【正文】 但奇怪的是，光的強(qiáng)度只與電子的多少有關(guān)，而不能使電子的發(fā)射能量變大。 張勝光制作 45 愛(ài)因斯坦將德國(guó)物理學(xué)家普朗克在此之前提出的量子觀點(diǎn)大膽推廣，指出光是由一定能量的光量子組成。這就解釋了光電效應(yīng)。 張勝光制作 46 第二篇論文發(fā)表在 《 物理學(xué)年鑒 》 第 17卷549— 560頁(yè)，是關(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的。分子運(yùn)動(dòng)論建立之后，曾有人從大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)解釋布朗運(yùn)動(dòng)。 張勝光制作 47 最偉大的成就是第三篇論文 《 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(yè)。這是他多年來(lái)思考以太與電動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的結(jié)果。并在新的時(shí)空理論基礎(chǔ)上給動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)以完整的形式。 張勝光制作 49 以太概念不再是必要的，以太漂移問(wèn)題也不再存在。 張勝光制作 50 何謂同時(shí)性的相對(duì)性？不同地點(diǎn)的兩個(gè)事件我們何以知道它是同時(shí)發(fā)生的呢？這個(gè)問(wèn)題看似平常，卻至關(guān)重要。按定義，它也的確是同時(shí)發(fā)生的，因此地面上的每一位靜止的觀察者均會(huì)同意。也就是說(shuō)，同時(shí)性不是絕對(duì)的，而取決于觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 A C B 張勝光制作 53 狹義相對(duì)論的理論體系 基本假定： 狹義相對(duì)性原理 （物理定律在一切慣性參考系中是平權(quán)的） 光速不變?cè)?（真空中光速不因光源的運(yùn)動(dòng)而變，永遠(yuǎn)是 30萬(wàn)公里 /秒，即邁克爾遜 — 莫雷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果） 張勝光制作 54 關(guān)于狹義相對(duì)論的基本原理，愛(ài)因斯坦寫(xiě)道： ? 下面的考慮是以相對(duì)性原理和光速不變?cè)頌橐罁?jù)的，這兩條原理我們規(guī)定如下： ，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究竟是用兩個(gè)在互相勻速移動(dòng)著的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)并無(wú)關(guān)系。 ? 其中第一條就是相對(duì)性原理，第二條是光速不變性。 張勝光制作 55 狹義相對(duì)論的理論體系 幾個(gè)推論： 鐘慢效應(yīng) (已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)） 尺縮效應(yīng)（無(wú)法在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)） 質(zhì)量可變 質(zhì)能關(guān)系式 E = MC2（原子彈爆炸） 張勝光制作 56 鐘慢效應(yīng) 張勝光制作 57 同時(shí)性的相對(duì)性帶來(lái)了一系列的物理后果，其中廣為人知的是尺縮鐘慢效應(yīng)。這兩個(gè)效應(yīng)都只是相對(duì)論效應(yīng)。而且相對(duì)論效應(yīng)是相互的，你看見(jiàn)我的尺縮鐘慢，我也看見(jiàn)你的尺縮鐘慢。假定有一對(duì)孿生兄弟，其中的一個(gè)要以接近于光速 (為了充分顯示相對(duì)論效應(yīng) )的速度做一次宇宙航行，按照相對(duì)論效應(yīng)，呆在地球上的那位就會(huì)發(fā)現(xiàn)其兄弟生命周期放慢，比如，自己活了 10年，對(duì)方才過(guò)了 1年。 張勝光制作 59 雙生子宇航悖論 張勝光制作 60 現(xiàn)在假定，宇航結(jié)束了，兩兄弟又相遇在一起了，那么他們究竟誰(shuí)更老、誰(shuí)更年輕 ?在狹義相對(duì)論的范圍內(nèi)，這個(gè)難題是不能解決的。飛船為了離開(kāi)地球以及最后回到地球，都需要經(jīng)歷一段加 (減 )速時(shí)期，而這是狹義相對(duì)論所不能處理的。廣義相對(duì)論將引力與加速度等效起來(lái)，而在引力場(chǎng)中，生命周期將會(huì)慢下來(lái)。因?yàn)楠M義相對(duì)論尚存在著一定的缺陷。牛頓的引力理論是超距的，兩個(gè)物體之間的引力作用在瞬間傳遞，即以無(wú)窮大的速度傳遞，這與相對(duì)論的光速是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的極限相互沖突。但是，宇宙中不可能存在慣性參照系，一切自然規(guī)律不應(yīng)該局限于慣性系，必須考慮非慣性系。 張勝光制作 67 正在人們忙于理解狹義相對(duì)論時(shí)，愛(ài)因斯坦正接近完成廣義相對(duì)論。在這個(gè)理論中，引力是被考慮的主要問(wèn)題。牛頓第二定律中的質(zhì)量是慣性質(zhì)量，而萬(wàn)有引力定律中的質(zhì)量是引力質(zhì)量。這條定律也可以表述為慣性質(zhì)量同引力質(zhì)量相等的定律．它當(dāng)時(shí)就使我認(rèn)識(shí)到它的全部重要性。 ? 張勝光制作 70 狹義相對(duì)論與牛頓的萬(wàn)有引力理論實(shí)際上存在矛盾。這種看法為時(shí)空的相對(duì)性觀念所不容。人們對(duì)一個(gè)物體是正被加速，還是正處在引力場(chǎng)中原則上無(wú)法做出區(qū)分。慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等是等效原理的一個(gè)自然的推論。也就是說(shuō)，牛頓提出了萬(wàn)有引力，而愛(ài)因斯坦事實(shí)上取消了它：引力的本質(zhì)是沒(méi)有引力，宇宙中無(wú)處不在的引力其實(shí)不是引力，而是時(shí)空的彎曲！在彎曲的宇宙時(shí)空中，天體只能沿路程最短的短程線運(yùn)動(dòng)，投射到歐幾里的空間中，就呈現(xiàn)出橢圓形的運(yùn)動(dòng)軌道。這個(gè)進(jìn)動(dòng)被曾經(jīng)預(yù)測(cè)海王星的法國(guó)天文學(xué)家勒維列用行星攝動(dòng)方法來(lái)解釋，他推測(cè)水星附近存在一個(gè)新的行星 ? 火神星 ? 。愛(ài)因斯坦用太陽(yáng)引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)中無(wú)法解釋的 43秒。 20年代，天文學(xué)家在天文觀測(cè)中證實(shí)了這一點(diǎn)。根據(jù)等效原理可以判斷，光在引力場(chǎng)中傳播時(shí)，也會(huì)有類似的現(xiàn)象。 張勝光制作 85 最靠近地球的大引力場(chǎng)是太陽(yáng)引力場(chǎng)。這個(gè)預(yù)言很難驗(yàn)證，因?yàn)榇蟀滋焯?yáng)太亮，看不到星光。但也有機(jī)會(huì)，那就是日全食的時(shí)候。 張勝光制作 86 1919年 5月 29日，在英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓(1882— 1944)的鼓動(dòng)下，英國(guó)人派出了兩支遠(yuǎn)征隊(duì)，一支到非洲西部的普林西比島，由愛(ài)丁頓本人率領(lǐng)觀測(cè)日全食。兩支隊(duì)伍不久就帶回了日全食時(shí)的太陽(yáng)照片，然后與太陽(yáng)不在這個(gè)天區(qū)時(shí)的星空照片相比較，即可求出光線彎曲的數(shù)值，經(jīng)反復(fù)核對(duì)和比較，最終結(jié)論是，星光在太陽(yáng)附近的確發(fā)生了一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。它不是發(fā)現(xiàn)一個(gè)孤島，而是發(fā)現(xiàn)了新的科學(xué)思想的新大陸。各國(guó)的天文學(xué)家都要做這個(gè)光線彎曲的實(shí)驗(yàn)。 張勝光制作 90 近年來(lái)射電天文學(xué)的定位技術(shù)大大提高，分辨率超過(guò)了光學(xué)。可巧，每年三、四月間太陽(yáng)要在射電源 0116＋ 08附近通過(guò)一次（見(jiàn)圖85）。而當(dāng)太陽(yáng)通過(guò) 0116 ＋ 08附近時(shí)，它們的相對(duì)位置將要發(fā)生變化。 張勝光制作 91 張勝光制作 92 雷達(dá)回波的延遲 1964年．夏皮羅等提出了一個(gè)光在引力場(chǎng)中傳播的新的可以檢驗(yàn)的效應(yīng)。我們可以測(cè)出來(lái)回一次的時(shí)間，并對(duì)比兩種不同的情況，一種是電波來(lái)回的路程遠(yuǎn)離太陽(yáng)。后一種情況的回波要比前者延遲一些，這就是太陽(yáng)引力場(chǎng)感應(yīng)的傳播時(shí)間的加長(zhǎng)，或叫做雷達(dá)回波的延遲。為了避免由于行星表面的復(fù)雜因素的影響，也有人用人造天體作為雷達(dá)信號(hào)的反射靶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 張勝光制作 94 張勝光制作 95 引力場(chǎng)方程導(dǎo)出的宇宙膨脹模型 張勝光制作 96 狹義和廣義相對(duì)論的誕生，革新了物理科學(xué)的基本概念框架。世界圖景不再是 ? 筐子裝東西 ? 式的 ? 時(shí)空 +物質(zhì) ? 模式。經(jīng)典物理學(xué)中時(shí)空與物質(zhì)之間的二分消解了，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與時(shí)間空間成為一體。物理客體不是在空間之中，而是這些客體有著空間的廣延。 ? 張勝光制作 98 相對(duì)論在時(shí)空觀方面的革命完全奠基于對(duì)希臘古典科學(xué)精神的再度弘揚(yáng)。 張勝光制作 99 在狹義相對(duì)論中，?光速不變?cè)?起到重要的作用，它的功能在于統(tǒng)一電動(dòng)力學(xué)與牛頓力學(xué)，愛(ài)因斯坦自己說(shuō)過(guò)：?狹義相對(duì)論的成就可以表征為一般地指出了普遍常數(shù) c (光速 )在自然規(guī)律中所起的作用?。它的功能也是為物理學(xué)的大統(tǒng)一奠定基礎(chǔ)。 第五節(jié) 量子力學(xué)的創(chuàng)立 張勝光制作 102 量子理論的提出：普朗克、愛(ài)因斯坦 1900年．德國(guó)物理學(xué)家普朗克 (1858— 1947)采用拼湊的辦法，得出了一個(gè)在長(zhǎng)波和短波部分均與實(shí)驗(yàn)相吻合的公式。 張勝光制作 103 瑞利一金斯公式 :紫外災(zāi)難 普朗克公式 與實(shí)驗(yàn)吻合很好 張勝光制作 104 對(duì)黑體輻射的研究發(fā)現(xiàn)了一些經(jīng)驗(yàn)定律。 張勝光制作 105 第二個(gè)定律是：隨著黑體溫度 T的升高，它所發(fā)射的輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)將要變短，即向光譜的紫色區(qū)移動(dòng)。K）。 張勝光制作 106 1900年英國(guó)物理學(xué)家瑞利（ l842— 1919）從經(jīng)典理論中推導(dǎo)出一個(gè)輻射公式，后經(jīng)金斯（ l877— 1946）改進(jìn)，合稱瑞利 — 金斯定律：熱物體輻射強(qiáng)度正比于它的絕對(duì)溫度，而反比于這個(gè)發(fā)射光線波長(zhǎng)的平方。 張勝光制作 107 瑞利一金斯公式 :紫外災(zāi)難 普朗克公式 與實(shí)驗(yàn)吻合很好 張勝光制作 108 從瑞利 — 金斯公式得出：波長(zhǎng)越短，熱輻射強(qiáng)度應(yīng)越大，并且隨著波長(zhǎng)的縮短，輻射強(qiáng)度應(yīng)無(wú)止境地增大，這顯然是荒謬的。 張勝光制作 109 1900年普朗克為了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合，在維恩公式和瑞利 — 金斯公式之間利用內(nèi)插法建立了一個(gè)普遍公式。普朗克公式把前兩個(gè)公式作為它的極限情形。 1900年 10月 19日他在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上報(bào)告了自己的成果，普朗克公式被認(rèn)為是正確的普遍公式。他從失敗中認(rèn)識(shí)到這個(gè)公式不能單純從經(jīng)典理論中推導(dǎo)出來(lái)，只要做一個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)，一切問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。 張勝光制作 113 普朗克發(fā)現(xiàn)，只要假定物體的輻射能不是連續(xù)變化，而是以一定的整數(shù)倍跳躍式地變化，就可以對(duì)該公式做出合理的解釋。 張勝光制作 114 張勝光制作 115 張勝光制作 116 1900年 12月 14日普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上報(bào)告了自己的研究結(jié)果，他的公式受到歡迎，但他的能量子假說(shuō)，卻受到冷遇，當(dāng)時(shí)沒(méi)有人相信他的假說(shuō)。 張勝光制作 117 能量的變化竟然是不連續(xù)的，這與物理學(xué)界幾百年來(lái)信奉的 ? 自然界無(wú)跳躍 ? 的原則直接矛盾，因此量子論出現(xiàn)之后，許多物理學(xué)家不予接受。人們只承認(rèn)普朗克那個(gè)同實(shí)驗(yàn)一致的經(jīng)驗(yàn)性的輻射公式，而不承認(rèn)他的理論性的量子假說(shuō)。在發(fā)現(xiàn)能量子之后的長(zhǎng)達(dá)１４年時(shí)間，他總想退回到經(jīng)典物理學(xué)的立場(chǎng)。 ? 張勝光制作 119 普朗克在做出量子假說(shuō)時(shí)已年過(guò)四十。他不愿意同經(jīng)典物理學(xué)決裂，只是迫于事實(shí)的壓力，才不得不做出能量子的假說(shuō)。他把自己的量子假說(shuō)僅僅局限于振子對(duì)電磁波的吸收和發(fā)射的特殊性上。 張勝光制作 121 面對(duì)量子論的發(fā)展與成功，以及科學(xué)界的批評(píng)，普朗克最終放棄了倒退的立場(chǎng)。 ’? 張勝光制作 122 普朗克一直受到同事們的尊敬，這不僅是由于他的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而且還由于他的品德高尚。這是他一生中遭遇痛苦和不幸的時(shí)期。１９４７年，普朗克在格丁逝世。他建立了光量子論以解釋光電效應(yīng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象。這是人類認(rèn)識(shí)自然界歷史上第一次揭示了微觀客體的波動(dòng)性和粒子性的對(duì)立統(tǒng)一，即 波粒二象性 。自牛頓以來(lái)光的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)此起彼伏。它們均反映了光的本質(zhì)的一個(gè)側(cè)面，因?yàn)楣獾拇_有時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性，有時(shí)表現(xiàn)出粒子性。這就是光的波粒二象性。 張勝光制作 125 量子力學(xué)的建立： 玻爾、德布羅意、海森伯、薛定格、狄拉克 張勝光制作 126 張勝光制作 127 張勝光制作 128 舊量子論確實(shí)面臨著困境，但不久就被突破。德布羅意 (1892— 1987)提出了物質(zhì)波理論，將量子論發(fā)展到一個(gè)新的高度。受其兄長(zhǎng)的影響，德布羅意大學(xué)畢業(yè)之后改學(xué)物理，并一起研究 x射線的波動(dòng)性與粒子性問(wèn)題。1923年 9月至 10月，他連續(xù)發(fā)表了三篇論文，提出了電子也是一種波的理論。 1924年，他寫(xiě)出博士論文 《 關(guān)于量子理論的研究 》 ，更系統(tǒng)地闡述了物質(zhì)波理論。不出幾年，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家就真地觀測(cè)到了電子的衍射現(xiàn)