第七章 现代物理学革命
第七章 现代物理学革命
开尔文的世纪回顾 口19世纪末的一天，欧洲著名 的科学家欢聚一堂。会上汤 姆森(W.Thomson,1824- 1907)发表新年祝词。 口他在回顾物理学所取得的伟 大成就时说，物理大厦已经 落成，所剩只是一些修饰工 作
开尔文的世纪回顾 o 19世纪末的一天，欧洲著名 的科学家欢聚一堂。会上汤 姆森（W. Thomson, 1824- 1907）发表新年祝词。 o 他在回顾物理学所取得的伟 大成就时说，物理大厦已经 落成，所剩只是一些修饰工 作
两朵乌云 口但在展望20世纪物理学前景时，开尔文若有 所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动 的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空 却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光 的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量 均分的麦克斯韦玻尔兹曼理论上
两朵乌云 o 但在展望20世纪物理学前景时，开尔文若有 所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动 的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空 却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在 上，第二朵乌云出现在关于 上
第一朵乌云
第一朵乌云
以太理论 口17世纪到19世纪末，科学家们为了寻找一种 力学模型来解释光学现象，由此而发展起来 一套以太理论。 波动说把光解释成为由以太传递的横向振动， 解释了大部分光学现象。 口 某些以以太为基础构造的理论看上去还得到 了实验的证实
以太理论 o 17世纪到19世纪末，科学家们为了寻找一种 力学模型来解释光学现象，由此而发展起来 一套以太理论。 o 波动说把光解释成为由以太传递的横向振动， 解释了大部分光学现象。 o 某些以以太为基础构造的理论看上去还得到 了实验的证实
以太部分曳引假说：菲涅耳斐索公式 口1818年菲涅耳提出：透明物 Water flows out 质中以太的密度与该物质的 折射率二次方成正比。 口他还假定当一个物体相对以 太参照系运动时，其内部的 以太只是超过真空的那一部 分被物体带动（以太部分曳引 假说)，并得到运动物体内光 Water flows in 的速度 v(light)(c/n)+Vmed(1-1/n2) 口1851年斐索的实验证实了这 Fizeau's Water Expenment 个公式
以太部分曳引假说：菲涅耳-斐索公式 o 1818年菲涅耳提出：透明物 质中以太的密度与该物质的 折射率二次方成正比。 o 他还假定当一个物体相对以 太参照系运动时，其内部的 以太只是超过真空的那一部 分被物体带动(以太部分曳引 假说)，并得到运动物体内光 的速度： o v(light) = (c/n) + vmed (1-1/n2) o 1851年斐索的实验证实了这 个公式
寻找以太 口1861年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式通过 以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶峰。 口以太如此重要，需要做个实验证明它的存在。 口1879年麦克斯韦在致美国天文年鉴局托德的一封 信中，提出了测定太阳系相对于传播光的以太的 运动速度的一个方案
寻找以太 o 1861年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式通过 以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶峰。 o 以太如此重要，需要做个实验证明它的存在。 o 1879年麦克斯韦在致美国天文年鉴局托德的一封 信中，提出了测定太阳系相对于传播光的以太的 运动速度的一个方案
口迈克耳逊 (A.Michelson,1852- 迈克耳逊 1931)看到公开发表的 麦克斯韦的信之后，尝 试去做这个实验。 ▣ 1881年他发表结果说没 有发现地球相对于以太 的可以检测的运动。 几年后他又与一名化学 教授莫雷(1838-1923) 合作，以更高的精度重 复了这个实验，1887年 他们公布实验结果，仍 然没有发现地球相对于 以太的运动
迈克耳逊 o 迈克耳逊 （A．Michelson，1852- 1931）看到公开发表的 麦克斯韦的信之后，尝 试去做这个实验。 o 1881年他发表结果说没 有发现地球相对于以太 的可以检测的运动。 o 几年后他又与一名化学 教授莫雷（1838-1923） 合作，以更高的精度重 复了这个实验，1887年 他们公布实验结果，仍 然没有发现地球相对于 以太的运动
实验的思想基础 口在以太这个参考 系中光速是均匀 迈克耳逊-莫雷实验略图 的，所以通过测 量不同方向上光 的视速度，比较 它们的差异，就 可以确定地球相 对于以太的速度。 以太风
实验的思想基础 o 在以太这个参考 系中光速是均匀 的，所以通过测 量不同方向上光 的视速度，比较 它们的差异，就 可以确定地球相 对于以太的速度
光程差 口假设实验室坐标系存在沿C到A速度为v的以太风， 那么相对实验室的光速，从A到C为c-ⅴ，从C到A为 C+V, 在AB和BA方向光速为(C2-v2)1/2。 口如果AB=AC=L,那么光在AB、AC间往返所需的时间 分别为： t1=2L/(c(1-v2/c2)1/2)和t2=t1/(1-v2/c2)1/2 口两者之差△t,忽略高阶小项后，为Lv/c3。相应的 光程差为Lv2/c2
光程差 o 假设实验室坐标系存在沿C到A速度为v的以太风， 那么相对实验室的光速，从A到C为c-v，从C到A为 c+v， o 在AB和BA方向光速为(c 2-v 2) 1/2 。 o 如果AB=AC=L，那么光在AB、AC间往返所需的时间 分别为： o t1=2L/(c(1-v 2/c 2) 1/2)和t2=t1/(1-v 2/c 2) 1/2 o 两者之差△t，忽略高阶小项后，为Lv 2/c 3 。相应的 光程差为Lv 2/c 2