文档介绍：现代科学技术概论:物理学
An Introduction to Modern Science and Technology:Physics
19世纪末20世纪初的物理学革命 Physics Revolution in 19C-20C
古典物理学的顶峰与物理学危机 The zenith and crisis of classical physics
19世纪末古典物理学大厦建成
形成牛顿力学体系为中心,声学、热学、光学和电磁学大一统,小到原子、大到宇宙天体的世界图景,使物理学显示出一种形式上的完整,被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。
量子力学奠基人普朗克的老师约利就曾劝说普朗克不要学****物理,因为“这门科学中的一切都已经被研究了,只有一些不重要的空白需要被填补”。
大部分人认为,物理学大厦已经最终建成,剩下的工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些。
古典物理学的顶峰与物理学危机 The zenith and crisis of classical physics
19世纪末古典物理学大厦建成
动力学理论断言,热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了……
在热和光动力理论上空的19世纪乌云
开尔文勋爵(Lord Kelvin),1900年
物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds
1886年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行探测光以太对于地球的漂移速度的实验,在人们当时的观念里,以太代表了一个绝对静止的参考系,而地球穿过以太在空间中运动,就相当于一艘船在高速行驶,迎面会吹来强烈的“以太风”。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了,但是迈克尔逊和莫雷一连观测了数天,没有观测到以太的飘移速度,以失败告终。
迈克尔逊-莫雷实验的零结果
Michelson–Morley experiment
难以观测到以太的绝对运动,这便动摇了经典物理学和经典时空观的基础
物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds
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。
黑体辐射与紫外灾难
Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe
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,从瑞利一金斯公式推出,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,而实验数据是趋于零,这部分的严重偏离,被称为“紫外灾难”。
物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds
黑体辐射与紫外灾难
Black Body Radiation and the Ultraviolet Catastrophe
物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds
迈克尔逊-莫雷实验
相对论
黑体辐射与紫外灾难
量子力学
世纪之交的物理学 Physics at the turn of century
X射线:伦琴(Wilhelm Conrad Roentgen)
放射性:居里夫妇(Marie and Pierre Curie)
电子:汤姆孙(Joseph John Thomson)
原子结构:卢瑟福(Ernest Rutherford)
量子:普朗克(Max Planck)
相对论:世界图景的重建 Theory of relativity: reconstructing the picture of the world
早在16岁时爱因斯坦就在想一个问题,如果一个人以光速远行,他将看到一幅什么样的世界景象呢,电磁波是不是就像凝固了那样静止不动呢,如果是那样,电动力学就完了。看起来,电动力学的麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动的参考系即以太参考系是成立的。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原理相矛盾。
所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的,伽利略恰当地称之为相对性原理。他的著名实验是,一个坐在船舱里的人无论用什么物理实验,也无法确定该船是否在相对于河流做均匀直线运动即惯性运动。可是,电动力学为什么不遵从伽利略的相对性原理呢?