1、物理学与人类文明,叶高翔、盛正卯 浙江大学物理系 2005年3月 Z,物理学与人类文明,第一章 经典物理学 第二章 量子物理学第三章 量子力学现代高科技的基石之一,第四章 相对论与现代时空观 第五章 宇宙之砖 物质结构 第六章 膨胀着的宇宙 第七章 简单性与复杂性的奇遇非线性物理简介 第八章 物理学在未来科技和社会中的作用,理 论实 验,科学方法,实 验,模 拟,理 论,Developing Theories,The goal of theory is to integrate as many observations of nature as possible under one conce
2、ptual umbrella,现代科学中不可缺少的思维方法：归纳法（常用）演绎法 （重要）,2004年9月3日，著名华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授在北京人民大会堂召开的 “2004文化高峰论坛”上，以“易经对中华文化的影响”为题作了报告。提出观点称“易经影响了中华文化的思维方式，而这个影响是近代科学没有在中国萌芽的重要原因之一”。,杨先生的报告主要集中于三点： 第一、易经影响了中华文化中的思维方式，而这个影响是近代科学没有在中国萌芽的重要原因之一。 第二、易经是汉语成为单音语言的原因之一。 第三、易经影响了中华文化的审美观念。,杨振宁：“天人合一”和推演法的欠缺阻碍科学诞生杨振宁
3、把近代科学没有在中国萌生的原因放在他论题的首位。 原因归结为五点：第一，中国的传统是入世的，不是出世的。换句话就是比较注重实际的，不注重抽象的理论架构。第二，科举制度。第三，观念上认为技术不重要，认为是“奇技淫巧”。第四，中国传统里面无推演式的思维方法。第五，有天人合一的观念。杨振宁认为，其中第四点和第五两点跟易经有着密切的关系。,中国的传统是入世的，不是出世的例子之一是天文学。直到18世纪、19世纪中国大部分人还认为大地是平的。 Anaximander（BC 610-545)等认为地是薄薄的圆片，漂浮在空气的旋涡里，孤立在球状宇宙的中心。Pythagoras (BC580-500)等，首先发
4、现地是球形的。方法1：出去的船在地平线处桅杆隐没。方法2：人向南行，南天的星上升， 北天 的星下沉。,演绎法的典范: 相对论,第四章 相对论与现代时空观,4.1 狭义相对论的创立 4.2 狭义相对论的基本原理 4.3 狭义相对论的主要结论 4.4 新引力理论-广义相对论 4.5 广义相对论的主要结论 4.6 广义相对论的一些预言 4.7 相对论的一些实验验证及实际应用 4.8 相对论的时空观,Albert Einstein in 1916,4.1 狭义相对论的创立,牛顿认为光是由微粒构成的，18世纪人们普遍接受了他的结论。 19世纪却积累了大量的证据支持光是一种波的说法。 1873年麦克斯韦建
5、立的电磁理论指出光是一种电磁波。 光波是靠什么作为传播媒介的呢？ 它是无孔不入、无处不在的传播媒质“以太”吗？,速度迭加,“以太”的漂移,A点接收到的光速为,B点接收到的光速为,迈克尔逊-莫雷实验始终得到否定的结论,迈克尔逊-莫雷实验,4.2 狭义相对论的基本原理,4.2.1 光速不变原理 光在真空中的传播速度，在所有参照系中均相同。,光在不同介质中的传播速度是可以不一样的,4.2 狭义相对论的基本原理,4.2.2 相对性原理 所有的物理规律在不同的惯性参照系中是一样的,乘坐的火车仃在车站上时，有一列原仃靠在相邻铁轨上的火车向后驶离车站，您却觉得自己所乘坐的列车向前开动了,相对性原理,伽利略在
6、关于两个世界体系的对话一书中，借主人翁塞尔维亚蒂之口阐述道： “你和你的朋友被关进大船甲板下的主舱里，里面还有几只苍蝇、蝴蝶 和其他小飞虫，鱼缸里还有几条鱼。然后，将一只水瓶倒挂，让瓶里的水一滴一滴地滴进下边的水罐里。船不动时，小飞虫向着舱内各个方向自由飞行，鱼向各个方向自由游动，水滴滴进罐子。你扔东西给你的朋友，只要,距离相等，向这个方向不比向另外一个方向用更多的力。你双脚齐跳，不论向哪个方向跳的距离都一样。当船以任何速度向任何方向匀速前进，你会发现，上述现象没有丝毫变化。你无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是静止不动。即使船开得很快，你向船尾跳也不会比向船头跳得更远；不论你的朋友在
7、船尾还是在船头，扔东西给他所用的力还是相同；水滴仍然进下面的罐子，尽管水滴在空中时，船已向前运动了 ”,4.3 狭义相对论的主要结论,4.3.1 同时的相对性 在车厢上同时发生的两件事，在地面上看来并不同时发生。 同时性具有相对性。,4.3.2 时间延缓,既然同时性是相对的，为什么时间一定是绝对的呢？,斜边为,4.3.2 时间延缓,民间有一种说法，天上一天人间一年 乘坐0.99996247倍光速宇宙飞船航行,则宇航员的一天,在地球上的人们看来就相当于一年。 为什么我们在乘坐飞机、火车时没有感觉到时间延缓？因为速度相对于光速来说太小了 乘3倍声速的超音速飞机，一百年后，时间也只延长了0.015秒
8、,4.3.3 长度缩短,表明空间也是相对的，在不同参照系有不同的空间结构。在一个参照系看物体是一个正方体，在另一个参照系可能是长方体；在一个参照系是球形，在另一个参照系却是扁球形的。表明物体的形状是相对的。,S,P F 所化时间为 ， F D所化时间,4.3.4 相对论的速度叠加关系：,四维时空中的不变量,狭义相对论中，距离和时间在不同的参照系是不一样的。然而,是四维时空中的不变量。表明时间和空间不是独立的，相互间存在 联系！,例如前面的离子：在列车看来，发射到接收发生在同一地点，,在地面看来,4.3.5 质能关系,在化学反应中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于参加反应的氢和氧的质量之和。在
9、反应中放出的热量，被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反应过程中，能量和质量分别守恒。 爱因斯坦要使物体运动定律既满足相对性原理，又要求低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果：物质可以转化为能量，能量也可转化为物质。,质量包括静止质量和运动质量静止质量可以转化为运动质量：如正负粒子相互湮灭成光子，而光子只有运动质量没有静止质量. 反之亦然。,更多的推论,物质与能量相互等价,质能关系,质能转化,氢与氧结合生成水时放出的热量来源于氢与氧的质量和与水的质量之差（也称质量亏损）。 化学反应的质量亏损比例约为十亿分之一到一千亿分之一。核反应的比例约为一千到一万分之一。 50克物质全部转化为能
10、量，可将西湖中的所有水加热到沸腾。,静止质量不为零的物体以光速为速度极限。,运动质量随物体的运动状态而变化 一个物体的运动状态在不同的参照系看来是 不一样的，所以物体的质量随参照系而变化：,第一颗原子弹于1945年7月在新墨西哥沙漠中引爆,一些貌似超光速的现象并不是真正的超光速现象,4.4 新引力理论广义相对论,惯性系疑难：宇宙中不存在真正的惯性系。惯性系不应具有特殊的地位！4.4.1 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。,地球自转,地球公转,4.4.2 等效原理,等效原理： 匀加速参照系与均匀引力场中静止的参照系等效。比萨斜塔实验m引m惯,4.5 广义相对论的主要结
11、论,引力大的地方时钟走得慢 引力导致空间弯曲,4.6 广义相对论的一些预言,4.6.1 恒星光的引力偏转4.6.2 雷达回波延迟4.6.3 水星近日点的进动,4.6.1 恒星光的引力偏转,1919年5月29日,英国天文学家爱丁顿实测结果,1975年对射电源0116+08的观测,4.6.2 雷达回波延迟,对于金星，理论值为,秒,1971年I. Shapiro）等人的测量结果对此的偏离不超过2%,4.6.3 水星近日点的进动,每世纪水星近日点偏转,牛顿理论预言有进动,差,广义相对论,4.7 相对论的其他实验验证及实际应用,4.7.1 介子的寿命4.7.2 孪生子效应4.7.3 全球定位系统（GPS
12、）,电子电场中加速,电子获得q.U的动能动能为mc2，所需要的加速电压只要25万伏特,实际上即使加上100亿伏特的电压，也达不到光速,4.7.1 介子的寿命,子在静止参照系中的平均寿命为 在大气层上层产生的子,速度 0.998c。 没有相对论效应，能运动的距离 实际上介子可穿越上万米的大气层到达地面。,4.7.2 孪生子效应,宇航员乘坐0.99996247倍光速飞行的宇宙宇航员的一天，在地球人看来相当于一年。地球上的一天，在宇航员看来就是一年，到底谁对呢？ “孪生子效应”。1971年科学家将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东绕地球一周，回到原处后，比静止在地面上的钟慢59纳秒。,4.7.3 全球定
13、位系统（GPS）,70年代开始研制，历时20年，耗资200亿 美元，于1994年全面建成.GPS系统包括三大部分： GPS卫星星座、地面监控系统和用户设备. 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，在两万公里的高空，每12恒星时绕地球一周。最少可见到4颗，最多可见到11颗。,全球定位系统定位原理,全球定位系统定位误差,公里,北京时间2003年5月25日零时34分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。 前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空，运行至今导航定位系统工作稳定。这次发射的是导航定位系统的备份星。它
14、与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。 欧盟将与中国就“伽利略”卫星导航计划进行合作(2003.10.27)，中国将在“伽利略联合企业”中投入约亿欧元。 欧盟于年提出了旨在建立全球卫星定位导航系统的“伽利略”计划。该系统由颗运行卫星和颗预备卫星组成，可以覆盖全球，预计将在年投入使用。“伽利略”计划的投资总额估计高达亿欧元。,西昌卫星发射中心指挥控制大厅,4.8 相对论的时空观,牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，相互独立的。 根据相对论,时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间是不同的，物体的形状，质量等都是不同的 “横看成岭侧
15、成峰，远近高低各不同。” （苏轼题西林壁）,时间和空间是相互关联的,一个参照系中的所有钟都校准了，即相互同步的，在另一参照系看这些不同地点的钟都不同步了。,四维时空中的“不变论”,相对论（relativity）不同于“公说公有理，婆说婆有理。”没有是非标准的相对主义（relativism）的理论。 寻求不同参照系中各观测量之间的联系，重点是不同参照系中的共性，即所谓的“不变性” 真空中的光速在不同参照系中是不变的，物理规律的数学形式在不同参照系中是一样的。,建立相对论的逻辑过程：少量的事实启示 基本原理+ 基本理念逻辑推理 实验可检验 对推论作的推论 实验检验证实或证伪理论,经典物理学、量子物
16、理学的建立更多地应用了归纳法 相对论主要应用了演绎法 其原理、结论不是很直观，但更具超前性，更具震撼力 归纳与演绎的结合能达到事半功倍的效果,时间是相对的 空间也是相对的 时间与空间是相互关联的 时空会改变物体的形状、质量、运动状态等“内在的特性”,狭义相对论有关时空的结论,时空会影响物质的“内在的特性” ！物质是否也会反过来改变时空呢？或者说时空与物质的关系如何？这正是广义相对论要告诉我们的！,相对论的时空观,时间与空间不仅是相对的、相互关联的 而且与物质存在有关，与观察者的运动状态有关。 一个参照系中的所有钟都校准了，即相互同步的，在另一参照系看这些不同地点的钟都不同步了,思考题,有一列列
17、车静止时的长度比一个隧道的长度要长。当它高速通过该隧道时, 有两道闪电同时打在隧道的两端，由于相对论效应，长度收缩到短于隧道的长度，因此使得站在列车两端的两个人都躲过了闪电的伤害。但运动是相对的，在列车上的人看来，隧道在向反方向运动，那么现在问：在列车上的人看来，列车两端上的人能躲过闪电的伤害吗？,若仅仅考虑广义相对论效应，全球定位卫星上的钟与地面上的钟（假设两个钟是完全一样的）比较，那一个走得快些？ 人的生命是有限的（假设为200年），而根据相对论任何一个有质量的物体，其运行速度都不可能超过光速，那么是否意味着我们在一生中不可能走出200光年的范围？为什么？ 4. 想象一下有限无边的空间，能举出1-2个例子吗？,思考题： 5. 乘坐0.99996247倍光速宇宙飞船航行,则宇航员的一天,在地球上的人们看来就相当于一年。那么地球上人们的一天，在宇航员看来相当于多长？6. 在接近光速航行的飞船上向前发出一束光，在地球上的人们看来，此束光速度为多大？,7. 两种化学物质起反应，放出热量，热量来自何处？ 8. 相对论告诉我们时间是相对的，空间长度是相对的，物体的质量、形状是相对的，是否意味着一切都是相对的？世界没有是非标准呢？,谢谢！,
