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论中。

在提出收缩假说之后，洛伦兹进一步探讨了以太和地球的相对运动对其他电磁现象和光现象的影响。

经过数年的努力，他在1904年得到一组新的数学关系式，运用这组关系式后，麦克斯韦方程的形式在相对于以太静止的坐标系和相对于以太运动的坐标系中都是一样的，这组关系式被后人称为“洛伦兹变换”。

在洛伦兹的新理论中，相对性原理是成立的。

一个观察者不管他是静止于以太的系统中，还是在相对于以太作匀速运动的系统中，观察到的电磁现象都是一样的，他完全没有办法将这两种状态区分开来。

这样，通过洛伦兹的努力，人们对以太的认识达到了这样的高度，即对于描述物理过程来说，以太已经是一个不必要的假设了。

以太理论的高度发展，结局却是使它不再是一个基本的概念了。

然而洛伦兹仍然迷恋于“以太处于绝对静止的”的假设，以至于他认识不到已经被自己所证明了的“存在有无数个等价参考系”的物理价值。

与洛仑兹不同，作为数学家的彭加勒(J．H．Poincare，1854—1912)却提出了"相对性原理”。

他清楚地看到洛伦兹的观点是站不住脚的，参考系在数学上描述的等价性，事实上就意味着相对性原理的正确性。

“相对性原理”是狭义相对论的两条基本假设之一，它可以表述为一切物理定律在所有的惯性系中其形式保持不变。

彭加勒是在1904年圣路易斯国际技术和科学会议的讲演中首次提出这一原理的。

根据这一原理，“物理现象的定律对一个固定的观察者和一个相对于它作匀速运动的观察者必定是相同的。

这样一来，我们没有也不可能有任何识别我们是否做这一运动的手段。

”彭加勒不仅提出了相对性原理，他还提出过狭义相对论的另一个假设：“光速不变原理”。

他说，如果不同的物体有不同的光速，或者在不同的方向上的光速不同，那么测量光速就成为不可能。

毫无疑问，到1903年前后彭加勒手头已经具备了创立狭义相对论的所有必需材料，目为他囿于经典物理学观念的束缚，以至于未能将自己的新思想进一步提高，这对他来说确实是一件憾事。

2.2狭义相对论及其推论狭义相对论确立的标志是爱因斯坦(A．Einstein，1879—1955)于1905年6月完成的论文《论动体的电动力学》。

当时，爱因斯坦认识到洛伦兹收缩和“地方时”的概念并不仅仅是数学上的技巧，也：不是物理上的幻觉，而正是触及到了空间和时间概念的本质。

在论文中，爱因斯坦写道：“没有任何已观察到事实的特性符合于绝对静止的概念……对力学方程成立的所有坐标系来说，相应的电动力学和光学方程也成立。

……下面我们用了这些假设(我们以后将称为相对性原理)，同时引出另一个假设——个初看起来与上—个假设不相容的假设——光在真空中以速度c传播，其值与发光物体的运动性质无关。

这两个假设完全足以在静止物体的麦克斯韦理论基础上导出运动物体电动力学的简单而又一致的理论。

”概括起来就是这样两条假设：(1)相对性原理：物理定律在所有惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性系；(2)光速不变原理：在所有惯性系内，自由空间中光的速度具有相同的值c。

基于这两个公设，爱因斯坦导出了洛伦兹变换方程，再由这个方程出发必然得出在运动方向上长度的收缩、运动时钟的变慢等结论，并得出了新的速度合成公式。

值得一提的是，虽然爱因斯坦导出的变换方程与洛伦兹本人提出的数学关系式基本一致，但两者的含义却截然不同。

洛伦兹提出的数学关系式仅仅是一种数学技巧，他本人并不清楚它的物理意义。

而爱因斯坦得到的变换方程却是由两个公设严格导出的，它包含着时空观的重大变革，彻底否定了绝对时间和绝对空间，以及时间和空间毫不相干的传统观念。

根据狭义相对论，可以得出以下一些推论：(1)同时性是相对的。

在一个惯性系中所观察到的两个同时发生的事件，在另一个惯性系中看来可能不是同时发生的。

所以同时性并不具有绝对的意义。

如果两个事件在某一个惯性系中的同一时刻t在不同地点x1，x2，发生，那么在另外一个相对于这个惯性系以速度v，作匀速运动的惯性系中来观察的话，则两个事件是在不同的时间发生的：(2)运动着的物体在它的运动方向上的长度将会缩短。

当一个物体相对于观察者静止时，该物体长度的测量值为最大；当它相对于观察者以速度v运动时，在它的运动方向上，该物体的长度的测量值是原来的倍，而在与它运动方向垂直的方向上物体的大小不受影响。

(3)运动着的时钟将会变慢。

当一只钟相对于观察者静止时，钟是走得最快的，当它相对于观察者以速度u运动时，可测得该钟的时率只有原来的倍。