逍遥学能 2016-05-03 09:05
狭义相对论和广义相对论的区别：
狭义相对论讨论的是匀速直线运动的参照系（惯系参照系）之间的物理定律，广义相对论则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；
量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。
狭义相对论最著名的推论是质能公式，它可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，也相继被天文观测所证实。
爱恩斯坦创立相对论：
1、历史背景：
（1）19世纪科学得到了飞速发展；
19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。经典物理学所研究的是人们日常生活中易于理解的宏观世界，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。物理学的“危机”没有吓倒大多数物理学家，他们继续向前探索，于是产生了以量子论和相对论的建立为标志的物理学革命，物理学从此开辟了新的天地。
（2）经典力学无法解释高速运动的微观粒子发生的现象。经典力学认为，时间和空间与物质运动无关，存在着绝对的静止和绝对的时间。这与人们的一般看法一致。但到了19世纪，经典力学无法解释研究中遇到的一些新问题，面临着挑战。
英国著名物理学家开尔文在一篇瞻望20世纪物理学的文章中，就曾谈到:“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”然而，正当物理学界沉浸在满足的欢乐之中的时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现。如固体比热、黑体辐射、光电效应、原子结构cdotscdots这些新现象都涉及物质内部的微观过程，用已经建立起来的经典理论进行解释显得无能为力。特别是关于黑体辐射的实验规律，运用经典理论得出的瑞利??金斯公式，虽然在低频部分与实验结果符合得比较好，但是，随着频率的增加，辐射能量单调地增加，在高频部分趋于无限大，即在紫色一端发散。这一情况被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”；对迈克尔逊??莫雷实验所得出的“零结果”更是令人费解。实验结果表明，根本不存在“以太漂移”。这引起了物理学家的震惊，反映出经典物理学面临着严峻的挑战。这两件事被当时物理学界的权威称为“在物理学晴朗的天空的远处还有两朵小小的，令人不安的乌云”。然而就是这两朵小小的乌云，给物理学带来了一场深刻的革命。
2、相对论的提出及主要内容：
（1）提出：1905年刚刚得到博士学位的爱因斯坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章，提出了著名的相对论，引发了二十世纪物理学的另一场革命。
（2）内容：相对论包含狭义相对论和广义相对论。狭义相对论认为，物体运动时，质量会随着物体运动速度增大而增加，同时，空间和时间也会随着物体运动的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。
广义相对论认为，空间和时间的性质不仅取决于物质的运动情况，也取决于物质本身的分布状态。
狭义相对论：1905年6月，爱因斯坦完成题为《论运动媒质的电动力学》的论文，提出了狭义相对论。此后，爱因斯坦又连续发表几篇论文，建立起狭义相对论的全部框架。
广义相对论：1915年，爱因斯坦完成了创立广义相对论的工作，并于1916年写成总结性论文《广义相对论的基础》。这篇论文的发表宣告了广义相对论的诞生。
3、意义：
（1）相对论的提出是物理学思想的一次重大革命，它否定了经典力学的绝对时空论，从本质上修正了由狭隘经验建立起来的时空观，深刻地揭示了时间和空间的本质属性。即：揭示了时空的可变性、时空变化的联系性，树立了新的时空观、运动观、物质观。这一理论被后人誉为20世纪人类思想史上最伟大的成就之一。
（2）爱因斯坦的相对论也发展了牛顿力学，将牛顿力学概括在相对论力学之中，推动物理学发展到一个新的高度。
爱因斯坦：
艾伯特?爱因斯坦（1879?1955），美籍德国物理学家。
1879年3月14日诞生在德国乌尔姆的一个犹太人家中。
1894年举家迁居意大利米兰。1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学。1901年入瑞士国籍。
1902年6月至1909年10月，在瑞士专利局任技术员。1909年10月，任苏黎世大学理论物理学副教授；
1911年3月，在布拉格任德意志大学理论物理学教授；1912年10月，任苏黎世工业大学理论物理学教授；
1914年4月，在柏林任德国威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授。
1933年，因受纳粹迫害，移居美国。1940年入美国国籍。1955年4月18日逝世。
爱因斯坦被认为是最富于创造力的科学家，他不但创立了相对论，还提出了光量子的概念，得出了光电效应的基本定律，并揭示了光的波粒二重性本质，为量子力学的建立奠定了基础。为此荣获1921年度的诺贝尔物理学奖。同时，他还证明了热的分子运动论，提出了测定分子大小的新方法。
爱因斯坦没有因为相对论而获得诺贝尔物理学奖原因：
美国科学史专家罗伯特?马克?弗里德曼博士耗时二十多年，通过发掘与诺贝尔奖评奖当事人有关的大量书信、日记、评审报告等素材，撰写成一本有关诺贝尔奖评奖内幕的书，这本书的书名是《权谋：诺贝尔科学奖的幕后》，已由上海科技教育出版社出版了中译本。那么，在诺贝尔物理学奖评审委员会里，究竟是谁不想让爱因斯坦获奖？该书作者揭示出，这个人是瑞典皇家科学院的权威古尔斯特兰德。这个著名医生说：“爱因斯坦的理论作为一个智识成就不具备可考虑授予诺贝尔奖的物理学价值。”结果，古尔斯特兰德毫不费力地在委员会中做了一个经典的外科“手术”，成功地“切除”了爱因斯坦获奖的可能性。另外，委员会另一个核心人物哈塞尔贝里对爱因斯坦的理论也无好感。直到1922年，哈塞尔贝里去世，奥森添补了委员会的空缺，爱因斯坦才得到获奖的机会。事实上，在这件事情上，奥森也颇费了一番心思，其策略是不以委员会中大多数人反对的相对论，而是以普遍被接受但是重要性稍逊的光电效应定律，提出为爱因斯坦授奖，他成功了。应该说，是爱因斯坦为诺贝尔奖增添了光彩，而不是诺贝尔奖成全了爱因斯坦。
牛顿的经典力学：
经典力学的基本定律是牛顿运动定律或与牛顿定律有关且等价的其他力学原理，它是20世纪以前的力学，有两个基本假定：
其一是假定时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关，物质间相互作用的传递是瞬时到达的；
其二是一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定。20世纪以来，由于物理学的发展，经典力学的局限性暴露出来。
①伽利略对经典力学创立的奠基作用。
②牛顿创立经典力学。
经典力学的特征：
与传统科学和现代物理学相比，经典力学具有三大特征：
1、注重实验，实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论。
2、它的数学化，这种数学化的根源是自然内在的数学关系。自然的数学结构是近代科学的先驱们深信不疑的真理。
3、研究人们日常生活中易于理解的宏观世界，后来的X射线、放射性和电子等三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象。
这些表明人们对物质世界的认识在不断深入。
牛顿创立经典力学：
（一）背景：
1、16世纪末17世纪初，文艺复兴运动的扩展促进了人的思想解放，对科学研究产生了重要影响；
2、文艺复兴运动时期哥白尼提出“太阳中心说”，不但动摇了上帝创世说，也启迪了伽利略对亚里士多德力学的质疑和实验思想的萌生。
3、伽利略基于观察、实验以及实验与数学相结合的科学研究，发现了自由落体定律；
4、英国工场手工业时期经济上的需要与力学有直接关系；
5、牛顿在伽利略研究的基础上发现了万有引力定律和运动三定律，形成了以实验为基础、以数学为表达形式的牛顿力学体系，即经典力学体系。
（二）标志：
1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》，提出物体运动三大定律和万有引力定律。
（三）历史地位：
17～18世纪，近代自然科学中突出发展起来的是经典力学。伽利略的自由落体定律奠基，牛顿的《自然哲学的数学原理》一书的出版则标志着经典力学的成熟，一个有关物体运动的理论体系形成了，故此，经典力学又称牛顿力学。
1、在经典力学领域中，最重要的成就是万有引力定律和运动三定律的发现，这些成就构成了经典力学的基本内容。
2、牛顿力学在科学史上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来，把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动的普遍规律，从力学的角度证明了自然界的统一性，实现了人类自然界认识的第一次综合，完成了人类对自然规律的第一次理论概括和总结。
3、经典力学体系的建立标志着近代科学的形成，表达了近代自然科学的基本特点：以实验为基础，以数学为表达形式。人们根据万有引力定律发现海王星，又表明了科学的预见力和对实践的理论指导意义。
（四）意义：
①经典力学体系的建立标志着近代科学的形成。
②促进了天文学发展：根据牛顿力学体系，人们发现了海王星和冥王星。
③促进了光学、电磁学等与力学的统一，推动了物理学的发展。
④促进了资本主义的两次科技革命的出现和发展。
经典力学的重要奠基者??伽利略
1、成就：发现自由落体定律等物理学定律
意义：开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学，为后来经典力学的创立和发展奠定了基础。
自由落体定律的发现是伽利略把科学实验和理性思维相结合解决物理学问题的典范。它不仅发现了物体下落运动的客观规律，而且为人类认识自然找到了一条正确的途径和方法，因此，现在人们称伽利略为物理学之父。正是由于伽利略创立的科学方法，物理学研究才走上正确道路。
2、成就：利用自制望远镜发现许多星体，证明了哥白尼“日心说”的正确性。
意义：伽利略的这些发现和观点，摧毁了教会的信条而证明了哥白尼学说的正确。
牛顿：
牛顿（1642?1727）是著名的英国科学家，在物理学、数学、天文学等许多方面作出了卓越的贡献。
1687年，他出版了《自然哲学的数学原理》，在该书中他首先给力学的基本要领如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，对大至宇宙天体，小至光的微粒的一切物体在真空中或在有阻力的介质中的运动，全部应用运动三定律和万有引力定律给予了说明，把自然界中的一切力学现象都囊括在他的力学体系之中。《自然哲学的数学原理》一书的出版标志着经典力学的成熟。
牛顿力学在科学史上的意义表现在它把天上和地上的运动统一起来，把万有引力定律和运动三定律视为宇宙间一切力学运动有普遍规律，从力学的角度证明了自然界的统一性，实现了人类自然界认识的第一次综合。
牛顿力学方面的贡献之一是确立了万有引力定律。这个定律说明，任何两个物体之间都有引力存在。这个引力与彼此吸引的物体的质量体积成正比，而与两物体间距离的平方成反比。万有引力定律总结了此前一个半世纪的科学发明并用精确的数学术语把它们联结起来了。
此外，牛顿还确立了著名的运动三定律，即惯性定律、比例定律（即加速度与力成正比）、作用和反作用相等定律。运动三定律是经典物理学的基础。
《自然哲学的数学原理》：
牛顿的主要研究成果集中在其不朽的名著《自然哲学的数学原理》一书中。这里所谓的“自然哲学”实际上就是指物理学。在古代，自然科学是以自然哲学的形式出现的。《自然哲学的数学原理》全书分为两大部分。
第一部分包括：“定义和注释”和“运动的基本定理或定律”。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。
第二部分是这些基本定律的作用，包括三篇：
第一篇是研究万有引力的；第二篇讨论介质对物体运动的影响；
第三篇是“论宇宙系统”。在该书的第一部分中，牛顿首先给力学的基本概念如质量、动量、惯性、力及向心力下了定义，说明了绝对时间和绝对空间的含义。接着陈述了他总结和创立的运动三定律和矢量合成原理。
牛顿对运动三定律的表述如下：
运动第一定律（又称惯性定律）：任何物体将保持它的静止状态或匀速直线运动状态，直到外力作用迫使它改变这种状态为止。
运动第二定律：运动的变化与所施的力成正比，并沿力的作用方向发生。
运动第三定律：每一个作用总是有一个相等的反作用和它对抗；或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向对方。
《自然哲学的数学原理》以牛顿三大运动定律和万有引力定律为基础，建立了完美的力学理论体系，说明了当时人们所能理解的一切力学现象，解决了行星运动、落体运动、微粒运动、声音和波、潮汐以及地球的扁圆形状等各种各样的问题。在此后二百多年中，再也没有人补充任何本质上的东西。直到20世纪量子力学和相对论问世，才使力学扩大了范围。
经典力学的困境：
在经典力学体系中，时间和空间的量度是绝对不变的。正如牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中写的：“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而且永远是相同的和不动的。”随着生产实践，特别是科学实验的发展，却出现了一些由“绝对时空观”解释不了的实验事实。比如，电磁波、光的传播和快速的电子运动，等等，都不遵循牛顿的力学定律。为了检验以太存在的假说，1887年，美国物理学家迈克耳逊和莫雷，利用光的干涉效应，观察干涉条纹的移动，试图探测地球相对于以太运动的速度，寻找以太绝对静止坐标系。虽然实验本身达到了很高的精确度，但是并未观察到干涉条纹的移动。这个实验被许多人所重复，结果都相同。实验的“零”结果否定了以太风的存在，这就是以太的飘移实验。很显然，新的发现与古典理论发生了矛盾，迫使人们重新考虑、大胆怀疑绝对时空观的正确性。新的实验表明，牛顿力学的致命弱点，就是把时空和物质运动割裂开来，忽视了它们之间的内在联系，因而当物体运动接近光速时，牛顿理论的终极真理性被否定了。这种状况表明，一种新的更为普遍性的理论的产生已不可避免了。