物理学史-相对论与量子论的诞生

1、世纪之交的三大发现和物理学革命,许多物理学家认为，物理学发展已到顶峰，只剩细枝末节工作。 但有迈克尔逊莫雷实验零结果、黑体辐射两朵乌云。 当时有：传递万有引力的机械以太，传播光的光以太，传播电磁波的电磁以太。,牛 顿 力 学,麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论,热力学与经典统计理论,19世纪末期，三大理论体系，经典物理学趋于成熟。,历史上：,法国笛卡儿(1596-1650) 提出“旋涡”以解释引力现象。认为以太是一种不可见流质，充满宇宙空间。物体的相互作用是通过以太传递。 1669 惠更斯以旋转的水形象说明。 牛顿力学的成功使18世纪的人们比较相信以太。相信引力和光都靠以太传播，牛顿的绝对時空

2、，以以太为参照系，地球、太阳等相对于以太运动。以太成了19世纪物理学家们最温柔的保姆，成了他們可以信赖的上帝。,历史上：,以太是一个绝对参照系,1881-1887年，迈克尔逊与莫雷合作进行实验，结果没有观察到干涉条纹。后来，迈克尔逊因光学精密测量和光谱学研究于1907年获诺贝尔物理学奖。,既然光的传播介质是“以太”，新的问题是： 地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必然会遇到每 秒30公里的“以太风”迎面吹来，对光的传播产生影响。地球上向不同方向发射的两束光必存在光程差。,迈克尔逊莫雷寻找“以太”的实验,P168,实验装置：大水银池，漂着一块大理石板，石板一侧，一束光，石板中心，半反射，两束

3、光，互相垂直，走过相同的距离，后分別在石板边的两面镜子上再反射回來，汇合在望远镜镜头里。,因为光线分成90角，调整方向，若一束光正好是逆以太而行，另一束必是垂直于以太而行，两束光的速度便会有差別。可以根据它們在望远镜镜头里汇合时的干涉条纹來确定。,紫外灾难,黑体辐射谱,另一朵乌云：黑体辐射,P174-,而“X射线、电子、放射性”三大发现，则使经典物理学陷入了“危机”。 X射线和电子的发现都是源于阴极射线的研究，而放射性的发现则源于对磷光物质的研究。 机械的以太论虽然死亡了，但“不存在超距作用，不存在绝对空虚意义上的真空”的思想仍然具有旺盛的生命力。,迈克尔逊莫雷“以太”实验零结果、黑体辐射的“

4、紫外灾难”使物理学家感到了“危机” 。,三大发现的历史渊源,三大发现都直接或间接地与阴极射线的研究有关,P152,电子的发现起源于对阴极射线的观察与研究,1858年德国人普鲁克尔（18011868）在研究气体放电时发现了阴极射线。 1876年，哥尔茨坦演示了阴极射线被障碍物挡住后，在管壁产生阴影的现象,克鲁克斯演示阴极射线聚焦,1871年英国人瓦尔利（18281883）发现阴极射线在磁场中会发生偏转。 克鲁克斯（18321919）证实阴极射线不但按直线前进，能聚焦，能偏转，而且还可以传递能量和动量。并认为阴极射线是一种带（负）电的粒子流。舒斯特也持这种观点，并根据阴极射线的磁偏转数据计算了带电

5、粒子的电荷e与其质量m的比值。,P154,法拉第1836发现辉光放电；1876发现阴极发出射线； 克鲁克斯1879发现“克鲁克斯暗区”，发现阴极射线能使小叶轮转动。,十九世纪后期，围绕“阴极射线是什么”的问题展开了讨论。以克鲁克斯为主的英国物理学家主张粒子说，以赫兹为主的德国物理学家主张以太振动说。,绿色的管子阴极射线管,一、X射线的发现,研究阴极射线，1895.11.8晚发现一种新射线，后取名X射线。12.28发表一种新的射线初步报告。1896.3.9一种新的射线(续篇) X射线的发现引起了全世界的巨大反响。X射线马上被用于医学和照相术。 1901年成为第一位诺贝尔物理学奖获得者。右上图为颁

6、奖仪式。,伦琴， 18451923，德国维尔茨堡大学校长，物理所所长。,P155,1895年11月，伦琴在用阴极射线管做实验时，发现阴极射线中有一种穿透力很强的未知射线。这种射线能穿透1000页的书本，3厘米厚的木板或15毫米厚的铝板。伦琴把它命名为X射线。,伦琴的实验室,X射线的发现为诸多科学领域提供了一种行之有效的研究手段。,伦琴夫人看了照片后害怕地说：这简直象魔鬼的手。,伦琴还拍下了一张用这种射线照射他夫人手骨的照片。,P156,当时的广告,尽管他们一个个西装 革履，裙带飘香，但 内部结构都是这副德 性。,K是发射电子的热阴极，P是阳极。两极之间加数万伏高电压，阴极发射的电子，在强电场作

7、用下加速，高速电子撞击阳极，就从阳极发射出一种穿透性很强的射线，射线,X 射线,冷却水,光机,70年代问世的计算机X射线断层扫描成像术(CT)，是X射线应用的新发展。,关于阴极射线的本质的争论持续了近20年。,二、电子的发现,J.J.汤姆逊(英，1856-1940)于1897年实验得阴极射线带负电，并测出荷质比。是最先打开通向粒子物理学大门的科学家。,P161,J.J.汤姆逊最著名的贡献是探讨阴极射线的性质。他借电场以偏转阴极射线，在过去是用磁场使它偏转。终于证实电子为带负电的粒子。接着又测定电子的质量，约为氢原子核的二千分之一，在当时是被视为最小的粒子。1899年明确提出发现“电子”。为物质

8、结构研究奠定了基础。,电子是属于次原子级的粒子。后来汤姆逊证实电子和物质相互作用的结果会产生X射线，而X射线和物质相互作用的结果却会产生电子。,偏转电极,第一个原子模型是汤姆逊提出的。他认为原子为一球形，均匀充满了正电荷，同时也有相同数目的负电荷(电子)对称嵌于其中。,J.J.汤姆逊因在电子和气体导电两方面的卓越成就，获得1906年的诺贝尔物理学奖。他28岁任卡文迪什实验室第三任主任，在任35年。对卡文迪什实验室的建设有卓越贡献。他培养的研究生中，有许多后来成了著名科学家，例如卢瑟福、朗之万、W.L.布拉格、C.T.R.威尔逊、里查森、巴克拉等人，其中7人获得了诺贝尔奖。,错误,正确,三、放射

9、性,X射线的发现立即导致了放射性的发现。 贝克勒尔(法，1852-1908)，祖父和父亲都擅长研究荧光和磷光。 1896. 01.20 知道伦琴发现了X射线。 研究过程偶然发现铀盐存在贯穿辐射，与光照、温度、是否化合物等无关。1896.05.18 宣布。于1903年获奖。,P157,居里夫人(波兰，1867-1934) 选择物质放射性研究作为博士论文。 居里夫妇于1898.7.18发现放射性元素钋，11月发现镭，1902.3.28提取出氯化镭。 1903年完成博士论文，同年便获 诺贝尔物理学奖。1910年得到纯镭， 1911年获诺贝尔化学奖。,皮埃尔.居里 (18591906)法国物理学家 ；

10、玛丽.居里 (18671934) 波兰裔法国物理家 。,居里夫人（右）在指导女儿伊伦居里进行科研工作。伊伦居里夫妇1953年获诺贝尔奖 。,P159,波兰华沙古城，居里夫人的故居。,居里夫人使用过的各种仪器，现摆放在波兰华沙古城内的居里夫人故居中。,卢瑟福1903年首先提出了放射性元素的衰变规律， 于1908年获诺贝尔化学奖。 1911年设计了著名的 a 粒子散射实验，分析、解释实验中的1/8000 a 粒子大角度散射，证实了原子核的存在，指出氢核即质子。 1913年首先阐述了具有核结构的原子模型。,卢瑟福 (18711937) 英国物理学家,19世纪末，放射性和电子的发现揭示出原子内部有结构

11、。 1911年，卢瑟福通过a粒子散射实验发现原子内部有一个核； 1913 年，N 玻尔提出放射性变化发生在原子核内部。 对放射性理论的研究，揭示了原子核是一个复杂体； 镭衰变时放出巨大热量，表明原子核是由很强的力结合起来。 在此基础上逐渐形成了核物理学，它是研究原子核的结构、性质、变化和相互作用规律的一门学科。,现代物理学革命的总序幕,开尔文等许多著名物理学家不相信原子会变化。 三大发现是人们进入物质微观结构研究的先导。三大发现动摇了经典物理学的一系列基本观念。 物质观：原子有结构，可变；运动观：质量可变；时空观：时空并非绝对、静止 列宁：“现代物理学是在临产中，它正在生产辩证唯物主义”。,第

12、十三章 相对论理论的建立,爱因斯坦的实验室,相对论的建立是20世纪初物理学的一场革命。它不仅使物理学的研究领域从低速发展到高速，而且使人类对物质世界的认识发生了一次大飞跃，使物理学经受了一次重大考验。,1923年，希伯来大学成立，爱因斯坦作为学校首届董事会的成员，在典礼上发表了演讲。 在希伯来大学爱因斯坦档案馆里，藏有55000件爱因斯坦的遗物或与他相关的历史记录、纪念品。 在遗嘱中，爱因斯坦将他遗物的处理权交给了希伯来大学，其中也包括他的肖像权。任何人或机构，如想使用爱因斯坦的照片，都必须向希伯来大学提出申请。校方对申请审批严格，并且要价不菲。 2001年，美国大导演斯皮尔伯格想在科幻片人工

13、智能中使用爱因斯坦的肖像，结果掏了60万美元才获得授权。,档案馆馆长、希伯来大学的前校长古特弗罗因德教授说，通过对爱因斯坦肖像进行授权的收益为1000万美元左右，而这些钱全部投进了教育事业。古特弗罗因德说，他们并不是为赚钱而授权，而是希望通过这种方式，维护爱因斯坦的形象尊严。至于是否批准申请，则视肖像的用途是否有益于社会和后代，而不是申请人的身份和地位，“对事不对人”。,著名艺人麦当娜曾希望在自己的演唱会上使用爱因斯坦的肖像，希伯来大学没有批准她的申请，理由是麦当娜过于叛逆和性感，“很不合适”与爱因斯坦扯上关系。以色列国防部也曾申请，希望在军方的一个活动中使用爱因斯坦的肖像，大学也没有同意。他

14、们认为，将爱因斯坦的肖像用于军队，违背了爱因斯坦坚守的和平信念。,100年前，爱因斯坦发表了改变世界的狭义相对论。 他出生于德国，德国人将2005年定为“爱因斯坦年”。 瑞士人“相对论”是爱因斯坦在瑞士完成并发表的。 美国人他后来加入了美国国籍，并在那里终老。 以色列人爱因斯坦是犹太人。他生前嘱咐要把他的大部分遗物托付给以色列希伯来大学保管。今天，当世人都在缅怀这位科学巨人时，以色列人似乎更有理由因为收藏了“他的一生”而感到骄傲。,世界公民爱因斯坦,爱因斯坦年表,1879 3月14日出生在德国乌尔姆市班霍夫街135号。 1885 开始学小提琴。 1888 路易波尔德高级中学学习。 1891 自

15、学欧几里德几何，自学高等数学。 1892 开始读康德著作。 全家迁往意大利米兰。 1895 自学微积分。 1896 10月进苏黎世联邦工业大学师范系学习物理。 1899 申请瑞士公民权。,1902 2月到伯尔尼等待工作。和索洛文、哈比希特创建“奥林匹亚科学院”。6月受聘为伯尔尼瑞士专利局的试用三级技术员。6月完成第三篇论文，提出热力学的统计理论。10月父病故。 1905 3月发展量子论，提出光量子假说，解决光电效应问题。4月向苏黎世大学提出论文分子大小的新测定法，取得博士学位。5月完成论文论动体的电动力学，独立而完整地提出狭义相对性原理，开创物理学的新纪元。9月提出质能相当关系。,爱因斯坦年表

16、,1900 8月毕业于苏黎世联邦工业大学。 1901 3月取得瑞士国籍。5月任中学代课教师。完成电势差的热力学理论的论文。10月任家庭教师。12月申请去伯尔尼瑞士专利局工作。,1907 开始研究引力场理论。6月兼任伯尔尼大学的编外讲师。 1909 3月和10月完成两篇黑体辐射论文。7月接受日内瓦大学名誉博士。10月离开专利局，任苏黎世大学理论物理学副教授。 1910 10月完成关于临界乳光的论文。 1911 2月应洛伦兹邀请访问莱顿。3月任布拉格德国大学理论物理学教授。10月去布鲁塞尔出席第一次索尔维会议。 1912 10月任母校苏黎世联邦工业大学理论物理学教授。开始同格罗斯曼合作探索广义相对

17、论。,1913 7月普朗克和能斯特来访，聘请他为柏林威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。12月7日在柏林接受院士职务。发表同格罗斯曼合著的论文广义相对论纲要和引力理论，提出引力的度规场理论。 1915 与德哈斯共同发现转动磁性效应。67月在哥廷根作了6次关于广义相对论的学术报告。11月提出广义相对论引力方程的完整形式，并且成功地解释了水星近日点运动。 1916 3月完成总结性论文广义相对论的基础。5月提出宇宙空间有限无界的假说。8月完成关于辐射的量子理论，提出受激辐射理论。,爱因斯坦年表,1919 13月在苏黎世讲学。2月同米列娃离婚，6月与艾尔莎结婚。9月获悉英国天文学家爱丁堡观察日蚀的结

18、果，11月6日消息公布后，全世界为之轰动。 1920 3月母亲患癌症去世。89月德国出现反相对论逆流，爱因斯坦遭到恶毒攻击。10月兼任莱顿大学特邀教授，发表以太和相对论的报告。 1921 1月访问布拉格和维也纳。1月27日在普鲁士科学院作几何学和经验的报告。4月首次访问美国，在白宫受哈丁总统接见。在访问芝加哥、波士顿和普林斯顿期间，就相对论进行了次讲学。6月访问英国，拜谒了牛顿墓地。,爱因斯坦年表,1922 1月完成关于统一场论的第一篇论文。5月参加国际联盟知识界合作委员会。7月受到被谋杀的威胁，暂离柏林。10月8日，爱因斯坦和艾尔莎在马赛乘轮船赴日本。沿途访问科伦坡、新加坡、香港和上海。11

19、月9日，在去日本途中，爱因斯坦被授予1921年诺贝尔物理学奖。11月17日12月29日，访问日本。 1923 2月2日，从日本到巴勒斯坦。从巴勒斯坦到西班牙。 1925 接受科普列奖章。为希伯莱大学的董事会工作。发表非欧几里德几何和物理学。 1926 春，同海森伯讨论关于量子力学的哲学问题。接受“皇家天文学家”的金质奖章。接受为苏联科学院院士。,1927 10月参加第五届布鲁塞尔索尔维物理讨论会，开始同哥本哈根学派就量子力学的解释问题进行激烈论战。发表牛顿力学及其对理论物理学发展的影响。 1929 2月发表统一场论。 1930 12月11日1931年3月4日，第二次到美国访问，主要在加州理工学

20、院讲学。12月13日，沃克市长向爱因斯坦赠送纽约市的金钥匙。发表我的世界观、宗教和科学等文章。 1931 3月从美国回柏林。5月访问英国，在牛津讲学。11月号召各国对日本经济封锁，以制止其对中国的军事侵略。,1933 1月30日，纳粹上台。3月10日，在帕莎第纳发表不回德国的声明，次日启程回欧洲。 3月20日，纳粹搜查他的房屋，他发表抗议。在德国的财产被没收，著作被焚。3月28日从美国到达比利时，避居海边农村。4月21日宣布辞去普鲁士科学院职务。5月26日给劳厄的信中指出科学家对重大政治问题不应当默不作声。7月号召各国青年武装起来准备同纳粹德国作殊死斗争。9月初纳粹以万马克悬赏杀死他。 9月9

21、日，渡海前往英国，永远离开欧洲。10月3日在伦敦发表演讲文明和科学。10月10日离开英国，10月17到达美国，定居于普林斯顿，应聘为高等学术研究院教授。,1939 8月2日在西拉德推动下，上书罗斯福总统，建议美国抓紧原子能研究，防止德国抢先掌握原子弹。 1940 5月15日发表关于理论物理学基础的考查。5月22日致电罗斯福，反对美国的中立政策。10月1日取得美国国籍。 1944 为支持反法西斯战争，以600万美元拍卖1905年狭义相对论论文手稿。 1950 2月13日发表电视演讲，反对美国制造氢弹。3月18日，在遗嘱上签字盖章。内森博士被指名为唯一的遗嘱执行人。遗产由内森博士和杜卡斯共同托管。

22、信件和手稿的最终贮藏所是希伯莱大学。其他条款当中还有：小提琴赠给孙子伯恩哈德凯撒。4月发表关于广义引力论。,1952 以色列第一任总统魏斯曼死后，以色列政府请他担任第二任总统，拒绝。 1955 4月15日进普林斯顿医院。4月18日1时25分在医院逝世。当日16时遗体在特伦顿火化。遵照其遗嘱，骨灰被秘密保存，不发讣告，不举行公开葬仪，不做坟墓，不立纪念碑。,结果: 观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.,考察 (1) 根据伽利略变换，计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间.,光的传播不服从伽利略变换！,考察 (2) 900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆

23、发， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 1056年均能用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 .,当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 研究超新星爆发过程中光线传播 引起疑问 .,金牛座著名的蟹状星云,据观察，实际持续时间约为 22 个月。,理论计算观察到超新星爆发的强光的时间持续约,A 点光线到达地球所需时间,B 点光线到达地球所需时间,光或电磁波的运动不服从伽利略变换！,怎么办？,为什么？,爱因斯坦光速不变的思想几乎影响了每一个物理量：时间、空间、质量等。,第十四章 量子力学理

24、论的建立,1887 H.赫兹(德，1857-1894)在验证电磁波时发现光电效应。 1900 普朗克(德，1858-1947) 提出能量子假说。 1905 爱因斯坦(德，1879-1955)提出光量子假说及光电方程； 密立根抱怀疑态度，从190419141916全面验证。,一、早期量子论(19001913),量子力学理论的建立也是20世纪初物理学的一场革命。它不仅使物理学的研究领域从宏观扩展到微观，而且彻底改变了经典物理学的思想方法，使人类对物质世界的认识发生了又一次大飞跃。,赫兹(德，1857-1894) 1887年用实验证实了电磁波的存在，也证实了光确实是电磁波的一种，两者具有相同的波的特

25、性。同时，赫兹在实验中发现了光电效应，即在光的照射下有电子放出。这是爱因斯坦建立光量子理论的基础。,普朗克(德，18581947) 1900年提出量子假说，1906年建立经典量子论的理论基础。量子论的诞生使物理学进入了一个新的时代。他因此于1918年获奖。,玻尔1885年10月7日生于哥本哈根，1909年和1911年分别获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习，先在卡文迪什实验室，几个月后转赴曼彻斯特，参加了以E卢瑟福为首的科学集体。1913年玻尔任曼彻斯特大学物理学助教，1916年任哥本哈根大学物理学教授，1917年当选为丹麦皇家科学院院士。1920年创建哥本哈根理论物理研究

26、所，任所长。,N.玻尔根据光谱规律、能量子假说和原子核式结构模型于1913年提出了氢原子圆轨道理论。索末非全面推广玻尔理论，发展为椭圆轨道理论。 后来，又发展为椭圆轨道平面取向量子化。,1913年, N.玻尔(丹麦18851962) 以论原子构造和分子构造为题发表了长篇论文,为20世纪原子物理学开辟了道路。他采用了当时已有的量子概念,提出了几条基本的“公设”,提出了至今仍很重要的原子定态、量子跃迁等概念，,密立根(右图，美,18681953) 1916年发表光电效应实验结果，验证了爱因斯坦的光量子说。,康普顿（左图，美，18921962）1921年在实验中证明了X射线的粒子性。1923年他发表

27、了X射线被电子散射所引起的频率变小现象，即康普顿效应按经典波动理论，静止物体对波的散射不会改变频率。而按爱因斯坦的光量子说，这是两个“粒子”碰撞的结果。,二、量子力学理论的建立,德布罗意(法，1892- )1923发表波与量子，提出物质波假说，博士论文关于量子理论的研究；1927 G.P. 汤姆逊电子衍射实验证实物质波。 1925海森堡(德，1901-1976)矩阵力学；1926薛定谔(奥地利，1887-1961)波动力学，玻恩(德，1882-1970)几率解释；狄拉克(英，1902- )两种量子力学的统一。,1923年，德布罗意提出设想，实物粒子是否也具有波粒二象性。,假设： 该粒子同时具有

28、波长 ，频率 ,一个质量为 m 速度为 v 的粒子，具有能量 E 动量 P,类比于爱因斯坦关系，也应该有：,这种实物粒子的波就称为 “德布罗意波”或“物质波” 。,德布罗意波,德布罗意得到公式,必须对实物粒子做出类似于光的干涉、衍射实验，才能证明实物粒子具有波动性。,如何设计实验呢？首先要估计波长。,电子由电场加速，加速电压为V ，则 具有能量 eV，动量 P = m v,电子的德布罗意波长很短。宏观粒子的波长则更短。,所以，电子的德布罗意波长为：,即：,不计相对论效应，电子的动能,X射线范围,革末戴维孙电子散射实验(1927年)，观测到电子衍射现象。,X射线,电子束,电子双缝干涉图样,物质波

29、的实验验证：,杨氏双缝干涉图样,用物质波观点导出玻尔氢原子模型中的角动量量子化条件。,由德布罗意公式,改写为：,得：,在这里，量子数 n 代表驻波的个数。,与玻尔的角动量量子化假设一致,1911.10.29比利时布鲁塞尔举行第一届索尔维会议，与会者都是世界一流物理学家。以后每3-5年举行一次，一般不超过30人。 1995年举行第二十届索尔维会议，中国有2人被邀请参加，其中之一是中山大学超快速激光光谱学国家重点实验室周建英教授。,前排左起第二到第六人为：普朗克、M.居里、洛伦兹、A.爱因斯坦、郞之万；第二排左起第一人为德拜、第三人为W.L布拉格、第五到第九人为P.A.M 狄喇克、A.H.康普顿、L.V.德布罗意、M.玻恩、N.玻尔；第三排（站立）左起第六人为薛定谔、第八和第九为W.泡利、W.K.海森堡。,第五次索尔维会议与会者合影(1927年),德布罗意(法, 1892-1987)把爱因斯坦关于光的波粒二象性的思想加以扩展，推广到物质客体上去。在1923年910月间，连续发表三篇短文，1924年，合成在他的博士论文量子论研究中，全面论述了物质波理论，这一理论以后为薛定愕接受而建立了波动力学。称德布罗意波或 “物质波” 。,海森伯(德，1901 1976)着眼于光谱线的频率、强度和极化， 1925年提出微观粒子不可观察力学量，如位置、动量应由其所发光谱的可观