现代自然科学导论

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1、现代自然科学导论――物理学――第三章近代物理学的革命10、物理学晴朗天空中的两朵乌云经牛顿以来数代科学家的努力，以经典力学、热力学，统计物理学和电磁学为支柱，一座宏伟而近乎完美的经典物理学大厦得以建成。时至1900年，科学家们对当时所能观察到的几乎所有自然现象都能解释，都能说明这种自然现象的机制。这使得诸多物理学家沉溺于欢快陶醉之中，产生了这样一种看法：物理学的大厦已告落成，今后物理学的任务只是进一步精确化，即在一些细节上作些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更加精确一点。1900年物理学元老威廉·汤姆逊在迎接新世纪的科学讲演中盛赞了物理学

2、大厦的完美，但他同时也指出：在这晴朗的物理学的天空中还有两朵乌云。一是迈克尔逊实验所带来的问题，另一个是热辐射的实验与经典理论解释上的冲突。对于迈克尔逊实验，还得从伽利略变换说起。我们知道，如果运动参照系是相对于某个惯性系的以作匀速直线运动的参照系，则分别在两个参照系中，对质点位置的测量所得到的坐标满足如下的伽利略变换：相应地，对质点运动速度的测量结果满足如下的变换：仔细考察一下就会发现，之所以有如此的变换，其原因在于牛顿力学体系的绝对时空观认为，在不同的参照系内对同一事件的测量结果都相同。在不同的参照系内，对不同两个事件其空间尺度、时间尺度和

3、物质的测量都是相同的，即但问题是牛顿的时空观是先验性的，并没有足够可靠程度的实验基础。1865年麦克斯韦得到描述真空中平面电磁波的波动方程≈后，他就大胆地推测：光也是一种电磁波，c就是光在真空中传播的速度。locatedintheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Zhejiang,1ofwhichliquorwinemasters(WuzhensaidinformationisCarpenter),whogotAfewbayonets,du

4、etomissedfatal,whennightcame9麦克斯韦的工作无疑是件伟大的科学发现，但存在两个问题。一个问题是通常波动是由某种媒介传播的，如声波是由空气或钢铁来传播。那电磁波是由什么媒介传播的？而我们知道，光波可以从太阳发出，通过广袤的空间达到地球，似乎没有通过什么媒介。第二个问题是，如果光源以速度运动，则在与光源固结在一起的参照系内的观测者，他所测到的电场强度和磁感应强度无疑还是满足上述波动方程。但是，在地面的观测者所得到的波动方程中，那速度常数会有些不同，应为。这意味着，电磁波的波动方程在伽利略变换下形式不一样。换句话说，电磁现

5、象的规律不满足伽利略变换。这似乎可以得到这样的结论，不同的惯性系中，电磁现象的规律是不一样的。麦克斯韦认为电磁波是通过一种特殊的媒介进行传播的，这种媒介就称为“以太”。“以太”这种媒介有着非比寻常的性质。第一，它可以是真空的广袤空间。第二，按照传统的弹性波动理论，要具有光速c这么大的速度，“以太”这种媒介要有极高的硬度。而这两者之间是极为矛盾的。但如果考虑到太阳对行星的吸引也不需要通过什么媒介，那电磁波的传播似乎也不需要什么媒介吧。虽然这在当时令人难以理解，但“以太”这种特殊的媒介还是不得不加以考虑。麦克斯韦还认为，地球相对于“以太”的速度与光

6、速c相比，实在太小，其相关的效应测不出来。但用增加光程差的办法，还是可以测到干涉效应的。为此，麦克斯韦于1879年写信给美国航海年历局的D.P.托德，建议用罗默的天文学方法来研究这一问题。迈克耳逊知道这件事后，就精心设计了实验方法和实验装置。他认为只要地球相对于“以太”是以地球的轨道速度运动的，光波相对于地球的速度与相对于“以太”的速度不同，那干涉条纹会发生可以观察得到的移动。但1884和1887年，迈克耳逊两度精密的实验，却一丁点干涉条纹的移动也没观察到。这意味着，光波相对于地球的速度与相对于“以太”的速度相同。换句话说，在任何不同的惯性参照

7、系内对同一光波的测量，其光速都是一样的！这确实是令人匪夷所思。为了解释迈克耳逊的实验结果，洛仑兹认为，地球相对于“以太”的运动说明，地球是在“以太”这种媒介中运动的，那地球就会对“以太”这种媒介有一种“拖曳”的作用，就如同船在水中行驶，对水有“拖曳”的行为一样。如此，他导出了对同一物体分别在“以太”中测量和在地球上测量其位置坐标之间的变换关系，即如下著名的洛仑兹变换：或其逆变换既便如此，太阳到地球之间存在“以太”这种特殊传播媒介是难以让人信服的。20、瑞士伯尔尼专利局的小职员爱因斯坦作出的革命真正的革命是瑞士伯尔尼专利局的小职员locatedi

8、ntheTomb,DongShenJiabang,deferthenextdayfocusedontheassassination.Linping,Z