物理学革命及其影响

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1、即将喷发的火山口从18世纪到19世纪，经典科学取得了前所未有的进步和成功。在物理学领域，牛顿的力学体系一度被看作是对科学根本问题的最终解答。以此为基础，人们统一了声、光、热和电磁学，描绘出了一幅小到原子、大到宇宙天体似乎是最终的和一劳永逸的完美世界图景，使不少科学家产生了一种错觉，认为物理学这“一座庄严雄伟的建筑和动人心弦的美丽殿堂”已经落成，物理学理论已接近最后完成，剩余的工作，只不过是把物理常数测得更精确些，把一些基本规律更加广泛和准确地应用到各种具体问题的解决中去。然而，正当他们认为物理学已

2、经达到了顶峰，并陶醉于这种“尽善尽美”境界之中时，物理学危机出人意料的爆发了。第五章物理学革命及其影响这场危机是由“以太”漂移实验和对黑体辐射现象的研究引起的。这两个实验发展出量子力学和相对论，而量子力学和相对论正是构成近代物理学新摩天大厦的两大支柱。百年之后的今天，当我们回顾那个历史时刻时，当时物理学所面临的形势，岂止是像人们形容的山雨欲来风满楼，更像是坐在即将喷发的火山口上，隆隆雷声，滚滚地火，没多久爆发了一场伟大而深刻的科学革命，导致了现代物理学的诞生，更使人类的社会生活发生了翻天覆地的、不

3、同于历史上以往的变化。而在当时居然有那么多大科学家具有那样的物理学已经达到终极的认识，这在物理学的发展史，乃至人类的思想史上，是否具有深刻的教益呢？§5.1相对论相对论是近代物理学和科学技术的重要理论基础之一。相对论的诞生，不仅大大地推动了自然科学和技术的发展，而且在哲学世界观方面具有非常重大的意义，为辩证唯物主义的时空观提供了坚实的科学依据。5.1.1狭义相对论产生的历史背景测量“以太风”的迈克尔孙-莫雷实验迈克尔逊莫雷实验结果表明“以太风”并不存在，宣告经典物理学的理论预言同实验结果是不相符的

4、——零结果。有关黑体辐射的实验结果也与经典物理学理论发生了尖锐的矛盾。这两个问题被英国物理学家汤姆孙称为物理学晴朗天空中的“两朵乌云”。洛伦兹的工作：在迈克尔孙-莫雷实验后，洛伦兹为了支持“以太”存在的说法，引入了“长度收缩”的假设，并提出了著名的洛伦兹变换。洛伦兹的工作，最后被爱因斯坦的狭义相对论所取代，但是他的贡献不可忽视。建立相对论的重任就最终落在了爱因斯坦的肩头。洛伦兹爱因斯坦认为，自然界的物质运动是统一的，作为自然规律正确反映的科学理论就要显示出应有的简单性来。具体到经典力学，他认为力学

5、的伽利略相对性原理就体现了简单性思想。因此他提出了狭义相对论的两条基本原理。5.1.2狭义相对论的创立（一）狭义相对论的基本原理爱因斯坦认为：我们应该毫无保留地接受这样的事实，并且应将其提升为公理，从而得到了狭义相对论的一条基本原理——光速不变原理：在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参考系中，所测得的光速都是相同的。爱因斯坦，深邃的目光，洞悉宇宙奥秘。爱因斯坦摒弃了“绝对静止”的概念，而将相对性原理保留、推广为狭义相对论的另一条基本原理——狭义相对性原理：一切彼此作匀速直线运动的参考系，对于描述运

6、动的一切规律来说都是等价的。这表明，绝对静止的参考系是不存在的。两条基本原理的提出，奠定了狭义相对论的理论基础。而建立相对论的突破口，则是千百年来人们所习惯的盲目的“同时性”观念的推翻。以光速不变原理和力学相对性原理为前提，经过严密的逻辑与数学论证，爱因斯坦于1905年终于创立了狭义相对论。（二）狭义相对论的主要结论及其意义狭义相对论的核心内容，是它所给出的一组新的坐标变换关系——洛伦兹变换。发生在空间-时间中的一个事件，在S参考系中记为（x,y,z,t）,在S’系（相对S系沿x轴以速度做匀速运动

7、）中记为（x’,y’,z’,t’）,它们之间的变换关系在狭义相对论中由光速不变原理可导出为：从S系系：从S'系S系：上述变换称为洛伦兹变换，是一个线性变换。由洛伦兹变换得到的一些结论：1.物体在运动方向上的收缩测量一个物体的长度即空间间隔的办法是同时即当t1=t2时测量它两端的坐标，若所测坐标为x1和x2，则物体长度为l0=x2-x1。若物体相对S’系静止而相对于S系以速度运动，根据洛伦兹变化公式得到l=l0(1-v2/c2)1/2由此看出，在S系中测量运动的物体的长度l，比其静止时的长度l0

8、缩短了。相对论的这种效应，我们称为空间间隔的“尺缩效应”。2.运动时钟的延缓设S’系相对S系沿x轴以速度运动。在S系中观察者甲看S’系中乙的钟时，乙钟坐标x’保持不变。由此看出，在S系中静止的观察者看来，相对S系运动的惯性系S’中的时钟变慢了，这种现象被称为时间间隔的“钟慢效应”。尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，但它与牛顿的引力定律不相容。牛顿的引力理论表明，如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中引力场的改变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传播更快的信号（这是