20世纪初的物理学革命

物理学的新时代——19世纪末20世纪初的物理学革命人文学院科技所屠聪艳参考书目主要参考：《科学技术史讲义》清华大学出版社辅助参考：《大学物理导论——物理学的理论方法、历史与前沿》（上册）向义和清华大学出版社《科学史及其与宗教和哲学的关系》丹皮尔商务印书馆《历史上的科学》贝尔纳科学出版社本书的优缺点优点：条理清晰，容易把握，讲课的理想选择；缺点：过于简单，需要辅助理解。比较：《科学史》：重思想，有逻辑，过难；《大学物理导论》：兼顾理论、方法与历史，是理解相对论的最佳选择（p267－p337）；《历史上的科学》：揭示了很多本质性的东西，但缺乏内在的连贯性。※物理学革命的序幕古典物理学的顶峰与物理学危机X射线、放射性与电子的发现物理学的新发现与哲学上两条路线的斗争※相对论的创立从绝对时空观到狭义相对论的建立广义相对论极其验证1、古典物理学的顶峰牛顿力学建立后，被顺利地推广到刚体和流体。到了19世纪，热力学、统计力学和电动力学也建立起来了。古典物理学在科学与技术的各个领域得到了广泛的应用，取得了巨大的成功。1846年海王星的发现又完全证实了根据牛顿理论所作出的预言。19世纪40年代能量守恒定律的发现，揭示了各种物质运动形式之间的转化关系，从而把力学、热学、电学、化学等联系在一起。牛顿力学成为各门科学的理论基础，这样，大至日月星辰、小到原子分子，似乎无不被牛顿体系所包罗。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。2、物理学危机隐含的危机：麦克斯韦电磁场理论的无法解释正当古典物理达到了顶峰，人们陶醉于“尽善尽美”的境界时，却出乎意料地发生了物理学危机。这场危机是从以太漂移实验和黑体辐射定律的研究开始的。—以太漂移实验的零结果—对比热和热辐射定律研究中出现了“紫外灾难”序幕：阴极射线的发现1836年法拉第就注意到低压气体中的放电现象，但因缺少高真空的手段未能实现真空放电；1854年盖斯勒发明了“盖斯勒真空管”；1876年戈尔茨坦指出真空放电时阴极管壁上产生的绿色光辉，是由负极上所产生的某种射线射到玻璃上引起的，他把这种射线称为“阴极射线”。“阴极射线”的发现，引起科学家的兴趣，不少人来研究射线的性质，从而导致了X射线、放射性和电子等一系列重要发现。X射线的发现德国物理学家伦琴在用“希托夫－克鲁克斯真空管”研究阴极射线时偶尔发现，一个涂有亚铂氰化钡（一种荧光物质）的幕屏放在放电管附近时，屏幕上会闪耀着青绿色的光辉；无论怎么挪远屏幕距离，结果都是一样；他将一些东西放在玻璃管与屏幕之间，发现有某种新射线从管中射出来；这种射线不仅能使某些物质发出荧光，而且还能穿透玻璃、厚纸板甚至金属；这种射线还能透过黑纸使照相底片感光。X射线≠阴极射线X射线是由放电设备的玻璃管壁上的阴极射线所产生的。然而，通过移动荧光屏又发现，X射线并不是阴极射线，因为后者决不能在空气中走那么远的距离。—伦琴称这种性质未知的射线为X射线。X射线之后伦琴的发现震惊了整个科学界，许多物理学家转来研究X射线，产生了一系列的成果：1906年英国物理学家巴克拉发现，当X射线被金属散射时，散射后的X射线的穿透本领会随金属的不同而迥然不同，这表明每种金属都有自己的“特征X射线”。1913年年轻的物理学家莫斯莱求出了各种金属的特征X射线的波长，并且得到一个重要发现：各种金属的波长非常有规律地随着他们在周期表中的排列顺序而递减。利用这个规律，他准确地确立了各元素的原子序数，并且发现他们恰与核电荷数相等。放射性的发现1896年法国物理学家昂利•贝克勒尔对一种称为硫酸双氧铀钾的物质进行了研究，想知道这种荧光辐射中是否含有X射线。实验发现，虽然未经阳光照射（失去了紫外线对荧光的刺激作用），底片却由于很强的辐射而变得很黑。这决不是荧光或阳光所能造成的，必然有一种特别的东西在起作用。经过多次实验，他很快判明这种东西就是硫酸双氧铀钾中的铀，这就是最早发现的放射性现象。居里夫人建议把这种辐射能力叫做“放射性”。三种射线天然放射性元素能够放射出α、β、γ射线。α射线是带两个氦核的粒子流；β射线是高速的电子流；γ射线是波长比X射线更短的电磁波，即光子流。这三种射线都是从原子里跑出来的，原子不可分的观念被彻底打破了。1902年卢瑟福和索迪提出原子自然衰变的理论，阐明放射性的本质就是放射性元素的原子核自发地转变为另一种原子核的过程。这就证明了元素不是不可改变的，而是可以转化的。电子的发现阴极射线究竟是什么？电磁辐射or某种粒子流？1897年J·J·汤姆生演示阴极射线证明，阴极射线不仅能被磁铁所偏转而且还能被电荷所偏转，并且确定它是带负电的粒子流。汤姆生用“电子”作为这种粒子的名称。汤姆生的发现汤姆生巧妙地测出了阴极射线在磁场和电场中的偏转度，求出这种粒子的荷质比e/m约为氢离子的2000倍，确定它的质量相当于氢原子的质量的1/2000左右。他还发现不管怎样改变放电管中的气体，也不管怎样改变电极材料，阴极射线粒子的荷质比总是保持不变。由此可以断定这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分，进一步的研究证明它是一组元素的原子的组成部分。迎接物理学的新时代X射线、放射性和电子的发现，打开了原子的大门，否定了原子不可分、元素不可变的传统观念，使人们的认识深入到微观领域，推动人们去研究原子的内部结构，从而确立了物质结构的新理论。这些发现打破了物理学已经达到最终绝对真理的迷梦，揭开了物理学革命的序幕，迎来了物理学的新世纪！新发现对旧理论的冲击X射线、放射性和电子的发现批判了原子是物质的始原、原子不可分、元素不可变的传统思想；以太漂移实验否认了绝对不变、绝对静止和绝对连续的另一始原物质以太，动摇了牛顿的绝对时空观念；黑体辐射定律的研究否定了能量是绝对连续的旧观点；放射性的发现揭示了新的能量形态，要求对旧能量守恒定律加以重新考察。新发现对哲学观的冲击物理学的新发现暴露了古典物理学的局限性，给当时占统治地位的形而上学自然观以巨大的冲击，不少物理学家在思想上开始陷入混乱和动摇之中。“在今天，人们提出与昨天所说的话完全相反的主张，在这样的时期，已经没有真理的标准，也不知道科学是什么了。我很悔恨我没有在这些矛盾出现的五年前死去。”——洛伦兹牛顿的绝对时空观“绝对的空间，就其本质而言，是与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的。”“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地，与任何其它外界事物无关地流逝着。”牛顿的绝对时空观是从古典力学及其实验中概括总结出来的，它又是古典力学的基础。伽利略变换古典力学是以力学相对性原理和惯性定律为基础的。力学相对性原理要求力学定律在一切惯性系中保持不变。满足这个要求的座标变换是伽利略变换。在伽利略变换中，空间和时间座标彼此独立，并且与物质运动无关，长度、时间和同时性都有绝对的意义。伽利略变换体现了牛顿的绝对时空观。“水桶实验”牛顿还设计了一个“水桶实验”来证明绝对空间以及相对于绝对空间的绝对运动的存在：设有一桶水，把它吊在一根长绳上，让它做旋转运动。最初桶壁与水之间有相对运动，桶壁旋转而水不运动，水面会同静止时一样是平的；但此后桶壁逐渐把它的运动传递给水，使桶壁与水间的相对运动消失，水桶便和桶壁一起旋转，并且逐渐离开中心而向水桶的边缘升起，形成一个凹面。注意！绝对旋转运动存在的前提是：可以找到一个比其它一切惯性系都优越的绝对静止的坐标系！马赫的挑战马赫指出不可能用绝对空间来描述运动，并且认为“水桶实验”只能说明水桶相对于地球和其它天体是否有转动，并不能证明水桶是否相对绝对空间有转动。马赫认为，不存在相对于绝对空间的加速度，他把加速度看成是物体相对于世界上存在着的其它一切物体的加速度；他还提出了惯性力起源于宇宙间物质的相互作用的观点。马赫对牛顿绝对时空观的批判虽然没有动摇它的根基，但在一定程度上为相对论的产生做了哲学上的准备。狭义相对论产生的历史背景法拉第－麦克斯韦电磁理论迈克耳孙·莫雷实验洛伦兹变换彭加勒对相对性原理的坚持1、法拉第－麦克斯韦电磁理论在牛顿力学领域里普遍成立的伽利略的相对性原理，在麦克斯韦电动力学中不成立！麦克斯韦方程只适合于静止的以太坐标系？2、迈克耳孙·莫雷实验如果真有绝对静止的以太存在的话，那么地球相对于以太运动就会有以太风的存在，即使感觉不到，也可以用仪器测量出来。为了寻找以太绝对静止坐标系，迈克耳孙根据麦克斯韦提出的指导思想设计了一个实验，用以测量地球相对于以太运动的速度，这个实验应该可以观察到干涉条纹的移动。但尽管实验本身达到了很高的精确度，却并未观察到干涉条纹的移动。一些挽救性解释以太被地球完全拖动与其同行？——迈克耳孙光速依赖于光源的速度？——里茨收缩说？——菲茨杰拉德、洛伦兹对迈克耳孙·莫雷实验的任何解释都不能使人满意，这充分暴露了古典理论的局限性。3、洛伦兹的启示洛伦兹坚持静止坐标系的存在，并人为地引进一个数学量导出了从以太绝对静止参考系到其它惯性系的时空变换关系（后被爱因斯坦发展为洛伦兹变换）。洛伦兹试图用修补的方法挽救旧理论，但他努力的某些结果却不由自主地超出了旧理论的框架。对此爱因斯坦曾形象地比喻说，好像一个医生在抢救一个临死的病人，虽然没有把人救活，但在抢救的过程中却发明了一些救人的方法。注意：洛伦兹引进的只是一些数学的辅助量。4、彭加勒对相对性原理的坚持相对性原理在麦克斯韦电磁理论上陷入困境，使得当时绝大多数物理学家抛弃了相对性原理。彭加勒认为，相对性原理虽然受到电磁理论发展的“打击”，可是它已经“为日常经验所证实”，他说：“也许我们同样应该建立一门崭新的力学，对这门力学我们还只能窥见它的一鳞半爪，在这门力学中惯性将随着速度增加，光速将会成为一个不可逾越的界限。”他甚至提出了物理方程对于洛伦兹变换应该具有不变形式。注意：彭加勒论述的只是相对运动原理。一个自然的疑问1905年狭义相对论产生的历史条件已经成熟，洛伦兹、彭加勒等人也已经走到了相对论的门口，无论是就学识的渊博还是数学水平来讲，他们都要优于爱因斯坦，但为什么这个伟大发现会让“初出茅庐”的爱因斯坦作出呢？爱因斯坦与狭义相对论爱因斯坦的逆向思维：根本不存在以太静止坐标系，没有任何理由承认绝对运动，一切经验，包括力学的和电动力学的实验都支持相对性原理。经验使我们坚信光速是不变的（光在真空中总是以恒定的速度在前进，光速同光源的运动状态和光的颜色无关）。为此，“必须把光速不变定律对于一切惯性系的有效性，提高到原理的地位上来。”相对论的突破口：同时性爱因斯坦用光信号从物理上给“同时性”下了一个科学定义：假设光速不变，在彼此相距相当远的两处A和B，发出两个光信号，在AB中点M处，如果同时接收到两个光信号，那么这两个光信号的发出便是同时的。然而，A向B运动的观察者可能认为B点的闪光先于A点到达——“同时性”遭到怀疑。从一个坐标系看来不同地点同时发生的事件，在另一个相对于它运动的坐标系来看就不再是同时的了，“同时性”丧失了绝对性质。洛伦兹变换爱因斯坦把光速不变原理和狭义相对性原理作为两个基本公设，以它们为前提，逻辑地推出了洛伦兹变换。在洛伦兹变换下，空间间隔（长度）、时间、时间间隔、同时性都变成了相对的量，时间和空间不再是彼此独立的了，它们都随物质运动的速度一起变化。在洛伦兹变换下，麦克斯韦方程能够保持形式不变。相对论的内容通过洛伦兹变换，爱因斯坦得出了一系列重要结论，如运动的尺子缩短，运动的时钟变慢，光速不可逾越等。在相对论中，质量不再是一个绝对不变的量，它将随物质运动的速度而改变；相对论还提供了质量与能量之间的重要关系式：E=mc2，它把质量和能量统一起来，并在理论上预示了原子能利用的可能性。狭义相对论的局限狭义相对论把牛顿的时空理论作为特殊情况包括在自身中，当物体的运动速度远小于光速时，可以由狭义相对论过渡到牛顿理论。狭义相对论也有它的适用范围，只有在弱引力场的情况下，狭义相对论的结论才是正确的。狭义相对论的推广从狭义相对论得出了一切惯性系对于描写自然规律都是等效的结论之后，爱因斯坦自然地想到，“坐标系有没有进一步的等效呢？自然规律是客观存在