第四讲科学技术史通识课

1905年，26岁的爱因斯坦尚未知 名，小人物写出了大文章。他在科学 史上创造了一个史无前例奇迹。这一 年他写了六篇论文，利用在瑞士伯尔 尼专利局每天八小时工作以外的业余 时间，在三个领域做出了四个有划时 代意义的贡献，他发表了： 1.关于光量子说 2.分子大小测定法 3.布朗运动理论 4.狭义相对论 做出了二十世纪物理学史上最辉煌的 几项贡献。
（二）广义相对论
1916年，爱因斯坦完成了长篇论文 《广义相对论的基础》，表述了广义相对 性原理：物理学的定律必须对于无论哪种 方式运动着的参照系都成立。爱因斯坦预 言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发 生一点七秒的偏转。1919年，英国派出了 两支远征队分赴两地观察日全食，经过认 真的研究得出最后的结论是：星光在太阳 附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇 家学会确认广义相对论的结论是正确的。 会上，著名物理学家、皇家学会会长汤姆 孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的 关于万有引力理论的最重大的成果”， “爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的 成果之一”。
广义相对论 爱因斯坦指出物 体使周围空间、 时间弯曲，在物 体具有很大的相 对质量（例如一 颗恒星）时，这 种弯曲可使从 它旁边经过的任 何其它事物，即 使是光线，改变 路径。
地球周围引力场和时空结构 拖曳扭曲时的情景。科学家通过 分析两枚绕地球轨道的人造卫星 11年的运行轨迹，发现由于地球 旋转所造成的特异的空间结构， 使这些卫星大概每年出现大约2 米的轨道偏离的现象。
因而在社会上立即引起很大
的轰动，为伦琴带来了十分 巨大的荣誉。 1901年诺贝 尔奖第一次颁奖， 伦琴就由于这一发现而获得 了第一个诺贝尔奖物理学奖。

1896年1月23日，伦琴在自己 的研究所中作了第一次报告；报告 结束时，用X射线拍摄了维尔茨堡大 学著名解剖学教授克利克尔一只手 的照片；克利克尔带头向伦琴欢呼 三次，并建议将这种射线命名为 伦琴射线。
一次注意到放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发 出微光。经过几天废寝忘食的研究，（夫人怀疑他 夜宿不归是否有外遇的故事）他确定了荧光屏的发 光是由于射线管中发出的某种射线所致。因为当时 对于这种射线的本质和属性还了解得很少，所以他 称它为X射线。

为了给夫人作出解释，伦琴就用这种射 线拍摄了他夫人的手的照片，显示出带有婚 戒的手骨的照片。
伦琴一生在物理学许多领域中进 行过实验研究工作
如电介质在充电的电容器中运动时的磁效应、




热释电和压电现象、 气体的比热容、晶体的导热性、 光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、 物质的弹性、毛细现象等研究都有贡献。 由于他发现X射线而赢得了巨大的荣誉，以致 上述贡献大多不为人所注意。
1895年11月8日，伦琴在进行阴极射线的实验时第
3. 放射性的发现
1896 贝克勒尔：铀(深究x光) 一次科学家介绍X射线的报告会，引起了 贝克勒尔的极大兴趣，并猜测可能还有其 他物质也会发出同χ射线类似的射线。 一次偶然的机会，证实了他的猜测， 藏在抽屉里的底片因没有光线照射，一直 都没有问题。有一次，在底片上放置了两 块含有铀盐的矿物，结果5天后在没有阳光的情况下，底片 上竟然出现明显的感光现象。这说明铀本身在发光！第二天他 在科学院的学术报告上公布了这一新发现。他又用验电器对这 种射线进行了定量研究，首次发现了物质的放射性。 发现放射性的初期，人们不知它的危害，贝克勒尔由于在 毫无防护下长期接触放射物质，健康受到严重损害，50多岁逝 世了。科学界为了表彰他的杰出贡献，将放射性物质的射线定 名为“贝克勒尔射线。”
B(λ，T)=2hc/λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1

B(λ，T)—黑体的光谱辐射亮度
λ—辐射波长(μm) T—黑体绝对温度(K、T=t+273k) C—光速(2.998×108 m· ) s-1 h—普朗克常数， 6.626×10-34 J· S K—波尔兹曼常数(Bolfzmann)， 1.380×10-23 J· 基本物 K-1 理常数

2、迈克尔逊-莫雷实验
经典的光波动理论假定真空中充满太
光相对于以太的传播速度为C， 地球上测 到的真空光速应该是光对以太的速度与地球 相对于以太速度的矢量差，为了能够显示出 光相对于地球的传播速度不同于C，迈克耳 逊设计了一个十分巧妙的实验，理论上可以 观测到干涉条纹的移动。 然而结果并没有观察到条纹的移动。 也就 是说并不存在所谓的“以太”。 这是对经典物理学的又一个挑战。
16岁那年，又一个极富挑战性的问题占据了他的头脑：假如某种光 的接受器，比如：人的眼睛或是摄影机，跟随在光的后面，用光速飞奔， 那么，会发生什么情形？他把问题捕捉住，记在本子上。正是这个令爱 因斯坦日思夜想的高难问题，孕育了未来相对论的神奇萌芽。也许，这 可以看作是小爱因斯坦向科学堡垒发起的第一次勇敢进攻。
伯尔尼一条繁忙的街 道和市内著名的钟楼 景色。
爱因斯坦在专利局的工作既有责任感 也很有趣，并且他有时间从事自己的 科学研究工作。
(一) 狭义相对论
1905年爱因斯坦提出了匀速运动体系的狭义 相对论的两个基本原理 1 相对性原理爱因斯坦认为时间、运动、 质量不是绝对的，而是相对的。较典型的现象 是运动的物体长度变短（尺缩效应）、运动的 钟比静止的钟走得慢（钟慢效应）、运动的物 体重量变大，当速度接近光速时，质量趋于无 穷大。 2 光速不变原理光速不变原理则认为光的传播速度在任何 条件下都是不变的。 爱因斯坦的狭义相对论顺理成章地导出了著名的质能关系 式：E=mc2，对后来发展的原子能事业起到了指导作用 重大意义：突破了经典力学（从宏观低速到宇观高速）； 改变了传统的牛顿时空观。
16岁那年，他报考大学，尽管物理数 学成绩很好，但由于需要死记硬背的 科目考砸了锅，名落孙山。第二年进 入大学后，他擅自“刷掉了”很多课 程，只以“极大的兴趣”去听某些课 和在家里自学。
由于他的落拓不羁的性格和独立思考的习惯，为教授们所 不满，大学一毕业就失业，两年后才找到固定职业。正因为如 此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长期的观察，形成了 一种与众不同的教育观点。 “知识是死的，而学校却要为活人服务。” 他反对把学校 仅仅看做是传授知识的工具，更反对把学生“当作死的工具来 对待”。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开学 校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。”
C—光速(2.998×108 m· ) s-1
h—普朗克常数， 6.626×10-34 J· S K—波尔兹曼常数(Bolfzmann)， 1.380×10-23 J· 基本物理常数 K-1
科学技术与文明
通识选修课 2009.4.18
主讲：万辅彬教授
广西民族大学 科学技术与社会发展研究中心
第四讲
20世纪物理学的革命
在19世纪末，经典物理学发展得相当 完善，当德国著名的年轻物理学家普朗克 向他的老师开尔文求教，是选择音乐还是 物理学作为自己终身的职业时，得到的答 复是：“物理学基本是一门已经完成了的 科学，因此，物理学已经无所作为，往后 无非在已知规律的小数点后面加上几个数 字而已 。” 当时许多物理学家认为：物理学的大 厦已经落成，人类对自然界的认识已经到 了尽头。
（一）物理学天空的两朵乌云
1、紫外灾难（黑体辐射实验） 物理学家瑞利和金斯按照经典物理理论，认为能 量是一种连续变化的物理量，并建立起在波长比较 长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体 辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外 光区）随着波长的变短，辐射强度趋于无穷大，这 显然是不可能的。这被称为“紫外灾难”。因此经 典物理学理论受到严重挑战。 后来人们发现黑体辐射的能量确实不是连续的， 于是有了量子论。
1934年7月4日，居里夫人病逝了。她最后死
于恶性贫血症。她一生创造、发展了放射科 学，长期无畏地研究强烈放射性物质，直至 最后把生命贡献给了这门科学。她一生中， 共得过包括诺贝尔奖等在内的10次著名奖金， 得到国际高级学术机构颁发的奖章16枚；世 界各国政府和科研机构授予的各种头衔多达 107多个。但是她一如既往地那样谦虚谨慎。 伟大的科学家阿尔伯特· 爱因斯坦评价说： “在我认识的所有著名人物里面，居里夫人 是唯一不为盛名所宠坏的人！”
宇宙中黑洞旋转引起的时 空扭曲效应，以及黑洞物 质猛烈喷发的情景。
（一）普朗克的量子假说
1900年，普朗克为了克服描述黑体辐射的瑞
利金斯公式的困难，抛弃了能量是连续的经 典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体 辐射经验公式。
B(λ，T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1
B(λ，T)—黑体的光谱辐射亮度(W，m-2 ，Sr-1 ，μm-1 ) λ—辐射波长(μm) T—黑体绝对温度(K、T=t+273k)
1898 居里夫人：发现镭和钋两种天然放射性元素
玛丽· 居里（Marie Curie）， （1867.11.7—1934.7.4），出生于 波兰，世界著名科学家，研究放射 性现象，一生两度获诺贝尔奖（第 一次物理奖，第二次化学奖）。因 为居里夫人是成功女性的先驱，她 的典范激励了很多人。苏珊.昆 （Susan Quinn）花了七年时间， 出版了一本新书：《玛丽·居里： 她的一生》（Maria Curie:：A Life） 为她艰苦奋斗的生命历程描绘了一幅生动的图像。 她的 长女伊伦娜，核物理学家，与丈夫约里奥因发现人工放 射性物质共同获得诺贝尔化学奖。
2. 电子的发现(x射线的荷质比)
J.J.汤姆逊(约瑟夫· 约翰· 汤姆逊) 于1898年发现。 1856年生于英国。 1891年开始了原子核结构 的理论研究．他从实验上发现了 电子的存在，提出了原子模型， 把原子看成是一个带正电的球， 电子在球内运动． 1906年他因在气体导电 研究方面的成就获得了诺贝尔 物理学奖．
玛丽从小处处表现出一种顽强的进取精神，自上小
学开始，每门功课都考第一。15岁时，就以获得金 奖章的优异成绩从中学毕业。1896年，居里夫人以 第一名的成绩，完成了巴黎大学大学毕业生的任职 考试。由于居里夫妇关于镭的放射性的发现，1903 年12月，他们和贝克勒尔一起获得了第三届诺贝尔 物理学奖。 1906年，居里先生不幸因车祸而去世， 居里夫人承受着巨大的痛苦，决心加倍努力，完成 两个人共同的科学志愿。巴黎大学决定由居里夫人 接替居里先生讲授物理课，成为巴黎大学有史以来 第一位女教授， 1910年，居里夫人又完成了《放射性专论》一书。 她还与人合作，成功地制取了金属镭。1911年，居 里夫人又获得诺贝尔化学奖。一位女科学家，在不 到10年的时间里，两次在两个不同的科学领域里获 得世界科学的最高奖，这在世界科学史上是独一无 二的事情！