“物理學”簡介、含義、起源、歷史與發(fā)展

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物理學研究宇宙間物質存在的各種主要的基本形式，它們的性質、運動和轉化以及內部結構；從而認識這些結構的組元及其相互作用、運動和轉化的基本規(guī)律。地學和生命科學都是自然科學的重要方面，有重要的社會作用，但是像地球這樣有生物的行星在宇宙中卻是少見的，所以地學和生命科學不屬于物理學范圍。當然，物理學所發(fā)現(xiàn)的基本規(guī)律，即使在地球現(xiàn)象和生命現(xiàn)象中，也起著重要作用。

物理學的各分支學科是按物質的不同存在形式和不同運動形式劃分的。人對自然界的認識來源于實踐，而實踐的廣度和深度有著歷史的局限性。隨著實踐的擴展和深入，物理學的內容也不斷擴展和深入。新的分支學科陸續(xù)形成；已有的分支學科日趨成熟，應用也日益廣泛。早在古代就形成的天文學和起源于古代煉金術的化學，始終保持著獨立的地位，沒有被納入物理學的范圍。在天文學和物理學之間、化學和物理學之間存在著密切的聯(lián)系，物理學所發(fā)現(xiàn)的基本規(guī)律在天文現(xiàn)象和化學現(xiàn)象中也起著日益深刻的作用。

客觀世界是一個內部存在著普遍聯(lián)系的統(tǒng)一體。隨著物理學各分支科學的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)物質的不同存在形式和不同運動形式之間存在著聯(lián)系，于是各分支學科之間開始互相滲透。物理學逐步發(fā)展成為各分支學科彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一整體。物理學家力圖尋找一切物理現(xiàn)象的基本規(guī)律，從而去統(tǒng)一地理解一切物理現(xiàn)象。這種努力雖然逐步有所進展，使得這一目標有時顯得很接近；但與此同時，新的物理現(xiàn)象又不斷出現(xiàn)，使這一目標又變得更遙遠?？磥砣藗儗陀^世界的探索、研究是無窮無盡的。以下大體按照物理學的歷史發(fā)展過程來敘述物理學的發(fā)展及其內容。

經(jīng)

典

力

學

經(jīng)典力學研究宏觀物體低速機械運動的現(xiàn)象和規(guī)律，宏觀是相對于原子等微觀粒子而言的。人們在日常生活中直接接觸到的物體常常包含巨量的原子，因此是宏觀物體。低速是相對于光速而言的。最快的噴氣客機的速度一般也不到光速的一百萬分之一，在物理學中仍算是低速。物體的空間位置隨時間變化稱為機械運動。人們日常生活直接接觸到的并首先加以研究的都是宏觀低速的機械運動。

自遠古以來，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要確定季節(jié)，人們就進行天文觀察。16世紀后期，人們對行星繞太陽的運動進行了詳細、精密的觀察。17世紀J.開普勒從這些觀察結果中總結出了行星繞日運動的三條經(jīng)驗規(guī)律。差不多在同一時期，伽利略進行了落體和拋物體的實驗研究，從而提出關于機械運動的初步的現(xiàn)象性理論，并把用實驗驗證理論結果的方法引入了物理學。I.牛頓深入研究了這些經(jīng)驗規(guī)律和初步的現(xiàn)象性理論，發(fā)現(xiàn)了宏觀低速機械運動的基本規(guī)律：包括三條牛頓運動定律和萬有引力定律，為經(jīng)典力學奠定了基礎。根據(jù)對天王星運行軌道的詳細天文觀察，并根據(jù)牛頓的理論，預言了海王星的存在；以后果然在天文觀察中發(fā)現(xiàn)了海王星。于是牛頓所提出的力學定律和萬有引力定律被普遍接受了。

經(jīng)典力學中的基本物理量是質點的空間坐標和動量。一個力學系統(tǒng)在某一時刻的狀態(tài)由它的每一個質點在這一時刻的空間坐標和動量表示。對于一個不受外界影響，也不影響外界，不包含其他運動形式（如熱運動、電磁運動等）的力學系統(tǒng)來說，它的總機械能就是每一個質點的空間坐標和動量的函數(shù)，其狀態(tài)隨時間的變化由總能量決定。在經(jīng)典力學中，力學系統(tǒng)的總能量和總動量有特別重要的意義。物理學的發(fā)展表明，任何一個孤立的物理系統(tǒng)，無論怎樣變化，其總能量和總動量數(shù)值是不變的，它們是守恒量。這種守恒性質的適用范圍已經(jīng)遠遠超出了經(jīng)典力學的范圍，還沒有發(fā)現(xiàn)它們的局限性。

在經(jīng)典力學中出現(xiàn)了三個最普遍的基本物理概念：質量、空間和時間。質量可以作為物質的量的一種度量，空間和時間是物質存在的普遍形式。現(xiàn)有一切物理量的量綱原則上都可以由質量、空間、時間的量綱結合起來表達。具有不同量綱的物理量之間存在著質的差異。量綱在一定程度上反映物理量的質。量綱相同的物理量的質可以相同，但未必一定相同。

在經(jīng)典力學中，時間和空間之間沒有聯(lián)系?？臻g向上下四方延伸，同時間無關；時間從過去流向未來，同空間無關。因此，就存在絕對靜止的參照系，牛頓運動定律和萬有引力定律原來是在這種參照系中表述的。相對于絕對靜止的參照系作勻速運動的參照系稱為慣性參照系。任何一個質點的坐標，在不同的慣性參照系中取不同的數(shù)值，這種不同數(shù)值之間的變換關系稱為伽利略變換。在這種變換中，尺的長度不變，時鐘運行的速度不變，經(jīng)典力學基本規(guī)律的數(shù)學形式也不變。利用力學實驗方法，無法確定哪些慣性參照系是絕對靜止的參照系，因而絕對靜止的參照系就成了一個假設。

早在19世紀，經(jīng)典力學就已經(jīng)成為物理學中一個成熟的分支學科，它包含了豐富的內容。例如：質點力學、剛體力學、分析力學、彈性力學、塑性力學、流體力學等。經(jīng)典力學的哈密頓正則方程已成為物理學中的重要方程，并應用到統(tǒng)計物理學、量子力學等近代物理學的理論中。經(jīng)典力學的應用范圍，涉及到能源、航空、航天、機械、建筑、水利、礦山建設直到安全防護等各個領域。當然，工程技術問題常常是綜合性的問題，還需要許多學科進行綜合研究，才能完全解決。

機械運動中，很普遍的一種運動形式是振動和波動。聲學就是系統(tǒng)研究這種運動的產(chǎn)生、傳播、轉化和吸收的分支學科。聲波是傳遞信息的重要媒介，而且常常是其中不可缺少的環(huán)節(jié)。人的聲帶、口腔和耳就是聲波的產(chǎn)生器和接收器。人們通過聲波傳遞信息。有許多物體，不易為光波和電磁波透過，卻能為聲波透過。利用聲波研究這種物體的內部性質，例如利用聲波在媒質中的傳播特性研究地層結構和海洋深處及海底的現(xiàn)象和性質，就有優(yōu)越性。頻率非常低的聲波能在大氣和海洋中傳播到遙遠的地方，因此能迅速傳遞地球上任何地方發(fā)生的地震、火山爆發(fā)或核爆炸的信息；頻率很高的聲波和聲表面波已經(jīng)用于固體的研究、微波技術、醫(yī)療診斷等領域；非常強的聲波已經(jīng)用于工業(yè)加工。

熱學、熱力學和經(jīng)典統(tǒng)計力學

熱學研究熱的產(chǎn)生和傳導，研究物質處于熱狀態(tài)下的性質和這些性質如何隨著熱狀態(tài)的變化而變化。人們很早就有冷熱的概念。利用火是人類文明發(fā)展史中的一個重要的里程碑。對于熱現(xiàn)象的研究逐步澄清了關于熱的模糊概念（例如：區(qū)分了溫度和熱量，發(fā)現(xiàn)它們是密切聯(lián)系而又有區(qū)別的兩個概念）。在此基礎上開始探索熱現(xiàn)象的本質和普遍規(guī)律。關于熱現(xiàn)象的普遍規(guī)律的研究稱為熱力學。到19世紀，熱力學已趨于成熟。

能量可以有許多種存在形式，力學現(xiàn)象中物體有動能和位能。物體有內部運動，因此有內部能量。19世紀的系統(tǒng)實驗研究證明：熱是物體內部無序運動的能量的表現(xiàn)，因此稱這種能量為內能，以前稱作熱能。19世紀中期，J.P.焦耳等用實驗確定了熱量和功之間的定量關系，從而建立了熱力學第一定律：宏觀機械運動的能量與內能可以互相轉化。就一個孤立的物理系統(tǒng)來說，不論能量形式怎樣相互轉化，總的能量的數(shù)值是不變的，熱力學第一定律就是能量守恒與轉換定律的一種表現(xiàn)。

在S.卡諾研究結果的基礎上，R.克勞修斯等提出了熱力學第二定律。它提出了一切涉及熱現(xiàn)象的客觀過程的發(fā)展方向，表達了宏觀非平衡過程的不可逆性。例如：一個孤立的物體，其內部各處的溫度不盡相同，那么熱就從溫度較高的地方流向溫度較低的地方，最后達到各處溫度都相同的狀態(tài)，也就是熱平衡的狀態(tài)。相反的過程是不可能的，即這個孤立的、內部各處溫度都相等的物體不可能自動回到各處溫度不盡相同的狀態(tài)。應用熵的概念，還可以把熱力學第二定律表達為：一個孤立的物理系統(tǒng)的熵不能隨著時間的流逝而減少，只能增加或保持不變。當熵達到最大值時，物理系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。

熱力學是一種唯象的理論。深入研究熱現(xiàn)象的本質，就產(chǎn)生了統(tǒng)計力學。統(tǒng)計力學根據(jù)物質的微觀組成和相互作用，研究由大量粒子組成的宏觀物體的性質和行為的統(tǒng)計規(guī)律，是理論物理的一個重要分支。

宏觀物體內部包含著大量的粒子。要研究其中每一個分子在每一時刻的狀態(tài)實際上辦不到。為了認識熱現(xiàn)象的規(guī)律，也無需那么詳細的知識。統(tǒng)計力學應用統(tǒng)計系綜的方法，研究大量粒子的平均行為。20世紀初，J.W.吉布斯奠定了平衡態(tài)的統(tǒng)計力學的基礎。它的關于統(tǒng)計分布的基本假設是：對于一個具有給定能量的給定物理系統(tǒng)，各種可能的狀態(tài)出現(xiàn)的幾率是等同的。熱力學中的各種物理量以及它們之間的關系都可以用這種統(tǒng)計分布的平均值表達。溫度一方面同物體內部各分子無序運動的那部分能量有關，另一方面也決定了這種內部能量在物體內部運動狀態(tài)之間的分布。

非平衡統(tǒng)計力學所研究的問題復雜，直到20世紀中期以后才取得了比較大的進展。對于一個包含有大量粒子的宏觀物理系統(tǒng)來說，無序狀態(tài)的數(shù)目比有序狀態(tài)的數(shù)目大得多，實際上多得無法比擬。系統(tǒng)處于無序狀態(tài)的幾率超過了處于有序狀態(tài)的幾率。孤立物理系統(tǒng)總是從比較有序的狀態(tài)趨向比較無序的狀態(tài)。在熱力學中，這就相應于熵的增加。

處于平衡狀態(tài)附近的非平衡系統(tǒng)的主要趨向是向平衡狀態(tài)過渡。平衡態(tài)附近的主要非平衡過程是弛豫、輸運和漲落。這方面的理論逐步發(fā)展，已趨于成熟。近20～30年來人們對于遠離平衡態(tài)的物理系統(tǒng)如耗散結構等進行了廣泛的研究，取得了很大的進展，但還有很多問題等待解決。

在一定時期內，人們對客觀世界的認識總是有局限性的，認識到的只是相對的真理，經(jīng)典力學和以經(jīng)典力學為基礎的經(jīng)典統(tǒng)計力學也是這樣。經(jīng)典力學應用于原子、分子以及宏觀物體的微觀結構時，其局限性就顯示出來，因而發(fā)展了量子力學。與之相應，經(jīng)典統(tǒng)計力學也發(fā)展成為以量子力學為基礎的量子統(tǒng)計力學。

經(jīng)典電磁學、經(jīng)典電動力學

經(jīng)典電磁學研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質。人們很早就接觸到電的現(xiàn)象和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。

19世紀前期，H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。而后A.-M.安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之后，M.法拉第又發(fā)現(xiàn)，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產(chǎn)生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。

兩個質點之間的萬有引力沿著它們之間的連接線起作用。兩個電荷之間的作用力也是這樣。這些力曾經(jīng)被認為是超距作用。也就是說：這種力的傳遞既不需要時間，也不需要媒介。但是在電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)以后，就認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產(chǎn)生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎上產(chǎn)生了電磁場的概念。現(xiàn)在人們認識到，電磁場是物質存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生電場，這個電場又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生磁場，而這個磁場又以力作用于其他磁體和內部有電流的物體。電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介。它彌漫于整個空間。

19世紀下半葉，J.C.麥克斯韋總結了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎上他提出了一套偏微分方程來表達電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學的基本方程，其中包含著電荷、電流如何產(chǎn)生電磁場的規(guī)律；也包含著電場和磁場相互影響，導致它們在時間和空間中如何變化的規(guī)律。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速。這一預言后來為H.R.赫茲的實驗所證實。遂使人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定了光也是一種電磁波。

由于電磁場能夠以力作用于帶電粒子，一個運動中的帶電粒子既受到電場的力，也受到磁場的力，H.A.洛倫茲把運動電荷所受到的電磁場的作用力歸結為一個公式，人們就稱這個力為洛倫茲力。描述電磁場基本規(guī)律的麥克斯韋方程組和洛倫茲力就構成了經(jīng)典電動力學的基礎。

事實上發(fā)電機無非是利用電動力學的規(guī)律，將機械能轉化為電磁能；電動機無非是利用電動力學的規(guī)律將電磁能轉化為機械能。電報、電話、無線電、電燈也無一不是經(jīng)典電磁學和經(jīng)典電動力學發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)典電動力學對生產(chǎn)力的發(fā)展起著重要的推動作用，從而對社會產(chǎn)生普遍而重要的影響。

光學和電磁波

光學研究光的性質及其和物質的各種相互作用，光是電磁波。雖然可見光的波長范圍在4×10-5～7.6×10-5cm之間，只占電磁波中很窄的一個波段，但早在認識到光是電磁波以前，人們就對光進行了研究。17世紀對光的本質提出了兩種假說：一種假說認為光是由許多微粒組成的；另一種假說認為光是一種波動。19世紀在實驗上確定了光有波的獨具的干涉現(xiàn)象，以后的實驗證明光是電磁波。20世紀初又發(fā)現(xiàn)光具有粒子性，人們在深入研究微觀世界后，才認識到，光具有波粒二象性。

光可以為物質所發(fā)射、吸收、反射、折射和衍射。當所研究的物體或空間的大小遠大于光波的波長時，光可以當作沿直線進行的光線來處理；但當研究深入到現(xiàn)象細節(jié)，其空間范圍和光波波長差不多大小的時候，就必須著重考慮光的波動性。而研究光和微觀粒子的相互作用時，還要考慮光的粒子性。

光學方法是研究大至天體、小至微生物以至分子、原子結構的非常有效的方法。利用光的干涉效應可以進行非常精密的測量。物質所放出來的光攜帶著關于物質內部結構的重要信息，例如：原子所放出來的原子光譜就和原子結構密切相關。近年來利用受激光輻射機制所產(chǎn)生的激光能夠達到非常大的功率，且光束的張角非常小，其電場強度甚至可以超過原子內部的電場強度。利用激光已經(jīng)開辟了非線性光學等重要研究方向；激光在工業(yè)技術和醫(yī)學中已經(jīng)有重要的應用。

現(xiàn)在用人工方法產(chǎn)生的電磁波的波長，長的已經(jīng)達幾千米，短的不到一百萬億分之一厘米，覆蓋了近20個數(shù)量級的波段。電磁波傳播的速度大，波段又如此寬廣，已成為傳遞信息的非常有力的工具。

在經(jīng)典電磁學的建立與發(fā)展過程中，形成了電磁場的概念。在物理學爾后的發(fā)展中，場成了非?；尽⒎浅Ｆ毡榈母拍?，變得十分重要。在現(xiàn)代物理學中，場的概念已經(jīng)遠遠超出了電磁學的范圍，成為物質的一種基本的、普遍的存在形式。

狹義相對論和相對論力學

在經(jīng)典力學取得很大成功以后，人們習慣于將一切現(xiàn)象歸結為由機械運動所引起的。在電磁場概念提出以后，人們假設存在一種名叫“以太”的媒質，它彌漫于整個宇宙，滲透到所有的物體中，絕對靜止不動，沒有質量，對物體的運動不產(chǎn)生任何阻力，也不受萬有引力的影響。電磁場被認為是以太中的應力，電磁波是以太中的彈性波，它在以太中向各方向的傳播速度都一樣大（見以太論）。

可以將以太作為一個絕對靜止的參照系，因此相對于以太作勻速運動的參照系都是慣性參照系。在相對于以太作勻速運動的慣性參照系中觀察，電磁波的傳播速度應該隨著波的傳播方向而改變。例如：在一個運動的慣性參照系中觀察，沿著參照系運動方向傳播的光的速率看起來應該慢一些；逆著參照系運動方向傳播的光的速率看起來應該快一些。這就給利用測量不同方向光速的方法，在所有的慣性參照系中確定那些是絕對靜止的參照系提供了可能性。但實測的結果卻出乎意料之外，在不同的、相對作勻速運動的慣性參照系中，測得的光速同傳播方向無關，都完全相等。特別是A.A.邁克耳孫和E.W.莫雷進行的非常精確的實驗，可靠地證明了這一點。這一實驗事實顯然同經(jīng)典物理學中關于時間、空間和以太的概念相矛盾。A.愛因斯坦從這些實驗事實出發(fā)，對空間、時間的概念進行了深刻的分析，從而建立了新的時空觀念，在此基礎上他提出了狹義相對論。狹義相對論的基本假設是：

①在一切慣性參照系中，基本物理規(guī)律都一樣，都可用同一組數(shù)學方程來表達；

②對于任何一個光源發(fā)出來的光，在一切慣性參照系中測量其傳播速率，結果都相等。

在狹義相對論中，空間和時間是彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一體，空間距離是相對的，時間也是相對的。在相對于尺和鐘作勻速運動的慣性參照系中的觀察者看來，尺變短了，鐘變慢了。因此尺的長短，時間的長短都是相對的。但在狹義相對論中，并不是一切都是相對的。例如：設在空間、時間中有兩點，它們的坐標分別為(x1，t1)和(x2，t2)，那末在任何慣性參照系中，量(x1-x2)2-с2(t1-t2)2的數(shù)值是不變的，因此是絕對的，其中с代表光速。空間坐標、時間坐標和一系列物理量，如：動量和能量、電場強度和磁場強度等等，在不同慣性參照系之間的變換關系稱為洛倫茲變換?；疚锢硪?guī)律必須對于洛倫茲變換具有不變性。

麥克斯韋方程組對于洛倫茲變換具有不變性。經(jīng)典力學規(guī)律對于伽利略變換具有不變性；但對于洛倫茲變換卻不具有不變性，因此必須加以修改。修改后的力學稱為相對論力學，它對于洛倫茲變換具有不變性。在相對論力學中，光速是機械運動速度的極限，不可逾越。當物體速度無限地趨近光速時，它的動量、能量、慣性質量均將趨于無窮大。這些結論在實驗中都得到了證實。

相對論力學的另一個重要結論是:一個具有質量m的物體一定具有能量E，并有E＝mс2，即使物體靜止時也是如此。假使質量是物質的量的一種度量，能量是運動的量的一種度量，則上式表明：物質和運動之間存在著不可分割的聯(lián)系。不存在沒有運動的物質，也不存在沒有物質的運動。對于靜止物體來說，E代表它的內部運動的量。1克物質內部所蘊藏的能量相當于2萬多噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量。這一規(guī)律已在核能的研究和實踐中得到了證實。

當物體的速度遠小于光速時，相對論力學定律就趨近于經(jīng)典力學定律。因此在低速運動時，經(jīng)典力學定律仍然是很好的相對真理。例如：地球繞太陽運行的速率約為30km/s。這同日常生活中遇到的機械運動的速度相比是很大的速度；但同光速相比，卻是很小的速度，僅為光速的萬分之一。因此處理這類問題，經(jīng)典力學定律仍然是很好的相對真理，仍然能用來解決工程技術中的力學問題。

狹義相對論對空間和時間的概念進行了革命性的變革，并且否定了以太的概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質存在的特殊形式。由于空間和時間是物質存在的普遍形式，因此狹義相對論對于物理學產(chǎn)生了廣泛而又深遠的影響。

廣義相對論和萬有引力的基本理論

狹義相對論給牛頓萬有引力定律也帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力被認為是一種超距作用，它的傳遞不需要時間，產(chǎn)生和到達是同時的。這同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。而且在狹義相對論中，“同時”是一種相對的概念。因此，必須對牛頓的萬有引力定律也加以改造。改造的關鍵來自R.V.厄缶的實驗，它以很高的精確度證明：慣性質量和引力質量相等，因此不論行星的質量多大多小，只要在某一時刻它們的空間坐標和速度都相同，那末它們的運行軌道都將永遠相同。引力所決定的運行軌道和運行物體的質量無關，對于所有物體都一樣。這個結論提供了一個線索，啟發(fā)愛因斯坦設想：萬有引力效應是空間、時間彎曲的一種表現(xiàn)，從而提出了廣義相對論。根據(jù)廣義相對論，空間、時間的彎曲結構決定于物質的能量密度、動量密度在空間、時間中的分布；而空間、時間的彎曲結構又反過來決定物體的運行軌道。在引力不強，空間、時間彎曲很小的情況下，廣義相對論的預言就同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的預言趨于一致；引力較強，空間、時間彎曲較大的情況下，就有區(qū)別。但這種區(qū)別常常很小，很難在實驗中觀察到。從廣義相對論提出到現(xiàn)在已經(jīng)過去了70年，至今還只有四種實驗能檢驗出這種區(qū)別。所有這四種實驗觀察結果都支持廣義相對論而不支持牛頓萬有引力定律的結論。

廣義相對論不僅對于天體的結構和演化的研究有重要意義，對于研究宇宙的結構和演化也有重要意義。

原子物理學、量子力學、量子電動力學

原子物理學研究原子的性質、內部結構、內部受激狀態(tài)，以及原子和電磁場、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個很古老的概念。古代就有人認為：宇宙間萬物都是由原子組成的。原子是不可分割的、永恒不變的物質最終單元。1897年J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子。這才使人們認識到原子不是不可分割的、永恒不變的，而是具有內部結構的粒子。于是在19世紀末，經(jīng)典物理學的局限性進一步暴露出來。根據(jù)經(jīng)典物理學和原子中存在著電子的實驗事實可以推導出：假使空腔壁的溫度不為零，一個具有有限體積的空腔內的電磁輻射的能量是無窮大的。這顯然不符合客觀事實（見黑體輻射）。經(jīng)典物理學也無法解釋光電效應。為此，M.普朗克和愛因斯坦提出了同經(jīng)典物理學相矛盾的假設：光是由一粒一粒光子組成的，每一粒光子的能量E為E＝hv，式中v為光的頻率，h是一個常數(shù)，稱為普朗克常數(shù)。這一假設導出的結論和黑體輻射及光電效應的實驗結果符合。于是，19世紀初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現(xiàn)。

1911年，E.盧瑟福用α粒子散射實驗(見原子結構)發(fā)現(xiàn)原子的質量絕大部分以及內部的正電荷集中在原子中心一個很小的區(qū)域內，這個區(qū)域的半徑只有原子半徑的萬分之一左右，因此稱為原子核。這才使人們對原子的內部結構得到了一個定性的、符合實際的概念。在某些方面，原子類似一個極小的太陽系，只是太陽和行星之間的作用力是萬有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。

用經(jīng)典物理學來解釋原子的內部結構和原子發(fā)射出來的光的頻譜遇到了不可克服的困難。按照經(jīng)典電動力學理論，圍繞原子核運行的電子因加速運動會輻射電磁波，從而損失能量，電子軌道的半徑將逐漸縮小，放出的電磁波的頻率會愈來愈高，并連續(xù)改變；最后，電子因損失能量而落入原子核中。因此，原子不可能有穩(wěn)定的結構。但實驗表明：原子有很穩(wěn)定的結構，放出來的電磁波的頻譜并不連續(xù)，而是分立的，而且這種分立的頻譜具有明顯的規(guī)律性。

為了解釋原子的結構和原子光譜的規(guī)律，N.玻爾提出了他的氫原子理論，在經(jīng)典力學所容許的所有運動狀態(tài)中，只有那些電子的軌道角動量為的整數(shù)倍的狀態(tài)才是客觀規(guī)律所允許的狀態(tài)（見玻爾氫原子理論）。因此原子內部電子圍繞原子核運動的能量只能取一系列分立的數(shù)值，稱為能級。原子吸收或放出光子時，就從一個能級躍遷到另一個能級，光的頻率v和光子的能量E之間有如上述愛因斯坦光子假說的公式所表達的關系。光子的能量E為這兩個能級的能量差。玻爾的氫原子理論在解釋氫原子的結構和光譜時取得了很大的成功；但是用來研究氦原子結構時就遇到了困難。顯然，經(jīng)典物理學的可用范圍不包括微觀世界；而上述普朗克、愛因斯坦、玻爾的學說雖包含了微觀世界的部分真理，但都不是微觀世界物理現(xiàn)象的完整的基本理論。

原子物理學的基本理論是在20世紀20年代中期和后期由L.V.德布羅意、W.K.海森伯、E.薛定諤、P.A.M.狄喇克、W.泡利等所創(chuàng)建的量子力學和量子電動力學。它們區(qū)別于經(jīng)典力學和經(jīng)典電動力學的主要特點是：

①物理量所能取的數(shù)值常常是不連續(xù)的，當然，某些物理量在一定范圍內也可以取連續(xù)的數(shù)值；

②它們所反映的規(guī)律不是確定性的規(guī)律，而是統(tǒng)計規(guī)律。

這兩個特點之間又存在著密切的聯(lián)系。量子力學和量子電動力學應用于研究原子結構、原子光譜、原子發(fā)射、吸收、散射光的過程以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉化過程非常成功。理論結果同最精密的實驗結果相符合。

微觀客體的一個基本性質是波粒二象性。所有一切微觀粒子如：光子、電子、原子等都具有波粒二象性。對于所有微觀粒子，能量E和頻率v之間、動量p和波長λ之間都有如下的關系：。這兩個關系式表達了微觀客體的粒子性和波動性之間的深刻聯(lián)系。粒子和波是人在宏觀世界的實踐中形成的概念，它們各自描述了迥然不同的客體。但從宏觀世界實踐中形成的概念未必恰巧適合于描述微觀世界的現(xiàn)象?，F(xiàn)在看來，需要粒子和波動兩種概念互相補充，才能全面地反映微觀客體在各種不同的條件下所表現(xiàn)的性質。

這一基本特點的另一種表現(xiàn)方式是海森伯的測不準關系。這一關系說明：不可能同時測準一個粒子的位置和動量，位置測得愈準，動量必然測得愈不準；動量測得愈準，位置必然測得愈不準。測不準關系的表達式是：Δx·Δp≥h，式中Δx是位置測量的誤差，Δp是動量測量的誤差。

波粒二象性已經(jīng)包含在量子力學的數(shù)學形式中：在量子力學中物理量由算符表示，物理量所能取的數(shù)值就是算符的本征值，本征值常常是不連續(xù)的，粒子性就是這種不連續(xù)性的一種表現(xiàn)；物理狀態(tài)由波函數(shù)表達，波動性就是波函數(shù)所描述的統(tǒng)計性質的一種表現(xiàn)。

量子力學和量子電動力學產(chǎn)生于原子物理學研究，但是它們起作用的范圍遠遠超出原子物理學。量子力學是所有微觀、低速現(xiàn)象所遵循的規(guī)律，因此不僅應用于原子物理，也應用于分子物理學、原子核物理學以及宏觀物體的微觀結構的研究。量子電動力學則是所有微觀電磁現(xiàn)象所必須遵循的規(guī)律，直到現(xiàn)在，還沒有發(fā)現(xiàn)量子電動力學的局限性。

當所研究的現(xiàn)象中，坐標值和動量值的乘積遠遠大于h時，量子力學和量子電動力學所得到的結果就趨近于經(jīng)典力學和經(jīng)典電動力學所得到的結果。例如，觀察不到宏觀物體的波動性的原因是因為相應的波長太短。一個質量為1g的物體以1cm/s的速度運動，相應的波長為6×10-27cm，遠遠小于目前實驗技術所能測量出來的最小距離。因此經(jīng)典力學和經(jīng)典電動力學仍然是反映宏觀力學現(xiàn)象和宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律的很好的相對真理。

分子物理學研究原子如何結合成為分子，分子的內部結構、內部運動狀態(tài)、它的電學性質、磁學性質和光學性質等等。分子物理現(xiàn)象服從量子力學和量子電動力學所反映的規(guī)律。簡單的分子用量子力學和量子電動力學來分析處理，得到的結果和實驗結果相符合，但用量子力學和量子電動力學來處理復雜的分子，數(shù)學上非常復雜和困難，很難得到比較準確的結果。由于X射線衍射技術、中子衍射技術、激光技術等的發(fā)展，為研究分子提供了有力的實驗手段。生命物質內部的分子結構非常復雜，但應用現(xiàn)有的實驗技術已經(jīng)能夠對它們的結構包括細胞內染色體中攜帶遺傳密碼的分子結構進行詳細的分析。分子物理的實驗研究正在不斷取得進展。

量子統(tǒng)計力學

以量子力學為基礎的統(tǒng)計力學，稱為量子統(tǒng)計力學(見量子統(tǒng)計法)。經(jīng)典統(tǒng)計力學以經(jīng)典力學為基礎，因而經(jīng)典統(tǒng)計力學也具有局限性。例如：隨著溫度趨于絕對零度固體的比熱容趨于零的實驗現(xiàn)象，就無法用經(jīng)典統(tǒng)計力學來解釋。

在宏觀世界中，看起來相同的物體總是可以區(qū)別的；在微觀世界中，同一類粒子卻無法區(qū)分。例如：所有的電子的一切性質都完全一樣。在宏觀物理現(xiàn)象中，將兩個宏觀物體交換，就得到一個和原來狀態(tài)不同的狀態(tài)，進行統(tǒng)計時必須將交換前和交換后的狀態(tài)當作兩個不同的狀態(tài)處理；但是在一個物理系統(tǒng)中，交換兩個電子后，得到的還是原來的狀態(tài)，因此進行統(tǒng)計時，必須將交換前和交換后的狀態(tài)當作同一個狀態(tài)來處理。

微觀粒子還有其他特殊性。自旋為媡的半整倍數(shù)的粒子，如電子，服從費密-狄喇克統(tǒng)計，這類粒子統(tǒng)稱為“費密子”；自旋為媡的整數(shù)倍的粒子，如光子，服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(見全同粒子)，這類粒子統(tǒng)稱為“玻色子”。根據(jù)微觀世界的這些規(guī)律改造經(jīng)典統(tǒng)計力學，就得到量子統(tǒng)計力學。應用量子統(tǒng)計力學就能使一系列經(jīng)典統(tǒng)計力學無法解釋的現(xiàn)象，如黑體輻射、低溫下的固體比熱容、固體中的電子為什么對比熱的貢獻如此小等等，得到了合理的解釋。

固體物理學

固體物理學研究固體的性質，它的微觀結構及其各種內部運動，以及這種微觀結構和內部運動同固體的宏觀性質（如力學性質、熱學性質、光學性質、電磁性質等等）的關系。每立方厘米固體中包含巨量的原子，因此上述問題是多體問題。固體的內部結構和運動形式很復雜，這方面的研究是從晶體開始的，因為晶體的內部結構簡單，而且具有明顯的規(guī)律性，較易研究。以后進一步研究一切處于凝聚狀態(tài)的物體的內部結構、內部運動以及它們和宏觀物理性質的關系。這類研究統(tǒng)稱為凝聚態(tài)物理學。

固體中電子的運動狀態(tài)服從量子力學和量子電動力學的規(guī)律。在晶體中，原子（離子、分子）有規(guī)則地排列，形成點陣。20世紀初，M.von勞厄和布喇格父子發(fā)展了X射線衍射方法，用以研究點陣結構。第二次世界大戰(zhàn)以后，又發(fā)展了中子衍射方法，使晶體點陣結構的實驗研究得到了進一步發(fā)展。

在晶體中，原子的外層電子可能具有的能量形成一段一段的能帶(見固體的能帶)。電子不可能具有能帶以外的能量值。按電子在能帶中不同的填充方式，可以把晶體區(qū)別為金屬、絕緣體和半導體。能帶理論結合半導體鍺和硅的基礎研究，高質量的半導體單晶生長和摻雜技術，導致J.巴丁、W.H.布喇頓和W.肖克萊于1947～1948年發(fā)明了晶體管。

電子具有自旋和磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運動一起，決定了晶體的磁學性質，晶體的許多性質（如力學性質、光學性質、電磁性質等）常常不是各向同性的。作為一個整體的點陣，有大量內部自由度，因此具有大量的集體運動方式，具有各式各樣的元激發(fā)（見固體中的元激發(fā)）。晶體的許多性質都和點陣的結構及其各種運動模式密切相關，晶體內部電子的運動和點陣的運動之間相耦合，也對固體的性質有重要的影響。例如：H.開默林－昂內斯在1911年發(fā)現(xiàn)，金屬在低溫下有超導電性；江崎玲於奈在1960年發(fā)現(xiàn)超導體的單電子隧道效應。這些效應都和這種不同運動模式之間的耦合相關。

晶體內部的原子可以形成不同形式的點陣。處于不同形式點陣的晶體，雖然化學成分相同，物理性質卻可能不同。不同的點陣形式具有不同的能量：在低溫時，點陣處于能量最低的形式；當晶體的內部能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點陣就會轉變到能量較高的形式。這種轉變稱為相變。相變會導致晶體物理性質的改變。溫度不斷升高，晶體可以經(jīng)歷幾次相變。溫度升高了，晶體就會熔化為液體；溫度更高時，液體就會沸騰而轉化為氣體；溫度再升高，氣體中的分子就分解為原子；溫度再升高，原子就分解為離子和電子，氣體就轉化為等離子體。這些變化都稱為相變。相變是重要的物理現(xiàn)象，也是重要的研究課題。

點陣結構完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。實際晶體內部的點陣結構總會有缺陷；化學成分也不會絕對純，內部會含有雜質。這些缺陷和雜質對固體的物理性質（包括力學、電學、磁學、發(fā)光學等）以及功能材料的技術性能，常常會產(chǎn)生重要的影響。大規(guī)模集成電路的制造工藝中，控制和利用雜質和缺陷是很重要的。晶體的表面性質和界面性質，會對許多物理過程和化學過程產(chǎn)生重要的影響。所有這些都已成為固體物理研究中的重要領域（見晶體缺陷、晶粒間界、表面物理學）。

非晶態(tài)固體內部結構的無序性使得對于它們的研究變得更加復雜。非晶態(tài)固體有一些特殊的物理性質，使得它有多方面的應用。這是一個正在發(fā)展中的新的研究領域（見非晶態(tài)半導體、非晶態(tài)材料、非晶態(tài)材料的結構模型）。

固體物理對于技術的發(fā)展有很重要的作用。在晶體管發(fā)明以后，集成電路技術迅速發(fā)展，電子學技術、計算技術以至整個信息產(chǎn)業(yè)也隨之迅速發(fā)展。其經(jīng)濟影響和社會影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見。固體物理學也是發(fā)展具有特定物理性質（如：發(fā)光性質、磁學性質、電學性質）材料的基礎，這些材料對于工業(yè)技術的發(fā)展，往往有重要的作用。

原子核物理學

原子核是比原子更深一個層次的物質結構。原子核物理學研究原子核的性質，它的內部結構、內部運動、內部激發(fā)狀態(tài)、衰變過程、裂變過程以及它們之間的反應過程。在原子核被發(fā)現(xiàn)以后，曾經(jīng)以為原子核是由質子和電子組成的。1932年，J.查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，這才使人們認識到原子核是由質子和中子組成的。質子和中子統(tǒng)稱為核子，核子在原子核中的結合能遠大于電子在原子中的結合能。

中子不帶電。質子帶正電荷，因此質子間存在著靜電排斥力。萬有引力雖然使各核子相互吸引，但在兩個質子之間的靜電排斥力比它們之間的萬有引力要大到約1036倍。顯然，將核子結合成為原子核的既不可能是電磁相互作用，也不可能是萬有引力相互作用。自然界一定存在第三種基本相互作用──強相互作用。人們將核子結合成為原子核的力稱為核力。核力來源于強相互作用，在宏觀物理現(xiàn)象中，能夠直接觀察到萬有引力和電磁力，因為它們是長程力；但從未能直接觀察到核力，因為核力是短程力。從原子核的大小以及核子和核子碰撞時的截面估計，核力的力程約為10-13cm。

地球上的原子核絕大多數(shù)是穩(wěn)定的；只有一些質量很大的原子核在沒有外來影響下能自行轉化為質量較小的其他原子核。在這種自行轉化的過程中會放出射線。放出的射線有三種：一種由波長很短、能量很高的光子組成，相應的轉化過程是由電磁相互作用產(chǎn)生的;第二種射線由氦原子核組成，相應的轉化過程是強相互作用和電磁相互作用結合產(chǎn)生的;第三種射線由電子組成，在相應的轉化過程中還同時放出一種叫做中微子的粒子。中微子不帶電，質量非常小，可能等于零。中微子和物質的相互作用非常弱，直到20世紀50年代才在實驗中被探測到。因此，自然界還存在著一種遠較電磁相互作用為弱的第四種基本相互作用──弱相互作用。原子核放出電子和中微子的過程是由弱相互作用導致的。所有能自行轉化并放出射線的原子核統(tǒng)稱為放射性原子核。這種轉化過程稱為衰變過程。

原子核主要由強相互作用將核子結合而成，當原子核的結構發(fā)生變化或原子核之間發(fā)生反應時，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如鈾原子核）在吸收一個中子以后，會裂變成為兩個較輕的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量。兩個很輕的原子核也能熔合成為一個較重的原子核，同時放出很大的能量。這種原子核熔合過程也叫作聚變。

粒子加速器的發(fā)明和裂變反應堆的建成使人能夠獲得大量能量較高的質子、電子、光子、原子核和大量中子，用以轟擊原子核，以便系統(tǒng)地開展關于原子核的性質及其運動、轉化和相互作用過程的研究。

高能物理研究發(fā)現(xiàn)，核子還有內部結構。核子的半徑和原子核的半徑都是10-13cm數(shù)量級，因此原子核的內部結構很難和核子的內部結構截然分開。

原子核結構是一個遠較原子結構為復雜的研究領域。目前，已有的關于原子核結構，原子核反應和衰變的理論都是模型理論。其中一部分相當成功地反映了原子核的客觀規(guī)律。原子核的實驗研究和理論研究仍在探索和發(fā)展之中。

原子核物理的研究已經(jīng)產(chǎn)生了重要的社會效果。1kg鈾裂變時所釋放的能量相當于約2萬噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量。這就是原子彈爆炸和核發(fā)電站中的關鍵物理過程。1kg重氫原子核聚變?yōu)楹ぴ雍怂尫诺哪芰窟€要大幾倍。輕原子核聚變?yōu)檩^重的原子核并釋放能量的過程，就是太陽幾十億年來大量放光、放熱的能量來源，也是熱核爆炸的能量來源。海洋中有幾乎取之不盡的重氫，假使能使重氫的聚變反應有控制地進行，那么能源問題就將得到較徹底的解決。由于放射性同位素所放出的射線穿透力很強，能產(chǎn)生各種物理效應、化學效應和生物效應，這些射線又容易探測，因此放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學和科學研究中已經(jīng)有廣泛的應用。

等離子體物理學

等離子體物理研究等離子體的形成及其各種性質和運動規(guī)律。宇宙間的大部分物質處于等離子體狀態(tài)。例如：太陽系的物質絕大部分集中于太陽，太陽中心區(qū)的溫度超過107℃，太陽中的絕大部分物質處于等離子體狀態(tài)。地球高空的電離層也處于等離子體狀態(tài)。19世紀以來對于氣體放電的研究、20世紀初以來對于高空電離層的研究推動了對等離子體的研究工作。從20世紀50年代起，為了利用輕核聚變反應解決能源問題，促使等離子體物理學研究蓬勃發(fā)展。

等離子體內部存在著很多種運動形式，并且相互轉化著，高溫等離子體還有多種不穩(wěn)定性。因此等離子體研究是個非常復雜的問題。雖然知道了描述等離子體的基本數(shù)學方程，但這組方程非常難解，目前還很難用以準確預言等離子體的性質和行為。等離子體的實驗研究，因為因素復雜多變，所以難度也很大，目前精確度還不高?，F(xiàn)在正在大力進行這方面的研究，以期能夠發(fā)展出一套方法，使等離子體的溫度升高到一億度以上，并能控制它的不穩(wěn)定性，在足夠長的時間內，將它約束住，使熱核反應得以比較充分地進行下去。

粒子物理學

目前實驗上所能探測到的物質結構最深層次的研究稱為粒子物理學，也稱為高能物理學。在20世紀20年代末，人們曾經(jīng)認為電子和質子是基本粒子，后來又發(fā)現(xiàn)了中子。在宇宙線研究和后來利用高能加速器進行的實驗研究中，又發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不同種類的粒子。它們都能產(chǎn)生、消滅、相互轉化，連電子和質子也不例外。在條件具備時，電子和質子也能產(chǎn)生和消滅，轉化為其他粒子。這些粒子的性質很有規(guī)律性。看來它們不是以前所設想的永恒不變的、不可分割的基本粒子。所以現(xiàn)在將基本兩字去掉，統(tǒng)稱為粒子。

研究這些粒子，發(fā)現(xiàn)它們都是配成對的。配成對的粒子稱為正、反粒子。正、反粒子一部分性質完全相同，另一部分性質完全相反。例如：電子和正電子是一對正、反粒子。它們的質量和自旋完全相同，它們的電荷和磁矩完全相反。有一小部分正、反粒子，它們的所有性質完全相同。它們就是同一種粒子。光子就是這樣一種粒子。

另一個重要發(fā)現(xiàn)是，沒有一種粒子是不生不滅、永恒不變的，在一定條件下都能產(chǎn)生和消滅。例如：原來認為電子是不生不滅的和永恒不變的。后來發(fā)現(xiàn)，高能光子在原子核的電場中能轉化為一對電子和正電子。電子和正電子相遇，就會同時湮沒而轉化為兩個或三個光子。

在所有這些粒子中，光子是傳遞電磁相互作用的媒介，1983年發(fā)現(xiàn)的W+、W-和Z0中間玻色子是傳遞弱相互作用的媒介。但迄今還沒有在實驗上發(fā)現(xiàn)理論上預言的傳遞萬有引力的引力子和傳遞強相互作用的膠子。

除了光子和W+、W-、Z0中間玻色子以外，可以按照是否參與強相互作用，把實驗上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的粒子分為兩大類。①不參與強相互作用的粒子統(tǒng)稱為輕子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的輕子共有三代，每代兩種，共六種。與之相應，存在著六種反輕子。輕子和反輕子的自旋均為啚/2，因此都是費密子。②參與強相互作用的粒子統(tǒng)稱為強子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子中絕大部分是強子。實驗發(fā)現(xiàn)，強子有一定大?。ɡ纾汉俗拥陌霃酱笮?.8×10-13cm）。進一步實驗研究發(fā)現(xiàn)，強子內部還存在著帶點電荷的、可以在強子內部相當自由地運動的東西，因此強子具有內部結構（見強子結構）。強子內部帶點電荷的東西在國外稱為夸克；中國的部分物理學家稱之為層子，因為他們認為：即使層子也不是物質的始元，也只不過是物質結構無窮層次中的一個層次而已。組成已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的強子的層子也有三代，每代兩套，每套三種，共十八種。與之相應，存在十八種反層子。丁肇中和B.里希特在1974年發(fā)現(xiàn)的J/ψ粒子證明其中的一套層子：粲層子的存在（見粲偶素）。所有層子和反層子的自旋也都是啚/2，也都是費密子?？磥磔p子和層子的性質有不同處，也有很多相似處，它們之間可能存在著深刻的聯(lián)系。

雖然層子在強子內部可以相當自由地運動，但即使用目前加速器所能產(chǎn)生的能量最高的粒子束轟擊強子，也沒有能將層子、膠子打出來，使它們成為處于自由狀態(tài)的層子和膠子。將層子和膠子囚禁在強子內部是強相互作用所獨有的性質，這種性質稱為“囚禁”。

弱相互作用也有其獨特的性質。它的基本規(guī)律對于左和右，對于正、反粒子，對于過去和未來都是不對稱的。弱相互作用的規(guī)律對于左和右不對稱就是李政道和楊振寧在1956年所預言、不久以后在實驗上為吳健雄所證實的