二十世纪物理学回眸

二十世纪物理学回眸19世纪是化学世纪，20世纪是物理学世纪，21世纪是什么世纪……20世纪初，相对论和量子力学的建立标志着现代物理学的诞生，物理学不仅深入探讨物质的本质，而且促进了技术的飞速发展，电视、激光、电脑、半导体、集成电路、无线电通讯，原子能、航空及航天技术……无一不是建筑在物理学成果基础之上。20世纪是物理学世纪，当之无愧。一、辉煌的发展1、时空理论的革新------相对论2、经典力学的突破------量子力学3、宇宙之谜的破译------现代宇宙学二、物理思想的讨论1、时空是形而上还是形而下？2、决定性与概率性？3、科学原理的逆命题的表述4、基础理论与应用科学三、21世纪物理学展望1、宇宙学------引力的量子化及宇宙起源2、生物物理------把生物学提高到分子生物学水平3、纳米科学------纳米材料性质的理论解释“我们所见的固然美好，我们明了的愈加美妙，我们尚未彻悟的更是不胜其美，美不可言。”尼尔斯·斯坦森（丹麦自然学者）（NielsSteensen）结语谢谢Ⅰ爱因斯坦及其相对论爱因斯坦（A.Einstein1978-1955）“我们全都获益匪浅，全世界都要感谢他的教诲，那专属于他个人的东西，早已传遍广大人群。他象行将陨灭的慧星，光华四射，把无限的光芒同他的光芒永相连结”。——歌德为席勒的葬礼而写的诗“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是，将来也是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说，他究竟是同牛顿一样伟大，还是比牛顿更伟大；不过可以肯定地说他的伟大是可以同牛顿相比拟的。按照我的见解，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献更加深入到人类思想基本概念的结构中去了。”——朗之万在不久之前，加拿大《环球时报》约请世界各地读者评选“从公元1001年起，迄今1000年内对环球最有影响的100位伟人”荣登榜首的正是爱因斯坦。瑞典科学院颁发1921年诺贝尔物理学奖的措词是：“由于爱因斯坦发现光电效应定律以及他在理论物理领域的其它工作，特授予奖金。”Ⅱ狭义相对论（1905年）问题以太之谜迈克尔逊一莫雷实验光速不变与牛顿时空观的矛盾爱因斯坦的方案光速不变原理相对性原理构建新的时空理论改造经典力学两种时空理论的比较：伽利略变换洛仑兹变换x'=x-vty'=yz'=zt'=t22/1cvvtx222/1cvxcvt1º/时间，空间两者独立，没有联系1º/时间，空间密不可分，物理事件总是发生在时空中2º/同时的绝对性△t′=△t2º/同时的相对性△t′≠△t3º/速度大小没有限制3º/光速是极限，一切物体运动速度不能超过光速4º/绝对时空的普遍性，没有任何限制4º/伽利略变换是洛仑兹变换的低速极限（v/c→0的极限）5º/空间长度不变时间进程不变简单的速度合成5º/空间长度在运动方向上缩短时间进程可变速度合成公式—保证光速不变两个重要的动力学结论质速关系E=mc2质能关系存在问题光速为什么是不变的？光速为什么是不可超越的？超光速现象存在吗？2201cvmmⅢ广义相对论（1915年）问题：惯性的特殊地位；牛顿引力论的困难；引力如何纳入相对论。爱因斯坦解决方案：广义协变原理——一切参考系平等——任何参考系表达的物理方程形式不变等效原理——mI=mG——引力与惯性力等效——引力与参考系相联系——把引力与时空相联系广义相对论的新时空观：时空几何及度量由引力场强弱分布决定——由物质的分布及其运动决定；引力场越强，空间弯曲得越厉害，时间进程就越慢；地球的引力场很弱，太阳附近的引力场也不强，这里的时空可近似看作平直时空，即欧几里得性质的。强引力场条件：2mCRGmM；12RCGM引力源质子人地球太阳银河系10-4010-2510-910-510-6实验验证：1）太阳光谱线的引力红移2）水星近日点剩余进动（42″/百年）3）星光在太阳附近的偏折（1.75″）（1919年）4）利用穆斯堡尔效应测定引力频移（1960年）5）利用雷达回波在引力场中的时间延迟（1968，1977）存在问题：变化引力场中的时间问题，量子化问题Ⅰ量子论a）黑体辐射的紫外灾难与普朗克的量子论（1900年）经典理论的连续性信条的第一次挫败，普朗克引入的不连续的能量子ε=hv突破了经典物理的连续性原理，从此标志了量子物理的诞生，普朗克被称为量子论之父。量子化——物理量的分立化——微观世界的基本特征之一。b）光电效应对经典物理的发难与爱因斯坦的光量子假设（1905年）光的波动学说难以解释光电效应，经典连续性理论的又一次失败，爱因斯坦把普朗克的能量子假设推广到光辐射问题上，简单引入光量子ε=hv假设，光电效应很快解决了理论解释，爱因斯坦因此而获得了1921年的诺贝尔物理奖。c）经典原子模型的困难及玻尔的量子化假设1911年卢琵福实验确立了原子有核模型的地位，但原子有核模型却存在着原子稳定性的困难。玻尔于1913年提出了原子模型的新理论，在他的新理论中，主要是两条假设：定态与跃迁。定态：原子中的电子只能在确定的几个状态上存在，而原子保持稳定；跃迁：原子中的电子在不同定态间的跃迁，发射出单一频率的申磁波，其频率由普朗克公式确定。普朗克的量子论打开了量子世界的一扇窗户，玻尔的原子理论则打开了量子世界的大门。Ⅱ量子力学a）1924年德布罗意在他的博士论文中提出了一切实物粒子亦具有波动性的假设，他把实物粒子的波性质与粒子的能量与动量相联系。E=hv，P=h/λ德布罗意认为“一束电了穿过非常小的孔，可能产生冲射现象，这也许是实验上证实我们想法的方向。”1927年戴维逊和革末利用电子在晶体表面上的反射产生冲射的实验；汤姆逊又用电子通过金简获得电子冲射的图象，证实了德布罗意的假设。电子、质子、中子、原子、分子等一切微观粒子均具有波动性。b）薛定谔方程既然微观粒子具有波动性，不能采用经典力学位置函数的方法来描写粒子的运动，而采用所谓波函数Ψ（r,t）来描写，1926年根据波粒二象性写出了波函数所满足的动力学方程，即薛定谔方程：以薛定谔方程为代表的量子力学亦称波动力学。另外德国物理学家海森堡与约尔丹等人在1925年创立了矩阵力学。薛定谔证明了波动力学与短阵力学等价。1927年英国物理学家狄拉克则把二者非常简洁地作了统一的表述，使量子力学进一步完善，现在统称为量子力学。c)波函数的概率解释微观粒子的波动性，即德布罗意波常被称为物质波，但这种波并不是真实波，而是一种概率波，即粒子在空间出现的概率正比于波函数的平方。关于这一点是物理学家玻恩在1926年提出的。d)海森堡的测不准关系微观粒子不可能同时准确测量其位置与速度，即有ΔxΔp~h测不准关系反映了微观粒子的本性，即波粒二象性。量子力学的建立大大促进了固体理论，半导体物理，低温物理，超导物理等的发展，很快微电子电子学等应用科学得到长足的进步，20世纪许多高技术的发展离不开量子力学。I.人类对宇宙的认识牛顿宇宙-----古典宇宙学的矛盾爱因斯坦宇宙-----现代宇宙学的开端大爆炸宇宙学-----思路，证据，问题II.宇宙的起源与终结宇宙从无到有——量子起伏，宇宙来自真空。三种可能的终结------临界密度大宇宙与小粒子宇宙的人择原理(AnthropicPrincple)只要上帝作第一次推动人类第一次描绘的完整宇宙的科学图景万有引力与无限宇宙的矛盾引力佯谬（Zeeliger1895年指出引力无限大问题）光度佯谬（Olber1826年指出的夜黑问题）宇宙是广义相对论的用武之地（强场条件）GMGMm———≈mc2———≈1RRC2空间时间性质决定于物质分布我们的宇宙空间是弯曲的（不是欧几里德的）宇宙,是有限而无边的宇宙膨胀与哈勃（Hubble）定律宇宙蛋——奇点——大爆炸（什么是大爆炸？）演化——3分钟后（中子、质子聚合成氦核）——40万年后（光子脱离物质形成宇宙背景辐射）——10亿年后（星系恒星形成）——100亿年后（太阳系、地球形成）——140亿年后（智慧人类出现）证据——年龄，氮丰度，3K背景辐射，宇宙膨胀。问题——星系形成问题，爆涨的可观测效应问题。免费午餐——产生出来的物质量是正能量两者之和等于零物质之间的引力势能是负能量Planek时代（10-43秒之前）lρ,tρ,mρ临界密度E=Eu+EkGM4m4Eu=-m——=-——πR3ρG——=-——πmR2ρGR3R311Ek=——mv2=——m(HR)222E0(EKEU);E0(EKEU);E=0(EK=EU)一直膨胀先膨胀再收缩膨胀到耗尽3H2ρρCρρCρ=ρC=——8πGρc=4.5×10-27Kg/m3=2.7×10-6个核子/cm3或0.0027个核子/升物理常数,粒子数据取值与宇宙稳定结构密切有关狄拉克的大数定律——为什么？宇宙半径/电子半径=1040宇宙寿命/强粒子寿命=1040氢核中电力/引力=1040物理常数与宇宙结构有什么关联？这个宇宙为什么是今天这个样子，而不是另外一个样子？上帝创造？自然而然？人的选择？1974年B.Carter(卡特)提出,“我们人类所认识的宇只能是认识主体可以存在的宇宙”。“人是这个宇宙的人，这个宇宙是人的宇宙，对此没有任何选择余地”。“只有以大爆炸为起点，具有特定物理常数的宇宙，才有幸成为茫茫宇宙中一片充满生机的绿洲——人所”选择“的是允许他自己存在并进行认识的宇宙”“假如人是宇宙得天独厚的骄子，那么又正是宇宙选择了人。”——选择的双向性。大数决定了星际演化的特定机遇，如果太早，恒星未形成或太年轻，不具备生命所必须的元素；如果太晚，恒星耗尽了光和热，变成了白矮星、中子星、黑洞，生命根本谈不上，只有电子/引力之比恰当正好，使宇宙年龄合适，才会有能够思考宇宙的人出现。方法论：初始条件→演化方程→预言结果！人类存在的结果←→演化方程←→必须的初始条件！宇宙为什么是今天这样，正是为了人类的出现、存在，这些大数必须相等，是人类选择了这样一个宇宙！时间、空间在相对论之前，是哲学的范畴；在相对论之后，是物理学范畴。时间、空间是物质存在的形式，与物质运动密不可分，物质的分布与运动决定时间，空间的几何性质及度量规则。问题：在动态引力场中，广义相对论无法定义时间的同时性。经典物理的决定性原则在现代物理中不再成立，取而代之的是概率性，即统计规律代替了严格的因果律。问题：量子世界的统计规律是完备的还是不完备的？还存在着更深入的本质，找到这些本质可能又回到严格的决定论，现在还不可作结论。热力学：第一、第二类永动机不可能实现狭义相对论：用任何方法无法测出物体的绝对速度广义相对论：在局部范围内用任何方法无法区分引力场与加速场量子力学：用任何方法不可能同时测准粒子的位置和速度。从相对论与量子力学对20世纪科技发展的影响，可见基础理论的作用。