科技前沿3

科学的突破——求新—相对论与量子物理学LordKelvin:加尔文爵士（speechon1900.4.27inLondon,RoyalInstitution）物理学上空的两朵乌云Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……第三讲：科学的突破——求新第三讲：科学的突破——求新第一朵乌云：Michelson-MorleyExperiment失败的实验，证明了以太（Ether）并不存在第二朵乌云：BlackbodyRadiation黑体辐射实验与理念的不一致开尔文男爵可谓是一语成谶，他没有料到的是：第一朵乌云，导致了相对论的革命第二朵乌云，导致了量子论的革命第三讲：科学的突破——求新MaxPlanck(1858-1947)创立了量子论NobelPrize1918我已经为辐射和物质的问题奋斗了六年，但一无所获。但我知道，这个问题对于整个物理学至关重要，我也已经找到了确定能量分布的那个公式。所以，不论付出什么代价，我必须找到它在理论上的解释。而我非常清楚，经典物理学是无法解释这个问题的。第三讲：科学的突破——求新1900年12月14日，人们都在准备过圣诞节，这一天，普朗克在德国物理学会上宣读了他那篇名垂青史的论文：《黑体光谱中的能量分布》，其中改变历史的是这段话：为了找出N个振子具有总能量Un的可能性，我们必须假设Un是不可连续分割的，它只能是一些相同部件的有限总和……必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断的，而是分成一份一份的！第三讲：科学的突破——求新“量子”，当时普朗克把它称作：Energieelement，随后在另一篇论文里，改作“Elementarquantum”，简化为“Quantum”。普朗克给出了一个著名的量子理论方程式：E=hvE是单个量子的能量，v是频率，h就是神秘的量子常数，以它的发现者命名，称为“普朗克常数”，它约等于6.626X10ˉ34焦耳·秒,这个值，竟然是我们整个宇宙最为重要的三个常数之一，另两个是引力常数G和光速C。第三讲：科学的突破——求新1905，MiracleYearAlbertEinstein爱因斯坦的奇迹年3月18日：光量子假说4月30日：分子测量5月11日：布朗运动6月30日：狭义相对论9月27日：质能方程式12月19日：热分子运动第三讲：科学的突破——求新第一朵乌云第三讲：科学的突破——求新追光的少年“如果我以速度C（真空中的光速）追赶一束光，那么我就应当看到，这束光就好像一个在空间里振荡而停滞不前的电磁场。可是，无论是依据经验还是按照麦克斯韦方程，似乎都不会有这样的事情。从一开始我就直觉到，从这样一个观察者的观点来判断，一切都应当像一个相对于地球静止的观察者所看到的那样，按照同样的一些定律进行。因为，第一个观察者怎么会知道或者能够确定他是处于快速的匀速运动状态呢？由这个悖论我们看到，狭义相对论的萌芽已经蕴藏其中了。——爱因斯坦1949第三讲：科学的突破——求新狭义相对论SpecialRelativity假设一：相对性原理物理学中的一切基本定律，甚至是支配电磁波的麦克斯韦方程，对于一切以恒定速度相对运动的观察者来说都相同。假设二：光速不变光在空虚空间中总是以一个确定的速度V（后来改用C）传播着，这一速度同发射体的运动状态无关。第三讲：科学的突破——求新狭义相对论SpecialRelativity“于是我们就得出以下重要结果：对于站台是同时的若干事件，对于火车却并不同时。”根据相对性原理，我们无法断言站台静止而火车运动。我们只能说，它们在作相对运动，所以“绝对的”、“真正的”答案并不存在。我们不能说任何两件事是绝对或真正同时发生的。第三讲：科学的突破——求新狭义相对论-对牛顿时间观念的突破第三讲：科学的突破——求新“绝对的、真实的和数学的时间本身，依其本性而均匀流逝，与一切外在事物无关。”——牛顿《自然哲学的数学原理》“子在川上曰：逝者如斯夫，不舍昼夜。”狭义相对论SpecialRelativity当你陪一个美丽的姑娘坐上两小时，你会觉得好像只坐了一分钟；当你坐在炙热的火炉旁，哪怕只坐上一分钟，你会感觉好像是坐了两小时。这，就是相对论。——爱因斯坦第三讲：科学的突破——求新任何参照系都有其自身的相对时间。质能方程式能量等于质量乘以光速的平方。光速是巨大的，一小丁点的物质在高速状态下会转换成巨大的能量。一颗葡萄干所包含的能量几乎可以满足纽约一天的能量需求。第三讲：科学的突破——求新广义相对论GeneralRelativity爱因斯坦已经意识到狭义相对论虽然能够与麦克斯韦方程相吻合，但却不能与牛顿的万有引力定律取得一致。从1907年开始，他开始进行广义相对论的研究，直到1916年，才完成《广义相对论基础》，把仅适用于惯性系的狭义相对论推广到适用于任意参考系，且包括引力，阐明时间、空间性质与物质分布及运动之间相互依赖关系的相对性理论。第三讲：科学的突破——求新1919年，广义相对论被证实光线弯曲的理论：1911年，爱因斯坦预测，光不是永远走直线，当它经过重物附近时，会因为受到重物造成空间变化的影响而走曲线。他计算出某一颗星从太阳后面发出光时，它经过太阳附近到地球时行走路线的曲率。此效应在日蚀时能够被观测到。第三讲：科学的突破——求新1919年5月19日，英国皇家天文台长爱丁顿，带领观测小组去遥远的几内亚普林西岛，拍摄照片证实了日全食时星光确实发生偏折。物理学的“华山论剑”索尔维会议，1927第三讲：科学的突破——求新天下群雄共赴布鲁塞尔一较短长物理学全明星梦之队爱因斯坦vs玻尔东邪西毒内力大比拼第三讲：科学的突破——求新南帝北丐大打太平拳薛定谔德布罗意玻尔：哥本哈根学派教主创造性地提出原子跃迁模型互补原理——解释性第三讲：科学的突破——求新NielsBohr(1885-1962)NobelPrize1922Probabilitywave概率波的随机分布第三讲：科学的突破——求新MaxBorn波恩(1882-1970)NobelPrize1954MatrixMechanics矩阵力学Uncertaintyprinciple测不准原理第三讲：科学的突破——求新WernerHeissenberg海森堡(1901-1976)NobelPrize1932波粒二象性方程第三讲：科学的突破——求新LouisDeBrogelie1892-1987NobelPrize1928Schrödinger薛定谔WaveEquation波动方程ErwinSchrödinger(1887-1961)NobelPrize1933第三讲：科学的突破——求新一场大战就此展开！波动说与微粒说之战确定性与随机性之战革命性与保守性之战第三讲：科学的突破——求新Goddoesnotplaydisewithuniverse!上帝不会掷骰子！亲爱的，你如何能决定上帝玩什么游戏？第三讲：科学的突破——求新1933，风云再起第三讲：科学的突破——求新爱因斯坦的光箱玻尔：以彼之道，还治彼身！你忘了广义相对论的“红移”了！第三讲：科学的突破——求新薛定谔的猫一个笼子关着一只猫。一个可衰变的原子，可能引起连锁反应，打翻一个毒气瓶。猫处于一种死或活的叠加量子状态。第三讲：科学的突破——求新Quantumelectro-dynamics狄拉克的调和：相对论和量子力学PaulDirac1902-1984NobelPrize1933第三讲：科学的突破——求新量子力学一日千里第三讲：科学的突破——求新原子弹的较量希特勒的神秘武器VS罗斯福的曼哈顿计划第三讲：科学的突破——求新统一场论引力电磁力强作用弱作用第三讲：科学的突破——求新万有理论（Theoryforeverything）相对论与量子论的结合爱因斯坦的未竟事业霍金的评价从公元前300年欧几里德完成他的《几何原本》后，这是一个人类感知他们存在于其中的宇宙的最大的革命性的更新……它彻底改变了人们对宇宙起源及归宿的讨论方向。静止的宇宙可能永远存在……但根据广义相对论，宇宙大爆炸标志着宇宙的起源，时间的开始。从这个意义上说，爱因斯坦不仅仅是过去100年中最伟大的人物，他应该获得人们更长久的尊敬。第三讲：科学的突破——求新小花絮：爱因斯坦的大脑1955年，普林斯顿大学医学院的病理教授偷偷地藏起了爱因斯坦的大脑第三讲：科学的突破——求新RichardFeynman(1918-1988)NobelPrize1965在某种极端的情况下，一切科学知识都被摧毁了，只有一句话可以传给下一代生物，那么哪一句能以最少的词汇，传达最多的、最基本的科学信息呢？我认为应该是下面这句话：物质是由原子组成的，微小的粒子围绕原子核运动。他们互相吸引，形成物质，但外力挤压它们时，它们又相互排斥。第三讲：科学的突破——求新