【正文】 張勝光制作 123 第一個(gè)意識(shí)到量子概念的普遍意義，并將其運(yùn)用到其他問題上的是愛因斯坦。１９４４年，他的一個(gè)兒子被控告參與謀殺希特勒的未遂事件，在大戰(zhàn)即將結(jié)束時(shí)，他的家被炸成廢墟。納粹統(tǒng)治德國(guó)時(shí)期，普朗克留在自己的祖國(guó)，他公開反對(duì)政府的某些政策，特別是反對(duì)迫害猶太人的政策。1920年，在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)儀式上，他作了題為 《 量子理論的創(chuàng)立和當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r 》 的演講，演講中他說： ? …… 我覺得整個(gè)的發(fā)展過程似乎是為歌德在很久以前所說的一句名言提供了一個(gè)新的證明，這句名言是：‘ 人要奮斗就要有錯(cuò)誤。 張勝光制作 120 １９０５年，愛因斯坦提出光量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)；１９０６年，他又將量子理論運(yùn)用到固體比熱問題，獲得成功；１９１２年，玻爾將量子理論引入到原子結(jié)構(gòu)理論中，克服了經(jīng)典理論解釋原子穩(wěn)定性的困難，建立了他的原子結(jié)構(gòu)模型，取得了原子物理學(xué)劃時(shí)代的進(jìn)展；１９２２年，康普頓通過實(shí)驗(yàn)最終使物理學(xué)家們確認(rèn)光量子圖景的實(shí)在性，從而使量子理論得到科學(xué)界的普遍承認(rèn)。他的能量子假說是不徹底的，他的理論還是以承認(rèn)電磁波本身的連續(xù)性為基礎(chǔ)的。他受過嚴(yán)格的經(jīng)典物理學(xué)訓(xùn)練，對(duì)經(jīng)典物理學(xué)十分熟悉和熱愛。他曾在散步時(shí)對(duì)兒子說： ? 我現(xiàn)在做的事情，要么毫無意義，要么可能成為牛頓以后物理學(xué)上最大的發(fā)現(xiàn)。 張勝光制作 118 遺憾的是，普朗克雖然發(fā)現(xiàn)了能量子，但他不能理解這一發(fā)現(xiàn)的意義，對(duì)自己的發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期惴惴不安。量子論的出現(xiàn)，物理學(xué)界最初的反應(yīng)是極其冷淡的。 能量子假說的提出，給經(jīng)典物理學(xué)打開了一個(gè)缺口，為量子物理學(xué)安放了一塊奠基石，宣告量子物理學(xué)的誕生。普朗克將最小的不可再分的能量單元稱做 ? 能量子 ? 或 ? 量子 ? 。他注意到在過去的理論中器壁上的分子原子被看作吸收電磁波的 ? 振子 ? ，在能量上可以連續(xù)地變化，就是說電磁波和振子之間的能量交換，可以無限制地減少或增大，正是這一假設(shè)導(dǎo)致了 ? 紫外災(zāi)難 ? 。 張勝光制作 110 + = 張勝光制作 111 普朗克公式 與實(shí)驗(yàn)吻合很好 瑞利一金斯公式 :紫外災(zāi)難 張勝光制作 112 普朗克認(rèn)為這個(gè)公式必能從某些理論中推導(dǎo)出來，經(jīng)典物理學(xué)的所有理論和方法他都試過了，但都失敗了。普朗克公式同實(shí)驗(yàn)符合得很好，在高頻區(qū)普朗克公式近似地化為維恩公式，而在低頻區(qū)又近似地化為瑞利 — 金斯公式。 其中引入了一個(gè)常數(shù) h，后來被稱為普朗克常數(shù)。這個(gè)公式在紫區(qū)出了問題，被稱為 ? 紫外災(zāi)難 ? ；而瑞利 — 金斯公式是完全根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)推導(dǎo)出來的，因此， ? 紫外災(zāi)難 ? 實(shí)際上也是整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的 ? 災(zāi)難 ? ，這就是開爾文把它看成是物理學(xué)天空中的一朵 ? 烏云 ? 的原因。但是這個(gè)公式只在可見光譜的長(zhǎng)波部分才能很好地與實(shí)驗(yàn)符合，當(dāng)波長(zhǎng)變短時(shí)，這個(gè)公式就失效了。 1896年維恩（ l864—1928）根據(jù)熱力學(xué)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)湊出一個(gè)輻射能譜公式，在短波區(qū)幾乎與實(shí)驗(yàn)完全符合。此定律稱為維恩位移定律（ λmT ＝ 第一個(gè)定律是：黑體的輻射能力，即它每秒以電磁輻射的形式發(fā)射的能量，正比于它的溫度四次方： （ W＝ σT4 ） 這個(gè)定律是斯蒂芬（ l835— 1892）和玻耳茲曼（ l844— 1906）發(fā)現(xiàn)的。但該公式的理論依據(jù)尚不消楚。 可以說，為物理學(xué)奠定新的統(tǒng)一的概念基礎(chǔ)是相對(duì)論的最重要貢獻(xiàn)，也是它導(dǎo)致物理學(xué)革命的主要原因。 張勝光制作 100 在廣義相對(duì)論中，?等效原理?即引力場(chǎng)與加速系的等效是一個(gè)關(guān)鍵。這種精神就是對(duì)世界普遍性的追求，對(duì)宇宙和諧的追求，對(duì)數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單性的追求。因此，‘ 空虛空間 ’ 這個(gè)概念就失去了它的意義。 張勝光制作 97 愛因斯坦說： ? 空間 — 時(shí)間未必能被看做是一種可以離開物理實(shí)在的實(shí)際客體而獨(dú)立存在的東西。由于時(shí)空與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)之間發(fā)生了關(guān)聯(lián)，世界圖景成了 ? 時(shí)空 — 場(chǎng) — 物質(zhì) — 流形 ? 。由于近代世界圖景主要由物理科學(xué)提供，也可以說相對(duì)論革新了世界圖景。 下頁的表中列出雷達(dá)回波延遲的觀測(cè)結(jié)果和它們的理論預(yù)言，兩方面的符合同樣是令人非常滿意的。 張勝光制作 93 例如，地球與水星之間的雷達(dá)回波最大延遲時(shí)間可達(dá) 240微秒。這時(shí)太陽的影響可以不計(jì)；一種是電波來回的路程要經(jīng)過太陽附近，受到引力場(chǎng)的作用。夏皮羅從地球上利用雷達(dá)發(fā)射一束電磁波脈沖，這些電磁波到達(dá)其它行星之后，將發(fā)生反射，然后再回到地球，被雷達(dá)接收到。用這種方法得到的光線彎曲值是1.775土 0.019。 0116＋ 08與 0119＋ 11及 0111＋ 02三個(gè)射電源幾乎構(gòu)成一條直線。因此檢驗(yàn)光線彎曲的精度也大大提高了。下表中列出各次觀測(cè)的主要結(jié)果。 ? 張勝光制作 88 張勝光制作 89 1919年以后，幾乎每逢有便于進(jìn)行觀測(cè)的日全食時(shí)。 張勝光制作 87 1919年 11月 6日，皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)正式宣讀了兩支隊(duì)伍的觀測(cè)報(bào)告，確認(rèn)了廣義相對(duì)論的結(jié)論是正確的當(dāng)時(shí)的皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)湯姆遜致詞說： ?愛因斯坦的相對(duì)論是人類思想史上最偉大的成就之一，也許就是最偉大的成就。另一支到南美的索布臘爾，由另一位天文學(xué)家克勞姆林帶隊(duì)。 1919年 5月 29日，這個(gè)機(jī)會(huì)終于來了。晚上能看到星光太陽又下山了。愛因斯坦預(yù)言，遙遠(yuǎn)的星光如果掠過太陽表面，將會(huì)發(fā)生一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。 張勝光制作 84 一束通過太陽表面附近引力場(chǎng)的星光，偏轉(zhuǎn)角只有 1.75，當(dāng)沒有太陽時(shí)，星光以直線傳到我們的地球，但當(dāng)太陽出現(xiàn)在星體與地球之間時(shí)，光線發(fā)生彎曲，我們將看到星體的位置移動(dòng)到虛線的方向．即如圖 8－ 4所示。 張勝光制作 81 張勝光制作 82 引力場(chǎng)會(huì)使光線偏折 張勝光制作 83 光線彎曲 一切物體在引力場(chǎng)附近時(shí)，都不可能走直線，因?yàn)橐Φ淖饔靡顾鼈兊能壍榔蛞υ础? 張勝光制作 79 強(qiáng)引力場(chǎng)會(huì)使時(shí)鐘變慢，即會(huì)使原子的振動(dòng)變慢，光的頻率變低，光譜紅移； 張勝光制作 80 廣義相對(duì)論的第二大預(yù)言是引力紅移，即在強(qiáng)引力場(chǎng)中光譜應(yīng)向紅端移動(dòng)。可是許多年過去了，誰也沒有發(fā)現(xiàn)什么 ? 火神星 ? 。 張勝光制作 73 空間彎曲就好像把一塊石子放在橡皮模上 石子 =重力 橡皮模 = 彎曲的空間 張勝光制作 74 時(shí)空幾何量 = 物質(zhì)的物理量 時(shí)空幾何量 = 物質(zhì)的物理量 （時(shí)空度規(guī)張量） (能量動(dòng)量張量 ) 張勝光制作 75 廣義相對(duì)論的理論體系 基本假定： 廣義相對(duì)性原理 （物理定律在一切參考系中是平權(quán)的） 等效原理 （慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，已經(jīng)實(shí)驗(yàn)嚴(yán)密證實(shí)） 張勝光制作 76 廣義相對(duì)論的理論體系 幾個(gè)推論： 引力的實(shí)質(zhì) = 時(shí)空彎曲 引力場(chǎng)方程 —— 宇宙學(xué)方程 張勝光制作 77 幾個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)言 水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng) 張勝光制作 78 廣義相對(duì)論首先解釋了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。 張勝光制作 71 愛因斯坦等效原理思想實(shí)驗(yàn) 張勝光制作 72 廣義相對(duì)論還指出，由于有物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲，引力場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)彎曲的時(shí)空。這一原則被稱為等效原理。 愛因斯坦將相對(duì)性原理推廣到引力場(chǎng)中，指出引力場(chǎng)就相當(dāng)于一個(gè)非慣性系。在牛頓看來，引力是即時(shí)作用，引力場(chǎng)就像是一個(gè)絕對(duì)時(shí)空的載體。我為它的存在感到極為驚奇，并猜想其中必定有一把可以更加深入地了解慣性和引力的鑰匙。人們通常理所當(dāng)然地認(rèn)為它們是相等的，把它們統(tǒng)稱為質(zhì)量，可是，這種相等是偶然的嗎 ? 張勝光制作 69 愛因斯坦曾這樣寫道： ? … 在引力場(chǎng)中一切物體都具有同一加速度。 張勝光制作 68 按照牛頓力學(xué)，任何物體既有慣性質(zhì)量，也有引力質(zhì)量。 1916年，愛因斯坦在老同學(xué)格羅斯曼的幫助下，運(yùn)用黎曼幾何完成了廣義相對(duì)論的最終形式。因此，就在愛因斯坦發(fā)表狹義相對(duì)論的同時(shí)，他就已經(jīng)開始考慮狹義相對(duì)論的限制及外延。 張勝光制作 66 愛因斯坦基于對(duì)宇宙統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)，意識(shí)到狹義相對(duì)論只考慮到了理想狀態(tài)下的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即慣性運(yùn)動(dòng)參照系。狹義相對(duì)論詳細(xì)的解釋了力學(xué)，熱力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的物理規(guī)律，闡述了光在運(yùn)動(dòng)中的行為，但不能解釋經(jīng)典力學(xué)中的引力問題。 張勝光制作 61 尺縮效應(yīng) 張勝光制作 62 光速不變?cè)? 張勝光制作 63 質(zhì)量可變 張勝光制作 64 張勝光制作 65 盡管愛因斯坦的狹義相對(duì)論取得了輝煌的成就，但愛因斯坦本人卻并不滿足。只有最后引入廣義相對(duì)論，這個(gè)問題才有一個(gè)最后的答案：歷經(jīng)加速度的那位生命周期更慢些。但我們必須注意到，在前述問題中，地球與飛船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并不相同。當(dāng)然，按照相對(duì)論，在宇宙飛船上的那位，也會(huì)發(fā)現(xiàn)呆在地球上的兄弟生命周期放慢，因?yàn)樵谒磥?，地球以一個(gè)與飛船速度相等的速度反向運(yùn)動(dòng)。 張勝光制作 58 鐘慢效應(yīng)意味著一切周期現(xiàn)象的節(jié)奏都變慢了，包括人的生命周期，這就引出了一個(gè)十分有趣的雙生子宇航悖論。在本參照系中的觀察者將看不出這種效應(yīng)。尺縮鐘慢效應(yīng)說的是：對(duì)于兩個(gè)相互運(yùn)動(dòng)的參照系來說，處在某參照系中的觀察者將會(huì)發(fā)現(xiàn)另一參照系中的物體，其運(yùn)動(dòng)方向縮短了，其時(shí)鐘走慢了。整個(gè)狹義相對(duì)論就建筑在這兩條基本原理上。 2．任何光線在 ? 靜止的 ? 坐標(biāo)系中都是以確定的速度 C運(yùn)動(dòng)著，不管這道光線是由靜止的還是運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射出來的。這一結(jié)論否定了牛頓力學(xué)所引以為基礎(chǔ)的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間框架。 A C B 張勝光制作 52 但一個(gè)由 A向 B運(yùn)動(dòng)的觀察者卻不同意，因?yàn)橐彩窃?C點(diǎn)，他卻發(fā)現(xiàn) B點(diǎn)的閃光先于 A點(diǎn)到達(dá)，按定義， B事件先于 A事件，它們是不同時(shí)的。 張勝光制作 51 設(shè) AB兩地各發(fā)生了一個(gè)事件 (如發(fā)生了一次閃光 )，在 AB的中點(diǎn) C處的觀察者，由 AB兩地發(fā)來的光信號(hào)同時(shí)到達(dá)這一點(diǎn)，推測(cè)兩事件是同時(shí)發(fā)生的。如果邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了零結(jié)果，那么它正是一次成功的實(shí)驗(yàn)，證明所謂以太漂移根本就是虛幻的。 張勝光制作 48 《 論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué) 》 ， 刊于 《 物理學(xué)年鑒 》 第 17卷第 89l一 921頁。 他以同時(shí)性的相對(duì)性這一點(diǎn)作為突破口，建立了全新的時(shí)間和空間理論。在這篇論文中，愛因斯坦提出了他舉世聞名的相對(duì)性理論即相對(duì)論。但愛因斯坦第一個(gè)從數(shù)學(xué)上詳盡地解決了這一問題。布朗運(yùn)動(dòng)是1827年英國(guó)植物學(xué)家布朗發(fā)現(xiàn)的顯微鏡下花粉顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)期以來得不到解釋。由于這篇論文，愛因斯坦獲得了 1921年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。正是這些光量子激發(fā)了金屬內(nèi)部的電子，而且，只有一定能量的光量子能被金屬所吸收，并激發(fā)一定能量的電子。對(duì)這一點(diǎn)古典物理學(xué)無法解釋。當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，金屬在光的照射下可以發(fā)射出電子。 1905年是科學(xué)史上值得記取的一年，這一年中，愛因斯坦在德國(guó) 《 物理學(xué)年鑒 》 發(fā)表了五篇論文，其中的三篇每篇均屬劃時(shí)代的成就。他的著名實(shí)驗(yàn)是，一個(gè)坐在船艙里的人無論用什么物理實(shí)驗(yàn)，也無法確定該船是否在相對(duì)于河流做均勻直線運(yùn)動(dòng)即慣性運(yùn)動(dòng)?？墒沁@與牛頓力學(xué)所遵從的慣性系等效原理相矛盾。 第四節(jié) 相對(duì)論的誕生