經典和近代物理學史

——兼談諾貝爾物理學獎和一些技術歷史回顧一、經典物理學的成就和基本觀念二、現代物理學革命的序幕三、相對論的建立四、量子論的初期發展與量子力學建立五、原子結構理論的發展六、原子核物理的建立與發展七、傳感及測量技術歷史回顧（I）1900年普朗克量子論1905年愛因斯坦相對論開辟了現代物理學的新紀元研究范圍在空間尺度上從亞核世界到整個字宙，在時間尺度上從小于10-21秒到宇宙年齡歷史回顧（III）磁光效應指的是具有固有磁矩的物質在外磁場的作用下，電磁特性發生變化，因而使光波在其內部的傳輸特性也發生變化的現象。1845年，MichaelFaraday首先發現了磁光效應，他發現當外加磁場加在玻璃樣品上時，透射光的偏振面將發生旋轉歷史回顧（IV）1877年JohnKerr在觀察偏振光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時，發現了磁光克爾效應（magneto-opticKerreffect）實驗2-3法拉第效應實驗2-4磁光克爾效應歷史回顧（V）本世紀20年代創立的量子力學理論為描述微觀物體的行為提供了一個全新的框架，改變了我們最基本的測量原理，并為了解原子、分子和凝聚態物質的結構鋪平了道路。因而導致了諸如半導體、光通訊等新興技術的崛起，并為研制奇異材料和激光器件開辟了道路歷史回顧（VII）實驗5-4計算機系統結構原理及組裝調試實驗實驗5-1計算機虛擬仿真物理實驗實驗5-2計算機數值模擬實驗（混沌系統模型的一個例子）一、經典物理學的成就和基本觀念（一）經典力學和機械決定論（二）熱力學與能量和熵（三）經典電動力學和“以太”說（四）經典物理學的完成和局限由伽利略(1564—1642)和牛頓(1642—1727)等人于17世紀創立的經典物理學，經過18世紀在各個基礎部門的拓展到19世紀得到了全面、系統和迅速的發展達到了它輝煌的頂峰。到19世紀末，已建成了一個包括力、熱、聲、光、電諸學科在內的、宏偉完整的理論體系。特別是它的三大支柱——經典力學、經典電動力學、經典熱力學和統計力學——已臻于成熟和完善，不僅在理論的表述和結構上已十分嚴謹和完美，而且它們所蘊涵的十分明晰和深刻的物理學基本觀念，對人類的科學認識也產生了深遠的影響（二）熱力學與能量和熵能量守恒原理的建立，使物理學思想和理論結構獲得了輝煌的進展是19世紀自然科學上的一個偉大勝利也是近代物理學發展中的第二次理論大綜合熵原理的發現，實際上把演化的思想帶進了物理學，指出了自然過程的不可逆性和歷史性在經典力學和電磁場理論中，基本物理定律中的時間都是對稱的、可逆的，它們的基本方程對時間反演都是具有對稱性的，運動對于過去和未來沒有本質的區別，時間在那里僅僅是從外部描述運動的一個參量，它的變化對運動的性質并無影響。因而時間箭頭在那里沒有實質性的意義“統計力學”這個名稱是1884年由美國物理學家吉布斯(1839一1903)首先提出的。吉布斯在麥克斯韋和玻耳茲曼思想的基礎上，明確形成了“系綜”概念，創立了系綜統計方法。從而將熱學的唯象的和分子運動論的兩個基本的研究方向統一到一個有機整體之中，完成了統計力學這個經典物理學的又一次理論大綜合（四）經典物理學的完成和局限大約到了1895年前后，以經典力學、經典熱力學和統計力學、經典電動力學為三大支柱的經典物理學，結合成一座具有雄偉的建筑體系和動人心弦的“美麗的殿堂”，達到了它的顛峰時期在力學方面，與機械觀相聯系的絕對時間、絕對空間的概念以及關于質量的定義，都已受到普遍的批評，牛頓對于引力的本質問題也采取了回避的態度。而牛頓力學的理論框架實際上必然要把引力看作是一種瞬時傳遞的超距作用，這與19世紀發展起來的場物理學是根本對立的在熱學方面，熵增加原理揭示的與熱現象有關的自然過程的不可逆性，反映出熱力學原理與經典力學和經典電動力學原理之間深刻的內在矛盾，而統計力學中引入的概率統計思想以及熱力學規律的統計性質，已使經典力學的嚴格確定性出現了缺口二、現代物理學革命的序幕（一）19世紀末的三大發現1．X射線的發現2．放射性的發現3．電子的發現（二）經典物理學的兩朵烏云1．第一朵烏云“以太”學說2．第二朵烏云“紫外災難”（一）19世紀末的三大發現倫琴（WillhelmKonradRotgen,1845---1923)

1901年，首屆諾貝爾物理學獎授予德國物理學家倫琴以表彰他在1895年發現的X射線。勞厄(MaxvonLaue,1879-1960)

1914年諾貝爾物理學獎授予德國法蘭克福大學的勞厄以表彰他發現了晶體的X射線衍射。亨利·布拉格勞倫斯·布拉格(WilliamHenryBragg,1862-1942)（WilliamLawrenceBragg,1890-1971）1915年諾貝爾物理學獎授予英國倫敦大學的亨利.布拉格和他的兒子英國曼徹斯特維克托利亞大學的勞倫斯.布拉格以表彰他們用X射線對晶體結構的分析所作的貢獻。1912年，德國物理學家勞厄才從晶體衍射的新發現判定X射線是頻率極高的電磁波。不久以后，莫塞萊證實它是由原子中內層電子躍遷所發出的輻射勞厄（德國）發現晶體中的X射線衍射現象獲得了1914年諾貝爾物理學獎W·H·布拉格、W·L·布拉格（英國）因用X射線對晶體結構的研究共同獲得了1915年諾貝爾物理學獎實驗4-2微波布拉格衍射2．放射性的發現貝可勒爾發現底片上有鈾鹽包的清晰的廓影。貝可勒爾推想，感光必定是由于鈾鹽自身發出的某種神秘射線所致，實驗證明，輻射只與鈾元素的存在有關，而且純金屬鈾的輻射比鈾化合物強許多倍，鈾輻射不但能使底片感光，還能使氣體電離變成導體波蘭出生的物理學家瑪麗·居里當時選擇了放射性物質作為她博士論文的題目她首先證實了鈾的輻射強度同鈾的數量成正比，而同其化學形式無關，隨后，她和德國的施米特同時發現了釷也具有這種性質，她建議把物質的這種性質稱為“放射性”，以區別于一般的射線。以后釙和鐳的發現，動搖了長期以來科學家們所信守的基本理論。居里夫婦和貝可勒爾共同獲得了1903年諾貝爾物理學獎元素衰變理論是一個革命性的理論，它打破了自古以來一直認為的原子永遠不能破壞和毀滅的傳統觀念，證明一種元素的原子可以變成另一種元素的原子。這個理論雖然受到了門捷列夫和開爾文等科學泰斗的激烈反對，但終因實驗事實的不斷證實而得到科學界的承認實驗5-3蓋革—彌勒計數器特性和放射性核衰變統計規律的模擬實驗（碳14）J.J.湯姆孫爵士（SirJosephThomon,1856-1940）1906年諾貝爾物理學獎授予英國劍橋大學的J.J.湯姆孫爵士以表彰他對氣體導電的理論和實驗所作的貢獻。3．電子的發現英國物理學家J.J.湯姆遜支持帶電微粒說。于1897年對陰極射線進行了周密的實驗考察。用磁場使陰極射線發生偏轉而進入法拉第筒，證明負電荷確實來自陰極射線。他通過陰極射線在電場和磁場中分別發生偏轉時偏轉量的測定，計算出了陰極射線的荷質比和速度，發現其荷質比的數值大約是氫離子的千分之一，而其速度大約在109厘米/秒的數量級約瑟夫·湯姆生（J.J.湯姆遜）（英國）對氣體放電理論和實驗研究作出重要貢獻并發現電子而獲得了1906年諾貝爾物理學獎（二）經典物理學的兩朵烏云1900年4月27日，開爾文在英國皇家學會以《19世紀熱和光的動力理論上空的烏云》為題所作的長篇演講中，雖然認為物理學是萬里晴空，但又說：“動力學理論斷言熱和光都是運動的方式，可是現在，這種理論的優美性和明晰性被兩朵烏云遮蔽得黯然失色了。第一朵烏云是隨著光的波動理論而開始出現的。菲涅耳和托馬斯·楊研究過這個理論，它包括這樣一個問題：地球如何通過本質上是光以太這樣的彈性固體而運動呢？第二朵烏云是麥克斯韋－玻耳茲曼關于能量均分的學說。”這兩朵烏云涉及到兩方面的實驗發現與力學、電磁學、氣體分子運動論理論的困難1．第一朵烏云“以太”學說相對性原理是經典力學的一個最基本的原理，這個原理認為，絕對靜止和絕對勻速運動都是不存在的，一切可測量的、因而也是有物理意義的運動，都是相對于某一參照物的相對運動。牛頓本人也充分意識到了確定“絕對運動”的困難，最后只能以臆測性的“絕對空間”的存在作為避難所麥克斯韋的電磁場理論獲得成功之后，電磁波的載體以太，就成了物化的絕對空間，靜止于宇宙中的以太就構成了一切物體的“絕對運動”的背景框架。既然以太也是一種物質存在，或者說它表征著物化了的絕對空間，當然就可以通過精密的實驗測出物體相對于以太背景的絕對運動美國物理學家邁克爾遜（1852－1931）在1881年，他和莫雷（1838－1923）在1887年利用干涉儀所進行的精密光學實驗，都未能觀察到所預期的以太相對于地球的運動第二朵烏云“紫外災難”第二朵烏云涉及的是經典物理學另一分支，熱力學和分子運動論中的一個重要問題。開爾文明確提到的是“麥克斯韋－玻耳茲曼關于能量均分的學說”。實際上是指19世紀末關于黑體輻射研究中所遇到的嚴重困難為了解釋黑體輻射實驗的結果，物理學家瑞利和金斯認為能量是一種連續變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，這個公式推出，在短波區（紫外光區）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數據相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災難”20世紀初的這兩朵烏云最終導致了物理學的一場大變革。第一朵烏云“以太”學說導致了相對論的誕生。第二朵烏云“紫外災難”導致了量子力學的產生。因此也可以說，對這兩朵“烏云”的研究就標志著現代物理時代的到來三、相對論的建立（一）狹義相對論的建立

1．以太漂移實驗與收縮假說2．洛侖茲變換3．彭加勒的相對性原理4．狹義相對論基本原理的提出5．閔科夫斯基的4維世界

（二）廣義相對論的建立（一）狹義相對論的建立1．以太漂移實驗與收縮假說自從19世紀初，光的波動說復活以來，關于傳光的媒質，始終是一個爭論的話題。人們認為光的波動必須有一個載體，它就是“以太”。關于以太的存在形式在當時有兩種不同的觀點，以菲涅耳為代表的一派認為以太是靜止，以斯托克斯為代表的一派認為以太是可以被部分曳引的如果靜止以太說是正確的，在地球高速運動時，應存在著“以太風”。多年來，人們做了一系列光學的與電學的以太漂移實驗，企圖測量地球在靜止以太中的相對運動，它們均給出了否定的結果。其中最著名的實驗是由邁克爾遜和莫雷完成的邁克耳孫（AlbertAbrhamMichelson,1852-1931）1907年諾貝爾物理學獎授予芝加哥大學的邁克耳孫以表彰他對光學精密儀器及用之于光譜學與計量學研究所作的貢獻。邁克爾遜在光速測量方面一直享有國際上的盛譽邁克爾遜由于光學精密儀器以及光譜學與計量學的研究成果而獲得了1907年諾貝爾物理學獎實驗2-2光拍法測量光的速度2．洛侖茲變換1895年，洛侖茲發表了題為《運動物體中電磁現象和光現象的理論研究》的論文。這篇論文討論了在相對運動與相對靜止參照系間，同一物理現象間的坐標變換問題，在一級近似下，提出了洛侖茲變換關系。這一工作對以后的狹義相對論理論體系有著重要的意義1905年5月，洛侖茲完成了《速度小于光速系統中的電磁現象》的論文。在這篇論文中，他發表了著名的時空相對論變換公式，這就是后來所稱的洛侖茲變換式，并且進一步證明了，在洛侖茲變換下，電磁方程具有不變形式。在這篇論文中，他還給出了兩點極為重要的給論，一個是粒子質量隨速度變化的公式，一個是粒子在以太中運動的速度不可能大于光速3．彭加勒的相對性原理在物理學的這場變革中，彭加勒在物理學的幾個領域中都做出了重要的貢獻。其中著名的有彭加勒相對性原理的建立。1895年，彭加勒首次提出了相對性原理的想法。他認為，各種實驗事實的結論都可以表明，“要證明物質的絕對運動，或者更確切地說，要證明可稱量物質相對以太的運動是不可能的?！?．狹義相對論基本原理的提出在狹義相對論中，愛因斯坦成功地把時間與空間、物質與運動、質量與能量、多普勒效應與光行差效應、電場與磁場分別統一起來了，直至把經典力學與經典電動力學統一起來，使物理學在拋棄舊力學理論的框架后，得以在新的理論體系中繼續發展5．閔科夫斯基的4維世界閔科夫斯基以優美的數學形式，揭示了3維空間與1維時間的內在聯系。在他所提供的4維空間中，不僅全部力學與電動力學的概念及重要規律得以進一步地簡化與統一，它們被自然與和諧地納入到相對論的理論之中（二）廣義相對論的建立按狹義相對性原理，由于在洛侖茲變換下，許多物理定律都具有協變形式，相對各物理定律而言。各個慣性系都應彼此等效。狹義相對論在說明慣性運動的相對性上取得了極大的成功，它卻存在明顯的缺陷。首先是慣性系是什么？如何確定物體在做慣性運動。最終又回到了"不動的絕對空間"四、量子論的初期發展與量子力學建立（一）量子論的初期發展1．黑體輻射的研究2．普朗克的“量子”假說3．光量子假說（二）量子力學理論的建立1．德布羅意波2．薛定諤的波動力學3．海森伯的矩陣力學4．量子力學的萬本哈根學派的詮釋1．黑體輻射的研究1879年德國物理學家斯特藩從實驗結果中得出了黑體單位表面積單位時間的熱輻射總能量與絕對溫度的四次方成正比的定律，這個結果在1884年被玻耳茲曼從光的電磁理論和熱力學理論做出了論證。這就是斯特藩-玻耳茲曼定律維恩(WilhelmWien,1864-1928)1911年諾貝爾物理學獎授予德國烏爾茲堡大學的維恩以表彰他發現了熱輻射定律。1893年維恩也由電磁學和熱力學理論得出了輻射能量最強的波長與黑體的溫度成反比的“位移定律”，但這兩個定律都不能具體反映輻射能量隨頻率和溫度的分布情況，只能在一定的范圍和條件下與實驗曲線相吻合。維恩因為在黑體輻射方面的研究成果獲得了1911年諾貝爾物理學獎普郎克（MaxKarlErnstLudwigPlank,1858-1947）1918年諾貝爾物理學獎授予德國柏林大學的普郎克以承認他發現能量級對物理學的進展所作的貢獻。2．普朗克的“量子”假說1900年，對熱力學有長期研究的德國物理學家普朗克綜合了維恩公式和瑞利-金斯公式，利用內插法，引入了一個自己的常數，結果得到一個公式，而這個公式與實驗結果精確相符，它就是普朗克公式，即普朗克輻射定律普朗克的能量子假說：輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態，在這些狀態中，諧振子的能量并不像經典物理學所允許的可具有任意值。相應的能量是某一最小能量（稱為能量子）的整數倍能量子的概念是非常新奇的，它沖破了傳統的概念，揭示了微觀世界中一個重要規律，開創了物理學的一個全新領域。由于普朗克發現了能量子，對建立量子理論做出了卓越貢獻，獲得了1918年諾貝爾物理學獎普朗克關于能量只能以“能量子”為最小單元作不連續變化的假設，沖擊了經典物理學長期信奉的“自然界無跳躍”的信條，徹底變革了經典物理學中一切因果關系都是以物理量的連續變化為基礎的物理學思想方法愛因斯坦(AllbertEinstein,1879-1955)

1921年諾貝爾物理學獎授予德國柏林馬克斯·普朗克物理研究所的愛因斯坦以表彰他在理論物理學上的發現,特別是發現了光電效應的定律.3．光量子假說1905年6月，愛因斯坦在德國《物理學紀事》上發表的《關于光的產生和轉化的一個啟發性觀點》，為研究輻射問題帶來了一個嶄新的觀點。他認為，在普朗克的理論中，只考慮了腔壁上振子能量的量子化，但對空腔內電磁輻射的處理，還是用的麥克斯韋電磁波動理論，這種觀點是不徹底的。在愛因斯坦看來，電磁場能量本身也是量子化的，輻射場不是連續的，而是由分立的能量子組成的。他把這種能量子稱為“光量子”。后來美國物理學家路易斯把它改稱為“光子”愛因斯坦研究了用光的能量連續分布的理論難以解釋的光電效應現象由于愛因斯坦在數學物理學的成就，特別是光電效應定律的發現獲得了1921年諾貝爾物理學獎（二）量子力學理論的建立路易斯.德布羅意(PrinceLouis-victordeBroglie,1892-1987)1929年諾貝爾物理學獎授予法國巴黎索本大學的路易斯.德布羅意以表彰他發現了電子的波動性.1．德布羅意波1923年9月至10月間，德布羅意在連續發表了三篇論文《輻射―波和量子》、《光學－光量子、衍射和干涉》、《物理學－量子、氣體運動理論以及費馬原理》。在這幾篇短文中，提出了“德布羅意波”的思想。1824年，德布羅在《量子理論研究》的博士論文中，系統地闡述了他在前幾篇文章中提出的相波理論他因為發現了電子的波動性而獲得了1929年諾貝爾物理學獎，他也是唯一一個因博士論文而獲得諾貝爾物理學獎的人（以前的觀點）五、原子結構理論的發展1．原子有核模型的建立2．玻爾原子結構的量子理論3．玻爾理論的推廣尼爾斯·玻爾（NielsBohr,1885-1962）1922年諾貝爾物理學獎授予丹麥哥本哈根的尼爾斯·玻爾以表彰他在研究原子結構,特別是研究從原子發出的輻射所作的貢獻。1．原子有核模型的建立1909年，盧瑟福的助手蓋革，學生馬斯登從粒子被很薄的金箔散射的實驗中，觀察到了一種出人意料的現象：大約有八千分之一的粒子的偏轉角度超過90度，有的甚至被反彈回來。粒子散射實驗的意外結果，為建立正確的原子有核棋型據供了科學依據2．玻爾原子結構的量子理論1913年玻爾提出的原子結構理論，是量子論發展史上的一個重要階段。在此之前，量子論主要被用于與輻射有關的問題，玻爾的理論卻表明在描述原子的結構和運動規律中，作用量子也具有本質的意義。他希望把量子概念與盧瑟福原子模型結合起來，以解決原子結構的穩定性問題玻爾理論提出了一個動態的原于結構輪廓，揭示了光譜線與原子結構的內在聯系，從而推動了物質結構理論的發展。玻爾由于這一杰出的工作，獲得了1922年諾貝爾物理學獎實驗5-1計算機虛擬仿真物理實驗（前面已提到）實驗5-1附1氫氘原子光譜實驗5-1附2阿貝比長儀和氫氘原子光譜的測量操作指南弗蘭克G.赫茲(JamesFranck,1882-1964)(GustavHertz,1887-1975)

1925年諾貝爾物理學獎授予德國格丁根大學的弗蘭克和哈雷大學的G.赫茲以表彰他們發現原子受電子碰撞的定律.弗蘭克和赫茲（德國）發現原子和電子的碰撞規律共同獲得了1925年諾貝爾物理學獎實驗1-2夫蘭克—赫茲實驗洛倫茲塞曼（HendrikLorentz，1853-1928）（PieterZeeman，1865-1943）

1902年諾貝爾物理學獎授予荷蘭萊頓大學的洛倫茲和荷蘭阿姆斯特丹大學塞曼,以表彰他們在研究磁性對輻射現象的影響所作的特殊貢獻。3．玻爾理論的推廣索末菲在1916年把一般量子化條件推廣到四個自由度，即主量子數，軌道量子數，磁量子數和電子自旋量子數，很好的解釋了塞曼效應和堿金屬光譜的主線系，漫線系，銳線系等現象洛倫茲（荷蘭）和塞曼（荷蘭）關于磁場對輻射現象影響的研究共同獲得了1902年諾貝爾物理學獎實驗1-1鈉原子光譜實驗1-3塞曼效應六、原子核物理的建立與發展（一）原子核結構的早期探索1．質子－電子核模型2．中子的發現3．核磁矩的發現（二）粒子加速器的創建與發展（三）核裂變研究（四）原子能的應用（一）原子核結構的早期探索1．質子－電子核模型十九世紀20年代末到30年代初，人們認識到的基本粒子僅限于質子、電子和光子。并普遍認為，一切物質都是由電子和質子構成的查德威克(SirJamesChadwick,1891-1974)1935年諾貝爾物理學獎授予英國利物浦的查德威克以表彰他發現了中子。2．中子的發現1932年，查德威克用一種射線（中子束）轟擊氫原子核時，發現它被反彈了回來，說明這種射線是具有一定質量的中性粒子流。通過對反沖核的動量測定的結果，再利用動量守恒定律進行估算，確定出這種射線中性粒子的質量幾乎與質子的相同，查德威克把這種粒子定名為中子。于1932年在《自然》雜志上發表了《中子可能存在》的論文查德威克發現中子，不僅改變了當時人們對物質結構的認識，同時還為研究和變革原子核提供了一種有力的手段，這促進了核裂變工作的發展以及原子能的利用。由于這一重要發現，查德威克獲得了1935年諾貝爾物理學獎3．核磁矩的發現在第七屆索爾維會議上，漢堡大學的斯特恩、依斯特曼、弗里施介紹了他們用氫分子束的斯特恩－革拉赫實驗成功測定了氫核的磁矩布洛赫珀塞爾(FelixBloch,1905-1983)(EdwardPurcell,1912-1997)1952年諾貝爾物理學獎授予美國加利福尼亞斯坦福大學的布洛赫和美國馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學的珀塞爾以表彰他們發現了核磁精密測量的新方法及由此所作的發