广义相对性 任何参考系 物理学规律的数学形式相同 吴伯田

二十世纪是


现代科技革命的世纪

主讲：吴伯田 教授








一、现代科学革命


现代科学革命首先表现在某些基础科学（如物理学、化学、 生物学）的革命性变革。
20世纪初—20世纪70年代
四大成就：
　　相对论、量子力学、分子生物学、系统科学









一、物理学革命—现代科学革命的序幕


（一）背景

　　　物理学征服了世界。在19世纪末，它的力量控制着一切人们所知的现象。

　　这是一段伟大而光荣的日子，是经典物理的黄金时代。科学的力量似乎从来都没有这样地强大，这样地令人神往。人们也许终于可以相信，上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了，再没有遗漏的地方。从当时来看，我们也许的确是有资格这样骄傲的，因为所知道的一切物理现象，几乎都可以从现成的理论里得到解释。







经典力学、热力学与统计力学和经典电磁学形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿，构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。







1、19世纪末物理学三大发现


（1）、1895年，伦琴发现了X射线。

（2）、1896年，贝克勒尔发现了铀元素的放射现象。

（3）、1897年，J.J.汤姆逊发现了电子。








终于，在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前，一连串意想不到的事情在19世纪的最后几年连续发生了，仿佛是一个不祥的预兆。







1900年4月27日，开尔文在一次演讲中讲到：在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小“乌云”。


这两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。具体指的就是迈克尔逊-莫雷实验——以太漂移实验的“零”结果和黑体辐射研究中的“紫外灾难”。


2、两朵乌云








（二）相对论与时空观念的革命性变革


1、狭义相对论

1905年6月爱因斯坦（1879－1955）

《 论运动物体的电动力学》发表，标志着狭义相对论的诞生








［1］两条基本原理：


（1），狭义相对性原理
　　　在所有惯性系，物理学规律都是相同的，不存在一个优于其它惯性系的绝对惯性系。
（2），光速不变原理
　　　在所有的惯性系，真空中的光速不变，都是常数C。
洛仑兹变换







［2］由洛仑兹变换得出的结论


（１）、“同时性”的相对性。

（２）、物体在运动方向上缩短。

（３）、运动的时钟变慢。

（４）、光速是物体运动速度的极限。

（５）、质量与速度有关及质能关系。









2、广义相对论


　1916年《广义相对论基础》

［1］，两条基本原理：

（1）广义相对性原理

　　　在任何参考系中，物理学规律的数学形式是完全相同的。

（2）等效原理

　　　一个具有加速度的非惯性系，等效于含有均匀引力场的惯性系。








引力场方程


空间某一点的物质的量决定了该点四维时空的曲率．

物质分布直接决定了时空特性和引力场分布．








［2］，广义相对论的实验验证


（1）水星轨道近日点的进动

43”/百年

（2）光谱线的引力红移

（3）引力场使光线行进路线发生偏转

（4）雷达回波的时间延迟








3、对时空观念的革命性变革


牛顿提出了绝对空 间和绝对时间的概念。
“绝对的空间，就其本性而言。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他外界事物无关地流逝着”。







照此看来，牛顿的绝对空间和绝对时间都是物质以外的空架子。
根据狭义相对论：时间和空间具有相对性，会随着物体运动速度的变化而变化。
广义相对论进一步提示了时空、运动与物质分布的关系







（三）量子力学对古典决定论的冲击


　　　紫外灾难：

　　　在对黑体辐射的研究中，人们发现根据瑞利――金斯公式，介质内单位体积的能量会随频率的增加而增加，以至趋向于无穷大，但实验结果却趋向于零。然而瑞利――金斯公式是严格的经典表达式，这就说明经典物理学正在遭受严重的困难，人们把这一困难称为紫外灾难。









1、普朗克提出“量子假说”


1900年12月14日　

普朗克量子假说：

物体在发射辐射或吸收辐射时，能量不是无限可分的，而是以一定数值的整数倍跳跃式地变化的，也就是说，物体吸收或发射辐射时，能量并不是无限可分的，而是有一个最小的单元，这个最小的不可再分的单元，被称为量子或能量子，数值ε＝hγ。








2，光量子论


1905年爱因斯坦《关于光的产生和转化的一个启发性观点》中提出　
光量子假说：光是由分立的能量子组成的，每个光量子的能量与光的频率成正比E＝ hγ，而与光强度无关。


　　解释光电效应


　　密立根和康普顿的验证








3，玻尔的量子化原子模型







　　　爱因斯坦曾说：“我一生中最好的朋友和对手是同一个人——尼尔斯·玻尔。”










玻尔的量子化原子模型：


第一，定态轨道

第二，电子定态跃迁

第三，轨道的量子化








4、德布罗意提出物质波

1924年德布罗意《关于量子理论的研究》

实物粒子也具有波动性


电子衍射实验。1927年美国的戴维森和G.P汤姆逊验证









5、量子力学的建立

（1）海森伯(堡)创立矩阵力学

（2）薛定谔创立波动力学

　　波函数统计解释

6、海森伯的测不准关系









7、量子力学的发展


（１）、量子力学的相对论推广

狄拉克方程

（２）、量子场论

8、量子力学的基本思想

（１）、微观世界的量子性

（２）、微观客体的波动－粒子二象性

（３）、微观世界规律的统计性（几率性）

（4）、微观世界不确定性








量子力学对机械决定论的冲击


经典物理学严格确定的因果决定论
　　法国科学家拉普拉斯曾写道：“智慧，如果能在某一瞬间知道鼓动着自然的一切力量，知道大自然所有组成部分的相对位置；再者，如果它是如此浩瀚，足以分析这些材料，并能把上至庞大的天体，下至微小的原子的所有运动，统统包括在一个公式中，那么，对于它来说，就再也没有什么是不可靠的了。在它的面前，无论是过去或是将来，一切都将会昭然若揭。”







（四）物质结构理论和场理论：
　　　　改革了对物质世界的认识


1、原子模型的发展：

（1）、1904年J.J汤姆逊原子模型

葡萄干面包模型

（2）、1911年卢瑟福原子模型

太阳系行星模型

（3）、1913年玻尔的量子化原子模型









2、原子核的结构

1932年，查得威克发现中子

原子核的结构和稳定性


3、基本粒子的研究

第一代：20世纪50年代前，电子、质子、中子、∏介子

第二代： 20世纪50年代前后，奇异粒子

第三代： 20世纪60年代前后，共振态粒子









基本粒子的性质：
　　质量、寿命、电荷、自旋

基本粒子间的相互作用：
　　引力相互作用

　　电磁相互作用

　　强相互作用

　　弱相互作用

基本粒子的分类：
　　光子类、轻子类、重子类、介子类








4、强子的内部结构
1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。
六味夸克：
　u 上夸克 、d 下夸克、 c 粲夸克、 s 奇夸克、　 t 顶夸克 、b 底夸克


5、量子场论

6、统一场论







21世纪物理学的难题：


四个作用力场的统一问题，相对论和量子力学的统一问题。
(2) 对称性破缺问题。

(3) 占宇宙总质量90%的暗物质是什么的问题。

(4) 黑洞和类星体问题。

(5) 夸克禁闭问题等。








一、现代科学革命


现代科学革命首先表现在某些基础科学（如物理学、化学、 生物学）的革命性变革。
１、物理学革命
19世纪末x射线、放射性、电子这三大发现， 使人 类的认识第一次深入到原子内部，从而猛烈冲击着“经典物理学理论”和传统观念，改变了人类的自然观。







２、化学革命


化学由原子时代发展到电子时代
1. 化学革命表现为化学概念的根本改造。
如对化学元素概念的认识，长期以来认为化学元素只代 表一种原子，同位素的发现，使人们认识到，化学元素可以代 表原子量、放射性不同，而化学性质却完全相同的几种原子。 化学元素不过是具有相同核电荷的一类集合等。
2. 化学革命还表现为化学理论的重建和科学方法的变革







３、生物学革命


1）. 生物学的综合导致更加严格的物种起源理论的产生
20世纪20-30年代出现了生物学的综合，导致了更加严格的物种起源理论的产生。过去的进化论只强调个体是 生物进化的基本单位，综合进化论则把群体作为进化的基本单位。用定量的但又相互联系的方法来研究生物进化的过程和机制。







2）. 分子生物学的兴起，使整个生物学面貌发生了革命性的变化


20世纪50年代，沃森和克里克提出了ＤＮＡ（脱氧核糖核酸） 的双螺旋模型，宣告了分子生物学的诞生。分子生物学的兴起， 取得了大批引人注目的成果，特别是ＤＮＡ双螺旋结构理论的 建立、遗传密码的破译 和重组ＤＮＡ的实现， 打开了“生命 之谜”的大门。







４、系统科学的兴起


第二次世界大战以来，现代科学革命的成就，使人类对自 然界的认识无论在深度还是广度上，都大大前进了一步。从微观结构到宇观天体、从物理世界到生命世界都更加深入地揭示 了自然界的本质和规律。







二、现代技术革命


现代科学革命为现代技术革命作了理论上的准备。现代技 术革命是以现代科学革命为先导，在现代科学理论的基础上发生的。
现代技术革命主要有以下六个方面：
１. 信息技术的飞跃
1）.微电子技术
2)、计算机技术
3)、通信技术







２． 生物技术的突破


1)．重组ＤＮＡ技术
2)．蛋白质工程技术







３．新材料技术的变革


1）复合材料
2）高性能材料
3) 纳米材料







4．新能源技术的变革


４．新能源技术
１）核能技术
２）其它能源技术







５． 海洋开发技术


１）．海洋油气开发技术
２）．海洋农牧化技术
３）．深海采矿技术







６ 空间开发技术


１）．人造卫星技术
２）．雷达载人航天技术
３）．载人空间站技术







思考题：
1、现代物理学革命的主要成果是什么？有何哲学意义？
2、现代生物学革命的主要成果是什么？有何哲学意义？
3、现代技术革命的成果主要有那些？