第三章相对论与量子论.ppt

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1、第三章 相对论与量子论,物理学简介现代物理学的发展第一节 揭开现代物理学发展序幕的“三大发现”第二节 相对论与现代时空观 第三节 量子论与现代高新技术,物理学简介,什么是物理学？物理学是研究物质的最基本、最普遍的运动形式以及物质的基本结构的科学。物理学与其它科学地关系：1、物理学是最基本的科学。2、物理学是最古老、然而发展最快的科学。3、物理学提供最多、最基本的科学研究手段。物理学已成为实验物理、理论物理、计算物理三足鼎立的科学。经典力学（牛顿力学）物理学的重大基础理论：统计力学（热力学）电磁学 相对论 量子论,经典物理学1619世纪,现代物理学（19世纪末、20世纪初开始）,第一节 揭开现代

2、物理学发展序幕的“三大发现”,19世纪末，物理学实验中的两朵乌云：（1）热辐射实验中出现的“紫外灾难”问题；（2）迈克尔逊莫雷实验所研究的“以太”问题。,真空放电实验,阴极射线,发现,X射线和电子,研究,放射性,对X射线的研究,美国物理学家。曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席、美国科学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家学会会员，1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。主要从事光学和光谱学方面的研究，以毕生精力从事光速的精密测量。1887年他与莫雷合作，进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验，这是一个最重大的否定性实验，它否定了“以太”的存在。,迈克耳逊,迈克尔逊在1907年荣获诺贝尔物理学奖。,

3、一、X射线的发现,二、天然放射性的发现 放射性是指物质能自发放射出某种射线的性质。1896年初，法国科学院院士、著名物理学家彭加勒。,1895年，德国维尔茨堡大学校长兼物理所所长、物理学教授伦琴在重复阴极射线实验时，发现了X射线。X射线实质上是一种波长很短的电磁波。1901年，伦琴获得第一个诺贝尔物理学奖。,法国物理学家贝克勒尔,铀盐的放射性,居里夫人和丈夫居里,放射性元素钚和镭,镭的放射性比铀强200多万倍。贝克勒尔、居里和居里夫人共同荣获1903年诺贝尔物理学奖。,法国物理学家朗之万,三、电子的发现,放射性,天然放射性天然放射性元素自发放射的性质。如：铀、镭等,人工放射性通过核反应，利用反

4、应堆、加速 器造出的放射性物质。,英国剑桥大学卡文迪什实验室的教授汤姆逊1897年，汤姆逊和他的学生通过实验测量证实：阴极射线是由带负电微粒组成的粒子流。这种“微粒”即电子。1906年，汤姆逊由于发现电子而荣获诺贝尔物理学奖。他被誉为“最先打开通向粒子物理学大门的伟人。”,1909年，美国物理学家密立根,密立根油滴实验,测得了电子电荷的精确值e，算出电子的质量m。证明了一个电子所带的电量是电荷的最基本单位。,三大发现把人们的视野由宏观领域引向微观领域。,第二节 相对论与现代时空观,相对论,狭义相对论-一种新的时空理论,广义相对论-一种新的引力理论,一、狭义相对论 1、狭义相对论的创立 2、狭义

5、相对论的两个基本原理（1）相对性原理：一切物理定律（包括力学、电学等）在所有 惯性系中均成立。（2）光速不变原理：光在真空中总是以确定的速度 C=3,m/s传播。,与光源的运动无关。,3、狭义相对论的关键思想 爱因斯坦同时性的定义,（2）在高速运动中，光信号传播所用的时间不能忽略不计。,0,p,r,说明（1）时间和空间是密 不可分的，是相对的。,C,4、狭义相对论的核心方法-洛仑兹变换,伽利略变换,x=x v ty=yz=zt=t,洛仑兹变换,洛仑兹收缩因子,爱因斯坦同时性因子,当 v c 时，洛仑兹变换 伽利略变换,x=x v ty=yz=zt=t,洛仑兹变换,伽利略变换,同时，在洛仑兹变换

6、中,只能取不为,零的实数，表明真空中的光速是物质运动的上限速度。,可见，相对论包含了牛顿力学。,5、狭义相对论的时空观：,空间的相对性-动尺变短。,时间的相对性-动钟变慢。,同时的相对性。,在K系同时t=0,不同地点X0发生,则t0,即在 k 系，不再是同时发生。,对于一只静止在K系中的时钟，它的位置是不变的，即X=0，所以运动的时钟变慢了。,尺静止在 k系中，在 k系中的观察者看来，运动的尺变短了。X为运动长度，x静止长度,6、狭义相对论的主要结论,质速关系,质能关系,m0为物体的静止质量，m为物体的运动质量在相对论中，物体的质量随着运动速度的增加而增加,E运动而增加的能量，m-运动而增加的

7、质量。,1Kg物体包含的静止能量,1Kg汽油的燃烧值,质能关系表明：一个质量为m的物体，具有,的能量。,质能关系的巨大意义,50克物质全部转化为能量，可以将整个西湖里的水加热到沸腾；1千克核物质反应放出的能量相当于1000多吨TNT炸药爆炸放出的能量。,质能关系的产生，意味着原子能时代的到来，然而科学是双韧剑，如何保证原子能的和平利用，是人类特别应当重视的问题。,原子弹,二、广义相对论,1、广义相对论的两个基本原理 广义协变原理：自然规律对于任何参照系而言都应具有 相同的数学形式。等效原理：匀加速参照系与引力场中静止的参照系等效。即：非惯性系与某一引力场等效。2、广义相对论的主要结论（1）引力

8、大的地方时钟走的慢；（2）引力导致空间弯曲。,3、广义相对论的描述：,空间的结构和性质取决于物质的分布，现实存在的空间不是平坦的欧几里得空间，而是四维弯曲的黎曼空间，空间的曲率体现着引力场的强度。广义相对论是牛顿万有引力定律的相对论推广，它成功地解释了牛顿万有引力所不能解释的引力现象-水星轨道近日点的进动;它所预言的光线弯曲效应和引力辐射效应已被实验观测所证实；它所预言的中子星、引力透镜、黑洞等天体也已有了许多证据；它对宇宙论中的“宇宙大爆炸模型”，给出了宇宙演化的一种图象。,关于相对论和爱因斯坦,爱因斯坦是世纪最伟大的科学家逻辑结构之完美实验预言之精确理论容量之深广在人类思想史和科学史上是空

9、前的,第三节 量子理论与现代高新技术,一、量子论的创立1、创立的时代背景2、量子论的诞生（1900年，普朗克提出）二、量子理论的主要内容：1、爱因斯坦的光量子理论（1905年）光的波粒二象性。2、德布罗意物质波理论（1924年）1924年，32岁的法国青年物理学家德布罗意提出：实物粒子：静止质量不为零的微观粒子称为实物粒子。一切实物粒子都具有波粒二象性。德布罗意于1929年获诺贝尔奖，1933年当选为法国科学院院士。,3、海森堡不确定关系,海森堡,矩阵的方式,矩阵力学,不确定关系,量子力学,薛定谔,微分方程的形式,波动力学,薛定谔方程,海森堡于1932年获诺贝尔奖，薛定谔于1933年获诺贝尔奖

10、。,量子力学的创立（1925年）,4、波函数与薛定谔方程,三、量子力学是现代高科技发展的重要基石,量子力学的创立对当代科学技术发展的意义：量子力学的创立，揭示了微观世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学、粒子物理学和半导体物理学的发展奠定了理论基础。量子能带理论的建立，使人们对半导体的性能有了认识，导致了晶体管和大规模集成电路的产生，引导了20世纪微电子技术、激光技术、通信技术等现代高新技术的空前发展。同时，也为超导电性的研究、液晶研究和介观物理研究打开了一扇大门。相对论和量子论，不仅是现代物理学而且也是整个自然科学的两大基石。,20世纪最伟大的科学家爱因斯坦,一、爱因斯坦的贡献二

11、、爱因斯坦的一生三、爱因斯坦的思想,一、爱因斯坦的贡献,有史以来最杰出的十位物理学家：,1.爱因斯坦(美籍德国人，1921*),2.牛顿(英国),3.麦克斯韦(英国),4.玻尔(丹麦，1922),5.海森伯(德国，1932),6.伽利略(意大利),7.费因曼(美国，1965),8.狄拉克(英国，1933),9.薛定谔(奥地利，1933),10.卢瑟福(新，1908),主要贡献,（1）提出光量子假说，解释了光电效应。获得1921年诺贝尔物理奖。（2)分子运动理论，1905年4月、5月、12月他发表了三篇有关布朗运动的论文，为解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题做出了突出贡献

12、。（3)创立狭义相对论 爱因斯坦写了一篇开创物理学纪元的长论文论动体的电动力学，完整地提出狭义相对论。这是他10年酝酿和探索的结果，解决了19世纪末出现的古典物理学的危机，推动了整个物理学理论的革命。,（4）创立广义相对论(5)建立质能关系 1905年9月，爱因斯坦写了一篇短文物体的惯性同它所含的能量有关吗？，作为相对论的一个推论，揭示了质量(m)和能量(E)的相当性：E=mc2，并由此解释了放射性元素（如镭）所以能释放出大量能量的原因。,1932 年爱因斯坦在讲解著名方程E=mc2,（6）激光基础理论,1916年爱因斯坦发表关于辐射的量子理论。文章提出了激光辐射理论，而这正是激光理论的核心基

13、础。因此爱因斯坦被认为是激光之父。在这篇论文中，爱因斯坦区分了三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。前两个概念是已为人所知的。受激辐射是爱因斯坦新发现。受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，放大了。这正是产生激光的基本过程。,（7）开创宇宙学,1917年，爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构，发表了开创性的论文根据广义相对论对宇宙所做的考察。论文分析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念，指出它同牛顿引力理论和广义相对论都是不协调的。他认为，可能的出路是把宇宙看作是一个

14、具有有限空间体积的自身闭合的连续区，以科学论据推论宇宙在空间上是有限无边的，这使宇宙学摆脱了纯粹猜想的思辨，进入现代科学领域。所以称爱因斯坦为宇宙学之父。,（8）统一场论的研究,广义相对论建成后，爱因斯坦依然感到不满足，要把广义相对论再加以推广，使它不仅包括引力场，也包括电磁场。他认为这是相对论发展的第三个阶段，即统一场论。1925年以后，爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。开头几年他非常乐观，以为胜利在望；后来发现困难重重，他认为现有的数学工具不够用；1928年以后转入纯数学的探索。他尝试着用各种方法，但都没有取得具有真正物理意义的结果。,成功的密绝,一个美国记者曾问爱因斯坦关于他成功的秘决。他

15、回答：“早在1901年，我还是二十二岁的青年时，我已经发现了成功的公式。我可以把这公式的秘密告诉你，那就是：A=X+Y+Z!A就是成功，X就是努力工作，Y是懂得休息，Z是少说废话！这公式对我有用，我想对许多人也是一样有用。”,二、爱因斯坦的一生,爱因斯坦出生的房子,阿尔伯特爱因斯坦(18791955)，是20世纪最伟大的自然科学家，物理学革命的旗手。,爱因斯坦1879年3月14日生于德国乌耳姆一个经营电器作坊的小业主家庭。一年后，随全家迁居慕尼黑。父亲和叔父在那里合办一个为电站和照明系统生产电机、弧光灯和电工仪表的电器工厂。,爱因斯坦的父母亲,爱因斯坦的母亲像大多数犹太女性一样，贤慧能干。她的

16、家境优裕，受过良好的教育，文化修养极高，爱文学，更爱音乐。共同的爱好使得爱因斯坦的父母间的关系非常融洽，他们不仅营造了一个充满温馨和谐的爱之屋，更为爱因斯坦的诞生和成长孕育出品味极高的文化氛围。他的父亲是位平静、温顺的好心人，爱好文学和数学。非凡的思维能力、丰富的想象能力，就是爱因斯坦继承父母天赋的明证。,伟人的诞生,爱因斯坦刚出生时，后脑大得不同一般，而且头骨呈棱角形。爱因斯坦的母亲曾为头胎儿子的异样头骨而受惊，爱因斯坦的祖母看到孙子，也低声嘀咕：“太重了！”她担心一个弱小的身躯，如何支撑得住这个硕大的脑袋？,低能儿?,爱因斯坦到了四五岁，还不大会说话。父母亲心里着急：“难道小阿尔伯特是低能

17、儿。”他请来了医生。孩子当然没有病。不善于说话，不喜欢说话，那不是病。爱因斯坦曾对一位物理学界的同行说过：“空间时间是什么，别人在很小的时候就已经搞清楚 了；我智力发育迟，长大了还没有搞清楚，于是一直在揣摩这个问题，结果也就比别人钻研 得深一些。”,童年时代,童年时代的爱因斯坦独来独往，时常故意躲开小伙伴、同学，即使同亲人在一起，他也只是一个沉默的听众。谁要是破坏了他独处的心境，一向沉静的他会突然爆发出激烈的情绪。爱因斯坦的妹妹后来回忆说：“每逢那样的时刻，他会变得脸色苍白，鼻尖发白，不能自制。”爱因斯坦5岁时，父母为他请了一个家庭女教师。第一次上课时，爱因斯坦大概发现自己将失去自由的个人世界

18、，向老师扔椅子以示抗议，父母只好结束这第一次还未开始的教育。,逃离精神牢笼,年月，爱因斯坦一家除爱因斯坦外，迁居意大利。赫尔曼先生在意大利人加罗尼和弟弟雅各布建议下把慕尼黑的工厂搬到意大利。,1895年爱因斯坦16岁。根据法律，男孩只有在岁以前离开 德国才可以不必回来服兵役。由于对军国主义深恶痛绝，爱因斯坦决定离开德国，去意大利与父母团 聚。但半途退学，将来拿不到文凭，情急生计。他请数学老师给他开了张证明，说他数学成绩优异，早达到大学水平。又从一个熟悉的医生那里弄来一张病假证明，说他神经衰弱，需要回家静养。结果训导主任勒令他退学。,奇迹之年,爱因斯坦1905年摄于伯尔尼专利局的办公室。正是爱因

19、斯坦做出相对论等重大发现的“奇迹之年”。,1905年，爱因斯坦在科学史上创造了一个无先例的奇迹。这一年他写了6篇论文，在3月到9月这半年中，利用在专利局每天8小时工作以外的时间，在三个领域作出了四个贡献,具有划时代的意义。,质能关系 1905年9月，爱因斯坦写了一篇短文物体的惯性同它所含的能量有关吗？，作为相对论的一个推论，揭示了质量(m)和能量(E)的相当性：E=mc2，并由此解释了放射性元素（如镭）所以能释放出大量能量的原因。,1932 年爱因斯坦在讲解著名方程E=mc2,普朗克是PHYSIK杂志的主编，他对爱因斯坦的工作给予了高度的评价。,在普朗克获博士学位五十周年纪念会上普朗克向爱因斯

20、坦颁发普朗克奖章,超级巨星的生起,纽约时报在这一年的 11月10日宣布了“爱因斯坦理论的胜利”。布莱恩在书中写道：“许多人都认为他是个超人。不论是在当时还是现在，他的名字都是一种象征，一种人类智力极限的象征。”连续年任英国皇家学会会长汤姆逊说：爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一。,1919年，英国天文学家A.S.爱丁顿等人的日全食观测结果证实了广义相对论。爱因斯坦和相对论在西方一夜之间成了家喻户晓的名词。,对中国的印象,在上海，爱因斯坦虽受到知识文化界的热烈欢迎，但租界的高楼大厦与上海老城的破破 烂烂的木房子的对比太强烈！“他们比印度人更乐观，也更认真。但他们大多数是负担沉重的：男

21、男女女为每日分钱的工资天天在敲石子。他们似乎鲁钝得不理解他们命运的可怕。在上海，欧洲人形成一个统治阶级，而中国人则是他们的奴仆。他们好像是受折磨的、鲁钝的、不开化的民族，而同他们国家的伟大文明的过去好像毫无关系。”,爱因斯坦差点到北大,1924年11月25日，德布罗意在索邦审定委员会上答辨了他的量子理论研究博士论文。学位评审人朗之万把论文内容告诉了爱因斯坦。素来喜欢对称性的爱因斯坦，立即意识到德布罗意思想的深远意义。他赞赏道：“厚幕的一角被德布罗意揭开了”。爱因斯坦当时正着手将印度青年物理学家玻色提出的光子统计理论推广到单原子理想气体，他立即吸收了德布罗意的新理论。爱因斯坦的推荐，德布罗意的工

22、作才引起了物理学界的广泛重视，特别是对薛定谔产生了积极的影响，创立了波动力学。,伯乐,别了，柏林,1930年美国圣迭戈市,1930年接受美国加州理工学院院长密立根的邀请，每年冬天去 讲学，为期年。离开卡普特别墅时，爱因斯坦有预感似地对妻子说：“这次你好好看一眼你的别墅吧！你再也看不到它了。”艾尔莎笑了，她以为丈夫在说笑话。爱因斯坦没再做声，默默地上路了。这一次离别，是在柏林创下丰功伟绩的爱因斯坦与德国的生死离别。,希特勒上台,希特勒的“革命”开始了，他把德国投入了黑暗之中。他的“革命”手段特别彻底：烧 书、抄家、集中营、拷打、虐杀、暗杀、明杀 希特勒的纳粹运动除了战争的叫嚣外，还有非理性恶魔对

23、理性的残酷报复。作为犹太人和科学家的爱因斯坦，自然成了法西斯主义的首要攻击目标。,1933年1月30日，就在爱因斯坦离开柏林个多月后，魏玛共和国寿终正寝了。86岁的共和国总统兴登堡元帅把共和国出卖给了希特勒。,痛恨法西斯,在战后重建问题上，他提出“我不赞成报复，但却赞成这样一种政策，它能够最有把握地不让德国人重新具有侵略的可能性；这种保证决不是通过道义上的劝说所能达到的。”从一味强调宽容到彻底的不宽恕，这其间，该凝聚了爱因斯坦多少痛苦的反思。,二战使爱因斯坦对法西斯痛恨到极点。他甚至否定整个德国民族。因为希特勒已经在他的书中和演讲中把他的可耻意图说 得一清二楚，没有一点可能发生误解之后，德国人

24、民把他选举出来。,国际主义者,爱因斯坦因厌恶德国学校窒息自由思想的军国主义教育 1894年自动放弃学籍和德国国籍。1901年取得瑞士国籍。1940年他取得美国国籍。爱因斯坦被法西斯指责为卖国贼，其实他一直是反民族主义的国际主义战士，认为当今世界只有淡化民族概念才能实现和平。爱因斯坦说：“我从来就没有全心全意地属于过某个国家和地区，也不属于某个朋友圈子，甚至不属于我的家庭。”,巨星陨落,1955年 4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。他留下遗嘱，要求不发讣告，不举行葬礼。他把自己的脑供给医学研究，身体火葬焚化，骨灰秘密的撒在不让人知道的河里，不要有坟墓也不想立碑。在把他的遗体送到火葬场火化的

25、时候，随行的只有他最亲近的12个人，而其他人对于火化的时间和地点都不知道。,为的是不使任何地方成为圣地，把他在普林斯顿梅塞街112号的房子留给跟他工作了几十年的秘书杜卡斯小姐，并且强调：“不许把这房子变成博物馆。”他不希望把梅塞街变成一个朝圣地。,爱因斯坦的大脑,爱因斯坦于1955年在美国新泽西洲普林斯顿由于心脏病去世。他去世后，普林斯顿大学病理学系的托马斯哈威教授从尸体上分离爱因斯坦的脑部，在他的个人实验室进行了研究。目前，爱因斯坦的脑部分离成 10平方厘米大小的240个标本，其中，236个由普林斯顿大学保管，4个由伯克利大学保管。爱因斯坦的大脑在1955年就被浸泡在甲醛里，损坏了他的。,据

26、伯克利大学的马利安戴蒙德教授等的分析，爱因斯坦的脑部重量虽然只有1230克，不及男性平均脑部重量(1400克)，但位于脑侧面的掌管想象力、记忆力、集中力等的“第39区域”比普通人还大。虽然在爱因斯坦在39区域里的神经细胞的数量与普通人没有很大的区别，但组成神经细胞的神经胶质细胞的数量却比平均数量还多。据此，专家们分析认为，爱因斯坦的神经细胞的新陈代谢比较活跃。又据报道，科学家们 发现，他的大脑顶盖比一般人大百分之十五，另外他的大脑顶盖不像一般人那样由一 道沟划分为二，而是合而为一的，因此推断这可能是“天才”的出处，也即是天生的 而非后天培养的。,美国加州大学的Zaidel博士称，爱因斯坦的大脑与普通人相比，存在着“显著的差异”。Zaidel研究了爱因斯坦的两个大脑组织切片，这两个切片含有大脑海马区的神经细胞，它们负责处理语言与想象的工作。通过与10个普通人的大脑切片对比，Zaidel博士发现爱因斯坦大脑组织存在显著的“优势”：爱因斯坦大脑海马区左侧的神经细胞明显比右侧的大，并且分布很规则；而普通人该组织区的神经细胞看上去很小，而且表现得“非常不规则”。但是Zaidel指出，爱因斯坦大脑组织的特性“是天生的，还是后天发展的结果”，目前尚不能定论。,将正变换中的速度反号，并将带撇的与不带撇的量相互交换，即得到逆变换；,洛仑兹变换的正变换与逆变换,