近代物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程簡介

近代物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程簡介《20世紀(jì)物理學(xué)革命》是上?？萍冀逃霭嫔绯霭娴摹吨Z貝爾獎百年鑒》叢書中的一本。該書給我們描述了物理學(xué)的革命歷程。其中，20世紀(jì)是物理學(xué)發(fā)展史上最富有成就的世紀(jì)，物理學(xué)在經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)上飛速發(fā)展，取得了許多輝煌的成果，對人類社會產(chǎn)生了深刻的影響。在20世紀(jì)之前，物理學(xué)家對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識還只是觀念性的。20世紀(jì)前夕的1897年，人類才發(fā)現(xiàn)了第一種基本粒子——電子。在那以后，物理學(xué)家才真正開始了探索微觀物質(zhì)世界的進(jìn)程。1900年，普朗克提出量子假說，量子論就此誕生。其后，愛因斯坦用光量子理論解釋了光電效應(yīng)。1913年，玻爾提出了原子光譜理論，建立了現(xiàn)代意義上的原子模型。在20世紀(jì)20年代，矩陣力學(xué)、薛定諤方程、泡利不相容原理、海森伯不確定原理和狄拉克電子方程相繼提出，為量子力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。這是20世紀(jì)物理學(xué)史上一場名副其實(shí)的革命。與量子革命幾乎同時(shí)，愛因斯坦發(fā)動了20世紀(jì)物理學(xué)的另一場革命。1905年，他提出了狹義相對論，把自牛頓以來一直根深蒂固的絕對時(shí)空觀從物理學(xué)中驅(qū)逐出去了。1915年，他又提出了廣義相對論，從而建立起引力的科學(xué)理論。相對論和量子理論一起，成為20世紀(jì)物理學(xué)的兩大基石。40年代，量子電動力學(xué)誕生，它利用相對論和量子理論對電磁力進(jìn)行了極為深入的闡述。50年代，發(fā)現(xiàn)了弱相互作用的宇稱不守恒現(xiàn)象。60年代，夸克模型成功建立。60年代末到70年代初，電弱統(tǒng)一理論和量子色動力學(xué)相繼提出，標(biāo)準(zhǔn)模型正式形成。標(biāo)準(zhǔn)模型是人類認(rèn)識微觀世界的進(jìn)程中一個(gè)重要的分水嶺，堪稱20世紀(jì)物理學(xué)的又一場革命。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型并不意味著人類探索自然的腳步就此停止。一方面，將引力與電磁力、弱力和強(qiáng)力統(tǒng)一到一個(gè)完整的大統(tǒng)一理論一直是物理學(xué)家無法割舍的夢想；另一方面，實(shí)驗(yàn)和觀測所提供的數(shù)據(jù)也提出了許多新的問題。20世紀(jì)80年代以來，弦論的蓬勃發(fā)展，也許同樣將是一場給物理學(xué)帶來巨大影響的革命。《中國教育報(bào)》2001年10月18日第7版（張白）質(zhì)量物理學(xué)的七個(gè)基本量之一。最初，牛頓把質(zhì)量定義為物質(zhì)的量，同物質(zhì)的密度和體積

成正比。直到19世紀(jì)下半葉，以馬赫為代表的一批物理學(xué)家對牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)進(jìn)行了認(rèn)真

的考查，對牛頓的質(zhì)量定義提出了非議，在實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立了慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的

概念。在牛頓運(yùn)動定律中，質(zhì)量是物體慣性大小的量度，叫做慣性質(zhì)量。在萬有引力定律中，質(zhì)量反映物體受到的和產(chǎn)生的引力的大小，與慣性無關(guān)，叫做引力質(zhì)量。慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量反映的是物體的兩種不同屬性，它們之間有什么關(guān)系呢？牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，對運(yùn)動定律和萬有引力定律都用同一個(gè)“質(zhì)量”的概念，隱含著慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量，牛頓的這種作法是否正確呢？

帕1U1牛頓雖然沒有提出慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的概念，但他是意識到這個(gè)問題的，并用單擺實(shí)驗(yàn)來求兩者的關(guān)系。如圖10-1所示，設(shè)單擺擺長為1,擺球的慣性質(zhì)量為mi,引力質(zhì)量為mG，在擺角a很小時(shí)，單擺的運(yùn)動方程為:

mia=—mGg

由此求出擺球作簡諧振動的周期為:采用不同材料做成不同質(zhì)量的擺球，但保證擺長相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是周期全都相同。這就證明，對所有擺球，mi與mG的比值是一個(gè)普適常量。圖L0-2上述實(shí)驗(yàn)的精度不高，只能準(zhǔn)確到10-3。1890年匈牙利物理學(xué)家厄缶(R.EdtV6S,

1848?1919)提出一個(gè)精確的實(shí)驗(yàn)，以10-9的精度證明了上述結(jié)果。1964年，美國的R.H

狄克改進(jìn)了厄缶實(shí)驗(yàn)，圖10-2是狄克實(shí)驗(yàn)的示意圖:在靈敏扭秤的橫梁兩端各放一個(gè)引力

質(zhì)量相同材料不同的球A和B橫梁只能繞豎直軸轉(zhuǎn)動。A和B既受地球吸引，也受太陽吸

引。地球的引力在豎直方向上，不能使扭秤轉(zhuǎn)動。如果引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量之比不是常量，

太陽的引力將使扭秤轉(zhuǎn)動。設(shè)初始時(shí)橫梁與陽光垂直，則有因此,omgs=廠因此,omgs=廠:式中的G是萬有引力常量，是太陽的引力質(zhì)量，r是太陽與地球的距離。設(shè)a為地球相對于太陽的加速度a，則對地球上的觀察者來說，A、B兩球相對于他的加速度將是0吃E二幻一&Q如果mG與mi的比值是個(gè)普適常量，則a'=a'。，地球上的觀察者將看不到橫梁的AB任何擺動。如果mG與mi的比值隨材料而改變，則觀察者將因地球的自轉(zhuǎn)而看到橫梁以24小時(shí)為周期的擺動。狄克以IO-】】的實(shí)驗(yàn)精度證明了mG與mi的比值是個(gè)普適常量。后來，到70年代初，布拉金斯基等人又把實(shí)驗(yàn)的精度提高到0.9X1012。既然mG與mi的比值是個(gè)普適常量，只要選取適當(dāng)單位，就可以使二者相等，即mG=mi。這樣，我們就可以不再區(qū)分它們，而認(rèn)為質(zhì)量既表示引力質(zhì)量又表示慣性質(zhì)量。愛因斯坦深刻地看出了這個(gè)簡單結(jié)論的重要意義，在引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等的基礎(chǔ)上提出了“等效原理”，這一原理成為愛因斯坦建立廣義相對論的基本原理之一。密度分布均勻的物質(zhì)，它的密度定義為由該物質(zhì)組成的物體的質(zhì)量與體積之比，或單位體

積內(nèi)所含該物質(zhì)的質(zhì)量。用m和V分別表示物體的質(zhì)量和體積，用p=m/V表示組成該物體的

物質(zhì)的密度，則有。密度的單位是千克每立方米，符號是kg/m3分布不均勻的物質(zhì)，可用質(zhì)量與體積之比表示物體的平均密度:p=m/V平均物質(zhì)的密度隨外界的壓強(qiáng)和溫度的變化而變化，一般說來，壓強(qiáng)增大物質(zhì)密度也增大，溫度升高物質(zhì)密度減小。水是一個(gè)例外，它在41密度最大。在給定條件下某一物質(zhì)的密度p與另一參考物質(zhì)的密度p的比d=p/p，叫做該物質(zhì)的相對密度。相對密度是一個(gè)無量鋼1212的量。密度的倒數(shù)稱為比體積。物質(zhì)分布不均勻的物體，物體中各點(diǎn)的密度不同。某一點(diǎn)的密度p定義為含有該點(diǎn)的體積元的質(zhì)量Am與AV之比，當(dāng)AV收縮到一點(diǎn)時(shí)的極限值：..Kmdmp=lim = 整個(gè)物體的質(zhì)量可表示為唧=[