物理世界（五）

刘文旺

     物理学史

六、相对论：

    至此，经典物理学的力、热、光、电等基本知识已经建立完善。一方面，不断被大量的实验事实所证明；另一方面，也被广泛地应用于人们的生产生活中。这时的物理学界充满了祥和的气氛。

  其实也不尽然，早在1900年4月27日，在英国的伦敦市，阿尔伯马尔街，欧洲著名科学家在此汇聚一堂，举行世纪之交的物理学家聚餐会。在雷动的掌声中，已是76岁高龄的开尔文勋爵走上了讲台，发表了开幕词----《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲。他说，物理学的大厦已经基本落成，所剩的只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时讲到，动力学理论断言，热和光都是运动的形式。但是现在这一理论的优美性和明晰性，却被两朵乌云遮蔽而显得黯然失色。第一朵乌云出现在黑体辐射实验和理论的不一致——紫外灾难现象；第二朵乌云出现在迈克尔逊-莫雷实验发现的，关于光速的不变性上……

开尔文勋爵

人们往往认为，正是19世纪初的这两朵小小的乌云，酿成了一场大风暴：

第一朵乌云导致哥本哈根学派创建了量子力学；第二朵乌云导致爱因斯坦创建了相对论。从而奠定了近代物理的两大支柱。

需要特别指出的是，现代的量子理论，粒子理论还很不完善，特别是粒子理论，其中含有近三十个认为假定项，简直可以说是一个品走出来的理论。一般认为这个理论已经可以精确到很高的程度，这件只是荒唐。为了与试验相一致，人为修正假设还能不准确，但仍还有很多问题不能解决：组成质子的三个夸克的质量之和远小于质子的质量、组成质子的三个夸克的角动量之和远小于质子的角动量。

哥本哈根

49、物理学晴朗天空上的两朵乌云：①迈克逊－莫雷实验——相对论（高速运动世界）, ②热辐射实验——量子论（微观世界）。

50、19世纪和20世纪之交，物理学的三大发现：X射线的发现，电子的发现，放射性的发现。

51、1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，有两条基本原理：

①相对性原理——不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的。

②光速不变原理——不同的惯性参考系中，光在真空中的速度一定是c不变。

52、1900年，德国物理学家普朗克解释物体热辐射规律提出能量子假说：物质发射或吸收能量时，能量不是连续的，而是一份一份的，每一份就是一个最小的能量单位，即能量子。这是能量量子化的最初形式。

53、激光——被誉为20世纪的“世纪之光”。

七、波粒二象性：

 关于光的本性的认识，经历了太久的时间。惠更斯、胡克等人却认为光是一种波。传播光的物质被认为就是笛卡尔提出的以太。牛顿认为光是一种粒子，否认以太的存在。但是，当牛顿创建了万有引力定律后，惠更斯反复追问是什么传递了万有引力。牛顿无奈，认为可能是以太传递了这一相互作用。现代一般认为光具有波粒二象性。

                                                      笛卡尔

伴随电磁学的发展，积累起来的定律、公式众多，麦克斯韦应用其强有力的数学基础，建立了只有四个方程的麦克斯韦方程组，实现了电磁学的统一。从其方程组中,可以推导出真空中光的运动速度：C=1/（ε₀μ₀）^1/2，这一数值与实验物理学家们测得的光速十分接近。因此，人们认为光就是一种电磁波。

54、1900年，德国物理学家普朗克为解释物体热辐射规律提出：电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份的，把物理学带进了量子世界；受其启发1905年爱因斯坦提出光子说，成功地解释了光电效应规律，因此获得诺贝尔物理奖。

55、1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时——康普顿效应，证实了光的粒子性。（说明动量守恒定律和能量守恒定律同时适用于微观粒子）

56、1913年，丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，成功地解释和预言了氢原子的辐射电磁波谱，为量子力学的发展奠定了基础。

57、1924年，法国物理学家德布罗意大胆预言：实物粒子在一定条件下会表现出波动性——量子力学重物质波的由来。

58、1927年美、英两国物理学家得到了电子束在金属晶体上的衍射图案。电子显微镜与光学显微镜相比，衍射现象影响小很多，大大地提高了分辨能力，质子显微镜的分辨本能更高。

八、原子物理学、原子核物理、粒子物理：

     一般认为普朗克的光量子的提出标志着量子力学理论的诞生，其实不尽然。普朗克的光量子的能量是量子化的。但是，量子理论的诞生根源于发现氢光谱的不连续性。由哥本哈根学派的掌门人波尔提出了原子轨道运动通过的三条假设后，解释了氢原子光谱的不连续性。轨道电子的轨道半径、能量、角动量不去连续的数值，这才是量子化的本意。后经薛定谔、狄拉克、泡利等哥本哈根学派的科学家的努力建立了现代的量子理论。

普朗克

     这一理论被广泛地应用于原子核物理、粒子物理中。

人们为了赞美相对论，而认为相对论成就了原子弹的、成就了核能的利用。其实这是不准确的，早在1896年物理学家贝克勒尔就发现了放射性，这也是辐射以贝克勒尔为单位的原因。正是在他的建议下，才有了居里夫妇发现镭等新元素的时间的发生。这也成就了居里夫人，时期获得了诺贝尔奖金。

相对论的质能方程真正具有指导意义的是，解决了宇宙中恒星、星系核释放出高能量的问题。这一问题困扰了无力学家很多年。但这也只是近似的。关于只能关系还缺少定量的实验，不同的实验者得到的数值并不相同。还需要探索下去。

科学实验就客观世界的物质属性的，还是求真务实一点好！

波尔

59、1858年，德国科学家普里克发现了一种奇妙的射线——阴极射线（高速运动的电子流）。

60、1906年，英国物理学家汤姆生发现电子，获得诺贝尔物理学奖。

61、1913年，美国物理学家密立根通过油滴实验精确测定了元电荷e电荷量，获得诺贝尔奖。

62、1897年，汤姆生利用阴极射线管发现了电子，说明原子可分，有复杂内部结构，并提出原子的枣糕模型。

63、1909－1911年，英国物理学家卢瑟福和助手们进行了α粒子散射实验，并提出了原子的核式结构模型。由实验结果估计原子核直径数量级为10 -15m。

1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，第一次实现了原子核的人工转变，并发现了质子。预言原子核内还有另一种粒子，被其学生查德威克于1932年在α粒子轰击铍核时发现，由此人们认识到原子核由质子和中子组成。

64、1885年，瑞士的中学数学教师巴耳末总结了氢原子光谱的波长规律——巴耳末系。

65、1913年，丹麦物理学家波尔最先得出氢原子能级表达式；

66、1896年，法国物理学家贝克勒尔发现天然放射现象，说明原子核有复杂的内部结构。

天然放射现象：有两种衰变（α、β），三种射线（α、β、γ），其中γ射线是衰变后新核处于激发态，向低能级跃迁时辐射出的。衰变快慢与原子所处的物理和化学状态无关。

67、1896年，在贝克勒尔的建议下，玛丽-居里夫妇发现了两种放射性更强的新元素——钋（Po）镭（Ra）。

玛丽-居里

68、1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，第一次实现了原子核的人工转变，发现了质子，并预言原子核内还有另一种粒子——中子。

69、1932年，卢瑟福学生查德威克于在α粒子轰击铍核时发现中子，获得诺贝尔物理奖。

70、1934年，约里奥－居里夫妇用α粒子轰击铝箔时，发现了正电子和人工放射性同位素。

71、1939年12月，德国物理学家哈恩和助手斯特拉斯曼用中子轰击铀核时，铀核发生裂变。63、1942年，在费米、西拉德等人领导下，美国建成第一个裂变反应堆（由浓缩铀棒、控制棒、减速剂、水泥防护层等组成）。

72、1952年美国爆炸了世界上第一颗氢弹（聚变反应、热核反应）。人工控制核聚变的一个可能途径是：利用强激光产生的高压照射小颗粒核燃料。

73、1932年发现了正电子，1964年提出夸克模型；

粒子分三大类：媒介子－传递各种相互作用的粒子（中间波色子）静止质量为零，如：光子、引力子等。

轻子－不参与强相互作用的粒子，如：电子、中微子等。

   强子－参与强相互作用的粒子，如：重子（质子、中子、超子）和介子，强子由更基本的粒子夸克组成，夸克带电量可能为元电荷。

（未完待续）