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模型的建立,是人類物質(zhì)認(rèn)識(shí)史上一個(gè)最具有革命性的、劃時(shí)代的偉大事件.這個(gè)宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型和近年來天體物理學(xué)取得的輝煌的成就,在物理學(xué)的面前提出了十分嚴(yán)峻的.如何理解宇宙這樣有限而無界的時(shí)空和它的奇點(diǎn)?什么是在宇宙演化過程中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(xué)的分支學(xué)科 。 物質(zhì)的總量大一個(gè)數(shù)量級(jí)?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(duì)稱的?宇宙中正反物質(zhì)不對(duì)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(jì)并制造了一個(gè)類似的裝置,也沒有成功.達(dá) ·芬 奇經(jīng)過仔細(xì)的研究和分析后作出結(jié)論:永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的.盡管幾個(gè)世紀(jì) 以來,所有的永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)都沒有成功,但一直不斷地有人設(shè)計(jì),幻想能制成 永動(dòng)機(jī),不斷提出設(shè)計(jì)方案要求科學(xué)界審核和認(rèn)可.1775年法國(guó)科學(xué)院正式 宣布:“本科學(xué)院以后不再審查有關(guān)永動(dòng)機(jī)的任何設(shè)計(jì)”. 用電熱效應(yīng)和各種不同的機(jī)械生熱 法的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來求熱功當(dāng)量,所得的結(jié)果都是一致的.
1842年,德國(guó)醫(yī)生買厄(JuliusRobertMayer)提出能量守恒的理論,認(rèn)為熱是能量的一種形式,可以與機(jī)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(shí)驗(yàn)定下來的兩個(gè)常量.這個(gè)公式在大部分頻率范圍內(nèi)都與實(shí)驗(yàn)符合得很好,只在頻率取值小的區(qū)域與實(shí)驗(yàn)符合得不好. 。保福梗鼓,英國(guó)物理學(xué)家瑞利在電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)上從理論上又導(dǎo)出一個(gè)輻射能量對(duì)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(gè)公式在頻率小時(shí)與實(shí)驗(yàn)符合 好,但在頻率大時(shí)與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符合,當(dāng)頻率趨于無窮大時(shí),輻射的能量是發(fā)散的. 瑞利和金斯導(dǎo)出輻射能量對(duì)頻率的分布公式是基于電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)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(shí)驗(yàn)不符表明經(jīng)典物理學(xué)理論碰到了嚴(yán)重的困難.由于相對(duì)于可見光來說,頻率很大的輻射處在紫外線波段,所以這個(gè)困難通常被稱為 “紫外災(zāi)難”.輻射的量子理論 。保梗埃澳,普朗克(MaxPlanck)提出量子假說: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(gè)普適常量,稱為普朗克常量.普朗克在這個(gè)物理假定的基礎(chǔ)上,運(yùn)用電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理導(dǎo)出一個(gè)新的黑體輻射能量對(duì)頻率的分布公式: 這個(gè)公式在頻率小時(shí)自動(dòng)回到瑞利-金斯公式,在頻率大時(shí)又自動(dòng)回到維恩公式,這樣所有頻率都與實(shí)驗(yàn)符合得很好.完全解決了這個(gè)問題.現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)確定而言的,如果換到另一個(gè)作勻速直線運(yùn)動(dòng)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(xué)規(guī)律不符合相對(duì)性原理,在相對(duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的諸慣性系中,只有一個(gè)慣性系中電磁學(xué)規(guī)律符合麥克斯韋方程組,這個(gè)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(dòng)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(jìn)行的,空無一物的真空是隔聲的.那么,光傳播時(shí)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(dá) 3 地球,而光波所穿過的宇宙空間實(shí)在是十分空的,甚至平均1m中還不到一個(gè)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(xué)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(yīng)該是絕對(duì)靜止的慣性系.根據(jù) “以太”必須肩負(fù)的一系列的使命,科學(xué)家們總結(jié)了 “以太”所應(yīng)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(qiáng)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(shí)具有這些特征的物質(zhì)簡(jiǎn)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(xué)家們投入了極大的熱情,做了許多的實(shí)驗(yàn)去尋找這個(gè)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(shí)際上就是相對(duì)于以太靜止的參考系.物理學(xué)中一個(gè)重要的問題是找到這個(gè)相對(duì)于以太靜止的參考系. 菲佐實(shí)驗(yàn) 為了研究和找尋相對(duì)于以太靜止的參考系,需要研究相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)中電磁波傳播的規(guī)律.假定地面參考系是相對(duì)于以太靜止的參考系,有某種介質(zhì)以速度v在運(yùn)動(dòng),利用運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)可以導(dǎo)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(xiàng)為介質(zhì)靜止時(shí)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(yùn)動(dòng),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(dòng)), α=1(以太隨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)). 為了從實(shí)驗(yàn)上來檢驗(yàn)這一點(diǎn),考察菲佐(Fizeau)實(shí)驗(yàn).1851年,菲佐做的 實(shí)驗(yàn)如圖3-2所示.在一個(gè)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(cè)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(shí)間為 2l2LtL=c+u+αv, 0 tR=2cl+u2-Lαv.圖3-2 菲佐實(shí)驗(yàn)示意圖 0 第三章 2 。常埃笆兰o(jì)初物理學(xué)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, vnu0u0 如果水流速度改變 Δv,相應(yīng)地干涉條紋改變N條,則 2πN=Δ..=4LαΔv 2 u0 亦即 2 u0πNα= Δv2L.根據(jù)實(shí)驗(yàn)中N的觀測(cè)值和 Δv可以定出 α值.實(shí)驗(yàn)給出 α=1-n12. 從這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論:在水流動(dòng)時(shí),以太并不隨水而動(dòng).因此進(jìn)一步的問題是找尋“以太參考系”,也就是確定地球相對(duì)于以太參考系的速度. 邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)
太陽系在銀河系中繞銀河系中心運(yùn)動(dòng)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(duì)地心的速度是0.465km/s,地面參考系相對(duì)于 “以太”顯然有運(yùn)動(dòng).光在 “以太”中以光速傳播,這樣地面參考系相對(duì)于“以太”的速度就應(yīng)該可以在地面的實(shí)驗(yàn)中察覺出來. 為了測(cè)量地面參考系相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng)速度,1897年,美國(guó)物理學(xué)家邁克爾孫(AlbertAbrahamMichelson)和化學(xué)家莫雷(EdwardWillliamsMorley)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn).由于光是一種波動(dòng),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(gè)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(dāng)這兩列光波存在一定的相位差時(shí),就會(huì)發(fā)生干涉.如果地球相對(duì)于 “以太”以一定的速度運(yùn)動(dòng),那么,當(dāng)整個(gè)邁克爾孫干涉儀沿著水平面轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí),這兩列波的相位差就會(huì)隨著發(fā)生變化,干涉條紋也就會(huì)隨之產(chǎn)生一定的位移.他們將整個(gè)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(dòng)時(shí)發(fā)生的畸變對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響.同時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)裝置在以太中沿水平方向以速率v §3.6 真空光速疑難 。常