物理学史上物质观的演变概要.ppt

物理学史上物质观的演变 物质观发展简史 绝对时空观 时空观（阶段） 物质观 相对时空观 光的波粒争论 其中,光的波粒争论贯穿于整个时空观的发展史 1. 绝对时空观 绝对时空观是牛顿力学的时空观，即认为时间和空间与物体的运动状态无关，并且时间和空间也无任何联系。 2. 相对时空观 相对时空观是爱因斯坦相对论的时空观，即认为时间和空间彼此联系又都与运动有关；时空是弯曲的，宇宙在空间上是均匀各向同性的。爱因斯坦引力场方程是这种相对时空观的数学体现，它正确预言了质点和光子在弯曲时空中的运动，把人类的观测范围延伸到100多亿光年。 3. 光的波粒争论 关于光是粒子还是波，从十七世纪就有以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说. 波动说认为光是一种弹性波，特殊的弹性介质—以太充满空间，以太具有密度极小、弹性模量极大的属性。当时波动说不仅实验上无法得到证实，理论上也显得荒唐。 08 物理 1.什么是物质观？ 2.物质观发展简史 什么是物质观？ 一般论说的时候，物理学的“物质”，即matter，是具体占一定空间、具有一定形状和惯力的“物”，即所谓物理可能（physically possible）的“物”。譬如，物质不灭定律是“the law of conservation of matter”。而在说道理的时候、或说组成（例如材料）的时候，物理学的“物质”用术语“material”，即并非特指某个具体空间、形状和惯力的“物”，而是概括或泛指。 伽利略变换是这种绝对时空观的数学体现，它在解决宏观、低速现象的问题中，取得了辉煌的成就。 伽利略 在17世纪下半叶，随着光的波动理论的建立，基于波动需要在介质中传播的经验，当时把这种传递光波的介质取名为以太。以太具有许多特殊的性质：不具有质量；它无处不在，充满整个宇宙并渗透到一切物质的内部；对物体的运动没有任何托拽。 以太（Ether）（或译乙太；英语：ether或aether） 以太是希腊语，原意为上层的空气，指在天上的神所呼吸的空气。在宇宙学中，有时又用以太来表示占据天体空间的物质。 19世纪下半叶，随着麦克斯韦电磁理论的建立，导出了光速c在真空中是恒定的。但根据伽利略的速度变换公式，在以速度v相对以太做匀速直线运动的参照系中，光的传播速度应在c+v和c-v之间。即电磁规律不满足伽利略相对性原理。为此物理学家做了许多观测和实验，其中比较典型的是光行差现象和迈克尔逊-莫雷实验，其结果是否定了以太的存在。这一系列的观测和实验构成了狭义相对论的实验基础。 麦克斯韦 由爱因斯坦引力场方程、能量守恒方程和物态方程导出的宇宙标准模型，即弗里德曼模型。根据从星系观察到的宇宙能量密度现在值ρ0，要比临界值ρc小两个数量级，得出宇宙是开放的结论；但从宇宙学红移观察得到的减速参数的现在值q0，又大于1/2，得出宇宙是封闭的结论。这种矛盾的结果还有待于进一步努力去解决。 广义相对论存在奇性，具有时空曲率为无限大的奇点。这种奇点，不仅反映为令人费解的时空无限弯曲，而且也将破坏因果关系。一些学者认为，这一困难是由于广义相对论引力场没有量子化造成的，这推动了量子引力理论的研究。但引力场的量子化遇到了一个严重的困难：圈图发散，不可重整化。近来基于广义相对论是规范场的超引力理论，量子化后解决了圈图发散问题。但不可重整化的困难能否最终解决，还需继续研究。 微粒说差不多统治了17、18两个世纪。直到19世纪中叶，随着“光在水中的速度应小于在空气中的速度”被傅科的实验所证实，和麦克斯韦电磁理论的建立，波动说才最终战胜了微粒说。后来，瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁理论建立了黑体辐射公式，从该公式导出短波长极限的辐射能量趋于无穷大的“紫外灾难”。当时物理学界权威开尔文爵士把光以太和能均分定理的困难，比喻为笼罩在物理学晴朗天空中的两朵乌云（正是这两朵乌云催生了相对论和