2021-02-01
2021-01-25
2021-01-18
2021-01-12
2021-01-04
2020-12-28
2020-11-30
2020-11-18
2020-11-13
2020-11-02
2020-10-26
2020-10-20
模型的建立,是人類物質(zhì)認識史上一個最具有革命性的、劃時代的偉大事件.這個宇宙學的標準模型和近年來天體物理學取得的輝煌的成就,在物理學的面前提出了十分嚴峻的.如何理解宇宙這樣有限而無界的時空和它的奇點?什么是在宇宙演化過程中物質(zhì)的運動規(guī)律?為什么宇宙結(jié)構(gòu)和演化中有那么多的 “巧合”?為什么宇宙中存在的暗物質(zhì)總量至少比明亮 ①按中華人民共和恒溫金屬浴國國家標準GB3102.1—93的規(guī)定,a代表年,以往有些書上用yr表示年。 §1. 3 物理學的分支學科 。 物質(zhì)的總量大一個數(shù)量級?暗物質(zhì)粒子究竟是什么粒子?為什么宇宙中正反物質(zhì)是不對稱的?宇宙中正反物質(zhì)不對稱的來源是什么?充滿宇宙的暗能量是什么?..這些問題都是有待研究的.也設(shè)計并制造了一個類似的裝置,也沒有成功.達 ·芬 奇經(jīng)過仔細的研究和分析后作出結(jié)論:永動機是不可能實現(xiàn)的.盡管幾個世紀 以來,所有的永動機的設(shè)計都沒有成功,但一直不斷地有人設(shè)計,幻想能制成 永動機,不斷提出設(shè)計方案要求科學界審核和認可.1775年法國科學院正式 宣布:“本科學院以后不再審查有關(guān)永動機的任何設(shè)計”. 用電熱效應和各種不同的機械生熱 法的系統(tǒng)實驗來求熱功當量,所得的結(jié)果都是一致的.
1842年,德國醫(yī)生買厄(JuliusRobertMayer)提出能量守恒的理論,認為熱是能量的一種形式,可以與機所示.任何物體表面發(fā)射電磁恒溫金屬浴輻射的能力正比于電磁輻射吸收的能力. ε(ν,T)=aνe,其中a和b是通過實驗定下來的兩個常量.這個公式在大部分頻率范圍內(nèi)都與實驗符合得很好,只在頻率取值小的區(qū)域與實驗符合得不好. 。保福梗鼓辏锢韺W家瑞利在電動力學和統(tǒng)計物理學的基礎(chǔ)上從理論上又導出一個輻射能量對頻率的分布公式: 其中c是真空光速、k是玻耳茲曼常量.這個公式在頻率小時與實驗符合 好,但在頻率大時與實驗嚴重不符合,當頻率趨于無窮大時,輻射的能量是發(fā)散的. 瑞利和金斯導出輻射能量對頻率的分布公式是基于電動力學和統(tǒng)計物理學的基本原理,并沒有引入特定的具體模型假定,所得結(jié)果與實驗不符表明經(jīng)典物理學理論碰到了嚴重的困難.由于相對于可見光來說,頻率很大的輻射處在紫外線波段,所以這個困難通常被稱為 “紫外災難”.輻射的量子理論 。保梗埃澳辏绽士耍ǎ停幔校欤幔睿悖耄┨岢隽孔蛹僬f:頻率為 ν的電磁輻射是按照最小能量hν的整數(shù)倍發(fā)射的.這里h是一個普適常量,稱為普朗克常量.普朗克在這個物理假定的基礎(chǔ)上,運用電動力學和統(tǒng)計物理導出一個新的黑體輻射能量對頻率的分布公式: 這個公式在頻率小時自動回到瑞利-金斯公式,在頻率大時又自動回到維恩公式,這樣所有頻率都與實驗符合得很好.完全解決了這個問題.現(xiàn)在實驗確定而言的,如果換到另一個作勻速直線運動的參考系來觀察,按照伽利略變換給出,真空中光的傳播不再是各向同性的了,
它的速率也不再是常量c了.換言之,電磁學規(guī)律不符合相對性原理,在相對作勻速直線運動的諸慣性系中,只有一個慣性系中電磁學規(guī)律符合麥克斯韋方程組,這個慣性系比其它慣性系具有更特殊的地位. 光的傳播介質(zhì)— ———以太? 我們知道,任何形式的波動都是要依賴于某種介質(zhì)而傳播的.水面波傳播的介質(zhì)是水的表面,沒有水面,也就不可能有水面波傳播.聲波的傳送就是依靠空氣或其它的固體、液體、氣體進行的,空無一物的真空是隔聲的.那么,光傳播時所依靠的介質(zhì)究竟是什么?光波的傳送似乎不依賴于什么物質(zhì),在幾百萬光年,幾千萬光年,甚至幾億光年之外的恒星所發(fā)出的光能夠安全地抵達 3 地球,而光波所穿過的宇宙空間實在是十分空的,甚至平均1m中還不到一個原子,這么稀薄的空間中的物質(zhì)怎么能夠用來轉(zhuǎn)播光線呢?因此,物理學家們假設(shè),有一種物質(zhì)是光的傳播所依賴的物質(zhì),這種物質(zhì)被命名為 “以太”. “以太”所在的參考系應該是絕對靜止的慣性系.根據(jù) “以太”必須肩負的一系列的使命,科學家們總結(jié)了 “以太”所應具有的一些特殊性質(zhì),由于光是 §3.6 真空光速疑難
橫波,“以太”必須是固體,而且強度必須非常大,密度極小,充滿在宇宙中所有的空間中,包括其中所有的物質(zhì)中,并且 “以太”與任何物質(zhì)之間的摩擦力都幾乎是零.能夠同時具有這些特征的物質(zhì)簡直太不可思議了,然而,沒有 “以太”的存在,光的傳播問題就無法得到合理的解釋.物理學家們投入了極大的熱情,做了許多的實驗去尋找這個傳奇般的物質(zhì):“以太”. 既然以太是充滿全空間的,真空中電磁波各向同性地以恒定速率c傳播的參考系實際上就是相對于以太靜止的參考系.物理學中一個重要的問題是找到這個相對于以太靜止的參考系. 菲佐實驗 為了研究和找尋相對于以太靜止的參考系,需要研究相對于以太運動的介質(zhì)中電磁波傳播的規(guī)律.假定地面參考系是相對于以太靜止的參考系,有某種介質(zhì)以速度v在運動,利用運動介質(zhì)的電動力學可以導出電磁波在其中傳播的速率為 c1k u=n+1-n2k ·v, 其中,k為電磁波的波矢量,右邊第一項為介質(zhì)靜止時電磁波在其中的傳播速率,n為介質(zhì)的折射率.在這種情況下,一般來說E和B不再和k垂直了. 上面給出的結(jié)果表明:如果某種介質(zhì)以速度v運動,電磁波在介質(zhì)中的傳播速率為 u=nc+αkk ·v, 其中, α=1-n12。ㄒ蕴浑S介質(zhì)而動), α=1(以太隨介質(zhì)運動). 為了從實驗上來檢驗這一點,考察菲佐(Fizeau)實驗.1851年,菲佐做的 實驗如圖3-2所示.在一個水管中水的速率為v,光源中發(fā)出光后,用半透鏡使其分為兩支,轉(zhuǎn)一圈后再匯合而干涉,觀測干涉條紋以判斷光程差,從而確定 α的數(shù)值. 光走過閉合圈所用的時間為 2l2LtL=c+u+αv, 0 tR=2cl+u2-Lαv.圖3-2 菲佐實驗示意圖 0 第三章。 。常埃笆兰o初物理學的革命 兩種傳播的相位差 ..為114Lαv ..=ω(t-tL)=2Lu0-αv-u0+αv=u2-α2v R2 0 ≈4L2αv,。鰊u0u0 如果水流速度改變 Δv,相應地干涉條紋改變N條,則 2πN=Δ..=4LαΔv 2 u0 亦即 2 u0πNα= Δv2L.根據(jù)實驗中N的觀測值和 Δv可以定出 α值.實驗給出 α=1-n12. 從這個實驗結(jié)果得出結(jié)論:在水流動時,以太并不隨水而動.因此進一步的問題是找尋“以太參考系”,也就是確定地球相對于以太參考系的速度. 邁克爾孫-莫雷實驗
太陽系在銀河系中繞銀河系中心運動的速度是220km/s,地球在太陽系中環(huán)繞太陽以29.8km/s的速度在公轉(zhuǎn),并且地球還有自轉(zhuǎn),赤道上物體由于地球自轉(zhuǎn)對地心的速度是0.465km/s,地面參考系相對于 “以太”顯然有運動.光在 “以太”中以光速傳播,這樣地面參考系相對于“以太”的速度就應該可以在地面的實驗中察覺出來. 為了測量地面參考系相對于“以太”的運動速度,1897年,美國物理學家邁克爾孫(AlbertAbrahamMichelson)和化學家莫雷(EdwardWillliamsMorley)設(shè)計了一個實驗.由于光是一種波動,所以光也具有干涉現(xiàn)象.他們利用邁克爾孫干涉儀中的一個半透明半反射的平面鏡將一束單色光分解成兩束并經(jīng)過兩段結(jié)構(gòu)相似但方向垂直的光路.當這兩列光波存在一定的相位差時,就會發(fā)生干涉.如果地球相對于 “以太”以一定的速度運動,那么,當整個邁克爾孫干涉儀沿著水平面轉(zhuǎn)動一定角度時,這兩列波的相位差就會隨著發(fā)生變化,干涉條紋也就會隨之產(chǎn)生一定的位移.他們將整個儀器放在浸泡在水銀中的一塊大石板上,從而避免了由于儀器在轉(zhuǎn)動時發(fā)生的畸變對實驗造成的影響.同時通過增加光的反射次數(shù)使得觀察條紋變得比較容易. 圖3-3是這個實驗的示意圖.從光源發(fā)出的光經(jīng)過半透鏡分為互相垂直的兩束,再反射回來后干涉.如果整個實驗裝置在以太中沿水平方向以速率v §3.6 真空光速疑難 。常