1、2022-6-261 第一講第一講 物理學(xué)的基本概念范疇物理學(xué)的基本概念范疇 大學(xué)物理專題講座大學(xué)物理專題講座主講人主講人 馮杰馮杰2022-6-262第一講第一講 物理學(xué)的基本概念范疇物理學(xué)的基本概念范疇一、物理學(xué)的概念范疇一、物理學(xué)的概念范疇1、總范疇總范疇物質(zhì)存在的基本形態(tài)物質(zhì)存在的基本形態(tài)：實(shí)物與場(chǎng)（粒子與場(chǎng)）實(shí)物與場(chǎng)（粒子與場(chǎng)）物質(zhì)的根本屬性物質(zhì)的根本屬性：運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性、運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性、運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性、運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性、 各種低級(jí)的運(yùn)動(dòng)形式各種低級(jí)的運(yùn)動(dòng)形式物質(zhì)存在的基本形式物質(zhì)存在的基本形式：時(shí)間和空間時(shí)間和空間光延性光延性2、具體學(xué)科的范疇具體學(xué)科的范疇比如，力學(xué)比如，力學(xué)：力、

2、質(zhì)量、慣性、碰撞、參照系力、質(zhì)量、慣性、碰撞、參照系二、物理學(xué)的研究對(duì)象二、物理學(xué)的研究對(duì)象 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及各種低級(jí)的運(yùn)動(dòng)形式物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及各種低級(jí)的運(yùn)動(dòng)形式比如，電磁學(xué)比如，電磁學(xué)：電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)差、位移電流、渦旋電場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)差、位移電流、渦旋電場(chǎng)比如，熱學(xué)比如，熱學(xué)：溫度、內(nèi)能、理想氣體、熵、溫度、內(nèi)能、理想氣體、熵、比如，光學(xué)比如，光學(xué)：干涉、衍射、偏振、雙折射干涉、衍射、偏振、雙折射基本概念基本概念導(dǎo)出概念導(dǎo)出概念2022-6-2631、實(shí)物與場(chǎng)、實(shí)物與場(chǎng)三、大學(xué)物理學(xué)基本概念范疇的簡(jiǎn)單討論三、大學(xué)物理學(xué)基本概念范疇的簡(jiǎn)單討論物質(zhì)的定義物質(zhì)的定義：客觀實(shí)在性客觀實(shí)在性無論無論實(shí)物

3、實(shí)物還是還是場(chǎng)場(chǎng) 實(shí)物的實(shí)物的（到目前）（到目前） 十種形態(tài)十種形態(tài)日常條件日常條件 固、液、氣、非晶態(tài)、液晶態(tài)固、液、氣、非晶態(tài)、液晶態(tài)超高溫超高溫 等離子態(tài)：等離子態(tài)：恒星內(nèi)部恒星內(nèi)部超高壓超高壓 超固態(tài)：超固態(tài)：恒星后期的恒星后期的“白矮星白矮星”，原子被壓碎，原子被壓碎 中子態(tài)：中子態(tài)：恒星后期的恒星后期的“中子星中子星” ，原子核被壓碎，原子核被壓碎 黑洞黑洞 超低溫超低溫 超導(dǎo)態(tài)：超導(dǎo)態(tài)：比如，水銀的溫度將到比如，水銀的溫度將到4.173K，即，即 269時(shí)時(shí) 超流態(tài)：超流態(tài)：比如，液態(tài)氦的溫度將到比如，液態(tài)氦的溫度將到2. 17K， 出現(xiàn)超流動(dòng)態(tài)出現(xiàn)超流動(dòng)態(tài)描述實(shí)物運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論

4、：描述實(shí)物運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論：成熟的經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)；成熟的經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)； 不完全成熟的量子力學(xué)、不完全成熟的量子力學(xué)、不成熟不成熟現(xiàn)代宇宙現(xiàn)代宇宙學(xué)學(xué) 關(guān)于實(shí)物關(guān)于實(shí)物2022-6-264量子力學(xué)的不足量子力學(xué)的不足主要側(cè)重于實(shí)物粒子的波粒二象性，甚至沒有把光當(dāng)作粒子處理；主要側(cè)重于實(shí)物粒子的波粒二象性，甚至沒有把光當(dāng)作粒子處理；在粒子的基礎(chǔ)上談其波動(dòng)性在粒子的基礎(chǔ)上談其波動(dòng)性概率波概率波波、粒二象性地位不平等；波、粒二象性地位不平等；實(shí)物粒子的波動(dòng)性實(shí)物粒子的波動(dòng)性概率波概率波不是真正物理波場(chǎng)；不是真正物理波場(chǎng)；不能描述粒子的產(chǎn)生與消失不能描述粒子的產(chǎn)生與消失微觀粒子的

5、轉(zhuǎn)化；微觀粒子的轉(zhuǎn)化；傳遞實(shí)物間相互作用的一種形態(tài)；傳遞實(shí)物間相互作用的一種形態(tài)；場(chǎng)是物質(zhì)存在的基本形態(tài)；場(chǎng)是物質(zhì)存在的基本形態(tài)；場(chǎng)可以場(chǎng)可以量子化量子化 波粒二象性波粒二象性場(chǎng)與實(shí)物并無定性區(qū)別：場(chǎng)與實(shí)物并無定性區(qū)別： 質(zhì)能守恒質(zhì)能守恒2mcE 目前對(duì)場(chǎng)目前對(duì)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)的認(rèn)識(shí)描述場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論：描述場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論：成熟的電動(dòng)力學(xué)、不完全成熟的量子場(chǎng)論成熟的電動(dòng)力學(xué)、不完全成熟的量子場(chǎng)論hphE 關(guān)于場(chǎng)關(guān)于場(chǎng)2022-6-265實(shí)物與場(chǎng)的統(tǒng)一實(shí)物與場(chǎng)的統(tǒng)一：量子場(chǎng)論關(guān)于物質(zhì)存在形式的基本觀點(diǎn)量子場(chǎng)論關(guān)于物質(zhì)存在形式的基本觀點(diǎn)： 場(chǎng)是物質(zhì)存在更基本的形態(tài)場(chǎng)是物質(zhì)存在更基本的形態(tài): 場(chǎng)處于基態(tài)時(shí)

6、場(chǎng)處于基態(tài)時(shí)無能量、信號(hào)釋放；無能量、信號(hào)釋放； 實(shí)物實(shí)物粒子粒子是場(chǎng)量子的激發(fā)態(tài)；是場(chǎng)量子的激發(fā)態(tài)； 兩種場(chǎng)兩種場(chǎng): 實(shí)物粒子場(chǎng)實(shí)物粒子場(chǎng) 場(chǎng)量子是實(shí)物粒子：電子場(chǎng)、中子場(chǎng)場(chǎng)量子是實(shí)物粒子：電子場(chǎng)、中子場(chǎng) 相互作用場(chǎng)相互作用場(chǎng) 場(chǎng)量子是媒介粒子：引力場(chǎng)、電磁場(chǎng)場(chǎng)量子是媒介粒子：引力場(chǎng)、電磁場(chǎng) 真空真空是各種量子場(chǎng)的基態(tài)是各種量子場(chǎng)的基態(tài)零點(diǎn)振動(dòng)和虛粒子零點(diǎn)振動(dòng)和虛粒子 實(shí)物粒子實(shí)物粒子之間的相互作用表現(xiàn)為之間的相互作用表現(xiàn)為場(chǎng)場(chǎng)之間的相互作用；之間的相互作用；實(shí)物粒子場(chǎng)實(shí)物粒子場(chǎng) 相互作用場(chǎng)相互作用場(chǎng)引力引力相互作用相互作用 電磁電磁相互作用相互作用 弱弱相互作用相互作用 強(qiáng)強(qiáng)相互作用相互作

7、用 量子幾何動(dòng)力學(xué)量子幾何動(dòng)力學(xué)(引力場(chǎng)、實(shí)物粒子場(chǎng)引力場(chǎng)、實(shí)物粒子場(chǎng)) 量子電動(dòng)力學(xué)量子電動(dòng)力學(xué)(電磁場(chǎng)、電子場(chǎng)電磁場(chǎng)、電子場(chǎng)) 量子色動(dòng)力學(xué)量子色動(dòng)力學(xué)(膠子場(chǎng)、夸克場(chǎng)膠子場(chǎng)、夸克場(chǎng)) 統(tǒng)一場(chǎng)論統(tǒng)一場(chǎng)論（引力場(chǎng)與電磁場(chǎng)的統(tǒng)一）（引力場(chǎng)與電磁場(chǎng)的統(tǒng)一） 大統(tǒng)一理論大統(tǒng)一理論四種相互作用四種相互作用超統(tǒng)一理論，超對(duì)稱理論超統(tǒng)一理論，超對(duì)稱理論實(shí)物粒子場(chǎng)與實(shí)物粒子場(chǎng)與 相互作用場(chǎng)相互作用場(chǎng) 兩種量子場(chǎng)的統(tǒng)一兩種量子場(chǎng)的統(tǒng)一 量子味動(dòng)力學(xué)量子味動(dòng)力學(xué)(電磁場(chǎng)、電子場(chǎng)電磁場(chǎng)、電子場(chǎng))2022-6-266狄拉克方程狄拉克方程 引力引力場(chǎng)場(chǎng) 電磁電磁場(chǎng)場(chǎng) 弱弱相互作用場(chǎng)相互作用場(chǎng) 強(qiáng)強(qiáng)相互作用場(chǎng)相互作用

8、場(chǎng) 引力場(chǎng)方程引力場(chǎng)方程 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組 量子色動(dòng)力學(xué)量子色動(dòng)力學(xué) 相對(duì)論粒子方程相對(duì)論粒子方程 普羅卡方程普羅卡方程實(shí)物與場(chǎng)的統(tǒng)一：實(shí)物與場(chǎng)的統(tǒng)一：量子場(chǎng)論關(guān)于場(chǎng)的特性和實(shí)物粒子的特性量子場(chǎng)論關(guān)于場(chǎng)的特性和實(shí)物粒子的特性 一切微觀粒子一切微觀粒子(實(shí)物粒子和媒介粒子實(shí)物粒子和媒介粒子 )都對(duì)應(yīng)其量子場(chǎng)都對(duì)應(yīng)其量子場(chǎng)(實(shí)物實(shí)物 粒子場(chǎng)和媒介粒子場(chǎng)粒子場(chǎng)和媒介粒子場(chǎng)) 實(shí)物粒子場(chǎng)實(shí)物粒子場(chǎng)( (電子場(chǎng)電子場(chǎng)) 沒有沒有經(jīng)典場(chǎng)經(jīng)典場(chǎng)概念與其對(duì)應(yīng)量概念與其對(duì)應(yīng)量; 相互作用場(chǎng)相互作用場(chǎng)(電磁場(chǎng)、引力場(chǎng)電磁場(chǎng)、引力場(chǎng))有經(jīng)典場(chǎng)概念與其對(duì)有經(jīng)典場(chǎng)概念與其對(duì) 應(yīng)量，是相互應(yīng)量，是相互量子場(chǎng)的

9、極限；量子場(chǎng)的極限； 任何量子場(chǎng)都是真實(shí)的物理波場(chǎng)，可以用波動(dòng)方程描述；任何量子場(chǎng)都是真實(shí)的物理波場(chǎng)，可以用波動(dòng)方程描述； 用算符進(jìn)行描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律用算符進(jìn)行描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 量子場(chǎng)量子場(chǎng)的基態(tài)：的基態(tài)：“真空態(tài)真空態(tài)”，徹底否定了脫離物質(zhì)的絕對(duì)時(shí)空觀；，徹底否定了脫離物質(zhì)的絕對(duì)時(shí)空觀；實(shí)物實(shí)物粒子場(chǎng)粒子場(chǎng)2022-6-267 大學(xué)物理學(xué)概念體系的嘗試大學(xué)物理學(xué)概念體系的嘗試1“實(shí)物與場(chǎng)實(shí)物與場(chǎng)”的角度的角度第一篇第一篇 宏觀力學(xué)宏觀力學(xué)第第1 1章章 低速范圍的宏觀力學(xué)低速范圍的宏觀力學(xué)牛頓力學(xué)牛頓力學(xué)第第2章章 高速范圍的宏觀力學(xué)高速范圍的宏觀力學(xué)狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論第第3章章 萬有引力場(chǎng)與

10、天體力學(xué)萬有引力場(chǎng)與天體力學(xué)第第4章章 廣義相對(duì)論與宇宙學(xué)基礎(chǔ)廣義相對(duì)論與宇宙學(xué)基礎(chǔ)第二篇第二篇 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)第第5章章 電荷與電場(chǎng)電荷與電場(chǎng)第第6章章 電流與磁場(chǎng)電流與磁場(chǎng)第第7章章 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)第第8章章 麥克斯韋方程組與電磁輻射麥克斯韋方程組與電磁輻射附錄附錄 高速運(yùn)動(dòng)的電荷與電場(chǎng)的磁場(chǎng)統(tǒng)一性高速運(yùn)動(dòng)的電荷與電場(chǎng)的磁場(chǎng)統(tǒng)一性2022-6-268兩類粒子兩類粒子 兩類波兩類波 微觀粒子微觀粒子（正、反粒子）（正、反粒子）實(shí)物粒子實(shí)物粒子媒介粒子媒介粒子質(zhì)子、中子、質(zhì)子、中子、輕子（電子、中微子）輕子（電子、中微子）夸克夸克引力子？引力子？光子光子中間玻色子中間玻色子 介質(zhì)波介質(zhì)波 概率

11、波概率波機(jī)械波：機(jī)械波：聲波、水波聲波、水波 波粒二象性波粒二象性 ：光波、物質(zhì)波（德布羅意波）光波、物質(zhì)波（德布羅意波）介質(zhì)波：需要介質(zhì)（媒質(zhì)），介質(zhì)粒子的振動(dòng)介質(zhì)波：需要介質(zhì)（媒質(zhì)），介質(zhì)粒子的振動(dòng)能量的能量的傳播，介質(zhì)粒子沒有遷移傳播，介質(zhì)粒子沒有遷移是一種經(jīng)典的機(jī)械波；是一種經(jīng)典的機(jī)械波；概率波：無需介質(zhì)（媒質(zhì)），波動(dòng)場(chǎng)粒子可以脫離波源獨(dú)立概率波：無需介質(zhì)（媒質(zhì)），波動(dòng)場(chǎng)粒子可以脫離波源獨(dú)立的傳播的傳播能量的傳播；波強(qiáng)弱并非是波動(dòng)場(chǎng)粒子的真實(shí)行能量的傳播；波強(qiáng)弱并非是波動(dòng)場(chǎng)粒子的真實(shí)行為，只是波動(dòng)場(chǎng)粒子的可能出現(xiàn)的時(shí)空幾率為，只是波動(dòng)場(chǎng)粒子的可能出現(xiàn)的時(shí)空幾率是一種不完是一種不完備的量

12、子觀點(diǎn)、波粒二象性的描述；備的量子觀點(diǎn)、波粒二象性的描述；2、粒子與波、粒子與波2022-6-269介質(zhì)波（機(jī)械波）波動(dòng)方程介質(zhì)波（機(jī)械波）波動(dòng)方程平面簡(jiǎn)諧波的波函數(shù)平面簡(jiǎn)諧波的波函數(shù)對(duì)波函數(shù)求時(shí)間對(duì)波函數(shù)求時(shí)間t 的偏導(dǎo)數(shù)，得的偏導(dǎo)數(shù)，得對(duì)波函數(shù)求傳播空間對(duì)波函數(shù)求傳播空間x 的偏導(dǎo)數(shù)，得的偏導(dǎo)數(shù)，得綜合，得綜合，得 波動(dòng)方程波動(dòng)方程 物理學(xué)的典型方程之物理學(xué)的典型方程之一；一；麥克斯韋據(jù)此推麥克斯韋據(jù)此推斷出光的電磁說斷出光的電磁說)(cosuxtAy)(sinuxtAty)(cos222uxtAty)(sinuxtAuxy)(cos2222uxtAuxy222221tyuxy設(shè)原點(diǎn)的擾動(dòng)

13、函數(shù)設(shè)原點(diǎn)的擾動(dòng)函數(shù)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)tAykyFcos0)cos(rktAy2022-6-2610概率波（波粒二象性）的薛定諤方程概率波（波粒二象性）的薛定諤方程將該波函數(shù)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得將該波函數(shù)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得將波函數(shù)求空間將波函數(shù)求空間x的偏導(dǎo)數(shù)，得的偏導(dǎo)數(shù)，得)1 (Eit自由粒子的波函數(shù)自由粒子的波函數(shù)平面波平面波)(),(EtrpiAetr22)(2222xEtzpypxpipeApxzyx同理可得同理可得2222ypy2222zpz自由粒子的能量和動(dòng)量的關(guān)系自由粒子的能量和動(dòng)量的關(guān)系22pE)2(222222222zpzyx三式相加得三式相加得2022-6-2611算符算符)3(ti

14、E)4()()(22ppiitiEip設(shè)力場(chǎng)的勢(shì)能函數(shù)為，設(shè)力場(chǎng)的勢(shì)能函數(shù)為， 則則)(rU)(22rUpE)(222rUti薛定諤方程薛定諤方程改寫（改寫（1）（）（2）式）式) 1 (Eit)2(222222222zpzyxtiE)()(22ppii 近代物理學(xué)的典型近代物理學(xué)的典型方程之一；波恩解方程之一；波恩解釋釋概率波概率波2022-6-2612目前大學(xué)物理（普通物理學(xué)）的概念體系目前大學(xué)物理（普通物理學(xué)）的概念體系力學(xué)；熱學(xué)；電磁學(xué)；力學(xué)；熱學(xué)；電磁學(xué)；波動(dòng)與光學(xué)波動(dòng)與光學(xué)概念體系的錯(cuò)誤；概念體系的錯(cuò)誤；量子物理量子物理伯克利物理教程伯克利物理教程張三惠張三惠分科的分科的 高中物理

15、新課程標(biāo)準(zhǔn)體系高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)體系3-4 （一）機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波；（二）電磁振蕩與電磁波；（一）機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波；（二）電磁振蕩與電磁波；（三）光（三）光干涉、衍射和偏振；（四）相對(duì)論干涉、衍射和偏振；（四）相對(duì)論 關(guān)于兩類波關(guān)于兩類波( (介質(zhì)波與概率波介質(zhì)波與概率波) )科學(xué)思維科學(xué)思維關(guān)于兩類波關(guān)于兩類波( (介質(zhì)波與概率波介質(zhì)波與概率波) ) 研究方法研究方法雖然宏觀電磁波與機(jī)械波所遵從的數(shù)學(xué)規(guī)律是相同的，但雖然宏觀電磁波與機(jī)械波所遵從的數(shù)學(xué)規(guī)律是相同的，但是其本質(zhì)完全不同；是其本質(zhì)完全不同； 表面上降低了高中甚至大學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，實(shí)際上可能表面上降低了高中甚至大學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，實(shí)際

16、上可能殆誤了這些人才的終身創(chuàng)造力。殆誤了這些人才的終身創(chuàng)造力。2022-6-2613大學(xué)物理學(xué)概念體系的嘗試大學(xué)物理學(xué)概念體系的嘗試2“粒子與波粒子與波”的角度的角度第三篇第三篇 振動(dòng)與波振動(dòng)與波第第9 9章章 振動(dòng)振動(dòng)機(jī)械機(jī)械振動(dòng)與電磁振蕩振動(dòng)與電磁振蕩第第10章章 波動(dòng)波動(dòng)機(jī)械波與電磁波機(jī)械波與電磁波第第11章章 光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性第四篇第四篇 物質(zhì)的波粒二象性物質(zhì)的波粒二象性第第12章章 光的二象性光的二象性第第13章章 物質(zhì)波物質(zhì)波量子力學(xué)基礎(chǔ)量子力學(xué)基礎(chǔ)第第14章章 原子物理學(xué)原子物理學(xué)第五篇第五篇 大量粒子運(yùn)動(dòng)的宏觀規(guī)律大量粒子運(yùn)動(dòng)的宏觀規(guī)律第第15章章 熱力學(xué)熱力學(xué)第第16章章

17、 統(tǒng)計(jì)物理學(xué)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)基礎(chǔ)2022-6-2614 單位單位秒：秒：一個(gè)一個(gè)“平太陽(yáng)日平太陽(yáng)日”的的1/86400為為1秒；秒；1967年，銫年，銫-133 原子基態(tài)，在零磁場(chǎng)躍遷周期：原子基態(tài)，在零磁場(chǎng)躍遷周期：1秒秒=9192631770T。米：米： 經(jīng)過巴黎子午線經(jīng)過巴黎子午線1/4千萬為千萬為1米；米；1米米=光在真空中經(jīng)歷光在真空中經(jīng)歷 1/299792458秒所經(jīng)過的距離秒所經(jīng)過的距離。 （在真空中的光速為普適在真空中的光速為普適 常數(shù)常數(shù)） 物理學(xué)的舊時(shí)空觀物理學(xué)的舊時(shí)空觀蓋天說蓋天說地心說地心說： 唯物地解釋自然、生產(chǎn)實(shí)踐、時(shí)間的無限性；唯物地解釋自然、生產(chǎn)實(shí)踐、時(shí)間的無限性

18、； 絕對(duì)靜止的存在、被宗教神學(xué)利用（托馬斯絕對(duì)靜止的存在、被宗教神學(xué)利用（托馬斯阿奎那阿奎那TAguinas）代表人物：托勒密代表人物：托勒密 應(yīng)當(dāng)指出應(yīng)當(dāng)指出舊時(shí)空模型舊時(shí)空模型 主要觀點(diǎn)主要觀點(diǎn) 承認(rèn)時(shí)間、空間是客觀存在的承認(rèn)時(shí)間、空間是客觀存在的 空間的空間的“上上”、“下下”觀念是相對(duì)的；宇宙空間有限有中心，觀念是相對(duì)的；宇宙空間有限有中心， 承認(rèn)時(shí)間的無限性；承認(rèn)時(shí)間的無限性；意義意義 沒有說明時(shí)間與空間、時(shí)空與物質(zhì)、時(shí)空與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之關(guān)系。沒有說明時(shí)間與空間、時(shí)空與物質(zhì)、時(shí)空與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之關(guān)系。3、時(shí)間與空間、時(shí)間與空間2022-6-2615 物理學(xué)的經(jīng)典時(shí)空觀物理學(xué)的經(jīng)典時(shí)空觀哥白尼

19、哥白尼日心說：日心說：伽利略伽利略的主要貢獻(xiàn)的主要貢獻(xiàn)伽利略變換伽利略變換牛頓牛頓的主要貢獻(xiàn)的主要貢獻(xiàn) 承認(rèn)時(shí)間、空間的客觀實(shí)在性承認(rèn)時(shí)間、空間的客觀實(shí)在性xxyyzztt將實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)方法引入物理學(xué)的研究將實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)學(xué)方法引入物理學(xué)的研究慣性定律慣性定律ttzzyyvtxx低速宏觀低速宏觀伽利略相對(duì)性原理伽利略相對(duì)性原理經(jīng)典時(shí)空模型經(jīng)典時(shí)空模型 代表人物：哥白尼、代表人物：哥白尼、 伽利略、牛頓伽利略、牛頓哥白尼哥白尼的主要貢獻(xiàn)的主要貢獻(xiàn)“太陽(yáng)中心說太陽(yáng)中心說” 取代取代“ 地球中心說地球中心說”數(shù)學(xué)表達(dá)越簡(jiǎn)單越接近自然；數(shù)學(xué)表達(dá)越簡(jiǎn)單越接近自然； 建立了絕對(duì)的時(shí)空觀建立了絕對(duì)的時(shí)空觀(

20、) 時(shí)間、空間彼此無關(guān)，各自獨(dú)立；時(shí)間、空間彼此無關(guān)，各自獨(dú)立；() 時(shí)間一維單向時(shí)間一維單向有始無終，有始無終，() 空間三維的均勻性、各向同性和無限性空間三維的均勻性、各向同性和無限性; 超距、質(zhì)點(diǎn)超距、質(zhì)點(diǎn) 發(fā)明了微積分；發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律；建立了動(dòng)力學(xué)三定律；發(fā)明了微積分；發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律；建立了動(dòng)力學(xué)三定律；2022-6-2616絕對(duì)時(shí)空觀的功過是非絕對(duì)時(shí)空觀的功過是非功功時(shí)間的均勻性時(shí)間的均勻性能量守恒定律能量守恒定律空間的均勻性空間的均勻性動(dòng)量守恒定律動(dòng)量守恒定律空間的各向同性空間的各向同性角動(dòng)量守恒定律角動(dòng)量守恒定律過過時(shí)間與空間時(shí)間與空間彼此無關(guān)彼此無關(guān)時(shí)間與空間時(shí)間與空間

21、與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)同時(shí)性的絕對(duì)性同時(shí)性的絕對(duì)性超距作用超距作用拋棄了舊的時(shí)空觀；拋棄了舊的時(shí)空觀；慣性系是等價(jià)的慣性系是等價(jià)的絕對(duì)靜止的空間；絕對(duì)靜止的空間；特殊的慣性系特殊的慣性系以太以太 狹義相對(duì)論的時(shí)空觀狹義相對(duì)論的時(shí)空觀（高速、宏觀、慣性系等價(jià)）（高速、宏觀、慣性系等價(jià)） 繼承絕對(duì)時(shí)空觀：繼承絕對(duì)時(shí)空觀： 時(shí)間的一維、均勻、無限；時(shí)間的一維、均勻、無限； 空間的三維、均勻、無限；空間的三維、均勻、無限； 發(fā)展了發(fā)展了“宇宙無中心宇宙無中心”的觀點(diǎn)的觀點(diǎn)時(shí)空對(duì)稱原理時(shí)空對(duì)稱原理 建立建立四維時(shí)空坐標(biāo)四維時(shí)空坐標(biāo)ictzyx2022-6-2617 拋棄了絕對(duì)時(shí)時(shí)空觀拋

22、棄了絕對(duì)時(shí)時(shí)空觀相對(duì)時(shí)空觀相對(duì)時(shí)空觀yy 221cvvtxxzz 2221cvcvtt洛侖茲變換洛侖茲變換時(shí)間與空間時(shí)間與空間皆與皆與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)有關(guān)空間空間間隔是間隔是相對(duì)的相對(duì)的xcvx221時(shí)間時(shí)間間隔是間隔是相對(duì)的相對(duì)的同時(shí)性同時(shí)性是是相對(duì)的相對(duì)的光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)韾垡蛩固够疖嚴(yán)硐雽?shí)驗(yàn)愛因斯坦火車?yán)硐雽?shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變慢運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變慢tt xx運(yùn)動(dòng)尺子收縮運(yùn)動(dòng)尺子收縮221tvct2022-6-26182212212121)()(cvxxcvtttt2221vtxctvc 由由 得得當(dāng)當(dāng) 時(shí)，有時(shí)，有12tt01)(2212212cvxxcvtt 同時(shí)性同時(shí)性不

23、不同時(shí)同時(shí)的簡(jiǎn)單理論證明的簡(jiǎn)單理論證明 同時(shí)性同時(shí)性不不同時(shí)同時(shí)的理想實(shí)驗(yàn)證明：的理想實(shí)驗(yàn)證明：愛因斯坦火車?yán)硐雽?shí)驗(yàn)愛因斯坦火車?yán)硐雽?shí)驗(yàn)2022-6-2619 四維四維時(shí)空間隔不變性時(shí)空間隔不變性sdds時(shí)空相對(duì)、時(shí)空相對(duì)、贗歐幾何、贗歐幾何、慣性系等價(jià)慣性系等價(jià)2222222222)(dtcdzdydxictddzdydxds注注1： 狹義相對(duì)論的兩條基本假定狹義相對(duì)論的兩條基本假定光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)硐鄬?duì)性原理相對(duì)性原理注注2： 狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)邁克爾遜邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn))1 (21222122212cvclcvclttt2212221212)1 (2cv

24、clcvclttt實(shí)驗(yàn)第一步實(shí)驗(yàn)第一步實(shí)驗(yàn)第二步實(shí)驗(yàn)第二步3221)(cvlltt2221)(cvllc時(shí)間差時(shí)間差附加光程差附加光程差兩步實(shí)驗(yàn)的條紋應(yīng)當(dāng)移動(dòng)兩步實(shí)驗(yàn)的條紋應(yīng)當(dāng)移動(dòng)N=0.37個(gè)條紋，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果個(gè)條紋，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果N=02022-6-2620111vlcvcl11212vlcvcl121l2l)/1 (2221211cvclt第一束光在以太參照系的時(shí)間第一束光在以太參照系的時(shí)間t1（光程（光程 ）v光束由分光板光束由分光板P射向射向M2需時(shí)間需時(shí)間1光束由光束由M2返回分光板返回分光板P需時(shí)間需時(shí)間2 邁克爾遜邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)的原理及其結(jié)果證明莫雷實(shí)驗(yàn)的原理及其結(jié)果證明 邁克

25、爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀 P2022-6-2621第二束光在以太參照系的的時(shí)間第二束光在以太參照系的的時(shí)間t2（光程（光程 ）222PMtc22lQM222222)2()2(tvtcl2222/12cvcltPQtv22)1 (21222122212cvclcvclttt所以所以 2022-6-2622)1 (21222122212cvclcvclttt2212221212)1 (2cvclcvclttt所以得所以得實(shí)驗(yàn)第一步實(shí)驗(yàn)第一步同理得同理得實(shí)驗(yàn)第二步實(shí)驗(yàn)第二步3221)(cvlltt2221)(cvllc時(shí)間差時(shí)間差對(duì)應(yīng)附加光程差對(duì)應(yīng)附加光程差兩步實(shí)驗(yàn)的條紋位置，應(yīng)當(dāng)移動(dòng)兩步實(shí)驗(yàn)的條紋

26、位置，應(yīng)當(dāng)移動(dòng)N=0.37個(gè)條紋，個(gè)條紋，相當(dāng)于明暗條紋互換位置，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)于明暗條紋互換位置，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果N=0此時(shí)，會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的條紋分布此時(shí)，會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的條紋分布此時(shí)，亦會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的條紋分布此時(shí)，亦會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的條紋分布2022-6-2623 廣義相對(duì)論的時(shí)空觀廣義相對(duì)論的時(shí)空觀（非慣性系與引力場(chǎng)等價(jià)）（非慣性系與引力場(chǎng)等價(jià)） 進(jìn)一步發(fā)展了進(jìn)一步發(fā)展了“宇宙無中心宇宙無中心”的觀點(diǎn)的觀點(diǎn)等效原理等效原理 補(bǔ)充了時(shí)空觀念補(bǔ)充了時(shí)空觀念依賴于依賴于物質(zhì)分布的相對(duì)性物質(zhì)分布的相對(duì)性引力場(chǎng)方程引力場(chǎng)方程廣義相對(duì)性原理：廣義相對(duì)性原理：一切物理規(guī)律在任意參考系間等價(jià)一切物理規(guī)律在任意參考

27、系間等價(jià)。 運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)性 補(bǔ)充了時(shí)空結(jié)構(gòu)與物質(zhì)分布的關(guān)系補(bǔ)充了時(shí)空結(jié)構(gòu)與物質(zhì)分布的關(guān)系 空間彎曲空間彎曲物質(zhì)密度越大的地方物質(zhì)密度越大的地方統(tǒng)一時(shí)空彎曲的曲率越大統(tǒng)一時(shí)空彎曲的曲率越大空間越彎曲空間越彎曲時(shí)間流逝越慢時(shí)間流逝越慢KTTcGRgRG4821221cdtd引力張量；引力張量； 黎蔓曲率張量；黎蔓曲率張量； 時(shí)空度規(guī)張量時(shí)空度規(guī)張量 ； 宇宙半徑宇宙半徑GRgR關(guān)于非關(guān)于非慣性系慣性系等效原理等效原理：加速場(chǎng)與引力場(chǎng)等效；加速場(chǎng)與引力場(chǎng)等效；無法區(qū)分無法區(qū)分2022-6-2624 廣義相對(duì)論的近代引力理論廣義相對(duì)論的近代引力理論 宇宙宇宙空間空間是有限的還是無限的是有限的

28、還是無限的有限無邊有限無邊小小 尺度宇宙：尺度宇宙：渺觀渺觀輕子、光子、夸克以下的層次輕子、光子、夸克以下的層次 微觀微觀光子、質(zhì)子、中子、原子核、原子、分子、有機(jī)物光子、質(zhì)子、中子、原子核、原子、分子、有機(jī)物 時(shí)間時(shí)間有始有終，還是無始無終？有始有終，還是無始無終？物理學(xué)物理學(xué)“宇宙宇宙”的的“生死生死”交替，構(gòu)成了哲學(xué)交替，構(gòu)成了哲學(xué)“宇宙宇宙”的時(shí)間的無限性的時(shí)間的無限性大尺度宇宙：大尺度宇宙： 宏觀宏觀行星、恒星、恒星系統(tǒng)（太陽(yáng)系）行星、恒星、恒星系統(tǒng)（太陽(yáng)系） 宇觀宇觀銀河系、星系群、星系團(tuán)之間的暗物質(zhì)銀河系、星系群、星系團(tuán)之間的暗物質(zhì) 脹觀脹觀超星系團(tuán)、總星系超星系團(tuán)、總星系無限宇

29、宙無限宇宙 大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型無限膨脹，直至消亡；無限膨脹，直至消亡；無限膨脹；無限膨脹；膨脹一定階段，轉(zhuǎn)化為收縮。膨脹一定階段，轉(zhuǎn)化為收縮。宇宙輻射背景；宇宙輻射背景；氦豐度氦豐度天體年齡天體年齡物理學(xué)的，物理學(xué)的，？哲學(xué)的，？哲學(xué)的，？現(xiàn)代宇宙學(xué)現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)c2022-6-2625 時(shí)間和空間可能存在著一個(gè)最小限度時(shí)間和空間可能存在著一個(gè)最小限度時(shí)間、空間量子化時(shí)間、空間量子化4310pt3510pl普朗克時(shí)間普朗克時(shí)間普朗克長(zhǎng)度普朗克長(zhǎng)度美國(guó)物理學(xué)家古斯（美國(guó)物理學(xué)家古斯（guth）的暴脹宇宙模型：的暴脹宇宙模型：KT3210393/10cmg宇宙起源于物理點(diǎn)

30、，而非數(shù)學(xué)點(diǎn)宇宙起源于物理點(diǎn)，而非數(shù)學(xué)點(diǎn)超過以上范圍，現(xiàn)今物理學(xué)理論已不適用超過以上范圍，現(xiàn)今物理學(xué)理論已不適用假真空態(tài)假真空態(tài)黑格斯場(chǎng)，黑格斯場(chǎng)， 其能量密度是原子核密度的其能量密度是原子核密度的 倍倍。 宇宙并非起源于時(shí)間宇宙并非起源于時(shí)間、空間和沒有物質(zhì)的、空間和沒有物質(zhì)的“虛無虛無”假真空態(tài)假真空態(tài)5910 真空也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)真空也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)真空真空各種基態(tài)量子場(chǎng)各種基態(tài)量子場(chǎng)。 量子理論的時(shí)空觀及其現(xiàn)代宇宙學(xué)的時(shí)空觀量子理論的時(shí)空觀及其現(xiàn)代宇宙學(xué)的時(shí)空觀秒秒 量子理論的時(shí)空觀在處理量子理論的時(shí)空觀在處理渺觀和脹觀物質(zhì)領(lǐng)域渺觀和脹觀物質(zhì)領(lǐng)域遇到了困難，遇到了困難，米米2022-6-2

31、626 運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的 哲學(xué)上的意義：哲學(xué)上的意義：物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)是不可分割的物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)是不可分割的222021cvcmmcE 相對(duì)性原理：相對(duì)性原理：一切一切動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)規(guī)律的形式都規(guī)律的形式都 不因參照系的選擇而改變不因參照系的選擇而改變。 運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性運(yùn)動(dòng)描述的相對(duì)性運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的形式會(huì)因不同參照系的選規(guī)律的形式會(huì)因不同參照系的選擇而不同擇而不同。 物理學(xué)只研究物質(zhì)低級(jí)物理學(xué)只研究物質(zhì)低級(jí)運(yùn)動(dòng)的形式運(yùn)動(dòng)的形式 低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的含義：低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的含義：機(jī)械運(yùn)動(dòng)和物理運(yùn)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和物理運(yùn)動(dòng)最基本的最基本的 低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的具體學(xué)科：低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式的具體學(xué)科： 力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光

32、學(xué)力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué) 原子物理學(xué)、原子核物理學(xué)原子物理學(xué)、原子核物理學(xué) 粒子物理學(xué)粒子物理學(xué)量子物理學(xué)量子物理學(xué)大學(xué)物理學(xué)（普通物理學(xué)）大學(xué)物理學(xué)（普通物理學(xué)） 質(zhì)能守恒質(zhì)能守恒廣義的運(yùn)動(dòng)廣義的運(yùn)動(dòng) 狹義的運(yùn)動(dòng)狹義的運(yùn)動(dòng) 參照系的本質(zhì)特征是什么？參照系的本質(zhì)特征是什么？4、運(yùn)動(dòng)與靜止、運(yùn)動(dòng)與靜止2022-6-2627 2004年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三科學(xué)家分享共約年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三科學(xué)家分享共約136萬美元萬美元美國(guó)人：美國(guó)人：戴維戴維格羅斯格羅斯 ，戴維，戴維波利澤和弗蘭克波利澤和弗蘭克維爾澤克維爾澤克 表彰他們表彰他們“對(duì)夸克的研究使科學(xué)更接近于實(shí)現(xiàn)它為對(duì)夸克的研究使科學(xué)更接近于實(shí)現(xiàn)它為“

33、所有的所有的事情構(gòu)建理論事情構(gòu)建理論”的夢(mèng)想的夢(mèng)想 ”。瑞典國(guó)王瑞典國(guó)王于于10月月10日在斯德哥爾摩頒獎(jiǎng)日在斯德哥爾摩頒獎(jiǎng)。諾貝爾的遺囑：諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中 取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明。維爾澤克維爾澤克格羅斯格羅斯格羅斯格羅斯2022-6-2628 2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三科學(xué)家分享共約年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三科學(xué)家分享共約100萬美元萬美元1、美國(guó)、美國(guó)2人：人：雷蒙德雷蒙德- -戴維斯戴維斯 ，里卡多，里卡多- -賈科尼賈科尼 2、日本、日本1人：人：小柴昌俊小柴昌俊(Masatoshi Koshiba

34、)小雷蒙德戴維斯小雷蒙德戴維斯來自于美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)物理天文學(xué)系，來自于美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)物理天文學(xué)系，小柴小柴是日本東京大學(xué)初級(jí)粒子物理國(guó)際研究中心已經(jīng)東京大學(xué)的科學(xué)家，是日本東京大學(xué)初級(jí)粒子物理國(guó)際研究中心已經(jīng)東京大學(xué)的科學(xué)家，瑞典皇家科學(xué)院認(rèn)為他們?nèi)鸬浠始铱茖W(xué)院認(rèn)為他們“在天體物理學(xué)在天體物理學(xué) 領(lǐng)域做出卓越貢獻(xiàn)，尤領(lǐng)域做出卓越貢獻(xiàn)，尤其是他們發(fā)現(xiàn)了宇宙中的微中子其是他們發(fā)現(xiàn)了宇宙中的微中子”。里卡多里卡多- -賈科尼賈科尼是另一位獲獎(jiǎng)的美國(guó)華盛頓特區(qū)聯(lián)合大學(xué)的科學(xué)家，是另一位獲獎(jiǎng)的美國(guó)華盛頓特區(qū)聯(lián)合大學(xué)的科學(xué)家，表彰他表彰他“在天體物理學(xué)領(lǐng)域取得的卓越成就，尤其是他的研究在天體物理學(xué)

35、領(lǐng)域取得的卓越成就，尤其是他的研究引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了宇宙引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了宇宙X X射線源射線源”。3、瑞典國(guó)王、瑞典國(guó)王于于10月月10日在斯德哥爾摩頒獎(jiǎng)日在斯德哥爾摩頒獎(jiǎng)。4、諾貝爾的遺囑：、諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中 取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明。2022-6-2629 2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 由美、德三個(gè)科學(xué)家共同獲得，由美、德三個(gè)科學(xué)家共同獲得， 分享共約分享共約130萬美元萬美元1、美國(guó)人：、美國(guó)人：約翰約翰霍爾，羅伊霍爾，羅伊格勞伯格勞伯2、德國(guó)人：、德國(guó)人：特奧多爾特奧多爾亨施亨施羅伊羅伊格勞伯格勞伯得一半，成就是對(duì)得一半，成就是對(duì)“光粒子的特性進(jìn)行了理論光粒子的特性進(jìn)行了理論描描 述述光學(xué)相干的量子理論光學(xué)相干的量子理論”約翰約翰霍爾，特奧多