近代物理学简史

1、物理学简史1什么是物理学？物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。作为自然科学的带头学科，物理学研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律，因此成为其他各自然科学学科的研究基础。它的理论结构充分地运用数学作为自己的工作语言，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，它是当今最精密的一门自然科学学科 物理两大阶段 主要理论成果经典物理经典力学麦克斯韦电磁场理论现代物理量子力学相对论219世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，

2、他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。物理史话物理学大厦真的落成了吗？3认识一下这“两朵乌云”吧黑体辐射与“紫外灾难”在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80%左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100%的理想物体。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近

3、似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。19世纪末，卢梅尔（18601925）等人的著名实验黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。该如何解释这个实验呢？第一朵乌云4先看看经典物理学的看法吧当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理

4、量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。5显然经典力学存在着问题与此同时，年轻的德国物理学家另辟蹊径提出了量子假说，成功的解释了黑体辐射的问题，从而为量子力学的产生奠定了基础。他认为：黑体是由以不同频率作简谐振动的振子组成的，其中电磁波的吸收和发射不是连续的，而是以一种最小的能量单位=h，为最基

5、本单位而变化着的，理论计算结果才能跟实验事实相符，这样的一份能量，叫作能量子。那么这位名不见经传的年轻人又是谁呢？6马克斯卡尔恩斯特路德维希普朗克（德文：Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858年4月23日1947年10月4日，享年89岁），出生于德国荷尔施泰因，是德国著名的物理学家和量子力学的重要创始人之一。且和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家。他因发现能量量子化而对物理学的又一次飞跃做出了重要贡献，并在1918年荣获诺贝尔物理学奖1 。7普朗克的工作意义重大1.量子假说使人们认识到经典物理学存在一定的局限性，新的理论应运而生。2.普朗克的工作催生了包括：

6、海森伯的矩阵力学，薛定谔的波动力学在内的许多重要理论3.普朗克本人也因此于1918年荣获诺贝尔物理学奖 花开两朵，各表一枝 第二朵乌云还悬而未决 8经典物理学认为：“以太”是光、电、磁的共同载体但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。第二朵乌云迈克耳逊莫雷实验与“以太”说破灭9为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊（18521931）与美国化学家、物理学家莫雷（18381923）合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验

7、：“迈克耳逊莫雷实验”，即“以太漂移”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果否定“以太”之存在是毋庸置疑的。迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那么，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。10面对这一困境许多物理学家提出了自己的理论，但漏洞百出许多支持经典物理学的科学家从不同

8、角度试图在不否定“以太说”的前提下解释迈克尔孙-莫雷实验。其中最著名的就是“洛伦兹变换”1895年洛仑兹提出了更为精确的长度收缩公式，顺手把时间也调慢了一点，这就是著名的洛仑兹变换。通过以太的运动物体，纵向线度发生收缩（平行运动方向），其收缩的比例恰好符合迈克尔逊莫雷实验的计算。同时这个方向的时间也变慢，这样这个方向的光的速度保持不变。这是光速不变的最早模型。为什么要改动时间？没有人知道，也没有理论依据。这个光速不变的版本，承认以太存在。 以发现洛伦兹力而著称的洛伦兹不肯否认“以太说”。他的理论站的住脚吗？11这个问题的解决要提到另一位物理学大师，和普朗克类似，他也是一个“离经叛道”的物理学家

9、1905年，在洛仑兹提出光速不变观点10年后，爱因斯坦认为既然光速不变，作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太、以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了狭义相对论。同时保留洛仑兹变换来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变 爱因斯坦 12相对论的意义及影响相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。 相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广

10、义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。13相对论指明时空旅行是可能的1.运动的物体的时钟会变慢,当物体以接近光速的速度运动时,它的时间要比它静止时过得慢,这种现象就是时间膨胀.当物体的速度超越光速甚至是光速的好几倍时,时空的膨胀达到了极限而发生扭

11、曲,从而产生空间折叠及时间扭曲的现象,就会发生如下现象:一个人在某个时间乘以光速的几倍的飞船出发,当他到达目的地时会发现时间比原来还要早.因此当速度超过光速时,理论上可以进行时间旅行14最后一位是个华裔物理学家哦提醒：他是美籍华裔的物理学家，和李政道共同合作提出了著名的宇称不守恒定律，并于1957年获得了诺贝尔物理学奖猜猜看他是谁？15他就是杨振宁院士你猜对了吗？16杨振宁杨振宁，1922年10月1日出生于安徽合肥，世界著名物理学家，现任香港中文大学讲座教授、清华大学教授、美国纽约州立大学石溪分校荣休教授1 ，是中国科学院院士、美国国家科学院院士、台湾“中央研究院”院士、俄罗斯科学院院士、英国皇家学会会员，1957年获诺贝尔物理学奖；是中美关系松动后回中国探访的第一位华裔科学家，积极推动中美文化交流和中美人民的互相了解；在促