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1、第五章物理学革命及其影响第1页，共44页，编辑于2022年，星期三 这场危机是由这场危机是由“以太以太”漂移实验和对黑体辐射现象的研究引起的。漂移实验和对黑体辐射现象的研究引起的。这两个实验发展出量子力学和相对论，而量子力学和相对论正是构成这两个实验发展出量子力学和相对论，而量子力学和相对论正是构成近代物理学新摩天大厦的两大支柱。近代物理学新摩天大厦的两大支柱。百年之后的今天，当我们回顾那个历史时刻时，当时物理学百年之后的今天，当我们回顾那个历史时刻时，当时物理学所面临的形势，岂止是像人们形容的山雨欲来风满楼，更像是坐所面临的形势，岂止是像人们形容的山雨欲来风满楼，更像是坐在即将喷发的火山口上
2、，隆隆雷声，滚滚地火，没多久爆发了一在即将喷发的火山口上，隆隆雷声，滚滚地火，没多久爆发了一场伟大而深刻的科学革命，导致了现代物理学的诞生，更使人类场伟大而深刻的科学革命，导致了现代物理学的诞生，更使人类的社会生活发生了翻天覆地的、不同于历史上以往的变化。而在的社会生活发生了翻天覆地的、不同于历史上以往的变化。而在当时居然有那么多大科学家具有那样的物理学已经达到终极的认当时居然有那么多大科学家具有那样的物理学已经达到终极的认识，这在物理学的发展史，乃至人类的思想史上，是否具有深刻识，这在物理学的发展史，乃至人类的思想史上，是否具有深刻的教益呢？的教益呢？第2页，共44页，编辑于2022年，星期
3、三5.1 5.1 5.1 5.1 相对论相对论相对论相对论 相对论是近代物理学和科学技术的重要理论基础之一。相对论的诞生，不相对论是近代物理学和科学技术的重要理论基础之一。相对论的诞生，不相对论是近代物理学和科学技术的重要理论基础之一。相对论的诞生，不相对论是近代物理学和科学技术的重要理论基础之一。相对论的诞生，不仅大大地推动了自然科学和技术的发展，而且在哲学世界观方面具有非常仅大大地推动了自然科学和技术的发展，而且在哲学世界观方面具有非常仅大大地推动了自然科学和技术的发展，而且在哲学世界观方面具有非常仅大大地推动了自然科学和技术的发展，而且在哲学世界观方面具有非常重大的意义，为辩证唯物主义的
4、时空观提供了坚实的科学依据。重大的意义，为辩证唯物主义的时空观提供了坚实的科学依据。重大的意义，为辩证唯物主义的时空观提供了坚实的科学依据。重大的意义，为辩证唯物主义的时空观提供了坚实的科学依据。第3页，共44页，编辑于2022年，星期三5.1.1 5.1.1 5.1.1 5.1.1 狭义相对论产生的历史背景狭义相对论产生的历史背景狭义相对论产生的历史背景狭义相对论产生的历史背景测量测量测量测量“以太风以太风以太风以太风”的迈克尔孙的迈克尔孙的迈克尔孙的迈克尔孙-莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊莫雷莫雷莫雷莫雷第4页，共44页，编辑于2022年，星期三 实验结果
5、表明实验结果表明实验结果表明实验结果表明“以太风以太风以太风以太风”并不存在，宣告经典物理学的理并不存在，宣告经典物理学的理并不存在，宣告经典物理学的理并不存在，宣告经典物理学的理论预言同实验结果是不相符的论预言同实验结果是不相符的论预言同实验结果是不相符的论预言同实验结果是不相符的零结果。零结果。零结果。零结果。有关黑体辐射的实验结果也与经典物理学理论发生了尖有关黑体辐射的实验结果也与经典物理学理论发生了尖有关黑体辐射的实验结果也与经典物理学理论发生了尖有关黑体辐射的实验结果也与经典物理学理论发生了尖锐的矛盾。锐的矛盾。锐的矛盾。锐的矛盾。这两个问题被英国物理学家这两个问题被英国物理学家这两
6、个问题被英国物理学家这两个问题被英国物理学家汤姆孙称为物理学晴朗天空中汤姆孙称为物理学晴朗天空中汤姆孙称为物理学晴朗天空中汤姆孙称为物理学晴朗天空中的的的的“两朵乌云两朵乌云两朵乌云两朵乌云”。第5页，共44页，编辑于2022年，星期三 洛伦兹的工作：在迈克尔孙洛伦兹的工作：在迈克尔孙洛伦兹的工作：在迈克尔孙洛伦兹的工作：在迈克尔孙-莫雷实验后，洛伦兹为了莫雷实验后，洛伦兹为了莫雷实验后，洛伦兹为了莫雷实验后，洛伦兹为了支持支持支持支持“以太以太以太以太”存在的说法，引入了存在的说法，引入了存在的说法，引入了存在的说法，引入了“长度收缩长度收缩长度收缩长度收缩”的假设，的假设，的假设，的假设，
7、并提出了著名的洛伦兹变换。洛伦兹的工作，最后被爱因并提出了著名的洛伦兹变换。洛伦兹的工作，最后被爱因并提出了著名的洛伦兹变换。洛伦兹的工作，最后被爱因并提出了著名的洛伦兹变换。洛伦兹的工作，最后被爱因斯坦的狭义相对论所取代，但是斯坦的狭义相对论所取代，但是斯坦的狭义相对论所取代，但是斯坦的狭义相对论所取代，但是他的贡献不可忽视。他的贡献不可忽视。他的贡献不可忽视。他的贡献不可忽视。建立相对论的重任就最终落建立相对论的重任就最终落建立相对论的重任就最终落建立相对论的重任就最终落在了爱因斯坦的肩头。在了爱因斯坦的肩头。在了爱因斯坦的肩头。在了爱因斯坦的肩头。洛伦兹洛伦兹洛伦兹洛伦兹第6页，共44页
8、，编辑于2022年，星期三 爱因斯坦认为，自然界的物质运动是统一的，作爱因斯坦认为，自然界的物质运动是统一的，作为自然规律正确反映的科学理论就要显示出应有为自然规律正确反映的科学理论就要显示出应有的简单性来。具体到经典力学，他认为力学的伽的简单性来。具体到经典力学，他认为力学的伽利略相对性原理就体现了简单性思想。因此他提利略相对性原理就体现了简单性思想。因此他提出了狭义相对论的两条基本原理。出了狭义相对论的两条基本原理。第7页，共44页，编辑于2022年，星期三5.1.2 5.1.2 5.1.2 5.1.2 狭义相对论的创立狭义相对论的创立狭义相对论的创立狭义相对论的创立（一）狭义相对论的基本
9、原理（一）狭义相对论的基本原理（一）狭义相对论的基本原理（一）狭义相对论的基本原理 爱因斯坦认为：我们应该毫无保留地爱因斯坦认为：我们应该毫无保留地爱因斯坦认为：我们应该毫无保留地爱因斯坦认为：我们应该毫无保留地 接受这样的事实，并且应将其提升为接受这样的事实，并且应将其提升为接受这样的事实，并且应将其提升为接受这样的事实，并且应将其提升为 公理，从而得到了狭义相对论的一条公理，从而得到了狭义相对论的一条公理，从而得到了狭义相对论的一条公理，从而得到了狭义相对论的一条 基本原理基本原理基本原理基本原理光速不变原理：在彼此光速不变原理：在彼此光速不变原理：在彼此光速不变原理：在彼此 相对作匀速直
10、线运动的任一惯性参考相对作匀速直线运动的任一惯性参考相对作匀速直线运动的任一惯性参考相对作匀速直线运动的任一惯性参考 系中，所测得的光速都是相同的。系中，所测得的光速都是相同的。系中，所测得的光速都是相同的。系中，所测得的光速都是相同的。爱因斯坦，深邃的目光，洞爱因斯坦，深邃的目光，洞爱因斯坦，深邃的目光，洞爱因斯坦，深邃的目光，洞悉宇宙奥秘。悉宇宙奥秘。悉宇宙奥秘。悉宇宙奥秘。第8页，共44页，编辑于2022年，星期三爱因斯坦摒弃了爱因斯坦摒弃了爱因斯坦摒弃了爱因斯坦摒弃了“绝对静止绝对静止绝对静止绝对静止”的概念，而的概念，而的概念，而的概念，而将相对性原理保留、推广为狭义相对论将相对性原
11、理保留、推广为狭义相对论将相对性原理保留、推广为狭义相对论将相对性原理保留、推广为狭义相对论的另一条基本原理的另一条基本原理的另一条基本原理的另一条基本原理狭义相对性原理：狭义相对性原理：狭义相对性原理：狭义相对性原理：一切彼此作匀速直线运动的参考系，对一切彼此作匀速直线运动的参考系，对一切彼此作匀速直线运动的参考系，对一切彼此作匀速直线运动的参考系，对于描述运动的一切规律来说都是等价的。于描述运动的一切规律来说都是等价的。于描述运动的一切规律来说都是等价的。于描述运动的一切规律来说都是等价的。这表明，绝对静止的参考系是不存在的。这表明，绝对静止的参考系是不存在的。这表明，绝对静止的参考系是不
12、存在的。这表明，绝对静止的参考系是不存在的。第9页，共44页，编辑于2022年，星期三 两条基本原理的提出，奠定了狭义相对论的理论基础。而建立相对两条基本原理的提出，奠定了狭义相对论的理论基础。而建立相对两条基本原理的提出，奠定了狭义相对论的理论基础。而建立相对两条基本原理的提出，奠定了狭义相对论的理论基础。而建立相对论的突破口，则是千百年来人们所习惯的盲目的论的突破口，则是千百年来人们所习惯的盲目的论的突破口，则是千百年来人们所习惯的盲目的论的突破口，则是千百年来人们所习惯的盲目的“同时性同时性同时性同时性”观念的观念的观念的观念的推翻。推翻。推翻。推翻。以光速不变原理和力学相对性原理为前提
13、，经过严密的逻辑与以光速不变原理和力学相对性原理为前提，经过严密的逻辑与以光速不变原理和力学相对性原理为前提，经过严密的逻辑与以光速不变原理和力学相对性原理为前提，经过严密的逻辑与数学论证，爱因斯坦于数学论证，爱因斯坦于数学论证，爱因斯坦于数学论证，爱因斯坦于19051905年终于创立了狭义相对论。年终于创立了狭义相对论。年终于创立了狭义相对论。年终于创立了狭义相对论。第10页，共44页，编辑于2022年，星期三（二）狭义相对论的主要结论及其意义（二）狭义相对论的主要结论及其意义（二）狭义相对论的主要结论及其意义（二）狭义相对论的主要结论及其意义 狭义相对论的核心内容，是它所给出的一组新的坐标
14、狭义相对论的核心内容，是它所给出的一组新的坐标狭义相对论的核心内容，是它所给出的一组新的坐标狭义相对论的核心内容，是它所给出的一组新的坐标 变换关系变换关系变换关系变换关系洛伦兹变换。洛伦兹变换。洛伦兹变换。洛伦兹变换。发生在空间发生在空间发生在空间发生在空间-时间中的一个事件，在时间中的一个事件，在时间中的一个事件，在时间中的一个事件，在S S S S参考系中记为（参考系中记为（参考系中记为（参考系中记为（x,y,z,tx,y,z,tx,y,z,tx,y,z,t）,在在在在SSSS系（相对系（相对系（相对系（相对S S S S系沿系沿系沿系沿x x x x轴以速度轴以速度轴以速度轴以速度 做
15、匀速运做匀速运做匀速运做匀速运 动）中动）中动）中动）中记为（记为（记为（记为（x,y,z,tx,y,z,tx,y,z,tx,y,z,t）,它们之间的变换关系在狭义相它们之间的变换关系在狭义相它们之间的变换关系在狭义相它们之间的变换关系在狭义相 对论中由光速不变原理可导出为：对论中由光速不变原理可导出为：对论中由光速不变原理可导出为：对论中由光速不变原理可导出为：第11页，共44页，编辑于2022年，星期三从从从从S S S S系系系系 系：系：系：系：从从从从SSSS系系系系S S S S系：系：系：系：上述变换称为洛伦兹变换，是一个线性变换。上述变换称为洛伦兹变换，是一个线性变换。上述变换
16、称为洛伦兹变换，是一个线性变换。上述变换称为洛伦兹变换，是一个线性变换。第12页，共44页，编辑于2022年，星期三由洛伦兹变换得到的一些结论：由洛伦兹变换得到的一些结论：由洛伦兹变换得到的一些结论：由洛伦兹变换得到的一些结论：1.1.1.1.物体在运动方向上的收缩物体在运动方向上的收缩物体在运动方向上的收缩物体在运动方向上的收缩 测量一个物体的长度即空间间隔的办法是同时即当测量一个物体的长度即空间间隔的办法是同时即当测量一个物体的长度即空间间隔的办法是同时即当测量一个物体的长度即空间间隔的办法是同时即当t t t t1 1 1 1=t t t t2 2 2 2时测量时测量时测量时测量它两端的
17、坐标，若所测坐标为它两端的坐标，若所测坐标为它两端的坐标，若所测坐标为它两端的坐标，若所测坐标为x x x x1 1 1 1和和和和x x x x2 2 2 2，则物体长度为，则物体长度为，则物体长度为，则物体长度为l l l l0 0 0 0=x x x x2 2 2 2-x x x x1 1 1 1。若。若。若。若物体相对物体相对物体相对物体相对SSSS系静止而相对于系静止而相对于系静止而相对于系静止而相对于S S S S系以系以系以系以 速度运动，根据洛伦兹速度运动，根据洛伦兹速度运动，根据洛伦兹速度运动，根据洛伦兹变化公式得到变化公式得到变化公式得到变化公式得到 l l l l=l l
18、 l l0 0 0 0(1-(1-(1-(1-v v v v2 2 2 2/c c c c2 2 2 2)1/21/21/21/2 由此看出，在由此看出，在由此看出，在由此看出，在S S S S系中测量运动的物体的长度系中测量运动的物体的长度系中测量运动的物体的长度系中测量运动的物体的长度l l l l，比其静止时的长，比其静止时的长，比其静止时的长，比其静止时的长度度度度l l l l0 0 0 0缩短了。相对论的这种效应，我们称为空间间隔的缩短了。相对论的这种效应，我们称为空间间隔的缩短了。相对论的这种效应，我们称为空间间隔的缩短了。相对论的这种效应，我们称为空间间隔的“尺尺尺尺缩效应缩效
19、应缩效应缩效应”。第13页，共44页，编辑于2022年，星期三 2.2.运动时钟的延缓运动时钟的延缓运动时钟的延缓运动时钟的延缓 设设设设SSSS系相对系相对系相对系相对S S S S系沿系沿系沿系沿x x x x轴以速度轴以速度轴以速度轴以速度 运动。在运动。在运动。在运动。在S S S S系中观察者甲看系中观察者甲看系中观察者甲看系中观察者甲看SSSS系系系系中乙的钟时，乙钟坐标中乙的钟时，乙钟坐标中乙的钟时，乙钟坐标中乙的钟时，乙钟坐标x x x x保持不变。保持不变。保持不变。保持不变。由此看出，在由此看出，在由此看出，在由此看出，在S S S S系中静止的观察者看来，相对系中静止的观
20、察者看来，相对系中静止的观察者看来，相对系中静止的观察者看来，相对S S S S系运动的惯性系运动的惯性系运动的惯性系运动的惯性系系系系SSSS中的时钟变慢了，这种现象被称为时间间隔的中的时钟变慢了，这种现象被称为时间间隔的中的时钟变慢了，这种现象被称为时间间隔的中的时钟变慢了，这种现象被称为时间间隔的“钟慢钟慢钟慢钟慢效应效应效应效应”。第14页，共44页，编辑于2022年，星期三 尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，但它与牛顿的引力定律不相容。
21、牛顿的引力理论表明，但它与牛顿的引力定律不相容。牛顿的引力理论表明，但它与牛顿的引力定律不相容。牛顿的引力理论表明，但它与牛顿的引力定律不相容。牛顿的引力理论表明，如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中引力场的改如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中引力场的改如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中引力场的改如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中引力场的改变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传播更快的信号（这是为相对论所不容的），而且需要播更快的信号（这是为相
22、对论所不容的），而且需要播更快的信号（这是为相对论所不容的），而且需要播更快的信号（这是为相对论所不容的），而且需要绝对或普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。绝对或普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。绝对或普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。绝对或普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。第15页，共44页，编辑于2022年，星期三 1911 1911 1911 1911年，爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识到年，爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识到年，爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识到年，爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识到加速与引力场的密切关系，在密封厢中的人，
23、无法区分加速与引力场的密切关系，在密封厢中的人，无法区分加速与引力场的密切关系，在密封厢中的人，无法区分加速与引力场的密切关系，在密封厢中的人，无法区分他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结果，还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。果，还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。果，还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。果，还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。于是他提出了引力与加速度等效原理。并用黎曼几何处于是他提出了引力
24、与加速度等效原理。并用黎曼几何处于是他提出了引力与加速度等效原理。并用黎曼几何处于是他提出了引力与加速度等效原理。并用黎曼几何处理弯曲四维空间，创立了理弯曲四维空间，创立了理弯曲四维空间，创立了理弯曲四维空间，创立了广义相对论广义相对论广义相对论广义相对论。1915 1915年爱因斯坦把狭义相对论原理推广到更一般的情况，年爱因斯坦把狭义相对论原理推广到更一般的情况，即非惯性系中，建立了广义相对论即非惯性系中，建立了广义相对论。第16页，共44页，编辑于2022年，星期三5.1.3 5.1.3 5.1.3 5.1.3 广义相对论的建立广义相对论的建立广义相对论的建立广义相对论的建立 爱因斯坦认为
25、运动的相对性原理必须进一步推广，即自然爱因斯坦认为运动的相对性原理必须进一步推广，即自然爱因斯坦认为运动的相对性原理必须进一步推广，即自然爱因斯坦认为运动的相对性原理必须进一步推广，即自然定律对于任何参考系而言都应具有相同的数学形式。这一定律对于任何参考系而言都应具有相同的数学形式。这一定律对于任何参考系而言都应具有相同的数学形式。这一定律对于任何参考系而言都应具有相同的数学形式。这一思想被爱因斯坦提升为广义相对论一条基本原理思想被爱因斯坦提升为广义相对论一条基本原理思想被爱因斯坦提升为广义相对论一条基本原理思想被爱因斯坦提升为广义相对论一条基本原理广义广义广义广义协变原理。协变原理。协变原理
26、。协变原理。然而完成从惯性系向非惯性系的过渡，还需要另一然而完成从惯性系向非惯性系的过渡，还需要另一条基本原理即等效原理的保证。条基本原理即等效原理的保证。第17页，共44页，编辑于2022年，星期三 等效原理是爱因斯坦关于把惯性质量和引力质量等同起等效原理是爱因斯坦关于把惯性质量和引力质量等同起来，或把加速度与引力场等同起来的假设。它的成立是来，或把加速度与引力场等同起来的假设。它的成立是以如下的事实为基础的，那就是指在一个有限大小的体以如下的事实为基础的，那就是指在一个有限大小的体积范围内，万有引力和某一加速系统的惯性力相互等效，积范围内，万有引力和某一加速系统的惯性力相互等效，或者说物体
27、的惯性质量与引力质量相等。或者说物体的惯性质量与引力质量相等。以等效原理和广义协变原理为基础，借助于新的数学工具黎曼以等效原理和广义协变原理为基础，借助于新的数学工具黎曼以等效原理和广义协变原理为基础，借助于新的数学工具黎曼以等效原理和广义协变原理为基础，借助于新的数学工具黎曼几何，爱因斯坦与几何，爱因斯坦与几何，爱因斯坦与几何，爱因斯坦与1916191619161916年建立起广义相对论的理论大厦，进一年建立起广义相对论的理论大厦，进一年建立起广义相对论的理论大厦，进一年建立起广义相对论的理论大厦，进一步揭示出时间、空间的根本属性及其与物质分布、物质运动之步揭示出时间、空间的根本属性及其与物
28、质分布、物质运动之步揭示出时间、空间的根本属性及其与物质分布、物质运动之步揭示出时间、空间的根本属性及其与物质分布、物质运动之间内在的深刻联系。间内在的深刻联系。间内在的深刻联系。间内在的深刻联系。第18页，共44页，编辑于2022年，星期三 广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星的近日点的的近日点的摄动摄动摄动摄动，第二个预言是，光线在引力场中将发，第二个预言是，光线在引力场中将发，第二个预言是，光线在引力场中将发，第二个预言是，光线在引力场中将发生偏转。第三个预言通常被称为谱线生偏转。第三个预言通常被称为谱线生偏转。第三个预言通常被称为
29、谱线生偏转。第三个预言通常被称为谱线“红移红移红移红移”，即恒星，即恒星，即恒星，即恒星辐射总是背离我们而去。辐射总是背离我们而去。辐射总是背离我们而去。辐射总是背离我们而去。第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在1919191919191919年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。
30、两支观测队分别出发，一个太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发，一个太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发，一个太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发，一个派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相符，立即震撼了全世界的科学家和公众。符，立即震撼
31、了全世界的科学家和公众。符，立即震撼了全世界的科学家和公众。符，立即震撼了全世界的科学家和公众。第19页，共44页，编辑于2022年，星期三 相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和空间的传统统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和空间的传统统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和空间的传统统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和空间的传统看法即绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充
32、看法即绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充看法即绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充看法即绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充分的科学依据。分的科学依据。分的科学依据。分的科学依据。爱因斯坦当选爱因斯坦当选爱因斯坦当选爱因斯坦当选“20“20世纪风云人物世纪风云人物世纪风云人物世纪风云人物”,”,实至名望所归。实至名望所归。实至名望所归。实至名望所归。第20页，共44页，编辑于2022年，星期三5.2 5.2 5.2 5.2 量子力学量子力学量子力学量子力学 量子力学是研究微观粒子如电子、原子、分子等运动规量子力学是研究微观粒子如电子、原子、分子等运动规量子力学是研究微
33、观粒子如电子、原子、分子等运动规量子力学是研究微观粒子如电子、原子、分子等运动规律的理论，它是现代物理学的又一重要基础理论，极大律的理论，它是现代物理学的又一重要基础理论，极大律的理论，它是现代物理学的又一重要基础理论，极大律的理论，它是现代物理学的又一重要基础理论，极大地推动着现代科学技术的迅猛发展。如原子能技术的开地推动着现代科学技术的迅猛发展。如原子能技术的开地推动着现代科学技术的迅猛发展。如原子能技术的开地推动着现代科学技术的迅猛发展。如原子能技术的开发、激光的问世、大规模集成电路的建立等，无一不以发、激光的问世、大规模集成电路的建立等，无一不以发、激光的问世、大规模集成电路的建立等，
34、无一不以发、激光的问世、大规模集成电路的建立等，无一不以量子理论为前提，同时。量子力学也对人们的哲学世界量子理论为前提，同时。量子力学也对人们的哲学世界量子理论为前提，同时。量子力学也对人们的哲学世界量子理论为前提，同时。量子力学也对人们的哲学世界观产生着深远的影响，并为观产生着深远的影响，并为观产生着深远的影响，并为观产生着深远的影响，并为辩证唯物主义自然观辩证唯物主义自然观辩证唯物主义自然观辩证唯物主义自然观提供了提供了重要的科学依据。重要的科学依据。第21页，共44页，编辑于2022年，星期三5.2.1 5.2.1 5.2.1 5.2.1 量子力学产生的历史背景量子力学产生的历史背景量子
35、力学产生的历史背景量子力学产生的历史背景 量子力学产生于量子力学产生于1919世纪末飘荡在物理学晴朗天空中世纪末飘荡在物理学晴朗天空中的另外一朵乌云即所谓的的另外一朵乌云即所谓的“紫外灾难紫外灾难”！物理学中为了研究物体的吸收和辐射的规律，构造了一种物理学中为了研究物体的吸收和辐射的规律，构造了一种物理学中为了研究物体的吸收和辐射的规律，构造了一种物理学中为了研究物体的吸收和辐射的规律，构造了一种理想模型，称为黑体。它能百分之百地吸收辐射到它上面的电理想模型，称为黑体。它能百分之百地吸收辐射到它上面的电理想模型，称为黑体。它能百分之百地吸收辐射到它上面的电理想模型，称为黑体。它能百分之百地吸收
36、辐射到它上面的电磁波，并且在同样温度下，它所发出的电磁波即热辐射也比其磁波，并且在同样温度下，它所发出的电磁波即热辐射也比其磁波，并且在同样温度下，它所发出的电磁波即热辐射也比其磁波，并且在同样温度下，它所发出的电磁波即热辐射也比其他任何物体都强。他任何物体都强。他任何物体都强。他任何物体都强。第22页，共44页，编辑于2022年，星期三自然界中没有绝对的、真正的理想黑体，但人们可以构造与黑体性质相似的自然界中没有绝对的、真正的理想黑体，但人们可以构造与黑体性质相似的自然界中没有绝对的、真正的理想黑体，但人们可以构造与黑体性质相似的自然界中没有绝对的、真正的理想黑体，但人们可以构造与黑体性质相
37、似的物体物体物体物体 一种只在表面上开一小孔的空腔：任何辐射进入小孔后，在空腔内一种只在表面上开一小孔的空腔：任何辐射进入小孔后，在空腔内一种只在表面上开一小孔的空腔：任何辐射进入小孔后，在空腔内一种只在表面上开一小孔的空腔：任何辐射进入小孔后，在空腔内进行多次反射和吸收，很难再有机会从小孔射出，犹如辐射被完全吸收一样。进行多次反射和吸收，很难再有机会从小孔射出，犹如辐射被完全吸收一样。进行多次反射和吸收，很难再有机会从小孔射出，犹如辐射被完全吸收一样。进行多次反射和吸收，很难再有机会从小孔射出，犹如辐射被完全吸收一样。黑体辐射黑体辐射黑体辐射黑体辐射第23页，共44页，编辑于2022年，星期
38、三 19 19世纪末热辐射研究的根本问题是如何从理论上来解释实验结果所反映世纪末热辐射研究的根本问题是如何从理论上来解释实验结果所反映世纪末热辐射研究的根本问题是如何从理论上来解释实验结果所反映世纪末热辐射研究的根本问题是如何从理论上来解释实验结果所反映的热辐射的特征。首先是德国的维恩得到的经验公式，它在频率高、温的热辐射的特征。首先是德国的维恩得到的经验公式，它在频率高、温的热辐射的特征。首先是德国的维恩得到的经验公式，它在频率高、温的热辐射的特征。首先是德国的维恩得到的经验公式，它在频率高、温度较低时与实验事实相符，而在低温范围内与实验显著不同。后来，英度较低时与实验事实相符，而在低温范围
39、内与实验显著不同。后来，英度较低时与实验事实相符，而在低温范围内与实验显著不同。后来，英度较低时与实验事实相符，而在低温范围内与实验显著不同。后来，英国的瑞利和金斯又得到一个公式，它在低频范围、温度较高时与实验值国的瑞利和金斯又得到一个公式，它在低频范围、温度较高时与实验值国的瑞利和金斯又得到一个公式，它在低频范围、温度较高时与实验值国的瑞利和金斯又得到一个公式，它在低频范围、温度较高时与实验值相符，在高频范围与实验差距甚大。相符，在高频范围与实验差距甚大。相符，在高频范围与实验差距甚大。相符，在高频范围与实验差距甚大。维维维维恩恩恩恩瑞瑞瑞瑞利利利利第24页，共44页，编辑于2022年，星期
40、三经典物理学因无法解释这一现象而再次陷入困境，经典物理学因无法解释这一现象而再次陷入困境，经典物理学因无法解释这一现象而再次陷入困境，经典物理学因无法解释这一现象而再次陷入困境，这一困难就称为这一困难就称为这一困难就称为这一困难就称为“紫外灾难紫外灾难紫外灾难紫外灾难”。第25页，共44页，编辑于2022年，星期三5.2.2 5.2.2 5.2.2 5.2.2 量子力学的建立量子力学的建立量子力学的建立量子力学的建立（一）量子假说的提出（一）量子假说的提出（一）量子假说的提出（一）量子假说的提出 1900 1900 1900 1900年德国物理学家普朗克放弃经典的能量均分原理，提出了年德国物理
41、学家普朗克放弃经典的能量均分原理，提出了年德国物理学家普朗克放弃经典的能量均分原理，提出了年德国物理学家普朗克放弃经典的能量均分原理，提出了“能量子能量子能量子能量子”假说：假说：假说：假说：1.1.黑体的腔壁是由无数电谐振子组成的，这些谐振子不黑体的腔壁是由无数电谐振子组成的，这些谐振子不断吸收和辐射电磁波并与腔内辐射场交换能量。断吸收和辐射电磁波并与腔内辐射场交换能量。2.2.2.2.这些谐振子具有的能量是分立的，它们只能是一个最小这些谐振子具有的能量是分立的，它们只能是一个最小这些谐振子具有的能量是分立的，它们只能是一个最小这些谐振子具有的能量是分立的，它们只能是一个最小能量能量能量能量
42、E E E E的整数倍。当振子与腔内交换能量时，能量的改变值只的整数倍。当振子与腔内交换能量时，能量的改变值只的整数倍。当振子与腔内交换能量时，能量的改变值只的整数倍。当振子与腔内交换能量时，能量的改变值只能是能是能是能是E E E E 的整数倍，表示为公式即的整数倍，表示为公式即 E E E En n n n=nh nh nh nh(n n=0,1,2,3,)=0,1,2,3,)=0,1,2,3,)=0,1,2,3,)式中式中式中式中n n n n为量子数，为量子数，为量子数，为量子数，h h h h为普朗克常量，为频率。为普朗克常量，为频率。为普朗克常量，为频率。为普朗克常量，为频率。第2
43、6页，共44页，编辑于2022年，星期三 普朗克将这个不可分的能量最小单元称为普朗克将这个不可分的能量最小单元称为普朗克将这个不可分的能量最小单元称为普朗克将这个不可分的能量最小单元称为“能量子能量子能量子能量子”或或或或“量子量子量子量子”，称称称称E E E En n n n中每一个可能的能量状态为一个量子态。这种不连续的能中每一个可能的能量状态为一个量子态。这种不连续的能中每一个可能的能量状态为一个量子态。这种不连续的能中每一个可能的能量状态为一个量子态。这种不连续的能量状态称为量状态称为量状态称为量状态称为“量子化量子化量子化量子化”的状态。的状态。的状态。的状态。普朗克提出的能量子假
44、说普朗克提出的能量子假说普朗克提出的能量子假说普朗克提出的能量子假说,说明振说明振说明振说明振子吸收和辐射能量的过程不是连续子吸收和辐射能量的过程不是连续子吸收和辐射能量的过程不是连续子吸收和辐射能量的过程不是连续进行的。而是以能量子的整数倍跳进行的。而是以能量子的整数倍跳进行的。而是以能量子的整数倍跳进行的。而是以能量子的整数倍跳跃进行的，从而揭示了微观领域中跃进行的，从而揭示了微观领域中跃进行的，从而揭示了微观领域中跃进行的，从而揭示了微观领域中的新的奥妙，并宣告了量子论的诞的新的奥妙，并宣告了量子论的诞的新的奥妙，并宣告了量子论的诞的新的奥妙，并宣告了量子论的诞生。生。生。生。第27页，
45、共44页，编辑于2022年，星期三（二）光的波粒二象性的发现（二）光的波粒二象性的发现 光电效应最早是由赫兹于光电效应最早是由赫兹于光电效应最早是由赫兹于光电效应最早是由赫兹于18871887年发现的，它指的是某些年发现的，它指的是某些年发现的，它指的是某些年发现的，它指的是某些物体如金属内的电子由于光照而移出物体表面的现象。物体如金属内的电子由于光照而移出物体表面的现象。物体如金属内的电子由于光照而移出物体表面的现象。物体如金属内的电子由于光照而移出物体表面的现象。在光电效应中，物体释放出的电子称为光电子，光电子在光电效应中，物体释放出的电子称为光电子，光电子在光电效应中，物体释放出的电子称
46、为光电子，光电子在光电效应中，物体释放出的电子称为光电子，光电子运动形成的电流称为光电流。运动形成的电流称为光电流。运动形成的电流称为光电流。运动形成的电流称为光电流。赫赫赫赫兹兹兹兹光电效应光电效应光电效应光电效应第28页，共44页，编辑于2022年，星期三 爱因斯坦提出爱因斯坦提出“光量子光量子”的概念来解释光电效应的概念来解释光电效应中的新现象。他假设光是以速度中的新现象。他假设光是以速度c在真空中运动在真空中运动着的微粒流，这些微粒称为着的微粒流，这些微粒称为“光量子光量子”或或“光子光子”，每个光量子不仅具有能量，每个光量子不仅具有能量E，而且也具有动，而且也具有动量量 p，光子的，
47、光子的 E和和 p与它相应的光波的频率与它相应的光波的频率和和波长波长的关系为的关系为 E=h ,p=h/式中式中h为为普朗克常量。普朗克常量。第29页，共44页，编辑于2022年，星期三 爱爱爱爱因斯坦的光量子假因斯坦的光量子假因斯坦的光量子假因斯坦的光量子假说说说说被康普被康普被康普被康普顿顿顿顿效效效效应应应应所所所所证实证实证实证实，光的粒子，光的粒子，光的粒子，光的粒子说终说终说终说终于得以复于得以复于得以复于得以复兴兴兴兴。光既非。光既非。光既非。光既非经经经经典的粒子也非典的粒子也非典的粒子也非典的粒子也非经经经经典的波：它典的波：它典的波：它典的波：它有有有有时时时时表表表表现
48、现现现出粒子性，有出粒子性，有出粒子性，有出粒子性，有时时时时表表表表现现现现出波出波出波出波动动动动性，光的性，光的性，光的性，光的这这这这种特性种特性种特性种特性被称被称被称被称为为为为第30页，共44页，编辑于2022年，星期三（三）关于原子结构问题的探索（三）关于原子结构问题的探索（三）关于原子结构问题的探索（三）关于原子结构问题的探索 1911年，英国的卢瑟福提出一个广为人们接受的原年，英国的卢瑟福提出一个广为人们接受的原子核式结构模型，即认为原子中带正电的部分集中子核式结构模型，即认为原子中带正电的部分集中在原子的核心部分，称为原子核；电子分布在原子在原子的核心部分，称为原子核；电
49、子分布在原子核外，并绕原子核作旋转运动。核外，并绕原子核作旋转运动。卢瑟福卢瑟福卢瑟福卢瑟福发现原子核式结构发现原子核式结构发现原子核式结构发现原子核式结构第31页，共44页，编辑于2022年，星期三（四）物质波概念的提出（四）物质波概念的提出（四）物质波概念的提出（四）物质波概念的提出 在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于一些经典理
50、论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923192319231923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒光具有波粒二象性一样，实体的微粒光具有波粒二象性一样，实体的微粒光具有波粒二象性一样，实体的微粒(如电子、原子等如电子、原子等如电子、原子等如电子、原子等)也具有也具有也具有也具有这种性质，既具有粒子性也具有波动性。这种性质，既具