第 10 讲 20 世纪的物理学革命
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第 10 讲 20 世纪的物理学革命. — 探究宇宙与生命之谜的新征程. 普朗克与爱因斯坦. 一 . 两朵乌云 二 . 狭义相对论 三 . 弯曲的时空 —— 广义相对论 四 . 相对论的进展 五 . 爱因斯坦的成就与影响. 一 . 两朵乌云. 1900 ,开尔文勋爵: 物理学的大厦已经建成,未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。但是,明朗的天空还有两朵乌云:一朵与黑体辐射有关,另一朵与迈克尔逊实验有关 。. “ 黑体辐射”. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第第 1010 讲讲
2020 世纪的物理学革命世纪的物理学革命
— 探究宇宙与生命之谜的新征程
普朗克与爱因斯坦
一 . 两朵乌云
二 . 狭义相对论
三 . 弯曲的时空——广义相对论
四 . 相对论的进展
五 . 爱因斯坦的成就与影响
一 . 两朵乌云 1900 ,开尔文勋爵:
物理学的大厦已经建成,未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了。但是,明朗的天空还有两朵乌云:一朵与黑体辐射有关,另一朵与迈克尔逊实验有关。
“ 黑体辐射”
“ 绝对黑体”(黑体)是在任何温度下都能全都吸收落在它上面的一切辐射的理想物体。根据经典物理学,可以得到:辐射的能量与频率的平方成正比。所以,当辐射频率极高时,能量必然趋于无穷大,即在紫色端发散。对于由经典物理学解决热辐射问题导致的这一结果,被称为“紫外灾难”。
迈克尔逊:地球就像一艘没有摩擦力的船穿过海水一样穿过“以太” 。
C: 游泳者的速度; V: 水流速; L: 距离 游泳者往返一次所需时间:
如果将游泳者换成光,地球的公转速度可以算出,v/c=1/10000. 因此在地球上验证地球穿越以太的实验,其精度起码达到一亿分之一!
2/1
12
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1887: 迈克尔逊—莫雷实验
迈克尔逊 莫雷 物理学家 化学家
“ 零结果”!
第一朵乌云:黑体辐射 量子论
第二朵乌云:迈克尔逊实验 相对论
1900
1905
量子论的诞生
量子说 光子说爱因斯坦解释光电效应
1911 年,卢瑟福提出原子的太阳系模型,出现电子旋转无休止辐射电磁波的原子塌缩问题。
1905
玻尔原子模型 1912 年 3 月至 7 月,玻尔在卢
瑟福实验室进修,孕育了新的原子模型。在 1913 年 7 月, 9月和 11 月发表了长篇论文《论原子构造和分子构造》的三个部分。
玻尔的原子理论给出了这样的图象:电子在一些特定的可能轨道绕核作圆周运动,离核越远能量越高:可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定;当电子在这些轨道上运动,原子既不发射也不吸收能量。
量子跃迁 只有当电子从一个轨道跃迁
到另一轨道时 , 原子才发射或吸收能量 ; 而且发射或吸收的能量是单频的 , 辐射的频率和能量之间的关系由 E=h给出。玻尔的理论成功地说明了原子稳定性和氢原子光谱线规律。
玻尔的理论大大扩展了量子论的影响,加速了量子论的发展。
德布罗意与物质波( 1923 )
薛定谔方程 1926 年 1 月 -6 月,薛定谔
以同一题目《作为本征值问题的量子化》发表了 4 篇论文 . 他通过爱因斯坦关于量子统计的论文了解德布罗意思想,从哈密顿 - 雅可比方程出发,引入波函数,作出几何光学 - 经典力学与波动光学 - 波动力学的类比,建立了薛定谔波动方程:
(ih/2π)∂ψ/∂t=Hψ
爱因斯坦生平(Ⅰ) 1879.3.14 诞生于德国乌尔姆 中,小学时代 德国慕尼黑 1895-1896 瑞士阿劳中学一年 1896-1900 苏黎士工业大学学习 1900-1902 艰辛求职,四面碰壁
阿劳中学 爱因斯坦对学校教育持批评态度,一生中除
了在阿劳中学那一年的补习班外,对学校教育没有好印象。
他高度评价阿劳中学的教学:
“ 这个中学用它的自由精神和那些不仗外界权势的教师的纯朴热情,培养了我的独立精神和创造精神。正是阿劳中学,成为了孕育相对论的土壤”
1902-1909 伯尔尼发明专利局工作初期科研情况: 1901-------1篇论文
1902-------2篇论文
1903-------1篇论文
1904-------1篇论文
希尔伯特:
没有比专利局对爱因斯坦
更适合的工作单位了
空闲、宽容
爱因斯坦的丰收年( 26岁) 1905-------5篇
3月 解释光电效应——光子说( 6月
发表)
4月 博士论文:测定分子大小的新
方法( 4月提交)
5月 解释布朗运动( 7月发表)
6月 “论运动物体的电动力学”——狭义相对论( 9月发表)
9月 ( 11月发表)2mCE
爱因斯坦生平(Ⅱ)• 1909-1914 进入大学工作(苏黎士,布
拉格等地)
• 1914-1933 柏林大学教授,德国物理研
究所所长、院士
• 1915 提出广义相对论( 36岁)
• 1933-1955 美国普林斯顿大学高级研究
所研究员
• 1955 年 4 月 18 日 逝世
二 . 狭义相对论• 光波是“以太”的弹性振动。
• 以太相对于地球运动吗?
• 光行差现象( 1728 , 1810 ):以太相
对于地球有运动。
• 迈克尔逊实验( 1881 , 1887 ):没有
测出这一运动。
洛伦兹的解释:
以太相对于绝对空间静止。
洛伦兹收缩:
220 /1 cvll
x’=x-vt
y’=y
z’=z
t’=t
伽利略变换(速度叠加的平行四边形法则)
222'
'
'
22'
/1/)/(
/1/)(
cvcvxtt
zz
yy
cvvtxx
洛伦兹变换:相对于绝对空间的变换
爱因斯坦的新理论相对性原理
光速不变原理洛伦兹变换
不存在绝对空间,一切运动都是相对的洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换
V 是相对速度
爱因斯坦:
洛伦兹反对爱因斯坦的观点,
给爱因斯坦的理论起了个名字:
相对论
相对论认为
“ 同时”是相对的
动尺收缩: 空间是相
对的
动钟变慢: 时间是相
对的
质能关系: 2mCE
22 /1/ cvdtdT
220 /1/ cvll
是静钟是动钟,dTdt
双生子佯谬
A B
p
qt
x
双 生 子 佯 谬
22
22
222
dxc
1-dtd
dydxds
伪欧时空
欧几里德空间
究竟是谁创造了相对论? 爱因斯坦的创新之处:
( 1 )坚持相对性原理
( 2 )认识到光速是绝对的(最困难的思想突破)
( 3 )时间 能量
空间 动量
历史:
1892 洛伦兹-斐兹杰惹收缩 ( 1892 ) ( 1889 , 1893 )1902 彭卡莱否认绝对空间,绝对时间 (但仍承认有以太) 批评相对于绝对空间的动尺收缩假设, 认为“相对性原理”适用于电磁理论
2
2
0. c
v-1ll
1904 洛伦兹部分接受彭卡莱批评
提出地方时间 (非真实时间) 给出洛伦兹变换 ( 1887 佛格特, 1898 拉摩) 电子质量公式
2
2
0
c
v-1
mm
2
2
2
c
v-1
xc
v-t
t
1904 彭卡莱 · 正确表述“相对性原理”· 提到用光信号对钟,但认为得到的是地方时间,不是真实时间。
· 推测真空中光速 c 是常数,且可能是极限速度。 “理论自然科学的许多一般的原理(惯性原理,能量守恒定律等等),往往很难说它们的起源是经验的,还是先天的。实际上它们既不属于前者,也不属于后者,它们都是以一些假说为前提的,完全是以人的意愿为转移的约定。”
“凡原理都是一些伪装的定义和公约,不过它们仍是由实验的定律引出的。” (彭卡莱:《科学的价值》)
1905 爱因斯坦发表相对论 (论运动物体的电动力学)只有他认识到( 1 )必须彻底抛弃绝对空间(以太) 必须彻底抛弃绝对时间(同时的绝对性)( 2 )“同时”是相对的,可以用光来对钟,定
义“同时”( 3 )新理论是一个时空理论 爱因斯坦的特点是斯宾诺莎式的用“望远镜”
看世界和莱布尼茨式的用“显微镜”看世界的统一,“认识原则性的东西的强烈愿望,导致了把大部分时间耗费在无结果的努力之中”。
杨振宁教授洛伦兹只有近距离眼光,没有远距离眼光洛伦兹(只重视解释实验与观测结果)局部修改物理理
论,不从哲学角度考虑
彭卡莱只有远距离眼光,没有近距离眼光彭卡莱只从哲学和数学的角度来考查问题 , 不从实验和测量的角度考查
爱因斯坦具有自由的眼光,既近距离又远距离观察问题既重视实验和观测,又注重哲学探讨(马赫著作,“奥林匹亚学院”)
洛伦兹是技术型的,彭卡莱是哲学型的,爱因斯坦是物理型的。
三 . 弯曲的时空——广义相对论
( 1 )惯性系无法定义
( 2 )万有引力定律纳不进相对论体系
引力场 =惯性场 (局域 )
等效原理
广义相对性原理广义相对论
Ig mm
万有引力不是真正的力,而是时空弯曲的表现
行星绕日运动是惯性运动(伽利略的“错误”)
地球上的自由落体运动是惯性运动
弯曲的时空
时间 能量
空间 动量
kTRgR 2
1
时空曲率 物质
爱因斯坦与格罗斯曼合作得到场方程:
kTRgR 2
1
爱因斯坦与希尔伯特讨论后得到正确的场方程:
TR
数学家对爱因斯坦的帮助
广义相对论的三个实验验证
( 1 ) 引力红移
( 2 ) 水星进动
( 3 ) 光线偏折
水星轨道近日点的进动
5600.73 0.41"/百年,(观测)
5557.62 0.20"/百年,(计算)
43.11"/百年的进动无法解释
广义相对论的回答: 43"/百年
勒维叶的猜测,火神星
(勒维叶与亚当斯发现海王星)
光线偏折
广义相对论: =1.75"
牛顿理论: =0.875"
实验观测:( 1918 年:爱丁顿
西非普林西比 ;
巴西,阴雨)
=1.98 0.12"
今天: =1.89"
爱因斯坦说:• 狭义相对论如果我不发现,五年之内就会有人发现。•广义相对论如果我不发现, 50 年之内也不会有人发现!•爱因斯坦早期倾向于经验主义的怀疑论,在哲学上还受到休姆与康德的影响,但对他们持批判态度。爱因斯坦的出发点是,观察到的现象序列不能单值地决定这些现象的因果关系,表现因果关系的概念是一种自由构造。“经过引力问题,我转变成为一个信仰唯理论的人,也就是说,成为一个到数学的简单性中去寻求真理的唯一可靠源泉的人。” “我信仰斯宾诺莎的上帝。”
四、相对论的进展
• 引力波• 现代宇宙学• 黑洞• 奇性定理• 时空隧道与时间机器• 规范场
引力波• 广义相对论预言:有引力波,以光速传
播
• J.H.Taylar,R.A.Hulse 发现脉冲双星( PSR1913+16 )轨道周期每年减少约万
分之一秒,恰好可用引力辐射来解释。
(由于对脉冲双星研究的贡献获 1993 年诺贝尔物理奖,但未明确指明发现引力波。)
现代宇宙学
爱因斯坦:有限,无边的静态宇宙模型
加入宇宙项
kTgRgR
kTRgR
2
12
1
(宇宙项)
暗物质与暗能量
物质
亮星
暗物质
暗能量
重子
热暗物质 (中微子 )冷暗物质
起源于 λ
动力学暗能量
广义相对论在宇观尺度失效
0.5%
4%
0.3%
29%
65%
宇宙中的晚期天体
引力坍缩形成黑洞。
霍金的重要贡献是建立了黑洞的力学定律,即“奇点理论”
— 宇宙的膨胀是从奇点开始的。
黑洞
r
2
2
c
GMr (视界)
r=0奇点
t r
洞外 时间 空间
洞内 空间 时间
黑洞的辐射
霍金的“无边界理论” “ 无边界理论”指
出:宇宙的历史可以想象为在地球上从北极到南极的旅行。在这个宇宙中没有时间的边缘。—宇宙没有开始,也没有终结,它只有“存在”。
宇宙中的虫洞
时空隧道与时间机器
规范场:1、爱因斯坦统一场论的思想
2、魏尔( H.Weyl )的尺度变换理论
--规范场
3、爱因斯坦的反对意见
4、福克与伦敦对魏尔理论的修正
5、杨振宁对规范场的贡献
6、引力规范理论
五、爱因斯坦的五、爱因斯坦的 学术成就与影响 学术成就与影响
E=mc2
狭义相对论
博士论文
获诺贝尔奖之作
导致Perrin 获诺贝尔奖
1905
爱因斯坦爱因斯坦 ::怎样获得诺贝尔奖?怎样获得诺贝尔奖?
提名 Einstein的领域
相对论;量子论;引力论;布朗运动;光量子;统计力学;临界乳光;比热;数学物理;光电效应;爱因斯坦-德哈斯效应等。
提名最多的领域是相对论,包括狭义和广义相对论。但是,获奖的却是光电效应。
1921 光电效应
得奖年: 1921 得奖人: A. Einstein 得奖项目: for his services to theoretical physic
s, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect
瑞典皇家科学院秘书的信:“…但是没有考虑您的相对论和引力理论一旦得到证实所应获得的评价”
爱因斯坦的主要成就 1905 狭义相对论(受马赫思想启发)
光子说 1915 广义相对论(受马赫思想启发,得
到格罗思曼与希尔伯特的帮助)
其他成就:分子运动论,量子统计,激光
原理,统一场论,与哥本哈根
学派的论战
爱因斯坦是人而不是神 , 他曾经:•不同意膨胀宇宙模型;•不同意白矮星存在质量上限;•不同意有黑洞存在;•不同意 H.Weyl 的规范场论;•始终不同意量子力学的统计解释
… …
这些不同意见有对有错,他从正反两方面推动了物理学的发展。
爱因斯坦的伟大错误
我没有什么别的才能,只不过喜欢刨根问底地追究问题罢了。
----爱因斯坦
时间、空间是什么,别人在很小的时候就搞清楚了,我智力发展迟缓,长大了还没有搞清楚,于是一直揣摩这个问题,结果也就比别人钻研得更深一些。
---爱因斯坦
爱因斯坦领导了 20 世纪的科学革命 , 奠定了现代物理学的基础。
爱因斯坦的成就,只有牛顿可以与之比美。
(谁是第二伟大的物理学家?)