走向统一的自然力爱因斯坦：试图统一电磁力和引力未能如愿(Ⅱ)

19 世纪末,以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为代表的经典物理学渐趋完善,著名英国物理学家汤姆孙(W. Thomson,1824～1907)甚至认为:“未来物理学将不得不在小数点后第六位去寻求真理。” 他在1900 年末为展望20世纪物理学而写的一篇文章中说:“在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”     

狭义相对论的建立与时代背景

经典物理学到19世纪末已经建立起比较完整的理论体系,1899年开尔文提到物理界"还有两朵小小的乌云",正是这两朵"小小的乌云"不断扩大,酿成了物理学一场革命风暴,最终导致了量子论和相对论的诞生,从而开创了物理学的新纪元.     

相对论的先驱——马赫

 爱因斯坦创立的广义相对论是现代物理学的重要基石,是20世纪自然科学的伟大发现,对物理学、天文学乃至哲学都有着深远影响。爱因斯坦是如何创立相对论的?他曾受到哪位物理学家思想的启发?要回答这个问题,我们就不得不提到著名的物理学家和哲学家恩斯特·马赫（ErnstMach）。马赫是著名的物理学家、哲学家、生物学家和心理学家,1838年2月18日出生于奥地利摩拉维亚地区布尔诺附近的切尔利斯·图拉斯,自幼受到良好教育,在维也纳大学学习5年后,于1860年以放电和感应的论文获得博士学位。他精通拉丁文、希腊文、法文、意大利文和英文。     

用激光干涉仪检测引力波

 1887年,迈克尔逊和莫雷用干涉仪所做的实验,证明了相对于“以太”的绝对运动是不存在的,“以太”不能作为绝对参照系,该实验成了爱因斯坦狭义相对论的实验基础。 如今,爱因斯坦的相对论问世80年了,其理论已被物理界很多学者所验证和确认。但是,爱因斯坦的理论所预言的“引力波”还未被任何实验所验证,爱因斯坦的“电磁力与引力统一”理论认为,对应电荷振动释放“电磁波”,质量振动,要释放“引力波”。电磁波容易检测,而引力波因强度太低很难检测。例如,质量为1万吨,长为2m的棒,以每秒200圈旋转时放出的引力波,在2000km处,只能引起10^-37的空间波动(即相距为1m的两质点间距离变化不过10^-37m)。这个值用现代科技手段是不可能检测的。 值得庆幸的是,在天体运动变化中,有巨大能量以引力波的形式放出的现象。如两个中子星合体时会放出强引力波;超新星爆发时,其巨大的潜能释放,会放出强引力波脉冲。     

《从零学相对论》连载21

正§8.4水星近日点进动按照牛顿力学,行星的轨道是以太阳为一个焦点的椭圆.然而观测结果与此略有歧离.以最靠近太阳的水星为例,虽然它在每一周期中的轨道很接近椭圆,但两个相邻周期的两个"椭圆"的长轴并不重合,表现在它的近日点(perihelion)的微小改变上(见图8-6).随着时间的推移,由于积累效应,"椭圆"的长轴(因而近日点)绕太阳的缓慢转动变得可以观测.这现象叫做近日点的进动(precession).从1697至1848年的天文观测表明水星近日点的进动率是每世纪5 600″(″代表角秒).如何解释?法国数学家勒威耶(Le Verrier)用牛顿力学对水星运动做过长期研究,并于1859年再次发表研究报告.根据     

“黄蜂石”的矿物成分及谱学特征研究

近期在广州荔湾珠宝市场出现一种具黄、黑条带的玉石品种,因其花纹形如黄蜂,商家称之为“黄蜂石”。“黄蜂石”的条纹状结构与缟玛瑙的条带状纹理非常相似,容易混淆。对“黄蜂石”进行显微岩相学、X射线粉晶衍射、电子探针、红外吸收光谱及拉曼光谱等分析,旨在探求其基本物理性质、矿物组成,以及谱学特征。结果显示：“黄蜂石”以灰白、黄橙、黑色为主,莫氏硬度3~5,相对密度2.58~2.73,长波紫外光下具弱黄色荧光,与稀盐酸反应起泡。显微岩相学分析显示,“黄蜂石”基质为方解石,呈不规则粒状,粒径0.02~0.3 mm,粒状、纤维状结构。“黄蜂石”中CaO的含量约为53.64%～56.66%,FeO的含量约为2.23%~3.62%,MgO的含量约为1.05%~1.79%,部分测试点中出现As和S元素。样品中Mg/Ca摩尔百分比为2.59%~4.68%,为低镁方解石。红外吸收光谱分析显示,“黄蜂石”的红外光谱特征吸收峰与碳酸盐类矿物理论值一致,为1 514,1 427,881和710 cm-1,由[CO₃]2-不对称伸缩振动、面内弯曲振动以及面外弯曲振动导致;黑色矿物中存在黄铁矿的特征峰1 123,1 050,423,1 123和1 050 cm-1为S-S伸缩振动,423 cm-1为Fe2+-[S₂]2-伸缩振动。拉曼光谱分析显示,样品的黄色部分中除具方解石的拉曼位移1 083,713,282和157 cm-1外,还有副雄黄的拉曼峰346,233和184 cm-1;橙红色部分显示雄黄的拉曼特征峰338,221及184 cm-1,338 cm-1由S-As-S伸缩振动所致,221 cm-1属于S-As-S弯曲振动结合As-S伸缩振动产生,184 cm-1与As-As伸缩振动相匹配。X射线粉晶衍射分析结果与红外吸收光谱、拉曼光谱等测试结果一致,即“黄蜂石”的主要矿物是方解石,次要矿物为黄铁矿、雄黄及副雄黄等,根据国家标准可定名为“碳酸盐质玉”。     

爱因斯坦:试图统一电磁力和引力未能如愿(Ⅰ)

在牛顿统一了天上力和地上力、麦克斯韦尔统一了电力和磁力之后,电力的库仑公式和磁力的安培公式与牛顿万有引力公式在数学形式上的相似,使人很容易联想到电磁力与引力的统一。爱因斯坦,在1905年创立狭义相对论、1915年创立广义相对论分别改进和完善了麦克斯韦电磁理论和牛顿引力理论之后,试图统一电磁力和引力,花费了后半生近30年的时光去建立统一场论,但至死未能如愿。本讲,我们先介绍爱因斯坦生平;然后介绍他的成功之作:狭义和广义相对论;最后介绍未能完成的统一场论。     

玻恩和可决定性原则

 1954年诺贝尔物理奖的一半授予了M·玻恩,以表彰他对量子力学的基础研究,特别是他对波函数所作的统计解释。麦克斯·玻恩(MaxBorn)1882年12月生于德国的布雷斯劳,1970年1月逝世于哥廷根。在这位世界著名物理大师的成长过程中,许多事件对我们今天仍极有启示,他的科学思想有待我们深入研究。特殊的求学过程玻恩的父亲是布雷斯劳大学医学教授,教授解剖学,母亲是一个工厂主的女儿,这是一个犹太家庭。玻恩从小体弱多病,因此较一般人晚些迈入校门。上学前同姐姐一起由家庭教师指导学习。     

勒纳德与斯塔克

 在物理学精英之林中,勒纳德(PhilippE.A.Lenard,1862～1947)和斯塔克(JohannesStark,1874～1957)属于极少数非常特别的人物。他们的前半生有着辉煌的科学经历,才华出众,硕果累累,分别摘取了崇高的诺贝尔物理学奖的桂冠。但是后半生由于私欲急剧膨胀,最终使他们沦落为不可饶恕的历史罪人,成了科学界的败类,几乎完全乏善可陈。以至于许多史家学者往往由于厌恶,在著述中根本不愿提到他们。为了使科学界能够从中吸取深刻的教训,使警钟长鸣,笔者特拟就勒纳德和斯塔克的科学业绩尤其是他们的后半生追随纳粹的所作所为,作一简要的介绍。     

小布拉格（Bragg，Sir William Lawrence，1890-1971）英国物理学家（Physicist，England）

他在测定晶体结构的基础上，提出X射线衍射的布拉格公式，因此他和父亲共获1915年诺贝尔物理学奖。他生于澳大利亚，在阿德莱德大学求学，1909年到英国剑桥大学三一学院学物理学、1912年他在劳厄发现X射线通过晶体产生衍射的基础上，进行了一系列实验。1913年发表布拉格公式，这是用X射线衍射分析晶体结构的基本公式，他还用他父亲设计的X射线分光计精确测出X射线的波长。     

重轻子理论的先驱──蔡永赐

 题图：１９９９年９月于ＳＬＡＣ,从左至右蔡永赐,潘诺夫斯基,郑志鹏．与世界上设立的名目繁多的奖励相比,诺贝尔物理学奖无疑最具公正性和权威性。从１９０１年至２０００年,该奖获得者共计１６２人次。几乎可以说,所有获奖人无一不是获奖领域的先驱者和开拓者,其物理学成就都是经得起历史检验的,都无愧于诺贝尔物理学奖这个至高无上的科学荣誉。然而,诺贝尔物理学奖却令人遗憾地未能做到“四海无遗珠”。除了以前引起过议论的一些例子之外,这里介绍的对重轻子（即ｒ轻子）理论做出了开拓性贡献的蔡永赐（Ｙｕｎｇ－ｓｕＴｓａｉ）教授,也成了诺贝尔物理学奖的一颗“遗珠”。     

《从零学相对论》连载(22)

正8.5.3牛顿引力论对星光偏角的推导[选读]索尔德纳在1801年推导星光偏角公式时,光速的有限性已被证实.只要承认光的微粒说并默认光微粒(即现在的光子)在引力场中的表现与普通质点的唯一不同就是以光速运动,就不难用牛顿引力论推出偏角公式.此式的推导方法很多,现在介绍一种"借他山之石"的简便方法.首先考虑质量为m的普通质点在太阳附近飞过时因受太阳引力而出现的偏角.这种情况与卢瑟福1911年研究的α粒子散射类似,因此可以借用其     

湖北十堰蓝色“水波纹”绿松石的谱学特征

“水波纹”绿松石是一种在外观上呈现水波纹状花纹图案的天然绿松石,产量稀少却深受消费者喜爱,前人对绿松石的研究较丰富,但对“水波纹”绿松石的研究较少。对一块基底呈浅蓝白色,条纹呈蓝绿色的“水波纹”绿松石样品用显微激光拉曼光谱仪、显微红外光谱仪、微区X射线衍射、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪、扫描电镜、显微紫外-可见-近红外光谱仪等测试其各种性能。结果表明,条纹区与非条纹区的主要矿物均为绿松石;红外光谱和拉曼光谱均显示绿松石的光谱;条纹区与非条纹区的化学成分不同,条纹区Al₂O₃,SiO₂,MgO,V,Co,Ni,U及Y,Mo,Cd的含量较非条纹区含量高,而非条纹区P₂O₅,CuO,K₂O及Na₂O的含量较条纹区含量高;扫描电镜微形貌显示,条带区的晶体多为厚板状、晶体颗粒大、排列紧密,几乎不可见孔隙,非条带区的晶体多为大小不一的柱状、碎片状,杂乱排列,可见孔隙;微区X射线衍射表明条带区的结晶度较非条带区的结晶度高;显微紫外-可见-近红外光谱表明条带区与非条带区的致色离子相同,均在426和660 nm处有可见吸收峰,致色离子均为Fe3+和Cu2+。“水波纹”绿松石样品的谱学特征表明,条纹处与非条纹处的颜色差异与致色离子没有明显关系,而颜色及透明度差异与绿松石的结晶程度、致密程度有主要关系,“水波纹”绿松石中绿松石结晶度的变化表明了绿松石形成环境的不稳定性,结晶度的周期性变化表明了形成绿松石的外界环境具有周期性变化的规律,为研究绿松石的颜色成因及绿松石的成矿环境提供数据支撑。     

X射线激光研究的进展

 一、大放异彩的X射线激光 自从1960年第一台激光器问世以来,科学家们一直在寻求能工作在X射线波段的激光器。根据现有的认识,X射线激光具有X射线源所没有的许多特点: 1.亮度（光子/脉冲/立体角）比同步辐射高,6个量级,比激光等离子体X射线源高4个量级。 2.单色性优于所有X射线源。 3.相干性可以用来产生原子尺度的全息图象。 4.高时间分辨率(10^-12s),可以用来观察1ps(10^-12s)内的原子距离的运动,可用于击波阵面运动的观测,位错运动的衍射实验。 5.用它来进行光刻,线宽可达20nm(10^-9m)。 6.用它的干涉效应,可以制成大面积的线宽和间隔小于100nm的光栅。