经典力学和物理学革命

1、经典力学和物理学革命经典力学和物理学革命问题一：我们有可能穿越回到过去吗？如果可以，到底怎么回去呢？问题二：如果在一纸箱里放有一只猫和一瓶剧毒毒药，打开纸箱后我们会发现，这只猫要么打翻毒药而死掉，要么幸运的活着。那么，如果不让你打开这只纸箱，你将不能判断这只猫到底是活着还是死掉，那么此时你如何描述猫的生命状态呢，介于活着和死去之间的某一种状态吗？经典力学的成就与局限性经典力学的成就与局限性现代物理现代物理相对论相对论量子论量子论经典力学的前世今生经典力学的前世今生公元384到322年：亚里士多德时代，人类开始利用观察和逻辑理性的研究物体的运动。公元1564至1642年： 意大利物理学家伽利略。

2、惯性定律，落体定律和相对性原理的建立。此后笛卡尔、惠更斯和开普勒等人在惯性运动、弹性碰撞和天体运动方面的努力进一步推进了人们对于力学和运动学的本质的认识。1666年，23岁的牛顿为了躲避瘟疫，回到乡下的老家度假。在那段日子里，他一个人独立完成了几项开天辟地的工作，包括发明了微积分（流数），完成了光分解的实验分析，以及万有引力的开创性工作。在那一年，他为数学、力学和光学三大学科分别打下了基础，而其中的任何一项工作，都足以让他名列有史以来最伟大的科学家之列。很难想象，一个人的思维何以能够在如此短的时间内涌动出如此多的灵感，人们只能用一个拉丁文 annus mirabilis 来表示这一年，也就是“

3、奇迹年”。1687年，发表了自然哲学的数学原理，标志着以牛顿力学为基础的经典力学体系成立。后牛顿时代：后牛顿时代：1864年，光学方面，法拉弟、麦克斯韦等人建立了电磁理论。1865年左右，热学方面，在范德瓦尔资，克劳修斯，波尔兹曼和吉布斯等一批天才的努力下，统计力学和热力学也建力起来。这是一段伟大而光荣的日子，是经典物理的黄金时代。经典力学、经典电动力学和经典热力学（加上统计力学）形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿，构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。从当时来看，我们也许的确是有资格这样骄傲的，因为所知道的一切物质，几乎都可以从现成的理论里得到解释。从天上的行星到地上的石块，力、热、光

4、、电、磁一切的一切万物都必恭必敬地遵循着它制定的规则。19 世纪末的物理学天空中闪烁着金色的光芒，象征着经典物理帝国的全盛时代。这样的伟大时期在科学史上是空前的，或许也将是绝后的。然而，这个统一的强大帝国却注定了只能昙花一现。喧嚣一时的繁盛，终究要像泡沫那样破灭凋零。 经典力学的局限性与实用范围经典力学的局限性与实用范围一、经典力学只能应用于低速运动的物体，如果物体的运动速度相对于光速不可乎略，经典力学不再适用。二、牛顿力学只适用于宏观领域而不适用于微观世界。微观世界遵从量子力学的规律。附：一般情况下，在纳米（10-9）限度以下的都可以视为微观世界。狭义相对论狭义相对论理论基础：一、相对性原理

5、：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。二、光速不变原理：不管在哪个惯性参考系中，测得的真空中的光速都相同。狭义相对论的奇怪结论狭义相对论的奇怪结论时间膨胀效应：运动着的时钟会比相对于观察者静止的时钟走的更慢。尺缩效应：相对于观察者运动的物体在运动方向上的长度会缩短，运动的越快，缩短的越利害。质量增加效应：物体在运动时会比静止时质量大，并且运动的越快，质量增加的越多。伟大的爱因期坦：1905 年爱因斯坦在专利局里蜗居的一年发表了6 篇论文，3 月18日，关于光电效应的文章，这成为了量子论的奠基石之一。4 月30日，发表了关于测量分子大小的论文，这为他赢得了博士学位。5 月11 日和后来

6、的12 月19 日，两篇关于布朗运动的论文，成了分子论的里程碑。6 月30日，发表题为论运动物体的电动力学的论文，这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称，叫做“狭义相对论”。9 月27日，关于物体惯性和能量的关系的论文，这是狭义相对论的进一步说明，并且在其中提出了著名的质能方程E=mc2 。 单单这一年的工作，便至少配得上3 个诺贝尔奖。狭义相对论发表狭义相对论发表100100周年，周年，也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变。但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变。 上帝掷骰子吗上帝掷骰子吗黑体辐

7、射：19世纪末20世纪初物理学无法解释的问题之一，牛顿力学体系发展过来的麦克斯韦电磁理论给出的黑体辐射公式与实验测得的公式不合。1900年12月，德国物理学家普朗克手写出了经验公式，此公式与实验吻合得很好，但是，这里面有一个让人无法理解的假设：能量吸收或发射必须是一份一份的，每一份就是一个能量单位。光电效应：当用一束特定频率的光照射在金属上，金属的表面上会有电子逸出。光电效应光电效应爱因期坦的解释：光在传播过程中，也不是连续的，它由数值分立的能量子组成的，爱因期坦称这些能量子为光量子，也称为“光子”。经典时空观和相对论时空观：经典时空观和相对论时空观：牛顿的时空观认为，空间是独立于物质存在的，

8、不会受到物质运动的影响，而时间在空间中单向均匀流逝。而相对论时空观认为时空不是不能单独存在的，时空存在的意义其实是在于物质的运动，并且时空的状态会不可避免的受到物质运动的影响。量子理论对世界的描述：量子理论对世界的描述：任何物质的存在都内禀有玻粒二象性，这决定着自然世界中物质各种物理性质的分布（位置、动量、角动量、电荷、时间等）是概率性的，这种概率以波动的形式存在着的。量子物理的天才们：量子物理的天才们：1900 年年12 月月14 日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论日，普朗克在柏林宣读了他关于黑体辐射的论文，宣告了量子的诞生。那一年他文，宣告了量子的诞生。那一年他42岁。岁。 就在那一

9、年，一个名叫阿尔伯特就在那一年，一个名叫阿尔伯特爱因斯坦（爱因斯坦（AlbertEinstein ）的青年从苏黎世联邦工业大学（的青年从苏黎世联邦工业大学（ETH）毕业，正在为将来的生）毕业，正在为将来的生活发愁。活发愁。在丹麦，在丹麦，15 岁的尼尔斯岁的尼尔斯玻尔（玻尔（Niels Bohr）正在哥本哈根的中）正在哥本哈根的中学里读书。学里读书。埃尔文埃尔文薛定谔（薛定谔（Erwin Schrodinger）比玻尔小两岁，当时在）比玻尔小两岁，当时在维也纳的一间著名的高级中学维也纳的一间著名的高级中学Akademisches Gymnasium上上学。小埃尔文长得非常帅气，穿上礼服和紧身裤

10、，俨然一个翩学。小埃尔文长得非常帅气，穿上礼服和紧身裤，俨然一个翩翩小公子，这也使得他非常受到欢迎。翩小公子，这也使得他非常受到欢迎。马克斯马克斯波恩（波恩（Max BornMax Born）和薛定谔有着相似的教育背景不过相）和薛定谔有着相似的教育背景不过相比薛定谔来说，波恩并不怎么喜欢拉丁文，甚至不怎么喜欢数学，比薛定谔来说，波恩并不怎么喜欢拉丁文，甚至不怎么喜欢数学，尽管他对数学的看法后来在大学里得到了改变。尽管他对数学的看法后来在大学里得到了改变。路易斯路易斯德布罗意（德布罗意（Louis de Brog lieLouis de Brog lie）当时）当时8 8 岁，正在他那岁，正在他那显赫的贵族家庭里接受良好的幼年教育。他对历史表现出浓厚的显赫的贵族家庭里接受良好的幼年教育。他对历史表现出浓厚的兴趣，并乐意把自己的时间花在这上面。兴趣，并乐意把自己的时间花在这上面。沃尔夫冈沃尔夫冈恩斯特恩斯特泡利（泡利（Wolfgang Ernst PauliWolfgang Ernst Pauli）才出生）才出生8 8 个个月，可怜的小家伙似乎一出世就和科学结缘。月，可怜的小家伙似乎一出世就和科学结缘。而再过而再过12 12 个月，维尔兹堡（个月，维尔兹堡（WurzbergWurzberg）的一位著名希腊文献教）的一位著名希腊文献教授就要喜滋滋地