物理科学发展和前沿动态

“物理”一词最早出现于希腊文，原意是指自然。古时欧洲人称呼物理学作“自然哲学”。物理学是一种自然科学，主要研究的是物质，在时空中物质的运动，和所有相关概念，包括能量和作用力。更广义地说，物理学是对于大自然的研究分析，目的是为了要明白宇宙的行为。物理学的发展历史可以追溯到两千多年以前，人们对于大自然的好奇催生了物理学这门学科。物理学的发展经历了很长的一段时间，可以说物理学是一门历史最悠久的自然科学。在过去两千年，物理学与哲学，化学等等经常被混淆在一起，相提并论。直到十六世纪科学革命之后，才单独成为一门现代科学。现在，物理学已成为自然科学中最基础的学科之一。然而经典物理学的大厦的建立还是要归功于牛顿的经典理论。十五世纪末叶，资本主义生产关系的产生，促进了生产和技术的大发展；席卷西欧的文艺复兴运动，解放了人们的思想，激发起人们的探索精神。近代自然科学就在这种物质的和思想的历史条件下诞生了。系统的观察实验和严密的数学演绎相结合的研究方法被引进物理学中，导致了十七世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立，标志着近代物理学的诞生。整个十八世纪，物理学处在消化、积累、准备的渐进阶段。新的科学思想、方法和理论，得到了传播、完善和扩展。牛顿力学完成了解析化工作，建立了分析力学；光学、热学和静电学也完成了奠基性工作，成为物理学的几门基础学科。人们以力学的模型去认识各种物理现象，使机械论的自然观成为十八世纪物理学的统治思想。到了十九世纪，物理学获得了迅速和重要的发展，各个自然领域之间的联系和转化被普遍发现，新数学方法被广泛引进物理学，相继建立了波动光学、热力学和分子运动论、经典电磁场理论等完整的、解析式的理论体系，使经典物理学臻于完善。由物理学的巨大成就所深刻揭示的自然界的统一性，为辨证唯物主义的自然观提供了重要的科学依据。十九世纪末叶物理学上一系列重大发现，使经典物理学理论体系本身遇到了不可克服的危机，从而引起了现代物理学革命。由于生产技术的发展，精密、大型仪器的创制以及物理学思想的变革，这一时期的物理学理论呈现出高速发展的状况。研究对象由低速到高速，由宏观到微观，深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部，对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识，产生了重大的变革。相对论的量子力学的建立，克服了经典物理学的危机，完成了从经典物理学到现代物理学的转变，使物理学的理论基础发生了质的飞跃，改变了人们的物理世界图景。1927年以后，量子场论、原子核物理学、粒子物理学、天体物理学和现代宇宙学，得到了迅速的发展。物理学向其它学科领域的推进，产生了一系列物理学的新部门和边缘学科，并为现代科学技术提供了新思路和新方法。现代物理学的发展，引起了人们对物质、运动、空间、时间、因果律乃至生命现象的认识的重大变化，对物理学理论的性质的认识也发生了重大变化。现在越来越多的事实表明，物理学在揭开微观和宏观深处的奥秘方面，正酝酿着新的重大突破。现代物理学的理论成果应用于实践，出现了象原子能、半导体、计算机、激光、宇航等许多新技术科学。这些新兴技术正有力地推动着新的科学技术革命，促进生产的发展。而随着生产和新技术的发展，又反过来有力地促进物理学的发展。这就是物理学的发展与生产发展的辨证关系。20世纪初物理学发生了三件大事，一是1905年的狭义相对论；二是1915年的广义相对论；三是1925年的量子力学。而量子力学的诞生则在当时物理界很大范围的人们思想中，意味着宣告了经典物理大厦的彻底崩溃，或者说是与过去的物理学理论体系告别。以后又随之产生了量子场论。相对论和量子力学是20世纪物理学中的两次重要革命。其间，物理界各学派分门别类的在争论中努力勤奋的研究推动了物理学的加速发展。这当中比较突出的是超弦理论，甚至该派别的一些著名学者将它称誉为20世纪物理学的第三次革命。物质科学将物质运动规律归于由物质（粒子）间的四种基本相互作用的结果。这四种基本力是：一、强力。它是四种基本力中最强的，作用距离最短的，它束缚了夸克形成质子和中子，束缚住质子和中子形成了原子核。二、电磁力。是第二强的力，它在带电荷的粒子之间作用。是一种长距离作用力。三、弱力。是第二弱的力，作用于物质粒子之间的短距离作用力。四、引力。是最弱的一种长距离作用力，在所有物质之间发生作用。量子力学的大统一理论（GUT）中，是一种统一电磁力、强力和弱力的理论，并不含有引力。而对引力的研究主要在广义相对论中，引力被描述为弯曲的空间——时间的曲率。爱因斯坦生前建立的统一场论只含有引力与电磁力而不含有强力和弱力，但最后未能获得成功。在1956年以前人们都相信，物理定律分别服从三个叫C、P和T的对称；C——电荷对称，是指粒子与反粒子定律相同；P——宇称对称，指任何情景与它的镜象定律不变；T——时间对称，指前进与后退的时间性方向定律一样。1956年美籍华裔科学家李政道、杨振宁关于弱相互作用下宇称不守恒的发现掀起物理学的轩然大波。同年，他们的同事吴健雄用实验证明了他们的预言，她在磁场中排列放射性元素的核，使他们自旋方向相同，发现电子在不同旋向发射量不同。李、杨二人为此获得1957年度诺贝尔物理学奖。1964年美国科学家克罗宁和瓦尔发现K介子的衰变中连CP联合守恒也不服从。他们共同获得1980年度诺贝尔物理学奖。许多诺贝尔物理学奖是因为显示出“宇宙并不象我们预计的那么简单”的规律而被授予的。1964年科学家提出了电荷宇称不守恒，但一直还没有能力给予直接证明。历来无用置疑的CPT守恒竟然也会出麻烦，这到底是不可思议，还是必然的自然规律，科学永远在不断的创新中进步。1996年欧洲核子研究所宣布制造出九颗反氢原子，成为轰动全球的科技大新闻。反物质存在与否成了物理学界新的一个研究课题。在描述一切微观粒子的量子场论中，从狄拉克方程可以推导出反粒子的概念。通常说法是每个类型的物质粒子都有与其相应的反粒子，当它与粒子碰撞时它们就湮灭，只留下能量。如果反粒子存在则反原子、反物质、反星球、反星系全要出现了。然而所有这些，天文学家却从来也没有观察到过。20世纪60年代苏联物理学家萨哈罗夫说：“源于宇宙大爆炸初期由于CP不守恒（电荷、宇称不守恒）形成的粒子和反粒子有十亿分之一的微小差异，相互湮灭后仅留下1个粒子，构成了宇宙，所以见不到反物质世界。”他得到不少人支持。但是美籍华裔物理学家丁肇中不以为然，他认为萨氏理论很难证实。丁博士是以寻找稀奇物质著称的，1976年他因发现丁粒子而获得诺贝尔物理学奖。他牵头研制了反物质频谱仪进行宇宙射线太空实验。重点希望放在只可能产生于反恒星的反碳核上；人们拭目以待是否真有这种足以倾翻宇宙学的反粒子存在试验从2001年2月在阿尔法国际空间站上，进行为期三年的探测。同时担负有搜索暗物质的重任。暗物质是摆在天体研究者面前的两大谜之一。第一个谜是类星体，最早发现于1961年，体积与太阳差不多，能量却超过太阳1018倍，亮度可达1000个银河系亮度的总和，推断其寿命有1000万年，已知宇宙中至少有100万个类星体，它们的发能方式是远远超过核能的人类尚不了解的方式，人类对类星体仍一无所知。第二个谜就是暗物质，它占据有人类已知物质九倍以上的质量，而人们用光学、红外线、放射等手段都发现不了遍布宇宙中的它们。目前，人类已经具备了对小至10-17米的微粒，大到150亿光年（×1027米）左右的整个宇宙进行研究。而牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦的狭义相对论与广义相对论方程、狄拉克方程和其它五、六个方程则都是物理学理论的最重要的组成。20世纪物理科学在经典物理学的基础上取得了四大突破：一、相对论在宏观宇宙中突破了经典力学的时空观，建立了新的引力理论。二、量子力学突破了经典学的直观描述方式及单值决定论，用概率波揭示了微观世界的统计性规律。三、量子场论突破了经典物理中粒子与场（波）的对立，揭示了物质世界的起源的统一理论范畴。四、对对称和守恒量的认识的突破，成为探索未来奥秘的锐利武器。目前，世界上面临着四个最大的科学难题：一、人体基因结构。它直接关系到人类的生存命运。二、宇宙中的暗物质。它占据着整个宇宙质量的90%，而人类却对它还一无所知。三、受控核聚变。已知7克氢核燃料能产生相当于6吨煤的能量；而氢核燃料是可取之不尽地从海水中提取，然而人类却计穷于无法利用它。四、生命起源。我们是从哪里来的，又将要到哪里去，人类又该如何无限延续自己的生存。如果能揭开这些谜，对人类、对整个世界都将带来巨大的变化。综观物理学的发展史，牛顿所创建的经典力学从它的形成与发展经历了几千年的风风雨雨，是久经考验而成熟的不朽史篇。无论说，牛顿是站在巨人肩上摘取物理学明珠的伟人，或是他本人就是让其他科学家站在他肩上收获物理学光辉硕果的巨人，他对人类所作出的巨大贡献功不可没。世界在前进，科学永远在发展中进步。千百年来为人类构筑美好舒适的物理环境的经典力学。当人们视野不满足于仅仅是看得见，摸得着的那一小点宏观范围；对宏观大到遥不可及的宇宙天际；对小到以往难以想象的微观世界的微粒；到19世纪末，它的知识范畴终于难以满足人们的好奇心及新的需求了。20世纪初，物理学迈入了划时代的量子力学领域，爱因斯坦是这个新时代的领路人，他是历史上继牛顿后最伟大的科学家。他所创建的相对论，在大尺度宏观物理领域，将人们的观念开始从地球上一直深入到150亿光年之遥的宇宙太空；在他发现光子理论的基础上而涌现出的量子理论学派则深入到了比原子核还要渺小的多的微观世界中去了。自爱因斯坦后杰出的物理学家霍金，宇宙学和黑洞是他的两个主要研究领域，他证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性。也许，不久的将来人类的星际旅行就不再是梦。伴随着时代的发展，物理学不断向更高的境界纵深发展。它不仅是研究物质的基本结构和运动的基本规律的科学，同时还肩负着为所有自然科学提供统一的理论基础的重任。时代正向它提出了不断将物质分解成更微观层次的微粒的任务。希望能将物质统一到真正不可再分的基本粒子和能量。以创造新的未来。爱因斯坦曾经说过：“大统一论是物理学皇冠上的那颗钻石。”霍金说：“在谨慎乐观的基础上，我仍然相信，我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点。”物理学家的最高使命也正是要得到那些普遍的基本定律；著名的“奥卡姆剃刀”原理：“对于给定现象的最好解释通常是最简单、假设最少的那个。”而人们所需要的是用普通人能够理解的常用比喻和普通语言将其明确表达出来。哥白尼说：“人的天职在勇于探索真理。科学的精神就在于不断探索，永远向前！”