第五章物理学革命及其影响

（一）狭义相对论的基本原理 爱因斯坦认为：我们应该毫无保留地 接受这样的事实，并且应将其提升为 公理，从而得到了狭义相对论的一条 基本原理——光速不变原理：在彼此 相对作匀速直线运动的任一惯性参考 系中，所测得的光速都是相同的。 爱因斯坦，深邃的目光， 洞悉宇宙奥秘。
爱因斯坦摒弃了“绝对静止”的概念，而 将相对性原理保留、推广为狭义相对论 的另一条基本原理——狭义相对性原理： 一切彼此作匀速直线运动的参考系，对 于描述运动的一切规律来说都是等价的。 这表明，绝对静止的参考系是不存在的。
的理论大厦，进一步揭示出时间、空间的根本属性及
其与物质分布、物质运动之间内在的深刻联系。
广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水 星的近日点的摄动，第二个预言是，光线在引力场 中将发生偏转。第三个预言通常被称为谱线“红 移”，即恒星辐射总是背离我们而去。 第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立 即在1919年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经 过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分 别出发，一个派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁 顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比 岛。观测结果与预言相符，立即震撼了全世界的科 学家和公众。
普朗克将这个不可分的能量最小单元称为“能量子”或 “量子”，称En中每一个可能的能量状态为一个量子态。 这种不连续的能量状态称为“量子化”的状态。 普朗克提出的能量子假说,说明 振子吸收和辐射能量的过程不
是连续进行的。而是以能量子
的整数倍跳跃进行的，从而揭 示了微观领域中的新的奥妙，
并宣告了量子论的诞生。
整个宇宙中引力场的改变是同时发生的，这不
但意味着你可以发送比光速传播更快的信号
（这是为相对论所不容的），而且需要绝对或 普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。
1911年，爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识 到加速与引力场的密切关系，在密封厢中的人，无法
区分他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场
出的电磁波即热辐射也比其他任何物体都强。
自然界中没有绝对的、真正的理想黑体，但人们可以构造与黑体 性质相似的物体—— 一种只在表面上开一小孔的空腔：任何辐射 进入小孔后，在空腔内进行多次反射和吸收，很难再有机会从小 孔射出，犹如辐射被完全吸收一样。
黑体辐射
19世纪末热辐射研究的根本问题是如何从理论上来解释实验 结果所反映的热辐射的特征。首先是德国的维恩得到的经验 公式，它在频率高、温度较低时与实验事实相符，而在低温 范围内与实验显著不同。后来，英国的瑞利和金斯又得到一 个公式，它在低频范围、温度较高时与实验值相符，在高频 范围与实验差距甚大。衍射，这一假说 不久就为实验所证实。获1929年诺贝尔物理学奖。
1927年戴维孙和汤姆逊发现了晶体对电子的衍射和电
子照射晶体的干涉现象，证实了德布罗意的预言，他 们因此获1937年诺贝尔物理学奖。
德布罗意波
德布罗意
（五）量子力学的建立
1925年，海森伯（1932年获诺
x vt x 2 v 1 2 c y y z z vx t 2 c t v2 1 2 c
上述变换称为洛伦兹变换，是一个线性变换。
由洛伦兹变换得到的一些结论： 1.物体在运动方向上的收缩
测量一个物体的长度即空间间隔的办法是同时即当t1=t2 时测量它两端的坐标，若所测坐标为x1和x2，则物体长 度为l0=x2-x1。若物体相对S’系静止而相对于S系以 v 速度运动，根据洛伦兹变化公式得到
t1 t2 v2 1 2 c

t v2 1 2 c
由此看出，在S系中静止的观察者看来，相对S系运动 的惯性系S’中的时钟变慢了，这种现象被称为时间间 隔的“钟慢效应”。
尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常 完美，但它与牛顿的引力定律不相容。牛顿的
引力理论表明，如果你改变空间的物质分布，
这场危机是由“以太”漂移实验和对黑体辐射现象的研 究引起的。这两个实验发展出量子力学和相对论，而量子力 学和相对论正是构成近代物理学新摩天大厦的两大支柱。 百年之后的今天，当我们回顾那个历史时刻时，当时物 理学所面临的形势，岂止是像人们形容的山雨欲来风满楼， 更像是坐在即将喷发的火山口上，隆隆雷声，滚滚地火，没 多久爆发了一场伟大而深刻的科学革命，导致了现代物理学 的诞生，更使人类的社会生活发生了翻天覆地的、不同于历 史上以往的变化。而在当时居然有那么多大科学家具有那样 的物理学已经达到终极的认识，这在物理学的发展史，乃至 人类的思想史上，是否具有深刻的教益呢？
贝尔物理学奖）基于物理理论 只处理可观察量的认识，充分 利用了数学家创造出的先进的 数学工具－矩阵论，和玻恩、 约尔丹一起创建了另一种量子 力学——矩阵力学。 德国物理学家海森伯建立矩阵力学
1925年，物理学家薛定谔把德布罗意的理论大大向前推进,建 立了量子力学的波动力学体系，加深了对微观客体的波粒二象 性的理解，为数学上解决原子物理学、核物理学、固体物理学 和分子物理学问题提供了一种有力的理论工具。他于1933年获 诺贝尔物理学奖。
（三）关于原子结构问题的探索 1911年，英国的卢瑟福提出一个广为人们接受的 原子核式结构模型，即认为原子中带正电的部分 集中在原子的核心部分，称为原子核；电子分布 在原子核外，并绕原子核作旋转运动。
卢瑟福
发现原子核式结构
（四）物质波概念的提出
在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后， 为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学 家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的 假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样， 实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质，既具 有粒子性也具有波动性。 λ=h/mv 式中h为普朗克常量。这一公式是连接微观粒子波粒 二象性的普遍公式，称为德布罗意公式。实物粒子的 波称为物质波。
• 两条基本原理的提出，奠定了狭义相对论的理论基础。而 建立相对论的突破口，则是千百年来人们所习惯的盲目的 “同时性”观念的推翻。 • 以光速不变原理和力学相对性原理为前提，经过严密的逻 辑与数学论证，爱因斯坦于1905年终于创立了狭义相对论。
（二）狭义相对论的主要结论及其意义 狭义相对论的核心内容，是它所给出的一组新的坐标
§5.1
相对论
相对论是近代物理学和科学技术的重要理论基础之一。相对 论的诞生，不仅大大地推动了自然科学和技术的发展，而且在 哲学世界观方面具有非常重大的意义，为辩证唯物主义的时空
观提供了坚实的科学依据。
5.1.1
狭义相对论产生的历史背景
测量“以太风”的迈克尔孙-莫雷实验
迈克尔逊
莫雷
实验结果表明“以太风”并不存在，宣告经典物理 学的理论预言同实验结果是不相符的——零结果。
（二）光的波粒二象性的发现
光电效应最早是由赫兹于1887年发现的，它指的是 某些物体如金属内的电子由于光照而移出物体表面 的现象。在光电效应中，物体释放出的电子称为光 电子，光电子运动形成的电流称为光电流。
赫 兹
光电效应
爱因斯坦提出“光量子”的概念来解释光电
效应中的新现象。他假设光是以速度c在真空
相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其 运动的统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和 空间的传统看法即绝对时空观，并为辩证唯物主义的 时空观提供了充分的科学依据。
爱因斯坦当选 “20世纪风云人物”, 实至名望所归。
§5.2 量子力学
量子力学是研究微观粒子如电子、原子、分子等运 动规律的理论，它是现代物理学的又一重要基础理 论，极大地推动着现代科学技术的迅猛发展。如原
他的贡献不可忽视。
建立相对论的重任就最终落 在了爱因斯坦的肩头。
洛伦兹
爱因斯坦认为，自然界的物质运动是统一的， 作为自然规律正确反映的科学理论就要显示出
应有的简单性来。具体到经典力学，他认为力
学的伽利略相对性原理就体现了简单性思想。
因此他提出了狭义相对论的两条基本原理。
5.1.2
狭义相对论的创立
l=l0(1-v2/c2)1/2
由此看出，在S系中测量运动的物体的长度l，比其静止 时的长度l0缩短了。相对论的这种效应，我们称为空间 间隔的“尺缩效应”。
2. 运动时钟的延缓 设S’系相对S系沿x轴以速度 v运动。在S系中观察者 甲看S’系中乙的钟时，乙钟坐标x’保持不变。
t t 2 t1
然而完成从惯性系向非惯性系的过渡，还需要另 一条基本原理即等效原理的保证。
等效原理是爱因斯坦关于把惯性质量和引力质量等同 起来，或把加速度与引力场等同起来的假设。它的成
立是以如下的事实为基础的，那就是指在一个有限大
小的体积范围内，万有引力和某一加速系统的惯性力 相互等效，或者说物体的惯性质量与引力质量相等。 以等效原理和广义协变原理为基础，借助于新的数学 工具黎曼几何，爱因斯坦与1916年建立起广义相对论
奥地利物理学家薛定谔创立波动力学
• 5.2.3 量子力学的若干基本概念及其意义 从形式上看，微观粒子或其体系的各种物理量在量 子力学中都被表示为一些符号性的算符，而我们对微 观粒子的某一可测力学量的描述，是通过从属于某种 力学量的算符的波函数Φ 及其本征值a 的可能取值 来表达的。
子能技术的开发、激光的问世、大规模集成电路的
建立等，无一不以量子理论为前提，同时。量子力 学也对人们的哲学世界观产生着深远的影响，并为 辩证唯物主义自然观提供了重要的科学依据。
5.2.1
量子力学产生的历史背景
量子力学产生于19世纪末飘荡在物理学晴朗天空
中的另外一朵乌云即所谓的“紫外灾难”！ 物理学中为了研究物体的吸收和辐射的规律，构 造了一种理想模型，称为黑体。它能百分之百地吸收 辐射到它上面的电磁波，并且在同样温度下，它所发
经典物理学因无法解释这一现象而再次陷入困境， 这一困难就称为“紫外灾难”。
5.2.2 量子力学的建立 （一）量子假说的提出 1900年德国物理学家普朗克放弃经典的能量均分原理， 提出了“能量子”假说： 1.黑体的腔壁是由无数电谐振子组成的，这些谐振子 不断吸收和辐射电磁波并与腔内辐射场交换能量。 2.这些谐振子具有的能量是分立的，它们只能是一个 最小能量E的整数倍。当振子与腔内交换能量时，能 量的改变值只能是E 的整数倍，表示为公式即 En=nh v(n=0,1,2,3,…) v 式中n为量子数，h为普朗克常量，为频率。