物理科學前沿簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上物理科學前沿簡介一、20世紀物理學發(fā)展的歷史回顧 在19世紀末葉，有一個叫開爾文的物理學家，他當時有一個很有名的話，就是“19世紀的物理學，已經(jīng)把所有的問題都解決了，好像是一片晴朗的天空，但是在晴朗的天空上還有兩朵烏云”。這兩朵烏云指什么呢，一個是指當時對的存在性，光速跟以太有沒有關系的疑問；另外一個是關于黑體輻射的，譜形沒有得到很好的解釋。這兩個理論問題都沒有很好的解決，所以說在晴朗的天空上還留有兩朵烏云。 這是19世紀物理學家說的話，沒有想到這就成為了20世紀物理學發(fā)展的序幕。第一朵烏云的驅(qū)散，導致了的誕生，另外一朵烏云的澄清。導致了誕生。這兩朵烏云一澄清以后，物

2、理學就有飛速發(fā)展。我可以簡要敘述一下的特點。狹義相對論之所以提出來，是針對光速測量產(chǎn)生的。當時有好多實驗，有的證明了是靜止不動的，還有的證明了以太是隨著物質(zhì)的運動而運動的，也有一些證明是以太是隨著物質(zhì)的運動而部分地帶運動的。所以這個以太就成為了一個“謎”。愛因斯坦就深入分析了這個問題，從一個科學實驗事實出發(fā)，實驗說光的速度和發(fā)光物質(zhì)的運動狀態(tài)無關，也就是說光不論在什么地方發(fā)射，光源的速度是多少，觀察者，包括運動中的觀察者，永遠看到的是光的速度，大概是每秒30萬公里在運行。根據(jù)這樣一個奇怪的事情，再加上了空間是均勻的，各向同性的假定，愛因斯坦就提出了狹義相對論，這是人們對事件空間的觀念的一個轉(zhuǎn)變

3、。在狹義相對論中發(fā)現(xiàn)，牛頓力學需要有修正。牛頓力學中的力等于動量對時間的微分，其中動量就是質(zhì)量乘以速度，而相對論就是對這個動量作了修正，結果就是就是物體在低速運動的時候仍然符合牛頓力學的規(guī)律，而在速度很大，接近光速的時候，運動規(guī)律就有很大的修改。同時愛因斯坦的相對論還有一些很特殊性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，比如鐘慢尺縮。 20世紀另外一個重大的發(fā)現(xiàn)是量子力學，量子力學的發(fā)現(xiàn)是由于黑體輻射問題很難得到一個統(tǒng)一的解決而產(chǎn)生出的問題。這一件事情，當時有一個大物理學家叫做普朗克，他在1900年12月14日發(fā)表了一篇很重要的文章來解釋黑體輻射。普朗克引進了一個假說，也就是光的能量的傳播，不是連續(xù)的釋放和吸收，而是以一個

4、一個光量子的形態(tài)來出現(xiàn)，這個光量子形態(tài)也就是普朗克常數(shù)乘以光的頻率。這個假說很好的解釋了黑體輻射問題。這是物理學中第一次引進了光能的吸收和釋放是不連續(xù)的概念。愛因斯坦進一步用普朗克假說解釋了光電效應，進一步愛因斯坦又提出光子除了具有能量之外，還具有動量，這個動量就是普朗克常數(shù)h乘以振動頻率再除以光速c。光子就不再簡單看作電磁波的振動，也看作是粒子，這個粒子既有能量又有動量。后來康普頓和吳有訓先生在實驗上證明了這樣一個光子打到電子以后，光子運動的頻率和運動方向都會發(fā)生改變，而這樣一個改變的后果就象是光子作為一個具有確定動量的小球，打在一個靜止的電子上面，然后光子再通過彈性散射到另外一個方位上去，

5、這樣的改變完全遵守牛頓力學中的彈性碰撞定律，這樣就讓人們看得很清楚，就是光子既是波，又是粒子，這就是波粒二象性。進一步，法國人德布洛意提出波粒二象性不僅是光子具有的，而是任何一種粒子都具有的。也就是光子看起來是波，其實也是粒子；而普通稱為粒子的電子，中子，質(zhì)子，甚至分子，原子，這些看起來是粒子的也有波動性，因此他把光子的波粒二象性擴展成粒子的波粒二象性。這就是德布洛意波假說。進一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的觀念更加普遍化，變成量子力學。量子力學出來以后，引起了人們對微觀世界認識的一場大革命。這兩件事情就是20世紀物理的重大發(fā)現(xiàn). 物理學的大發(fā)現(xiàn)，在歷史上有三次。第一次是牛頓力學。牛頓力

6、學以及當時跟牛頓力學有關系的科學所發(fā)現(xiàn)的物理學定律是宏觀的低速運動的規(guī)律。因為牛頓力學討論象地球，太陽，月球這些天體運動，即討論對象的運動速度是慢的，物體是宏觀的。 牛頓力學勾畫的是經(jīng)典物理學的圖景。到后來，人們研究了電磁相互作用的定律。電磁相互作用定律的一個重要特點就是以光速而運動。電磁波的運動可以說是一種宏觀而高速的運動。到了愛因斯坦的相對論，就把宏觀低速運動和高速運動有機的聯(lián)系在一起，其中，描寫光的高速運動的麥克斯韋方程卻自然而然的滿足狹義相對論。這就是物理學的第二次突破，愛因斯坦，包括他的前人麥克斯韋就發(fā)現(xiàn)了宏觀高速運動的規(guī)律。第三次突破是量子力學。量子力學回答的是微觀粒子的運動規(guī)律，

7、而薛定鄂，海森堡的是涉及微觀低速作用下的規(guī)律。這三次突破都引起了生產(chǎn)技術的重大變革。牛頓力學奠定的是機械工程等方面的基礎，麥克斯韋方程，狹義相對論是我們現(xiàn)代電氣化的支撐，至于第三次大突破的的出現(xiàn)，就涉及化學運動的規(guī)律，半導體的規(guī)律，原子核運動的規(guī)律等。我們現(xiàn)在面臨的原子能時代，電腦時代的技術，都是量子力學的貢獻。物理學每一次劃時代的發(fā)現(xiàn)都帶來了劃時代技術的進展。20世紀物理學最重要的成就以上這些。開爾文，英國物理學家麥克斯韋,J.C.,英國物理學家,在經(jīng)典電磁學方面貢獻突出。普朗克，德國物理學家，量子力學的奠基人。吳有訓，中國物理學家，曾任中國科學院副院長 德布羅意L,V，法國物理學家 二、未

8、來物理學發(fā)展的問題、難點與趨勢20世紀的物理學驅(qū)散了兩片烏云，而物理學的天空并沒有晴空萬里，新的問題肯定會出現(xiàn)，那么21世紀物理要解決是哪些問題呢？ 物理學已經(jīng)進行了三次大突破，如果要進一步問物理學未來的發(fā)展應該是怎樣的，非常自然的一個想法就是微觀高速運動的規(guī)律是不是能有徹底的解決。也就是物理學的第四次大突破就是關于微觀高速運動的規(guī)律的突破。這個問題需要分兩個方面來說。第一，任何物理的突破都是關于物理的實體問題的突破，或者說是一種新的物質(zhì)運動形態(tài)的突破。比如牛頓力學是人們對天體運動的規(guī)律有所了解，到了麥克斯韋方程，狹義相對論的出現(xiàn)，是人們對光的本性的研究，對電磁場的性質(zhì)的研究，對接近光速的宏觀

9、物體的力學規(guī)律的研究，我們叫做宏觀高速運動規(guī)律。到了量子力學，人們發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子、中子，以及有特殊運動規(guī)律的原子結構，也就是電子繞原子核運動有特殊的規(guī)律，這導致量子力學出現(xiàn)。所以，規(guī)律的突破，總是伴隨著物質(zhì)的新的實體形式的突破?，F(xiàn)在要問，微觀高速運動要跟什么樣形態(tài)的物質(zhì)實體相聯(lián)系。有趣的是，這幾年在這個領域有許多進展，人們在進一步研究粒子的同時，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，中子等強子，有更深層次的結構，就是夸克，這是構成所有強相互作用的最深層次的物質(zhì)?，F(xiàn)在人們對基本粒子的觀念已經(jīng)改變，認為夸克，加上輕子，一共六種粒子組成基本粒子。所以我們研究的微觀高速運動粒子的規(guī)律就是在夸克和輕子層次的表現(xiàn)形態(tài)和它們的運動規(guī)律

10、。在20世紀這一方面的研究有很大進展，人們對強相互作用規(guī)律就總結出了，關于輕子和強子的和電磁相互作用已得到初步統(tǒng)一，我們叫做弱電統(tǒng)一理論。所以20世紀的物理學在微觀高速運動上突破在于兩個重要理論，一個是，是回答粒子之間的理論;另外一個是關于和電磁相互作用的弱電統(tǒng)一理論。但是，雖然在微觀高速運動中得到許多成就，還不能夠認為這是最終的成就，因為微觀高速運動還涉及到很多人們未知的粒子的性質(zhì)和運動，有可能還存在有某些尚未發(fā)現(xiàn)的粒子，這就是21世紀的物理要面臨的問題。 物理學第四次大突破才剛剛開始。從物質(zhì)運動形態(tài)來說，還有許許多多待研究的新的物質(zhì)還沒有發(fā)現(xiàn)。理論上講，可能還存在一種超對稱粒子。從宇宙中來

11、說，還有暗物質(zhì)，就是透明度很高，光可以自由穿過，而光照射到它上面也不會被反射的物質(zhì)，人們對此有很多猜測，可能會與理論上正在猜測的超對稱粒子有聯(lián)系。如果這種猜測成立，將要進一步豐富發(fā)展人們對微觀高速運動的認識。這方面的課題在世界很多國家都在開展研究。李政道教授也說過，暗物質(zhì)是很重要的問題。另外一個和微觀高速運動相聯(lián)系的問題是真空是什么。當微觀高速運動粒子的運動速度越來越高，粒子撞擊會不會使得真空性質(zhì)本身有所改變？在微觀高速運動的情況下，粒子引起真空中場的振蕩非常激烈，激烈的程度可以使真空性質(zhì)改變，這些都是微觀世界里需要進一步討論的問題。另外，已經(jīng)知道，有很好的理論，電磁相互作用和有一個統(tǒng)一的理論

12、叫做弱電統(tǒng)一理論，非常自然的問題就是，強作用，電磁作用和能否進一步統(tǒng)一起來 ；另外，引力理論是不是也可能跟以上三種作用統(tǒng)一起來?，F(xiàn)在引力理論還不知道它如何量子化，更不知道它們能否和三種作用統(tǒng)一，當前關于引力理論有很多不同意見，即便量子化成功后，還不一定能夠有很好的、相應的量子場論，量子場論化要求在引力理論中能夠解決量子發(fā)散困難。這些問題都沒有解決。從純理論來說，這些都是要解決的重大的基本問題。 以上討論的是當代物理學中粒子之小的問題，當代物理學還有另外一個發(fā)展前沿方向，宇宙之大。人們深入研究宇宙后發(fā)現(xiàn)，在130億年或者150億年前宇宙有個大爆炸，在這個大爆炸以后造成了宇宙膨脹。有人問，從何而來

13、？在大爆炸以前，有一個宇宙收縮的過程。宇宙空間的物質(zhì)，在萬有引力作用下，隨著距離縮小，引力越來越大，最后低密度物質(zhì)會被吸引成為高密度物質(zhì)。在高密度物質(zhì)激烈碰撞、沖擊下，有可能真空會發(fā)生改變，而釋放出能量，并在各種激烈的相互作用下會形成反彈。這樣就形成。的標準模型可以很好地解釋天文學重很多觀測結果，比如宇宙背景輻射，也能回答粒子物理中某些問題，比如中微子有多少代。還有現(xiàn)在氫氣、氦氣，還有各種原子核在宇宙中的分布。最為重要的是曾預言有一種背景輻射，這個背景輻射很好的和實驗觀測相符合。但是這幾年宇宙論有驚人發(fā)現(xiàn)，也就是說進一步研究關于背景輻射的不均勻度的時候，發(fā)現(xiàn)除了標準宇宙模型中要引入暗物質(zhì)外，還

14、要引進真空背景常數(shù)。這個背景常數(shù)當年愛因斯坦猜測過，一般認為等于0，而現(xiàn)在的實驗觀測并且確定不等于0，這是2001年來一個重大發(fā)現(xiàn)。這個發(fā)現(xiàn)推進了宇宙論，發(fā)現(xiàn)宇宙論不完全能夠從粒子的理論加以解釋，還要從真空某些特殊性質(zhì)來加以解釋，這就進一步豐富了人們對物質(zhì)運動基本規(guī)律的認識和了解。 “大爆炸理論論”以上是從“粒子之小、宇宙之大”兩方面結合提出的新的問題。重要的是，要看到隨著理論的突破，會帶來一系列技術上重大的革新，甚至是革命。人們曾把量子力學運用到種種微觀體系，從而回答和解決了許多理論問題。此后就轉(zhuǎn)向量子力學的應用。大家知道量子力學非常重要的應用在于研究了凝聚態(tài)物理，半導體現(xiàn)象，導體，絕緣體。

15、量子力學可以對這些固態(tài)的性能給予良好的解釋。尤其是量子力學研究半導體，發(fā)現(xiàn)半導體是一種特殊的結構，里面有好多的能帶，有好多的絕緣的禁帶，在能帶和禁帶之間有一些空穴，可以有一些“載流子”在其中運動，從而形成半導體理論，半導體理論產(chǎn)生二極管，三極管，晶體管，然后是集成電路，然后是大規(guī)模集成電路，也就是現(xiàn)在的快速電子計算機元件。所以說量子力學開創(chuàng)了一個電腦時代，由于它對半導體的透徹研究，引起了半導體工業(yè)，芯片集成，也就是電腦的出現(xiàn)。 現(xiàn)在計算機的進展有一個很大的特點就是技術上芯片越做越小。人們就總結出摩爾定律，就是每18個月芯片集成度縮減一半。而且隨之而來的是計算機的價格也在下降，每18個月下降一半

16、。因此電腦工業(yè)迅速發(fā)展。這就提出一個問題，這樣的下降是不是無限的，這也要從量子力學理論來回答。人們發(fā)現(xiàn)，隨著集成度越來越高，芯片里面的工作單元就會越來越小，到一定程度以后，現(xiàn)有的規(guī)律就不一定完全適用。也就是人們對顆粒的性質(zhì)的認識過去是近似用牛頓力學來描述，但是工作單元小到納米量級，就要用量子力學來描述它的種種特征，這個時候就有新的規(guī)律出現(xiàn)，這就提出了納米科學。為什么大家關注這一件事情，因為納米科學關系到芯片能否進一步縮小?，F(xiàn)在納米技術還在實驗當中。另外，計算機的原理也有新的改進。傳統(tǒng)的計算機是做加減乘除，現(xiàn)在出現(xiàn)的一種新的計算方法叫做量子計算。這種新的計算方法會在一定條件下對傳統(tǒng)方法有所簡化。

17、量子通訊，量子計算的出現(xiàn)要求人們深入研究量子力學的理論問題。比如，愛因斯坦和玻爾就曾經(jīng)爭論過EPR佯謬，這樣的問題就提到量子力學研究的日程上去了。從這個EPR佯謬人們提出了量子力學糾纏態(tài)的理論，這也成了量子力學的新發(fā)展和新動向。 進一步一個要深入的問題就是量子力學和生物的聯(lián)系怎樣。人們對客觀事物的研究，除了沿著粒子之小、宇宙之大的線索去研究，還有就是研究的對象越來越復雜。比如早先研究的是一個原子，然后是凝聚態(tài)中的晶體、半導體、二極管、三極管、集成電路、納米電路，復雜納米體系的組合等。所以物理學是向復雜性進軍的。我們周圍事物很復雜，而最高級，最復雜的就是生命。細菌，細胞這些在生物中最簡單的，從物

18、理觀念來看都是高度復雜的物質(zhì)。這些都是物理學要逐步研究的課題。以理解為現(xiàn)在物理學把自己的領域擴得越來越廣，就是與其他學科的界限越來越小了。 如果追問一下當代科學發(fā)展的線索，我覺得回答之一就是物理學是一個很重要的線索。物理學由于深入研究物質(zhì)運動基本規(guī)律，所以就在深入的過程中向各個領域擴展。比如物理學就深入到了化學，以至有的化學家都同意這樣一個說法，化學已經(jīng)成為物理學的一個部門?；瘜W研究的原子分子的運動，而原子分子的運動就是量子力學探討的對象。這已經(jīng)是在向較為復雜的體系進軍了。更進一步，許多的分子組成大分子團， 大分子團又組合得非常緊密，有許多特殊的性質(zhì)等等。這方面也吸引了很多物理學家的關注。當代的自然科學的4大發(fā)展，相對論，量子力學，電腦，還有就是對于遺傳物質(zhì)的研究，就是雙螺旋結構，其實這也是物理學家對生命問題的研究成果。很多物理學家也深受鼓