世纪物理学概观

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1、第一章代物理学的两大支柱第一节相对论和量子力学的产生背景相对论和量子力学被认为是现代物理学的两大支柱。在这两种理论相结合的基础上，又产生了相对论量子力学以及量子场理论。我们将量子力学和量子场论通称为量子理论。该理论指引人们基本上认识和把握了分子、原子、原子核、基本粒子和夸克这五个层次上物理现象的基本规律，代表了人类关于自然界的最前沿知识。一、经典物理学及其不足20世纪以前的200余年间，物理学在下列两大领域取得了巨大成功：由牛顿建立的经典力学(1687年)，包括热力学与经典统计力学；由麦克斯韦建立的经

2、典电动力学(1864年)，包括光学。它们能够解释宏观的力学和电磁学现象，并在历史上分别诱发了两次科技革命：18世纪以提高蒸汽机、内燃机效率及蒸汽机、内燃机的广泛应用为中心的工业革命，以及19世纪下半叶开始的以电和电磁波的应用为中心的“电气革命”.二、两朵乌云19世纪末，与牛顿力学相比较，电磁学理论在当时属于新兴学科。尽管关于电磁场的观念与牛顿力学格格不入，但是长期来牛顿力学的成就使当时许多物理学家的观念不可能很快转变。他们仍然试图在牛顿力学的框架中解释涉及到电磁场运动及电磁场与微观物质相互作用的一些实

3、验。然而自然法则是无情的，这样的尝试必然遇到矛盾，而这样的矛盾又必然为少数思想敏锐的物理学家首先注意到。英国物理学家开尔文就是这些物理学家的代表。开尔文曾经发现了热力学第二定律，建立了热力学温标，领导了首次开通英吉利海峡的有线通信工程。他在20世纪前夕发表了一篇题为“19世纪的乌云笼罩着热和光的动力学理论”的报告。在这篇报告中，他提到了“两朵乌云”，指的是用牛顿力学，包括经典统计力学无法解释的两类实验现象：一是迈克耳孙——莫雷实验；另一是黑体辐射实验。三、经典物理学的适用范围我们应当注意的是经典观念以

4、及由此建立的基本理论和基本方法的适用范围。非相对论理论和相对论的分界线是光速c(3.00×108m/s)；经典理论与量子理论的分界线是普朗克常量h(6.63×10-34J•s)。以人类生活的宏观领域的标准来衡量，c的值是如此之大，h的值是如此之小。但是这反映了自然界的特点。如果要问，为何如此?坦率地说，现今的物理学家无法回答这个问题。第二节光速不变和相对论一、什么是相对论相对论是研究不同惯性系的观察者所测到的物理量之间，以及所发现的运动规律之间关系的一种理论。所以相对论应包括两方面内容：(1)不同惯性

5、系的物理量之间的“变换关系”。(2)关于物理学定律的“相对性原理”——在所有惯性系中任一物理现象的运动规律保持不变。二、伽利略——牛顿相对论三、电磁学向伽利略—牛顿相对论提出挑战牛顿力学与伽利略一牛顿相对论构成了一个完善而自洽的理论体系。利用它可以解释地面上的力学现象和天体的运行规律。尤其在利用它成功地预言了天王星和海王星的存在后，人们对该理论体系更是深信不疑。然而，当人们试图将伽利略一牛顿相对论向电磁学领域推进时，却遇到了麻烦。爱因斯坦相对论正是在这个背景下诞生的。“以太风”19世纪下半叶，电磁学是

6、当时的领头学科。麦克斯韦发现，在电磁场的基本运动方程或由它导出的波动方程中包含了光速因子c。从这—点来看，电磁学定律与牛顿定律截然不同，牛顿定律中不包含速度因子。因此，在伽利略变换下不同惯性系中电磁现象的基本定律不再保持不变。这也意味着，从电磁学实验可以发现一个特殊的“绝对参考系”，当时称它为“以太系”。在以太系中光的速度为c；在其他惯性系，如与地面相联系的惯性系中光速不再是c，且其值与c之差就是地球相对于以太系的速度，或者说就是地球感受到的“以太风”的速度。“迈克耳孙—莫雷实验及其“零结果”测量地球

7、上以太风的关键性实验是在麦克斯韦的建议下做的。1879年，麦克斯韦在致美国天文年鉴局局长托德的—封信中提出了测量太阳系在电磁以太中运动速度的一个想法。这封被当时正在那里工作的26岁的年轻海军教官迈克耳孙读到了，迈克尔逊那时已经在测量光速方面做了不少工作。他的这封信产生了重大的作用。迈克耳孙于1881年利用他发明的、后来以他的名字命名的干涉仪直接比较了沿地球公转运动方向与垂直方向上的光的速度。其后于1887年又和莫雷合作，以更高精度重复了这一实验。按照当时的预想，假如存在以太风，不同方向上的光速应有差别

8、；从而干涉仪中的干涉条纹当整个仪器在水平方向上转过90◦时将发生移动；然而，他们精心设计的实验所得到的唯一结论是：干涉条纹并不移动。实验结果否定了预想的结果。爱因斯坦的两个基本假设：爱因斯坦提出如下两个基本假设（简答题）：光速不变原理和爱因斯坦相对性原理(见本节开头关于“什么是相对论”中的叙述)，并在此基础上建立了他的相对论。相对性原理：所有物理规律在一切惯性系中都具有各自的同一形式，即惯性系改变时，同一物理规律的数学表达式不变，也就是说不存在一个特殊的