經典和近代物理學史(編輯修改稿)
2025-02-12 21:24 本頁面
【文章內容簡介】 ? 相對性原理是經典力學的一個最基本的原理，這個原理認為，絕對靜止和絕對勻速運動都是不存在的，一切可測量的、因而也是有物理意義的運動，都是相對于某一參照物的相對運動。牛頓本人也充分意識到了確定“絕對運動”的困難，最后只能以臆測性的“絕對空間”的存在作為避難所 ? 麥克斯韋的電磁場理論獲得成功之后，電磁波的載體以太，就成了物化的絕對空間，靜止于宇宙中的以太就構成了一切物體的“絕對運動”的背景框架。既然以太也是一種物質存在，或者說它表征著物化了的絕對空間，當然就可以通過精密的實驗測出物體相對于以太背景的絕對運動 ? 美國物理學家邁克爾遜（ 1852－ 1931）在 1881年，他和莫雷（ 1838－ 1923）在1887年利用干涉儀所進行的精密光學實驗，都未能觀察到所預期的以太相對于地球的運動 第二朵烏云“紫外災難” ? 第二朵烏云涉及的是經典物理學另一分支，熱力學和分子運動論中的一個重要問題。開爾文明確提到的是“麥克斯韋－玻耳茲曼關于能量均分的學說”。實際上是指 19世紀末關于黑體輻射研究中所遇到的嚴重困難 ? 為了解釋黑體輻射實驗的結果，物理學家瑞利和金斯認為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，這個公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災難” ? 20世紀初的這兩朵烏云最終導致了物理學的一場大變革。第一朵烏云“以太”學說導致了相對論的誕生。第二朵烏云“紫外災難”導致了量子力學的產生。因此也可以說，對這兩朵“烏云”的研究就標志著現(xiàn)代物理時代的到來 三、相對論的建立 （一）狹義相對論的建立 1．以太漂移實驗與收縮假說 2．洛侖茲變換 3．彭加勒的相對性原理 4．狹義相對論基本原理的提出 5．閔科夫斯基的 4維世界 （二）廣義相對論的建立 （一）狹義相對論的建立 1．以太漂移實驗與收縮假說 ? 自從 19世紀初，光的波動說復活以來，關于傳光的媒質，始終是一個爭論的話題。人們認為光的波動必須有一個載體，它就是“以太”。關于以太的存在形式在當時有兩種不同的觀點，以菲涅耳為代表的一派認為以太是靜止，以斯托克斯為代表的一派認為以太是可以被部分曳引的 ? 如果靜止以太說是正確的，在地球高速運動時，應存在著“以太風”。多年來，人們做了一系列光學的與電學的以太漂移實驗，企圖測量地球在靜止以太中的相對運動，它們均給出了否定的結果。其中最著名的實驗是由邁克爾遜和莫雷完成的 邁克耳孫 （ Albert Abrham Michelson ,1852 1931） 1907年諾貝爾物理學獎授予芝加哥大學的邁克耳孫以表彰他對光學精密儀器及用之于光譜學與計量學研究所作的貢獻。 ? 邁克爾遜在光速測量方面一直享有國際上的盛譽 ? 邁克爾遜由于光學精密儀器以及光譜學與計量學的研究成果而獲得了 1907年諾貝爾物理學獎 ? 實驗 22 光拍法測量光的速度 2．洛侖茲變換 ? 1895年，洛侖茲發(fā)表了題為 《 運動物體中電磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象的理論研究 》 的論文。這篇論文討論了在相對運動與相對靜止參照系間，同一物理現(xiàn)象間的坐標變換問題，在一級近似下，提出了洛侖茲變換關系。這一工作對以后的狹義相對論理論體系有著重要的意義 ? 1905年 5月，洛侖茲完成了 《 速度小于光速系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象 》 的論文。在這篇論文中，他發(fā)表了著名的時空相對論變換公式，這就是后來所稱的洛侖茲變換式，并且進一步證明了，在洛侖茲變換下，電磁方程具有不變形式。在這篇論文中，他還給出了兩點極為重要的給論，一個是粒子質量隨速度變化的公式，一個是粒子在以太中運動的速度不可能大于光速 3．彭加勒的相對性原理 ? 在物理學的這場變革中，彭加勒在物理學的幾個領域中都做出了重要的貢獻。其中著名的有彭加勒相對性原理的建立。 1895年，彭加勒首次提出了相對性原理的想法。他認為，各種實驗事實的結論都可以表明，“要證明物質的絕對運動，或者更確切地說，要證明可稱量物質相對以太的運動是不可能的?！? 4．狹義相對論基本原理的提出 ? 在狹義相對論中，愛因斯坦成功地把時間與空間、物質與運動、質量與能量、多普勒效應與光行差效應、電場與磁場分別統(tǒng)一起來了，直至把經典力學與經典電動力學統(tǒng)一起來，使物理學在拋棄舊力學理論的框架后，得以在新的理論體系中繼續(xù)發(fā)展 5．閔科夫斯基的 4維世界 ? 閔科夫斯基以優(yōu)美的數(shù)學形式，揭示了 3維空間與 1維時間的內在聯(lián)系。在他所提供的 4維空間中，不僅全部力學與電動力學的概念及重要規(guī)律得以進一步地簡化與統(tǒng)一，它們被自然與和諧地納入到相對論的理論之中 （二）廣義相對論的建立 ? 按狹義相對性原理，由于在洛侖茲變換下，許多物理定律都具有協(xié)變形式，相對各物理定律而言。各個慣性系都應彼此等效。狹義相對論在說明慣性運動的相對性上取得了極大的成功，它卻存在明顯的缺陷。首先是慣性系是什么？如何確定物體在做慣性運動。最終又回到了 不動的絕對空間 四、量子論的初期發(fā)展與量子力學建立 （ 一 ） 量子論的初期發(fā)展 ? 1． 黑體輻射的研究 ? 2． 普朗克的 “ 量子 ” 假說 ? 3． 光量子假說 （ 二 ） 量子力學理論的建立 ? 1． 德布羅意波 ? 2． 薛定諤的波動力學 ? 3． 海森伯的矩陣力學 ? 4． 量子力學的萬本哈根學派的詮釋 1．黑體輻射的研究 ? 1879年德國物理學家斯特藩從實驗結果中得出了黑體單位表面積單位時間的熱輻射總能量與絕對溫度的四次方成正比的定律，這個結果在 1884年被玻耳茲曼從光的電磁理論和熱力學理論做出了論證。這就是斯特藩 玻耳茲曼定律 維 恩
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