到9月这半年中，利用在专利局每天

5、八小时工作以外的业余时间，在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献，他发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论这四篇重要论文。,1905年3月，关于光的产生和转化的一个推测性观点,10年后才由密立根给予实验证实。爱因斯坦因为“光电效应定律的发现”这一成就而获得了1921年诺贝尔物理学奖。,1905年4月，分子大小的新测定法 （博士论文）1905年5月，热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动,爱因斯坦当时的目的是要通过观测由分子运动的涨落现象所产生的悬浮粒子的无规则运动，来测定分子的实际大小，以解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题。三年后，法国物理学

6、家佩兰以精密的实验证实了爱因斯坦的理论预测。从而无可非议的证明了原子和分子的客观存在。,1905年6月，论动体的电动力学,完整的提出了狭义相对论。这是爱因斯坦10年酝酿和探索的结果，它在很大程度上解决了19世纪末出现的古典物理学的危机，改变了牛顿力学的时空观念，揭露了物质和能量的相当性，创立了一个全新的物理学世界，是近代物理学领域最伟大的革命。,1905年9月，物体的惯性同它所含的能量有关吗？,1905年12月，关于布朗运动的理论,1915年爱因斯坦在一篇通常称为“广义相对论”的论文中把相对论原理从惯性系推广到加速系中。,1909年声誉渐著的爱因斯坦获得一个苏黎世联邦工学院的低薪教授职位。,1

7、913年在普朗克的帮助下柏林威廉大帝物理研究所给以爱因斯坦一个待遇优厚的职位。,1919爱丁顿组织天文观测实验验证了广义相对论。,1906年爱因斯坦发表固体比热的研究论文，首次将量子力学应用到固体物理研究中。,在该年11月6日召开的英国皇家天文学会和皇家学会联合举行的大会上，天文学家罗伊尔宣布：“星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生偏折”。,第二天即1919年11月7日，历来谨慎的英国泰晤士报赫然出现醒目的标题文章：“科学革命”，两个副标题是“宇宙新理论”、“牛顿观念的破产”。,11月8日泰晤士报接着刊登了题为“科学革命：爱因斯坦战胜了牛顿、杰出物理学家的观点”的文章，文中说“这件事成了下议

8、院热烈讨论的话题”；物理学、皇家学会会员、剑桥大学教授约瑟夫拉摩“受到围攻，要求对牛顿是否被击败了、剑桥大学是否垮台了作出答复”。,1916年，发表原子自发辐射和受激辐射的理论，奠定现代激光物理的基础。,Charles H. Townes发明激光获1964 年诺贝尔物理学奖。,1917年，发表首篇宇宙学论文，奠定现代宇宙学基础。,1922年，完成首篇大统一理论的文章，指明现代物理终极之梦。,1927年，开始与Bohr为首的量子力学的Copenhegen学派就量子力学基础是否完备等基本问题进行论战，极大的丰富和加深了物理学家对量子力学的理解。,1924年，完成Bose-Einstein统计的论文

9、，预言了Bose-Einstein 凝聚。,1935年，和B. Podolsky及N. Rosen合作提出EPR悖论，质疑量子 力学完备性。,爱因斯坦成了举世闻名的科学家，然而他仍不能免遭德国纳粹势力的迫害。,1930年爱因斯坦到美国加州工学院讲学，直到希特勒上台(1933年)仍在美国，以后再也没有回德国。爱因斯坦以后定居在新泽西州普林斯顿高级研究所。,1940年成为美国公民。,上帝不是在掷骰子,象牛顿反对光的波动说一样，爱因斯坦也对当时物理学的另一场革命量子力学持否定态度。,例如他不接受海森堡的测不准原理时间和能量不能同时完全精确地测定，1930年他提出一种假想实验来否定这条原理，玻尔在彻夜

10、未眠后，第二天指出了爱因斯坦论据中的一个错误。,“统一场论”,不过这个难题让爱因斯坦耗费了许多时间和精力，并平添许多苦恼，最终没有解决。,曼哈顿工程,另外，爱因斯坦给美国总统罗斯福写信力劝执行一项庞大的计划以研制原子弹，并终于实施了曼哈顿工程，在六年后造出了原子弹。,然而他改变物理学的能力大于他改变人类心志的能力。,1955年第99号元素锿是为纪念当时刚刚去世不久的爱因斯坦而命名的。,1955年4月18日凌晨1点15分，爱因斯坦因主动脉瘤破裂去世。,战后，他又为实现结束原子战的某种世界性协议努力到了生命最后。,1931年1月31日在洛杉矶举行城市之光首映式，卓别林和爱因斯坦站在一起，面对欢呼的

11、人群，艺术之星大有被科学之星压倒的味道。卓别林对爱因斯坦说： “他们欢呼我是因为他们都理解我，而他们欢呼你是因为没有人理解你。”,我的实验竟然对相对论这个怪物的诞生起了作用，我对此感到十分遗憾。 麦可尔逊,Einstein先生是我所知道的最有创造思想的人，他所走的路大多是死胡同，不过，我们也应当希望，他所指出的方向有一个是正确的，这就足够了。 Poincare,8.1 光速不变性和同时性的相对性,一、力学相对性原理和伽利略变换【旧的经典的时空观】,力学相对性原理,在两个相互作匀速直线运动的各惯性参考系中的力学规律（不是指现象）是不变的（一样的）。通俗地讲：把一个实验室搬到匀速运行的列车紧闭车厢

12、中，无论做什么样的力学实验，都不能发现列车在运动，更不用测量列车相对地面的速度。,一 经典力学的时空观,1. 事件与参照系,事件：有明确的地点与时间的一件事：P(x, y, z, t),参照系：不同参照系对同一事件发生的地点和时间的测量结果一般不同。,例如：,伽利略变换,3. 伽利略相对性原理,（1）、 绝对时间：时间的量度（时间间隔）与参考系无关；,(3)、 时间与空间是相互独立的。,（2）、绝对空间：空间的量度（空间间隔）与参考系无关；,伽利略变换的特点：,在一切惯性系中，力学定律在伽利略变换下保持不变，即对一切力学规律而言，一切惯性系都是等价的。,绝对时间：是一种自然的流逝。“绝对的真实

13、的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝着，与外界事物无关。”,经典力学的绝对时空观：,绝对空间：是一种物质运动的场所。“绝对的空间就其本质而言与外界事物无关，它从不运动，并且永远不变。”,伽利略变换是经典时空观念的集中体现。在伽利略变换下时间和空间均与参考系的运动状态无关，时间和空间之间是不相联系的，是绝对的。,经典力学遇到的困难,经典力学,伽利略相对性原理,力学方法,其他非力学方法，如电磁方法,（1） Maxwell电磁场方程组不服从伽利略变换；,1、基于绝对时空的伽利略变换所遇到的困难,Maxwell的经典电磁理论,二、测量以太风的迈克耳孙-莫雷实验 零结果,19世纪，科学界认为， “

14、以太”是绝对静止的，是宇宙中的惯性系。因此在地球上不同地方做光学实验，应该可以证明“以太”的存在。,“以太”参考系是绝对静止系,设“以太”参考系为 系实验室为 系,迈克耳孙-莫雷实验【判决性实验】,（从 系看）,仪器可测量精度,实验结果 未观察到地球相对于“以太”的运动. 结论：作为绝对参考系的以太不存在.,以后又有许多人在不同季节、时刻、方向上反复重做迈克耳孙-莫雷实验近年来,利用激光使这个实验的精度大为提高,但结论却没有任何变化,迈克耳孙-莫雷实验测到以太漂移速度为零,对以太理论是一个沉重的打击,被人们称为是笼罩在19世纪物理学上空的一朵乌云.,END,三 、 爱因斯坦的狭义相对论基本原理

15、,1、相对性原理【力学相对性原理推广至整个物理学】 一切物理规律在所有惯性系中都具有相同的数学表达式。（所有惯性系都是等价的，在它们之中所有物理规律都一样）,2.光速不变原理【时间在“骗人”，时间在不同的参考系不同，时间具有相对性】 在所有惯性系中，光在真空中的速率恒为c ，与光源和观察者的运动状态无关,洛伦兹变换式,符合相对论理论的时空变换关系,设 时， 重合 ; 事件 P 的时空坐标如图所示.,洛仑兹速度变换式,逆变换,正变换,讨论：,光速不变!,光速在任何惯性系中均为同一常量，利用它可将时间测量与距离测量联系起来.,长度的测量和同时性概念密切相关,二 长度的收缩(动尺变短),棒沿 轴对

16、系静止放置,在系中同时测得两端坐标,则棒的固有长度为,固有长度：物体相对静止时所测得的长度 .（最长）,问 在S系中测得棒有多长?,设 在S系中某时刻 t 同时测得棒两端坐标为x1、x2，则S系中测得棒长 l= x2 - x1， l与l0的关系为：,结论 长度具有相对意义,讨论,物体对观察者向何处运动,观察者观测到在该方向上其长度收缩.,三 时间的延缓(动钟变慢),发射光信号,接受光信号,时间间隔,系同一地点 B 发生两事件,在 S 系中观测两事件,固有时间 ：同一地点发生的两事件的时间间隔 .,时间延缓 ：运动的钟走得慢 .,时间延缓效应是一种普遍的时空性质。（包括时钟和其他一切生长变化的过

17、程，与具体过程机理无关）,孪生子效应 设想一对年华正茂的孪生兄弟，哥哥告别弟弟，登上访问牛郎织女的旅程。归来时，阿哥仍是风度翩翩一少年，而前来迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了。这真应了古代神话里“天上方一日，地上已七年”的说法！ 按照相对论，运动不是相对的吗？上面是从“天” 看 “地”，若从“地” 看 “天”，还应有“地上方一日，天上已七年”的效应。为什么在这里天、地不对称？这便是所说的“孪生子佯谬 twin paradox”。,从逻辑上看，这佯谬并不存在，因为天、地两个参考系的确不对称的。从原则上讲，“地”可以是一个惯性参考系，而“ 天”却不能。否则它将一去不复返，兄弟永别了，谁也不再有机会

18、直接看到对方的年龄。“ 天”之所以能返回，必有加速度，这就超出狭义相对论的理论范围，需要用广义相对论去讨论。 广义相对论对上述被看作“佯谬”的效应是肯定的，认为这种现象能够发生。 用仪器模拟的“孪生子”实验已成为可能。 1971 年完成了两完全相同的铯原子钟分别向东和向西绕地球一周的实验。,(1)相对论动量遵循洛伦兹变换,当 时,一动量与速度的关系,(2)相对论质量,静止质量：m0,相对论动力学关系,相对论质量,说明质量与速度有关 .,物体相对于惯性系静止时的质量 .,静质量 :,结论: 质量具有相对意义.,可以认为质点的质量是一个常量,牛顿力学仍然适用.,当 时,二狭义相对论力学的基本方程,

19、当 时,相对论动量守恒定律,三质量与能量的关系,动能定理,设,积分,相对论动能,当 时，,相对论质能关系,质能关系指出：物质的质量和能量之间有密切的联系 .,总能量,相对论能量和质量守恒是一个统一的物理规律.,惯性质量的增加和能量的增加相联系，能量的改变必然导致质量的相应变化，这是相对论的又一极其重要的推论.,相对论的质能关系为开创原子能时代提供了理论基础 , 这是一个具有划时代意义的理论公式 .,四质能公式在原子核裂变和聚变中的应用,质量亏损,原子质量单位,放出的能量,1 核裂变,1g 铀 235 的原子裂变释放的能量,原子弹爆炸（核裂变）,我国于 1958 年建成的首座重水反应堆,秦山核电

20、站全景图,在建的阳江核电站效果图,在建的江苏连云港田湾核电站,2 轻核聚变,轻核聚变条件 温度达到 时，使 具有 的动能，足以克服两 之间的库仑排斥力.,1967年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸成功,五 动量与能量的关系,极端相对论近似,光子,8-4 广义相对论,狭义相对论是均以惯性系作为参照背景，亦即惯性系处在特殊的优越地位；再则，20世纪初叶人们只知道两种相互作用：引力和电磁作用，可是狭义相对论未能解决引力问题，故而爱因斯坦对此心犹不满。 论及作加速运动的非惯性参考系，自然与引力问题联系起来。这就是爱因斯坦构建相对论第二个层次，即广义相对论的初衷和契机。其实，他还是从进一步延拓相对性原理的

21、涵义着手的，使思维的触角超出惯性系的囿限，而把一切参考系等量齐观。,1、等效原理,（1）等效原理和广义相对性原理,非惯性系处理成惯性参照系,加速场和与引力场等效,所有物理学规律对所有的参照系都成立,2、狭义相对性原理的再延拓,等效原理的确立，使非惯性系显得重要起来；换言之，等效原理否定了惯性系的特殊优越地位，这样就使相对性原理的进一步推广成为一种逻辑的必然。 广义相对性原理：在所有参考系中描述物质运动规律来说都是平权的，二者处在同等的地位上（就如在狭义相对论中，一切惯性系都处在同等的地位上一样）。,3、弯曲时空概念的确立,根据等效原理将惯性定律推广到地球的非均匀引力场时，可以这样来表述：一切重

22、物的自然运动都是向地球中心加速降落。 在引力场中物体运动轨道的弯曲并不是由于力的作用引起的，而是空间特殊性质的结果，这一点与牛顿理论有区别。,例如，在重物附近，光并不按欧儿里德的“直线”传播，包括光束在内的一切物体(没有外力时)都是按曲线轨道运动。因此，可以认为空间本身是弯曲的。,欧儿里德“直线”,光束,摆在我们面前的是两种选择：1、要么认为物体附近的空间是欧儿里德的， 但任何物体都不按直线运动；2、要么认为空间本身具有一定的曲率。爱 因斯坦选择了后者。 爱因斯坦假设等效原理不仅仅适用于力学，而且也适用于所有物理学规律。,随着广义相对论的构建，以及之后求得爱因斯坦场方程的某些精确解和近似解，弯

23、曲时空概念得以在科学舞台上确立，并为越来越多的人所接受。 下图表示物质分布使时空弯曲。,非欧氏几何空间：例如：二维的正曲率的球面和负曲率的锥面。平面的曲率为零，平面三角形的三内角之和为180；正曲率曲面上的三角形其三内角之和大于180 ；负曲率曲面上的三角形其三内角之和小于180。,爱因斯坦采用四维黎曼型空间作为引力场弯曲时空的几何形式。,1、光束弯曲 当光束通过引力场时，根据等效原理，它的轨道应当弯曲。,例如：星光经过太阳边缘时，我们应当观察到光束的“位移”，这种位移只有在日蚀时才可能发现。,星,广义相对论的实验验证,1919年日全蚀期间，国际考察团对此进行了考察，考察人员在日蚀时刻拍摄了星

24、空的照片，然后将这些照片与没有太阳时这同一部分星空的照片相比较，发现星的位置移动了。这就证实了爱因斯坦关于光束从太阳近旁通过时要发生偏移的预言(角度偏移约1.75)。 光线在引力场中弯曲的一个必然推论是引力透镜成象问题。早在1920年爱丁顿就提出引力场会聚成象可作为广义相对论的一种检验；,1936年爱因斯坦提出引力透镜是散焦的，一般成双象；后来有多人对此问题作了进一步的讨论。但由于一直没有观测结果的支持，引力透镜的思想长期受到冷落。 1979年瓦尔什等人宣布发现一对孪生类星体 QSOS0957 + 561A、B，它们之间的角距离只有5.7，发射光谱和吸收光谱在很宽的波段内都一样，红移量也都约为

25、 1.4 Ao 。 后经各方认证，多数天体物理学家认为这是引力透镜成双象的一个事例。自此以后又陆续发现其它一些多重象的例子。,2、引力红移 时钟的走速与它所在位置的引力场场强大小有关。从广义相对论观点来说，这一点可用来解释双胞胎的经论。可以认为，当宇宙飞船减速和转弯的时候，在飞船中的那一个双胞胎将经受引力场的作用，而留在地球上的兄弟却没有这种作用，这就造成了两兄弟间的差别。 原子或光子(将在后面章节正式引入光子概念)的振动可以看作是最简单的时钟。光子振动频率的变动使光束的颜色向光谱的红色端偏移，因此把它称为引力红移。,光子的能量与频率关系： E = h ( 其中 h = 6.710-34Js

26、) 能量与质量的关系： E = mc2， 则光子具有动质量： m = h/c2。 由于任何质量都受引力的作用，则当频率为0光子位于质量 Ms，半径为 Rs 的一个大星球表面附近时，它的引力势能：Ep= - Gh0 Ms /Rs c2 当光子从星球的低势能向地球的高势能运动时，能量 E 要减小，相应的频率也降低。,所以光子频率的相对移动： /0 = (0 -)/0 = ( Ms/Rs -Me/Re) G/c2例如典型的白矮星半径 Rs 9106 m，质量 Ms 1.21030kg，则/0 10-4。,能量守恒定律： h- GhMe/c2Re = h0 - Gh0Ms/c2Rs其中 Me 和 Re

27、 分别为地球的质量和半径，为到达地球时光子的频率。,h光子 h0,若观察波长为 500010-10 m的可见光，则引力红移 | 0.510-10 m。 在对白矮星天狼 B ( 天狼 B 星是天狼星的伴星 )发出的光进行观察的实验中，理论预言为：/0 5.910-5观察结果为：/0 6.610-5 如果考虑到天狼星 B 的 M/R 值的观测误差，可以说实验结果证实了理论预言。,3、水星近日点的进动 行星实际上并不按椭圆运动，因为邻近天体的影响对这行星的运动产生摄动。,举例：水星特别明显地表现在所谓近日点的进动上。按照开普勒的理论，行星每年都应通过同一个近日点。但由观察得知，这个轨道点的位置相对于

28、不动的恒星每一百年约变化1o3320”。,如果把所有看得见的已知行星的影响都考虑在内，则我们得到的水星近日点进动的数值为每一百年约13237。 牛顿万有定律预言的结果与天文观察的结果每一百年相差43，产生原因未能获得解释。 起初曾把这个现象归结于另一行星的影响，并预先把它命名为火神星，但一直没有发现这个行星。 广义相对论可以导出牛顿万有定律所涉及的其他行星的一切结论，而且也能给出水星近日点进行每百年所缺少的43。,广义相对论的三个著名预言： 1、光束弯曲 2、引力红移 3、水星近日点的进动 它们已在不同精度上得到了证实，因而可以说是“广义相对论的三大实验验证”。 爱因斯坦建立广义相对论后的五十年间，基本上只有这“三大验证”。直到六十年代，美国物理学家夏皮罗等人才提出了“第四验证”雷达回波的时间延迟。,广义相对论作为一种引力理论，尽管在理论上还存在不少问题，但比起其它引力理论来，在解释目前为数不多的实验上，仍然占着领先的地位。它的观点和方法，在整个二十世纪理论物理中不仅是一项非常重大的收获，而且对物理学和有关数学分支的发展产生了十分深刻的影响。,