逍遥学能 2017-03-01 16:05
经典力学、相对论与量子论的关系：
经典力学改变了自古代以来人们的认识论和方法论。相对论打破了牛顿以来传统的绝对时空观，但并非全盘否定牛顿力学。牛顿力学反映的是宏观物体低速运动的客观规律，而相对论反映的是物体高速运动的客观规律，是对牛顿力学的继承和发展。牛顿力学是相对论的一种特例（物体低速运动状态），包括在相对论体系中。量子论则是研究微观世界粒子运动规律的科学。量子论与相对论一起，构成了现代物理学的基础。
量子论的诞生与发展：
1、诞生的背景：
（1）19世纪末20世纪初，电子和放射性的发现，打开了原子的大门，使人们对物质的认识深入到了原子内部。
（2）大量的实验表明，微观粒子的运动不能用通常的宏观物体的运动规律进行描述。量子论在这种背景下诞生。
2、量子论的诞生、发展和量子力学：
（1）诞生：1900年，德国物理学家普朗克提出量子假说，宣告了量子论的诞生。
（2）发展：
①爱因斯坦利用量子论成功地解释了光电效应出现的现象及光的本质，进一步推动了量子论的发展。
②丹麦物理学家玻尔把量子论用于原子结构的研究，创立了原子结构的理论。
③经过这些科学家的共同努力，到1925年左右量子力学最终建立。量子力学是研究微观世界粒子运动规律的科学。
3、量子论和量子力学的影响：
（1）量子论使人类对微观世界的基本认识取得革命性的进步，成为20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。
（2）量子论与相对论一起构成现代物理学的基础，并弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。
（3）推动了物理学自身的进步，开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。
4、量子论诞生的意义：
它与相对论一起，构成了现代物理学的基础。相对论和量子论弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。它们的提出，不仅推动了物理学自身的进步而且开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。人类对客观规律的认识开始从宏观世界深入到了微观世界。
普朗克和量子论的发展：
普朗克（1858?1947）是近代伟大的德国物理学家、量子论的奠基人。1858年4月23日生于基尔。1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。1900年，他在黑体辐射研究中引入能量量子。12月14日，在德国物理学会的例会上，普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中，他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说，为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做普朗克常数。由此，量子论创立。由于这一发现，普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。他一生发表了215篇研究论文和7部著作。在普朗克诞辰80周年的庆祝会上，人们“赠给”他一个小行星，并命名为“普朗克行星”。量子论不仅给光学，也给整个物理学提供了新的概念，故通常把它的诞生视为近代物理学的起点。
第一个意识到量子概念的普遍意义并将其运用到其他问题上的科学家是爱因斯坦，他建立了光量子理论解释光电效应中出现的新现象。此外，玻尔、德布罗意等许多科学家也对量子论的发展作出了重要贡献。量子论的发展经历了三个主要阶段：古典量子论（普朗克、爱因斯坦、玻尔、索未菲、康普顿），量子力学（德布罗意、薛定谔、海森伯、约尔丹、玻恩）以及最新的相对论量子力学或量子场论。但是，否定量子论或对它有疑问的科学家也不少，即使是赞同量子论的科学家之间也有很大的争论，如爱因斯坦和玻尔。尽管人们对量子理论的争论一直没有消除，但它在实践中获得的成就却是令人吃惊的。用量子理论来研究金属和宝石这些晶体，可以解释很多现象，例如，为什么银是电和热的良导体却不透光，金刚石不是电和热的良导体却透光？实际上，更为重要的是量子理论很好地解释了处于导体和绝缘体之间的半导体的原理，为晶体管的出现奠定了基础。而且量子论在工业领域的应用前景也十分美好。科学家认为，量子力学理论将对电子工业产生重大影响，是物理学一个尚未开发而又具有广阔前景的新领域。
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。