世纪之交的物理学革命(一)作业答案

世纪之交的物理学革命(一)作业答案篇一

世纪之交的物理学革命

自然科学刚跨入20世纪，物理学领域内首先掀起了革命的浪潮。19世纪末，物理学实验上的一系列重大发现，冲击着经典物理学的连续观念、绝对时空观念和原子不可再分的观念，使原有的经典理论显得无能为力。这一冲击，对当时的物理学家们的影响是很大的。因为19世纪40年代以后，由伽利略和牛顿奠定基础的古典物理学理论，由于海王星和能量守恒原理的发现，法拉第、麦克斯韦电磁理论的辉煌成就以及分子运动论的建立，在科学的各个领域中所向披靡，包罗了大至日月星辰，小至原子、分子的物理世界，从而使当时不少物理学家认为物理理论已接近最后完成，今后只需在细节上作些补充和发展，在小数点第六位上做文章。著名的德国物理学家基尔霍夫（1824—1887）说：“物理学将无所作为了，至少也只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了。”世界著名物理学家开尔文（1824—1907）也认为：“在已经建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作了。”但是，他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云，这就是迈克耳逊-莫雷实验和黑体辐射实验。它们的存在引起许多著名的物理学家的不安。

世纪之交的新挑战

19世纪80年代以后，物理学的经典理论不断完善，与此同时，物理学实验上却陆续发现一些重大的结果。至少有7个重大发现，不但旧理论无法解释，有的还导致观念上的更新。 第一个实验是1887年赫兹（1857—1894）在验证麦克斯韦（1831—1879）预言电磁波存在的实验过程中，发现了光电效应。按照经典理论，从金属表面逸出电子的数目与光的强度有关，而与光的频率无关。这一矛盾，赫兹无法解释，但他仍以“论紫外光对放电现象的效应”为题发表论文，描述了这一现象和结果，向物理学经典理论发起了挑战。

第二个实验是1887年的迈克耳逊-莫雷实验。这一结果使持有光是“以太”中的波动这一观点的人大失所望，连迈克耳逊本人也不了解这一实验结果的重要意义。

第三个实验是1895年伦琴（1845—1923）发现了X射线。这一发现是对“不可入性是物质的固有属性”观念的挑战，也是对建筑在这一观念基础上的经典物理学的有关理论的挑战。

第四个实验是1896年贝克勒尔（1852—1908）发现了放射性辐射（参阅本书第50页）。这一实验结果表明化学元素是能蜕变的，它会变成其他元素，改变了人们一成不变的观念。 第五个实验是1897年汤姆孙（1856—1940）发现了电子。电子的发现和证实，表明比原子小的粒子是存在的，原子并不是最小的客体，指出了经典的物质结构理论的局限性。 第六个实验是1898年居里夫妇发现放射性元素。这一重要发现，同样证明化学元素是要蜕变的，而原子并不是不可分的，它会放射出更小的粒子而改变自己的性质，再次说明经典理论的局限性。

第七个实验是黑体辐射实验。普朗克（1858－1947）提出了“量子”的概念，抛弃了经典物理学特有的两条原则：从一个状态过渡到另一个状态必须是连续的原则，吸收和释放能量必须是连续的原则，宣布了量子物理学的诞生。

上述7个主要实验结果，用经典的物理学理论根本无法加以解释。第三个实验对传统的观念（即“不可入性是物质的固有属性”）发起了冲击，说明“不可入性”并不是物质的“固有的”属性。第四、五、六个实验，表明化学元素会蜕变，会变成其他元素：比原子小的微粒——电子的发现，说明原子并不是不可再分的最小的实体，对原子是不可再分的观念也发起了冲击。第七个实验开创了量子物理学，同时应用量子论的观点也能解释第一个实验的结果。第二个实验，只有等待狭义相对论诞生以后，才能很好地加以解释。

现代物理学的开创

前面提到开尔文所说的“两朵乌云”，其实这不是什么“乌云’，而是物理学发展的一个前奏。实际上还有一朵乌云，就是前面提到的第四、五、六3个实验，这朵乌云导致了20世纪现

代物理学中的关于物质结构理论的发展。

19世纪末20世纪初，为了克服上述由于古典物理学理论无法解释新的实验事实的发现而造成的整个物理学的严重危机，解决新事实同旧理论体系之间的矛盾，自然科学家们对古典物理学理论体系的基础进行了一场根本性的变革。

物理学革命发轫于量子论和相对论的诞生。普朗克于1900年为解决黑体辐射实验结果同古典论的矛盾，提出了量子假说，认为在辐射的发射或吸收过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小的单元即量子。这是一个大胆的假说，它直接违背了莱布尼茨的“自然界无飞跃”的论断。因而在1911年以前，老一辈物理学家几乎全部拒绝接受它，就连普朗克自己也惴惴不安，曾于1911年和1914年两度提出以古典概念取代量子假说的新理论。爱因斯坦从认识集结的角度意识到，量子概念带来的将是整个物理学理论框架的根本变革，物理学家需要做的工作是建立新的理论基础，而不是进行局部的修补。他于1905年把量子概念扩充到辐射的传播过程，提出光量子假说，认为光既具有波动性又具有粒子性，即波粒二象性，这是人类第一次认识到的微观客体的最基本的特征。随后，爱因斯坦又把量子概念推广到辐射领域以外，用来研究低温固体比热和光化学现象，开创了固体量子论和光化学理论。 直接向牛顿力学理论体系挑战的爱因斯坦于1905年创立的狭义相对论。狭义相对论否定了作为牛顿力学理论基础的绝对空间和绝对时间概念，否定了作为一切电磁现象和光学现象载体的“以太”的存在，消除了由“以太漂移”实验所带来的困扰。狭义相对论把古典力学定律全部加以改造，使之适合于低速运动的极限情况。作为狭义相对论的推论，运动的尺度要缩短，运动的钟要变慢，任何物体运动速度都不可能超过光速。这些显然都为常识所不容。狭义相对论提示了作为物质存在形式的空间和时间的统一性，揭示了物质和运动不可分离的原理，而且为原子能时代的到来开辟了道路。爱因斯坦经过多年的艰苦努力，于1915年进一步建立了广义相对论。广义相对论揭示了这间、时间同物质的统一关系，指出空间、时间不是离开物质独立存在的，时空的结构取决于物质的分布；物理空间不是平坦的、而是弯曲的，空间曲率表现为引力。1917年，爱因斯坦根据广义相对论考察整个宇宙空间，开创了现代宇宙学。他提出的有限无界的宇宙模型，后来发展成为宇宙膨胀理论和大爆炸理论。这是继哥白尼之后对天文学宇宙观的又一次革命。

量子论在光量子论以后又经历了两次大发展。一次以玻尔建立的原子结构理论为标志。玻尔于1913年把量子论同卢瑟福的有核的原子模型结合起来，并反书面报告子只用于能量的量子概念推广到其他物理量。这一理论成功地解释了关于化学元素光谱线的各个经验定律，也为化学元素周期律的理集结解释奠定了基础。另一次以量子力学的建立为标志。量子力学是用两种不同的形式建立起来的，一种是德布罗意的物质波理论和薛定谔的波动力学，另一种是海森伯的矩阵力学。德布罗意于1923年把爱因斯坦关于光的波粒二象性扩展到一切物质粒子，揭示了电子也具有波动性，为玻尔的量子化条件提供了理论根据。薛定谔发展了德布罗意的理论，于1926年建立了波动力学，提出微观物理学的基本运动定律，即薛定谔方程。受玻尔影响的海森伯，于1925年效法爱因斯坦建立狭义相对论时否定不可观察的绝地时间概念，抛弃像玻尔的电子轨道这类不可观察的古典运动学的量，专门研究可观察量之间的关系。他在玻恩等人的是不可对易的。同年，狄拉克用更有力的数学工具把古典力学基本方程改为量子力学方程，为量子力学提供了更为宽广的数学基础。随后，薛定谔于1926年发现波动力学和矩阵力学在数学上是完全等价的，两者实质上是同一个物理理论。根据量子力学，海伯森于1927年发现“测不准原理”，揭示了一个粒子的位置和动量（或能量和时间）不能同时准确地加以测量。狄拉克根据量子力学和相对论，于1926年预言有正电子及其他“反粒子”即“反物质”的存在，并揭示了真空不空。这些都深刻地改变了人们的自然观。量子力学对古典物理学的冲击比相对论更为猛烈。因为，相对论提供了新的时空观，并为科学理论清除先验因素提供了范例；量子力学则提供了一种考察和描述自然的新方法，它的一

系列基本概念，如波粒二象性、共轭物理量的不可对易性、测不准关系等，都同传统的概念框架格格不入，在哲学思想领域中引起了巨大的震动。

答案：（5分）

答：本案例主要说明了真理的客观性，绝对性与相对性的辩证统一关系。人类对认识是不断反复的，具有无限性。

真理觉有客观性，凡真理都是客观真理，所谓客观，就是要坚持唯物主义认识论，即反映论。物理学反映了自然真理，是客观的，是不为人的意识所转移的。所有的真理都要被实践所证实，物理也应如此，物理定律也应该服从实验结果。

真理具有绝对性与相对性，真理是客观的，真理有事绝对和相对的，这是真理的辩证统一关系。真理的绝对性是指真理具有客观性，并且这种客观的绝对同谬误有原则的界限。对于物理而言，每发生一次物理定律的变革，就是人类对无限发展的物质世界的接近，就此而言也是绝对的。

真理的相对性即具有相对性的真理，是指真理的有条件性，有限性。真理在一定时间是不完全的真理，人们对客观过程及其发展规律的正确认识总是有局限的，不完全的。它受到了人类时间水平以及人类认识能力的限制。人类对物理世界的认识总是不断丰富发展的，物理危机是因为人们受到了当时实验水平以及牛顿“三大定律”的传统物理学观点的思想束缚。因此，物理学观点只具有相对的正确（即物质的低速运动），在其他运动状态下，定律需要不断丰富和发展。

对于问题一，以迈克尔孙—莫雷实验和黑体辐射实验为代表的实验之所以会引起众多物理学家的不安，原因就是这些实验现象无法用经典的物理学定律来解释，被众多物理学家奉为绝对真理的经典物理学面临着倒垮的危机，绝对不是小修小补就能完成的。说明了经典物理学还远非绝对的真理，即真理具有相对性。经典物理学的真理正确性是建立在一定条件下的，即物质的低速运动状态，当时的物理学家对物理的认识还是局限的，不完全的。当然与当时的理论水平和实验条件有关。此外，真理还有客观性与绝对性，即物理定律要遵循物理现象，不能由人的意志决定。人们只有对自然界无限反复认识才能使真理发展，说明了真理的反复性与无限性。

对于问题二，普朗克提出了量子假说与波粒二象性，爱因斯坦则开创了固体量子论与光化学理论，并创立了狭义相对论与广义相对论，还有波尔卢瑟福的原子模型，德布罗意波，薛定谔方程等，都使物理体系发生了根本性变革。这些成就都证明了真理具有相对性，并且，在物理学无限发展的过程中，是不断对物质世界的接近，承认了人能够获得关于无限发展着的物质世界的正确认识，承认了世界的可知性。真理的相对性与绝对性是相互渗透，相互包含，任何客观真理都是有相对性真理和绝对性真理转化的一个环节，又都表现为一个过程。说明了真理的反复性，无限性，真理的相对性与绝对性是辩证统一关系。

世纪之交的物理学革命(一)作业答案篇二

世纪之交的物理学革命

世纪之交的物理学革命案例分析

真理都具有绝对和相对两重属性，都是绝对和相对的辩证统一。一方面，绝对真理和相对真理相互依存、相互包含。任何真理都是在一定的条件、程度、范围内对客观事物的正确反映，因而具有相对性；但它又是对客观事物的正确反映，在它的限度内不可能被推翻，因而具有绝对性。绝对寓于相对之中，绝对真理通过相对真理表现出来；相对真理包含着绝对真理的成份，无数相对真理的总和构成绝对真理。另一方面，相对真理向绝对真理辩证转化。真理是一个过程，永远处在由相对向绝对的转化和发展中，任何客观真理都是由相对真理向绝对真理转化过程中的一个环节。

本案例讲述的是近代自然科学发展史上光彩夺目的一页－－世纪之交的物理学革命。19世纪40年代以后，经典物理学得到了很大地发展。当时不少物理学家认为物理理论已接近最后完成。但后来又出现了很多用经典物理解释不了的现象。这又使得物理学家们不安起来。 为了克服这些“乌云”自然科学家们对古典物理学理论体系的基础进行了一场根本性的变革。 这些展示了从经典物理学的完成到现代物理学的开创的发展历程，具体显现了物理学发展长河中的真理的绝对性和相对性的辩证统一关系，说明经典物理学理论在常规时空条件下是真理，具有绝对性，然而一旦超出了常规时空，它的局限性就暴露出来了。19世纪80年代相继出现的、以迈克耳逊一莫雷实验和黑体辐射实验为代表的一系列经典物理学理论无法解释的新的科学事实，表明经典物理学理论只是对无限物质世界的一定时期、一定层次、一定范围、一定程度近似正确的反映，还不够完善，具有相对性。所谓的“永恒真理”、“终极真理”在现实生活中是不存在的。同时，世纪之交的这场物理学革命也告诉我们，任何科学理论都不可能一蹴而就，一成不变，随着科学实验的发展，理论必然会进一步发展，甚至要彻底更新。真理是一个过程，是一个从相对性真理走向绝对性真理、接近绝对性真理的永无止境的发展过程，真理的发展永无止境。

马克思主义作为科学真理，也是绝对性和相对性的统一。马克思主义正确地揭示了自然界、社会和思维发展的一般规律，是经过实践反复证明了的客观真理，这是它的绝对性，因而我们必须坚持马克思主义。同时，马克思主义是历史的产物，无论从认识的广度还是从认识的深度上看，它都不可能穷尽一切真理，随着客观历史的变化和社会实践的发展，马克思主义也需要得到发展、深化和完善，这是它的相对性，因此我们又必须发展马克思主义。

通过学习这则案例，我深刻地认识到了任何真理都是具体的,发展的，都既具有绝对性，又具有相对性；真理是一个过程，是一个从相对性真理走向绝对性真理，接近绝对性真理的永无止境的发展过程。

世纪之交的物理学革命(一)作业答案篇三

世纪之交的物理学革命

世纪之交的物理学革命

19世纪理论科学的巅峰状态以及其中隐含的危机以物理学最为典型。海王星的发现显示了牛顿力学无比强大的理论威力，光学、电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”有一个故事很可以说明在人们心目中，古典物理学的完善程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”

1900年4月27日，英国著名的物理学家开尔文勋爵作了题为《热和光的动力理论上空的19世纪之乌云》的长篇讲演，指出古典物理学本来十分晴朗的天空上出现了两朵乌云。实际上，物理学天空上的乌云何止两朵。大量新现象与已成完美体系的古典理论之间的矛盾日渐突出，酿成了深刻的危机。正是这朵朵乌云带来了世纪之交的一场物理学革命，在这场革命中诞生了相对论和量子力学。

1、第一朵乌云：以太漂移实验

开尔文所称第一朵乌云指的是以太漂移实验。古典物理学统一诸种物理现象的主要方式，是找出该类物理现象的一个力学模型。例如，当我们把声音看成是声源振动在物质媒介中的纵向传播时，我们就将声学统一在关于振动的力学之中；当我们把热看成是细微分子的运动之后，我们就将热学统一在关于大量分子运动的力学之中。电磁学似乎与力学距离较远，但也有统一它们的方式。比如，我们同样可以将电磁波看成是某种电磁振荡在某种物质媒介中的传播，如果这种模型是成立的，那么，电磁学与力学之间也可以统一起来了。事实上，物理学家们就是这么做的，因为在他们看来，“一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理之上”。开尔文也说：“我的目标就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中，都将满足所要求的条件。在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远也不会满足的。如果我能够成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则我就不能理解”。

用力学振荡模型来理解电磁现象面临的一个主要问题是，它是在什么物质媒介中振荡传播的。我们知道，声音的媒介可以是许多物质，如空气、水、铁轨等，没有这些东西，声音便不能传播。可是人们一直没有搞清楚电磁振荡靠的是什么媒介。有实验表明；它在真空中也能传播，这就说明，这种媒介不是我们所能看得见、摸得着的物质。法国哲学家笛卡尔曾经借用希腊词“以太”，提出过一种处处充满以太的宇宙模型。在他那里，以太正好就是看不见膜不着的一种新物质。物理学家们于是认为，电磁传播的媒介是以太。

问题在于以太将具有什么样的物理性质。比如，它有重量吗？它对物体的运动会产生阻力吗？它的密度有多大？但这些问题都非常难于回答。电磁波是一种横波，为了能传播这样一种波，以太媒介必得很硬，但行星运动中又看不出受到阻力的迹象，这使物理学家们感到十分为难。

更困难的问题是以太漂移问题。如果确实有以太存在，那么最好是假定它相对于太阳静止而相对于地球运动，因为只有这样才能很好地解释光行差现象。如果以太相对于地球运动，那么我们就应该可以通过某种方式探测出来。1879年，著名物理学家麦克斯韦提出了一种探测方法：让光线分别在平行和垂直于地球运动的方向等距离地往返传播，平行于地球运动方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间：1881年，美国实验物理学家迈克尔逊（1852～1931）依此原理设计了一个极为精密的实验，未发现任何时间差。1887年，迈克尔逊再度与美国化学家莫雷（1838～1923）合作，以更高精度重复实验，得到的依然是“零结果”。作为一名以“探测以太漂移”为目的的实验物理学家，迈克尔逊认为自己的实验是失败的。

为了解释“零结果”，1889年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851～1901）提出了物体在以太风中的收缩假说。他认为，在运动方向上，物体长度将会缩短，以致我们无法在光学实验中探测出以太漂移的迹象。1892年，荷兰物理学家洛伦兹（1853—1928）也独立地提出了收缩假说，并且给出了著名的洛伦兹变换。该变换使得相对于以太运动以及相对于以太静止的两种坐标系均满足同样形式的麦克斯韦方程，使经典物理学得以消除乌云，保全形式上的完美。但洛伦兹的工作已经大大修改了许多传统的观念，例如，运动粒子的质量不再是不变的，速度均以光速为上限等。

法国数学家、物理学家、哲学家彭加勒（185—1912）是相对论的重要先驱。1895年，在《谈谈拉摩

先生的理论卜文中，他已经以其高超的哲学智慧为“以太问题”的解决指出了新的方向。他认为，像洛伦兹这样为新的实验引进新的孤立假设的做法是不经济的，以太漂移实验的零结果应该被看成是如下原理的自然结果，即用任何实验手段都不可能测量到物质的绝对运动，所有的实验都只可能测量到物质相对于物质的相对运动。1902年，在《科学与假设》中，彭加勒把这个原理称为“相对性原理”。此外，他还提出“光速不变”是一个不能诉诸实验检验的公设，同时还讨论了同时性问题。

2、爱因斯坦与相对论

洛伦兹的工作主要是对；日体系的修正，彭加勒的工作也只给出了一个概念框架，真正揭开物理学革命之序幕的是爱因斯坦。这位犹太血统的物理学家1879年3月14日生于德国南部的小城乌尔姆。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未表现出智力超群，相反，到了四五岁他还不会说话。家里人生怕他是个低能儿。上中学之后，他的学业也不突出，除了数学很好外，其他功课都不怎么样。尤其是拉丁文和希腊文课，爱因斯坦学得一塌糊涂。他对这些古典语言太不感兴趣了。老师劝他退学算了，说他不会有大出息的。就这样，人类历史上最伟大的天才中途退学了。

1895年，16岁的爱因斯坦来到了瑞士苏黎世，准备投考苏黎世的联邦工业大学。本来他的年龄不够，不能参加报考，但家里托了点关系，因为爱因斯坦失学在家总不是个事。第一次爱因斯坦没有考上。那些需要死记硬背的功课像德文。法文、动物学、植物学等都没有考好，但他的数学和物理课考得很不错。教授们安慰他还年轻，下次再来，先找个中学上。这样，爱因斯坦又进了离苏黎世不远的阿劳镇中学。在阿

劳期间，是爱因斯坦人生中比较快乐的一段时光。他尝到了瑞士自由的空气和阳光，决心放弃德国国籍。

1896年1月28日，爱因斯坦正式成为一个无国籍者。当年，他终于考进了联邦工业大学。在大学期间，爱因斯坦还是只对自己感兴趣的学科着迷，而忽视其他科目。这时候，他迷上了物理学而对数学反而冷落了。数学课全凭一位叫格罗斯曼的同学的笔记来应付。1900年，他大学毕业了，但一时找不到工作。1901年2月，他取得了瑞士国籍，但工作依然没有着落。到了依然是格罗斯曼帮了他的忙。格的父亲有位朋友在伯尔尼专利局当局长，经说情爱因斯坦在那里找到了一份固定职业——当技术员。1902年，爱因斯坦在伯尔尼定居了，而且在那里与几个朋友组织了一个学习小组，讨论科学和哲学的前沿问题。因常在一个叫奥林匹亚的小咖啡馆聚会，他们把自己的小组称做奥林匹亚科学院。

早在16岁时爱因斯坦就在想一个问题，如果一个人以光速运行，他将看到一幅什么样的世界景象呢？电磁波是不是就像凝固了那样静止不动呢？如果是那样，电动力学就完了。看起来，电动力学的麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动的参考系即以太参考系是成立的。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原理相矛盾。所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的，伽利略恰当地称之为相对性原理。他的著名实验是，一个坐在船舱里的人无论用什么物理实验，也无法确定该船是否在相对于河流做均匀直线运动即惯性运动。可是，电动力学为什么不遵从伽利略的相对性原理呢？

在伯尔尼专利局的岁月里，爱因斯坦广泛关注着物理学界的前沿动态，在许多问题上深人思考，形成了自己独特的见解。1905年是科学史上值得记取的一年，这一年中，爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发 表了五篇论文，其中的三篇每篇均是划时代的成就。

一篇论文发表在《物理学年鉴》第门卷第132—148页，是关于光电效应的。当时人们已经发现，金属在光的照射下可以发射出电子，但奇怪的是，光的强度只与电子的多少有关，而不能使电子的发射能量变大。对这一点古典物理学无法解释。爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出的量子观点大胆推广，指出光是由一定能量的光量子组成。正是这些光量子激发了金属内部的电子，而且，只有一定能量的光量子能被金属所吸收，并激发一定能量的电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理奖。

第二篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷第549—560页，是关于布朗运动的。布朗运动是 1827年英国植物学家布朗发现的显微镜下花粉颗粒的无规则运动，长期以来得不到解释。分子运动论建立之后，曾有人从大量分子无规则运动的观点解释布朗运动，但爱因斯坦第一个从数学上详尽地解决了这一问题。 最伟大的成就是第三篇论文《论动体的电动力学》，刊于《物理学年鉴》第17卷第891—921页。在这篇论文中，爱因斯坦提出了他举世闻名的相对性理论即相对论。这是他多年来思考以太与电动力学问题的结果。他从同时性的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础

上给动体的电动力学以完整的形式。以太概念不再是必要的，以太漂移问题也不再存在。如果迈克尔逊的实验导致了零结果，那么它正是一次成功的实验，证明所谓以太漂移根本就是虚幻的。

何谓同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢，这个问题看似平常，却至关重要。一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号传递的速度。为了测出一个信号的传递速度，我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间。测空间距离当然简单，麻烦在于测时间。我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两只钟的读数差可以知道信号传播的时间。但问题在于，我们为了将两只处在不同地方的钟对好，又需要一种信号。这个信号能否将钟对好，这个问题也不好轻易回答。如果按我们先前的思路，它还需要一种新信号。这样无穷后退，两地事件的同时性就无法确认。但是，在上述思路中有一点是明确的，即同时性必与一种信号相联系，否则我们说两件事情同时发生是没有意义的。

光信号可能是用来对钟的最合适的信号，但光速不是无限大，这就会产生一个新奇的结论：对于静止的观察者同时的两事件，对于运动的观察者就不是同时的。设AB两地各发生了一个事件（比如发生了一次闪光），在AB的中点C处的观察者，由AB两地发来的光信号同时到达这一点，推测两事件是同时发生的。按定义，它也的确是同时发生的，因此地面上的每一位静止的观察者均会同意。但一个由A向B运动的观察者却不同意，因为也是在C点，他却发现B点的闪光先于A点到达，按定义，B事件先于A事件，它们是不同时的。也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学所引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。

同时性的相对性带来了一系列的物理后果，其中广为人知的是尺缩钟慢效应。尺缩钟慢效应说的是：对于两个相互运动的参照系来说，处在某参照系中的观察者将会发现另一参照系中的物体其运动方向缩短了，其时钟走慢了。这两个效应都只是相对论效应，在本参照系中的观察者将看不出这种效应。而且，相对论效应是相互的，你看见我的尺缩钟慢，我也看见你的尺缩钟慢。

爱因斯坦相对论所引起的物理学革命首先是时间空间观革命。这场革命的本质是恢复了物理时间作为测度时间的测度本性：时间必须是一个可观测量。时间作为一个可观测量具体体现在“同时性”的可操作性方面。牛顿力学认为存在一个普适的时间，它对不同地方、不同参照系都同样适用，因此，说两事件同时发生就带有绝对性：不论两事件发生在同一地点还是发生在不同地点，不论是从与事件相对静止的惯性系看还是从与事件相对运动的惯性系看，都是同时的。经典力学主张同时性的绝对性。但是，这样的同时性却缺乏一个操作定义。绝对时间是不可观测的。

恢复测度时间之测度本质的举动，将时间、空间与物质运动重新联系在一起，特别是，从测度的角度看，时间与空间不再是独立不倚的两个东西，而是相互不可分割的统一体中的两个方面。明可夫斯基（1864—1909）发展了这一思想，将时间与空间结合起来组织成空一时（space－time）概念。他指出，“空间自身和时间自身，被宣告退隐，惟有它们的某种结合来维持一个独立的实在。„„空间和时间消失在阴影中，惟有世界自身存在。”世界不再像传统所认为的，是三维空间中的物质客体在一维时间之中的演化，相反，世界本身就是一个四维的空一时流形（manifold），是一个整块宇宙（block universe）。在每一时刻我们所经验到的世界，只是四维连续统中的某一剖面或者切片。世界就像是一盘电影胶片，只不过它将其图片一幅幅地向我们展示。

在明可夫斯基的四维世界图景中，运动与时间性实际上已经消失。牛顿世界图景中三维世界的演化，今天成了四维世界的存在。再没有什么演化问题。四维空-时在数学意义上不过就是数学意义上的回维空间。用明可夫斯基的四维空间理论最简单明了地解释了双生子佯谬：不存在由两种不同时间尺度带来的矛盾，物理实在是惟一的四维空间。相对论放弃了相互独立的绝对时间和绝对空间概念，但并没有放弃“绝对性”本身，在相对论中起绝对作用的是四维空一时。

钟慢效应意味着一切周期现象的节奏都变慢了，包括人的生命问期，这就引出了一个十分有趣的双生子宇航难题。假定有一对孪生兄弟，其中的一个要以接近于光速（为了充分显示相对论效应）的速度股一次宇宙航行，按照相对论效应，呆在地球上的那位就会发现其兄弟生命周期放慢，比如，自己活了10年，对方才过了1年。当然，按照相对论，在宇宙飞船上的那位，也会发现呆在地球上的兄弟生命周期放慢．因为在他看来，地球以一个与飞船速度相等的速度反向运动。现在假定，宇航结束了，两兄弟又相遇在一起了，那么他们究竟谁更老。谁更年轻？在狭义相对论的范围内，这个难题是不能解决的。但我们必须注意

到，在前述问题中，地球与飞船的运动状态并不相同。飞船为了离开地球以及最后回到地球，都需要经历一段加（减）速时期，而这是狭义相对论所不能处理的。只有最后引人广义相对论，这个问题才有一个最后的答案：历经加速度的那位生命周期更慢些。广义相对论将引力与加速度等效起来，而在引力场中，生命周期将会慢下来。

爱因斯坦得出的这些与日常经验大相径庭的结论，过于离奇，一开始并未引起科学界的注意。爱因斯坦的论文只在德国有所反响：气运的是，德国物理学的权威人物普朗克高度赞扬这篇论文，认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美。

可以与哥白尼相提并论的人还在伯尔尼的专利局里打杂呢！普朗克的学生劳厄来伯尔尼找爱因斯坦，他直奔伯尔尼大学找一位叫爱因斯坦的教授，可料想不到，这位“教授”还是一名公务员。1907年，爱因 斯坦听从友人的建议，提交那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。德国物理学界对爱因斯坦已经耳熟能详，可在瑞士，新时代的哥白尼还是得不到一个大学教职。许多有名望的人开始为他鸣不平了。1908年10月23日，爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位。次年，当上了副教授。

1912年，爱因斯坦当上了教授。1913年，应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。这时期，爱因斯坦在考虑将已经建立起来的相对论推广二原先的理论只涉及惯性参考系，没有考虑到加速运动，因而被称为狭义相对论。

正在人们忙于理解狭义相对论时，爱因斯坦正接近完成广义相对论。1916年，爱因斯坦在老同学格罗斯曼的帮助下，运用黎曼几何完成了广义相对论的最终形式。在这个理论中，引力是被考虑的主要问题。按照牛顿力学，任何物体既有惯性质量，也有引力质量。牛顿第二定律中的质量是惯性质量，而万有引力定律中的质量是引力质量。人们通常理所当然地认为它们是相等的，把它们统称为质量，可是，这种相等 是偶然的吗？

狭义相对论与牛顿的万有引力理论实际上存在矛盾。在牛顿看来，引力是即时作用，引力场就像是一个绝对时空的载体。这种看法为时空的相对性观念所不容。爱因斯坦将相对性原理推广到引力场中，指出引力场就相当于一个非惯性系。人们对一个物体是正被加速，还是正处在引力场中原则上无法做出区分。这一原则被称为等效原理。惯性质量与引力质量相等是等效原理的一个自然的推论。广义相对论还指出，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，引力场实际上是一个弯曲的时空。

广义相对论首先解释了水星近日点的进动。这个进动被曾经预测海王星的法国天文学家勒维列用行星摄动方法来解释，他推测水星附近存在一个新的行星“火神星”。可是许多年过去了但谁也没有发现什么“火神星”。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点进动中无法解释的43秒。 广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱应向红端移动。20年代，天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转，这一预言最为引人注目，因为它最终得到了天文验证。最靠近地球的大引力场是太阳引力场。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。这个预言很难验证，因为大白天太阳太亮，看不到星光，晚上能看到星光太阳又下山了。但也有机会，那就是日全食的时候。1919年5月29日，这个机会终于来了。在英国天文学家爱丁顿（1882一1944）的鼓动下，英国人派出了两支远征队，一支到非洲西部的普林西比岛，由爱丁顿本人率领，另一支到南美的索布腊尔，由另一位天文学家克劳姆林（1865—1939）带队。两支队伍不久就带回了个食时的太阳照片。经反复核对和比较，最终结论是，星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。1919年11月6日，皇家学会和皇家天文学会正式宣读了两支队伍的观测报告，确认了广义相对论的结论是正确的。当时的皇家学会会长汤姆逊致词说：“爱因斯坦的相对论是人类思想史上最伟大的成就之一，也许就是最伟大的成就，它不是发现一个孤岛，而是发现了新的科学思想的新大陆。

狭义和广义相对论的诞生，革新了物理科学的基本概念框架。由于近代世界图景主要由物理科学提供，也可以说相对论革新了世界图景。世界图景不再是“筐子装东西”式的“时空十物质”模式。由于时空与物质及其运动之间发生了关联，世界图景成了“时空一场一物质一流形”。经典物理学中时空与物质之间的二分消解了，物质运动与时间空间成为一体。爱因斯坦说：“空间一时间未必能被看做是一种可以离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延。因此，‘空虚空间’这个概念就失去了它的意义。

相对论在时空观方面的革命完全奠基于对希腊古典科学精神的再度弘扬。这种精神就是对世界普遍性的追求，对宇宙和谐的追求，对数学简单性的追求。在狭义相对论中，“光速不变原理”起到重要的作用，它的功能在于统一电动力学与牛顿力学。爱因斯坦自己说过：“狭义相对论的成就可以表征为一般地指出了普通常数c（光速）在自然规律中所起的作用。”在广义相对论中，“等效原理’即引力场与加速系的等效是一个关键，它的功能也是为物理学的大统一奠定基础。可以说，为物理学奠定新的统一的概念基础是相对论的最重要贡献，也是它导致物理学革命的主要原因。

对数学简单性的追求是爱因斯坦创立相对论的动机。他在一次报告中说，“相对论是要从逻辑经济上来改善世纪交替时所存在的物理学基础而产生的”。希腊时代毕达哥拉斯学派所倡导的追求“宇宙的数学和谐”的精神，是西方科学最具支配作用的基因。带动近代科学之诞生的哥白尼的工作和开普勒的工作，均归属于这一希腊精神的弘扬。爱因斯坦在纪念开普勒的文章中写道：“我们在赞赏这位卓越人物的同时， 又带着另一种赞赏和敬仰的感情，但这种感情的对象不是人，而是我们出生于其中的自然界的神秘的和谐。古代人已设计出一些曲线，用来表示规律性的最简单的可想象形式。在这中间，除了直线和圆以外，最重 要的就是椭圆和双曲线。我们看到，这最后两种在天体的轨道中体现了出来—一至少是非常近乎如此。这好像是说：在我们还未能在事物中发现形式之前，人的头脑应当先独立地把形式构造出来。开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发现同观察到的事实两者的比较中得出。”相对论继承了科学理论的形式化理想，实现了在极度数学化上的物理统一性。广义相对论的几何化思路则可以看成是毕达哥拉斯主义所达到的新的峰巅。

11月7日，新闻媒介报道了英国天文学家的观测结果。爱因斯坦一下子成了世界名人。记者们蜂拥而至，索求签名照片的信件像雪片一般飞来。各国均向他发出访问邀请。爱因斯坦每到一地，均受到国王般 的礼遇。

在德国，日益高涨的排犹运动使爱因斯坦忧心忡忡。在德国科学家之中也有人反对相对论，说这是犹太物理学，应该加以抵制。1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，但这奖来得十分不易。当时有不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获的奖章。结果评选委员会找到了一个办法，让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者而得奖，相对论始终没有获诺贝尔奖。

19刀年，加州理工学院院长密立根邀请爱因斯坦每年冬天去美国访问讲学。1932年冬天，他在美国得知希特勒终于上台了，他的家也被抄了。他决定不再回德国。新泽西州普林斯顿高等研究所给了他一个高级研究员的职位，他便在普林斯顿定居下来了。

爱因斯坦最后十年，将全部精力投人到统一场论的研究中。他希望将引力与电磁现象统一起来，但到了也没有能成功。他总是孤身一人在物理学的最前沿拼杀，用他自己的话说，总是选木板中那些最厚的地方钻孔。他永远只做最难做的开创性工作，这种性格也使他远离当时最火热的量子力学的发展。

在他的后半生，爱因斯坦卷入了当时复杂的国际政治中。他对到处弥漫的战争气氛感到十分不安和担忧。他从小就十分厌恶战争，热爱和平，因此一直持一种极端的和平主义立场。他号召青年人不要当兵，兵工厂应该罢工。但在第二次世界大战中，爱因斯坦眼看由一小撮法西斯主义者发起的战争完全不可避免时，他改变了自己的态度，认为应该拿起枪来，与法西斯主义者做斗争，以尽早结束战争。为了防止德国纳粹最先造出原子弹，给人类带来巨大的危害，爱因斯坦亲自给当时的美国总统罗斯福写信，建议尽早研制原子弹。美国终于进行了曼哈顿工程，于1945年7月16日成功地试爆了第一颗原子弹。但这时德国人已经战败，第二和第三颗原子弹投到了日本，很快使日本投降，结束了第二次世界大战。爱因斯坦眼看战后愈演愈烈的核军备竞赛，忧心冲忡，感到自己有责任制止核武器的扩散。他参加了无数的会议，发表了无数的宣言，致力于消灭原子弹的政治活动，但收效甚微。他的狭义相对论中著名的公式 E＝ mc2是释放原子能的理论依据，他写给罗斯福的信是研制原子弹的直接动因，在某种意义上爱因斯坦可以被称为原子弹之父，但当他发现原子武器是人类的瘟神时，他的痛苦是无法形容的。

1955年4月18日，爱因斯坦在普林斯顿的家中病逝。爱因斯坦生前反复强调不设立坟墓，不立纪念碑，因此遵照遗嘱，没有举行公开的葬礼，火化时只有几位最亲近的朋友在场，骨灰则被秘密保存。法国物理学家朗之万评论说：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是，将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说，他究竟是同牛顿一样伟大，还是比牛顿更伟大；不过，可以肯定他说，他的伟大是可以同牛顿相比拟的。按照我的见解，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的

世纪之交的物理学革命(一)作业答案篇四

尔雅科学技术简史

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DNA与遗传（一） 作业

选择题(60分)

1、孟德尔的本职工作是？ (60.00分)

A．神父

判断题(40分)

1、能量守恒转换定律最早是由焦耳发现的。 (20.00分)

否

2、摩尔根发现了遗传学三大定律，他是以果蝇作为研究对象来进行实验的。 (20.00分)

否

DNA与遗传（二） 作业

选择题(60分) 

1、在生物学发展史上，使生物学研究进入分子生物学阶段的研究成果的是？ (60.00分)

B．DNA双螺旋结构的发现

判断题(40分)

1、沃森和克里克都是生物学专业的博士生，在博士阶段建立了DNA双螺旋结构模型。 (20.00分)

否

2、核苷酸只有四种，而氨基酸则有二十种，从生物多样性的角度看，蛋白质才是构成生命本质的最重要的物质，是构成性状多样性的最重要的物质 (20.00分)

否

DNA与遗传（三） 作业

选择题(60分)

1、密码子是在哪一年由美国科学家nirenberg(尼伦伯格)破译的？ (60.00分)

B．1961年

判断题(40分)

1、 克隆羊多莉的诞生，严格来讲不是纯粹的基因操作，而是细胞融合，类似这样的工作在20世纪40年代就已经在做了。 (20.00分)

是

2、基因操作，或者叫DNA重组，是整个现代生物技术的一个核心。 (20.00分) 是

DNA与遗传（四） 作业

选择题(60分)

1、基因病可以遗传，为了解决这些疾病需要？ (60.00分)

C．置换基因

判断题(40分)

1、我国赞同治疗性克隆和生殖性克隆，因为这对于治疗遗传病有很大帮助。 (20.00分)

否

2、器官移植之后，一定要将人体免疫系统的免疫能力降低，以免免疫系统攻击新植入器官，导致手术失败。 (20.00分)

是

近代数学（一） 作业

选择题(60分)

1、哪本书标志着三角学脱离了天文学，成为一门独立的数学分支？ (60.00分)

B．《三角全书》

判断题(40分)

1、文艺复兴时期，数学取得了长足的进步，但是主要还是局限于学术研究，在学者的小范围圈子内交流。 (20.00分)

否

2、在文艺复兴时期，代数方程论取得了长足的进步，其最重要的是三次、四次方程的公式解法取得了突破性的进展。 (20.00分)

是

近代数学（二） 作业

选择题(60分)

1、下列关于符号代数的事件，描述错误的是？ (60.00分)

A．1514年，荷兰人赫克首次使用“+”“-”来分别表示过剩和不足 判断题(40分)

1、变量的数学的第一个里程碑就是解析几何的诞生。解析几何的创立主要应该归功于笛卡儿和费儿玛，其中笛卡尔还是近代哲学之父。 (20.00分) 是

2、韦达是第一个有意识、有系统地在代数中使用字母的数学家，他的《分析术引论》实际上就是用符号代数的方法来解决各类代数问题。 (20.00分) 是

近代数学（三） 作业

选择题(60分)

1、下列属于微积分的创立者的是？ (60.00分)

C．莱布尼茨

判断题(40分)

1、牛顿和莱布尼兹对微积分作出了同样重要的贡献。牛顿主要是从力学着眼，对后世的科学发展影响很大，莱布尼兹则是从几何上入手，偏重于运算法则的探讨。 (20.00分)

是

2、以往的数学家把曲线作为微积分主要的研究对象，但是从欧拉开始第一次把函数放到了数学的中心位置，并且建立了在函数微分的基础之上的分析学。 (20.00分)

是

近代数学（四） 作业

选择题(60分)

1、与利玛窦翻译了《几何原本》前6卷，并且主持了崇祯年间修改历法任务的人是？ (60.00分)

A．徐光启

判断题(40分)

1、清代的时候我国除了接受西方的数学知识，研究成果还传入到西方数学界，促进了数学的发展。 (20.00分)

否

2、鸦片战争以后，中国积贫积弱，高层知识分子对于西方文化闭目塞听，不肯学习西方的先进知识和技能。 (20.00分)

否

物理科学体系的形成和完善（上）作业

选择题(60分)

1、第一次科学革命发生在？ (60.00分)

B．十六、十七世纪

判断题(40分)

1、哥白尼的日心说，从第一性的理论来说明为什么地球和其他的行星可以稳定地绕着太阳等恒星做一种轨道的圆周的运动。 (20.00分)

2、第一次的科学革命，就是以牛顿的科学为代表的一种近代科学，对于亚里士多德科学的一个颠覆，建立了一种新的科学模式。 (20.00分)

是

物理科学体系的形成和完善（下） 作业

选择题(60分)

1、热力学体系的形成是在什么时候完成的？ (60.00分)

C．十九世纪末

判断题(40分)

1、19世纪的中叶到下半叶的时候，物理学已经达到了顶点。 (20.00分) 否

2、19世纪中叶的时候，英国的著名的物理学家麦克斯韦，以一种理论上高度的统一的方式，建立了一个微积分方程组，来描述整个的电磁学现象。 (20.00分)

是

世纪之交的物理学革命（一） 作业

选择题(60分)

1、第一个注意到阴极摄像管发出的特殊光线，并且专门研究而发现X射线的科学家是？ (60.00分)

B．伦琴

判断题(40分)

1、所谓黑体辐射其实就是当地的状态光和物质达到平衡所表现出的现象：物质达到平衡，所以可以用一个温度来描述物质的状态，而光和物质的交互作用很强，而如此光和光之间也可以用一个温度来描述。 (20.00分)

是

2、1900年的时候，德国的物理学家普朗克，找出了普朗克常量，认为能量是一份一份，不连续的，开创了量子学。 (20.00分)

是

世纪之交的物理学革命（二） 作业

选择题(60分)

1、广义相对论是爱因斯坦于什么时候提出来的？ (60.00分)

A．1915年

判断题(40分)

1、量子论和相对论两者是有矛盾的，所以后来又有相对论量子力学来协调二者的关系。 (20.00分)

2、爱因斯坦是一个有独立思考能力，不惧怕权威，敢于直率地表达自己思想的一个科学家，同时也是一个哲学家，对世界提出了自己的看法和认知。 (20.00分)

是

人类文明背景下的科学溯源（上） 作业

选择题(60分)

1、从概念上讲，人类所创造的一切物质和非物质成就，就是？ (60.00分)

A．文化

判断题(40分)

1、我国玻璃制作的工艺长期停留在较低水平，早出的玻璃制品俗称玻璃。 (20.00分)

否

2、如果从器物方面寻找中国近代为何没有发生科学革命的原因，我们应当考虑中国的玻璃工艺和陶瓷工艺所带来的后果，因为陶瓷材料是不透明的，不利于科学观察。 (20.00分)

是

人类文明背景下的科学溯源（中）作业

选择题(60分)

1、中国古代的货币主要是？ (60.00分)

 B．铜币

判断题(40分)

1、50年代中国经历了简化汉字的运动，但是到第三批简化汉字的时候被叫停，因为文字都被肢解了，造成文化内涵的丢失。 (20.00分)

是

2、能让人类记忆留存下来并且广为传播的是劳动工具。 (20.00分) 否

人类文明背景下的科学溯源（下） 作业

选择题(60分)

1、中国古代的镜子是？ (60.00分){世纪之交的物理学革命(一)作业答案}.

 C．铜镜

判断题(40分)

1、大约距今4千多年之前，以印度河流域为中心，方圆50万平方公里的土地上，兴起了一个高度发展的文明，大量用火砖盖起的房屋，规划严整的城市建

世纪之交的物理学革命(一)作业答案篇五

愚昧科学{世纪之交的物理学革命(一)作业答案}.

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DNA与遗传（一） 作业

选择题(60分)

1、孟德尔的本职工作是？ (60.00分)

 A．神父

判断题(40分)

1、能量守恒转换定律最早是由焦耳发现的。 (20.00分)