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物理学与人类文明. 盛正卯 浙江大学物理系 2012 年 11 月 zmsheng@zju.edu.cn. 本课程说明 : 国家精品课程网站 : http://jpkc.zju.edu.cn/k/411/index.html 本课程与叶高翔教授共同开设 , 叶教授主讲经典物理和量子物理部分 , 由我主讲相对论、物质结构、宇宙学等等。 叶高翔教授 : 凝聚态物理专业 , 从事实验研究为主
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物理学与人类文明 盛正卯 浙江大学物理系 2012年11月 zmsheng@zju.edu.cn
本课程说明:国家精品课程网站: http://jpkc.zju.edu.cn/k/411/index.html 本课程与叶高翔教授共同开设, 叶教授主讲经典物理和量子物理部分, 由我主讲相对论、物质结构、宇宙学等等。 • 叶高翔教授: 凝聚态物理专业, 从事实验研究为主 • 盛正卯教授: 理论物理和等离子体物理专业, 主要从事量子场论和聚变理论与模拟的研究, 承担了多项国家自然科学基金、国家重大专项, "973"项目和高技术"863"项目等的研究. • 聚变理论与模拟中心：http://ifts.zju.edu.cn • 办公地点：玉泉校区教11-412
课程的目标： • 通过本课程的学习，使同学们对现代科学的基础——物理学（包括经典物理学、量子物理学、相对论、物质结构、现代宇宙学、非线性物理学等以及由此而产生的现代高科技的重大突破）总体上有初步而宏观的了解； • 通过具体实际例子和讨论，使同学们了解科学发展规律、哲学观念、思维方式及研究方法； • 培养同学们严谨的逻辑和推演等理性思维能力；包括用物理学的原理来理解社会科学领域的问题的方法 • 介绍在人类长期科学实践活动中所逐渐形成的一种文 化----科学精神；培养同学们的科学精神。
什么是 LHC? ITER? Large Hadron Collider • 建造的目标是什么? 进展如何？ • 时空是几维的?
是否存在黑洞? • 黑洞是否只长大,不会变小?
距离地球最近的黑洞在2.4万光年以外。是V4641 Sagitarii双星之一，它正在慢慢吞噬一颗伴星。当它在1999年喷射狂暴的X射线时，无意中泄露了自己的藏身之地。天文学家原以为这个双星系统距地球只有1600光年远，但在2001年的后续观测中，发现它其实距地球2.4万光年之遥。
第四章 相对论与现代时空观 • 第五章 物质结构 宇宙之砖 • 第六章 宇宙的起源及演化 • 第七章 非线性物理、科学认识论 • 第八章 物理学的未来及其与社会 的关系
第四章 相对论与现代时空观 什么是相对论？ 什么是空间和时间？ 什么是参照系？ 什么惯性参照系？ 相对论有哪些主要结论？ 相对论有实际应用吗？
4.1 狭义相对论的创立 • 牛顿认为光是由微粒构成的，18世纪人们普遍接受了他的结论。 • 19世纪却积累了大量的证据支持光是一种波的说法。 • 1873年麦克斯韦建立的电磁理论指出光是一种电磁波。 • 光波是靠什么作为传播媒介的呢？ • 它是无孔不入、无处不在的传播媒质──“以太”吗？
“以太”的漂移 A点接收到的光速为 B点接收到的光速为 迈克尔逊-莫雷实验始终得到否定的结论
4.2 狭义相对论的基本原理 4.2.1 光速不变原理 光在真空中的传播速度，在所有惯性参照系中均相同。 但光在不同介质中的传播速度是可以不一样的
4.2 狭义相对论的基本原理 4.2.2相对性原理 所有的物理规律在不同的惯性参照系中均一样 乘坐的火车仃在车站上时，有一列原仃靠在相邻铁轨上的火车向后驶离车站，您却觉得自己所乘坐的列车向前开动了
相对性原理 伽利略在《关于两个世界体系的对话》一书中，借主人翁塞尔维亚蒂之口阐述道： “你和你的朋友被关进大船甲板下的主舱里，里面还有几只苍蝇、蝴蝶 和其他小飞虫，鱼缸里还有几条鱼。然后，将一只水瓶倒挂，让瓶里的水一滴一滴地滴进下边的水罐里。船不动时，小飞虫向着舱内各个方向自由飞行，鱼向各个方向自由游动，水滴滴进罐子。你扔东西给你的朋友，只要
4.3 狭义相对论的主要结论 4.3.1同时的相对性 • 在车厢上同时发生的两件事，在地面上看来并不同时发生。 • 同时性具有相对性。
4.3.2 时间延缓 • 既然同时性是相对的，为什么时间一定是绝对的呢？ 斜边为
4.3.2 时间延缓 • 民间有一种说法，天上一天人间一年 • 乘坐0.99996247倍光速宇宙飞船航行,则宇航员的一天,在地球上的人们看来就相当于一年。 • 为什么我们在乘坐飞机、火车时没有感觉到时间延缓？因为速度相对于光速来说太小了 • 乘3倍声速的超音速飞机，一百年后，时间也只延长了0.015秒
表明空间也是相对的，在不同参照系有不同的空间结构。表明空间也是相对的，在不同参照系有不同的空间结构。 • 在一个参照系看物体是一个正方体，在另一个参照系可能是长方体；在一个参照系是球形，在另一个参照系却是扁球形的。 • 表明物体的形状是相对的。
4.3.4 相对论的速度叠加关系： S P F 所化时间为 ， F D所化时间
四维时空中的不变量 • 狭义相对论中，距离和时间在不同的参照系是不同的。然而 是四维时空中的不变量。 • 表明时间和空间不是独立的，相互间存在 联系！
例如前面的离子：在列车看来，发射到接收发生在同一地点，例如前面的离子：在列车看来，发射到接收发生在同一地点， 在地面看来
4.3.5 质能关系 在化学反应中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于参加反应的氢和氧的质量之和。在反应中放出的热量，被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反应过程中，能量和质量分别守恒。 爱因斯坦要使物体运动定律既满足光速不变和相对性原理，又要求低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果：物质可以转化为运动能量，能量也可转化为物质。
质能关系 更多的推论 物质与能量相互等价 质量包括静止质量和运动质量 静止质量可以转化为运动质量：如正负粒子相互湮灭成光子，而光子只有运动质量没有静止质量. 反之亦然。
质能转化 • 氢与氧结合生成水时放出的热量来源于氢与氧的质量和与水的质量之差（也称质量亏损）。 • 化学反应的质量亏损比例约为一千亿分之一到十亿分之一。核反应的比例约为一万分之一到一千分之一。 • 50克物质全部转化为能量，可将西湖中的所有水加热到沸腾。
第一颗原子弹于1945年7月在新墨西哥沙漠中引爆第一颗原子弹于1945年7月在新墨西哥沙漠中引爆
美国的“小男孩”（左）和“胖子”（右）原子弹美国的“小男孩”（左）和“胖子”（右）原子弹
中国第一颗原子弹试验准备上塔 中国核爆炸用塔，高102米
当时海外评论：香港评论“新晚报”（1964.10.18）标题“石破天惊是此声”、“这是几千年来中国人最值得自豪的一天之一”、“1964年10月16日这几个字应该用金字记载在中国的历史上”；当时海外评论：香港评论“新晚报”（1964.10.18）标题“石破天惊是此声”、“这是几千年来中国人最值得自豪的一天之一”、“1964年10月16日这几个字应该用金字记载在中国的历史上”； 香港文汇报说“亚洲有核武器，历史大翻新”；新加坡报纸说“中国核爆炸是改变世界形势的壮举”； 法国原总统蓬皮杜说“中国第一颗原子弹爆炸，改变了世界的形势和中国的地位”。 广大侨胞说“这是所有中国人都值得骄傲的一回事，因为中国人一向为外国人所小看”、“站起来做中国人吧！”。
香港报纸说，“中华民族不是次等民族，白种人第一的时代已经过去”、“中国之月亮原来也是园的”。……“这些知识分子以他们一丝不苟、持之以恒的工作，证明了中华民族是不可低估的。” 中国人民用最快速度掌握了镇国之宝－核武器，打破了当时美苏核垄断，让苏联赫鲁晓夫下台，其意义怎么说也不过分。有了它，香港、澳门才能顺利回归；有了它，即使在十分困难时期，也保持了国泰民安、安居乐业。这标志着一个国家的综合国力！
运动质量随物体的运动状态而变化 • 一个物体的运动状态在不同的参照系看来是 不一样的，所以物体的质量随参照系而变化： • 静止质量不为零的物体以光速为速度极限, 因为将静止质量不为零的物体加速到光速需要无穷大的能量。
一些貌似超光速的现象并不是真正的超光速现象一些貌似超光速的现象并不是真正的超光速现象
问题： 什么时候两个磁铁构成的系统能量更多？ 答案： (a) 合在一起的时候. (b) 分开的时候 (c) 能量不变
能量存在于何处？ • 磁铁间的空间中 • 在施力者手上 • 磁铁内部
什么时候系统质量更大？ 答案： (a) 合在一起的时候. (b) 分开的时候 (c) 质量不变
额外的质量存在于何处? • 磁铁间的空间中 • 在施力者手上 • 磁铁内部 • “空”的空间有质量 ！！
