二十世紀(jì)物理學(xué)回眸省公開課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

二十世紀(jì)物理學(xué)回首19世紀(jì)是化學(xué)世紀(jì)，20世紀(jì)是物理學(xué)世紀(jì)，二十一世紀(jì)是什么世紀(jì)……第1頁20世紀(jì)初，相對(duì)論和量子力學(xué)建立標(biāo)志著當(dāng)代物理學(xué)誕生，物理學(xué)不但深入探討物質(zhì)本質(zhì)，而且促進(jìn)了技術(shù)飛速發(fā)展，電視、激光、電腦、半導(dǎo)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(xué)結(jié)果基礎(chǔ)之上。20世紀(jì)是物理學(xué)世紀(jì)，當(dāng)之無愧。第2頁一、輝煌發(fā)展1、時(shí)空理論革新------相對(duì)論2、經(jīng)典力學(xué)突破------量子力學(xué)3、宇宙之謎破譯------當(dāng)代宇宙學(xué)第3頁二、物理思想討論1、時(shí)空是形而上還是形而下？2、決定性與概率性？3、科學(xué)原理逆命題表述4、基礎(chǔ)理論與應(yīng)用科學(xué)第4頁三、二十一世紀(jì)物理學(xué)展望1、宇宙學(xué)------引力量子化及宇宙起源2、生物物理------把生物學(xué)提升到分子生物學(xué)水平3、納米科學(xué)------納米材料性質(zhì)理論解釋第5頁“我們所見當(dāng)然美好，我們明了愈加美妙，我們還未徹悟更是不勝其美，美不可言。”尼爾斯·斯坦森（丹麥自然學(xué)者）（NielsSteensen）結(jié)語第6頁謝謝第7頁Ⅰ愛因斯坦及其相對(duì)論

愛因斯坦（A.Einstein1978-1955）“我們?nèi)极@益匪淺，全世界都要感激他教誨，那專屬于他個(gè)人東西，早已傳遍廣大人群。他象行將隕滅慧星，光華四射，把無限光芒同他光芒永相連結(jié)”?！璧聻橄赵岫Y而寫詩第8頁“在我們這一時(shí)代物理學(xué)家中，愛因斯坦將位于最前列。他現(xiàn)在是，未來也是人類宇宙中有頭等光芒一顆巨星。極難說，他終究是同牛頓一樣偉大，還是比牛頓更偉大；不過能夠必定地說他偉大是能夠同牛頓相比擬。按照我看法，他可能比牛頓更偉大，因?yàn)樗麑?duì)于科學(xué)貢獻(xiàn)愈加深入到人類思想基本概念結(jié)構(gòu)中去了。”——朗之萬

第9頁在很快之前，加拿大《環(huán)球時(shí)報(bào)》約請(qǐng)世界各地讀者評(píng)選“從公元10起，迄今10內(nèi)對(duì)環(huán)球最有影響100位偉人”榮登榜首正是愛因斯坦。瑞典科學(xué)院頒發(fā)19諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)措詞是：“因?yàn)閻垡蛩固拱l(fā)覺光電效應(yīng)定律以及他在理論物理領(lǐng)域其它工作，特授予獎(jiǎng)金。”第10頁Ⅱ狹義相對(duì)論（19）

問題

以太之謎邁克爾遜一莫雷試驗(yàn)光速不變與牛頓時(shí)空觀矛盾愛因斯坦方案光速不變?cè)硐鄬?duì)性原理

構(gòu)建新時(shí)空理論改造經(jīng)典力學(xué)第11頁兩種時(shí)空理論比較：第12頁第13頁兩個(gè)主要?jiǎng)恿W(xué)結(jié)論

質(zhì)速關(guān)系E=mc2 質(zhì)能關(guān)系存在問題光速為何是不變？光速為何是不可超越？超光速現(xiàn)象存在嗎？

第14頁Ⅲ廣義相對(duì)論（19）

問題：慣性特殊地位；牛頓引力論困難；引力怎樣納入相對(duì)論。第15頁愛因斯坦處理方案：廣義協(xié)變?cè)怼磺袇⒖枷灯降取魏螀⒖枷当硎疚锢矸匠绦问讲蛔兊刃г怼猰I=mG——引力與慣性力等效——引力與參考系相聯(lián)絡(luò)——把引力與時(shí)空相聯(lián)絡(luò)第16頁廣義相對(duì)論新時(shí)空觀：時(shí)空幾何及度量由引力場(chǎng)強(qiáng)弱分布決定——由物質(zhì)分布及其運(yùn)動(dòng)決定；引力場(chǎng)越強(qiáng)，空間彎曲得越厲害，時(shí)間進(jìn)程就越慢；地球引力場(chǎng)很弱，太陽附近引力場(chǎng)也不強(qiáng)，這里時(shí)空可近似看作平直時(shí)空，即歐幾里得性質(zhì)。第17頁第18頁試驗(yàn)驗(yàn)證：1）太陽光譜線引力紅移2）水星近日點(diǎn)剩下進(jìn)動(dòng)（42″/百年）3）星光在太陽附近偏折（1.75″）（19）4）利用穆斯堡爾效應(yīng)測(cè)定引力頻移（1960年）5）利用雷達(dá)回波在引力場(chǎng)中時(shí)間延遲（1968，1977）存在問題：改變引力場(chǎng)中時(shí)間問題，量子化問題第19頁Ⅰ量子論

a）黑體輻射紫外災(zāi)難與普朗克量子論（19）經(jīng)典理論連續(xù)性信條第一次挫敗，普朗克引入不連續(xù)能量子ε=hv突破了經(jīng)典物理連續(xù)性原理，從此標(biāo)志了量子物理誕生，普朗克被稱為量子論之父。量子化——物理量分立化——微觀世界基本特征之一。第20頁b）光電效應(yīng)對(duì)經(jīng)典物理發(fā)難與愛因斯坦光量子假設(shè)（19）光波動(dòng)學(xué)說難以解釋光電效應(yīng)，經(jīng)典連續(xù)性理論又一次失敗，愛因斯坦把普朗克能量子假設(shè)推廣到光輻射問題上，簡(jiǎn)單引入光量子ε=hv假設(shè)，光電效應(yīng)很快處理了理論解釋，愛因斯坦所以而取得了19諾貝爾物理獎(jiǎng)。第21頁c）經(jīng)典原子模型困難及玻爾量子化假設(shè)19盧琵福試驗(yàn)確立了原子有核模型地位，但原子有核模型卻存在著原子穩(wěn)定性困難。玻爾于19提出了原子模型新理論，在他新理論中，主要是兩條假設(shè)：定態(tài)與躍遷。定態(tài)：原子中電子只能在確定幾個(gè)狀態(tài)上存在，而原子保持穩(wěn)定；躍遷：原子中電子在不一樣定態(tài)間躍遷，發(fā)射出單一頻率申磁波，其頻率由普朗克公式確定。普朗克量子論打開了量子世界一扇窗戶，玻爾原子理論則打開了量子世界大門。第22頁Ⅱ量子力學(xué)

a）1924年德布羅意在他博士論文中提出了一切實(shí)物粒子亦含有波動(dòng)性假設(shè)，他把實(shí)物粒子波性質(zhì)與粒子能量與動(dòng)量相聯(lián)絡(luò)。E=hv，P=h/λ德布羅意認(rèn)為“一束電了穿過非常小孔，可能產(chǎn)生沖射現(xiàn)象，這可能是試驗(yàn)上證實(shí)我們想法方向?！?927年戴維遜和革末利用電子在晶體表面上反射產(chǎn)生沖射試驗(yàn)；湯姆遜又用電子經(jīng)過金簡(jiǎn)取得電子沖射圖象，證實(shí)了德布羅意假設(shè)。電子、質(zhì)子、中子、原子、分子等一切微觀粒子均含有波動(dòng)性。第23頁b）薛定諤方程既然微觀粒子含有波動(dòng)性，不能采取經(jīng)典力學(xué)位置函數(shù)方法來描寫粒子運(yùn)動(dòng)，而采取所謂波函數(shù)Ψ（r,t）來描寫，1926年依據(jù)波粒二象性寫出了波函數(shù)所滿足動(dòng)力學(xué)方程，即薛定諤方程：以薛定諤方程為代表量子力學(xué)亦稱波動(dòng)力學(xué)。另外德國(guó)物理學(xué)家海森堡與約爾丹等人在1925年創(chuàng)建了矩陣力學(xué)。薛定諤證實(shí)了波動(dòng)力學(xué)與短陣力學(xué)等價(jià)。1927年英國(guó)物理學(xué)家狄拉克則把二者非常簡(jiǎn)練地作了統(tǒng)一表述，使量子力學(xué)深入完善，現(xiàn)在統(tǒng)稱為量子力學(xué)。第24頁c)波函數(shù)概率解釋微觀粒子波動(dòng)性，即德布羅意波常被稱為物質(zhì)波，但這種波并不是真實(shí)波，而是一個(gè)概率波，即粒子在空間出現(xiàn)概率正比于波函數(shù)平方。關(guān)于這一點(diǎn)是物理學(xué)家玻恩在1926年提出。第25頁d)海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系微觀粒子不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量其位置與速度，即有

ΔxΔp~h測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系反應(yīng)了微觀粒子本性，即波粒二象性。量子力學(xué)建立大大促進(jìn)了固體理論，半導(dǎo)體物理，低溫物理，超導(dǎo)物理等發(fā)展，很快微電子電子學(xué)等應(yīng)用科學(xué)得到長(zhǎng)足進(jìn)步，20世紀(jì)許多高技術(shù)發(fā)展離不開量子力學(xué)。第26頁I.人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)牛頓宇宙-----古典宇宙學(xué)矛盾愛因斯坦宇宙-----當(dāng)代宇宙學(xué)開端大爆炸宇宙學(xué)-----思緒，證據(jù)，問題第27頁II.宇宙起源與終止宇宙從無到有——量子起伏，宇宙來自真空。三種可能終止------臨界密度大宇宙與小粒子宇宙人擇原理(AnthropicPrincple)第28頁只要上帝作第一次推進(jìn)人類第一次描繪完整宇宙科學(xué)圖景萬有引力與無限宇宙矛盾

引力佯謬（Zeeliger1895年指出引力無限大問題）

光度佯謬（Olber1826年指出夜黑問題）第29頁

宇宙是廣義相對(duì)論用武之地（強(qiáng)場(chǎng)條件）GMGMm———≈mc2———≈1RRC2

空間時(shí)間性質(zhì)決定于物質(zhì)分布我們宇宙空間是彎曲（不是歐幾里德）宇宙,是有限而無邊第30頁

宇宙膨脹與哈勃（Hubble）定律宇宙蛋——奇點(diǎn)——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)——年紀(jì)，氮豐度，3K背景輻射，宇宙膨脹。問題——星系形成問題，爆漲可觀察效應(yīng)問題。第31頁無償午餐——產(chǎn)生出來物質(zhì)量是正能量二者之和等于零物質(zhì)之間引力勢(shì)能是負(fù)能量Planek時(shí)代（10-43秒之前）lρ,tρ,mρ第32頁

臨界密度E=Eu+EkGM4m4Eu=-m——=-——πR3ρG——=-——πmR2ρGR3R311Ek=——mv2=——m(HR)2 22

E>0(EK>EU);E<0(EK<EU);E=0(EK=EU)一直膨脹先膨脹再收縮膨脹到耗盡3H2ρ<ρCρ>ρCρ=ρC=——8πGρc=4.5×10-27Kg/m3=2.7×10-6個(gè)核子/cm3或0.0027個(gè)核子/升第33頁物理常數(shù),粒子數(shù)據(jù)取值與宇宙穩(wěn)定結(jié)構(gòu)親密相關(guān)狄拉克大數(shù)定律——為何？ 宇宙半徑/電子半徑=1040 宇宙壽命/強(qiáng)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)？第34頁這個(gè)宇宙為何是今天這個(gè)樣子，而不是另外一個(gè)樣子？上帝創(chuàng)造？自然而然？人選擇？1974年B.Carter(卡特)提出,“我們?nèi)祟愃J(rèn)識(shí)宇只能是認(rèn)識(shí)主體能夠存在宇宙”?！叭耸沁@個(gè)宇宙人，這個(gè)宇宙是人宇宙，對(duì)此沒有任何選擇余地”。“只有以大爆炸為起點(diǎn)，含有特定物理常數(shù)宇宙，才有幸成為茫茫宇宙中一片充滿生機(jī)綠洲——人所”選擇“是允許他自己存在并進(jìn)行認(rèn)識(shí)宇宙”“假如人是宇宙得天獨(dú)厚驕子，那么又正是宇宙選擇了人?！薄x擇雙向性。第35頁大數(shù)決定了星際演化特定機(jī)遇，假如太早，恒星未形成或太年輕，不具備生命所必須元素；假如太晚，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(dāng)恰好，使宇宙年紀(jì)適當(dāng)，才會(huì)有能夠思索宇宙人出現(xiàn)。方法論：初始條件→演化方程→預(yù)言結(jié)果！人類存在結(jié)果←→演化方程←→必須初始條件！宇宙為何是今天這么，正是為了人類出現(xiàn)、存在，這些大數(shù)必須相等，是人類選擇了這么一個(gè)宇宙！第36頁時(shí)間、空間在相對(duì)論之前，是哲學(xué)范圍；在相對(duì)論之后，是物理學(xué)范圍。時(shí)間、空間是物質(zhì)存在形式，與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)密不可分，物質(zhì)分布與運(yùn)動(dòng)決定時(shí)間，空間幾何性質(zhì)及度量規(guī)則。問題：在動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)中，廣義相對(duì)論無法定義時(shí)間同時(shí)性。第3