物理学与现代技术

1、物理学与现代技术物理学与现代技术第一章第一章 物理学对人类的影响物理学对人类的影响第二章第二章 物理学对当代科技的影响物理学对当代科技的影响第三章第三章 物理学与其他学科的关系物理学与其他学科的关系第四章第四章 物理学在各领域中的技术应用物理学在各领域中的技术应用目目 录录物理学与现代技术3-2 3-2 物理学与天文学的关系物理学与天文学的关系3-2-1 3-2-1 天文学的发展天文学的发展物理学与现代技术一、古代天文学一、古代天文学 天文学与人类文明社会的兴起天文学与人类文明社会的兴起 可以确信，人类在有文字记载，由于农牧业和实际可以确信，人类在有文字记载，由于农牧业和实际生活的需要，人们就

2、注意观察某些天象了，而文字产生生活的需要，人们就注意观察某些天象了，而文字产生之后，天文学这门古老的科学就萌芽并进而诞生了。之后，天文学这门古老的科学就萌芽并进而诞生了。 1、古埃及的天文学、古埃及的天文学 大体从公元前大体从公元前27前前22世纪，埃及人不仅认识了北世纪，埃及人不仅认识了北极星和围绕北极星旋转而永不落入地平线的拱极星，还极星和围绕北极星旋转而永不落入地平线的拱极星，还熟悉了白羊、猎户、天蝎等星座，并根据星座的出没来熟悉了白羊、猎户、天蝎等星座，并根据星座的出没来确定历法，最著名的例子是关于全天最亮星、大犬座天确定历法，最著名的例子是关于全天最亮星、大犬座天狼星的出没。狼星的出

3、没。 物理学与现代技术 2 2、古印度人的时空观、古印度人的时空观 古印度人不停顿地观察太阳的运动，以太阳的视运古印度人不停顿地观察太阳的运动，以太阳的视运动（动（太阳视运动，是由于地球的自转，使位于地球上的太阳视运动，是由于地球的自转，使位于地球上的人觉得太阳每天都是从东方升起，又在西方落下，从而人觉得太阳每天都是从东方升起，又在西方落下，从而认为是太阳绕地球的运动认为是太阳绕地球的运动）为依据，把一年定为）为依据，把一年定为360360天，天，又以月亮的圆缺变化为依据，把一个月定为又以月亮的圆缺变化为依据，把一个月定为3030天，以此天，以此编制历法。实际上，月亮运行一周不足编制历法。实际

4、上，月亮运行一周不足3030天，所以有的天，所以有的月份不足月份不足3030天，印度人称为消失一个星期，大约一年要天，印度人称为消失一个星期，大约一年要消失消失5 5个日期，但习惯上仍然称一年为个日期，但习惯上仍然称一年为360360天。将一年中天。将一年中分为春、热、雨、秋、寒、冬六个季节，还有一种分法分为春、热、雨、秋、寒、冬六个季节，还有一种分法是将一年分为冬、夏、雨三季。对于空间，古印度人有是将一年分为冬、夏、雨三季。对于空间，古印度人有奇异的看法，他们认为在人类居住的世界之上，还有其奇异的看法，他们认为在人类居住的世界之上，还有其它空间，这种时空观是壮大的，但却不现实。它空间，这种时

5、空观是壮大的，但却不现实。物理学与现代技术 3 3、发明星座的迦勒底人、发明星座的迦勒底人 世界古代文明的另一个摇篮就是幼发拉底河和底格拉世界古代文明的另一个摇篮就是幼发拉底河和底格拉斯河流域。远在公元前斯河流域。远在公元前30003000年前，迦勒底人就从东部山岳年前，迦勒底人就从东部山岳地带来到两河流域，并在那里建立了国家。地带来到两河流域，并在那里建立了国家。 长期的星象观察，使迦勒底人对天体运动有丰富多彩长期的星象观察，使迦勒底人对天体运动有丰富多彩的发现，知道的发现，知道“日食每日食每1818年重复出现一次年重复出现一次”，对于月亮和，对于月亮和行星，迦勒底人也有很多正确的发现，但是

6、对人类最重要行星，迦勒底人也有很多正确的发现，但是对人类最重要的贡献还是创造了星座的划分。的贡献还是创造了星座的划分。物理学与现代技术 4 4、古希腊的天文学、古希腊的天文学 欧洲人称古代希腊文化为欧洲人称古代希腊文化为“古典文化古典文化”。泰勒斯（前。泰勒斯（前640640年年前前560560年）是第一个希腊著名自然哲学家，到美索年）是第一个希腊著名自然哲学家，到美索不达米亚学到了天文学。不达米亚学到了天文学。地心天动说地心天动说_ _标清标清.flv.flv 数学家毕达哥拉斯（前数学家毕达哥拉斯（前560560年年前前490490年）是人类科技年）是人类科技史上第一个主张史上第一个主张“太

7、阳、月亮、行星遵循着和恒星不同的太阳、月亮、行星遵循着和恒星不同的路径运行路径运行”的人。的人。 另一位伟大的学者德谟克利特（公元前另一位伟大的学者德谟克利特（公元前460460前前370370前）前）提出了原子学说，认为万物都是由原子组成的，原子是不提出了原子学说，认为万物都是由原子组成的，原子是不可分割的最小微粒，太阳、月亮、地球以及一切天体，都可分割的最小微粒，太阳、月亮、地球以及一切天体，都是由于原子涡动而产生的。是由于原子涡动而产生的。物理学与现代技术 这是朴素的天体演化的思想。他还推测出太阳远比这是朴素的天体演化的思想。他还推测出太阳远比地球庞大，月亮本身并不发光，靠反射的太阳才显

8、得明亮，地球庞大，月亮本身并不发光，靠反射的太阳才显得明亮，银河是众多恒星集合而成的。银河是众多恒星集合而成的。 德谟克利特和毕达哥拉斯德谟克利特和毕达哥拉斯 物理学与现代技术 中国古代天文学的辉煌成就中国古代天文学的辉煌成就 公元前公元前2424世纪的帝尧时代世纪的帝尧时代 “观象授时观象授时” 。 公元公元1616世纪前世纪前 天象观察、仪器制作和编订历法天象观察、仪器制作和编订历法 。 在我国河南安阳出土的殷墟甲骨文中，已有丰富的天文在我国河南安阳出土的殷墟甲骨文中，已有丰富的天文象现的记载。这表明远在公元前象现的记载。这表明远在公元前1414世纪时，我们祖先的天文世纪时，我们祖先的天文

9、学已很发达了。学已很发达了。 我国古代在创制天文仪器方面，也作出了杰出的贡献。我国古代在创制天文仪器方面，也作出了杰出的贡献。世界天文史学界公认，我国对哈雷彗星观测记录久远、详尽世界天文史学界公认，我国对哈雷彗星观测记录久远、详尽，无哪个国家可比，无哪个国家可比 。 我国古代观测天象的台址名称很多，如灵台、瞻星台、我国古代观测天象的台址名称很多，如灵台、瞻星台、司天台、观星台和观象台等。现今保存最完好的就是河南登司天台、观星台和观象台等。现今保存最完好的就是河南登封观星台和北京古观象台。封观星台和北京古观象台。物理学与现代技术甲骨文图片、长沙彗星图甲骨文图片、长沙彗星图物理学与现代技术 圭圭(

10、gui)(gui)表、浑仪、天仪（天体仪）、日晷、表、浑仪、天仪（天体仪）、日晷、物理学与现代技术 中国古代的天文人物中国古代的天文人物 落下闳（公元前落下闳（公元前140140前前8787年）中国西汉时期天文年）中国西汉时期天文学家，以历算和天文学的杰出成就著称于世，为我国最学家，以历算和天文学的杰出成就著称于世，为我国最早的历算学家。早的历算学家。 张衡张衡( (公元公元7878139139年年) )，我国东汉时期伟大的科学，我国东汉时期伟大的科学家、文学家、发明家和政治家，在世界科学文化史上树家、文学家、发明家和政治家，在世界科学文化史上树起了一座巍巍丰碑。起了一座巍巍丰碑。 （浑天仪的

11、发明人，公元（浑天仪的发明人，公元117117年）年） 郭守敬（郭守敬（1231123113161316），中国古代杰出的八大科学），中国古代杰出的八大科学家一。家一。 （授时历授时历。公元。公元12801280年年3 3月月 ） 祖冲之祖冲之, ,商朝天文学家商朝天文学家 。3333岁时创制了岁时创制了大明历大明历 沈括是北宋时期一位多才多艺的科学家。解释月亮是因沈括是北宋时期一位多才多艺的科学家。解释月亮是因为受太阳光照射发光而产生圆缺变化为受太阳光照射发光而产生圆缺变化 。物理学与现代技术 徐光启（徐光启（1562156216331633）是我国明末著名的科学）是我国明末著名的科学家家

12、，编译成了，编译成了崇祯历书崇祯历书 。 李善兰（李善兰（1811181118821882年），清代天文学家、数年），清代天文学家、数学家学家 ，著作汇编成，著作汇编成则古昔斋算学则古昔斋算学一书一书 。物理学与现代技术二、中世纪的天文学二、中世纪的天文学 哥白尼的日心学说哥白尼的日心学说 日心学说的发展到日心学说的发展到1717世纪达到了高峰世纪达到了高峰 。 近代天文学奠基人近代天文学奠基人哥白尼与哥白尼与天体运行论天体运行论。 近代力学宇宙体系的确立近代力学宇宙体系的确立 哥白尼哥白尼天体运行论天体运行论发表近发表近150150年之后，于年之后，于16871687年出年出版了牛顿具有历史

13、性的、阐述万有引力理论的巨著版了牛顿具有历史性的、阐述万有引力理论的巨著自自然哲学的数学原理然哲学的数学原理。 150 150年中奇迹的相继发生年中奇迹的相继发生 首先是丹麦天文学家第谷首先是丹麦天文学家第谷布拉赫所做的非常精密的天布拉赫所做的非常精密的天文观测。文观测。 物理学与现代技术 第二个奇迹是德国天文学家开普勒，于第二个奇迹是德国天文学家开普勒，于16091609年提出了年提出了行星运动的第一、第二定律，行星运动的第一、第二定律，1010年后又提出了行星运动的年后又提出了行星运动的第三定律。第三定律。 第三个奇迹是意大利物理学家伽利略于第三个奇迹是意大利物理学家伽利略于1609160

14、9年发明天年发明天文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。文望远镜，从而揭开了天文观测的新纪元。“哥伦布发现了新大陆，而伽利略发现了新宇宙哥伦布发现了新大陆，而伽利略发现了新宇宙”。 开普勒指出，行星与太阳之间存在着相互的作用力，开普勒指出，行星与太阳之间存在着相互的作用力，其作用力的大小与二者之间的距离长短成反比。其作用力的大小与二者之间的距离长短成反比。 伽利略在力学上的一项发现叫做惯性定律伽利略在力学上的一项发现叫做惯性定律 。行星系。行星系一旦能够运动，就无需外力来维持，就可以持续地永恒运一旦能够运动，就无需外力来维持，就可以持续地永恒运动不息了。动不息了。物理学与现代技术 伽利略又从另

15、外两方面大大推进了哥白尼学说的发展伽利略又从另外两方面大大推进了哥白尼学说的发展，其中之一就是创立了望远镜天文学。，其中之一就是创立了望远镜天文学。 苹果落地现象使牛顿考虑到地心引力是否可以达到苹果落地现象使牛顿考虑到地心引力是否可以达到月球，使月球在轨道上运行月球，使月球在轨道上运行 。 牛顿宇宙观牛顿宇宙观宇宙是永恒的、稳定的宇宙是永恒的、稳定的问题：物质问题：物质引力引力宇宙坍缩宇宙坍缩物理学与现代技术可能的解决途径：(1) 宇宙在空间和质量上是无限大的；(2) 宇宙在膨胀；(3) 宇宙有起点和终点。(2)、(3)点违反宇宙永恒与稳定的性质，于是牛顿认为宇宙应该是无限的。绝对空间，就其本

16、性而论与任何外界情况无关，始终保持相似和不变。物理学与现代技术 18 18、1919世纪的天文学世纪的天文学 1 1、1818世纪经典天文学的蓬勃发展世纪经典天文学的蓬勃发展 所谓经典天文学是指天体测量学和天体力学所谓经典天文学是指天体测量学和天体力学 。 国立天文台的设立国立天文台的设立 。法国于。法国于16711671年设立了巴黎天年设立了巴黎天文台，英国于文台，英国于16751675年设立了格林威治皇家天文台。后年设立了格林威治皇家天文台。后来俄国的普尔科沃天文台、美国的华盛顿海军天文台来俄国的普尔科沃天文台、美国的华盛顿海军天文台也相继建成。也相继建成。 在航海天文学上发挥最大作用的是

17、英国格林威治在航海天文学上发挥最大作用的是英国格林威治天文台。天文台。 2 2、天体力学的发展与代表人物的贡献、天体力学的发展与代表人物的贡献 物理学与现代技术 欧拉（欧拉（1707-17831707-1783）他第一个完整地创立了月球运）他第一个完整地创立了月球运动的理论。动的理论。 克勒罗（克勒罗（1713-17651713-1765） 经典著作经典著作地球外形的理论地球外形的理论。 达郎贝尔（达郎贝尔（1717-17831717-1783）法国数学家。发表关于月）法国数学家。发表关于月球运行理论和行星运行理论的论文球运行理论和行星运行理论的论文 。 拉格郎日（拉格郎日（1736-1813

18、1736-1813）意大利数学家，创立了大）意大利数学家，创立了大行星运动的理论。行星运动的理论。 拉普拉斯（拉普拉斯（1749-18271749-1827）是法国著名数学家和天文）是法国著名数学家和天文学家。其著名杰作学家。其著名杰作天体力学天体力学集各家之大成集各家之大成 。还独。还独立提出了太阳系的星云起源理论立提出了太阳系的星云起源理论 。物理学与现代技术 3 3、1919世纪对太阳系的认识世纪对太阳系的认识 19 19世纪中叶世纪中叶 ，形成了一个完整的科学体系，人们称，形成了一个完整的科学体系，人们称之为之为“新天文学新天文学”的天体物理学正式诞生。的天体物理学正式诞生。 太阳物理

19、学太阳物理学 天体物理学的最初成就就表现在太阳物理上。此时人天体物理学的最初成就就表现在太阳物理上。此时人们第一次可以分析天体的光，并由此获得很多信息，首先们第一次可以分析天体的光，并由此获得很多信息，首先是它的化学成分。是它的化学成分。 恒星物理学恒星物理学 1919世纪恒星测量学已经发展得相当完善，可以很精确世纪恒星测量学已经发展得相当完善，可以很精确地测定出恒星的方位地测定出恒星的方位 。星云物理学星云物理学 星空当中各式各样的云雾状天体，统称为星云。星云星空当中各式各样的云雾状天体，统称为星云。星云可分为河内星云和河外星云两大类。可分为河内星云和河外星云两大类。 物理学与现代技术三、现

20、代天文学和宇宙论三、现代天文学和宇宙论1.1.广义相对论广义相对论2. Friedman2. Friedman膨胀宇宙模型膨胀宇宙模型3.3.大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学4. 4. 宇宙的年龄宇宙的年龄物理学与现代技术3-2-2 3-2-2 物理学与天文学的关系物理学与天文学的关系 在科学发展的历史中，也许物理学和天文学是两门关在科学发展的历史中，也许物理学和天文学是两门关系特别紧密的学科。这可能也是至今在许多国家的大学里系特别紧密的学科。这可能也是至今在许多国家的大学里物理与天文仍然同属一个系物理与天文仍然同属一个系( (物理天文或天文物理系物理天文或天文物理系) )的原的原因。这种紧密的关系不

21、仅存在于它们发展的历史中，在今因。这种紧密的关系不仅存在于它们发展的历史中，在今天，它们在一些重大的科学前沿问题的研究上仍然是相互天，它们在一些重大的科学前沿问题的研究上仍然是相互密切联系的。虽然其他学科也许并不像天文学那样与物理密切联系的。虽然其他学科也许并不像天文学那样与物理学有如此密切的联系，但是，科学的目的是对自然界和自学有如此密切的联系，但是，科学的目的是对自然界和自然规律的认识然规律的认识, ,科学可以按照其研究现象的范围被划分为科学可以按照其研究现象的范围被划分为不同的领域，可是，无论人类怎么将其划分，自然界却是不同的领域，可是，无论人类怎么将其划分，自然界却是一个整体。因此，学

22、科之间的交叉和相互推动是必然的，一个整体。因此，学科之间的交叉和相互推动是必然的，而对此给予应有的重视就十分必要。而对此给予应有的重视就十分必要。物理学与现代技术一、历史的简短回顾一、历史的简短回顾 众所周知众所周知, ,现代科学的起源与物理学和天文学的发展现代科学的起源与物理学和天文学的发展是分不开的。行星运动的观测、牛顿万有引力定律的发现是分不开的。行星运动的观测、牛顿万有引力定律的发现和牛顿运动定律的确立导致了经典力学的发展和完善和牛顿运动定律的确立导致了经典力学的发展和完善, ,也也第一次对行星运动给予了科学的解释。当然第一次对行星运动给予了科学的解释。当然, ,我们也不能我们也不能不

23、看到不看到, ,正是行星的运动在当时提供了检验经典力学理论正是行星的运动在当时提供了检验经典力学理论的最好的实验室的最好的实验室, ,而天文学家长期的观测和积累的资料是而天文学家长期的观测和积累的资料是证实理论正确的基本实验数据。在这期间证实理论正确的基本实验数据。在这期间, ,科学的发展造科学的发展造就了一批科学巨匠就了一批科学巨匠, ,如伽利略和牛顿等。他们究竟是物理如伽利略和牛顿等。他们究竟是物理学家还是天文学家呢学家还是天文学家呢? ?也许最好的回答是他们既是物理学也许最好的回答是他们既是物理学家又是天文学家。家又是天文学家。物理学与现代技术 他们的研究在当时看来是并无直接他们的研究在

24、当时看来是并无直接“经济效益经济效益”的的, ,可是如果长远地去看可是如果长远地去看, ,从这些并无经济效益的研究中开创从这些并无经济效益的研究中开创和形成的经典力学和形成的经典力学, ,不正是人类开始大规模用机器代替手不正是人类开始大规模用机器代替手工劳动的工业革命的先声吗工劳动的工业革命的先声吗? ? 这些研究的这些研究的“经济效益经济效益”从今天看来应是怎么估计都从今天看来应是怎么估计都不过分的。我们也知道不过分的。我们也知道, ,这些基础研究的结果在改变人们这些基础研究的结果在改变人们对世界的认识上也起到极大的作用。人们第一次看到了事对世界的认识上也起到极大的作用。人们第一次看到了事物

25、的运动在我们周围和物的运动在我们周围和“天上天上”服从着同样的规律。是完服从着同样的规律。是完全不同的世界了。全不同的世界了。物理学与现代技术 也许也许, ,常常被忽略的是这些科学成果是出现在文艺复常常被忽略的是这些科学成果是出现在文艺复兴之后兴之后, ,那时那时, ,神的至高无上的权威已经大大衰落。而这种神的至高无上的权威已经大大衰落。而这种环境却是如哥白尼、布鲁诺那样的天文学家经过长期的努环境却是如哥白尼、布鲁诺那样的天文学家经过长期的努力甚至付出生命才换来的。没有他们的努力和牺牲所换来力甚至付出生命才换来的。没有他们的努力和牺牲所换来的这种环境的这种环境, ,后来者怎么有可能去研究星球的

26、运动呢。后来者怎么有可能去研究星球的运动呢。 也是牛顿最早发现棱镜可以将白光分解为光谱。夫琅也是牛顿最早发现棱镜可以将白光分解为光谱。夫琅和费首先对太阳和恒星的光谱进行了仔细的研究，他发现和费首先对太阳和恒星的光谱进行了仔细的研究，他发现太阳和恒星的光谱中存在着分离的谱线太阳和恒星的光谱中存在着分离的谱线, ,并发现这些谱线并发现这些谱线对应着我们周围的各种化学元素。这使得大多数人都相信对应着我们周围的各种化学元素。这使得大多数人都相信了太阳和恒星等天体都是由地球实验室中同样的化学元素了太阳和恒星等天体都是由地球实验室中同样的化学元素构成。构成。物理学与现代技术 从那以后从那以后, ,天体的光

27、谱观测就成为天文研究的重要手段天体的光谱观测就成为天文研究的重要手段之一。这是物理学给天文学提供观测手段和基本观念的很之一。这是物理学给天文学提供观测手段和基本观念的很好的例子。物理学和天文学的结合在这里改变着人类的宇好的例子。物理学和天文学的结合在这里改变着人类的宇宙观。宙观。物理学与现代技术二、二、20世纪中的物理学与天文学世纪中的物理学与天文学 20 20世纪上半叶世纪上半叶, ,物理学发生了以量子论和相对论的确立物理学发生了以量子论和相对论的确立为标志的前所未有的革命。这些重要发展同样导致了天文为标志的前所未有的革命。这些重要发展同样导致了天文学的巨大进步。在量子论基础上发展起来的核物

28、理和粒子学的巨大进步。在量子论基础上发展起来的核物理和粒子物理基础上物理基础上, ,天文学家和天体物理学家正确地解释了长时间天文学家和天体物理学家正确地解释了长时间未能解释的恒星的能源问题未能解释的恒星的能源问题, ,在此基础上建立起了恒星结构在此基础上建立起了恒星结构和演化的标准模型并取得了极大的成功。恒星标准模型的和演化的标准模型并取得了极大的成功。恒星标准模型的建立和成功是天文学在建立和成功是天文学在2020世纪所取得的重大成就之一。不世纪所取得的重大成就之一。不止于此止于此,20,20世纪世纪3030年代年代, ,在将量子论和相对论应用于恒星演在将量子论和相对论应用于恒星演化时发现化时

29、发现, ,在恒星核反应结束后会形成所谓简并星。在恒星核反应结束后会形成所谓简并星。物理学与现代技术 它们不是由核反应提供的能量产生的热压与引力平衡达它们不是由核反应提供的能量产生的热压与引力平衡达到稳定到稳定, ,而是由量子效应所产生的简并压维持平衡。按恒星最而是由量子效应所产生的简并压维持平衡。按恒星最后残存的核的质量后残存的核的质量, ,简并星可能是白矮星或中子星简并星可能是白矮星或中子星. .它们分别它们分别是由电子简并压和中子简并压支撑的。是由电子简并压和中子简并压支撑的。 钱德拉塞卡从相对论的考虑得出这种由简并压支撑的星钱德拉塞卡从相对论的考虑得出这种由简并压支撑的星具有质量上限具有

30、质量上限, ,他得出白矮星的质量上限是他得出白矮星的质量上限是1.41.4倍太阳质量。倍太阳质量。任何恒星在用完可用的核燃料后如果残存核的质量超过这一任何恒星在用完可用的核燃料后如果残存核的质量超过这一质量质量, ,将会继续坍缩。将会继续坍缩。 朗道、巴德和兹威基分别提出了中子星存在的可能性。朗道、巴德和兹威基分别提出了中子星存在的可能性。中子星的质量也有上限中子星的质量也有上限, ,当恒星残存的核的质量超过这一质量当恒星残存的核的质量超过这一质量时时, ,将没有任何力量能够支撑其平衡。它们将在引力作用下一将没有任何力量能够支撑其平衡。它们将在引力作用下一直坍缩最终形成黑洞。直坍缩最终形成黑洞

31、。物理学与现代技术 这些在当时无论天文学家还是物理学家看来都是十分这些在当时无论天文学家还是物理学家看来都是十分奇异的结论奇异的结论, ,是不可能在实验室里被检验的。是不可能在实验室里被检验的。 它们只可能存在于宇宙中它们只可能存在于宇宙中. .然而然而, ,这些乍看十分怪异的这些乍看十分怪异的天体后来的确相继被天文学家发现天体后来的确相继被天文学家发现, ,进一步证实了量子论进一步证实了量子论和相对论在宇宙中的普适性和相对论在宇宙中的普适性, ,也说明了物理规律在与其他也说明了物理规律在与其他学科结合时的作用。学科结合时的作用。 2020世纪物理学的另一项重要成就是相对论的建立。爱世纪物理学

32、的另一项重要成就是相对论的建立。爱因斯坦建立了狭义相对论后因斯坦建立了狭义相对论后, ,接着又建立了引力的相对论接着又建立了引力的相对论性理论性理论, ,即广义相对论即广义相对论, ,并在此基础上讨论了宇宙学解。出并在此基础上讨论了宇宙学解。出乎意料的是广义相对论的宇宙学解所给出的不是定态的宇乎意料的是广义相对论的宇宙学解所给出的不是定态的宇宙而是膨胀宇宙。这在当时造成了很大的困惑。宙而是膨胀宇宙。这在当时造成了很大的困惑。爱因斯坦爱因斯坦相对论理论相对论理论_ _标清标清.flv.flv物理学与现代技术 2020世纪世纪2020年代年代, ,天文学家哈勃通过对星云光谱的观测作天文学家哈勃通过

33、对星云光谱的观测作出了两个重要的发现出了两个重要的发现, ,他发现他发现, ,原来这些星云并非都是银河原来这些星云并非都是银河系中的天体系中的天体, ,许多是远在银河系以外和银河系类似的由无数许多是远在银河系以外和银河系类似的由无数恒星组成的星系恒星组成的星系. .我们所在的银河系仅仅是众多星系中的一我们所在的银河系仅仅是众多星系中的一员。员。 同时他还发现同时他还发现, ,这些星系的谱线都较之实验室中测定的这些星系的谱线都较之实验室中测定的相同元素的对应谱线有不同程度的红移。这表明这些星系相同元素的对应谱线有不同程度的红移。这表明这些星系都在离开我们退行都在离开我们退行, ,并且距离愈远的星

34、系红移愈大并且距离愈远的星系红移愈大, ,或说退或说退行速度愈快。行速度愈快。 这正是膨胀宇宙的图像。哈勃的观测提供的证据表明这正是膨胀宇宙的图像。哈勃的观测提供的证据表明, ,宇宙整体在膨胀。宇宙整体在膨胀。物理学与现代技术 在此之后在此之后, ,尽管经历了各种曲折尽管经历了各种曲折, ,在在2020世纪后半叶世纪后半叶, ,建立建立在膨胀宇宙基础上的热大爆炸宇宙学模型逐渐形成并完善在膨胀宇宙基础上的热大爆炸宇宙学模型逐渐形成并完善起来。起来。 它关于宇宙微波背景和轻元素丰度的预言也被天文观它关于宇宙微波背景和轻元素丰度的预言也被天文观测所证实。标准热大爆炸宇宙模型的建立测所证实。标准热大爆

35、炸宇宙模型的建立, ,是天体物理学是天体物理学在在2020世纪所取得的又一重大成就。上述的事实充分说明了世纪所取得的又一重大成就。上述的事实充分说明了物理学的发展为天文学提供了用于理解天文现象和规律的物理学的发展为天文学提供了用于理解天文现象和规律的基础。物理学上的突破也势必导致天文学的重要进展。基础。物理学上的突破也势必导致天文学的重要进展。物理学与现代技术 同时同时, ,我们也看到我们也看到, ,天文学为物理学的重要发现提供了天文学为物理学的重要发现提供了独特的实验室独特的实验室, ,在许多情况下是惟一的实验室。伴随物理在许多情况下是惟一的实验室。伴随物理基础理论在天文学研究中取得的成就基

36、础理论在天文学研究中取得的成就, ,人们已经坚信宇宙人们已经坚信宇宙是由统一的自然规律所支配的是由统一的自然规律所支配的, ,而物理学所提供的正是其而物理学所提供的正是其中最基本的规律。天体物理学正是在这种认识的基础上蓬中最基本的规律。天体物理学正是在这种认识的基础上蓬勃发展起来的。当人们用物理学的规律去理解天文现象和勃发展起来的。当人们用物理学的规律去理解天文现象和天体的本质时天体的本质时, ,就为物理学的应用和发展提供了又一个广就为物理学的应用和发展提供了又一个广阔的天地。阔的天地。物理学与现代技术三、新世纪的物理学与天文学三、新世纪的物理学与天文学 2020世纪物理学与天文学均取得了重大

37、进展世纪物理学与天文学均取得了重大进展, ,在新的世在新的世纪开始之际纪开始之际, ,它们也面临着一些重大的共同的前沿问题。它们也面临着一些重大的共同的前沿问题。这些问题的解决将标志着物理学与天文学的新的突破。这些问题的解决将标志着物理学与天文学的新的突破。下面我们将简单地介绍一些今天物理学与天文学面临的下面我们将简单地介绍一些今天物理学与天文学面临的共同的前沿。共同的前沿。 暗物质问题暗物质问题 大宇宙黑洞与暗物质大宇宙黑洞与暗物质_ _标清标清.flv.flv 宇宙学的研究中一个基本问题是宇宙中物质的组分宇宙学的研究中一个基本问题是宇宙中物质的组分和密度和密度, ,以及它们的演化。天文学家

38、从旋涡星系旋转曲线以及它们的演化。天文学家从旋涡星系旋转曲线的观测发现的观测发现, ,仅从星系中的恒星质量和气体质量不可能解仅从星系中的恒星质量和气体质量不可能解释其旋转曲线。释其旋转曲线。物理学与现代技术 而且而且, ,许多星系的旋转曲线在距中心较远处趋向平坦。许多星系的旋转曲线在距中心较远处趋向平坦。这是出乎意料的结果。它表明这是出乎意料的结果。它表明, ,星系中可能存在着大量的不星系中可能存在着大量的不发光的暗物质。发光的暗物质。 经过近经过近2020年的研究发现年的研究发现, ,无论是小质量恒星、气体、简无论是小质量恒星、气体、简并星和小黑洞等均不可能是这种占星系质量大部分的不发光并星

39、和小黑洞等均不可能是这种占星系质量大部分的不发光的物质的物质. .而且而且, ,从宇宙原初元素丰度的研究对宇宙中重子物质从宇宙原初元素丰度的研究对宇宙中重子物质含量给出的限制表明含量给出的限制表明, ,这种暗物质只可能是非重子物质。这种暗物质只可能是非重子物质。 物理学与现代技术 太阳中微子问题太阳中微子问题 这可以说是一个由天体物理研究引出的具有重要意这可以说是一个由天体物理研究引出的具有重要意义的物理学基本问题的典型例子。自义的物理学基本问题的典型例子。自2020世纪世纪6060年代后期年代后期, ,科学家开始建造大型设备探测宇宙中的中微子。距离科学家开始建造大型设备探测宇宙中的中微子。距

40、离我们最近的中微子源是太阳。它在进行核反应时会释放我们最近的中微子源是太阳。它在进行核反应时会释放出大量中微子。在对太阳中微子进行观测后发现出大量中微子。在对太阳中微子进行观测后发现, ,接收接收到的太阳中微子数明显地少于由恒星模型计算出的太阳到的太阳中微子数明显地少于由恒星模型计算出的太阳中微子流量。尽管中微子的接收设备有了很大的改进中微子流量。尽管中微子的接收设备有了很大的改进, ,太阳中微子流量缺少这一情况并未改变。为什么探测到太阳中微子流量缺少这一情况并未改变。为什么探测到的太阳中微子流量会低于理论模型计算的结果呢的太阳中微子流量会低于理论模型计算的结果呢? ?这就这就是所谓太阳中微子

41、问题。是所谓太阳中微子问题。物理学与现代技术 当然有两种可能当然有两种可能, ,一是太阳一是太阳, ,或说恒星的模型有问题；或说恒星的模型有问题；另一种可能是关于中微子的粒子物理理论有欠缺。为解决另一种可能是关于中微子的粒子物理理论有欠缺。为解决太阳中微子问题，一时间各种不同的理论模型被提出太阳中微子问题，一时间各种不同的理论模型被提出, ,包包括非标准的太阳模型，中微子振荡理论括非标准的太阳模型，中微子振荡理论, ,等等。最近的实等等。最近的实验表明验表明, ,很可能是由中微子振荡造成的。也就是说，由于很可能是由中微子振荡造成的。也就是说，由于三种中微子间会发生相互的转变，观测到的某一种中微

42、子三种中微子间会发生相互的转变，观测到的某一种中微子的流量就可能随距离变化。存在中微子振荡无疑是我们在的流量就可能随距离变化。存在中微子振荡无疑是我们在了解基本物理中的一个重要进步。除上述之外，在进入新了解基本物理中的一个重要进步。除上述之外，在进入新世纪之际物理学与天文学的共同前沿问题还有很多。它们世纪之际物理学与天文学的共同前沿问题还有很多。它们大都涉及基本的物理和天体物理问题，如黑洞的形成和与大都涉及基本的物理和天体物理问题，如黑洞的形成和与黑洞有关的强引力场中的物理，引力波的产生和探测也是黑洞有关的强引力场中的物理，引力波的产生和探测也是对广义相对论的一个重要检验，等等。对广义相对论的

43、一个重要检验，等等。物理学与现代技术 所有这些前沿问题既是量子物理与相对论这所有这些前沿问题既是量子物理与相对论这2020世纪基世纪基础科学的两大发现的继续，又是对它们的某种挑战。这础科学的两大发现的继续，又是对它们的某种挑战。这些前沿问题的解决势必推动基础科学的进展。些前沿问题的解决势必推动基础科学的进展。 由上述的物理学与天文学的相互影响和推动的关系由上述的物理学与天文学的相互影响和推动的关系, ,我们看到，物理学提供了了解天文现象的基本规律我们看到，物理学提供了了解天文现象的基本规律, ,物理物理学的每次重大进展都推动着天文学的重大发展；天文学学的每次重大进展都推动着天文学的重大发展；天

44、文学的研究又为物理学提供了一个惟一的又是丰富多彩的实的研究又为物理学提供了一个惟一的又是丰富多彩的实验室。二者就是这样相互依存又相互促进。验室。二者就是这样相互依存又相互促进。物理学与现代技术四、物理学和天文学研究与高技术四、物理学和天文学研究与高技术 和物理学研究中的其他实验室一样和物理学研究中的其他实验室一样, ,物理学和天文学物理学和天文学在基于宇宙这一巨大实验室中的研究对技术有着特别高的在基于宇宙这一巨大实验室中的研究对技术有着特别高的需求需求. .正是这种需求有力地推动着高技术的发展。在所有正是这种需求有力地推动着高技术的发展。在所有上述的物理学与天文学的共同前沿问题的研究上，需要有

45、上述的物理学与天文学的共同前沿问题的研究上，需要有大型地面和空间望远镜以观测尽可能遥远的宇宙天体；要大型地面和空间望远镜以观测尽可能遥远的宇宙天体；要有最高灵敏度的探测器以探测到最微弱的从远处传递来的有最高灵敏度的探测器以探测到最微弱的从远处传递来的信号；需要有尽量高的分辨率，以区分相邻的天体和观测信号；需要有尽量高的分辨率，以区分相邻的天体和观测尽可能遥远的天体的形态和结构；需要有光学以外的其他尽可能遥远的天体的形态和结构；需要有光学以外的其他波段的探测器和探测技术，以使得从全波段对天体和天文波段的探测器和探测技术，以使得从全波段对天体和天文现象的了解成为可能；它还需要高速度大容量的计算机，

46、现象的了解成为可能；它还需要高速度大容量的计算机，以采集、处理大量的观测数据和进行理论上的模拟计算。以采集、处理大量的观测数据和进行理论上的模拟计算。物理学与现代技术 所有这一切需求，无一不是对现今的高技术提出的更所有这一切需求，无一不是对现今的高技术提出的更高的要求。为此高的要求。为此, ,在在2020世纪中世纪中, ,特别是特别是2020世纪后期发展出了世纪后期发展出了一系列新设备和新技术。例如一系列新设备和新技术。例如,CCD,CCD接收器接收器, ,它把探测的灵它把探测的灵敏度提高到了单光子的探测敏度提高到了单光子的探测; ;光干涉技术将探测器的分辨光干涉技术将探测器的分辨率提高到毫角

47、秒率提高到毫角秒, ,并进一步将提高到微角秒量级并进一步将提高到微角秒量级; ;一个接一一个接一个的工作在各波段上的空间天文卫星的发射个的工作在各波段上的空间天文卫星的发射, ,将空间技术将空间技术一步步地提到更高的高度。物理学和天文学研究除了对高一步步地提到更高的高度。物理学和天文学研究除了对高技术提出愈来愈高的要求外技术提出愈来愈高的要求外, ,它们在高技术发展中还提供它们在高技术发展中还提供高技术设备可用性的检验。而且高技术设备可用性的检验。而且, ,这种检验是最严格的检这种检验是最严格的检验。也许验。也许, ,这就是发达国家不惜投入巨额资金发展基础研这就是发达国家不惜投入巨额资金发展基

48、础研究的原因吧。究的原因吧。物理学与现代技术趣味视频趣味视频 黑洞通往未来黑洞通往未来_ _标清标清.flv.flv物理学与现代技术3-3 3-3 物理学与化学的关系物理学与化学的关系 物理，从最广泛的意义上来说即是研究大自然现象物理，从最广泛的意义上来说即是研究大自然现象及规律的学问，在物理学的领域中，研究的是宇宙的基本及规律的学问，在物理学的领域中，研究的是宇宙的基本组成要素：物质、能量、空间、时间及它们的相互作用；组成要素：物质、能量、空间、时间及它们的相互作用；借由被分析的基本定律与法则来完整了解这个系统。化学借由被分析的基本定律与法则来完整了解这个系统。化学是研究物质的组成、结构、性

49、质、以及变化规律的科学。是研究物质的组成、结构、性质、以及变化规律的科学。世界是由物质组成的，化学则是人类用以认识和改造物质世界是由物质组成的，化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一。物理是一个物质的在外特性世界的主要方法和手段之一。物理是一个物质的在外特性，是一个比较直观的概念，而化学则是一个物质内在的性，是一个比较直观的概念，而化学则是一个物质内在的性质。从有没有新物质生成讲，没有新物质生成的是物理变质。从有没有新物质生成讲，没有新物质生成的是物理变化，有新物质生成的是化学变化。化，有新物质生成的是化学变化。物理学与现代技术 研究一种物质必须要从物理和化学两个方面相结合去研

50、究一种物质必须要从物理和化学两个方面相结合去研究，缺少一个都不是严谨的，因此，无论是在日常生活研究，缺少一个都不是严谨的，因此，无论是在日常生活中还是学科研究领域，物理和化学是联系相当紧密的两个中还是学科研究领域，物理和化学是联系相当紧密的两个物质代名词。物质代名词。 物理学与化学，作为自然科学的两个分支，关系十分物理学与化学，作为自然科学的两个分支，关系十分密切，任何一种化学变化总是伴随着物理变化，物理因素密切，任何一种化学变化总是伴随着物理变化，物理因素的作用也都会引起化学变化，自然科学中化学和物理历来的作用也都会引起化学变化，自然科学中化学和物理历来是亲如兄弟、相辅相成的两个基本学科，它

51、们虽曾有过约是亲如兄弟、相辅相成的两个基本学科，它们虽曾有过约定俗成的分工，各司其职，但非各自为战定俗成的分工，各司其职，但非各自为战, ,“化学和物理合化学和物理合在一起，在自然科学中形成了一个轴心在一起，在自然科学中形成了一个轴心”。 物理学与现代技术 历史上化学家和物理学家的研究是在相互合作、相互历史上化学家和物理学家的研究是在相互合作、相互促进中进行的，许多科学家的研究兼及物理学和化学，每促进中进行的，许多科学家的研究兼及物理学和化学，每当化学家们对取得的实验经验试图作出解释，并提高为理当化学家们对取得的实验经验试图作出解释，并提高为理论时，每当他们在研究中遇到难以逾越的障碍时，总是求论时，每当他们在研究中遇到难以逾越的障碍时，总是求助于当时的物理学成就，而且受益良多。助于当时的物理学成就，而且受益良多。 物理包含着所有物质系统的化学行为的原理、规律和物理包含着所有物质系统的化学行为的原理、规律和方法，化学也同样涵盖从宏观到微观与性质的关系、规律方法，化学也