第七章    物理学革命与现代科学的产生(4)

广义相对论的基本方程，爱因斯坦方程，描绘了时间——空间与能量——动量如何相互规定：时空曲率 = 能量动量。

这是一组10个方程，非常难以求解，爱因斯坦求出了一些近似的解，并提出了三项可检验的预见：1、轨道进动；2、引力红移；3、光线偏折。

水星近日点进动是早已被观测到的天文现象，这个进动曾被预言过海王星的法国天文学家勒维列用牛顿学说的行星摄动方法来说明，他预言这是由于海王星附近有个未被观测到的行星的影响，他称之为“火神星”。可是几百年过去了，人们怎么也找不到这个“火神星”。广义相对论算出的行星轨道不需要其他行星的影响，自己就会“进动”。对水星轨道而言，观测值和理论值正好相符。

依据广义相对论，时空弯曲的地方钟表走得慢。太阳附近的钟表比地球上的走得慢。我们当然不可能造一个钟表送到太阳上去。爱因斯坦建议可以将太阳附近的氢原子看作“原子钟”，观测其光谱线，再与地球上氢原子钟的谱线相比较，太阳钟变慢意味着氢原子谱线会向红端移动，后来的观测证实了这一预言。

在2005年，英国皇家学会进行一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，在被调查的皇家学会会员和纲民投票中，牛顿被认为比爱因斯坦更具有影响力。于吉红的荣誉、职务和成就逐年增加，获得国家杰出青年基金、受聘为教育部长江学者特聘教授、担任国家重点基础研究发展计划项目（973）首席科学家、“万人计划”首批科技创新领军人才、英国皇家化学会会士、国际分子筛协会理事会秘书长、英国皇家化学会《chemicalscience》杂志副主编。而且还是若干军团的名义领袖：威尔士卫队上校加拿大航空预备队名誉团长英格兰柴郡22军团名誉团长加拿大皇家斯卡特科拿勋爵骑兵团名誉团长英国皇家空军伞兵团名誉团长澳大利亚皇家盔甲步兵团名誉团长英国皇家廓喀步枪兵团名誉团长新西兰皇家空军名誉最高长官加拿大皇家步兵团名誉团长加拿大温尼伯步枪兵团名誉团长英国皇家太平洋群岛步兵团名誉团长加拿大皇家重骑兵团名誉团长英国皇家陆军空战兵团名誉团长英国皇家重骑兵卫队名誉团长英国皇家空军名誉准将苏格兰高低联队名誉副队长苏格兰皇家高地人步兵团名誉团长英王直辖第一重骑兵卫队名誉团长英王步兵团名誉团长。

牛顿发现万有引力定律时年仅23岁，爱因斯坦26岁创立相对论，华罗庚25岁便成为著名的数学家&hellip。爱因斯坦创立广义相对论的过程甚至在一定程度上是通过数学上的逻辑推导而最终得出了符合客观实际的理论。当爱因斯坦在将引力场几何化方面获得成功之后，便希望能够用类似的纯几何概念来描述电磁场，并且希望建立引力场和电磁场的统一场论，这也是爱因斯坦于后半生一直追求的有关广义相对论的基本问题。

7.3 量子理论的建立

在世纪之交科学革命的狂风暴雨中，量子学说诞生了。它的诞生和飞速成长打开了微观世界的大门，成就了物理学的一个英雄时代。

1、量子论的诞生

重大科学理论的提出有其历史的必然，但在什么问题上首先取得突破却有一定的偶然性。量子理论的突破首先出现在黑体辐射能量随频率的分布规律上。

能量子

如前述，经典理论无法解释依据实验数据画出的分布曲线，不是在长波段符合得不好就是在短波处出现无穷大。为了调和理论和实验的矛盾，1900年10月，德国物理学家普朗克（M.Planck）采用拼凑的办法得到了一个公式，该公式在全波段都与观测值符合得很好。普朗克相信这决非偶然，其中必定蕴藏着一个非常重要但尚未被人们揭示出来的科学原理。反复思考后普朗克发现，只要假定物体吸收或发射辐射时，能量不是连续的而是一份一份的，就可以从理论上导出他的黑体辐射公式。普朗克称每一份能量为“量子”(quantum)，每个“量子”的能量称为“作用量子”(quantumofaction)。1900年12月14日

，普朗克在德国物理学会上提出了他的量子假定，这一天被看成是量子论的诞生日。1918年，普朗克

“ 因为发现能量子而对物理学的发展做出杰出贡献”而获得了诺贝尔物理学奖。

在经典物理学看来，能量不连续的概念是绝对不允许的。因此，在相当长一段时间内,普朗克的工作并未引起科学界的重视。普朗克本人也对自己革命性的思想怀疑过，没有将其贯彻始终。有故事说，当记者问能量到底是连续还是不连续的，普朗克反问道：如果用小碗从缸里舀水，倒在水池中，水是连续还是不连续呢。可见普朗克认为，能量本质上是连续的，只是在被辐射和吸收时才是量子化的。

最先认识到量子假设的普遍意义，并用其解决经典物理学所碰到的其它困难的是年轻的爱因斯坦。

光量子

1905-1909数年间，爱因斯坦发表了数篇论文，阐述其光量子( light quantum)概念，发展了普朗克的思想。爱因斯坦进一步假设，能量不但在辐射和吸收是不连续，在传播过程中和与物质相互作用的时候也是量子化的，因此光可以看成“能量量子”或说“光量子”，后被称为光子。爱因斯坦用光量子假设成功解释了光电效应现象，并给出了光电效应方程。

光的粒子性表现明显时仍具有波动性因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律故正确答案为、d答案：ad题后反思光的波粒二象性应注意的问题光子是能量为hν的微粒表现出粒子性而光子的能量与频率有关体现了波动性所以光子是统一波粒二象性的微粒．2．在不同条件下的表现不同．大量光子表现出波动性个别光子表现出粒子性．光在传播时表现出波动性光和其他物质相互作用时表现出粒子性。在薛定谔方程中，既有描述电子微粒性的物理量m、e、v，也有描述电子波动性的波函数ψ，电子的波动性和微粒性通过普朗克常数h有机的联系起来，因此，该方程能够正确的描述电子的运动状态。有优性遗传说和三元性因子说（1个优性因子和2个劣性因子），从经验遗传预后学或精神医学的实际经验来看，优性遗传说最为有力，但也不容否定，有些事实说明是和劣性遗传有关，这个关系是很复杂的。

1916年，密立根（R. Millikan）以他精确的实验结果证明爱因斯坦的光电方程是正确的。

由于他对光电定律和理论物理方面的贡献。§4.1 光电探测器(detector)的物理效应光电倍 增管光电倍增管是一类用于极微弱光探测的真空 电子管，第一只光电倍增管（pmt）于80 多年前由美国国家辐射公司（radio corporation of america）发明，并于 1936年首次成为商用产品。云南省德宏州潞西市芒市中学2014高中物理 4.1 牛顿第一定律教学设计 新人教版必修1一、内容及其解析（一）内容：本节主要介绍牛顿第一定律及其思想形成过程（二）解析：本节教材明确指出牛顿第一定律是牛顿物理学的基石，牛顿第一定律第一次揭示了物质运动和力之间的关系，涉及到两个重要的物理基本概念性参考系》后回答下列问题：教材p71页3题：通过实例说明，如果所选的参考系在相对于某惯性参考系做变速运动，惯性定律在所选的参考系中就不成立。

在统计力学也就是统计物理或热力学中分子运动论表明能量是以分子包括原子和其它微粒是以它们不停的振动的形式存在的,也即热运动的形式存在的.这就是物体的温度.宇宙星体也有温度而且恒星温度更高.能量存在的另一种形式就是电磁辐射,这也包括所谓的宇宙背景辐射.当然还有基本粒子的运动和能量.难道这些都能离开物质单独存在吗。2元素、核素、同位素元素 核素 同位素 概念 具有相同核电荷数（质子数）的同一类原子的总称 具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子 质子数相同而中子数不同的原子或同一元素的不同核素 范围 宏观概念，对同一类原子而言，既有游离态又有化合态 微观概念，对某种元素的一种原子而言 微观概念，对某种元素的原子而言。温度在科学中的概念没有划归到物质运动最直接的形式，是因为传统物理科学体系中温度和其它物理概念间存在的逻辑关系。

可以说，主要是由于爱因斯坦的工作，量子理论在其诞生的最初的十年里得以进一步发展。

行星模型

量子理论的另一突破来自于原子结构的研究。世纪之交的三大发现促使人们去研究原子的内部结构，当时，科学家们提出了各种原子结构模型以说明已有的观测事实如原子的稳定性、元素周期性、原子光谱的规律和放射性等等。

近代原子论发现电子带核原子结构模型轨道原子结构模型电子云模型近代科学原子论（1803年）一切物质都是由最小的不能再分的粒子——原子构成。电子是最早发现的亚原子粒子，到目前为止，电子是所有粒子中最轻的，只有kg，为[1/1836.152701(37)]，是密立根在1910年前后通过著名的“油滴实验”做出的。电子和原子核的体积加在一起只有原子体积的几千亿分之一，原子中其实大部分都空的，原子中的粒子都是通过电磁力相互作用而构成了一个整体。

1911年，卢瑟福提出了著名的原子“有核模型”，也称为“行星模型”。他认为，原子的正电荷以及几乎全部的质量都集中在原子中心很小的区域中形成原子核，而电子则围绕核旋转，如同行星绕太阳旋转。此模型可以很好地解释α粒子的大角度偏转，但却遇到了如下两大难题：

其一是原子的稳定性问题。按照经典电动力学，电子绕核旋转将不断辐射能量并减速，最后将掉到原子核上去，原子也随之毁灭，在此过程中会相应发射出一个连续辐射谱。但事实是在自然界中原子稳定地存在，并且观测到的原子光谱是线状不连续的；

其二是原子的大小问题。在经典物理的框架中考虑卢瑟福模型，找不到一个合理的特征长度表征原子大小。

这些问题的存在又一次预示着，对微观世界的认识需要一个不同于经典物理学的新理论。

定态与跃迁

相对论是描述超大尺度空间的规律,而量子力学是描述原子内部超级小空间的规律,而两种理论格格不入.所以到目前为止理论物理学领域的最大一个攻关就是找一种理论能把这两种规律统一起来,霍金管这种尚未诞生的理论叫"量子引力论".。 氢原子的结构最简单，它发出的光谱有明显的规律， 很早就为人们所注意， 光谱的规律首先由氢原子光谱得到突破， 从而为原子结构的研究提供了重要依据。玻尔氢原子结构理论第一次将量子化的概念引入了原子结构，成功的解释了氢原子和类氢离子的光谱，也能解释原子发光现象，对原子结构理论的发展起到了重要的作用，但是，该理论只能用于说明氢原子及类氢粒子（如he+，li2+等）的光谱，而不能用于多电子原子体系，即使对于氢原子及类氢粒子光谱，也不能解释其精细结构。

“定态假设”意指，原子系统只能够存在于一系列的稳定状态中，这些状态称为定态( stationarystate)。原子系统的任何变化，包括吸收或发射电磁辐射都只能在两个定态之间以跃迁以(transition) 的方式进行。

“频率假设”是说，原子在两个定态跃迁时，发射或吸收电磁辐射的频率由量子化的方程确定。

对应原理(correspondence principle)的基本思想是，在大量子数极限下，量子体系的行为应该趋于与经典体系相同。

如果说原子能量量子化概念还可以从普朗克-爱因斯坦的光量子论中找到某种启示，定态和量子跃迁、频率条件及对应原理则是玻尔了不起的创见，至今依然是极为重要的科学概念。这些革命性的思想有力地冲击了经典理论，推动了早期量子论的进一步发展，他对氢原子光谱的成功解释，大大提高了新生的量子论的影响。1922年玻尔获得了诺贝尔物理学奖。

限于历史，玻尔理论存在着一定的局限，首先，它只能说明最简单的氢原子光谱的规律性，对于更复杂的原子的光谱，就完全无能为力了；其次，从理论体系来讲，玻尔理论没有从根本上脱离经典理论框架，对引进量子化概念的物理本质没有给予适当的说明。

量子力学就是在克服早期量子论的困难和局限性中建立起来的。

2、量子力学的建立

”在1926年4月发表了《关于海森堡-玻恩-约当的量子力学与我的波动力学之间的关系》，在这篇文章中，薛定谔证实了矩阵力学和波动力学的等价性，他把波动函数展开为正交系，根据对应关系进行替换，成功地证明了两者在数学上是等价的：矩阵由薛定谔的本征函数构成，反之亦然。量子力学的一个基本点是原子状态的数学描述，冯.诺伊曼赋予它以全新的形式：原子的状态是由希尔伯特空间中的单位向量表示，这就使得量子力学的两种表示方式——海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学相互统一。正当人们瞩目于矩阵力学的成就时,又一股更大的理论浪潮冲来.从1926年1月27日到6月23日,在短短不到五个月的时间里,薛定谔接连发表了6篇关于量子理论的论文,其内容囊括了量子理论,原子模型,物理光学,哈密顿光学,力学相似,光谱学,微扰理论等众多物理学领域,并熔阿尔伯特·爱因斯坦波粒二象性思想和德布罗意相波理论等量子理论为一炉,一举构造起集前人研究成果之大成,而在理论上严谨自洽,实际应用更为广泛有效的完整的量子力学形式体系.普朗克致信薛定谔:"我正像一个好奇的儿童听解他久久苦思的谜语那样,聚精会神地详读您的论文,并为在我眼前展现的美而感到高兴."阿尔伯特·爱因斯坦也去信大加赞赏:"我相信您以那些量子条件的公式取得了决定性的进展","您的文章的思想表现出真正的天才."玻尔认为薛定谔迈出了原子理论进展中决定性的一步,并为此深表谢忱.玻恩赞扬薛定谔的工作说：“在理论物理学中，还有什么比他在波动力学方面的几篇论文更出色的呢。