第5章_物理学革命及其影响

null即将喷发的火山口即将喷发的火山口 从18世纪到19世纪，经典科学取得了前所未有的进步和成功。在物理学领域，牛顿的力学体系一度被看作是对科学根本问题的最终解答。以此为基础，人们统一了声、光、热和电磁学，描绘出了一幅小到原子、大到宇宙天体似乎是最终的和一劳永逸的完美世界图景，使不少科学家产生了一种错觉，认为物理学这“一座庄严雄伟的建筑和动人心弦的美丽殿堂”已经落成，物理学理论已接近最后完成，剩余的工作，只不过是把物理常数测得更精确些，把一些基本规律更加广泛和准确地应用到各种具体问题的解决中去。然而，正当他们认为物理学已经达到了顶峰，并陶醉于这种“尽善尽美”境界之中时，物理学危机出人意料的爆发了。第5章 物理学革命及其影响null 这场危机是由“以太”漂移实验和对黑体辐射现象的研究引起的。这两个实验发展出量子力学和相对论，而量子力学和相对论正是构成近代物理学新摩天大厦的两大支柱。 百年之后的今天，当我们回顾那个历史时刻时，当时物理学所面临的形势，岂止是像人们形容的山雨欲来风满楼，更像是坐在即将喷发的火山口上，隆隆雷声，滚滚地火，没多久爆发了一场伟大而深刻的科学革命，导致了现代物理学的诞生，更使人类的社会生活发生了翻天覆地的、不同于历史上以往的变化。而在当时居然有那么多大科学家具有那样的物理学已经达到终极的认识，这在物理学的发展史，乃至人类的思想史上，是否具有深刻的教益呢？ null§5.1 相对论 相对论是近代物理学和科学技术的重要理论基础之一。相对论的诞生，不仅大大地推动了自然科学和技术的发展，而且在哲学世界观方面具有非常重大的意义，为辩证唯物主义的时空观提供了坚实的科学依据。null5.1.1 狭义相对论产生的历史背景 测量“以太风”的迈克尔孙-莫雷实验迈克尔逊莫雷null 实验结果表明“以太风”并不存在，宣告经典物理学的理论预言同实验结果是不相符的——零结果。有关黑体辐射的实验结果也与经典物理学理论发生了尖锐的矛盾。 这两个问题被英国物理学家汤姆孙称为物理学晴朗天空中的“两朵乌云”。null 洛伦兹的工作：在迈克尔孙-莫雷实验后，洛伦兹为了 支持“以太”存在的说法，引入了“长度收缩”的假设， 并提出了著名的洛伦兹变换。洛伦兹的工作，最后被爱因 斯坦的狭义相对论所取代，但是 他的贡献不可忽视。 建立相对论的重任就最终落 在了爱因斯坦的肩头。null 爱因斯坦认为，自然界的物质运动是统一的，作为自然规律正确反映的科学理论就要显示出应有的简单性来。具体到经典力学，他认为力学的伽利略相对性原理就体现了简单性思想。因此他提出了狭义相对论的两条基本原理。null5.1.2 狭义相对论的创立 （一）狭义相对论的基本原理 爱因斯坦认为：我们应该毫无保留地 接受这样的事实，并且应将其提升为 公理，从而得到了狭义相对论的一条 基本原理——光速不变原理：在彼此 相对作匀速直线运动的任一惯性参考 系中，所测得的光速都是相同的。爱因斯坦，深邃的目光，洞悉宇宙奥秘。null 爱因斯坦摒弃了“绝对静止”的概念，而 将相对性原理保留、推广为狭义相对论 的另一条基本原理——狭义相对性原理： 一切彼此作匀速直线运动的参考系，对 于描述运动的一切规律来说都是等价的。 这表明，绝对静止的参考系是不存在的。null两条基本原理的提出，奠定了狭义相对论的理论基础。而建立相对论的突破口，则是千百年来人们所习惯的盲目的“同时性”观念的推翻。 以光速不变原理和力学相对性原理为前提，经过严密的逻辑与数学论证，爱因斯坦于1905年终于创立了狭义相对论。null（二）狭义相对论的主要结论及其意义 狭义相对论的核心内容，是它所给出的一组新的坐标 变换关系——洛伦兹变换。 发生在空间-时间中的一个事件，在S参考系中记为（x,y,z,t）,在S’系（相对S系沿x轴以速度 做匀速运 动）中记为（x’,y’,z’,t’）,它们之间的变换关系在狭义相 对论中由光速不变原理可导出为：null从S系 系：从S'系S系：上述变换称为洛伦兹变换，是一个线性变换。null由洛伦兹变换得到的一些结论： 1.物体在运动方向上的收缩 测量一个物体的长度即空间间隔的办法是同时即当t1=t2时测量它两端的坐标，若所测坐标为x1和x2，则物体长度为l0=x2-x1。若物体相对S’系静止而相对于S系以 速度运动，根据洛伦兹变化公式得到 l=l0(1-v2/c2)1/2 由此看出，在S系中测量运动的物体的长度l，比其静止时的长度l0缩短了。相对论的这种效应，我们称为空间间隔的“尺缩效应”。null 2. 运动时钟的延缓 设S’系相对S系沿x轴以速度 运动。在S系中观察者甲看S’系中乙的钟时，乙钟坐标x’保持不变。 由此看出，在S系中静止的观察者看来，相对S系运动的惯性系S’中的时钟变慢了，这种现象被称为时间间隔的“钟慢效应”。null 尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，但它与牛顿的引力定律不相容。牛顿的引力理论表明，如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中引力场的改变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传播更快的信号（这是为相对论所不容的），而且需要绝对或普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。null 1911年，爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识到加速与引力场的密切关系，在密封厢中的人，无法区分他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结果，还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。于是他提出了引力与加速度等效原理。并用黎曼几何处理弯曲四维空间，创立了广义相对论。 1915年爱因斯坦把狭义相对论原理推广到更一般的情况，即非惯性系中，建立了广义相对论。null5.1.3 广义相对论的建立 爱因斯坦认为运动的相对性原理必须进一步推广，即自然定律对于任何参考系而言都应具有相同的数学形式。这一思想被爱因斯坦提升为广义相对论一条基本原理——广义协变原理。 然而完成从惯性系向非惯性系的过渡，还需要另一条基本原理即等效原理的保证。null 等效原理是爱因斯坦关于把惯性质量和引力质量等同起来，或把加速度与引力场等同起来的假设。它的成立是以如下的事实为基础的，那就是指在一个有限大小的体积范围内，万有引力和某一加速系统的惯性力相互等效，或者说物体的惯性质量与引力质量相等。 以等效原理和广义协变原理为基础，借助于新的数学工具黎曼几何，爱因斯坦与1916年建立起广义相对论的理论大厦，进一步揭示出时间、空间的根本属性及其与物质分布、物质运动之间内在的深刻联系。null 广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星的近日点的摄动，第二个预言是，光线在引力场中将发生偏转。第三个预言通常被称为谱线“红移”，即恒星辐射总是背离我们而去。 第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在1919年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发，一个派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相符，立即震撼了全世界的科学家和公众。null 相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和空间的传统看法即绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充分的科学依据。爱因斯坦当选 “20世纪风云人物”, 实至名望所归。 §5.2 量子力学§5.2 量子力学 量子力学是研究微观粒子如电子、原子、分子等运动规律的理论，它是现代物理学的又一重要基础理论，极大地推动着现代科学技术的迅猛发展。如原子能技术的开发、激光的问世、大规模集成电路的建立等，无一不以量子理论为前提，同时。量子力学也对人们的哲学世界观产生着深远的影响，并为辩证唯物主义自然观提供了重要的科学依据。null5.2.1 量子力学产生的历史背景 量子力学产生于19世纪末飘荡在物理学晴朗天空中的另外一朵乌云即所谓的“紫外灾难”！ 物理学中为了研究物体的吸收和辐射的规律，构造了一种理想模型，称为黑体。它能百分之百地吸收辐射到它上面的电磁波，并且在同样温度下，它所发出的电磁波即热辐射也比其他任何物体都强。null自然界中没有绝对的、真正的理想黑体，但人们可以构造与黑体性质相似的物体—— 一种只在表面上开一小孔的空腔：任何辐射进入小孔后，在空腔内进行多次反射和吸收，很难再有机会从小孔射出，犹如辐射被完全吸收一样。黑体辐射null 19世纪末热辐射研究的根本问题是如何从理论上来解释实验结果所反映的热辐射的特征。首先是德国的维恩得到的经验公式，它在频率高、温度较低时与实验事实相符，而在低温范围内与实验显著不同。后来，英国的瑞利和金斯又得到一个公式，它在低频范围、温度较高时与实验值相符，在高频范围与实验差距甚大。维恩瑞利null经典物理学因无法解释这一现象而再次陷入困境， 这一困难就称为“紫外灾难”。null5.2.2 量子力学的建立 （一）量子假说的提出 1900年德国物理学家普朗克放弃经典的能量均分原理，提出了“能量子”假说： 1.黑体的腔壁是由无数电谐振子组成的，这些谐振子不断吸收和辐射电磁波并与腔内辐射场交换能量。 2.这些谐振子具有的能量是分立的，它们只能是一个最小能量E的整数倍。当振子与腔内交换能量时，能量的改变值只能是E 的整数倍，表示为公式即 En=nh (n=0,1,2,3,…) 式中n为量子数，h为普朗克常量，为频率。null 普朗克将这个不可分的能量最小单元称为“能量子”或“量子”，称En中每一个可能的能量状态为一个量子态。这种不连续的能量状态称为“量子化”的状态。普朗克提出的能量子假说,说明振子吸收和辐射能量的过程不是连续进行的。而是以能量子的整数倍跳跃进行的，从而揭示了微观领域中的新的奥妙，并宣告了量子论的诞生。null（二）光的波粒二象性的发现 光电效应最早是由赫兹于1887年发现的，它指的是某些物体如金属内的电子由于光照而移出物体表面的现象。在光电效应中，物体释放出的电子称为光电子，光电子运动形成的电流称为光电流。 赫兹光电效应null 爱因斯坦提出“光量子”的概念来解释光电效应中的新现象。他假设光是以速度c在真空中运动着的微粒流，这些微粒称为“光量子”或“光子”，每个光量子不仅具有能量E，而且也具有动量 p，光子的 E和 p与它相应的光波的频率ν和波长λ的关系为 E=hν , p=h/λ 式中h为普朗克常量。null 爱因斯坦的光量子假说被康普顿效应所证实，光的粒子说终于得以复兴。光既非经典的粒子也非经典的波：它有时表现出粒子性，有时表现出波动性，光的这种特性被称为null（三）关于原子结构问题的探索 1911年，英国的卢瑟福提出一个广为人们接受的原子核式结构模型，即认为原子中带正电的部分集中在原子的核心部分，称为原子核；电子分布在原子核外，并绕原子核作旋转运动。卢瑟福发现原子核式结构（四）物质波概念的提出（四）物质波概念的提出 在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质，既具有粒子性也具有波动性。 λ=h/mv 式中h为普朗克常量。这一公式是连接微观粒子波粒二象性的普遍公式，称为德布罗意公式。实物粒子的波称为物质波。null德布罗意德布罗意波他提出了物质波理论，预言电子波的衍射，这一假说不久就为实验所证实。获1929年诺贝尔物理学奖。1927年戴维孙和汤姆逊发现了晶体对电子的衍射和电子照射晶体的干涉现象，证实了德布罗意的预言，他们因此获1937年诺贝尔物理学奖。null（五）量子力学的建立德国物理学家海森伯建立矩阵力学1925年，海森伯（1932年获诺贝尔物理学奖）基于物理理论 只处理可观察量的认识，充分利用了数学家创造出的先进的 数学工具－矩阵论，和玻恩、约尔丹一起创建了另一种量子 力学——矩阵力学。null奥地利物理学家薛定谔创立波动力学1925年，物理学家薛定谔把德布罗意的理论大大向前推进,建立了量子力学的波动力学体系，加深了对微观客体的波粒二象性的理解，为数学上解决原子物理学、核物理学、固体物理学和分子物理学问题提供了一种有力的理论工具。他于1933年获诺贝尔物理学奖。nullnull5.2.3 量子力学的若干基本概念及其意义 从形式上看，微观粒子或其体系的各种物理量在量子力学中都被表示为一些符号性的算符，而我们对微观粒子的某一可测力学量的描述，是通过从属于某种力学量的算符的波函数Φ 及其本征值a 的可能取值来表达的。 波函数Φ 所能给出的只是粒子在力学量A 所展开的抽象的希尔伯特空间中某处出现的概率，根据量子力学的这种观点，所谓物质波实质上是一种概率波。null 海森伯提出的“不确定原理”或称“测不准关系”，实质上代表了当我们硬是企图同时应用这种互斥的经典概念组时必须付出的代价。如在微观世界中，人们不能用实验手段来同时准确地测定微观粒子的位置和动量。 Δx ·Δp≥ h 当我们测定的粒子的坐标越准确即Δx 越小，则同时测得的粒子在这个坐标方向上的动量分量的准确度就越差即Δp 越大，反之亦然。null 量子力学的建立，是20世纪物理学革命的重要内容。在科学上，使人们对微观世界的认识前进一大步。在哲学上，进一步揭示了连续性与间断性、偶然性与必然性，以及决定论与因果律之间的辩证关系。null我们用20世纪著名的丹麦物理学家尼尔斯• 玻尔的话结束本节内容： “谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他也不是一个好的物理学家。”§5.3 现代化学理论的发展§5.3 现代化学理论的发展5.3.1 元素周期理论的新发展 从19世纪20年代开始， 就有化学家研究元素之 间的相互关系。1829年 德国化学家德贝莱纳发 现了“三素组”；1869年 俄国化学家门捷列夫发 现了元素周期律。null 以19世纪的原子论为基础的元素周期律自身还存在着严重的缺陷，在20世纪建立起原子的核式结构模型之后，在人们终于弄清了原子核的组成以及电子在核外的分布规律之后其不足才得以克服。 元素在周期表中的位置，或者说元素的性质和周期性变化是由原子的电子壳层结构的周期性变化决定的，而原子核外电子的总数等于原子核内的质子数或电荷数，即等于原子序数，因此，元素的性质是随原子序数的增加而呈周期性变化的。null5.3.2 现代化学键理论 化学键理论是随着20世纪初电子的发现特别是量子力学理论的建立发展和完善起来的。1913年玻尔提出其原子结构模型，1916年柯塞尔和路易斯开始运用这一模型来解释原子的价键问题。电价论的创始人柯塞尔化学键有三种基本类型： 离子键、共价键和金属键。null 1927年，海特勒和伦敦开创了量子化学的新领域。这一理论首先修正了电子运动的所谓轨道概念，指出电子绕核的高速运动，不能像经典力学那样计算出某时刻在某一体系中的电子的准确位置，而只能对电子的运动状态作出概率性描述，这种描述可以形象地比喻为“电子云”。