物理学的发展

物理学的发展焦健斌山东大学物理与微电子学院2006.11.16引子奥妙的侦探故事设想有一个完美的侦探故事。这个故事告诉我们所有重要的线索，这样使我们不能不提出自己对事件真相的见解。如果我们仔细研究故事的构思，不等作者在书的结尾作出交代，我们就早已得到完满的解答了。宇宙的秘密正如这样一个完美的侦探故事。这个奥妙的侦探故事，至今还没有作出解答。我们甚至不能肯定它是否有一个最后的答案。但是阅读这本书已使我们得到许多收获。它已教会我们懂得自然界的基本语言，它使我们了解到许多线索，而且它是科学的历次艰苦发展中精神愉快和奋发的源泉。物理学概览物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这—目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。经典物理学的大厦牛顿（Newton）的绝对时空观被确立之后，不少人以为宇宙的一切都可以用物理公式来表示。十九世纪法国天文学家拉普拉斯（Laplace）即为一代表人物。他认为，给定了方程和初始条件，宇宙的一切都是可以预测的。在那个年代里面，凡是能被振荡的，能被加速的，能被干扰的，能被蒸馏的，能被化合的，能被称质量的，或能被变成气体的，他们都做到了；在此过程中，他们提出了一大堆普遍定律。这些定律非常重要，非常神气，直到今天我们还往往以大写来书写：光的电磁场理论、里氏互比定律、查理气体定律、体积结合定律、第零定律、原子价概念、质量作用定律等等，多得数也数不清。整个世界丁丁当当、喀嚓喀嚓地回响着他们发明创造出来的机器和仪器的声音。许多聪明人认为，科学家们已经没有多少事可干了。大厦的内部设施力学牛顿运动三定律：运动学的基本规律牛顿万有引力定律：动力学……………热力学第零定律：温度的概念…………一……：能量守恒，能量的概念宏观理论热学…………二……：熵的概念…………三……：绝对零度不能达到统计物理学：微观理论电磁学麦克斯韦电磁理论：电磁场的运动规律洛伦兹力规律：电磁场与带电物质间的相互作用光学光是电磁波！经典力学（I）经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。宏观是相对于原子等微观粒子而言的；低速是相对于光速而言的。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动。伽利略（GalileoGalilei，1564-1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。开普勒(JohannesKepler，1571-1630)是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。经典力学（II）牛顿深入研究了前人发现和总结的经验规律和初步的现象性理论，发现了宏观低速机械运动的基本规律，为经典力学奠定了基础。经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量。在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的意义。早在19世纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学科，它包含了丰富的内容。例如：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。*机械运动中，很普遍的一种运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。牛顿（IsaacNewton，1643-1727）英国伟大的科学家，经典物理学理论体系的建立者。热学、热力学和经典统计力学（I）热学是研究物质处于热状态时的有关性质和规律的物理学分支，它起源于人类对冷热现象的探索。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。热学、热力学和经典统计力学（II）热力学三定律是热力学的基本理论。19世纪中期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律。热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数──内能。热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。1854年克劳修斯引进一个函数：熵，并指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，这就是热力学第二定律的克氏表述。几乎同时，开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容。1912年能斯脱提出一个关于低温现象的定律：用任何方法都不能使系统到达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。焦耳（JamesPrescortJoule,1818～1889）英国杰出的物理学家。克劳修斯（RudolphClausius,1822～1888）德国物理学家，是气体动理论和热力学的主要奠基人之一。开尔文（BaronKelvinofLargs，1824—1907）是英国著名物理学家、发明家，原名WilliamThomson。他被看作英帝国的第一位物理学家。能斯脱(WaltherHermannNernst，1864~1941)，德国著名物理化学家。是电化学、溶液理论、低温物理和光化学等领域的奠基者之一。热学、热力学和经典统计力学（III）深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。非平衡统计力学所研究的问题复杂，直到20世纪中期以后才取得了比较大的进展。在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性的，认识到的只是相对的真理，经典力学和以经典力学为基础的经典统计力学也是这样。经典力学应用于原子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就显示出来，因而发展了量子力学。与之相应，经典统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。经典电磁学、经典电动力学（I）电磁学是研究电、磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。经典电磁学、经典电动力学（II）19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。奥斯特(HansChristianOersted，1777—1851)，丹麦物理学家，电磁学的主要奠基人之一。安培(AndréMarieAmpère1775～1836年)，法国物理学家，对数学和化学也有贡献。电动力学的首创者。法拉第(MichaelFaraday，1791—1867)是19世纪电磁学领域中最伟大的实验物理学家。经典电磁学、经典电动力学（III）在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。麦克斯韦（JamesClerkMaxwell，1831～1879）英国物理学家，经典电磁理论的奠基人。19世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。并提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，即麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，肯定了光也是一种电磁波。电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力，洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦兹力。洛伦兹(HendrikAntoonLorentz，1853—1928)是荷兰物理学家、数学家。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。光学和电磁波光学研究光的性质及其和物质的各种相互作用，光是电磁波。17世纪对光的本质提出了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。19世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证明光是电磁波。20世纪初又发现光具有粒子性，人们在深入入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二象性。光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构的非常有效的方法。物质所放出来的光携带着关于物质内部结构的重要信息。在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。在物理学其后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代物理学中，场的概念已经远远超出了电磁学的范围，成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。十九世纪的“乌云”动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”‘Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.’-----W.Thomson《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》(I).经典理论无法解释地球穿过以太的运动机制(II).能量均分概念提不出分子模型的构造危机就是转机地球穿过以太的运动机制迈克尔逊-莫雷实验时空相对性，质能转换相对论能量均分概念提不出分子模型的构造黑体辐射研究中的困境能量量子化，波粒二象性量子力学两朵乌云VS.两个发现爱因斯坦爱因斯坦(AlbertEinstein，1879-1955)，举世闻名的德裔美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人。狭义相对论和相对论力学爱因斯坦从这些实验事实出发，对空间、时间的概念进行了深刻的分析，提出了狭义相对论，从而建立了新的时空观念。狭义相对论的基本假设是：①在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，都可用同一组数学方程来表达；②对于任何一个光源发出来的光，在一切惯性参照系中测量其传播速率，结果都相等。在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的。因此尺的长短，时间的长短都是相对的。但在狭义相对论中，并不是一切都是相对的。相对论力学的另一个重要结论是：质量和能量是可以相互转化的。假使质量是物质的量的一种度量，能量是运动的量的一种度量，则上面的结论：物质和运动之间存在着不可分割的联系，不存在没有运动的物质，也不存在没有物质的运动，两者可以相互转化。这一规律己在核能的研究和实践中得到了证实。广义相对论和万有引力的基本理论狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用，它的传递不需要时间，产生和到达是同时的。这同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛盾。因此，必须对牛顿的万有引力定律也要加以改造。改造的关键来自厄缶的实验，它以很高的精确度证明：惯性质量和引力质量相等，固此不论行星的质量多大多小，只要在某一时刻它们的空间坐标和速度都相同，那末它们的运行轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想：万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现，从而提出了广义相对论。根据广义相对论，空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲