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3. 古典物理的困境 天體 廣義相對 論 尺度、質量增大 接近光速時 日常生活的物體 牛頓力學 特殊相對論 尺度變小 原子尺度的微觀 世界 學 量子力 2 3-1 向微觀世界前進 The Scale of the Universe http://htwins.net/scale2/ Date Detection Discovery Credit Nature 1895 Cathod-ray tube X 射線 W. Rontgen High energy photon 1897 Cathod-ray tube 電子 J. J. Thomson Electric charge carrier 1898 Photographic plate 放射性元素 P. and M. Curie Unstable nuclei 1911 particle scattering 原子核 E. Rutherford Modern atomic model 1932 Cloud Chamber 中子 J. Chadwick Neutral constituent of nuclei 1932 Bubble Chamber 正子 C. Anderson Anti-matter 1956 Anti-neutrino detector 反微中子 Cowan and Reines Weak interaction 1964 UA1 detector 跨克 CERN Strong interaction 1979 JADE detector 膠子 DESY Force carriers for strong interaction 1983 UA1 detector W boson CERN Force carriers for weak interaction 1995 CDF detector 頂跨克 Fermilab Third generation quark 2000 DONUT detector Tau neutrino Fermilab Third generation lepton 4 X 射線的發現 陰極射線管的構造 • • • 直線運動 不受電、磁場影響行進 穿透力強，用鉛板才擋得住 倫琴 (Roentgen, 1845－1923) 德國物理學家 5 倫琴的研究中，發現X射線是陰極射線打擊管壁時所產生。於是倫琴在真 空管中安裝一個金屬靶，當陰極射線集中射到靶上時，就會發出很強的X 射線。這種裝置叫做「X射線管」也叫「倫琴管」。 當時，學術界分為兩派 即把陰極射線當作電磁波和當作粒子等兩 派，德國學派大都主張是電磁波(當時稱 為以太波)，像1887年發現電磁波的赫茲 (Hertz,1857~1894,德)，而英國學派則認 為是微粒。 湯姆生 (J. J. Thomson) 1856 – 1940 英國物理學家 湯姆生結論：「陰極射線也是粒子」。他為了判 明陰極射線粒子是否屬於同一種粒子，就利用鉛、 鐵等不同的金屬材料作為電極，進行一系列的實 驗，測得陰極射線粒子的荷質比與管內氣體、電 極材料都無關，斷定這種粒子是所有物質都共同 具有的帶電物質粒子；湯木生將他叫做「微粒 （corpusle）」。後來以電子稱呼。 湯姆生也對原子提出葡萄乾模型 7 陰極射線管 質譜儀 電子的發現，打破了“原子是物質結構最小 單元”的觀念，揭示了電的本質。同時，電 子是人類發現的第一個基本粒子。 3-2 是波還是粒子? 9 牛頓對光粒子的定義 : 1. 2. 3. 4. 光粒子體積極小，分布甚為稀疏 光粒子的速率極高，且光粒子彼此之間不互相作用 光粒子為完全彈性體，和任何物質碰撞皆為完全彈性碰撞 光粒子的質量小，但仍受重力及其他物質分子的引力 可以解釋反射、折射 不能解釋繞射、干涉、以及部分穿透部分反射的現象。 海更士的波動說: 光是一種波動，需要靠一種稱做「以太」的介質來傳遞。 可以解釋光的部份反射及部分折射，以及光的直進、反射、折射、繞射、 干涉等現象。 無法解釋後來發現的光電效應、光壓現象 光的繞射，與水波類似 以波動說解釋折射和反射: http://www.sciencejoywagon.com/physicszone/otherpub/wfendt/huygens.htm 3-3 永遠不變的光速 • 刻卜勒(1571~1630)、 笛卡兒(1596~1650) 認為光速是瞬間傳遞，是一 個無限大的值。 • 1635年伽利略曾設計實驗量測光速 • 1675年丹麥物理學家羅美爾(Roemer) – 利用木星和它的一顆衛星的運行來計算光的速度，1676年他發表的結果是 2.1×108 m/s. • 1849年法國科學家菲佐(Fizeau) C= [2D/(1/nf)] = 3.18×108 m/s f: 齒輪轉動切斷光線的頻率 D: 8.633公里 n: 整數倍數 D • 1920年 Michelson:用旋轉的八面鏡取代齒輪，來測光速，經過幾百次 的測量結果所得的數值為 2.99796×108 m/s。能做到這麼精確，實在 了不起，這也是一個工程浩大的實驗。在這個實驗中，八面鏡和光源 是分別放在二個山頭，相距 35 公里。 邁克生-摩里實驗 在1800年代末期的物理學家認 為光是在一種稱為以太的介質 中行進。只有當光在一相對於 以太為完全靜止的座標中行進 才會達到光速。 • 這一實驗最早是在1881年由邁 克生所操作，此後經邁克生和 摩里在各種不同條件下重複操 作無數多次。 • 此一設計可以用來偵測光速上 的極微小變化。它是透過測量 地球相對於以太的運動速度來 觀測此微小改變 http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/flashlets/mmexptfla_ch.htm • 經過重複的實驗觀測，並沒有發現干涉條紋有任何的改變 – 就是連之前用在極微小距離變化下所觀測到的干涉條紋偏移都沒有發生 – 這一實驗結果推翻了之前的以太說法 – 實驗也顯示無法量測地球在以太中運動的速度 • 如今我們已經知道光是一種電磁波，它的行進不需要靠介質來傳導。 乙太的觀念才被拋棄。 • 光速的不變性：不論觀察者的速度為何，或是光源移動的速率為何， 光在真空中的速率和在任何一個慣性座標中所測得的速率均相同