经典和近代物理学史

经典和近代物理学史

--兼谈诺贝尔物理学奖和一些技术

物理实验中心近代物理实验室

2008.2.21

历史回顾

一、经典物理学的成就和基本观念

二、现代物理学革命的序幕

三、相对论的建立

四、量子论的初期发展与量子力学建立

五、原子结构理论的发展

六、原子核物理的建立与发展

七、传感及测量技术

历史回顾（I）

1900年普朗克量子论

1905年爱因斯坦相对论

开辟了现代物理学的新纪元

研究范围在空间尺度上从亚核世界到整个字宙，在时间尺度上从小于10-21秒到宇宙年龄历史回顾（II）

-百多年前创立的麦克斯韦电磁场理论为无线电、电视、雷达的技术发明和庞大的工业电力网络以及现代通汛系统的建立奠定了理沦基础

拉姆（美国）发明了微波技术，进而研究氢原子的精细结构；库什（美国）用射频束技术精确地测定出电子磁矩，创新了核理论，共同获得了1955年诺贝尔物理学奖

微波实验基本知识和实验4-1 反射式速调管的特性和波导工作状态的测量

历史回顾（III）

磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转

历史回顾（IV）

1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应（magneto-optic Kerr effect）

实验2-3 法拉第效应

实验2-4 磁光克尔效应

历史回顾（V）

本世纪20年代创立的量子力学理论为描述微观物体的行为提供了一个全新的框架，改变了我们最基本的测量原理，并为了解原子、分子和凝聚态物质的结构铺平了道路。因而导致了诸如半导体、光通讯等新兴技术的崛起，并为研制奇异材料和激光器件开辟了道路

历史回顾（VI）

1947年肖克莱、巴丁和布喇顿所发现的晶体管效应揭开了今天发生在我们周围的计算机革命的序幕。没有人能够知道这场革命最终将会如何改变我们的生活和人类社会，但是它所显露出的信息社会的近期前景巳十分诱人

肖克利、巴丁、布拉顿因发明晶体管及对晶体管效应的研究共同获得了1956年诺贝尔物理学奖

计算机的基本技术，计算机的仿真技术，计算机的数值计算技术

历史回顾（VII）

实验5-4 计算机系统结构原理及组装调试

实验

实验5-1 计算机虚拟仿真物理实验

实验5-2 计算机数值模拟实验（混沌系统

模型的一个例子）

一、经典物理学的成就和基本观念

（一）经典力学和机械决定论

（二）热力学与能量和熵

（三）经典电动力学和"以太"说

（四）经典物理学的完成和局限

由伽利略(1564-1642)和牛顿(1642-1727)等人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各个基础部门的拓展到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是它的三大支柱--经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学--已臻于成熟和完善，不仅在理论的表述和结构上已十分严谨和完美，而且它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基本观念，对人类的科学认识也产生了深远的影响

（一）经典力学和机械决定论

由牛顿把它概括在一个严密的统一理论中，实现了近代物理学发展史上第一次理论大综合。在l687年出版的《自然哲学的数学原理》中，牛顿提出了动力学的三个基本原理和万有引力定律。利用变分法的数学方法和"最小作用量原理"的物理学基础建立起了和牛顿动力学方程等价的欧拉-拉格朗日方程，并最终于1834年由英国的哈密顿(1805-1865)提出了哈密顿原理和正则方程，建立了"分析力学"理论，实现了牛顿后力学理论的一个最大的飞跃

（二）热力学与能量和熵

能量守恒原理的建立，使物理学思想和理论结构获得了辉煌的进展是19世纪自然科学上的一个伟大胜利也是近代物理学发展中的第二次理论大综合

熵原理的发现，实际上把演化的思想带进了物理学，指出了自然过程的不可逆性和历史性在经典力学和电磁场理论中，基本物理定律中的时间都是对称的、可逆的，它们的基本方程对时间反演都是具有对称性的，运动对于过去和未来没有本质的区别，时间在那里仅仅是从外部描述运动的一个参量，它的变化对运动的性质并无影响。因而时间箭头在那里没有实质性的意义

"统计力学"这个名称是1884年由美国物理学家吉布斯(1839一1903)首先提出的。吉布斯在麦克斯韦和玻耳兹曼思想的基础上，明确形成了"系综"概念，创立了系综统计方法。从而将热学的唯象的和分子运动论的两个基本的研究方向统一到一个有机整体之中，完成了统计力学这个经典物理学的又一次理论大综合

（三）经典电动力学和"以太"说

1862年，麦克斯韦引入了一个电磁以太的准力学模型和"位移电流"假设，1864年提出了电动力学方程组，预言了电磁波的存在，井揭示了光的电磁波动本性。麦克斯韦的方案使媒递接触观念得以完全实现，并使电磁学理论的全部物理基础得以奠定，成为近代物理学发展中的第三次理论大综合

（四）经典物理学的完成和局限

大约到了1895年前后，以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学为三大支柱的经典物理学，结合成一座具有雄伟的建筑体系和动人心弦的"美丽的殿堂"，达到了它的颠峰时期

在力学方面，与机械观相联系的绝对时间、绝对空间的概念以及关于质量的定义，都已受到普遍的批评，牛顿对于引力的本质问题也采取了回避的态度。而牛顿力学的理论框架实际上必然要把引力看作是一种瞬时传递的超距作用，这与19世纪发展起来的场物理学是根本对立的

在热学方面，熵增加原理揭示的与热现象有关的自然过程的不可逆性，反映出热力学原理与经典力学和经典电动力学原理之间深刻的内在矛盾，而统计力学中引入的概率统计思想以及热力学规律的统计性质，已使经典力学的严格确定性出现了缺口

在光学和电磁学方面，作为光波与电磁波的传播媒介的"以太"，其令人难以理解的特殊性质以及关于它的存在的检测，都使科学家们费尽心血而一筹莫展。根据电磁学理论，可用空间坐标的连续函数描写的场，是具有能量的不能再简化的物理实在，这又与经典力学把运动的质点看作能量的唯一裁体的观点严重背离

二、现代物理学革命的序幕

（一）19世纪末的三大发现

1．X射线的发现

2．放射性的发现

3．电子的发现

（二）经典物理学的两朵乌云

1．第一朵乌云"以太"学说

2．第二朵乌云"紫外灾难"

（一）19世纪末的三大发现

伦琴（Willhelm Konrad Rotgen, 1845---1923)

1901年，首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学家伦琴以表彰他在1895年发现的X 射线。

1．X射线的发现

1895年11月伦琴发现X射线，一种具有强穿透力的新的射线，它是由阴极射线打到玻璃管壁上所产生的；它可以穿透厚达一千页的书、几厘米厚的木板、15毫米厚的铝片，并可用照相的方法透过人体显示骨骼的轮廓和金属物体内部的缺陷

伦琴由于这一发现，理所当然地获得了1901年首届诺贝尔物理学奖

劳厄(Max von Laue ,1879-1960)

1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄以表彰他发现了晶体的X射线衍射。

亨利·布拉格劳伦斯·布拉格

(William Henry Bragg ,1862-1942) （William Lawrence Bragg, 1890-1971）

1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.布拉格以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。

1912年，德国物理学家劳厄才从晶体衍射的新发现判定X射线是频率极高的电磁波。不久