20世纪物理学史

（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
（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
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
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
• 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 • 实验5-1 • 实验5-2 计算机系统结构原理及组装调试 实验 计算机虚拟仿真物理实验 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
• “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
ห้องสมุดไป่ตู้
（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
• 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
（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
• 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（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
• 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