第四部分相对论量子力学

第四部分相对论量子力学第1页，共111页，2023年，2月20日，星期四一经典物理学天空中的乌云与三大发现二相对论的新时空观三量子论与量子力学四现代物理学革命在思想方法上的突破第2页，共111页，2023年，2月20日，星期四一经典物理学天空中的乌云与三大发现

第3页，共111页，2023年，2月20日，星期四19世纪下半叶，牛顿力学在各个自然科学领域得到了广泛应用，机械自然观总体上仍然处于主导地位“经典物理学大厦已经竣工完成”。在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作。两朵乌云：当时物理学家中的泰斗——开耳文勋爵在新年贺词中把物理学的19世纪发展和20世纪的前景比喻为“物理学一片晴朗天空，只有两朵小小乌云”，它们是：(1)迈克尔逊—莫雷实验，证明了“以太”是不存在的；(2)黑体辐射引出的“紫色灾难”。第4页，共111页，2023年，2月20日，星期四

科学大厦建立，物理学上空出现两朵乌云：

1以太漂移迈克尔逊—莫雷实验

2紫外灾难

E瑞利—金斯

普朗克维恩

第5页，共111页，2023年，2月20日，星期四

紫外灾难，是指用于计算黑体辐射强度的瑞利－金斯定律在辐射频率趋向于无穷大时计算结果和实验数据无法吻合的物理史事件。

第6页，共111页，2023年，2月20日，星期四任何物体，比如恒星，加热时就会发出光或其他辐射，正如煤炭加热时会发光一样。这种炽热物体中的原子的热运动引起发光，它称为黑体辐射（虽然炽热物体不是黑的）。第7页，共111页，2023年，2月20日，星期四黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射，且发射电磁辐射的能力的能力比同温度下的任何其它物体强。黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关。第8页，共111页，2023年，2月20日，星期四19世纪，由于冶金以及照明设备制造等的需要，人们急需找到黑体辐射强度和辐射频率的关系。1889年卢默与鲁本斯通过研究空腔辐射得出了黑体辐射光谱的实验数据。但是，单使用实验数据找对应点的方法十分不便，于是，人们开始了寻找一般的公式。

1900年，瑞利根据经典统计力学推出了一个公式，1905年，金斯修正了瑞利辐射公式中的一个数值错误，以后，此公式被称为瑞利－金斯公式。

第9页，共111页，2023年，2月20日，星期四第10页，共111页，2023年，2月20日，星期四其中，w(ν,T)为辐射的能量密度，k是波尔兹曼常数，c为真空中的光速,T是热力学温度。可以看出，w在ν趋向于无穷大时趋向于无穷大，这于实验数据相违背。1911年，奥地利物理学家埃伦费斯特用“紫外灾难”来形容经典理论的困境。

第11页，共111页，2023年，2月20日，星期四以太漂移

在古希腊，以太（Ehter）指的是青天或上层大气，17世纪时，法国科学家笛卡尔最先将以太引进科学，并赋予它某种力学性质。后来，以太又在很大程度上作为光波的荷载物，同光的波动学说相联系。

为了证明以太的存在，1887年，迈克耳孙、莫雷一起设计了迈克耳孙-莫雷干涉实验，他们设计的实验灵敏度足以探测到地球绕太阳运行的速度30千米/秒以太风漂移的速度。第12页，共111页，2023年，2月20日，星期四以太漂移

在古希腊，以太（Ehter）指的是青天或上层大气，17世纪时，法国科学家笛卡尔最先将以太引进科学，并赋予它某种力学性质。后来，以太又在很大程度上作为光波的荷载物，同光的波动学说相联系。

为了证明以太的存在，1887年，迈克耳孙、莫雷一起设计了迈克耳孙-莫雷干涉实验，他们设计的实验灵敏度足以探测到地球绕太阳运行的速度30千米/秒以太风漂移的速度。第13页，共111页，2023年，2月20日，星期四

三大发现：1895年，伦琴（W.C.Röntgen)

发现X射线x-ray1896年，贝克勒尔(H.A.Becquerel)

发现放射性radioactivity1897年，汤姆逊（J.J.Thomson)

发现电子electron

第14页，共111页，2023年，2月20日，星期四三大发现：1895年，伦琴（1845-1923）研究阴极射线时意外发现X射线,X射线是一种波长很短(10-9-5x10-9cm)的电磁波。由此而获得1901年诺贝尔物理学奖，是第一个获奖人。1896年，贝克勒耳（1852-1908）意外发现放射性，发现铀。1897年，汤姆逊证实了电子的存在。此外，居里夫妇发现放射线元素（钍、钋和镭）；证实元素的嬗变；促使元素嬗变理论建立（卢瑟福，1902年）第15页，共111页，2023年，2月20日，星期四汤姆孙

J.J.Thomson

1856-1942英国物理学家汤姆孙（J.J.Thomson，1856-1942）于1897年研究阴极射线，证明阴极射线是由带负电的粒子组成，同时测出了它的质量与电荷的比值。第16页，共111页，2023年，2月20日，星期四汤姆孙的实验

汤姆孙发现，当用所有的金属作高压阴极射线管的阴极时，都发射出相同的被阳极吸引的粒子。他测定了这种粒子的荷质比并称之为电子。第17页，共111页，2023年，2月20日，星期四伦琴

W.C.Röntgen

1845-19231895年德国物理学家伦琴（W.C.Röntgen，1845-1923）发现了X射线。第18页，共111页，2023年，2月20日，星期四伦琴用锡纸和硬纸板把各种实验器材都包裹得严严实实,并且用一个没有安装铝窗的阴极管让阴极射线透出。可是现在，他却惊奇地发现，对着阴极射线发射的一块涂有氰亚铂酸钡的屏幕(这个屏幕用于另外一个实验)发出了光.而放电管旁边这叠原本严密封闭的底片，现在也变成了灰黑色—这说明它们已经曝光了！

这个一般人很快就会忽略的现象，却引起了这位学者的注意，使他产生了浓厚的兴趣。他想：底片的变化，恰恰说明放电管放出了一种穿透力极强的新射线，它甚至能够穿透装底片的袋子！一定要好好研究一下。不过—既然目前还不知道它是什么射线，于是取名“X射线”。

第19页，共111页，2023年，2月20日，星期四贝克勒尔H.A.Becquerel

1852－1908

1903年与居里夫人合得Nobel物理奖

1896年法国物理学家贝克勒尔（H.A.Becquerel，1852－1908）研究发荧光的物质，发现铀盐能够使底片感光从而发现了放射性。第20页，共111页，2023年，2月20日，星期四贝克勒尔在与H．彭加勒（Poincare）讨论了一次新近由伦琴发现的辐射（X射线）及在真空管子中同时产生磷光的现象之后，他决定去研究在X射线与天然发生的磷光之间”是否存在任何联系。他从父亲那里继承有一些铀盐。铀盐的磷光可以用来曝光。当他把铀盐放近被不透光的纸包封着的照相底片时，发现照相底片被曝光。这种现象对于所有试验过的铀盐来说都同样存在，因此他得出结论说，这是铀原子的一种特性。后来，贝克勒尔证明，这种射线是铀放射的。这种射线在很长一段时间以它的发现者的姓氏命名第21页，共111页，2023年，2月20日，星期四居里与居里夫人在测量

不同元素的放射性1898年居里夫人（MarrieSklodowskaCurie,1867-1934)发现了镭。其放射强度超过铀的二百多万倍。之后她用了四年的时间从数吨沥青铀矿渣中分离出纯氯化镭0.12克。第22页，共111页，2023年，2月20日，星期四居里夫人1867-1934"Nothinginlifeistobefeared,

itisonlytobeunderstood."

MarieCurie1903年因对放射性研究获Nobel物理学奖。

1911年因为发现两种新元素而获Nobel化学奖。第23页，共111页，2023年，2月20日，星期四放射性元素的射线第24页，共111页，2023年，2月20日，星期四α射线是氦核，带正电荷，在磁场中发生偏转，穿透本领小。β射线是带负电的电子流，在磁场中发生偏转的方向与粒子相反，穿透本领较大。γ射线是光子，在磁场中不发生偏转，穿透本领最大第25页，共111页，2023年，2月20日，星期四电子与放射性发现的意义卢瑟福与随后法国化学家维拉尔(P.V.Villard,1680-1934)发现铀和铀的化合物放射出三种射线。之后相继发现了许多同位素。为原子论最后确立迈出了坚实的一步。从而为把人类的知识延伸到原子内部去打开了门户。它标志着力学与物理学的分家。从此力学主要研究宏观规律，而物理以研究微观世界的规律、特别是原子内部的规律为主。第26页，共111页，2023年，2月20日，星期四二相对论的新时空观

第27页，共111页，2023年，2月20日，星期四批判绝对时空马赫(E.Mach,1838—1916)马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是由能变化的对象的可觉察的变化而发现的。

1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相对论。

第28页，共111页，2023年，2月20日，星期四实在论.实证主义

把任何一种不依人的观察和思考为转移的存在作为人的知识对象的观点都可称为实在论.实证主义又称实证论，其中心论点是：事实必须是透过观察或感觉经验，去认识每个人身处的客观环境和外在事物。实证论者认为，虽然每个人接受的教育不同，但他们用来验证感觉经验的原则，并无太大差异。第29页，共111页，2023年，2月20日，星期四洛伦兹(H.A.Lorentz1853—1928)

收缩因子彭加勒（H.Poicare1854—1912)

相对论原理第30页，共111页，2023年，2月20日，星期四爱因斯坦AlbertEinstein

1879－1955第31页，共111页，2023年，2月20日，星期四以太什么是以太呢？它是一种假想的物质。星球之间吸引力的思想一旦确立，人们对于力的这种超距作用是很难理解的。所以在17世纪由笛卡尔与牛顿等大科学家主张，空间不可能是虚无的，它是由一种名为“以太”的物质所充满。星球之间的吸引力就是由这种物质来传递的。以太是怎样来传递力呢，这一点，是很难检测的，从太阳或星球传来的光线自然也是由以太传递的，而光是容易检测的。第32页，共111页，2023年，2月20日，星期四在麦氏预言电磁波之后，多数科学家就认为电磁波传播需要媒质（介质）。这种介质称为“以太”（经典以太）。“以太”应具有以下基本属性：

（1）充满宇宙，透明而密度很小（电磁弥散空间，无孔不入）；

（2）具有高弹性。能在平横位置作振动，特别是电磁波一般为横波，以太应是一种固体（G是切变模量ρ是介质密度）；

（3）以太只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静止。

第33页，共111页，2023年，2月20日，星期四在以太中静止的物体为绝对静止，相对以太运动的物体为绝对运动。引入“以太”后人们认为麦氏方程只对与“以太”固连的绝对参照系成立，那么可以通过实验来确定一个惯性系相对以太的绝对速度。一般认为地球不是绝对参照系。可以假定以太与太阳固连，这样应当在地球上做实验来确定地球本身相对以太的绝对速度，即地球相对太阳的速度。为此，人们设计了许多精确的实验（包括爱因斯坦也曾设计过这方面的实验），其中最著名、最有意义的实验是迈克尔逊——莫雷实验（1887年）。第34页，共111页，2023年，2月20日，星期四由麦克斯韦电磁方程组可以推出电磁波在真空中的传播速度就是光速c，这是一个定值，约等于30万公里/秒。但是按照伽利略时空变换关系，如果光速在一个参考系中为c，那么在其它相对于这个参考系作匀速运动的参考系中不可能为c。所以要使麦克斯韦电磁方程组成立，那只能选定一个特殊参考系才行。第35页，共111页，2023年，2月20日，星期四实验目的：寻找电动力学规律成立的绝对参考系，即与以太静止的参照系。

实验假设：

（1）假定电磁场方程在绝对惯性系中严格成立（地球上认为近似成立）。

（2）在“以太”中光速各项同性，且恒等于C，而在其它参照系中，光速非各项同性（由伽利略变换可知（3）假定太阳与以太固连，地球相对于以太的速度就应当是地球绕太阳的运动速度。

第36页，共111页，2023年，2月20日，星期四

狭义相对论的创立1905年，爱因斯坦（A.Einstein)发表《论动体的电动力学》specialrelativity

两条基本原理：

1狭义物理定律不变原理

2光速不变原理第37页，共111页，2023年，2月20日，星期四一、同时性的相对性1、同时性的相对性在惯性系S中同时发生的两个事件，在惯性系S’中一般来说不再是同时发生的——同时性的相对性。2、爱因斯坦火车S‘——爱因斯坦火车S——地面参考系在S‘系中，事件1与事件2同时发生。在S系中，事件1与事件2不是同时发生。第38页，共111页，2023年，2月20日，星期四3、解释在S'系中，不同地点x1'与x2'同时发生两件事在S系中结论：不同地点发生的两件事，对S'来说是同时发生的，而在S系中不一定是同时发生的。在同一地点同时发生的两件事，则在不同的惯性中也是同时发生的。若t1‘<t2’，S‘系中，事件1早于事件2；但是随着x2’-x1‘的取值不同，t2-t1就可能小于零、大于零或等于零，两事件的先后次序在不同的惯性系中可能发生颠倒。第39页，共111页，2023年，2月20日，星期四例1、地球上,

在甲地x1处时刻t1出生一小孩小甲在乙地x2处时刻t2出生一小孩小乙两小孩的出生完全是两独立事件。甲乙··x1

x2S·若甲乙两地相距x2-x1=3000公里

t2-t1=0.006秒,即甲先乙后甲---哥,乙---弟·飞船上看,★若u=0.6c,可得t2-t

1=0,

甲乙同时出生不分哥弟★若u=0.8c可得t

2-t

1<0,甲后乙先

甲---弟乙---哥时序倒了!第40页，共111页，2023年，2月20日，星期四因果关系的绝对性·S中:若事件1---因(先),2---果(后),即

t2-t1>0t2-t1=t2-t1-(x2-x1)uc21-

2t2-t1=

1-

2t2-t1[1-

]uc2x2-x1t2-t1s=x2-x1t2-t1信号速度s

ct

2-t

1和t2-t1同号S中和S中时序相同。

有因果关系的事件时序不会颠倒因果关系不变。第41页，共111页，2023年，2月20日，星期四孪生子效应(twineffect)设想：一对年华正茂的孪生兄弟,哥哥告别弟弟,登上访问牛郎织女的旅程。归来时,阿哥仍是风度翩翩一少年,而迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了,真是“天上方七日,地上已千年”。讨论：1)这样的现象能够发生

Cs原子钟证明：1971年美国空军将Cs原子钟放在飞机上,沿赤道向东和向西绕地球一周。回到原处后,分别比静止在地面上的钟慢59ns和快273ns(1ns=10-9s)。

结论：相对于一惯性系的加速度越大的钟，走得越慢。与上述孪生子问题所预期的效应一致。第42页，共111页，2023年，2月20日，星期四2)按照相对的观点,会不会弟弟看自己是少年,而哥哥是老翁了呢?

－－－孪生子佯谬(twinparadox)答案：不会原因：实际上,天(航天器)、地(地球)两个参考系是不对称的,地---可以是一个惯性系；天---不是惯性系,有加速度,故能返回,否则他将一去不复返,兄弟永别了。

这超出狭义相对论的范围,需用广义相对论讨论(广义相对论讨论有严格的证明,实验证明见上：

Cs原子钟)。所以：Twineffect

而非TwinParadox♀试试看:有加速度的那个人变年轻了。按此道理,若人相对地面多作加速运动,生命过程将进行得缓慢一些,不易衰老,对身体会有好处。第43页，共111页，2023年，2月20日，星期四二、长度的收缩S’系以速度v相对于S系运动，一细静止于S‘系，并沿ox’轴放置。S’系中观察者测得细棒的长度为通常把观察者相对于棒静止时所测得的长度称为棒的固有长度

l0用S系的坐标表示同时测量相对观察者静止，其长度的测量值最大；当它运动时，在运动方向上物体的长度要缩短。xA′B′x1B′A′第44页，共111页，2023年，2月20日，星期四例3、固有长度为5m的飞船以v＝9×103m/s的速率相对于地面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度是多少？解：根据长度收缩公式带入数据其差别是很难测出的。第45页，共111页，2023年，2月20日，星期四三、时间的延缓S‘系中处有一静止的钟，两事件发生在同一地点x’，对应的时刻分别为t1‘、t2’，于是在S‘系的钟所记录两事件的时间间隔Dt’=t2‘-t1‘称为固有时间Dt0。S系中结论：在S‘系所记录的同一地点发生的两个事件的时间间隔小于S系所记录两事件的时间间隔——S系的钟记录S‘系同一地点发生的两个事件的时间间隔，比S‘系的钟所记录该两事件的事件间隔要长些，即运动的钟变慢——时间延缓效应。同样从S‘系看S系的钟，也认为运动着的钟走慢了。第46页，共111页，2023年，2月20日，星期四例：一飞船以v=9×103m/s的速率相对与地面匀速飞行。飞船上的钟走了5s，地面上的钟经过了多少时间？解：根据公式带入数据飞船的时间膨胀效应实际上也是很难测出的。第47页，共111页，2023年，2月20日，星期四例、带正电的介子是一种不稳定的粒子，当它静止时，平均寿命为2.5×10-8s，之后即衰变成一个介子和一个中微子，会产生一束介子，在实验室测得它的速率为v=0.99c，并测得它在衰变前通过的平均距离为52m，这与测量结果是否一致？解：若用平均寿命t’=2.5×10-8s和v相乘，得7.4m,与实验结果不符。考虑相对论的时间膨胀效应，t’是静止介子的平均寿命，是固有时间，当介子运动时，在实验室测得的平均寿命应是：实验室测得它通过的平均距离应该是：vΔt=53m,与实验结果符合得很好。狭义相对论的时空观：狭义相对论指出了时间和空间的量度与参考系的选择有关。时间与空间是相互联系的，并与物质有着不可分割的联系。不存在孤立的时间，也不存在孤立的空间。第48页，共111页，2023年，2月20日，星期四同时性的相对性第49页，共111页，2023年，2月20日，星期四在火车上观察在站台上观察第50页，共111页，2023年，2月20日，星期四由同时性的相对性推导出洛仑兹变换

第51页，共111页，2023年，2月20日，星期四狭义相对论的相对性原理：在两个惯性系中，物体的运动规律是相同的。第52页，共111页，2023年，2月20日，星期四

狭义相对论的推论：1同时性的相对性2运动的钟变慢双生子佯谬3运动的尺缩短4运动物体的质量增大5质能相关E=mc²

狭义相对论将时间、空间和质量与运动联系起来第53页，共111页，2023年，2月20日，星期四E=mc2:统一了历史上分别发现的能量守恒和质量守恒这两条独立的自然规律。相对论性质量可以认为是能量的量度。粒子物理中常使用粒子质量为××Mev的说法。

为开创原子能时代提供了理论基础,被看作是具有划时代意义的理论公式,已成为纪念爱因斯坦伟大功绩的标志。相对论为人类开辟了可谓取之不尽的新能源。第54页，共111页，2023年，2月20日，星期四小结：1、狭义相对论揭露了空间和时间之间，以及时空和运动物质之间的深刻联系，把牛顿力学中认为互不相关的绝对空间和绝对时间，结合称为一种统一的运动物质的存在形式。2、与经典力学相比较，狭义相对论更客观、更真实地反映了自然的规律。狭义相对论已经被大量的实验事实所证实，而且成为研究宇宙星体、粒子物理以及一系列工程物理等问题的基础。3、在宏观、低速物体的运动，牛顿力学仍然是十分精确的理论。4、狭义相对论仍然需要发展。第55页，共111页，2023年，2月20日，星期四

广义相对论的建立thegeneraltheoryofrelativity

1916年，从惯性系扩展到非惯性系建立引力理论。它依据两个基本原理：1等效原理：非惯性系等价于引力场2广义协变原理：在任何参照系中，物理学规律的数学形式是相同的第56页，共111页，2023年，2月20日，星期四广义相对论的等效原理一个物体在均匀引力场中的动力学效应与此物体在加速参考系中的动力学效应是不可区分的、等效的。广义相对论时空特性的几个例子1、引力场中光线的弯曲2、引力红移3、黑洞第57页，共111页，2023年，2月20日，星期四理想电梯实验说明等效性原理第58页，共111页，2023年，2月20日，星期四

广义相对论基于在大质量物体的引力影响下而导致时空弯曲这一概念。时空可以比拟为一块水平拉开的橡皮布：如果没有质量，橡皮将是平展的。第59页，共111页，2023年，2月20日，星期四

相对论的时空观：时间与空间存在内在联系，空间和时间依赖于物质的运动过程，空间和时间依赖于运动着的物质本身。第60页，共111页，2023年，2月20日，星期四

三个可供验证的推论：1水星轨道近日点的进动2光谱线引力红移

S··Mercury

第61页，共111页，2023年，2月20日，星期四3光线在引力场中的偏转StarSun1.7"

1919年，爱丁顿巴西索布拉尔1.98"±0.12"西非普林西比岛1.61"±0.30"第62页，共111页，2023年，2月20日，星期四广义相对论与黑洞

黑洞是一个时空的黑暗区，由一些质量颇大的星体经重力塌缩后，所剩余的东西就成了黑洞。它的基本特徵是有一个封闭的视界，这视界就是黑洞的边界，一切外来的物质和辐射可以进入这视界以内，但视界内任何物质都不能从里面跑出来。我们可用一句”有入无出”来形容它。黑洞产生之谜？当一颗质量相当大的星体之核能耗尽(超新星爆发)后，残骸质量比太阳质量高3倍的恒星核心会演化成黑洞（若中子星有伴星，而中子星吸收足够伴星的物质，也能演化成黑洞)。在黑洞内，没有任何向外力能维持与重力平衡，因此，核心会一直塌缩下去，形成黑洞。当物质掉进了事界，纵使以光速计算，也不能再走出来。爱因斯坦以几何角度把黑洞解释为空间扭曲的洞，物质随空间而行，如果空间本身就是洞，是没有物质可逃出的。黑洞分为四种：恒星演化出来的黑洞、原始黑洞、重量级黑洞和研究中的中量级黑洞。黑洞也有界限？当一个黑洞形成后，所有物质都会向中心塌缩成一个非常细小的质点，称为奇点，黑洞的表面层称为「事件穹界」。第63页，共111页，2023年，2月20日，星期四而这表面层和中心奇点的距离就是史瓦半径。任何物质要从黑洞的史瓦半径跑到外面去，它的逃离速度便要大於光速。但根据狭义相对论，光速是速度的极限，因此，一切物质到了事件穹界便扯向中心的奇点，永不能逃出来。黑洞是看不见的吗？黑洞是个因为重力太强以致连速度最快的光也无法脱离的天体。黑洞周围的时空也受到重力的影响而扭曲，产生了一个"事地平面"，任何物质只要被它吞噬就再也逃脱不出这范围，它的半径称为"重力半径"。由於连光也无法脱离，所以无法看到事象平面之内侧。黑洞之发现？於1990年4月27日，哈勃太空望远镜HubbleSpaceTelescope的启用，为人类探索太空揭开了新的一页，虽然在制造时出了错误，使影像大打折扣，可是仍对天文学有莫大的贡献。近来，人类对一直只是存在於理论范畴内的黑洞，已透过哈勃太空望远镜，有了进一步的证据。第64页，共111页，2023年，2月20日，星期四於仙女座大星系M31附近的M32发现了一个质量大於太阳三百万倍的黑洞。M32是在我们的银河系附近，距离地球2.3百万光年的星系。它是人类所知密度最高的星系，於直径只有一千光年的范围内（我们的银行河系直径约十万光年），包含了四百万颗星，中心和密度是我们的银河系100个一百万倍左右。假设你生活於M32中心的行星上，你会见到一个密布星光的夜光，光度比一百倍满月还要亮。科学家是由星星於该星系的活动，及其中心密度而推测的。此星系内之星星移动速度较其它一般星系每秒快了100公里。齐来寻找黑洞吧！由於黑洞不能发出光线，体积又非常细小，所以是不可能用天文望远镜规测得到地的。但根据理论，如果一对双星中的伴星是黑洞，那麼主星的物质被吸引向黑洞而形成一个吸积环。由於吸积环的物质互相摩刷而引起高温，因而辐射X光线。於是，黑洞搜索者就将重点於X射线密近双星上。1962年，人们探测所得，位於天鹅座鹅颈内有一股X射线，并将该源命名为是非常有可能是一黑洞。天鹅座X-1是一X射线源，它的一颗子星是超蓝巨星第65页，共111页，2023年，2月20日，星期四相对论方面参考书目1陈筠泉等，科技革命与当代社会，人民出版社

2李佩珊等，20世纪科学技术简史，科学出版社。

3范德清等，现代科学技术史，清华大学出版社。

4赵中立、许良英，纪念爱因斯坦译文集，上海科学技术出版社

5〔英〕麦卡里斯特，美与科学革命，吉林人民出版社

第66页，共111页，2023年，2月20日，星期四6〔美〕托马斯·库恩，科学革命的结构，北京大学出版社。

7李醒民，论狭义相对论的创立，四川教育出版社。8舒炜光，爱因斯坦问答，辽宁人民出版社。9爱因斯坦，爱因斯坦晚年文集，海南出版社10安德鲁·罗宾逊编著，爱因斯坦相对论一百年，湖南科学技术出版社第67页，共111页，2023年，2月20日，星期四11哈拉尔德·弗里奇，改变世界的方程，上海科技教育出版社12R.P.费曼，费曼讲物理---相对论，湖南科学技术出版社13林为民编译，图说相对论，内蒙古人民出版社14杰拉尔德·霍尔顿，爱因斯坦、历史与其他激情，15南京大学出版社阿.热，可怕的对称，湖南科学技术出版社第68页，共111页，2023年，2月20日，星期四三、量子力学的建立

quantummechanics一、“紫外灾难”和普朗克的能量子假说绝对黑体——如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而全无反射，那么这一物体就称为绝对黑体。第69页，共111页，2023年，2月20日，星期四普朗克的能量子假说1900年12月14日，普朗克在德国物理年会上作了题为《正常光谱辐射能的分布理论》的报告。这是最早的量子论的论文。第70页，共111页，2023年，2月20日，星期四1896年，德国物理学家维恩：但此公式在短波区实验相符，但在长短波区偏离很大。1900年，英瑞利----金斯提出新的公式，在低频部分与实验相符，但在高频部分相差极大，在紫外趋于无穷大，实验数据却趋于零。第71页，共111页，2023年，2月20日，星期四

E

紫外灾难瑞利—金斯

普朗克维恩量子力学的自然图景：量子性、统计性、波粒两象性

第72页，共111页，2023年，2月20日，星期四

1900年，普朗克（MaxPlanck）提出量子(quantumquanta)假说。他大胆提出了一个假设：“能量在辐射过程中不是连续的，而是如一股股的涓流似的被释放。这种涓流就是量子，而量子的能量只取决于频率。”

E=h

普朗克常数h=6.625x10－３４焦耳1900年12月14日，普朗克在德国物理年会上作了题为《正常光谱辐射能的分布理论》的报告。这是最早的量子论的论文。第73页，共111页，2023年，2月20日，星期四普朗克

MaxPlanck1858－1947

德国人，从小就表现出数学天分，先后在慕尼黑大学、柏林大学完成大学学业，21岁即获得博士学位。1918年获诺贝尔奖。第74页，共111页，2023年，2月20日，星期四二、爱因斯坦的光量子理论1905年，爱因斯坦提出光量子（photon）假说

E=h解释光电效应½m²=h–W提出光具有波粒二象性第75页，共111页，2023年，2月20日，星期四光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。这一现象是1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现的第76页，共111页，2023年，2月20日，星期四爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。第77页，共111页，2023年，2月20日，星期四对于统计的平均现象，光表现为波动；对于瞬间的涨落现象，光表现为粒子，人类认识史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的对立统一，“波粒二象性”。第78页，共111页，2023年，2月20日，星期四三、关于原子结构模型的探讨1904年，J.汤姆逊提出“葡萄干面包”模型

ee1909-1911年，卢瑟福（E.Rutherford）粒子散射

实验太阳行星模型

ee··eS第79页，共111页，2023年，2月20日，星期四汤姆孙的葡萄干模型TheThompsonModel(1898)Sometimescalledthe"plumpudding"model,Thompson'smodelassumednegativechargeswereinterspersedinapositivelychargedsphere.AtestofthismodelconductedbyRutherfordhadastudent(ErnestMarsden)shootalphaparticlesatmetalfoil.Sometimes

theybouncedback,butthismodelsaidthattheyshouldshootstraightthrough.第80页，共111页，2023年，2月20日，星期四卢瑟福

ErnestRutherford

1871－1937

生于新西兰

获1908年Nobel奖第81页，共111页，2023年，2月20日，星期四第82页，共111页，2023年，2月20日，星期四卢瑟福的有核原子模型TheRutherfordModel(1911)SinceMarsdenandGeigerwereshootingalphaparticlesatmetalfoilandgettingsomeback,evenat180degrees(thiswaslikenedtoshootingacannonattissueandhavingtheshellbounceback),somethinghadtoaccountforthis.Rutherfordassumedamassivepositivecorethatrepelledthepositivealphaparticlesawayfromit.Theelectronswereinacloudsurroundingthenucleus.第83页，共111页，2023年，2月20日，星期四1903年，玻尔（N.Bohr)模型半经典半量子化的模型定态跃迁e1900-1923年的量子论为旧量子论1921年，玻尔研究所成立形成哥本哈根学派哥廷根玻恩慕尼黑索末菲第84页，共111页，2023年，2月20日，星期四玻尔

NielsBohr

1885－1962

丹麦人

1911年到

卢瑟福所在的

曼彻斯特大学做研究第85页，共111页，2023年，2月20日，星期四原子三部曲：1、电子只能在特定圆轨道上绕核运行，电子角动量是h/2π整数倍。2、电子既不发射也不吸收能量。3、越迁时辐射频率hν=E1-E2第86页，共111页，2023年，2月20日，星期四解释了原子的稳定性，而且成功解释了原子光谱和辐射的基本定律，他提出的定态假设、频率法则、和越迁新概念，突破了经典物理学的理论框架，是原子物理学发展的一个重要成就。第87页，共111页，2023年，2月20日，星期四玻尔圆轨道模型

获1922年Nobel奖TheBohrModel(1913)Bystudyingenergylevelsandlightemittedbyatoms,NielsBohrpostulatedthattheelectronsmuststayinspecificsphericalorbits(shells),likeanonion.Thistheoryaccountsformostexperimentaldata,andisagoodinitialmodelforthebeginningPhysicsstudent.第88页，共111页，2023年，2月20日，星期四第89页，共111页，2023年，2月20日，星期四第90页，共111页，2023年，2月20日，星期四量子力学的建立

1924年，德布罗意（L.V.deBroglie)

提出物质波假说1925年，海森堡（玻恩、若尔当）(W.K.Heisenberg)

建立了矩阵力学第91页，共111页，2023年，2月20日，星期四1926年，薛定谔(E.Schrödinger)

（德布罗意物质波思想）建立了波动力学，1933年诺贝尔奖。第92页，共111页，2023年，2月20日，星期四第93页，共111页，2023年，2月20日，星期四1926年，玻恩（M.Born)

提出几率波的统计解释物质波可以称为几率波量子力学的自然图景：量子性、统计性、波粒二象性第94页，共111页，2023年，2月20日，星期四第95页，共111页，2023年，2月20日，星期四1926年，玻恩（M.Born)

提出几率波的统计解释，物质波可以称为几率波，统一了波粒二象性。波函数在空间某一点的强度，与在该点出现粒子的几率成正比。描述粒子的波是几率波。第96页，共111页，2023年，2月20日，星期四1927年，海森堡提出了

不确定关系（测不准关系）第97页，共111页，2023年，2月20日，星期四1927年，玻尔提出互补原理：

在微观领域中，运用一部分经典概念，同时会排斥另一部分经典概念，但这些概念却是在另外条件下说明现象所不可缺少的。因此经典概念之间是互为补充的，不是互相排斥的。“一些经典概念的任何一种确定的应用，都会预先排除另外一些经典概念的同时应用，而这另外一些概念在其他方面却是阐明现象所同样必需的。”

——玻尔，1929年哥本哈根诠释——正统诠释1927年，第5届索尔维会议上爱因斯坦提出上帝不是在掷骰子。第98页，共111页，2023年，2月20日，星期四爱因斯坦---玻尔论战

第99页，共111页，2023年，2月20日，星期四爱因斯坦---玻尔论战

第100页，共111页，2023年，2月20日，星期四第101页，共111页，2023年，2月20日，星期四势差公式：ΔT=TΔφ/c2第102页，共111页，2023年，2月20日，星期四1935年，EPR悖论《能认为量子力学是完备的吗？》薛定谔的猫

玻姆隐变量理论贝尔不等式多世界理论第