20世纪之交的物理学革命
(1) 爱因斯坦的相对论
爱因斯坦是20世纪最伟大的自然科学家、物理学革命的先锋和主将。出生于德国。自17世纪以来,经典力学取得了辉煌的胜利,但牛顿在经典力学中引入了“绝对空间” 和 “绝对时间” 两个概念。19世纪中叶以后,麦克斯韦建立电磁理论,但人们认为电磁波不过是一种机械波,只适用于绝对静止的以太。在这一背景下,爱因斯坦于1905年发表了 《论动体的电动力学》 论文,提出了举世闻名的相对论。他以同时性的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太概念不再是必要的,以太飘移问题也不再存在。他的相对论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论认为: 对于运动着的物体来说,空间尺度将会在运动方向上缩短 ( “尽缩效应”); 时间量度会放慢 (钟慢效应),运动物体的质量会加大; 而所有这些又都依赖于物体运动速度与光速之比的平方。这也说明,时间和空间都不是脱离物质运动的客观实在,它们都是物质运动的形式,并且相互间也不是无关的。广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。广义相对论首先解释了水星近日点的进动,这个进动曾经被勒维列用行星摄动方法来解释,但谁也没发现有 “火神星”在那里摄动。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱应向红端移动,20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,这一预言最为引人注目,因为它最终得到了天文验证。
(2) X射线: 放射性和电子的发现
德国物理学家伦琴1895年在做阴极射线实验时,发现了一种具有极强穿透力的射线。X射线可以穿透皮肉透视骨骼,在医疗上有广泛用途。X射线的发现,标志着新物理学的开始,因为它打破了物理学发展到顶峰的神话,向人们展示了物理学亟待认识的新的领域,演化成为科学上的一次重大革命。居里夫妇在前人研究的基础上将放射性的研究推向一个新的高度。居里夫人为了寻找放射性的元素,付出了令人难以置信的艰苦劳动。经过反复的精选、化学分离和物理测定。他们于1898年7月18日先发现了比铀的放射性强400倍的新物质; 当年又发现了另一种放射性更强的新物质,命名为 “镭”。其放射性大约是铀的900倍,次年又定为7500倍,不久又发现为10万倍。为了确定镭的原子量,居里夫妇又花了三年时间,提炼出了0.12克纯镭,测定出镭的原子量为225,放射性比铀强二百多万倍。X射线不仅导致了放射性物质的发现,也促进了电子的发现。1897年,英国物理学家汤姆逊 (1856—1940),用实验证明了,阴极射线在电场和磁场作用下均可发生偏转,其偏转方式与带负电粒子相同,这就说明阴极射线确实是一种带负电的粒子流。汤姆逊测出了这种粒子流的质量与电荷的比,其值只有氢离子的千分之一。1898年,汤姆逊进一步证明了该粒子流所带电荷与氢离子属同一量级,这就表明,其质量只有氢离子的千分之一。汤姆逊将之命名为 “微粒”,后来又称“电子”,意即它是电荷的最小单位。汤姆逊指出,它比原子更小,是一切化学原子的共同组合成分。
(3) 量子理论与量子力学
1900年,德国物理学家普朗克(1858—1947) 采用拼凑的办法,得出了一个在长波和短波部分均与实验相吻合的公式,但该公式的理论依据尚不清楚。不久,普朗克发现,只要假定物体的辐射能不是连续变化,而是以一定的整数倍跳跃式的变化,就可以对该公式作出合理的解释。普朗克将最小的不可再分的能量单元称做 “能量子” 或 “量子”。当年12月14日,他将这一假说报告了德国物理学会,宣告了量子论的诞生。但首先意识到量子概念及普遍意义的是爱因斯坦,他建立了光量子论以解释光电效应中出现的新现象。爱因斯坦的理论重新肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义,它反映了光的本质的一个侧面。光有时表现出波动性,有时表现出粒子性,但它既非经典的粒子也非经典的波,这就是光的波粒二象性。丹麦物理学家玻尔 (1885—1962)经过研究,提出了一种量子化的原子结构理论。他认为,电子只在一些特定的圆轨道上绕核运行。在这些特定的轨道上运行时并不发射能量,只当它在一个较高能量的轨道上向一个较低能量的轨道跃迁时才发出辐射,反对来则吸收辐射能。
20世纪之交的物理学革命
1.爱因斯坦的相对论
爱因斯坦是20世纪最伟大的自然科学家、物理学革命的先锋和主将。自17世纪以来,经典力学取得了辉煌的胜利,但牛顿在经典力学中引入了 “绝对空间” 和 “绝对时间”两个概念。19世纪中期以后,麦克斯韦建立电磁理论,但人们认为电磁波不过是一种机械波,只适用于绝对静止的以太。在这一背景下,爱因斯坦于1905年发表了 《论动体的电动力学》论文,提出了举世闻名的相对论。他以同时性的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太概念不再是必要的,以太飘移问题也不再存在。他的相对论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论认为: 对于运动着的物体来说,空间尺度将会在运动方向上缩短( “尽缩效应”); 时间量度会放慢 (钟慢效应),运动物体的质量会加大; 而所有这些又都依赖于物体运动速度与光速之比的平方。这也说明,时间和空间都不是脱离物质运动的客观存在,它们都是物质运动的形式,并且相互间也不是无关的。广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。广义相对论首先解释了水星近日点的进动,这个进动曾经被勒维列用行星摄动方法来解释,但谁也没发现有 “火神星”在那里摄动。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱应向红端移动,20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,这一预言最为引人注目,因为它最终得到了天文验证。
2.X射线: 放射性和电子的发现
德国物理学家伦琴1895年在做阴极射线实验时,发现了一种具有极强穿透力的射线—X射线。X射线可以穿透皮肉透视骨骼,在医疗上有广泛用途。X射线的发现,标志着新物理学的开始,因为它打破了物理学发展到顶峰的神话,向人们展示了物理学亟待认识的新的领域,演化成为科学上的一次重大革命。居里夫妇在前人研究的基础上将放射性的研究推向一个新的高度。居里夫人为了寻找放射性的元素,付出了令人难以置信的艰苦劳动。经过反复的精选、化学分离和物理测定。他们于1898年7月18日先发现了比铀的放射性强400倍的新物质; 当年又发现了另一种放射性更强的新物质,命名为 “镭”。其放射性大约是铀的900倍,次年又定为7500倍,不久又发现为10万倍。为了确定镭的原子量,居里夫妇又花了三年时间,提炼出了0.12克纯镭,测定出镭的原子量为225,放射性比铀强200多万倍。X射线不仅导致了放射性物质的发现,也促进了电子的发现。1897年,英国物理学家汤姆逊 (1856—1940),用实验证明了,阴极射线在电场和磁场作用下均可发生偏转,其偏转方式与带负电粒子相同,这就说明阴极射线确实是一种带负电的粒子流。汤姆逊测出了这种粒子流的质量与电荷的比,其值只有氢离子的千分之一。1898年,汤姆逊进一步证明了该粒子流所带电荷与氢离子属同一量级,这就表明,其质量只有氢离子的千分之一。汤姆逊将之命名为 “微粒”,后来又称 “电子”,意即它是电荷的最小单位。汤姆逊指出,它比原子更小,是一切化学原子的共同组合成分。
3.量子理论与量子力学
1900年,德国物理学家普朗克 (1858—1947) 采用拼凑的办法,得出了一个在长波和短波部分均与实验相吻合的公式,但该公式的理论依据尚不清楚。不久,普朗克发现,只要假定物体的辐射能不是连续变化,而是以一定的整数倍跳跃式的变化,就可以对该公式作出合理的解释。普朗克将最小的不可再分的能量单元称做 “能量子”或 “量子”。当年12月14日,他将这一假说报告了德国物理学会,宣告了量子论的诞生。但首先意识到量子概念及普遍意义的是爱因斯坦,他建立了光量子论以解释光电效应中出现的新现象。爱因斯坦的理论重新肯定了微粒说和波动说对于描述光的行为的意义,它反映了光的本质的一个侧面。光有时表现出波动性,有时表现出粒子性,但它既非经典的粒子也非经典的波,这就是光的波粒二象性。丹麦物理学家玻尔 (1885—1962)经过研究,提出了一种量子化的原子结构理论。他认为,电子只在一些特定的圆轨道上绕核运行。在这些特定的轨道上运行时并不发射能量,只当它在一个较高能量的轨道上向一个较低能量的轨道跃迁时才发出辐射,反对来则吸收辐射能。