二十世紀物理學回眸.ppt

二十世紀物理學回眸,19世紀是化學世紀， 20世紀是物理學世紀， 21世紀是什么世紀,20世紀初，相對論和量子力學的建立標志著現(xiàn)代物理學的誕生，物理學不僅深入探討物質(zhì)的本質(zhì)，而且促進了技術(shù)的飛速發(fā)展，電視、激光、電腦、半導體、集成電路、無線電通訊，原子能、航空及航天技術(shù) 無一不是建筑在物理學成果基礎(chǔ)之上。20世紀是物理學世紀，當之無愧。,一、輝煌的發(fā)展,1、時空理論的革新-相對論 2、經(jīng)典力學的突破-量子力學 3、宇宙之謎的破譯-現(xiàn)代宇宙學,二、物理思想的討論,1、時空是形而上還是形而下？ 2、決定性與概率性？ 3、科學原理的逆命題的表述 4、基礎(chǔ)理論與應(yīng)用科學,三、21世紀物理學展望,1、宇宙學-引力的量子化及宇宙起源 2、生物物理-把生物學提高到分子生物學水平 3、納米科學-納米材料性質(zhì)的理論解釋,“ 我們所見的固然美好， 我們明了的愈加美妙， 我們尚未徹悟的更是不勝其美， 美不可言?！?尼爾斯斯坦森（丹麥自然學者） （Niels Steensen）,結(jié)語,謝謝, 愛因斯坦及其相對論,愛因斯坦（A.Einstein 1978-1955） “我們?nèi)极@益匪淺，全世界都要感謝他的教誨，那專屬于他個人的東西，早已傳遍廣大人群。他象行將隕滅的慧星，光華四射，把無限的光芒同他的光芒永相連結(jié)”。 歌德為席勒的葬禮而寫的詩,“在我們這一時代的物理學家中，愛因斯坦將位于最前列。他現(xiàn)在是，將來也是人類宇宙中有頭等光輝的一顆巨星。很難說，他究竟是同牛頓一樣偉大，還是比牛頓更偉大；不過可以肯定地說他的偉大是可以同牛頓相比擬的。按照我的見解，他也許比牛頓更偉大，因為他對于科學的貢獻更加深入到人類思想基本概念的結(jié)構(gòu)中去了?！?朗之萬,在不久之前，加拿大環(huán)球時報約請世界各地讀者評選“從公元1001年起，迄今1000年內(nèi)對環(huán)球最有影響的100位偉人”榮登榜首的正是愛因斯坦。 瑞典科學院頒發(fā)1921年諾貝爾物理學獎的措詞是： “由于愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)定律以及他在理論物理領(lǐng)域的其它工作，特授予獎金?！? 狹義相對論（1905年）,問題 以太之謎 邁克爾遜一莫雷實驗 光速不變與牛頓時空觀的矛盾 愛因斯坦的方案 光速不變原理 相對性原理 構(gòu)建新的時空理論 改造經(jīng)典力學,兩種時空理論的比較：,兩個重要的動力學結(jié)論 質(zhì)速關(guān)系 E=mc2 質(zhì)能關(guān)系 存在問題 光速為什么是不變的？ 光速為什么是不可超越的？ 超光速現(xiàn)象存在嗎？, 廣義相對論（1915年）,問題： 慣性的特殊地位； 牛頓引力論的困難； 引力如何納入相對論。,愛因斯坦解決方案： 廣義協(xié)變原理一切參考系平等任何參考系表達的物理方程形式不變 等效原理mI=mG引力與慣性力等效 引力與參考系相聯(lián)系把引力與時空相聯(lián)系,廣義相對論的新時空觀： 時空幾何及度量由引力場強弱分布決定由物質(zhì)的分布及其運動決定； 引力場越強，空間彎曲得越厲害，時間進程就越慢； 地球的引力場很弱，太陽附近的引力場也不強，這里的時空可近似看作平直時空，即歐幾里得性質(zhì)的。,實驗驗證： 1）太陽光譜線的引力紅移 2）水星近日點剩余進動（42/百年） 3）星光在太陽附近的偏折（1.75）（1919年） 4）利用穆斯堡爾效應(yīng)測定引力頻移（1960年） 5）利用雷達回波在引力場中的時間延遲（1968，1977） 存在問題： 變化引力場中的時間問題，量子化問題,量子論,a）黑體輻射的紫外災難與普朗克的量子論（1900年） 經(jīng)典理論的連續(xù)性信條的第一次挫敗，普朗克引入的不連續(xù)的能量子=hv突破了經(jīng)典物理的連續(xù)性原理，從此標志了量子物理的誕生，普朗克被稱為量子論之父。 量子化物理量的分立化微觀世界的基本特征之一。,b）光電效應(yīng)對經(jīng)典物理的發(fā)難與愛因斯坦的光量子假設(shè)（1905年） 光的波動學說難以解釋光電效應(yīng)，經(jīng)典連續(xù)性理論的又一次失敗，愛因斯坦把普朗克的能量子假設(shè)推廣到光輻射問題上，簡單引入光量子=hv假設(shè)，光電效應(yīng)很快解決了理論解釋，愛因斯坦因此而獲得了1921年的諾貝爾物理獎。,c）經(jīng)典原子模型的困難及玻爾的量子化假設(shè) 1911年盧琵福實驗確立了原子有核模型的地位，但原子有核模型卻存在著原子穩(wěn)定性的困難。 玻爾于1913年提出了原子模型的新理論，在他的新理論中，主要是兩條假設(shè)：定態(tài)與躍遷。 定態(tài)：原子中的電子只能在確定的幾個狀態(tài)上存在，而原子保持穩(wěn)定； 躍遷：原子中的電子在不同定態(tài)間的躍遷，發(fā)射出單一頻率的申磁波，其頻率由普朗克公式確定。 普朗克的量子論打開了量子世界的一扇窗戶，玻爾的原子理論則打開了量子世界的大門。, 量子力學,a）1924年德布羅意在他的博士論文中提出了一切實物粒子亦具有波動性的假設(shè)，他把實物粒子的波性質(zhì)與粒子的能量與動量相聯(lián)系。 E=hv，P=h/ 德布羅意認為“一束電了穿過非常小的孔，可能產(chǎn)生沖射現(xiàn)象，這也許是實驗上證實我們想法的方向?！?1927年戴維遜和革末利用電子在晶體表面上的反射產(chǎn)生沖射的實驗；湯姆遜又用電子通過金簡獲得電子沖射的圖象，證實了德布羅意的假設(shè)。電子、質(zhì)子、中子、原子、分子等一切微觀粒子均具有波動性。,b）薛定諤方程 既然微觀粒子具有波動性，不能采用經(jīng)典力學位置函數(shù)的方法來描寫粒子的運動，而采用所謂波函數(shù)（r,t）來描寫，1926年根據(jù)波粒二象性寫出了波函數(shù)所滿足的動力學方程，即薛定諤方程： 以薛定諤方程為代表的量子力學亦稱波動力學。 另外德國物理學家海森堡與約爾丹等人在1925年創(chuàng)立了矩陣力學。薛定諤證明了波動力學與短陣力學等價。 1927年英國物理學家狄拉克則把二者非常簡潔地作了統(tǒng)一的表述，使量子力學進一步完善，現(xiàn)在統(tǒng)稱為量子力學。,c)波函數(shù)的概率解釋 微觀粒子的波動性，即德布羅意波常被稱為物質(zhì)波，但這種波并不是真實波，而是一種概率波，即粒子在空間出現(xiàn)的概率正比于波函數(shù)的平方。關(guān)于這一點是物理學家玻恩在1926年提出的。,d)海森堡的測不準關(guān)系 微觀粒子不可能同時準確測量其位置與速度，即有 xp h 測不準關(guān)系反映了微觀粒子的本性，即波粒二象性。 量子力學的建立大大促進了固體理論，半導體物理，低溫物理，超導物理等的發(fā)展，很快微電子電子學等應(yīng)用科學得到長足的進步，20世紀許多高技術(shù)的發(fā)展離不開量子力學。,I. 人類對宇宙的認識,牛頓宇宙-古典宇宙學的矛盾 愛因斯坦宇宙-現(xiàn)代宇宙學的開端 大爆炸宇宙學-思路，證據(jù)，問題,II.宇宙的起源與終結(jié),宇宙從無到有量子起伏，宇宙來自真空。 三種可能的終結(jié)-臨界密度 大宇宙與小粒子 宇宙的人擇原理(Anthropic Princple),只要上帝作第一次推動 人類第一次描繪的完整宇宙的科學圖景 萬有引力與無限宇宙的矛盾 引力佯謬（Zeeliger 1895年指出引力無限大問題） 光度佯謬（Olber 1826年指出的夜黑問題）,宇宙是廣義相對論的用武之地（強場條件） GM GM m mc2 1 R RC2 空間時間性質(zhì)決定于物質(zhì)分布 我們的宇宙空間是彎曲的（不是歐幾里德的）宇宙,是有限而無邊的,宇宙膨脹與哈勃（Hubble）定律 宇宙蛋奇點大爆炸（什么是大爆炸？） 演化 3分鐘后（中子、質(zhì)子聚合成氦核） 40萬年后（光子脫離物質(zhì) 形成宇宙背景輻射） 10億年后（星系恒星形成） 100億年后（太陽系、地球形成） 140億年后（智慧人類出現(xiàn)） 證據(jù) 年齡，氮豐度，3K背景輻射，宇宙 膨脹。 問題 星系形成問題，爆漲的可觀測效應(yīng) 問題。,免費午餐產(chǎn)生出來的物質(zhì)量是正能量 兩者之和等于零 物質(zhì)之間的引力勢能是負能量 Planek時代（10-43秒之前） l,t,m,臨界密度 E=Eu+Ek GM 4 m 4 Eu= -m = - R3G = - mR2G R 3 R 3 1 1 Ek= mv2 = m(HR)2 2 2 E0(EKEU); E C =C= 8G c=4.510-27Kg/m3 =2.710-6個核子/cm3或0.0027個核子/升,物理常數(shù),粒子數(shù)據(jù)取值與宇宙穩(wěn)定結(jié)構(gòu)密切有關(guān) 狄拉克的大數(shù)定律為什么？ 宇宙半徑/電子半徑=1040 宇宙壽命/強粒子壽命=1040 氫核中電力/引力=1040 物理常數(shù)與宇宙結(jié)構(gòu)有什么關(guān)聯(lián)？,這個宇宙為什么是今天這個樣子，而不是另外一個樣子？ 上帝創(chuàng)造？自然而然？人的選擇？ 1974年B.Carter(卡特)提出,“我們?nèi)祟愃J識的宇只能是認識主體可以存在的宇宙”。 “人是這個宇宙的人，這個宇宙是人的宇宙，對此沒有任何選擇余地”。 “只有以大爆炸為起點，具有特定物理常數(shù)的宇宙，才有幸成為茫茫宇宙中一片充滿生機的綠洲人所”選擇“的是允許他自己存在并進行認識的宇宙” “假如人是宇宙得天獨厚的驕子，那么又正是宇宙選擇了人?！边x擇的雙向性。,大數(shù)決定了星際演化的特定機遇，如果太早，恒星未形成或太年輕，不具備生命所必須的元素；如果太晚，恒星耗盡了光和熱，變成了白矮星、中子星、黑洞，生命根本談不上，只有電子/引力之比恰當正好，使宇宙年齡合適，才會有能夠思考宇宙的人出現(xiàn)。 方法論：初始條件演化方程預言結(jié)果！ 人類存在的結(jié)果演化方程必須的初始條件！ 宇宙為什么是今天這樣，正是為了人類的出現(xiàn)、存在，這些大數(shù)必須相等，是人類選擇了這樣一個宇宙！,時間、空間在相對論之前，是哲學的范疇；在相對論之后，是物理學范疇。 時間、空間是物質(zhì)存在的形式，與物質(zhì)運動密不可分，物質(zhì)的分布與運動決定時間，空間的幾何性質(zhì)及度量規(guī)則。 問題：在動態(tài)引力場中，廣義相對論無法定義時間的同時性。,經(jīng)典物理的決定性原則在現(xiàn)代物理中不再成立，取而代之的是概率性，即統(tǒng)計