物理學(xué)的歷史與發(fā)展

1、物理學(xué)的歷史與發(fā)展,孫裕斌,本ppt內(nèi)容均為上海交通大學(xué)馬紅孺教授所有,,物理學(xué)是自然科學(xué)中最基本的學(xué)科。物理學(xué)研究組成世界的物質(zhì)基元和他們之間的相互作用。同時(shí)利用這些基元和相互作用解釋從基本粒子，原子， 分子，凝聚態(tài)直到整個(gè)宇宙尺度上發(fā)生的各種現(xiàn)象?；瘜W(xué)，天文學(xué)，地質(zhì)，氣象等學(xué)科從廣義的角度來講，都是物理學(xué)的一個(gè)部分。盡管這些學(xué)科有自己的特殊的研究對象和研究內(nèi)容，但其基礎(chǔ)都是物理學(xué)的基本規(guī)律，研究的工具也很大程度上來源于物理學(xué)。

2、,,經(jīng)典力學(xué),,經(jīng)典物理學(xué)的大廈在19世紀(jì)已經(jīng)基本建成。由牛頓，伽利略等建立的經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過拉格朗日，哈密頓等的完善，已經(jīng)成為物理學(xué)的中心理論，而且影響著物理學(xué)其它領(lǐng)域的思維方式。,,,Galileo Galilei,Sir Isaac Newton,,Joseph Lewis Lagrange,,William Rowan Hamilton,熱力學(xué),,經(jīng)過卡諾 ，焦耳 ，開爾文 ，克勞修斯，吉布斯等人的努力熱力學(xué)理論已經(jīng)

3、非常牢固的建立起來。,Sadi Carnot,,James Prescott Joule,,Baron Kelvin,Josiah Willard Gibbs,電磁學(xué),,在法拉第等前人研究的基礎(chǔ)上，麥克斯韋 已經(jīng)成功建立了描述電磁現(xiàn)象和光學(xué)的基本理論，麥克斯韋方程組。Faraday,Michael Faraday,,James Clerk Maxwell,,基于這些牢固建立的理論，似乎表明物理學(xué)的基礎(chǔ)問題已經(jīng)全部得到了解決，19世

4、紀(jì)末的一些物理學(xué)家甚至認(rèn)為物理學(xué)留下的問題僅僅就是把一些物理量的計(jì)算和觀測做的更精確一些而已。,,實(shí)際上，這些看法其實(shí)完全不符合事實(shí)，在19世紀(jì)即將結(jié)束的時(shí)候，一系列新的發(fā)現(xiàn)震撼了物理學(xué)，也影響了社會的注意力。這其中最著名的當(dāng)是三大發(fā)現(xiàn),,1895年,倫琴發(fā)現(xiàn) X射線 . (倫琴 , W. C.Rontgen, 1845-1923,德國物理學(xué)家 , 1901年獲首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)) 1896年 ,貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性 . (

5、 貝克勒爾, H. A.Becquerel, 1852-1908, 法國物理學(xué)家, 1903同居里夫婦一起獲諾貝爾獎(jiǎng).)1897 , 湯姆生發(fā)現(xiàn)電子. (J. J. Thomson, 1856-1940,英國物理學(xué)家, 1906 獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).) 盧瑟福Ernest Rutherford (1871 1937)發(fā)現(xiàn)了 α散射和β散射。,19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn),,W.C. Rontgen,,,,,H.A.B

6、ecquerel,,J.J.Thomson,在這個(gè)時(shí)期，同樣還存在一些經(jīng)典物理完全無法解釋的現(xiàn)象，特別突出的是黑體輻射的譜分布。按照麥斯韋 的電磁理論和能量均分定理 ，黑體輻射的強(qiáng)度將隨頻率增加而增加，而實(shí)驗(yàn)事實(shí)與此預(yù)言完全不符，從邏輯上，隨頻率增加的輻射強(qiáng)度將導(dǎo)致發(fā)散的總輻射能量密度，這也是不能接受的。,,,普朗克,瑞利--‐金斯,維恩,另一個(gè)理論問題涉及到相對性原理 。經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律在所有的慣性參照系都成立，不同參照系通過伽利略變換

7、相聯(lián)系。但麥克斯韋方程并不滿足伽利略變換，也就是說，如果伽利略變換和相對性原理成立，那么麥克斯韋方程就不可能正確，所以，物理學(xué)家面臨在伽利略變換，相對性原理和麥克斯韋方程之間的選擇。如果放棄相對性原理，那么就存在一個(gè)特殊的參照系，麥克斯韋方程只在這個(gè)參照系成立。邁克爾遜--‐莫雷已經(jīng)做了測量地球相對于麥克斯韋方程成立的那個(gè)參照系的巧妙實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明地球就是那個(gè)參照系！！這在邏輯上同樣是不能接受的，因?yàn)樵?9世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)家

8、已經(jīng)清楚的知道地球只不過是太陽系的一顆普通行星而已。她不應(yīng)該具有這個(gè)特殊的地位。,,這些困難的解決過程中發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)和相對論 。量子力學(xué)和相對論成為了20世紀(jì)物理學(xué)的兩大支柱，并帶動了20世紀(jì)前30年物理學(xué)研究的空前的進(jìn)步，也帶來了其后大半個(gè)世紀(jì)的高技術(shù)的飛速發(fā)展和人的生活方式，社會，文化的巨大進(jìn)步和改變。,,二十世紀(jì)的物理學(xué),,? 1900年,普朗克提出黑體輻射公式,量子論誕生.(普朗克,M.Planck,1858--‐1947,

9、德國物理學(xué)家,1919年獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）,M.Planck,,1902年,勒納德得到光電效應(yīng)的基本規(guī)律,發(fā)現(xiàn)電子的最大速度與光強(qiáng)無關(guān).(勒納德,P.Lenard,1862--‐1947,德國物理學(xué)家,). 1902年,吉布斯創(chuàng)立統(tǒng)計(jì)系綜理論.(J.W.Gibbs,美國物理學(xué)家)P,1905年,愛因斯坦發(fā)表了三篇重要論文.1,關(guān)于布朗運(yùn)動的論文.2,關(guān)于光電效應(yīng)的論文,提出光量子概念.3,關(guān)于運(yùn)動媒質(zhì)的電動力學(xué),

10、提出狹義相對論.(愛因斯坦,A.Einstein,1879--‐1955,德國物理學(xué)家,1922年因光電效應(yīng)理論獲諾貝爾物理獎(jiǎng).)1915年,愛因斯坦建立了廣義相對論.,,,,1909年， 盧瑟福，蓋革和馬斯頓測量了alpha粒子在金箔上的散射，這一實(shí)驗(yàn)最終導(dǎo)致了盧瑟福在1911年提出了原子的有核行星模型。這個(gè)模型認(rèn)為原子是由非常小的原子核和繞核運(yùn)動的電子構(gòu)成，原子核的尺度在10-­‐15M的數(shù)量級，但幾乎貢獻(xiàn)了原子的所有

11、質(zhì)量。這個(gè)模型一提出來就遇到了嚴(yán)重的困難，根據(jù)電磁理論，加速運(yùn)動的電子將輻射能量，并將在10-­‐9s的時(shí)間內(nèi)下落到原子核上面，從而原子完全不可能穩(wěn)定存在，這與實(shí)際情況完全相反。,,Alpha粒子散射實(shí)驗(yàn),1913年玻爾利用量子概念，對盧瑟福的原子模型給出了兩個(gè)限制，建立了一個(gè)氫原子的理論，解決了原子的穩(wěn)定性問題。 而且成功地解釋了氫原子的幾個(gè)光譜線系。,N. Bohr,1924年， 德布羅意Louis de Broglie(

12、1892–1987)提出了波粒二像性的概念;1925年，泡利提出了不相容原理，薛定諤為物質(zhì)波建立了波動方程并求解了氫原子問題，自動給出了玻爾的原子理論，與此同時(shí)，波恩，海森堡，約旦等人建立了矩陣力學(xué);其后，海森堡WernerHeisenberg(1901–76)在1927年建立了不確定關(guān)系。,,1928年，狄拉克PaulA.M.Dirac(1902–84)把波動方程推廣到相對論情形，建立了以他的名字命名的相對論波動方程 。通過

13、方程的求解，狄拉克預(yù)言了正電子，而這一預(yù)言隨后于1932年由安德森發(fā)現(xiàn)正電子而證實(shí)。至此，20世紀(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)已經(jīng)建立起來，隨后的發(fā)展是一大批所謂基本粒子的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)理論的建立。,,費(fèi)米在1933--‐1934年建立了beta衰變的理論和弱相互作用理論，1935年，湯川秀樹建立了強(qiáng)相互作用的理論。,E. Fermi,,湯川秀樹教授,,在1970年代，由弱電統(tǒng)一理論和量子色動力學(xué)的組合而成的標(biāo)準(zhǔn)模型的理論逐步建立了起來。這一理論的各