第一講 物理學(xué)的概念范疇

2023/2/41

第一講物理學(xué)的基本概念范疇

大學(xué)物理專題講座2023/2/42第一講物理學(xué)的基本概念范疇一、物理學(xué)的概念范疇1、總范疇物質(zhì)存在的基本形態(tài)：實物與場（粒子與場）物質(zhì)的根本屬性：運動的絕對性、運動描述的相對性、各種低級運動形式的特殊性物質(zhì)存在的基本形式：時間和空間←廣延性2、具體學(xué)科的范疇——構(gòu)成概念體系比如，力學(xué)：力、質(zhì)量、慣性、碰撞、參照系…二、物理學(xué)的研究對象★物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及各種低級的運動形式！比如，電磁學(xué)：電場強度、電勢差、位移電流、渦旋電場…比如，熱學(xué)：溫度、內(nèi)能、理想氣體、熵、…比如，光學(xué)：光線、點光源、干涉、衍射、偏振、雙折射…★基本概念★導(dǎo)出概念比如，原子物理學(xué)：原子核、能級、磁矩、量子數(shù)、放射性…★什么是概念2023/2/431、實物與場三、大學(xué)物理學(xué)基本概念范疇的簡單討論物質(zhì)的定義：客觀實在性……——無論實物還是場……

實物的（到目前）十種形態(tài)日常條件

固、液、氣、非晶態(tài)、液晶態(tài)超高溫

等離子態(tài)：恒星內(nèi)部…超高壓

超固態(tài)：恒星后期的“白矮星”，原子被壓碎

中子態(tài)：恒星后期的“中子星”，原子核被壓碎黑洞……超低溫

超導(dǎo)態(tài)：比如，水銀的溫度將到4.173K，即

—269℃時…

超流態(tài)：比如，液態(tài)氦的溫度將到2.17K，出現(xiàn)超流動態(tài)…描述實物運動規(guī)律的理論：⑴關(guān)于實物成熟的經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、電動力學(xué)、光學(xué)、不完備的原子物理學(xué)；不完全成熟的量子力學(xué)、不成熟現(xiàn)代宇宙學(xué)；2023/2/44量子力學(xué)的不足①主要側(cè)重于實物粒子的波粒二象性，甚至沒有把光當作粒子處理；②在粒子的基礎(chǔ)上談其波動性——概率波——波、粒二象性地位不平等；③實物粒子的波動性——概率波——不是真正物理波場；④不能描述粒子的產(chǎn)生與消失——微觀粒子的轉(zhuǎn)化；①傳遞實物間相互作用的一種形態(tài)；②場是物質(zhì)存在的基本形態(tài)；③場可以量子化——波粒二象性:④場與實物并無定性區(qū)別——質(zhì)能守恒:目前對場的認識描述場運動規(guī)律的理論：成熟的電動力學(xué)、不完全成熟的量子場論?、脐P(guān)于場2023/2/45

⑶實物與場的統(tǒng)一：量子場論關(guān)于物質(zhì)存在形式的觀點：

①場是物質(zhì)存在更基本的形態(tài):

場處于基態(tài)時——無能量、信號釋放——所謂“真空”；

實物粒子——是場量子的激發(fā)態(tài)；

②兩種場:

實物粒子場——場量子是實物粒子：電子場、中子場……

相互作用場——場量子是媒介粒子：引力場、電磁場……

③真空是各種量子場的基態(tài)——零點振動和虛粒子……

④實物粒子之間的相互作用表現(xiàn)為場之間的相互作用；實物粒子場相互作用場引力相互作用電磁相互作用弱相互作用強相互作用

量子幾何動力學(xué)(引力場、實物粒子場)

量子電動力學(xué)(電磁場、電子場)

量子色動力學(xué)(膠子場、夸克場)

統(tǒng)一場論（引力場與電磁場的統(tǒng)一）

大統(tǒng)一理論四種相互作用超統(tǒng)一理論，超對稱理論實物粒子場與相互作用場兩種量子場的統(tǒng)一

量子味動力學(xué)(電磁場、電子場)2023/2/46狄拉克方程

引力場電磁場弱相互作用場強相互作用場

引力場方程

麥克斯韋方程組

量子色動力學(xué)

相對論粒子方程

普羅卡方程⑷實物與場的描述：量子場論關(guān)于場和實物粒子的特性

①一切微觀粒子(實物粒子和媒介粒子)都對應(yīng)其量子場(實物粒子場和媒介粒子場)

②實物粒子場(電子場……)——沒有經(jīng)典場概念與其對應(yīng)量;

③相互作用場(電磁場、引力場……)——有經(jīng)典場概念與其對應(yīng)量，是相互量子場的極限；④任何量子場都是真實的物理波場，可以用波動方程描述場的運動規(guī)律；用算符及其對易關(guān)系進行描述其粒子性運動規(guī)律

⑤量子場的基態(tài)：“真空態(tài)”，徹底否定了脫離物質(zhì)的絕對時空觀；實物粒子場2023/2/47

⑸大學(xué)物理學(xué)概念體系的嘗試1——“實物與場”的角度第一篇宏觀力學(xué)——質(zhì)點與剛體第1章低速范圍的宏觀力學(xué)——牛頓力學(xué)第2章高速范圍的宏觀力學(xué)——狹義相對論第3章萬有引力場與天體力學(xué)第4章廣義相對論與宇宙學(xué)基礎(chǔ)第二篇電磁場——場第5章電荷與電場第6章電流與磁場第7章電磁感應(yīng)第8章麥克斯韋方程組與電磁輻射附錄高速運動的電荷與電場的磁場統(tǒng)一性2023/2/48⑴兩類粒子⑵兩類波

微觀粒子（正、反粒子）實物粒子媒介粒子質(zhì)子、中子、輕子（電子、中微子）夸克…引力子？（傳遞引力作用）光子（傳遞電磁作用）希格斯玻色子

W玻色子（傳遞弱作用）膠子（傳遞強作用）

介質(zhì)波概率波機械波：聲波、水波…

波粒二象性：光波、物質(zhì)波（德布羅意波）…●介質(zhì)波：需要介質(zhì)（媒質(zhì)），介質(zhì)粒子的振動——能量的傳播，介質(zhì)粒子沒有遷移……是一種經(jīng)典的機械波；●概率波：無需介質(zhì)（媒質(zhì)），波動場粒子可以脫離波源獨立的傳播——能量的傳播；波強弱并非是波動場粒子的真實行為，只是波動場粒子的可能出現(xiàn)的時空幾率……是一種不完備的量子觀點、波粒二象性的描述；2、粒子與波2023/2/49●介質(zhì)波（機械波）波動方程★平面簡諧波的波函數(shù)●對波函數(shù)求時間t的偏導(dǎo)數(shù)，得●對波函數(shù)求傳播空間x的偏導(dǎo)數(shù)，得●綜合，得←波動方程

物理學(xué)的典型方程之一；麥克斯韋據(jù)此推斷出光的電磁說★設(shè)原點的擾動函數(shù)—簡諧振動2023/2/410●概率波（波粒二象性）的薛定諤方程●將該波函數(shù)對時間求導(dǎo)，得★自由粒子的波函數(shù)——平面波●平面波●自由粒子的波函數(shù)2023/2/411●將該波函數(shù)對時間求導(dǎo)，得●將波函數(shù)求空間x的偏導(dǎo)數(shù)，得★自由粒子的波函數(shù)——平面波同理可得★自由粒子的能量和動量的關(guān)系三式相加得2023/2/412★算符●設(shè)力場的勢能函數(shù)為，則●薛定諤方程★改寫（1）（2）式

近代物理學(xué)的典型方程之一；波恩解釋——概率波2023/2/413●目前大學(xué)物理（普通物理學(xué)）的概念體系力學(xué)；熱學(xué)；電磁學(xué)；波動與光學(xué)——概念體系的錯誤；量子物理——伯克利物理教程——張三惠——分科的……●

高中物理新課程標準體系3-4

（一）機械振動與機械波；（二）電磁振蕩與電磁波；（三）光——干涉、衍射和偏振；（四）相對論⑶

關(guān)于兩類波(介質(zhì)波與概率波)科學(xué)思維⑷關(guān)于兩類波(介質(zhì)波與概率波)研究方法●雖然宏觀電磁波與機械波所遵從的數(shù)學(xué)規(guī)律是相同的，但是其本質(zhì)完全不同；●表面上降低了高中甚至大學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，實際上可能殆誤了這些人才的終身創(chuàng)造力。2023/2/414⑸大學(xué)物理學(xué)概念體系的嘗試2——“粒子與波”的角度第三篇振動與波第9章振動——機械振動與電磁振蕩第10章波動——機械波與電磁波第11章光的波動性（干涉、衍射和偏振）第四篇物質(zhì)的波粒二象性第12章光的二象性第13章物質(zhì)波——量子力學(xué)基礎(chǔ)第14章原子及原子核物理學(xué)第五篇大量粒子運動的宏觀規(guī)律第15章熱力學(xué)第16章統(tǒng)計物理學(xué)基礎(chǔ)2023/2/415單位秒：①一個“平太陽日”的1/86400為1秒；1967年，銫-133

原子基態(tài)，在零磁場躍遷周期：1秒=9192631770T。米：②經(jīng)過巴黎子午線1/4千萬為1米；1米=光在真空中經(jīng)歷

1/299792458秒所經(jīng)過的距離。

（在真空中的光速為普適常數(shù)）⑴

物理學(xué)的舊時空觀蓋天說—地心說：①唯物地解釋自然、生產(chǎn)實踐、時間的無限性；②絕對靜止的存在、被宗教神學(xué)利用（托馬斯·阿奎那[TAguinas]）代表人物：托勒密應(yīng)當指出……舊時空模型主要觀點①承認時間、空間是客觀存在的；②空間的“上”、“下”觀念是相對的；宇宙空間有限有中心；③承認時間的無限性；意義③沒有說明時間與空間、時空與物質(zhì)、時空與物質(zhì)運動之關(guān)系。3、時間與空間←至今難以揭開的科學(xué)之謎之一!2023/2/416⑵物理學(xué)的經(jīng)典時空觀哥白尼—日心說：伽利略的主要貢獻伽利略變換；牛頓的主要貢獻①承認時間、空間的客觀實在性；將實驗方法、數(shù)學(xué)方法引入物理學(xué)的研究；慣性定律；低速宏觀伽利略相對性原理；經(jīng)典時空模型代表人物：哥白尼、伽利略、牛頓哥白尼的主要貢獻“太陽中心說”取代“地球中心說”；數(shù)學(xué)表達越簡單越接近自然；②建立了絕對的時空觀：(ⅰ)時間、空間彼此無關(guān)，各自獨立；(ⅱ)時間一維單向——有始無終，(ⅲ)空間三維的均勻性、各向同性和無限性;

超距、質(zhì)點……。③發(fā)明了微積分；發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律；建立了動力學(xué)三定律；2023/2/417絕對時空觀的功過是非功時間的均勻性——能量守恒定律；空間的均勻性——動量守恒定律；空間的各向同性——角動量守恒定律；過時間與空間——彼此無關(guān)；時間與空間——與物質(zhì)的運動狀態(tài)無關(guān)；同時性的絕對性——超距作用；拋棄了舊的時空觀；證明慣性系是等價的；絕對靜止的空間；需要特殊的慣性系——以太非時間、空間無關(guān)——超距哲學(xué)觀！2023/2/418⑶狹義相對論的時空觀（高速、宏觀、慣性系等價）時間的一維、均勻、無限；空間的三維、均勻、無限；②發(fā)展了“宇宙無中心”的觀點——時空對稱原理；③

提出兩條基本假設(shè)（公設(shè)、公理）④建立四維時空坐標——閔可夫斯基空間：★所有的物理規(guī)律對于所有的慣性系都是一樣的，不存在任何一個特殊（絕對靜止）的慣性系?！镌谌魏螒T性系中，光在真空中的速率都相等。①繼承絕對時空觀：2023/2/419

⑤拋棄了絕對時時空觀——相對時空觀洛侖茲變換時間與空間皆與物質(zhì)的運動狀態(tài)有關(guān)空間間隔是相對的時間間隔是相對的同時性是相對的光速不變原理愛因斯坦火車理想實驗←測運動的時間變慢←測運動尺子收縮2023/2/420由得當時，有⑦

同時性不同時的簡單理論證明⑥同時性不同時的理想實驗證明：

愛因斯坦火車理想實驗2023/2/421

⑧四維時空間隔不變性時空相對、贗歐幾何、慣性系等價注1：狹義相對論的兩條基本假定光速不變原理相對性原理注2：狹義相對論的實驗基礎(chǔ)邁克爾遜—莫雷實驗★實驗第一步★實驗第二步★時間差★附加光程差兩步實驗的條紋應(yīng)當移動N=0.37個條紋，但是實驗結(jié)果N=0！2023/2/422第一束光在以太參照系的時間t1（光程）光束由分光板P射向M2需時間1—追光光束由M2返回分光板P需時間2—迎光

⑨邁克爾遜—莫雷實驗的原理及其結(jié)果證明

邁克爾遜干涉儀2023/2/423第二束光在以太參照系的的時間t2（光程）所以

2023/2/424所以得實驗結(jié)果1將實驗裝置旋轉(zhuǎn)90°同理得實驗結(jié)果2因為兩步實驗有時間差其對應(yīng)附加光程差★兩步實驗的條紋位置，應(yīng)當移動N=0.37個條紋，相當于明暗條紋互換位置，但是，實驗結(jié)果N=0!!此時，會有一個穩(wěn)定的條紋分布此時，亦會有一個穩(wěn)定的條紋分布2023/2/425⑷

廣義相對論的時空觀（非慣性系與引力場等價）①進一步發(fā)展了“宇宙無中心”的觀點——等效原理②補充了時空觀念依賴于物質(zhì)分布的相對性——引力場方程廣義相對性原理：一切物理規(guī)律在任意參考系間等價。——運動的絕對性③補充了時空結(jié)構(gòu)與物質(zhì)分布的關(guān)系——空間彎曲物質(zhì)密度越大的地方——統(tǒng)一時空彎曲的曲率越大空間越彎曲;時間流逝越慢引力張量；黎蔓曲率張量；時空度規(guī)張量；宇宙半徑關(guān)于非慣性系等效原理：加速場與引力場等效；——無法區(qū)分2023/2/426⑸廣義相對論的近代引力理論——②宇宙空間是有限的還是無限的——有限無邊——愛因斯坦提出的小尺度宇宙：渺觀——輕子、光子、夸克以下的層次微觀——光子、質(zhì)子、中子、原子核、原子、分子、有機物③時間有始有終，還是無始無終？物理學(xué)“宇宙”的“生死”交替，構(gòu)成了哲學(xué)“宇宙”的時間的無限性……大尺度宇宙：宏觀——行星、恒星、恒星系統(tǒng)（太陽系）宇觀——銀河系、星系群、星系團之間的暗物質(zhì)脹觀——超星系團、總星系……無限宇宙…①大爆炸宇宙模型——無限膨脹，直至消亡；無限膨脹；膨脹一定階段，轉(zhuǎn)化為收縮。3K宇宙輻射背景；氦豐度；哈勃紅移；天體年齡物理學(xué)的，…？哲學(xué)的，？……現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論基礎(chǔ)2023/2/427①時間和空間可能存在著一個最小限度——時間、空間量子化普朗克時間普朗克長度美國物理學(xué)家古斯（guth）的暴脹宇宙模型：宇宙起源于物理點，而非數(shù)學(xué)點——超過以上范圍，現(xiàn)今物理學(xué)理論已不適用假真空態(tài)——黑格斯場，其能量密度是原子核密度的倍。②宇宙并非起源于時間、空間和沒有物質(zhì)的“虛無”——假真空態(tài)③真空也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)真空——各種基態(tài)量子場……。*⑹量子理論的時空觀及其現(xiàn)代宇宙學(xué)的時空觀④量子理論的時空觀在處理渺觀和脹觀物質(zhì)領(lǐng)域遇到了困難，……2023/2/428⑴運動是絕對的①哲學(xué)上的意義：物質(zhì)與運動是不可分割的③相對性原理：一切動力學(xué)規(guī)律的形式都不因參照系的選擇而改變。⑵運動描述的相對性運動學(xué)規(guī)律的形式會因不同參照系的選擇而不同。⑶

物理學(xué)只研究物質(zhì)低級運動的形式(物質(zhì)運動的五種形式)①低級運動形式的含義：機械運動和物理運動——最基本、最直接的②低級運動形式的具體學(xué)科：

力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)原子物理學(xué)、原子核物理學(xué)粒子物理學(xué)——量子物理學(xué)大學(xué)物理學(xué)（普通物理學(xué)）②質(zhì)能守恒——廣義的運動狹義的運動參照系的本質(zhì)特征是什么？4、運動與靜止2023/2/4292002年諾貝爾物理學(xué)獎三科學(xué)家1、美國2人：雷蒙德-戴維斯，里卡多-賈科尼

2、日本1人：小柴昌俊(MasatoshiKoshiba)●小雷蒙德－戴維斯來自于美國賓夕法尼亞大學(xué)物理天文學(xué)系，●小柴是日本東京大學(xué)初級粒子物理國際研究中心已經(jīng)東京大學(xué)的科學(xué)家，瑞典皇家科學(xué)院認為他們“在天體物理學(xué)領(lǐng)域做出卓越貢獻，尤其是他們發(fā)現(xiàn)了宇宙中的微中子”?！窭锟ǘ?賈科尼是另一位獲獎的美國華盛頓特區(qū)聯(lián)合大學(xué)的科學(xué)家，表彰他“在天體物理學(xué)領(lǐng)域取得的卓越成就，尤其是他的研究引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源”。3、瑞典國王于10月10日在斯德哥爾摩頒獎。4、諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明。2023/2/430維爾澤克格羅斯格羅斯

2004年諾貝爾物理學(xué)獎三科學(xué)家分享共約136萬美元美國人：戴維·格羅斯

，戴維·波利澤和弗蘭克·維爾澤克

●表彰他們“對夸克的研究使科學(xué)更接近于實現(xiàn)它為“所有的事情構(gòu)建理論”的夢想

”。瑞典國王于10月10日在斯德哥爾摩頒獎。諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明。2023/2/4312005年諾貝爾物理學(xué)獎由美、德三個科學(xué)家共同獲得，分享共約130萬美元1、美國人：約翰·霍爾，羅伊·格勞伯2、德國人：特奧多爾·亨施●羅伊·格勞伯得一半，成就是對“光粒子的特性進行了理論描述——光學(xué)相干的量子理論”●約翰·霍爾，特奧多爾·亨施得另外一半，成就是對“開發(fā)了基于激光的高精度光譜技術(shù)，即以極高的精度確定原子和分子的光線顏色——光頻梳技術(shù)，其以15位的精確度來衡量光頻率成為可能；”●他們成就“可以構(gòu)建非常鮮艷色彩（單色）的激光，可以開發(fā)高精度的時鐘，可以改進全球定位系統(tǒng)”。3、瑞典國王于10月10日在斯德哥爾摩頒獎。4、諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明。2023/2/432約翰·馬瑟喬治·斯穆特2006年諾貝爾物理學(xué)獎由兩個美國科學(xué)家共同獲得，分享共約140萬美元美國人：約翰·馬瑟：激動和吃驚……喬治·斯穆特：我很驚訝……●他們成就：“發(fā)現(xiàn)了宇宙背景輻射的黑體形式和各向異性”：

有助于研究早期宇宙,并能幫助人們更多地了解星系和恒星的起源。瑞典國王于10月10日在斯德哥爾摩頒獎。諾貝爾的遺囑：給人類帶來最大的利益，在物理學(xué)領(lǐng)域中取得過最重要的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明。諾貝爾2023/2/433艾爾伯-費爾（1938—）皮特-克魯伯格（1939—）2007年諾貝爾物理學(xué)獎

他們于1988年獨立作出的發(fā)現(xiàn)極大地提高了電腦硬盤的數(shù)據(jù)存儲量。Fert和Grünberg將分享總金額為一千萬瑞士法郎的獎金，大概相當于一百五十萬美元。隧穿磁阻效應(yīng)會在比巨磁阻效應(yīng)中更弱的磁場下就獲得顯著的電阻改變?！穹▏茖W(xué)家：艾爾伯-費爾●德國科學(xué)家：皮特-克魯伯格●他們成就：以表彰他們發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻效應(yīng)”的貢獻。2023/2/4342008年諾貝爾物理學(xué)獎

美日三科學(xué)家因亞原子物理學(xué)自發(fā)破缺對稱機制和破缺對稱起源獲獎：瑞典皇家科學(xué)院10月7日宣布，美國籍科學(xué)家南部陽一郎和日本科學(xué)家小林誠、益川敏英獲得2008年的諾貝爾物理學(xué)獎。南部陽一郎因為發(fā)現(xiàn)了亞原子物理學(xué)中的自發(fā)對稱性破缺機制而獲獎。小林誠、益川敏英則因有關(guān)對稱性破缺起源的發(fā)現(xiàn)而獲獎。2023/2/435

2009年諾貝爾物理學(xué)獎英美科學(xué)家分享2009年諾貝爾物理學(xué)獎：2009年10月6日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國華裔科學(xué)家高錕以及美國科