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经过不懈的努力和研究相对论和量子力学诞生这

时间:2019-01-04 14:25来源:教育
物理学革命的第一个理论成果是爱因斯坦的相对论。它包括狭义相对论和广义相对论,前者本质是上关于时空的物理理论,后者是前者的推广并且还包含一种新的引力理论。它的诞生从

  物理学革命的第一个理论成果是爱因斯坦的相对论。它包括狭义相对论和广义相对论,前者本质是上关于时空的物理理论,后者是前者的推广并且还包含一种新的引力理论。它的诞生从根本上改变了物理学的时空观,它作为一种启发原理可以应用于一切物理理论,从而完成了一次物理学时空观的革命。

  古典物理学诸多矛盾的根源之一是牛顿力学中所包含的绝对时空和绝对运动的观念。这种绝对时空观念的局限性,在运动物体电动力学的研究中集中体现在地球相对电磁以太运动的最恼人的难题中,迈克蒂逊-莫雷实验对澄清这个问题作出了伟大的科学贡献。为了解释这个实验的否定结果,爱尔兰的物理学家斐兹杰惹(1851-1901)和洛伦兹沿用旧的时空观念先后于1889年和1892年分别独立地提出了一个特设性的假说,认为运动物体在运动方向上的长度要缩短,所以不能观测到地球相对于以太的运动的光和电磁的效应,然而专门设计的一些实验并没有证实收缩效应存在。于是1904年洛伦兹又提出一个运动座标系和静止座标系之间的变换关系式,对于远小于光速的情况它保证了麦克斯韦方程在这种变换下形式不变。彭加勒支持洛伦兹这个理论,并把这个变换叫“洛伦兹变换”。他早在1895年就指出。要证明地球相对以太的运动是不可能的。1898年他甚至还讨论过对一切观察者光速恒定和同时概念的相对性的必要性。1904年他明确提出物理现象的定律对于静止观察者和运动观察者必定是相同的。然而洛伦兹的理论借助于特设假定保留了没有经验证据的电磁以太和绝对运动,彭加勒只在经验的意义上确认了运动的相对性、光速恒定和同时概念的相对性。

  爱因斯坦的研究不是洛伦兹和彭加勒工作的直接继续,他从自然界的统一性出发,于1905年创立了狭义相对论。在牛顿力学领域里普遍成立的伽利略相对性原理,在麦克斯韦电动力学中不成立。他根据法拉第电磁感应定律分析了这一事实,认为这种不统一不是自然界所固有的,而是由于描述这种现象的牛顿力学体系有局限制,他吸取了休漠(1711-1776)对先验论、马赫对绝对空间概念的批判成果,首先考查了在两个空间上分隔开的事件的“同时性”问题,得出同时性是相对的结论。他以运动的相对性原理和光在真空中以确定的速度传播这两条作为公理前提,并利用同时的相对性,导出空间座标和时间座标在不同惯性系之间的变换关系式,即洛伦兹变换。由洛化兹变换联系起来的空间距离和时间间隔随着座标系的相对速度而变化,这就意味着空间和时间本身没有绝对性。又按照相对论原理来改造牛顿力学而得到相对论力学,它把古典力学作为物体低速运动这一极限情况的描述,包括到了自身之中。这样,狭义相对论就把力学和电磁学在运动学的水平上统一起来了。

  爱因斯坦把相对性原理从相互作均速运动的惯性系推广到相互作加速运动的非惯性系。他接受了马赫的观点,认为非惯性系理论一定要包括引力理论。他从惯性质量同引力质量相等的实验事实出发,于1907年提出等效原理:一个加速的非惯性系等效于含有均匀引力场的惯性系。他在他的朋友格罗斯曼(18781936)的帮助下,借助于黎曼几何学和张量分析,于1915年完成了狭义相对论的推广,提出广义协变原理:在任何座标系中物理学规律的数学形式相同。因为广义协变原理是狭义相对性原理的推广,所以他把它称为“广义相对论”。广义相对论用空间结构的几何性质来表示引力场,使非欧几里得几何学获得了物理应用。广义相对论揭示了空间的几何结构决定于物理分布状况并体现着引力场的强度。这里所揭示的物质与时空的关系,表明时空不能脱离物质而存在。这就在比狭义相对论更深的层次上否定了牛顿的绝对时空观念。

  物理学革命的另一个重要理论成果是量子力学。它能够描述古典物理学所不能描述的微观世界的现象。但是它不只是适用于微观现象的一种有效的物理理论,原则上它也适用于由原子、分子构成的宏观物体以至天体和宇宙。它作为自然界的一种普遍的量子原理,和相对论原理一起构成现代科学的理论基础。由于量子力学根本改变了古典物理学的因果观和实在观,它从与相对论不同的方面实现了物理观的革命。

  量子力学是在普朗克、爱因斯坦、玻尔的旧量子论的基础上发展起来的。1900年德国物理学家普朗克“孤注一掷”提出量子假说,成功地解释了古典物理学所不能解释的黑体辐射光谱的能量随频率分布的情况。按照这个假设,辐射能量的发射和吸收是以不连续的“能量子”的形式实现的,它的大小同辐射频成正比,比例常数记为h,赋名“作用量子”或“量子”,亦称“普朗克常数”。能量子的概念第一次揭示了能量的不连续性,打破了“自然界无飞跃的古老的格言。这一假说可以看到是对能量均分定理的制度和修正。

  爱因斯坦把普朗克的能量不连续的概念从发射和吸收过程推广到空间传播过程,认为辐射本身就是由携带着能量和动量的“光量子”组成。这里除了能量的不连续性外又引入了动量不连续性。这种光量子,瞬时效应表现为粒子性。而统计平均效果则表现为波动性,它第一次揭示了光的波粒二象性。

  玻尔接着又迈出决定性的一步。他把能量的不连续概念推到原子内部的能量上去。按照古典电动力学去理解卢瑟福的核式原子,电子在核外绕转,必须连续的辐射。而电子的轨道半径由于辐射能量而越来越小,最后落到核上而停止辐射。这是同原子的线状光谱和原子的稳定性不符的。玻尔提出电子在核外只能在特定的轨道上做周园运动,当电子在这些轨道上运动时不发射辐射,原子的能量有确定值。他把原子所处的这种状态叫“定态”。电子占据的轨道离核愈远,原子的定态能量愈高,当电子从高能态过渡到低能态时,原子发射辐射;反之只有原子吸收了辐射,电子才从低能态达渡到高能态。他把原子的这种能态之间的过渡叫做“跃迁”。发射或吸收辐射是单频的,并且辐射频率y和能量E的关系由E=b给出。他利用这样一个模型成功地解释了氢原子光谱的经验规律。量子论的进一步发展是循着爱因斯坦的和玻尔的两个不同的纲领进行的。从而导致了波动力学和矩阵力学的诞生。

  1923年,法国物理学家德布罗意(1892-)把爱因斯坦的光的波粒二象性观点推广到电子,认为电子伴随着波。他用电子相波的观点解释了玻尔硬性假设的电子特定轨道的存在条件。奥地利物理学家薛定谔考察了电子的量子轨道问题并发展了德布罗意的物质波思想,他认为不是电子伴随着波而是波包形成电子。因此,他不试图由轨道电子相波导出电子轨道,而是致力于寻找支配这种波的波动方程。1926年从力学—光学的相似和类比建立了波动方程,玻尔理论中的量子化条件作为这个方程的本征值给出。

  沿着玻尔的对应原理即借助古典理论的概念和定律构造量子理论,必须把古典理论作为极限情况包括在其中。德国物理家海森伯成功地发展出矩阵力学,他利用对应原理处理辐射问题,用电的傅利叶展式的频率和振辐计算辐射的频率和强度,也就是说,抛弃电子轨道的概念,不把力学定律写为电子的位置和速度的方程,订是写为电子的傅利叶展式中的频率和振辐的方程。这样,理论工作就成了寻找可观察的辐射频率和强度所付应的那些量之间的关系。1925年海森伯给出了一个数学形式系统,牛顿力学的运动方程被矩阵之间的类似的方程所代替称为矩阵力学。不久,玻恩(1882-1970)和约丹(1902-)同海森伯一起完善了这个理论。英国物理学家狄拉克(1902-)发展了矩阵力学的数学形式,称为q数理论;玻恩和美国物理学家维纳用算符理论推广了矩阵力学称为算符力学。

  不久证明波动力学和矩阵力学在数学上是等价的。1926年玻恩结合电子碰撞实验提出对薛定谔波的物理解释,即波函数的平方代表电子在某时某地出现的几率。因此,薛定谔波不能认为是存在于三维空间的真实的波,而是一种位形空间的“几率波”。

  1927年,海森伯提出测不准原理,玻尔提出互补原理,对量子力学的物理原理作出进一步阐释。测不准原理说,两个共轭的物理量不能同时被确切预言,它们的不确定的量乘积大于或等于普朗克常数。互补原理说,一种古典物理学的应用排斥另一种古典物理学概念的同时应用,而这另一种古典概念在不同的联系上对阐明现象是同样必须的

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