物理学导论

大学物理导论——凝聚态物理前沿周剑平陕西师范大学物理学与信息技术学院[e-mail]2012.10.19CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU什么是物理学?物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。——没有物理学，便不会有当今的科学技术！只有通过精心组织,才能汇聚起如此浩瀚庞大又扎实有据的真理,也和表述才能一样,将杂乱无章整理得井然有序的才能是一种富有创造性的才能,也许简直就是同一才能的不同侧面。从原先无数孤立现象的真理之中涌现了存在于它们之间关系的真理:用这种方式一个世界就创造出来了。———HugovonHoffmannstahl参考书目冯端金国钧凝聚态物理学（上卷）高等教育出版社2003张礼近代物理学进展（第2版）清华大学出版社2009CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU什么是物理学?处在这日益专业化的时代之中,得以认识到基本物理概念可能应用于一大批看起来五花八门的问题,是令人欣慰的。在理解某一领域所获得的进展常常可以应用于其它领域,这不仅对材料科学的众多领域是确实的,对广义而言的物质结构亦复如此。作为阐述的例证,为理解磁性、超流动性与超导电性所发展的概念也被推广和应用于多样的领域,如核物质,弱与电磁相互作用,高能物理学中的夸克结构与众多的液晶相。———JohnBardeenCollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU物质结构的不同层次从原子物理学到原子核物理学,最终进入粒子物理学,处处可见还原论的踪迹。气体、液体与固体都被分解为分子或原子的聚集体;原子又被分解为原子核与电子;原子核被分解为质子和中子;这些再被分解为夸克、胶子。在每个还原阶段中呈现为准稳态的粒子,曾被误认为‘基本’粒子。在每一还原阶段,长度的尺寸急剧缩短而能量的尺度急剧上升。CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU物质结构的不同层次理论方法：量子物理、统计物理与经典物理凝聚现象：有序化，对称性降低白纸称为无极，画上一个圆圈，称为无极生太极（宇宙），中间一条曲线分成黑白两个部分，称为太极生两仪，CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU物质结构的不同层次宇宙学、粒子物理的奇妙衔接物质世界的时间尺度宇宙年龄：130~200亿年~1018s星系形成：50亿年地球年龄：4.6×109年=1017s大气形成：8×108年=1016s生命的诞生：约40亿年脊椎动物：约6亿年人类出现：约500万年地球公转3×107s地球自转2.6×106s百米跑10s市电周期10-2s中子寿命10-3s介子寿命10-8~10-17s中间玻色子寿命~10-24sCollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU物质世界的质量层次1050s~10-30,共计跨越了80个数量级科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到的微小粒子组成的。CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU自然界的基本相互作用种类引力弱力电磁力强力作用对象所有粒子大多数粒子带电粒子强子作用距离(cm)10-1010-13相对强度(10-13cm)传递作用的基本粒子引力子？中间玻色子光子(γ)胶子(g)1∞∞10-3810-1310-2迄今为止，人类了解得最多的是电磁力，了解得最早但最少的是引力。CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU物理理论的发展趋势地球引力Newton经典力学(万有引力)天体引力Einstein相对论力学电磁Maxwell光电动力学GlashowSalamWeinberg弱相互作用规范场弱电统一理论大统一理论？强相互作用设想的超对称大统一理论？CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU物理学引起的技术革命第一次工业革命（17~18世纪）：建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一系列机械的产生和应用。第二次工业革命（19世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现和应用。第三次工业革命（20世纪）：建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。物理学与技术关系的两种模式技术物理技术（如：热学）物理技术物理（如：电磁学）CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU物理学推动技术革命电子和信息技术的物理基础1925年量子力学建立1929年能带理论提出并得到证实，从理论上解释了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；1947年发明晶体管（获1956年诺贝尔物理奖）1962年制成集成电路（IC）70年代末大规模和超大规模集成电路（VLIC）90年代量子力学新发展量子信息学：量子通信，量子计算机CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU物理学的基本框架时间t关键理论的发展力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900力学（实物粒子）电磁学（场）热力学统计物理（多粒子体系）相对论力学量子力学量子统计物理相对论量子力学相对论量子场论经典物理现代物理弦论？CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU基础课程需要学习的基础课程：力学、热学、电学、光学、原子物理学（包含了19世纪前的物理学内容）需要学习的基础课程：量子力学、统计力学、电动力学、固体物理学、相对论深入学习课程：高等量子力学、量子场论、量子统计物理、固体理论、电磁理论、固体力学等近代物理需要数学：解析几何、数学分析、线性代数、数理方程、特殊函数、复变函数现代物理需要数学：群论、拓扑学、微分几何、泛函分析、函数论CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU19世纪的三大发现一.电子的发现J.J.汤姆逊设计了一系列实验，以无可辩驳的事实确证了阴极射线是带负电的粒子流。二.X射线的发现伦琴德国物理学家。1901年，伦琴因发现X射线获首届诺贝尔物理奖。三.天然放射性的发现铀盐的放射性的发现----贝克勒尔钋和镭的发现--------------居里夫人α、β、γ射线的发现------卢瑟福三大发现打破了几百年来形成的物质不灭、能量守恒、原子不可分等传统观念，揭开了物理学革命的序幕，CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU辉煌的物理大厦与两朵乌云19世纪末，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门——力学、热力学和分子运动论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，伟大的发现不会再有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。然而，正在这个时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现，打破了沉闷的空气，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。1900年4月27日，开尔文在英国皇家学会以《19世纪热和光的动力理论上空的乌云》为题的长篇演讲中，虽然认为物理学是万里晴空，但又说：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。（Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds）CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU第一朵乌云“以太”学说相对性原理是经典力学的一个最基本的原理，原理认为，绝对静止和绝对匀速运动都是不存在的，一切可测量的、因而也是有物理意义的运动，都是相对于某一参照物的相对运动。牛顿本人也充分意识到了确定“绝对运动”的困难，最后只能以臆测性的“绝对空间”的存在作为避难所。麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在，或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动。美国物理学家迈克尔逊在1881年，和莫雷在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实验，未能观察到所预期的以太相对于地球的运动CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU洛仑兹变换1895年，洛仑兹发表了题为《运动物体中电磁现象和光现象的理论研究》的论文。这篇论文讨论了在相对运动与相对静止参照系间，同一物理现象间的坐标变换问题，在一级近似下，提出了洛仑兹变换关系。这一工作对以后的狭义相对论理论体系有着重要的意义。1905年5月，洛仑兹完成了《速度小于光速系统中的电磁现象》的论文。在这篇论文中，他发表了著名的时空相对论变换公式，这就是后来所称的洛仑兹变换式，并且进一步证明了，在洛仑兹变换下，电磁方程具有不变形式。在这篇论文中，他还给出了两点极为重要的给论，一个是粒子质量随速度变化的公式，一个是粒子在以太中运动的速度不可能大于光速。第一朵乌云“以太学说”导致了相对论的产生。CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU第二朵乌云“紫外灾难”19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难。物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差甚远，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。第二朵乌云“紫外灾难”导致了量子力学的产生。量子力学一确立,原子系统微观动力学的疑谜就迎刃而解,使物理学家欣慰异常,下一步将如何呢?CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU量子力学的发展一条途径是从原子物理出发,探测更加微观的领域,深入到核物理学与亚核物理学的新世界,为了追求难以捉模的‘基本粒子’,建造了好几代的高能加速器,一大堆轻子、夸克、胶子与中间玻色子被先后发现或推断出来,构成了物理学在微观方面的前沿。另一途径是对宇宙进行探索。广义相对论用弯曲时空来描述宇宙,标志了近代宇宙论的开端,近代天体物理学带来了目不暇接的观测数据,提出了众多疑难问题向理论物理学家挑战。令人惊讶的是物理学这两大前沿,表面上南辕北辙,分别面向极小尺度和极大尺度的世界,实质上却奇妙地汇合为一体,而具有两付面孔分别朝向极小与极大这两大前沿。高能物理学提供了早期宇宙的考古信息,而星球与宇宙则提供了巨大无比的实验室,用以检测和甄别基本物理学的各种理论。CollegeofPhysicsandInformationTechnology,SNNU物理学发展趋向学科之间的大综合，相互渗透结合成边缘学科。生物物理、生物化学、物理化学、量子化学、量子电子学、量子统计力学、固体量子论等物理学家通过量子力学来说明原子、电子等小粒子是如何运动的。爱因斯坦也提出了广义相对论来解释银河系等天体系统的运行。这两种理论都发挥了很好的作用，但二者却互不相容。量子物理学无法解释大物体，相对论不能说明小粒子。相比之下