第三節(jié)現(xiàn)代的科學一、20世紀初的物理學革命（一）物理學革命的背景◆牛頓經(jīng)典力學體系的建立實現(xiàn)了物理學的第一次理論大綜合。

◆能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了物理學的第二次理論大綜合。

◆麥克斯韋電磁理論的建立完成了物理學的第三次理論大綜合。經(jīng)典物理學所取得的輝煌成就，使當時不少科學家感到陶醉，認為物理理論已接近最后完成，今后的工作只需把公式中各個常數(shù)測定得更精確一些而已，一切問題都可以應用現(xiàn)有理論加以解決。然而就在此時，經(jīng)典物理學體系已開始出現(xiàn)危機。危機來自“經(jīng)典物理學大廈上空的兩朵烏云”——“以太之謎”和“紫外災難”，以及X射線、電子、天然放射現(xiàn)象這膽大發(fā)現(xiàn)，由此揭開了20世紀物理學革命的序幕。1.“以太之謎”傳播聲波的介質(zhì)是空氣。傳播水面波的介質(zhì)是水。通過類比，當時的科學家們就認為，“光是一種波，那么就應該存在著一種傳播光波的介質(zhì)”。于是古希臘哲學家亞里士多德設(shè)想一種物質(zhì)“以太”，被假想為電磁波的傳播媒質(zhì)。但后來的實驗和理論表明，如果不假定“以太”的存在，很多物理現(xiàn)象可以有更為簡單的解釋，沒有任何觀測證據(jù)表明“以太”的存在。“以太”性質(zhì)不明我們知道，太陽光來到地球，必須經(jīng)過這之間廣袤的宇宙空間。如果真的有以太，那么，它就應該充滿太陽與地球之間的整個宇宙空間。同時，地球在圍繞太陽的公轉(zhuǎn)，因此地球就是在撥開以太前進。

騎自行車旅行，即使無風的日子，我們也感受到風的吹拂。這是因為自行車正在相對于靜止的空氣作運動。那么，在以太中行進的地球也應該受到“以太風”的吹拂，那將使地球之類的任何天體的運動最終停下來。光既然是在以太中傳播，也不能不受到以太的影響。拿聲波作類比：傳播聲波的介質(zhì)是空氣，相對于靜止的空氣，聲波的傳播速度是每秒340米，如果有風的存在，音速會變慢會者變快。當時科學家們對于光也是這么認識的：在以太中運動著的地球上測量光的速度，由于存在著以太風，測得的光速就應該是有時候大，有時候小。

能夠探測到“以太風”嗎？

邁克耳孫－莫雷實驗美國科學家邁克耳孫和莫雷著手用實驗手段來證實是否真的存在以太。實驗中，光經(jīng)過不同路徑A和B到達檢測器的時間，就應該顯現(xiàn)差異。然后，反復進行多次實驗，始終沒有發(fā)現(xiàn)到達時間的差異。兩束光總是“同時到達”。這項實驗沒有能夠發(fā)現(xiàn)“以太風”對光速的影響，驗證了不存在著什么以太風。愛因斯坦據(jù)此干脆否定以太的存在。

2.“紫外災難”，在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領(lǐng)比較強，比如煤炭對電磁波的吸收率可達到80％左右。所謂“黑體”是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100％的理想物體。真正的黑體并不存在，但是，一個表面開有一個小孔的空腔，則可以看作是一個近似的黑體。因為通過小孔進入空腔的輻射，在腔里經(jīng)過多次反射和吸收以后，不會再從小孔透出。

19世紀末，盧梅爾（1860－1925）等人的著名實驗―黑體輻射實驗，發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量不是連續(xù)的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關(guān)。從經(jīng)典物理學的角度看來，這個實驗的結(jié)果是不可思議的。怎樣解釋黑體輻射實驗的結(jié)果呢？人們都從經(jīng)典物理學出發(fā)尋找實驗的規(guī)律。例如，德國物理學家維恩建立起黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個公式只在波長比較短、溫度比較低的時候才和實驗事實符合。英國物理學家瑞利和物理學家、天文學家金斯認為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利——金斯公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災難”。它的失敗無可懷疑地表明經(jīng)典物理學理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經(jīng)典物理學的“災難”3.三大發(fā)現(xiàn)（1）X射線空放電現(xiàn)象→陰極射線→X射線真X射線是波長介于紫外線和γ射線間的電磁輻射。X射線光譜是原子中最靠內(nèi)層的電子躍遷時發(fā)出來的。X射線在電場磁場中不偏轉(zhuǎn)。這說明X射線是不帶電的粒子流。一般來說，較大原子有較大機會吸收X射線光子。人體軟組織由較小原子組成而骨組織含較多鈣離子，所以骨組織比軟組織吸引較多X射線。故此，X射線可以用作檢查人體結(jié)構(gòu)。（2）天然放射性天然放射性，是指元素從不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地放出射線。（如α射線、β射線、γ射線等）而衰變形成穩(wěn)定的元素而停止放射（衰變產(chǎn)物），這種現(xiàn)象稱為放射性。天然放射性元素是指那些最初從自然界發(fā)現(xiàn)而不是用人工方法合成的放射性元素。它們是：釙Po（pō）、氡Rn、鈁Fr（fāng）、鐳Ra、錒Ac（?。⑩QTh（tǔ）、鏷Pa（pú）、鈾U（yóu）、镎Np（ná）、钚（bù）Pu鈾鹽不產(chǎn)生熒光，但底片感光→鈾原子本身發(fā)出的射線，與熒光無關(guān)法國皮埃爾.居里及其妻子居里夫人：鈾、鐳等元素都具有放射性→1903年諾貝爾物理學獎。天然放射性物質(zhì)的放射危害天然放射性物質(zhì)的放射危害，主要是通過其放射的射線對人體細胞基本分子結(jié)構(gòu)的電離，破壞了分子結(jié)構(gòu)而造成傷害的。天然放射性物質(zhì)放射的射線主要有３種：α射線、β射線、γ射線。α射線和β射線都是帶電粒子，α粒子在空氣或其他物質(zhì)中造成的電離密集，能量損耗很快，射程（即可以穿透的距離）很短；β粒子造成的電離比α粒子較弱，能量損耗較慢，因而射程較長，但天然放射性物質(zhì)在自然界中含量畢竟很少，因而β射線不至于從人體外部對人體構(gòu)成傷害。γ射線在空氣中的電離小，射程長，可以從建筑材料中放射出來，從人體外部對人體構(gòu)成傷害。危險的氡氣一般情況下，天然放射性物質(zhì)是很難進入人體內(nèi)的，但是，從巖石、土壤跑到空氣中的氡氣，卻很容易隨人們的呼吸而進入肺部，并隨著血液循環(huán)走向全身。氡－２２２原子核放射的是α粒子，在它所經(jīng)過的路徑上，造成原子的電離密集，破壞細胞結(jié)構(gòu)分子，細胞受傷害的程度也就大，修復的可能性也較小。據(jù)估算，人如果長期在氡濃度370Bq/m3的室內(nèi)環(huán)境中生活，每千人中將有30～120死于肺癌。若長期生活在含氡量高的環(huán)境里，還可能造成白細胞和血小板減少，嚴重的還會導致白血病。案例:我國河南鄭州某大學校址，地質(zhì)構(gòu)造上處于斷裂帶，地下深部的氡氣易上升而析出地面，因而土壤中氡濃度較高，室內(nèi)氡的濃度也較高，使該校癌癥、白血病發(fā)生率比河南其他大學高的多。由于氡的危害是長期積累的，且不易被察覺，因此必須引起高度重視并做好宣傳普及和防護工作。為降低室內(nèi)氡的濃度，建筑部門在新建住宅時應避開含氡量高的地段，并盡可能選擇含氡量低的建材。營銷商在銷售建材時需向客戶出示放射性水平檢測證明。居民在進行家庭裝修時應注意選擇含氡量低的裝飾材料。增加室內(nèi)通風是最方便、最有效的降氡措施。（3）電子圍繞陰極射線本性問題以太→帶電粒子流（二）物理學革命的歷程1.相對論相對論是關(guān)于時間、空間和物質(zhì)運動之間關(guān)系的理論。由愛因斯坦創(chuàng)立，依其研究對象的不同分為狹義相對論(特殊相對論)和廣義相對論(一般相對論)。（1）狹義相對論（2）廣義相對論（3）相對論的實驗驗證我如果以光速飛行，能夠從鏡子中看到自己的臉嗎？愛因斯坦16歲時有這么個疑問：“我如果以光速飛行，能夠從鏡子中看到自己的臉嗎？”要從鏡子中看到自己的臉，從臉部發(fā)出的光必須要抵達鏡面，再從那里反射到自己眼里。但是，我如果以光速運動，結(jié)果會怎么樣？光不是就無法抵達鏡面嗎？？

根據(jù)相對論，即使以光速飛行，一個人也能夠從鏡子中看到自己的臉。2.早期量子論1