改变世界的物理学

改变世界的物理学导言

物理学是自然科学的基础

什么是科学特点：1.

规律性满足条件→结论成立2.

可证伪科学理论是否正确必须经由实验验证3.

科学是不断发展的对客观规律的认识不断深化和完善*物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。*物理学的发展是许多新兴学科、交叉学科和新技术学科产生、成长和发展的基础和前导。物理学是自然科学的基础。体现在：1．其他自然科学，如化学、天文学、生物学等，都包含着物理过程和物理现象；2．这些科学都把物理学创造的科学语言和基本概念作为自身语言、概念的最基本构件；3．任何自然科学的理论都不能和物理学的定律相抵触。2005年是世界物理年100年前的1905年，爱因斯坦发表了5篇重要论文，对现代物理学的发展产生了及其重大的影响，由此，相对论诞生了。50年前的1955年，伟大的物理学家爱因斯坦，告别了人世。2002年10月，国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）宣布：2005年为世界物理年（WYP）2003年11月，联合国教科文组织（UNESCO）宣布：支持把2005年定为世界物理年（WYP）2004年6月，联合国大会通过了2005年为世界物理年的提案第一讲时间,空间,守恒定律一.时间与空间物质及其运动都在时间及空间中进行.宇—空间宙—时间人类对时间空间的认知依赖于物理学.时间单位是秒。“秒”的定义：第1次：人们是利用地球自转运动来计量时间的，基本单位是平太阳日。19世纪末，将一个平太阳日的1/86400作为一秒，称作世界时秒。第2次：1960年将1900年初附近，太阳的几何平黄经为279o41’48’’04的瞬间作为1900年1月10日12时整，从该时刻起算的回归年的1/31556925.9747作为一秒”。第3次：1967年定义秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。铜壶滴漏：古代的一种计时仪器(1316)年)中国计量科学研究院铯原子束时间频率基准时间尺度（秒）物质的运动周期、寿命1018宇宙年龄1017地球年龄1015恐龙绝灭1014出现古人类1011人类文明史109人类的寿命107地球公转周期106月球的周期时间尺度（秒）物质的运动周期、寿命104地球自转周期100钟摆的周期10-3声波的周期10-6m子的寿命10-8p±介子的寿命10-16p0介子的寿命10-19S0超子的寿命10-25Z0(中间玻色子)的寿命

空间长度基准“米”的定义：第1次：1889年，第一届国际计量大会通过：将保存在法国的国际计量局中铂铱合金棒在0℃时两条刻线间的距离定义为1米，称为长度的实物基准。第2次：1960年，第十届国际计量大会决定用氪86原子的橙黄色光波来定义“米”，规定米为这种光的波长的1650763.73倍。第3次：1983年，第十七届国际计量大会通过：米是光在真空中1/299792458秒的时间间隔内运行路程的长度。（规定真空中光速值c=299792458米/秒。）中国计量科学研究院633nm碘稳定激光器作为复现长度单位米的基本装置

国际标准1千克神秘变轻科学家提议重新定义2007年09月25日

最近发现有118年历史、用铂和铱混合铸造的圆柱形铸件——国际千克原器减轻了大约50毫克。减轻的重量总共不超过“一个指纹的质量”，但是对用远远低于十亿分之一秒来计算时间和远远小于微毫米的长度来计算距离的世界来说，这个减轻的数值会产生巨大影响。千克是最后一个通过人造物质，而不是基本物理属性定义的重要标准。定义标准千克新方法1)用碳-12原子重新定义标准千克--克将被严格地定义成18×14074481个碳-12原子的重量。2)用纯硅原子球体取代铂金和铱混合圆柱体；3)利用已知的“瓦特天平”装置，并利用电磁能定义千克。空间尺度（米）实物1026宇宙引力半径1023星系团1020地球到银河系中心的距离1016地球到最近恒星的距离1011地球到太阳的距离109太阳的半径108地球到月亮的距离空间尺度（米）实物106地球半径103地球上高山100人的身高10-5细菌10-8大分子10-10原子10-15核子

相对论:时间及空间均与物质及其运动相联系!

弦理论:空间是十维的!

二.守恒律(—)、能量守恒

能量守恒定律：一个孤立系统的总能量保持不变。

动能：Ek=mv2/2引力势能：EP=-GmMe

/rEk+EP=桓量

能量守恒定律的发展机械能守恒=>能量守恒=>质能守恒(二)、动量守恒定律

任何物质系统在不受外力作用或所受外力之和为零，它的总动量保持不变。动量守恒定律是物理学中的一个基本定律。火箭原理

火箭是动量守恒定律最重要的应用之一。根据动量守恒定律，当一个系统向后高速射出一个小物体时，该系统就会获得与小物体相同大小但方向相反的动量，即系统就获得向前的速度。火箭发动机工作时，喷出的高速气体给予火箭本体一个反作用力，即推力，使火箭的速度产生变化。齐奥尔科夫斯基首先推导出单级火箭所能得到的理想速度公式。多级火箭示意图V-2火箭德国于1942年10月3日首次成功发射V-2导弹，飞行180公里。它是历史上的第一枚弹道导弹。设计者：冯.布劳恩后成为美国阿波罗计划的总设计师土星”5号运载火箭中国航天中国于1970年4月24日

中国研制成功第一枚运载火箭和发射自己的第一颗人造卫星后“东方红”1号卫星酒泉卫星发射场“长征”号运载火箭试验飞船《神舟》号1973年“先锋”11号进入太空，带一封“介绍信”，

1997年8月和9月“旅行者”1号和2号先后出发，再次对太阳系进行考察，这次它们携带的“介绍信”是一整套灌满“地球之音”的特殊唱片，这张铜制唱片直径为30厘米，上面喷金，并与一个瓷唱头、一枚钻石唱针一起装在一个铝盒中，这套唱片在宇宙中经历10亿年时间也不会变音，可放音120分钟。唱片收集了地球上35种自然界的音响（如雨点声、风声等），27种世界名曲的音乐声，60种不同民族的问候声（包括中国人说的汉语“祝你们大家好”），还有联合国秘书长的讲话录音和美国前总统卡特签署的一份电报。(三).角动量守恒角动量(动量矩):m1v1r1+m2v2r2+m3v3r3+••••••=IώI—转动惯量ώ—转动角速度角动量守恒定律：一个孤立系统的总角动量保持不变。

ω花样滑冰运动员通过改变身体姿态即改变转动惯量来改变转速陀螺仪来福枪枪膛内有好几条沟状纹路，称为“来福线”。因为有了来福线，子弹可以边旋转边飞出去，命中率很高。所有的现代枪炮枪都有来福线,称为膛线.来福线因枪的种类不同，其幅度，深度，角度也不一样。它的来福线是依照模型，一一雕刻出来的；所以，只要在显微镜下细看，不管哪一支枪，它们的来福线都不一样。发射出去的子弹会有来福线的痕迹，称为“来福线痕迹”，检查这个来福线痕迹就是检查“枪的指纹”。守恒律与对称性一、什么是对称性？

对称：通常是指左右对称。除了左右对称之外，还有轴对称、球对称等等。变换(操作)：系统从一个状态变到另一个状态的过程。对称性：状态在一操作下不变，我们就说系统对于这一操作是“对称的”。

空间平移对称性：物体发生平移后，若仍和原来相同。转动对称：物体绕某一固定轴转动一个角度，若仍和原来相同。

时间平移对称性：静止不变的系统对任何间隔t的时间平移表现出不变性。圆的对称性对称对称的分类空间对称：空间平移对称、空间旋转对称时间对称{二、物理定律的对称性

是指经过一定的操作后，物理定律的形式保持不变。因此物理定律的对称性又叫不变性。

(1)物理定律的空间平移对称性设想我们在空间某处做一个物理实验，然后将该套实验(连同影响该实验的一切外部因素)平移到另一处。如果给以同样的起始条件，实验将会以完全相同的方式进行。这说明物理定律没有因平移而发生变化。这就是物理定律的空间平移对称性。它表明空间各处对物理定律是一样的，所以又叫做空间的均匀性。(2)物理定律的转动对称性如果在空间某处做实验后，把整套仪器(连同影响实验的一切外部因素)转一个角度，则在相同的起始条件下，实验也会以完全相同的方式进行。这说明物理定律并没有因转动而发生变化。这就是物理定律的转动对称性。它表明空间的各个方向对物理定律是一样的，所以又叫做空间的各向同性。

(3)物理定律的时间平移对称性如果我们用一套仪器做实验，该实验进行的方式或秩序是和此实验开始的时刻无关的。无论在什么时候开始做实验，我们得到完全一样的结果。这个事实表示了物理定律的时间平移的对称性。

内特尔定理

对应于每一种对称性都有一条守恒定律

空间均匀性有→

动量守恒定律

空间的各向同性

→

角动量守恒定律

时间平移对称性

→

能量守恒定律

对应于空间反演对称性

→

宇称守恒定律

量子力学相移对称性

→

电荷守恒定律

由于三个守恒定律是与时空对称性相联系的，而时空性质的规律比一般力学规律有更大的普遍性，因此三个守恒定律比一般的力学规律有更大的适用范围。宇称不守恒问题宇称：描写粒子在空间反演下变换性质的物理量取值：+1、－１空间反演：镜面反演：点P，坐标为点P1

，坐标为P(x，y，z)P1(x，－y，z)生活中，物和镜子中的像是不同的，这称为不具有镜面反演对称性。物理学的规律，无论是对空间反演还是对时间反演都应具有对称性，原因是，空间是均匀对称的。例如，中学学过的欧姆定律，在以下两个回路中都应成立。

宇称守恒：任何物理过程的镜面反演像所表示的过程都是在实际中可实现的物理过程，而且所遵守的物理规律与原过程的规律相同。“θ-τ”疑难曾经人们认为，包括粒子反应在内的各种过程中，宇称都是守恒的。但是，两种质量、寿命和电荷都相同的粒子θ和τ

，衰变时，θ→π++π0

（总角动量如为零，宇称为正）

τ→π++π++π0

（总角动量为零，宇称为负）}弱相互作用从产物粒子的宇称来看，如果宇称守恒，那么θ和τ粒子应当宇称不同。然而，从质量和寿命看，这两种粒子应当是同一种粒子。这是怎么回事？1956年，物理学家李政道和杨振宁指出，在强相互作用和电磁相互作用过程中宇称守恒是得到了实验的判定性检验的，但是在弱相互作用过程中，宇称守恒并没有得到实验的判定性检验。李政道和杨振宁提出，这个疑难