“兩朵烏雲”引爆物理學革命性飛躍 黎浩 5100729044 F1007202 在20世紀來歷之際，英國著名物理學家W.湯姆孫提出，物理學科的大度已經基本建築 完成，剩下的工作只不過是不斷地提高精確度而己。然而明朗的天空上還飘著令人不安的“兩 朵烏雲”，它直接動搖著經典物理的根基，一個是邁克爾遜一莫雷實驗中發現的光速不隨運 動參考系變化，該問題直接尊致了相對論的誕生：另一個是黑體輻射實驗和理論的不一致， 此問題帶來了量子物理的曙光。這兩次質的飛躍的帶給物理科學的是一個更廣闊的天地。 在20世紀之前，物理學可以說是達到了十分成熟，幾近完美的程度。很多現象，包括 力學現象，電磁學現象以及熱力學現象，似乎都能夠從經典物理中得到很好的解釋。甚至可 以毫不誇張的說，以經典力學、經典電磁場理論和經典統計力學為三大支柱的經典物理大度 己經竣工，剩下的工作不外乎為它添磚加瓦。然而，隨著科學的不斷進步，經典物理逐漸顯 現出了它的局限性，“兩大烏雲”的出現成為了物理學革命的導火索，引進了相對論，“引 爆”了“量子革命”。 經典力學中認為時空是絕對的，空間和時間獨立存在，彼此毫不相關，根據牛頓的絕對 時空觀，可得出伽利略變换，在伽利略變换下，牛頓運動方程保持不變，稱為力學相對性原 理。為解釋麥克斯韋電磁場理論，提出了乙太參考系的假設，這樣的話應該能在地球上觀察 到“乙太風”。然而美國物理學家邁克爾遜於1887年同化學家莫雷用干涉儀進行實驗，得到 了出乎意料的零結論，否定了“乙太風”的存在，證明了光速不變原理。 為了解釋零結論，荷蘭物理學家洛侖茲提出了收縮假設，並得出洛侖茲變换。與之同時， 愛因斯坦卻有創新性的從同時性問題出發，提出了一種新的時空觀一一相對論時空觀，為物 理學的發展指明了方向。愛因斯坦從他提出的兩個基本假設一一即相對性原理和光速不變原 理出發也得到了洛侖兹變换，並從相對論的角度給予洛侖兹變换以全新的解釋，從而得出運 動尺子的縮短和運動時鐘的變慢效應，以及同時性的相對性。狹義相對論的建立根本上改造 了經典物理學，狭義相對論認為空間和時間並不相互獨立，而是一個統一的四維時空整體。 狹義相對論得到了牛頓體系所完全不能解釋的結論：空間和時間隨物質運動而變化，品質隨 運動變化，品質和能量的相互轉化。但是狹義相對論並不是完全和牛頓力學分道揚鑣，當物 體運動速度遠低於光速時，狹義相對論和牛頓力學是相一致的。之後愛因斯坦又提出了廣義 相對論，將相對論的發展提高到了一個新的高度。 相對論嚴格的考察了時間，空間，運動和物質這些基本的物理概念，給出了科學的時空 觀和物質觀，使得物理在邏輯上形成了較完美的科學體系，堪稱近代物理學的第一大飛躍。 物理學的第二朵烏雲是黑體輻射實驗和理論的不一致，而這朵烏雲帶給物理的是量子理 論的出現。在20世紀之前，很多物理學家提出了很多關於黑體輻射的公式，然而這些公式只 能與實驗所得的資料在很小的範圍內吻合，最著名的是瑞利一金斯通過統計力學和經典電磁 理論推算出的描述黑體能量分佈的公式瑞利一金斯公式，可惜的是它只在低頻部分與實驗值 相符，在高頻部分則得出紫外一端發散的荒唐結果，這就是我們所說的“紫外災難”。 為了解决黑體輻射紫外災難，普朗克於在1900年首次提出了能量子的假說，標誌著量子 論的誕生。之後愛因斯坦接受了量子這個概念，先後提出了光量子和比熱量子的概念。量子
“兩朵烏雲”引爆物理學革命性飛躍 黎浩 5100729044 F1007202 在 20 世紀來歷之際，英國著名物理學家 W.湯姆孫提出，物理學科的大廈已經基本建築 完成，剩下的工作只不過是不斷地提高精確度而已。然而明朗的天空上還飄著令人不安的“兩 朵烏雲”，它直接動搖著經典物理的根基，一個是邁克爾遜—莫雷實驗中發現的光速不隨運 動參考系變化，該問題直接導致了相對論的誕生；另一個是黑體輻射實驗和理論的不一致， 此問題帶來了量子物理的曙光。這兩次質的飛躍的帶給物理科學的是一個更廣闊的天地。 在 20 世紀之前，物理學可以說是達到了十分成熟，幾近完美的程度。很多現象，包括 力學現象，電磁學現象以及熱力學現象，似乎都能夠從經典物理中得到很好的解釋。甚至可 以毫不誇張的說，以經典力學、經典電磁場理論和經典統計力學為三大支柱的經典物理大廈 已經竣工，剩下的工作不外乎為它添磚加瓦。然而，隨著科學的不斷進步，經典物理逐漸顯 現出了它的局限性，“兩大烏雲”的出現成為了物理學革命的導火索，引進了相對論，“引 爆”了“量子革命”。 經典力學中認為時空是絕對的，空間和時間獨立存在，彼此毫不相關，根據牛頓的絕對 時空觀，可得出伽利略變換，在伽利略變換下，牛頓運動方程保持不變，稱為力學相對性原 理。為解釋麥克斯韋電磁場理論，提出了乙太參考系的假設，這樣的話應該能在地球上觀察 到“乙太風”。然而美國物理學家邁克爾遜於1887年同化學家莫雷用干涉儀進行實驗，得到 了出乎意料的零結論，否定了“ 乙太風”的存在，證明了光速不變原理。 為了解釋零結論，荷蘭物理學家洛侖茲提出了收縮假設，並得出洛侖茲變換。與之同時， 愛因斯坦卻有創新性的從同時性問題出發，提出了一種新的時空觀——相對論時空觀，為物 理學的發展指明了方向。愛因斯坦從他提出的兩個基本假設——即相對性原理和光速不變原 理出發也得到了洛侖茲變換，並從相對論的角度給予洛侖茲變換以全新的解釋，從而得出運 動尺子的縮短和運動時鐘的變慢效應，以及同時性的相對性。狹義相對論的建立根本上改造 了經典物理學，狹義相對論認為空間和時間並不相互獨立，而是一個統一的四維時空整體。 狹義相對論得到了牛頓體系所完全不能解釋的結論：空間和時間隨物質運動而變化，品質隨 運動變化，品質和能量的相互轉化。但是狹義相對論並不是完全和牛頓力學分道揚鑣，當物 體運動速度遠低於光速時，狹義相對論和牛頓力學是相一致的。之後愛因斯坦又提出了廣義 相對論，將相對論的發展提高到了一個新的高度。 相對論嚴格的考察了時間，空間，運動和物質這些基本的物理概念，給出了科學的時空 觀和物質觀，使得物理在邏輯上形成了較完美的科學體系，堪稱近代物理學的第一大飛躍。 物理學的第二朵烏雲是黑體輻射實驗和理論的不一致，而這朵烏雲帶給物理的是量子理 論的出現。在20世紀之前，很多物理學家提出了很多關於黑體輻射的公式，然而這些公式只 能與實驗所得的資料在很小的範圍內吻合，最著名的是瑞利—金斯通過統計力學和經典電磁 理論推算出的描述黑體能量分佈的公式瑞利—金斯公式，可惜的是它只在低頻部分與實驗值 相符，在高頻部分則得出紫外一端發散的荒唐結果，這就是我們所說的“紫外災難”。 為了解決黑體輻射紫外災難，普朗克於在1900年首次提出了能量子的假說，標誌著量子 論的誕生。之後愛因斯坦接受了量子這個概念，先後提出了光量子和比熱量子的概念。量子
的概念提出時基本沒人支持，因為它的出現動搖了物理學大度的基石。直到密立根和康普頓 的光電效應實驗和x射線散射實驗證明了光量子論的正確性，量子論才開始被科學家們所接 受。另一方面，在研究原子結構的道路上也顯現除了量子的端倪，波爾巧妙的將原子核模型 與普朗克能量子假設結合起來，初步解釋了原子結構。隨著光波粒二象性的提出，德布羅意 提出了物質波的概念，薛定諤在物質波的基礎上提出了著名的薛定諤方程，之後測不准關係 的提出和波函數的統計解釋更是將量子理論的發展推向了高潮。至此，量子體系初步建立起 來並逐步走向完善。 量子理論的提出提升了人類對於自然界的看法，揭示了微觀物質世界的基本規律，為原 子物理學，固體物理學，粒子物理學以及核子物理學奠定了理論基礎，堪稱近代物理的一大 飛躍。 從相對論的建立和量子理論的發展看我們得到的不僅僅是一種新的理論，一種新的知識， 更重要的是先輩們敢於說不和執著于求知探索的精神。敢於向權威挑戰，在困難面前保持理 性的頭腦，發揮自己的求知欲和創造力，這才是我們應該學到的束西。或許以後現代物理學 也將迎來那麽幾朵烏雲，但是只要我們敢去挑戰，終有撥開雲霧見青天的一天
的概念提出時基本沒人支持，因為它的出現動搖了物理學大廈的基石。直到密立根和康普頓 的光電效應實驗和x射線散射實驗證明了光量子論的正確性，量子論才開始被科學家們所接 受。另一方面，在研究原子結構的道路上也顯現除了量子的端倪，波爾巧妙的將原子核模型 與普朗克能量子假設結合起來，初步解釋了原子結構。隨著光波粒二象性的提出，德布羅意 提出了物質波的概念，薛定諤在物質波的基礎上提出了著名的薛定諤方程，之後測不准關係 的提出和波函數的統計解釋更是將量子理論的發展推向了高潮。至此，量子體系初步建立起 來並逐步走向完善。 量子理論的提出提升了人類對於自然界的看法，揭示了微觀物質世界的基本規律，為原 子物理學，固體物理學，粒子物理學以及核子物理學奠定了理論基礎，堪稱近代物理的一大 飛躍。 從相對論的建立和量子理論的發展看我們得到的不僅僅是一種新的理論，一種新的知識， 更重要的是先輩們敢於說不和執著于求知探索的精神。敢於向權威挑戰，在困難面前保持理 性的頭腦，發揮自己的求知欲和創造力，這才是我們應該學到的東西。或許以後現代物理學 也將迎來那麼幾朵烏雲，但是只要我們敢去挑戰，終有撥開雲霧見青天的一天