现代物理学研究与学习方法-2007

现代物理学研究与学习方法赵建林西北工业大学理学院光信息科学与技术研究所2007-5-42NorthwesternPolytechnicalUniversity提纲1、物理学对20世纪的影响2、物理学的研究方法3、物理学研究的特点4、物理学家的气质与精神境界5、如何学习物理类课程2007-5-43NorthwesternPolytechnicalUniversity1、物理学对20世纪的影响™20世纪物理学的重要成就™物理学与材料科学™物理学与能源科学™物理学与生物医学™物理学与信息科学™物理学与社会和人文科学2007-5-44NorthwesternPolytechnicalUniversity20世纪发生过两次世界大战，加上无休止的局部战争，直接和间接死于战火的人数达1.6亿，超过了以往几个世纪中战争死亡人数的总和。许多国家产生了或消失了，分裂了或合并了，社会千变万化。然而，在这100年的时间跨度中，由于科学技术的巨大发展，世界经济和社会发生了巨大变化，而物理学被公认为整个科学技术发展中的最重要的带头学科。20世纪物理学的重要成就2007-5-45NorthwesternPolytechnicalUniversityX射线、放射性和电子的三大发现，揭开了近代物理学的序幕，也揭开了20世纪宏伟的科技交响曲的序幕。从1895年第一张X光片问世以来，这一新的医疗诊断技术不知救了多少人的命，放射性也在医疗和工农业生产各方面迅速获得广泛的应用。尽管老式的无线电报在现代城市间的通信中实际上已被淘汰，但这一远距离通信手段在其诞生后的100年间曾为人类提供了巨大的帮助。今天哪一个人不与电子打交道？20世纪物理学的重要成就2007-5-46NorthwesternPolytechnicalUniversity20世纪元年，普朗克通过黑体辐射的研究，建立了量子论，并且为物理学引入了一个普适常数——普朗克常数h。1905年，爱因斯坦建立了狭义相对论和光的量子论，为物理学引入了第二个普适常数——光速c，并推出了一个“改变世界的方程”——“质能关系式”：E=mc2。相对论和量子力学的诞生，诱发了物理学革命，使物理学的各个分支，如原子分子物理、凝聚态物理、核物理、光物理等，都得到了充分发展，同时促进了一些与物理学相关的交叉学科的发展，进而推动了整个科学技术的巨大进步。20世纪物理学的重要成就2007-5-47NorthwesternPolytechnicalUniversity1895年：发现X射线（伦琴）1896年：发现放射性（贝克勒尔）1897年：发现电子（J.J.汤姆逊）1898年：提炼出钋和镭（居里夫人）1900年：量子论诞生（普朗克）1901年：发明无线电报（马克尼）1905年：建立狭义相对论和光的量子论（爱因斯坦）1911年：发现原子核（卢瑟福），发现超导（昂内斯）1913年：建立原子模型（玻尔）1915年：建立广义相对论（爱因斯坦）1925-1926年：建立量子力学（海森堡，薛定谔）1932年：发现中子（查特威克）1939年：发现裂变（哈恩，斯特拉斯曼）1942年：第一个核反应堆建成（费米）1945年：原子弹爆炸（奥本海默等）1947年：发明晶体管（肖克莱，巴丁，布拉顿）1947-1955年：从电子管计算机到晶体管计算机1957年：人造卫星上天（前苏联）1958-1960年：发明激光（汤斯，肖洛，梅曼等）1961年：载人飞船上天（加加林）1969年：登上月球（阿姆斯特朗等）1970年以后：光纤通信逐步实用化1972-1978年：大规模集成电路计算机研制成功1978年以后：计算机大量普及1986年：发现高温超导（贝特诺兹，缪勒等）20世纪物理学的重要成就2007-5-48NorthwesternPolytechnicalUniversity激光器的发明者、1964年诺贝尔物理学奖获得者汤斯教授（2005.8长春）2007-5-49NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学与材料科学™对物质结构的认识™半导体™超导体™新型磁功能材料™非线性光学晶体™纳米材料™先进陶瓷与新型金属2007-5-410NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学与能源科学™热能™机械能™电能™太阳能™核能（裂变与聚变）2007-5-411NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学与生物医学™X射线™生物电磁效应™超声医学™放射医学™激光医学™粒子手术刀™CT和核磁共振成像技术™光谱仪、生物显微镜、STM及AFM2007-5-412NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学与信息科学™信息与信息载体™信息的获取™信息的传输™信息的处理与应用™光信息技术2007-5-413NorthwesternPolytechnicalUniversity光信息技术胶片、磁存储、光盘、全息存储、新型存储CRT、LCD、等离子、全息、发光二极管阵列，有机聚合物波导、耦合、隔离、偏振、中继、反馈点探测、面探测、光伏效应、光电导效应、热释电效应开关、偏转、调制、传感、复用激光及激光器、调Q、锁膜、移频、混频、变频解调、整形、补偿、放大、延迟、加、减、乘、除、微分、相关、卷积、共轭、滤波、频谱分析、逻辑光信息载体光信息探测光信息调制光信息传输光信息处理光信息存储光信息显示2007-5-414NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学与社会和人文科学™人类生活方式的改变™价值观念™伦理与道德观念2007-5-415NorthwesternPolytechnicalUniversity2、物理学的研究方法™模型方法™科学假说™类比方法™统一性™边缘、交叉、极限2007-5-416NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学中的模型™玻尔的原子轨道模型™原子与分子的振子模型™DNA分子的双螺旋结构模型™力学、电磁学及光学中的点、线模型2007-5-417NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学中的假说™光的波动说与微粒说™相对论的基本假说™量子假说与光量子假说™物质波假说2007-5-418NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学中的类比™电场与磁场的相似性™库仑定律与牛顿万有引力定律™静电场的保守性与重力场的保守性™电势能与重力势能™光的波粒二象性与实物粒子的波粒二象性™波动方程与薛定谔方程™费马原理与哈密顿原理™电信息处理与光信息处理2007-5-419NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学中的统一性™光子与实物粒子™空间与时间™质量与能量™电场与磁场™反射与折射™衍射与干涉™吸收与色散2007-5-420NorthwesternPolytechnicalUniversity光在物理学统一性中的地位现代物理学的范式中，构成实在的除空间、时间、能量、质量等四个基元外，还有第五元：光。自有史以来，无论光是表现为火这一奇迹，还是表现为太阳的养育生命的照射；无论光就是精质本身，或者只是精质的一部分，它都是最令人感到神秘的存在。在一切宗教中，光都占有突出的地位。现代物理学的发展表明，解启其它四种基元奥秘的钥匙，正存在于光这一事物之中。量子论和相对论各自发凡于一个有关未解的光的本性的事实。光以某种奇特的方式联系着空间、时间、能量和物质（质量）。爱因斯坦发现光速是不变的常值。这个不变的常数c在联系这四者的数学方程中起着重要的作用。2007-5-421NorthwesternPolytechnicalUniversity光在物理学统一性中的地位自然之精气生命之源泉光2007-5-422NorthwesternPolytechnicalUniversity3、物理学研究的特点™边界条件™近似条件™对称性与互补性™线性与非线性™量变与质变™逆反性与测不准关系2007-5-423NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学中的测不准关系™微观粒子的坐标与动量™微观粒子的能量与时间™时间带宽积™空间带宽积™时间相干性™空间相干性™衍射反比关系π2/hpx≥Δ⋅Δπ2/htE≥Δ⋅Δ10≈Δ⋅ντλθ≈Δ⋅0bπ4/1≥Δ⋅Δνtπ4/1≥Δ⋅Δux1=Δ⋅Δνt1=Δ⋅Δuxλθ=Δ⋅1a2007-5-424NorthwesternPolytechnicalUniversity4、物理学家的气质与精神境界™求真——追求真理™至善——追求完美™和谐——追求简洁与和谐™治学之道——境界与要诀™科学精神与合作精神——衡量优秀人才素质的重要标准2007-5-425NorthwesternPolytechnicalUniversity追求真理物理学是以实验为主的科学，研究自然界物质运动的规律，即“物”之“理”。物理学的发展表明，实践是检验真理的唯一标准。一切物理规律必须经过实验的证实才能够成为真理，但一切具体的真理都是相对的而非绝对的。只能通过相对真理的认识不断逼近绝对真理。既不可盲目地迷信历史上的权威和原有的认识，也不可一味地追求一种终极的理论。2007-5-426NorthwesternPolytechnicalUniversity追求真理物理学致力于把人从自然界中解放出来，帮助人类认识自己，促使人类的生活趋于高尚。物理学经历了数次革命（如牛顿力学的形成，能量守恒和转化定律的建立，麦克斯韦电磁理论的建立，相对论和量子力学的建立），每次革命都产生观念上的深刻转变。通过对原有理论模型的不足和片面之处的批判，从而提出新的理论模型。但是，新理论的建立决不是对旧理论的简单否定，而是一种批判性的继承和发展，是认识上的一种螺旋式的上升，它必须包含或溶化原有理论模型中经过实践检验为正确的那部分。2007-5-427NorthwesternPolytechnicalUniversity追求简洁与和谐几百年来，人们对物理学中所表现出的“简单、和谐和美”，赏心悦目，赞叹不已。事实上，对这三个词含义的理解，会不断地随时间而深化，物理学正是在这种追求自然的“简单、和谐与美”的过程中不断地再发现和再创造。2007-5-428NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学之完美物理规律在各自适用的范围内有其普遍的适用性（普适性）、统一性和简单性，这本身就是一种深刻的美。表达物理学的语言是数学，而且往往是非常简单的数学，这又是一种微妙的美。物理学家不仅发现了对称的美，也发现了不对称的美，更妙的是发现了对称中不对称的美与不对称中对称的美。2007-5-429NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学之和谐传统观念认为，只有将相同的东西放在一起才是和谐的，而物理学特别是量子物理学的发展却揭示出：“自然是从对立的东西产生和谐，而不是从相同的东西产生和谐。”“和谐”是一切物质运动的必然趋势。大到宇宙天体，小到基本粒子，其运动和变化过程都具有某种“和谐”性。2007-5-430NorthwesternPolytechnicalUniversity物理学之简洁物理学认为，一个多体体系是由单体组成的，单体的存在是多体存在的前提——复杂源于简单。™自然万物都是由一些简单的粒子构成的™任何复杂的运动（过程）均由一些简单运动（过程）构成™任何复杂的函数均由一些基元简谐函数的线性组合而构成2007-5-431NorthwesternPolytechnicalUniversity艺术与物理学艺术和物理学都是独特的语言形式。两者各有自己特有的符号库，并有自身专用的符号用法。这两套符号用法既彼此大不相同，又过于专门化，因此致使这两者之间的关联，以及它们同日常语言之间的关联变得十分隐蔽。然而，值得注意的是，在其中一门学科中出现的不少词语也会被用到另一外一门上。诸如“