走进物理世界——现代物理学探究之旅西北大学物理学系田来科目录•现代物理探究之旅第一章世纪之交物理学的发展第二章19世纪的三大发现第三章经典物理学上空的两朵乌云第四章相对论的诞生第五章量子力学的建立第六章原子核及粒子物理学的兴起•物理学的探究之旅启示录第一章世纪之交物理学的发展1.经典物理学的局限性2.19世纪的三大发现3.经典物理学的两朵乌云一经典力学基本概念和基本原理的固有局限性1.把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上；2.把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用；3.物体的质量恒定不变，与物体的运动和能量无关；4.只适于宏观低速的范围，不适于高速和微观领域。5.机械决定论。二经典物理学与经典力学之间的矛盾经典物理学是运用经典力学的基本概念和原理建立起来的理论体系，但是，随着经典物理学的深入发展，却越来越显露出他们与经典力学之间的裂痕，从而动摇了经典力学的基础地位。主要表现如下几个方面：§1经典物理学的局限1.与光学的不调和性主要表现在两个方面，一是对光的认识一直存在两种互相矛盾的观点：微粒说和波动说；二是对于作为绝对空间和波的载体的“以太”究竟是什么，如何对它进行检测？它到底具有哪些性质？如从光速的巨大数值来看，“以太”应具有极大的刚性。又由于天体不受阻碍的在太空中穿行，“以太”必须极其稀薄且没有质量等等。这些性质不但难以理解，有些甚至相互矛盾。2.与电磁学的矛盾媒体传递作用与超距作用的矛盾；即时传播与有限速度的矛盾；能量连续分布的场与质点是能量的唯一载体的矛盾等。3.与热学的不协调经典力学（包括电磁场理论）中的规律关于时间都是对称的、可逆的，时间只是从外部描述运动的一个参量。它的变化对于运动的性质并无影响。而热学中熵增原理的发现，却指出了自然过程的不可逆性和历史性（所谓马尔科夫过程即具有记忆功能）。三马赫对经典力学的批判1883年，奥地利的马赫出版了《力学及其发展的批判历史概论》，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。例如质量的概念，在牛顿的《力学原理》中，质量被定义为密度和体积的乘积。马赫认为，按照这种定义的方法，不同种类物体的质量无法比较，应当建立相对质量的概念：加速度是可测量的量，如果测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相等、方向相反的加速度，那么这两个物体的质量就相等，如果测得的加速度不相等，则用加速度的负反比来表示这两个物体的质量之比。马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判，马赫认为：“时间是一种抽象”，时间是不能独立自存的。空间也不能脱离物体而存在。如果宇宙中没有物体，谈论空间就毫无意义。如果宇宙中只有一个物体，这唯一的物体也无运动可言。马赫批判了牛顿的“水桶实验”•牛顿是这样叙述的：“如果用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂处于静止之中。再以另一力突然使桶沿反方向旋转，当绳子完全放松时，桶的运动还会维持一段时间；水的表面起初是平的，和桶开始旋转时一样。但是后来，当桶逐渐把运动传递给水，使水也开始旋转。于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成凹状。运动越快，水升得越高。直到最后，水与桶的转速一致，水面即呈相对静止。”•马赫认为水的爬升是因为对天体的相对运动•在马赫看来，物体的运动都不是相对于绝对空间，而是相对于别的物体而言的，相对于绝对空间的绝对运动是不存在的。离开了物体之间的相互关系，说物体的运动是毫无意义的。•在马赫看还认为：所有一切都是相对的，所有的质量，所有的速度，所有的力都是相对的。所以他认为牛顿转动的水桶是相对于其它天体的相对运动，“水面沿桶壁的升高是离心力的作用的结果，也可以看作相对惯性力的作用，而这个惯性力是无数遥远天体对水面的引力的作用，所以惯性力本质上就是引力。”爱因斯坦指出：马赫为相对论的发展铺平了道路。在狭义相对论创立的过程中，正是马赫对绝对时间的批判，使爱因斯坦“终于醒悟到时间是可疑的”，并从“同时性的相对性”这个问题上取得了突破性的进展。马赫对水桶实验的批判，使人们的思想从“绝对运动”的桎梏中解放出来，从而确立...
