第四章 物理学革命

第四章：物理学革命

第一节经典物理学的顶峰与危机

由于19世纪技术革命的巨大成功，使资本主义生产力得到空前提高，在当时的社会中洋溢着自信与陶醉。就自然科学而言，经典物理学是19世纪末发展得最完善的学科。牛顿力学是整个物理学的基础和典范，电磁现象也被看成是“以太”的机械运动，并利用力学原理来研究。声、光、热、电、磁等各种自然现象都通过牛顿力学而得到解释。经典物理学及其认识方法被视为科学发展所能达到的最完美形式，似乎物理学的天空已经是阳光普照，未来的工作只是在若干部位作些小小的修饰或者将测量精度再提高几个数量级。但是历史的发展毕竟是无情的，在物理学的万里晴空中出现了几朵乌云，这些用经典物理无法解决的问题，正是科学革命的引路者。

首先是迈克尔孙一莫雷实验的“零结果”。按照牛顿力学的观点，波的传播是需要媒介的，比如空气就是声音传播的媒介。测定声波的传播速度也是通过一个观察者和一个相应的参考系来完成的。然而光波似乎比较特殊，当我们说真空中的光速是2．997925X108m／s时，我们并不清楚这个速度是相对于哪个参考系的。但对于19世纪的人来说，要接受光的传播不需要媒介是很困难的，于是人们设想在地球和太阳之间

充满着—一种特殊的物质——以太，它充当地球和太阳之间引力和光的传播媒介。按照常识以及经典物理学的推论，以太具有这样的性质：它的密度为0，因为人在以太中运动并没有感觉到阻力；它是完全透明的，光波可以不受阻拦地传播；它又有很强的刚性。以太的这种特殊性质，使寻找以太成为很重要的工作。假如以太存在，那么既有自转又有公转的地球在以太中运动时，地球上的观察者就应能感受到“以太风”，它相对于地球的速度约等于地球公转的速度u＝30km／s。迈克尔孙(A．A．Michelson，1852—1 931)与莫雷(E.W．Morley，1836—1923)发明了一种于涉仪，能通过观察干涉条纹的移动来测量这个速度。

1887年迈克尔孙和莫雷开始他们的实验。他们将干涉仪安装在很重的石台上以维持稳定，并将石台悬浮在水银里，使它能平稳地绕中心轴转动。按照当时的设计精度，只要条纹有百分之一的移动就能被探测到。他们连续观察了一年，但是实验结果是：根本观察不到条纹的移动。迈克尔孙和莫雷当时失望地宣布他们的实验“失败”了。虽然以后不同的科学家(包括迈克尔孙本人)一再重复这个实验达50年之久，但结果依然没有改变。由于这与经典物理学的一些基本原理相抵触，所以引起了人们的广泛关注，有人已经开始怀疑经典物理学的适用范围了。

另一个问题是对黑体辐射实验的解释。物体因为它的温度而发出的

辐射称为热辐射。所有的物体都向四周发出这种辐射，也从周围吸收这种辐射。但有一类物体，不论它们的组成成分如何，它们在相同的温度下发出同样形式的光谱，这类物体的表面吸收所有的热辐射。由于它们不反光，所以看起来是黑的。实验室中使用的黑体是一个有一个小开口的空腔，空腔外面的辐射能通过小孑L进入空腔，经过多次反射后，能量几乎完全被腔壁所吸收，因此小孔的行为和黑体是一样的。如果我们给腔壁均匀地加热，那么小孔也将往外发射热辐射，它的特性应该和黑体辐射是一样的。玻耳兹曼早就发现，黑体的辐射能力和它的绝对温度的四次方成正比，而与黑体的形状、大小、材料没有关系。1896年维恩(Wien，1864—1928)根据实验数据得出一个经验公式，用来描述辐射的能量密度和温度、波长之间的关系，这就是维恩位移定律：

从这个公式可以看出，随着黑体温度的上升，对应着它所发射光线的最大亮度的波长将变短，并向光谱的紫色区移动。但通过与实验的比较，上述公式与实验结果在短波部分与试验曲线相吻合，在长波部分却低于实验值。而且维恩本人也未对公式中两个常数A和B作出理论说明。1898年瑞利(T．B．Rayleigh，1842—1919)与金斯(J．H．Jeans，1887 ～1946)开始严格按照经典热力学和统计力学原理，从理论上来推导一个

公式：

（其中k是波尔兹曼常数，T是黑体的绝对温度）

他们所得的公式在长波部分与实验能较好地吻合，但随着频率的增加，经典理论的结果与实验结果有了巨大的分歧。在频率很高的时候，经典公式指出了无穷大的能量密度，而实验却显示出能量密度趋向于零。经典物理的这一完全错误的预言，被认为是一个严重的缺陷，这在历史上被称为“紫外灾难”。由于瑞利一金斯公式是严格按照经典理论推导出来的，所以它的失败注定会引发物理学的革命。

事实上19、20世纪之交的经典物理学已是危机四伏，1895年伦琴(W．K.Rontgen，1845～1923)发现了X射线，1896年贝克勒尔(A．H．Becquerel，1852—1908)发现了铀的放射性，1897年J，J汤姆逊(J．J．Thomson，1856～1940)发现了电子。这些发现猛烈地冲击了牛顿力学的物质、能量、运动等基本概念。面对这些用经典理论无法解释的新问题，许多科学家震惊不已，有的人设法进行一些修修补补，但总不能奏效。有的人则敢于冲破传统观念的束缚，从而开辟了物理学发展的新纪元。20世纪的科学革命就是在这样的背景下拉开帷幕的。

第二节相对论的诞生

2.1拯救以太

一条简单的解释迈克尔孙一—莫雷实验的途径是，假设在任何惯性参考系中的所有方向上光的速度都相同，并且就是c。但是这样的结论不能与伽利略的速度变换公式保持一致，并且从当时经典物理学的观点来看也过于荒诞。假如测得的光速与观察者的运动无关，那么所有的惯性系对光的传播都是等效的，因此也就不存在任何实验能明确指出的独特的惯性系，即以太的存在。然而牛顿力学必须借助以太才能解释电磁现象。为了解释迈克尔孙一莫雷实验所得的“零结果”，而又保留以太参考系，爱尔兰的物理学家菲兹杰拉德(G．F．FitzGerald，1851—1901)和荷兰物理学家洛伦兹(E．N．Lorenz，1917一)都独立提出了收缩假说，即物体在以太中运动时在运动方向上的长度要收缩，收缩的比率为：

如果在运动方向上的长度缩短了，那么时间也会相应地缩短，所以t1＝t2，也就观察不到干涉条纹的位移了。在当时，收缩假设也是近于荒诞的假说了，因为这个收缩不是任何力作用的结果，而只是表现为运动的一种伴随效应，但洛伦兹仍然大胆地将这个假说应用于它的电磁理