第四部分相对论量子力学PPT(完整版)

• 黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关。
• 19世纪，由于冶金以及照明设备制造等 的需要，人们急需找到黑体辐射强度和 辐射频率的关系。1889年卢默与鲁本斯 通过研究空腔辐射得出了黑体辐射光谱 的实验数据。但是，单使用实验数据找 对应点的方法十分不便，于是，人们开 始了寻找一般的公式。 1900年，瑞利根据经典统计力学推出 了一个公式，1905年，金斯修正了瑞利 辐射公式中的一个数值错误，以后，此 公式被称为瑞利－金斯公式。
的波动学说相联系。 不存在孤立的时间，也不存在孤立的空间。
这个一般人很快就会忽略的现象，却引起了这位学者的注意，使他产生了浓厚的兴趣。
”
内蒙古人民出版社 ——玻为尔，了1929证年 明以太的存在，1887年，迈克耳孙、
人民出版社 莫雷一起设计了迈克耳孙-莫雷干涉实验，他们
设计的实验灵敏度足以探测到地球绕太阳运行
•
• 三大发现：
• 1895年，伦琴（1845-1923）研究阴极射线时 意外发现X射线, X射线是一种波长很短(10-95x10-9cm)的电磁波。由此而获得1901年诺贝尔 物理学奖，是第一个获奖人。
• 1896年，贝克勒耳（1852-1908）意外发现放 射性，发现铀。
• 1897年，汤姆逊证实了电子的存在。
• 实验目的：寻找电动力学规律成立的绝对参考系，即与以 太静止的参照系。
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实验假设：
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（1）假定电磁场方程在绝对惯性系中严格成立（地
球上认为近似成立）。
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（2）在“以太”中光速各项同性，且恒等于C，而
在其它参照系中，光速非各项同性（由伽利略变换可知
（3）假定太阳与以太固连，地球相对于以太的速度就应
• 它标志着力学与物理学的分家。从此力学主要 研究宏观规律，而物理以研究微观世界的规律、 特别是原子内部的规律为主。
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二 相对论的新时空观
• 批判绝对时空 • 马赫 (E. Mach,1838—1916)马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。
马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验 形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说： 空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。 而时间总是由能变化的对象的可觉察的变化而发现的。
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（2）具有高弹性。能在平横位置作振动，特别是电磁波一般为
横波，以；
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（3）以太只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静
止。
• 在以太中静止的物体为绝对静止，相对以太运动的物体为 绝对运动。引入“以太”后人们认为麦氏方程只对与“以 太”固连的绝对参照系成立，那么可以通过实验来确定一 个惯性系相对以太的绝对速度。一般认为地球不是绝对参 照系。
• 实证主义又称实证论，其中心论点是：事 实必须是透过观察或感觉经验，去认识每 个人身处的客观环境和外在事物。实证论 者认为，虽然每个人接受的教育不同，但 他们用来验证感觉经验的原则，并无太大 差异。
• 洛伦兹 (H. A. Lorentz 1853—1928)
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收缩因子
• 彭加勒（H. Poicare 1854—1912)
1903年与居里夫人
合得Nobel物理奖
•1896年法国物理学家贝克 勒尔（，1852－1908）研 究发荧光的物质，发现铀 盐能够使底片感光从而发 现了放射性。
• 贝克勒尔在与H．彭加勒（Poincare）讨论了一 次新近由伦琴发现的辐射（X射线）及在真空管 子中同时产生磷光的现象之后，他决定去研究在 X射线与天然发生的磷光之间”是否存在任何联 系。他从父亲那里继承有一些铀盐。铀盐的磷光 可以用来曝光。当他把铀盐放近被不透光的纸包 封着的照相底片时，发现照相底片被曝光。这种 现象对于所有试验过的铀盐来说都同样存在，因 此他得出结论说，这是铀原子的一种特性。后来， 贝克勒尔证明，这种射线是铀放射的。这种射线 在很长一段时间以它的发现者的姓氏命名
汤姆孙的实验
汤姆孙发现，当用所有的金属作高压阴极射线管的阴 极时，都发射出相同的被阳极吸引的粒子。他测定了这种 粒子的荷质比并称之为电子。
伦琴 öntgen 1845-1923
•1895年德国物理学家伦 琴（ öntgen，1845-1923） 发现了X射线。
• 伦琴用锡纸和硬纸板把各种实验器材都包裹得严严实实,并且用一个没 有安装铝窗的阴极管让阴极射线透出。可是现在，他却惊奇地发现， 对着阴极射线发射的一块涂有氰亚铂酸钡的屏幕(这个屏幕用于另外 一个实验)发出了光.而放电管旁边这叠原本严密封闭的底片，现在也 变成了灰黑色—这说明它们已经曝光了！
突破
一 经典物理学天空中的乌 云与三大发现
• 19世纪下半叶，牛顿力学在各个自然科学领域得到了广泛应用，机械 自然观总体上仍然处于主导地位“经典物理学大厦已经竣工完成”。 在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补 工作。
• 两朵乌云： • 当时物理学家中的泰斗——开耳文勋爵在新年贺词中把物理学的19世
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相对论原理
爱因斯坦
Albert Einstein
1879－1955
以太
• 什么是以太呢？它是一种假想的物质。星球之间吸 引力的思想一旦确立，人们对于力的这种超距作用 是很难理解的。所以在17世纪由笛卡尔与牛顿等大 科学家主张，空间不可能是虚无的，它是由一种名 为“以太”的物质所充满。星球之间的吸引力就是 由这种物质来传递的。
• γ射线是光子，在磁场中不发生偏转，穿 透本领最大
电子与放射性发现的意义
• 卢瑟福与随后法国化学家维拉尔 (P.V.Villard,1680-1934)发现铀和铀的化合物放射 出 三种 射, 线, 。之后相继发现了许多同位素。
• 为原子论最后确立迈出了坚实的一步。从而为 把人类的知识延伸到原子内部去打开了门户。
• 此外，居里夫妇发现放射线元素（钍、钋和 镭）；证实元素的嬗变；促使元素嬗变理论建 立（卢瑟福，1902年）
汤姆孙
J.J.Thomso
n
1856-1942
•英国物理学家汤姆孙（， 1856-1942）于1897年研 究阴极射线，证明阴极 射线是由带负电的粒子 组成，同时测出了它的 质量与电荷的比值。
• 任何物体，比如恒星，加热时就会发出 光或其他辐射，正如煤炭加热时会发光 一样。这种炽热物体中的原子的热运动 引起发光，它称为黑体辐射（虽然炽热 物体不是黑的）。
• 黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。
• 黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射， 且发射电磁辐射的能力的能力比同温度下 的任何其它物体强。
纪发展和20世纪的前景比喻为“物理学一片晴朗天空，只有两朵小小 乌云”，它们是：
• (1)迈克尔逊—莫雷实验，证明了“以太”是不存在的；(2)黑体辐射 引出的“紫色灾难”。
科学大厦建立，物理学上空出现两朵 乌云：
1 以太漂移 迈克尔逊—莫雷实验 2 紫外灾难
E
瑞利—金斯
维恩
普朗克
• 紫外灾难，是指用于计算黑体辐射强度的 瑞利－金斯定律在辐射频率趋向于无穷大 时计算结果和实验数据无法吻合的物理史 事件。
?现代物理学革命及其思想方法特征现代物理学革命在思想方法上的突破经典物理学天空中的乌云与三大发现19世纪下半叶牛顿力学在各个自然科学领域得到了广泛应用机械自然观总体上仍然处于主导地位经典物理学大厦已经竣工完成
第四部分相对论量 子力学
• 一 经典物理学天空中的乌云与三大发 现
• 二 相对论的新时空观 • 三 量子论与量子力学 • 四 现代物理学革命在思想方法上的
这个一般人很快就会忽略的现象，却引起了这位学者的注意，使 他产生了浓厚的兴趣。他想：底片的变化，恰恰说明放电管放出了一 种穿透力极强的新射线，它甚至能够穿透装底片的袋子！一定要好好 研究一下。不过—既然目前还不知道它是什么射线，于是取名“X射 线”。
贝克勒尔
H.A.Becquerel 1852－1908
• 可以假定以太与太阳固连，这样应当在地球上做实验 来确定地球本身相对以太的绝对速度，即地球相对太阳的 速度。为此，人们设计了许多精确的实验（包括爱因斯坦 也曾设计过这方面的实验），其中最著名、最有意义的实 验是迈克尔逊——莫雷实验（1887年）。
• 由麦克斯韦电磁方程组可以推出电磁波在 真空中的传播速度就是光速c，这是一个定 值，约等于30万公里/秒。但是按照伽利略 时空变换关系，如果光速在一个参考系中 为c，那么在其它相对于这个参考系作匀速 运动的参考系中不可能为c。所以要使麦克 斯韦电磁方程组成立，那只能选定一个特 殊参考系才行。
的速度30千米/秒以太风漂移的速度。
• 三大发现： • 1895年，伦琴（W.C. Röntgen )
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发现 X 射线 x-ray
• 1896年，贝克勒尔( H.A.Becquerel )
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发现放射性 radioactivity
• 1897年，汤姆逊（J.J. Thomson)
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发现电子 electron
• 其中，w(ν,T) 为辐射的能量密度，k是 波尔兹曼常数，c为真空中的光速,T是 热力学温度。 可以看出，w在ν趋向于
无穷大时趋向于无穷大，这于实验数 据相违背。 1911年，奥地利物理学家
埃伦费斯特用“紫外灾难”来形容经 典理论的困境。
以太漂移
• 在古希腊，以太（Ehter）指的是青天或上层 大气，17世纪时，法国科学家笛卡尔最先将以 太引进科学，并赋予它某种力学性质。后来， 以太又在很大程度上作为光波的荷载物，同光 的波动学说相联系。 为了证明以太的存在，1887年，迈克耳孙、 莫雷一起设计了迈克耳孙-莫雷干涉实验，他们 设计的实验灵敏度足以探测到地球绕太阳运行 的速度30千米/秒以太风漂移的速度。
•
1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以
太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是
错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不
同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相
对论。
实在论.实证主义
• 把任何一种不依人的观察和思考为转移的 存在作为人的知识对象的观点都可称为实 在论.
当是地球绕太阳的运动速度。
狭义相对论的创立
• 1905 年，爱因斯坦（A. Einstein) 归来 时, 阿哥仍是风度翩翩一少年, 而迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了, 真是“ 天上方七日, 地上已千年”。
1911年，奥地利物理学家埃伦费斯特用“紫外灾难”来形容经典理论的困境。 四 现代物理学革命在思想方法上的突破 科学出版社。
居里与居里夫人在测量 不同元素的放射性
•1898年居里夫人 （Marrie Sklodowska Curie,1867-1934)发 现了镭。其放射强 度超过铀的二百多 万倍。之后她用了 四年的时间从数吨 沥青铀矿渣中分离 出纯氯化镭克。
居里夫人
1867-1934
1903年因对放射性研究获 Nobel物理学奖。
当物质掉进了事界，纵使以光速计算，也不能再走出来。 湖南科学技术出版社
太引进科学，并赋予它某种力学性质。后来， 上海科技教育出版社
天鹅座X-1是一 X射线源，它的一颗子星 是超蓝巨星
以太又在很大程度上作为光波的荷载物，同光 例、带正电的 介子是一种不稳定的粒子，当它静止时，平均寿命为2.
“以太”应具有以下基本属性：
• 以太是怎样来传递力呢，这一点，是很难检测的， 从太阳或星球传来的光线自然也是由以太传递的， 而光是容易检测的。
• 在麦氏预言电磁波之后，多数科学家就认为电磁波传播需要媒质（介 质）。这种介质称为“以太”（经典以太）。“以太”应具有以下基 本属性：
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（1）充满宇宙，透明而密度很小（电磁弥散空间，无孔不入）；
1911年因为发现两种新元素 而获Nobel化学奖。
"Nothing in life is to be feared,
it is only to be understood."
Marie Curie
放射性元素的射线
• α射线是氦核，带正电荷，在磁场中发生 偏转，穿透本领小。
• β射线是带负电的电子流，在磁场中发生 偏转的方向与粒子相反，穿透本领较大。
以太漂移
我们可用一句”有入无出”来形容它。
但根据理论，如果一对双星中的伴星是黑洞，那麼主星的物质被吸引向黑洞而形成一个吸积环。
• （L.
三 量子论与量子力学
在古希腊，以太（Ehter）指的是青天或上层
大气，17世纪时，法国科学家笛卡尔最先将以 1900年，普朗克（Max Planck）提出量子(quantum quanta) 假说 。