物 理 學(xué) 概 覽

1、物 理 學(xué) 概 覽                  物理學(xué)是研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式、性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面，從而認(rèn)識(shí)這些結(jié)構(gòu)的組成元素及其相互作用、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律的科學(xué)。物理學(xué)的各分支學(xué)科是按物質(zhì)的不同存在形式和不同運(yùn)動(dòng)形式劃分的。人對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)來(lái)自于實(shí)踐，隨著實(shí)踐的擴(kuò)展和深入，物理學(xué)的內(nèi)容也在不斷擴(kuò)展和深入。隨著物理學(xué)各分支學(xué)科的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的不同存在形式和不同運(yùn)動(dòng)形式之間存在著聯(lián)系，于是各分支學(xué)科之間

2、開(kāi)始互相滲透。物理學(xué)也逐步發(fā)展成為各分支學(xué)科彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一整體。物理學(xué)家力圖尋找一切物理現(xiàn)象的基本規(guī)律，從而統(tǒng)一地理解一切物理現(xiàn)象。這種努力雖然逐步有所進(jìn)展，但現(xiàn)在離實(shí)現(xiàn)這目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)?？磥?lái)人們對(duì)客觀世界的探索、研究是無(wú)窮無(wú)盡的。 經(jīng)典力學(xué) 經(jīng)典力學(xué)是研究宏觀物體做低速機(jī)械運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象和規(guī)律的學(xué)科。宏觀是相對(duì)于原子等微觀粒子而言的；低速是相對(duì)于光速而言的。物體的空間位置隨時(shí)間變化稱(chēng)為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。人們?nèi)粘Ｉ钪苯咏佑|到的并首先加以研究的都是宏觀低速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。自遠(yuǎn)古以來(lái)，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要確定季節(jié)，人們就進(jìn)行天文觀察。16世紀(jì)后期，人們對(duì)行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)、精密的觀察。17世紀(jì)開(kāi)普勒從這些

3、觀察結(jié)果中總結(jié)出了行星繞日運(yùn)動(dòng)的三條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。差不多在同一時(shí)期，伽利略進(jìn)行了落體和拋物體的實(shí)驗(yàn)研究，從而提出關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的初步理論。牛頓深入研究了這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律和初步的現(xiàn)象性理論，發(fā)現(xiàn)了宏觀低速機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，為經(jīng)典力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。亞當(dāng)斯根據(jù)對(duì)天王星的詳細(xì)天文觀察，并根據(jù)牛頓的理論，預(yù)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(xué)定律和萬(wàn)有引 (此 資 料 轉(zhuǎn) 貼 于 ) 力定律被普遍接受了。經(jīng)典力學(xué)中的基本物理量是質(zhì)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和動(dòng)量：一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)在某一時(shí)刻的狀態(tài)，由它的某一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在這一時(shí)刻的空間坐標(biāo)和動(dòng)量表示。對(duì)于一個(gè)不受外界影響，也不影響外界，不包含其他運(yùn)

4、動(dòng)形式(如熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)等)的力學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的總機(jī)械能就是每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和動(dòng)量的函數(shù)，其狀態(tài)隨時(shí)間的變化由總能量決定。在經(jīng)典力學(xué)中，力學(xué)系統(tǒng)的總能量和總動(dòng)量有特別重要的意義。物理學(xué)的發(fā)展表明，任何一個(gè)孤立的物理系統(tǒng)，無(wú)論怎樣變化，其總能量和總動(dòng)量數(shù)值是不變的。這種守恒性質(zhì)的適用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典力學(xué)的范圍，現(xiàn)在還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們的局限性。早在19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)就已經(jīng)成為物理學(xué)中十分成熟的分支學(xué)科，它包含了豐富的內(nèi)容。例如：質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、剛體力學(xué)、分析力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、流體力學(xué)等。經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用范圍，涉及到能源、航空、航天、機(jī)械、建筑、水利、礦山建設(shè)直到安全防護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)然，工

5、程技術(shù)問(wèn)題常常是綜合性的問(wèn)題，還需要許多學(xué)科進(jìn)行綜合研究，才能完全解決。 機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，很普遍的一種運(yùn)動(dòng)形式就是振動(dòng)和波動(dòng)。聲學(xué)就是研究這種運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化和吸收的分支學(xué)科。人們通過(guò)聲波傳遞信息，有許多物體不易為光波和電磁波透過(guò)，卻能為聲波透過(guò)；頻率非常低的聲波能在大氣和海洋中傳播到遙遠(yuǎn)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(shù)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域；非常強(qiáng)的聲波已經(jīng)用于工業(yè)加工等。 熱學(xué)、熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué) 熱學(xué)是研究熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)，研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)下的性質(zhì)及其變化的學(xué)科。人們很早就有冷熱的概念。對(duì)于熱現(xiàn)象的

6、研究逐步澄清了關(guān)于熱的一些模糊概念(例如區(qū)分了溫度和熱量)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)始探索熱現(xiàn)象的本質(zhì)和普遍規(guī)律。關(guān)于熱現(xiàn)象的普遍規(guī)律的研究稱(chēng)為熱力學(xué)。到19世紀(jì)，熱力學(xué)已趨于成熟。物體有內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，因此就有內(nèi)部能量。19世紀(jì)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究證明：熱是物體內(nèi)部無(wú)序運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，稱(chēng)為內(nèi)能，以前稱(chēng)作熱能。19世紀(jì)中期，焦耳等人用實(shí)驗(yàn)確定了熱量和功之間的定量關(guān)系，從而建立了熱力學(xué)第一定律：宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量與內(nèi)能可以互相轉(zhuǎn)化。就一個(gè)孤立的物理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不論能量形式怎樣相互轉(zhuǎn)化，總的能量的數(shù)值是不變的，因此熱力學(xué)第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的一種表現(xiàn)。 在卡諾研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，克勞修斯等科學(xué)家提出了熱力學(xué)第二定律，

7、表達(dá)了宏觀非平衡過(guò)程的不可逆性。例如：一個(gè)孤立的物體，其內(nèi)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(dá)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(guò)程是不可能的，即這個(gè)孤立的、內(nèi)部各處溫度都相等的物體，不可能自動(dòng)回到各處溫度不相同的狀態(tài)。應(yīng)用熵的概念，還可以把熱力學(xué)第二定律表達(dá)為：一個(gè)孤立的物理系統(tǒng)的熵不會(huì)著時(shí)間的流逝而減少，只能增加或保持不變。當(dāng)熵達(dá)到最大值時(shí)，物理系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。 深入研究熱現(xiàn)象的本質(zhì)，就產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)力學(xué)。統(tǒng)計(jì)力學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)中統(tǒng)計(jì)分析的方法，研究大量粒子的平均行為。統(tǒng)計(jì)力學(xué)根據(jù)物質(zhì)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(zhì)和

8、行為的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，是理論 非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)所研究的問(wèn)題復(fù)雜，直到20世紀(jì)中期以后才取得了比較大的進(jìn)展。對(duì)于一個(gè)包含有大量粒子的宏觀物理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)處于無(wú)序狀態(tài)的幾率超過(guò)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(wú)序的狀態(tài)，在熱力學(xué)中，這就相應(yīng)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(guò)渡。平衡態(tài)附近的主要非平衡過(guò)程是弛豫、輸運(yùn)和漲落，這方面的理論逐步發(fā)展，已趨于成熟。近2030年來(lái)人們對(duì)于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的物理系統(tǒng)，如耗散結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了廣泛的研究，取得了很大的進(jìn)展，但還有很多問(wèn)題等待解決。在一定時(shí)期內(nèi)，人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)總是有局限性的，認(rèn)識(shí)到的只是相對(duì)的真理，經(jīng)

9、典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)也是這樣。經(jīng)典力學(xué)應(yīng)用于原子、分子以及宏觀物體的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，其局限性就顯示出來(lái)，因而發(fā)展了量子力學(xué)。與之相應(yīng)，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)也發(fā)展成為以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)。經(jīng)典電磁學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué) 經(jīng)典電磁學(xué)是研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)的學(xué)科。人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負(fù)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(diǎn)上和萬(wàn)有引力很相似。18世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動(dòng)，這就是電流。但長(zhǎng)期沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)

10、系。19世紀(jì)前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉(zhuǎn)。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過(guò)電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)線圈時(shí)，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這些實(shí)驗(yàn)表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。 在電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)以后，人們認(rèn)識(shí)到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬(wàn)有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進(jìn)了力線的概念，認(rèn)為電流產(chǎn)生圍繞著導(dǎo)線的磁力線，電荷向各個(gè)方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了電磁場(chǎng)的概念?，F(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到，電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種特殊形式。電荷在其周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，而這個(gè)磁場(chǎng)

11、又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。電磁場(chǎng)也具有能量和動(dòng)量，是傳遞電磁力的媒介，它彌漫于整個(gè)空間。19世紀(jì)下半葉，麥克斯韋總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進(jìn)位移電流的概念。這個(gè)概念的核心思想是：變化著的電場(chǎng)能產(chǎn)生                              磁場(chǎng)；變化著的磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上他提

12、出了一組偏微分方程來(lái)表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱(chēng)為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預(yù)言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速，這一預(yù)言后來(lái)為赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。于是人們認(rèn)識(shí)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，肯定羬提 （，。）斯庖彩且恢值绱挪?由于電磁場(chǎng)能夠以力作用于帶電粒子，一個(gè)運(yùn)動(dòng)中的帶電粒子既受到電場(chǎng)的力，也受到磁場(chǎng)的力，洛倫茨把運(yùn)動(dòng)電荷所受到的電磁場(chǎng)的作用力歸結(jié)為一個(gè)公式，人們就稱(chēng)這個(gè)力為洛倫茨力。描述電磁場(chǎng)基本規(guī)律的麥克斯韋方程組和洛倫茨力就構(gòu)成了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。事實(shí)上，發(fā)電機(jī)無(wú)非是利用電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電磁能：電動(dòng)機(jī)無(wú)非是利

13、用電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電報(bào)、電話、無(wú)線電、電燈也無(wú)一不是經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)對(duì)生產(chǎn)力的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用，從而對(duì)社會(huì)產(chǎn)生普遍而重要的影響。光學(xué)和電磁波 光學(xué)研究光的性質(zhì)及其和物質(zhì)的各種相互作用，光是電磁波。雖然可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍在電磁波中只占很窄的一個(gè)波段，但是早在人們認(rèn)識(shí)到光是電磁波以前，人們就對(duì)光進(jìn)行了研究。17世紀(jì)對(duì)光的本質(zhì)提出了兩種假說(shuō)：一種假說(shuō)認(rèn)為光是由許多微粒組成的；另一種假說(shuō)認(rèn)為光是一種波動(dòng)。19世紀(jì)在實(shí)驗(yàn)上確定了光有波的獨(dú)具的干涉現(xiàn)象，以后的實(shí)驗(yàn)證明光是電磁波。20世紀(jì)初又發(fā)現(xiàn)光具有粒子性，人們?cè)谏钊肴胙芯课⒂^世界后，才認(rèn)識(shí)到光具有

14、波粒二象性。光可以為物質(zhì)所發(fā)射、吸收、反射、折射和衍射。當(dāng)所研究的物體或空間的大小遠(yuǎn)大于光波的波長(zhǎng)時(shí)，光可以當(dāng)作沿直線進(jìn)行的光線來(lái)處理；但當(dāng)研究深入到現(xiàn)象細(xì)節(jié)，其空間范圍和光波波長(zhǎng)差不多大小的時(shí)候，就必須要考慮光的波動(dòng)性。而研究光和微觀粒子的相互作用時(shí)，還要考慮光的粒子性。光學(xué)方法是研究大至天體、小至微生物以至分子、原子結(jié)構(gòu)的非常有效的方法。利用光的干涉效應(yīng)可以進(jìn)行非常精密的測(cè)量。物質(zhì)所放出來(lái)的光攜帶著關(guān)于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要信息，例如：原子所放出來(lái)原子光譜的就和原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。近年來(lái)利用受激輻射機(jī)制所產(chǎn)生的激光能夠達(dá)到非常大的功率，且光束的張角非常小，其電場(chǎng)強(qiáng)度甚至可以超過(guò)原子內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度

15、。利用激光已經(jīng)開(kāi)辟了非線性光學(xué)等重要研究方向，激光在工業(yè)技術(shù)和醫(yī)學(xué)中已經(jīng)有了很多重要的應(yīng)用?，F(xiàn)在用人工方法產(chǎn)生的電磁波的波長(zhǎng)，長(zhǎng)的已經(jīng)達(dá)幾千米，短的不到一百萬(wàn)億分之一厘米，覆蓋了近20個(gè)數(shù)量級(jí)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(xué)的建立與發(fā)展過(guò)程中，形成了電磁場(chǎng)的概念。在物理學(xué)其后的發(fā)展中，場(chǎng)成了非?；?、非常普遍的概念。在現(xiàn)代物理學(xué)中場(chǎng)的概念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電磁學(xué)的范圍，成為物質(zhì)的一種基本的、普遍的存在形式。狹義相對(duì)論和相對(duì)論力學(xué) 在經(jīng)典力學(xué)取得很大成功以后，人們習(xí)慣于將一切現(xiàn)象都?xì)w結(jié)為由機(jī)械運(yùn)動(dòng)所引起的。在電磁場(chǎng)概念提出以后，人們假設(shè)存在一種名

16、叫“以太”的媒質(zhì)，它彌漫于整個(gè)宇宙，滲透到所有的物體中，絕對(duì)靜止不動(dòng)，沒(méi)有質(zhì)量，對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生任何阻力，也不受萬(wàn)有引力的影響?？梢詫⒁蕴鳛橐粋€(gè)絕對(duì)靜止的參照系，因此相對(duì)于以太作勻速運(yùn)動(dòng)的參照系都是慣性參照系。 在慣性參照系中觀察，電磁波的傳播速度應(yīng)該隨著波的傳播方向而改變。但實(shí)驗(yàn)表明，在不同的、相對(duì)作勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參照系中，測(cè)得的光速同傳播方向無(wú)關(guān)。特別是邁克爾遜和莫雷進(jìn)行的非常精確的實(shí)驗(yàn)，可靠地證明了這一點(diǎn)。這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)顯然同經(jīng)典物理學(xué)中關(guān)于時(shí)間、空間和以太的概念相矛盾。愛(ài)因斯坦從這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，對(duì)空間、時(shí)間的概念進(jìn)行了深刻的分析，提出了狹義相對(duì)論，從而建立了新的時(shí)空觀念。 狹義 （

17、物 理 學(xué) 概 覽(4) 相對(duì)論的基本假設(shè)是：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(xué)方程來(lái)表達(dá)；對(duì)于任何一個(gè)光源發(fā)出來(lái)的光，在一切慣性參照系中測(cè)量其傳播速率，結(jié)果都相等。 在狹義相對(duì)論中，空間和時(shí)間是彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一體，空間距離是相對(duì)的，時(shí)間也是相對(duì)的。因此尺的長(zhǎng)短，時(shí)間的長(zhǎng)短都是相對(duì)的。但在狹義相對(duì)論中，并不是一切都是相對(duì)的。相對(duì)論力學(xué)的另一個(gè)重要結(jié)論是：質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。假使質(zhì)量是物質(zhì)的量的一種度量，能量是運(yùn)動(dòng)的量的一種度量，則上面的結(jié)論：物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)之間存在著不可分割的聯(lián)系，不存在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，也不存在沒(méi)有物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，兩者可以相互轉(zhuǎn)化。這一規(guī)律己在核能的研究

18、和實(shí)踐中得到了證實(shí)。當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論力學(xué)定律就趨近于經(jīng)典力學(xué)定律。固此在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)典力學(xué)定律仍然是很好的相對(duì)真理，非常適合用來(lái)解決工程技術(shù)中的力學(xué)問(wèn)題。狹義相對(duì)論對(duì)空間和時(shí)間的概念進(jìn)行了革命性的變革，并且否定了以太的概念，肯定了電磁場(chǎng)是一種獨(dú)立的、物質(zhì)存在的恃殊形式。由于空間和時(shí)間是物質(zhì)存在的普遍形式，因此狹義相對(duì)論對(duì)于物理學(xué)產(chǎn)生了廣泛而又深遠(yuǎn)的影響。廣義相對(duì)論和萬(wàn)有引力的基本理論 狹義相對(duì)論給牛頓萬(wàn)有引力定律帶來(lái)了新問(wèn)題。牛頓提出的萬(wàn)有引力被認(rèn)為是一種超距作用，它的傳遞不需要時(shí)間，產(chǎn)生和到達(dá)是同時(shí)的。這同狹義相對(duì)論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。因此，必須對(duì)牛頓的萬(wàn)有引

19、力定律也要加以改造。改造的關(guān)鍵來(lái)自厄缶的實(shí)驗(yàn)，它以很高的精確度證明：慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，固此不論行星的質(zhì)量多大多小，只要在某一時(shí)刻它們的空間坐標(biāo)和速度都相同，那末它們的運(yùn)行軌道都將永遠(yuǎn)相同。這個(gè)結(jié)論啟發(fā)了愛(ài)因斯坦設(shè)想：萬(wàn)有引力效應(yīng)是空間、時(shí)間彎曲的一種表現(xiàn)，從而提出了廣義相對(duì)論。根據(jù)廣義相對(duì)論，空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)決定于物質(zhì)的能量密度、動(dòng)量密度在空間、時(shí)間中的分布；而空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過(guò)來(lái)決定物體的運(yùn)行軌道。在引力不強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲度很小情況下，廣義相對(duì)論的結(jié)論同牛頓萬(wàn)有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律的結(jié)論趨于一致；當(dāng)引力較強(qiáng)，空間、時(shí)間彎曲較大的隋況下，就有區(qū)別。不過(guò)這種區(qū)別常常很小，難

20、以在實(shí)驗(yàn)中觀察到。從廣義相對(duì)論提出到現(xiàn)在，還只有四種實(shí)驗(yàn)?zāi)軝z驗(yàn)出這種區(qū)別。廣義相對(duì)論不僅對(duì)于天體的結(jié)構(gòu)和演化的研究有重要意義，對(duì)于研究宇宙的結(jié)構(gòu)和演化也有重要意義。 原子物理學(xué)、量子力學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué) 原子物理學(xué)研究原子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部受激狀態(tài)，以及原子和電磁場(chǎng)、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個(gè)很古老的概念。古代就有人認(rèn)為：宇宙間萬(wàn)物都是由原子組成的，原子是不可分割的、永恒 ) 不變的物質(zhì)最終單元。1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，使人們認(rèn)識(shí)到原子是具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子。于是，經(jīng)典物理學(xué)的局限性進(jìn)一步的暴露出來(lái)了。為此，德國(guó)科學(xué)家普朗克提出了同經(jīng)典物理學(xué)相矛盾的假設(shè)：光是由一粒

21、一粒光子組成的。這一假設(shè)導(dǎo)出的結(jié)論和黑體輻射及光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。于是，19世紀(jì)初被否定了的光的微粒說(shuō)又以新的形式出現(xiàn)了。 1911年，盧瑟福用粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子的絕大部分質(zhì)量，以及內(nèi)部的正電荷集中在原子中心一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)域的半徑只有原子半徑的萬(wàn)分之一左右，因此稱(chēng)為原子核。這才使人們對(duì)原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了一個(gè)定性的、符合實(shí)際的概念。在某些方面，原子類(lèi)似一個(gè)極小的太陽(yáng)系，只是太陽(yáng)和行星之間的作用力是萬(wàn)有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。原子物理學(xué)的基本理論主要是由德布羅意、海森堡、薛定諤、狄里克萊等所創(chuàng)建的量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)。它們與經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的主要區(qū)別是：物

22、理量所能取的數(shù)值是不連續(xù)的；它們所反映的規(guī)律不是確定性的規(guī)律，而是統(tǒng)計(jì)規(guī)律。應(yīng)用量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)研究原子結(jié)構(gòu)、原子光譜、原子發(fā)射、吸收、散射光的過(guò)程，以及電子、光子和電磁場(chǎng)的相互作用和相互轉(zhuǎn)化過(guò)程非常成功，理論結(jié)果同最精密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。微觀客體的一個(gè)基本性質(zhì)是波粒二象性。粒子和波是人在宏觀世界的實(shí)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(shí)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(lái)，需要粒              

23、                子和波動(dòng)兩種概念互相補(bǔ)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(zhì)。這一基本特點(diǎn)的另一種表現(xiàn)方式是海森伯的測(cè)不準(zhǔn)原理：不可能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量，位置測(cè)得愈準(zhǔn)，動(dòng)量必然測(cè)得愈不準(zhǔn)；動(dòng)量測(cè)的愈準(zhǔn)，位置必然測(cè)得愈不準(zhǔn)。量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生于原子物理學(xué)的研究，但是它們起作用的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原子物理學(xué)。量子力學(xué)是所有微觀、低速現(xiàn)象所遵循的規(guī)律，固此不僅應(yīng)用于原子物理，也應(yīng)用于分子物理學(xué)、原子核物理學(xué)以及宏觀物

24、體的微觀結(jié)構(gòu)的研究。量子電動(dòng)力學(xué)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(méi)有發(fā)現(xiàn)量子電動(dòng)力學(xué)的局限性。量子統(tǒng)計(jì)力學(xué) 量子力學(xué)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，稱(chēng)為量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，因而經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)也具有局限性。例如：隨著溫度趨于絕對(duì)零度，固體的熱也趨于零的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，就無(wú)法用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)來(lái)解釋。在宏觀世界中，看起來(lái)相同的物體總是可以區(qū)別的，在微觀世界中，同一類(lèi)粒子卻無(wú)法區(qū)分。例如：所有的電子的一切性質(zhì)都完全一樣。在宏觀物理現(xiàn)象中，將兩個(gè)宏觀物體交換，就得到一個(gè)和原來(lái)狀態(tài)不同的狀態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)必須將交換前和交換后的狀態(tài)當(dāng)作兩個(gè)不同的狀態(tài)處理；但是在一個(gè)物理系統(tǒng)中，交換兩個(gè)電子后

25、，得到的還是原來(lái)的狀態(tài)，因此進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，必須將交換前和交換后的狀態(tài)當(dāng)作同一個(gè)狀態(tài)來(lái)處理。根據(jù)微觀世界的這些規(guī)律改造經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)，就得到量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)。應(yīng)用量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)就能使一系列經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)無(wú)法解釋的現(xiàn)象，如黑體輻射、低溫下的固體比熱窖、固體中的電子為什么對(duì)比熱的貢獻(xiàn)如此小等等， 本文物 理 學(xué) 概 覽(6)- 都得到了合理的解釋。固體物理學(xué) 固體物理學(xué)是研究固體的性質(zhì)、它的微觀結(jié)構(gòu)及其各種內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，以及這種微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)同固體的宏觀性質(zhì)的關(guān)系的學(xué)科。固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式很復(fù)雜，這方面的研究是從晶體開(kāi)始的，因?yàn)榫w的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有明顯的規(guī)律性，較易研究。以后進(jìn)一步研究一切處于凝聚

26、狀態(tài)的物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)以及它們和宏觀物理性質(zhì)的關(guān)系。這類(lèi)研究統(tǒng)稱(chēng)為凝聚態(tài)物理學(xué)。固體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)服從量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律。在晶體中，原子(離子、分子)有規(guī)則地排列，形成點(diǎn)陣。20世紀(jì)初勞厄和法國(guó)科學(xué)家布拉格父子發(fā)展了 X射線衍射法，用以研究晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。第二次世界大戰(zhàn)以后，又發(fā)展了中子衍射法，使晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究得到了進(jìn)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。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(dǎo)體。能帶理論結(jié)合半導(dǎo)體鍺和硅的基礎(chǔ)研究，高質(zhì)量的半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)和摻雜技術(shù)，為晶體管的產(chǎn)生

27、準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。電子具有自旋和磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運(yùn)動(dòng)一起，決定了晶體的磁學(xué)性質(zhì)，晶體的許多性質(zhì)(如力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)等)常常不是各向同性的。作為一個(gè)整體的點(diǎn)陣，有大量?jī)?nèi)部自由度，因此具有大量的集體運(yùn)動(dòng)方式，具有各式各樣的元激發(fā)。晶體的許多性質(zhì)都和點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)及其各種運(yùn)動(dòng)模式密切相關(guān)，晶體內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)陣的運(yùn)動(dòng)之間相耦合，也對(duì)固體的性質(zhì)有重要的影響。例如1911年發(fā)現(xiàn)的低溫超導(dǎo)現(xiàn)象；1960年發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)。這些效應(yīng)都和這種不同運(yùn)動(dòng)模式之間的耦合相關(guān)。晶體內(nèi)部的原子可以形成不同形式的點(diǎn)陣。處于不同形式點(diǎn)陣的晶體，雖然化學(xué)成分相同，物理性質(zhì)卻可能不同。不同的點(diǎn)

28、陣形式具有不同的能量：在低溫時(shí)，點(diǎn)陣處于能量最低的形式；當(dāng)晶體的內(nèi)部能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點(diǎn)陣就會(huì)轉(zhuǎn)變到能量較高的形式。這種轉(zhuǎn)變稱(chēng)為相變，相變會(huì)導(dǎo)致晶體物理性質(zhì)的改變，相變是重要的物理現(xiàn)象，也是重要的研究課題。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)完好無(wú)缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。實(shí)際晶體內(nèi)部的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)總會(huì)有缺陷：化學(xué)成分不會(huì)絕對(duì)純，內(nèi)部會(huì)含有雜質(zhì)。這些缺陷和雜質(zhì)對(duì)固體的物理性質(zhì)(包括力學(xué)、電學(xué)、碰學(xué)、發(fā)光學(xué)等)以及功能材料的技術(shù)性能，常常會(huì)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(zhì)和缺陷是很重要的晶體的表面性質(zhì)和界面性質(zhì)，會(huì)對(duì)許多物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)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

29、重要領(lǐng)域。非晶態(tài)固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)序性使得對(duì)于它們的研究變得更加復(fù)雜。非晶態(tài)固體有一些特殊的物理性質(zhì)，使得它有多方面的應(yīng)用。這是一個(gè)正在發(fā)展中的新的研究領(lǐng)域。固體物理對(duì)于技術(shù)的發(fā)展有很多重要的應(yīng)用，晶體管發(fā)明以后，集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，電子學(xué)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)以至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)也隨之迅速發(fā)展。其經(jīng)濟(jì)影響和社會(huì)影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見(jiàn)。固體物理學(xué) ( 物 理 學(xué) 概 覽(7) ) 也是材料科學(xué)的基礎(chǔ)。原子核物理學(xué) 原子核是比原子更深一個(gè)層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。原子核物理學(xué)是研究原子核的性質(zhì)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)、內(nèi)部激發(fā)狀態(tài)、衰變過(guò)程、裂變過(guò)程以及它們之間的反應(yīng)過(guò)程的學(xué)科。在原子核被

30、發(fā)現(xiàn)以后，曾經(jīng)以為原子核是由質(zhì)子和電子組成的。1932年，英國(guó)科學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，這才使人們認(rèn)識(shí)到原子核可能具有更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。 質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為核子，中子不帶電，質(zhì)子帶正電荷，因此質(zhì)子間存在著靜電排斥力。萬(wàn)有引力雖然使各核子相互吸引，但在兩個(gè)質(zhì)子之間的靜電排斥力比它們之間的萬(wàn)有引力要大萬(wàn)億億倍以上。所以，一定存在第三種基本相互作用強(qiáng)相互作用力。人們將核子結(jié)合成為原子核的力稱(chēng)為核力，核力來(lái)源于強(qiáng)相互作用。從原子核的大小以及核子和核子碰撞時(shí)的截面估計(jì)，核力的有效作用距離力程約為一千萬(wàn)億分之一米。原子核主要由強(qiáng)相互作用將核子結(jié)合而成，當(dāng)原子核的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或原子核之間發(fā)生反應(yīng)時(shí)，要吸收或放出很

31、大的能量。一些很重的原子核(如鈾原子核)在吸收一個(gè)中子以后，會(huì)裂變成為兩個(gè)較輕的原子核，同時(shí)放出二十到三十中子和很大的能量。兩個(gè)很輕的原子核也能熔合成為一個(gè)較重的原子核，同時(shí)放出巨大的能量。這種原子核熔合過(guò)程叫作聚變。 粒子加速器的發(fā)明和裂變反應(yīng)堆的建成，使人們能夠獲得大量能量較高的質(zhì)子、電子、光子、原子核和大量中子?？梢杂脕?lái)轟擊原子核，系統(tǒng)地開(kāi)展關(guān)于原子核的性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)化和相互作用過(guò)程的研究。晶體的許多性質(zhì)都和點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)及其各種運(yùn)動(dòng)模式密切相關(guān)，晶體內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)陣的運(yùn)動(dòng)之間相耦合，也對(duì)固體的性質(zhì)有重要的影響。例如1911年發(fā)現(xiàn)的低溫超導(dǎo)現(xiàn)象；1960年發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)。這些效應(yīng)都和這種不同運(yùn)動(dòng)模式之間的耦合相關(guān)。晶體內(nèi)部的原子可以形成不同形式的點(diǎn)陣。處于不同形式點(diǎn)陣的晶體，雖然化學(xué)成分相同，物理性質(zhì)卻可能不同。不同的點(diǎn)陣形式具有不同的能量：在低溫時(shí)，點(diǎn)陣處于能量最低的形式；當(dāng)晶體的內(nèi)部能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點(diǎn)陣就會(huì)轉(zhuǎn)變