现代物理学的兴起(第3篇).ppt

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1、第三篇现代物理学的兴起一、经典力学基本概念和基本原理的固有局限性：1.把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上；2.把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用；3.物体的质量恒定不变，与物体的运动和能量无关；4.只适于宏观低速的范围，不适于高速和微观领域。二、经典物理学与经典力学之间的矛盾经典物理学是运用经典力学的基本概念和原理建立起来的理论体系，但是，随着经典物理学的深入发展，却越来越显露出它们与经典力学之间的裂痕，从而动摇了经典力学的基础地位。前言后来洛仑兹剔除了加在“以太”身上的几乎所有力学性质，如惯性、密度、弹性等，并确言它不服从牛顿第三定律，仅仅留下了“不动

2、性”这个特性。即“以太”不参与任何运动，而只是光和电磁波的一个绝对载体。但如果它“不动”，又是如何传播光和电磁波的？主要表现在两个方面，一是对光的认识一直存在两种互相矛盾的观点：微粒说和波动说；二是对于作为绝对空间和波的载体的“以太”究竟是什么，如何对它进行检测？它到底具有哪些性质？如从光速的巨大数值来看，“以太”应具有极大的刚性。又由于天体不受阻碍的在太空中穿行，“以太”必须极其稀薄且没有质量，等等。这些性质不但难以理解，有些甚至相互矛盾。1.与光学的不调和性：2.与电磁学的矛盾：由类比法得到的电荷间、电流之间的相互作用，都被看作是直接的、即时传播的超距作用，而法拉第

3、和麦克斯韦的电磁场理论则认为它们之间的相互作用是由媒介传递、并且以有限速度传播的非超距作用，这种介质就是“电场”和“磁场”。“场”不仅能传递电磁相互作用，并且具有能量。这样，媒递作用---超距作用的矛盾；即时传播---有限速度的矛盾；能量连续分布的场---质点是能量的唯一载体的矛盾等等。3.与热学的不协调：经典力学（包括电磁场理论）中的时间都是对称的、可逆的，它们的基本方程对时间的反演都具有对称性，时间只是从外部描述运动的一个参量。它的变化对于运动的性质并无影响。而热学中熵增原理的发现，却指出了自然过程的不可逆性和历史性。具体的说，描述热力学系统的运动方程，对时间的反演

4、是不对称的。对于一个孤立系统的变化，显示出时间的方向性。4.经典力学与统计力学的矛盾：经典力学的巨大成就，使机械决定论在整个科学界的科学思想中占据统治地位。牛顿的运动方程表明，任何物体的运动轨迹，都由两个初始条件唯一的决定，就是说，根据体系在某一时刻的运动状态和外部作用力，就可以准确的确定这个体系以往的和未来的运动状态。宇宙间的一切运动变化，都是力学因果链条中的必然环节，不存在任何偶然和奇迹。这种机械决定论在19世纪末以前，成为统治整个物理学界的普遍信念。由于分子运动的不规律性，克劳修斯和麦克斯韦把概率和统计理论引入物理学，从而产生“可逆佯谬”，进一步显示了和经典力学的

5、矛盾。经典力学的局限性制约了人们对物质运动的进一步认识，束缚了其他学科的发展。只有破除对经典力学的迷信，新的理论才可能创造，物理学才有勃勃生机。1883年，奥地利的马赫出版了《力学及其发展的批判历史概论》，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。马赫认为，自然的性质不能借助于所谓不证自明的假设来捏造，只应该从经验中引出。力图把不是源于经验、无法测量的概念统统取消。例如质量的概念，在牛顿的《力学原理》中，质量被定义为密度和体积的乘积。马赫认为，按照这种定义的方法，不同种类物体的质量无法比较，应当建立相对质量的概念：加速度是可测量的量，如果测得两物体由于相互作用产生了

6、彼此大小相等、方向相反的加速度，那么这两个物体的质量就相等，如果测得的加速度不相等，则用加速度的负反比来表示这两个物体的质量之比。三马赫对经典力学的批判马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判，马赫认为：“时间是一种抽象”，时间是不能独立自存的。绝对时间“既无实践价值，也无科学价值，没有一个人提出证据说他知道关于绝对时间的任何东西，绝对时间是一种形而上学的概念”。同样，马赫认为：空间不能脱离我们对物体的知觉而存在。如果宇宙中没有物体，谈论空间就毫无意义。如果宇宙中只有一个物体，这唯一的物体也无运动可言。我们实际观察到的仅仅是相对于参照系的运动，而参照系是被相对的确定的。针

7、对牛顿的“水桶实验”马赫指出，水面凹曲并不能说明水的转动是什么绝对运动，而是相对于地球和宇宙中所有质量的一种转动，它仍然是相对运动。桶壁和水之间的运动之所以不能引起水面凹曲，是因为桶壁的质量太小了。水面凹曲是因为天体围绕水旋转并对水的引力的结果。马赫的批判思想在世纪之交对物理学的革命性变革起到了启蒙和推动作用。爱因斯坦指出：马赫为相对论的发展铺平了道路。在狭义相对论创立的过程中，正是马赫对绝对时间的批判，使爱因斯坦“终于醒悟到时间是可疑的”，并从“同时性的相对性”这个问题上取得了突破性的进展。马赫对水桶实验的批判，使人们的思想从“绝对运动