“物理學(xué)”簡介、含義、起源、歷史與發(fā)展

1、 HYPERLINK javascript:gotothis() 物理學(xué)物理學(xué)研究宇宙間物質(zhì)存在的各種主要的基本形式，它們的性質(zhì)、運動和轉(zhuǎn)化以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)；從而認(rèn)識這些結(jié)構(gòu)的組元及其相互作用、運動和轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律。地學(xué)和生命科學(xué)都是自然科學(xué)的重要方面，有重要的社會作用，但是像地球這樣有生物的行星在宇宙中卻是少見的，所以地學(xué)和生命科學(xué)不屬于物理學(xué)范圍。當(dāng)然，物理學(xué)所發(fā)現(xiàn)的基本規(guī)律，即使在地球現(xiàn)象和生命現(xiàn)象中，也起著重要作用。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動形式劃分的。人對自然界的認(rèn)識來源于實踐，而實踐的廣度和深度有著歷史的局限性。隨著實踐的擴展和深入，物理學(xué)的內(nèi)容也不斷擴展和深入

2、。新的分支學(xué)科陸續(xù)形成；已有的分支學(xué)科日趨成熟，應(yīng)用也日益廣泛。早在古代就形成的天文學(xué)和起源于古代煉金術(shù)的化學(xué)，始終保持著獨立的地位，沒有被納入物理學(xué)的范圍。在天文學(xué)和物理學(xué)之間、化學(xué)和物理學(xué)之間存在著密切的聯(lián)系，物理學(xué)所發(fā)現(xiàn)的基本規(guī)律在天文現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象中也起著日益深刻的作用?？陀^世界是一個內(nèi)部存在著普遍聯(lián)系的統(tǒng)一體。隨著物理學(xué)各分支科學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的不同存在形式和不同運動形式之間存在著聯(lián)系，于是各分支學(xué)科之間開始互相滲透。物理學(xué)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，從而去統(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，使得這一目標(biāo)有

3、時顯得很接近；但與此同時，新的物理現(xiàn)象又不斷出現(xiàn)，使這一目標(biāo)又變得更遙遠(yuǎn)?？磥砣藗儗陀^世界的探索、研究是無窮無盡的。以下大體按照物理學(xué)的歷史發(fā)展過程來敘述物理學(xué)的發(fā)展及其內(nèi)容。 經(jīng) 典 力 學(xué)經(jīng)典力學(xué)研究宏觀物體低速機械運動的現(xiàn)象和規(guī)律，宏觀是相對于原子等微觀粒子而言的。人們在日常生活中直接接觸到的物體常常包含巨量的原子，因此是宏觀物體。低速是相對于光速而言的。最快的噴氣客機的速度一般也不到光速的一百萬分之一，在物理學(xué)中仍算是低速。物體的空間位置隨時間變化稱為機械運動。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械運動。自遠(yuǎn)古以來，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。1

4、6世紀(jì)后期，人們對行星繞太陽的運動進(jìn)行了詳細(xì)、精密的觀察。17世紀(jì)J.開普勒從這些觀察結(jié)果中總結(jié)出了行星繞日運動的三條經(jīng)驗規(guī)律。差不多在同一時期， HYPERLINK javascript:hotword(伽利略,12225) 伽利略進(jìn)行了落體和拋物體的實驗研究，從而提出關(guān)于機械運動的初步的現(xiàn)象性理論，并把用實驗驗證理論結(jié)果的方法引入了物理學(xué)。 HYPERLINK javascript:hotword(I.牛頓,14870) I.牛頓深入研究了這些經(jīng)驗規(guī)律和初步的現(xiàn)象性理論，發(fā)現(xiàn)了宏觀低速機械運動的基本規(guī)律：包括三條 HYPERLINK javascript:hotword(牛頓運動定律,17

5、756) 牛頓運動定律和 HYPERLINK javascript:hotword(萬有引力定律,19561) 萬有引力定律，為 HYPERLINK javascript:hotword(經(jīng)典力學(xué),1432) 經(jīng)典力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)對天王星運行軌道的詳細(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)定律和萬有引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)點的空間坐標(biāo)和動量。一個力學(xué)系統(tǒng)在某一時刻的狀態(tài)由它的每一個質(zhì)點在這一時刻的空間坐標(biāo)和動量表示。對于一個不受外界影響，也不影響外界，不包含其他運動形式（如熱運動、電磁運動等）的力學(xué)系統(tǒng)

6、來說，它的總機械能就是每一個質(zhì)點的空間坐標(biāo)和動量的函數(shù)，其狀態(tài)隨時間的變化由總能量決定。在經(jīng)典力學(xué)中，力學(xué)系統(tǒng)的總能量和總動量有特別重要的意義。物理學(xué)的發(fā)展表明，任何一個孤立的物理系統(tǒng)，無論怎樣變化，其總能量和總動量數(shù)值是不變的，它們是守恒量。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，還沒有發(fā)現(xiàn)它們的局限性。在經(jīng)典力學(xué)中出現(xiàn)了三個最普遍的基本物理概念： HYPERLINK javascript:hotword(質(zhì)量,21558) 質(zhì)量、 HYPERLINK javascript:hotword(空間和時間,2639) 空間和時間。質(zhì)量可以作為物質(zhì)的量的一種度量，空間和時間是物質(zhì)存在的

7、普遍形式?，F(xiàn)有一切物理量的量綱原則上都可以由質(zhì)量、空間、時間的量綱結(jié)合起來表達(dá)。具有不同量綱的物理量之間存在著質(zhì)的差異。量綱在一定程度上反映物理量的質(zhì)。量綱相同的物理量的質(zhì)可以相同，但未必一定相同。在經(jīng)典力學(xué)中，時間和空間之間沒有聯(lián)系?？臻g向上下四方延伸，同時間無關(guān)；時間從過去流向未來，同空間無關(guān)。因此，就存在絕對靜止的 HYPERLINK javascript:hotword(參照系,4311) 參照系，牛頓運動定律和萬有引力定律原來是在這種參照系中表述的。相對于絕對靜止的參照系作勻速運動的參照系稱為 HYPERLINK javascript:hotword(慣性參照系,5810) 慣性參照

8、系。任何一個質(zhì)點的坐標(biāo)，在不同的慣性參照系中取不同的數(shù)值，這種不同數(shù)值之間的變換關(guān)系稱為伽利略變換。在這種變換中，尺的長度不變，時鐘運行的速度不變，經(jīng)典力學(xué)基本規(guī)律的數(shù)學(xué)形式也不變。利用力學(xué)實驗方法，無法確定哪些慣性參照系是絕對靜止的參照系，因而絕對靜止的參照系就成了一個假設(shè)。早在19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)就已經(jīng)成為物理學(xué)中一個成熟的分支學(xué)科，它包含了豐富的內(nèi)容。例如：質(zhì)點力學(xué)、剛體力學(xué)、 HYPERLINK javascript:hotword(分析力學(xué),15609) 分析力學(xué)、 HYPERLINK javascript:hotword(彈性力學(xué),22034) 彈性力學(xué)、 HYPERLINK jav

9、ascript:hotword(塑性力學(xué),3246) 塑性力學(xué)、 HYPERLINK javascript:hotword(流體力學(xué),12821) 流體力學(xué)等。經(jīng)典力學(xué)的 HYPERLINK javascript:hotword(哈密頓正則方程,14687) 哈密頓正則方程已成為物理學(xué)中的重要方程，并應(yīng)用到 HYPERLINK javascript:hotword(統(tǒng)計物理學(xué),883) 統(tǒng)計物理學(xué)、 HYPERLINK javascript:hotword(量子力學(xué),29198) 量子力學(xué)等近代物理學(xué)的理論中。經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用范圍，涉及到能源、航空、航天、機械、建筑、水利、礦山建設(shè)直到安全防護(hù)等

10、各個領(lǐng)域。當(dāng)然，工程技術(shù)問題常常是綜合性的問題，還需要許多學(xué)科進(jìn)行綜合研究，才能完全解決。機械運動中，很普遍的一種運動形式是振動和波動。 HYPERLINK javascript:hotword(聲學(xué),14762) 聲學(xué)就是系統(tǒng)研究這種運動的產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化和吸收的分支學(xué)科。 HYPERLINK javascript:hotword(聲波,31418) 聲波是傳遞信息的重要媒介，而且常常是其中不可缺少的環(huán)節(jié)。人的聲帶、口腔和耳就是聲波的產(chǎn)生器和接收器。人們通過聲波傳遞信息。有許多物體，不易為光波和電磁波透過，卻能為聲波透過。利用聲波研究這種物體的內(nèi)部性質(zhì)，例如利用聲波在媒質(zhì)中的傳播特性研究地層

11、結(jié)構(gòu)和海洋深處及海底的現(xiàn)象和性質(zhì)，就有優(yōu)越性。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 HYPERLINK javascript:hotword(聲表面波,14673) 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；非常強的聲波已經(jīng)用于工業(yè)加工。 熱學(xué)、熱熱力學(xué)和和經(jīng)典統(tǒng)統(tǒng)計力學(xué)學(xué)熱學(xué)研研究熱的的產(chǎn)生和和傳導(dǎo)，研研究物質(zhì)質(zhì)處于熱熱狀態(tài)下下的性質(zhì)質(zhì)和這些些性質(zhì)如如何隨著著熱狀態(tài)態(tài)的變化化而變化化。人們們很早就就有冷熱熱的概念念。利用用火是人人類文明明發(fā)展史史中的一一個重要要的里程程碑。對對于熱現(xiàn)現(xiàn)象

12、的研研究逐步步澄清了了關(guān)于熱熱的模糊糊概念（例例如：區(qū)區(qū)分了 HYPERLINK javascript:hotword(溫度,23533) 溫溫度和 HYPERLINK javascript:hotword(熱量,28135) 熱量，發(fā)發(fā)現(xiàn)它們們是密切切聯(lián)系而而又有區(qū)區(qū)別的兩兩個概念念）。在在此基礎(chǔ)礎(chǔ)上開始始探索熱熱現(xiàn)象的的本質(zhì)和和普遍規(guī)規(guī)律。關(guān)關(guān)于熱現(xiàn)現(xiàn)象的普普遍規(guī)律律的研究究稱為 HYPERLINK javascript:hotword(熱力學(xué),19389) 熱熱力學(xué)。到到19世世紀(jì)，熱熱力學(xué)已已趨于成成熟。 HYPERLINK javascript:hotword(能量,13149) 能

13、量量可以有有許多種種存在形形式，力力學(xué)現(xiàn)象象中物體體有動能能和位能能。物體體有內(nèi)部部運動，因因此有內(nèi)內(nèi)部能量量。199世紀(jì)的的系統(tǒng)實實驗研究究證明：熱是物物體內(nèi)部部無序運運動的能能量的表表現(xiàn)，因因此稱這這種能量量為 HYPERLINK javascript:hotword(內(nèi)能,964) 內(nèi)能能，以前前稱作熱熱能。119世紀(jì)紀(jì)中期， HYPERLINK javascript:hotword(J.P.焦耳,7339) J.P.焦耳等用實驗確定了熱量和功之間的定量關(guān)系，從而建立了 HYPERLINK javascript:hotword(熱力學(xué)第一定律,5078) 熱力學(xué)第一定律：宏觀機械運動的能

14、量與內(nèi)能可以互相轉(zhuǎn)化。就一個孤立的物理系統(tǒng)來說，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，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 HYPERLINK javascript:hotword(S.卡諾,2082) S.卡諾研究結(jié)果的基礎(chǔ)上， HYPERLINK javascript:hotword(R.克勞修斯,32647) R.克勞修斯等提出了 HYPERLINK javascript:hotword(熱力學(xué)第二定律,14185) 熱力學(xué)第二定律。它提出了一切涉及熱現(xiàn)象的客觀過程的發(fā)展方向，表達(dá)了宏觀非平衡過程的不可逆性。例如：一個孤立的物體，其內(nèi)部各處的溫度不盡相同，那么熱

15、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 HYPERLINK javascript:hotword(熱平衡,9406) 熱平衡的狀態(tài)。相反的過程是不可能的，即這個孤立的、內(nèi)部各處溫度都相等的物體不可能自動回到各處溫度不盡相同的狀態(tài)。應(yīng)用 HYPERLINK javascript:hotword(熵,4163) 熵的概念，還可以把 HYPERLINK javascript:hotword(熱力學(xué)第二定律,7131) 熱力學(xué)第二定律表達(dá)為：一個孤立的物理系統(tǒng)的熵不能隨著時間的流逝而減少，只能增加或保持不變。當(dāng)熵達(dá)到最大值時，物理系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。熱力學(xué)是一種唯

16、象的理論。深入研究熱現(xiàn)象的本質(zhì)，就產(chǎn)生了統(tǒng)計力學(xué)。統(tǒng)計力學(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)和行為的統(tǒng)計規(guī)律，是理論物理的一個重要分支。宏觀物體內(nèi)部包含著大量的粒子。要研究其中每一個分子在每一時刻的狀態(tài)實際上辦不到。為了認(rèn)識熱現(xiàn)象的規(guī)律，也無需那么詳細(xì)的知識。統(tǒng)計力學(xué)應(yīng)用統(tǒng)計系綜的方法，研究大量粒子的平均行為。20世紀(jì)初， HYPERLINK javascript:hotword(J.W.吉布斯,5257) J.W.吉布斯奠定了平衡態(tài)的統(tǒng)計力學(xué)的基礎(chǔ)。它的關(guān)于統(tǒng)計分布的基本假設(shè)是：對于一個具有給定能量的給定物理系統(tǒng)，各種可能的狀態(tài)出現(xiàn)的幾率是等同的。熱力學(xué)中的各種

17、物理量以及它們之間的關(guān)系都可以用這種統(tǒng)計分布的平均值表達(dá)。溫度一方面同物體內(nèi)部各分子無序運動的那部分能量有關(guān)，另一方面也決定了這種內(nèi)部能量在物體內(nèi)部運動狀態(tài)之間的分布。非平衡統(tǒng)計力學(xué)所研究的問題復(fù)雜，直到20世紀(jì)中期以后才取得了比較大的進(jìn)展。對于一個包含有大量粒子的宏觀物理系統(tǒng)來說，無序狀態(tài)的數(shù)目比有序狀態(tài)的數(shù)目大得多，實際上多得無法比擬。系統(tǒng)處于無序狀態(tài)的幾率超過了處于有序狀態(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)過渡。平衡態(tài)附近的主要非平衡過程是弛豫、輸運和 HYPERLINK java

18、script:hotword(漲落,1614) 漲落。這方面的理論逐步發(fā)展，已趨于成熟。近2030年來人們對于遠(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，但還有很多問題等待解決。在一定時期內(nèi)，人們對客觀世界的認(rèn)識總是有局限性的，認(rèn)識到的只是相對的真理，經(jīng)典力學(xué)和以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的經(jīng)典統(tǒng)計力學(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，其局限性就顯示出來，因而發(fā)展了量子力學(xué)。與之相應(yīng)，經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)也發(fā)展成為以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的量子統(tǒng)計力學(xué)。 經(jīng)經(jīng)典電磁磁學(xué)、經(jīng)經(jīng)典電動動力學(xué)經(jīng)典 HYPERLINK javascript:hotword(電磁學(xué),21252)

19、電電磁學(xué)研研究宏觀觀電磁現(xiàn)現(xiàn)象和客客觀物體體的電磁磁性質(zhì)。人人們很早早就接觸觸到電的的現(xiàn)象和和磁的現(xiàn)現(xiàn)象，并并知道磁磁棒有南南北兩極極。在118世紀(jì)紀(jì)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)電荷有有兩種：正電荷荷和負(fù)電電荷。不不論是電電荷還是是磁極都都是同性性相斥，異異性相吸吸，作用用力的方方向在電電荷之間間或磁極極之間的的連接線線上，力力的大小小和它們們之間的的距離的的平方成成反比。在在這兩點點上和萬萬有引力力很相似似。188世紀(jì)末末發(fā)現(xiàn)電電荷能夠夠流動，這這就是電電流。但但長期沒沒有發(fā)現(xiàn)現(xiàn)電和磁磁之間的的聯(lián)系。19世紀(jì)前期， HYPERLINK javascript:hotword(H.C.奧斯特,9860) H.C.奧

20、斯特發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。而后 HYPERLINK javascript:hotword(A.-M.安培,24587) A.-M.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電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直。不久之后， HYPERLINK javascript:hotword(M.法拉第,13460) M.法拉第又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)線圈時，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。兩個質(zhì)點之間的萬有引力沿著它們之間的連接線起作用。兩個電荷之間的作用力也是這樣。這些力曾經(jīng)被認(rèn)為是 HYPERLINK javascript:hotword(超距作用,7180) 超距作用。也

21、就是說：這種力的傳遞既不需要時間，也不需要媒介。但是在電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)以后，就認(rèn)識到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬有引力相似，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 HYPERLINK javascript:hotword(磁力線,15644) 磁力線，電荷向各個方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了電磁場的概念?，F(xiàn)在人們認(rèn)識到，電磁場是物質(zhì)存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生 HYPERLINK javascript:hotword(電場,32622) 電場，這個電場又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生 HYPERLINK javascript:ho

22、tword(磁場,1062) 磁場，而這個磁場又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介。它彌漫于整個空間。19世紀(jì)下半葉， HYPERLINK javascript:hotword(J.C.麥克斯韋,7786) J.C.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。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎(chǔ)上他提出了一套偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為 HYPERLINK javascript:hotword(麥克斯韋方程組,29707) 麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程，其中包含著

23、電荷、電流如何產(chǎn)生電磁場的規(guī)律；也包含著電場和磁場相互影響，導(dǎo)致它們在時間和空間中如何變化的規(guī)律。麥克斯韋的電磁理論預(yù)言了 HYPERLINK javascript:hotword(電磁波,27856) 電磁波的存在，其傳播速度等于 HYPERLINK javascript:hotword(光速,8374) 光速。這一預(yù)言后來為 HYPERLINK javascript:hotword(H.R.赫茲,18645) H.R.赫茲的實驗所證實。遂使人們認(rèn)識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，肯定了光也是一種電磁波。由于電磁場能夠以力作用于帶電粒子，一個運動中的帶電粒子既受到電場的力

24、，也受到磁場的力， HYPERLINK javascript:hotword(H.A.洛倫茲,27059) H.A.洛倫茲把運動電荷所受到的電磁場的作用力歸結(jié)為一個公式，人們就稱這個力為 HYPERLINK javascript:hotword(洛倫茲力,19798) 洛倫茲力。描述電磁場基本規(guī)律的麥克斯韋方程組和洛倫茲力就構(gòu)成了 HYPERLINK javascript:hotword(經(jīng)典電動力學(xué),23015) 經(jīng)典電動力學(xué)的基礎(chǔ)。事實上發(fā)電機無非是利用電動力學(xué)的規(guī)律，將機械能轉(zhuǎn)化為電磁能；電動機無非是利用電動力學(xué)的規(guī)律將電磁能轉(zhuǎn)化為機械能。電報、電話、無線電、電燈也無一不是經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)

25、典電動力學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)典電動力學(xué)對生產(chǎn)力的發(fā)展起著重要的推動作用，從而對社會產(chǎn)生普遍而重要的影響。 光 學(xué) 和和 電 磁 波波 HYPERLINK javascript:hotword(光學(xué),12088) 光學(xué)研研究 HYPERLINK javascript:hotword(光,6635) 光的性質(zhì)質(zhì)及其和和物質(zhì)的的各種相相互作用用，光是是電磁波波。雖然然可見光光的波長長范圍在在 410-5 7.6110-55cm之之間，只只占電磁磁波中很很窄的一一個波段段，但早早在認(rèn)識識到光是是電磁波波以前，人人們就對對光進(jìn)行行了研究究。177世紀(jì)對對光的本本質(zhì)提出出了兩種種假說：一種假假說認(rèn)為為光是由由

26、許多微微粒組成成的；另另一種假假說認(rèn)為為光是一一種波動動。199世紀(jì)在在實驗上上確定了了光有波波的獨具具的干涉涉現(xiàn)象，以以后的實實驗證明明光是電電磁波。220世紀(jì)紀(jì)初又發(fā)發(fā)現(xiàn)光具具有粒子子性，人人們在深深入研究究微觀世世界后，才才認(rèn)識到到，光具具有 HYPERLINK javascript:hotword(波粒二象性,18126) 波粒粒二象性性。光光可以為為物質(zhì)所所發(fā)射、吸吸收、反反射、折折射和衍衍射。當(dāng)當(dāng)所研究究的物體體或空間間的大小小遠(yuǎn)大于于光波的的波長時時，光可可以當(dāng)作作沿直線線進(jìn)行的的光線來來處理；但當(dāng)研研究深入入到現(xiàn)象象細(xì)節(jié)，其其空間范范圍和光光波波長長差不多多大小的的時候，就就必

27、須著著重考慮慮光的波波動性。而而研究光光和微觀觀粒子的的相互作作用時，還還要考慮慮光的粒粒子性。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)行非常精密的測量。物質(zhì)所放出來的光攜帶著關(guān)于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要信息，例如：原子所放出來的 HYPERLINK javascript:hotword(原子光譜,12895) 原子光譜就和 HYPERLINK javascript:hotword(原子結(jié)構(gòu),11630) 原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。近年來利用受激光輻射機制所產(chǎn)生的 HYPERLINK javascript:hotword(激光,1455) 激光能夠達(dá)到非常

28、大的功率，且光束的張角非常小，其電場強度甚至可以超過原子內(nèi)部的電場強度。利用激光已經(jīng)開辟了 HYPERLINK javascript:hotword(非線性光學(xué),22675) 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)有重要的應(yīng)用?，F(xiàn)在用人工方法產(chǎn)生的電磁波的波長，長的已經(jīng)達(dá)幾千米，短的不到一百萬億分之一厘米，覆蓋了近20個數(shù)量級的波段。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)展過程中，形成了電磁場的概念。在物理學(xué)爾后的發(fā)展中，場成了非常基本、非常普遍的概念，變得十分重要。在現(xiàn)代物理學(xué)中，場的概念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電磁學(xué)的范圍，成為物質(zhì)的

29、一種基本的、普遍的存在形式。 狹義相相對論和和相對論論力學(xué)在經(jīng)典典力學(xué)取取得很大大成功以以后，人人們習(xí)慣慣于將一一切現(xiàn)象象歸結(jié)為為由機械械運動所所引起的的。在電電磁場概概念提出出以后，人人們假設(shè)設(shè)存在一一種名叫叫“以太太”的媒媒質(zhì)，它它彌漫于于整個宇宇宙，滲滲透到所所有的物物體中，絕絕對靜止止不動，沒沒有質(zhì)量量，對物物體的運運動不產(chǎn)產(chǎn)生任何何阻力，也也不受萬萬有引力力的影響響。電磁磁場被認(rèn)認(rèn)為是以以太中的的應(yīng)力，電電磁波是是以太中中的彈性性波，它它在以太太中向各各方向的的傳播速速度都一一樣大（見見 HYPERLINK javascript:hotword(以太論,25885) 以太論論）?？梢?/p>

30、將將以太作作為一個個絕對靜靜止的參參照系，因因此相對對于以太太作勻速速運動的的參照系系都是慣慣性參照照系。在在相對于于以太作作勻速運運動的慣慣性參照照系中觀觀察，電電磁波的的傳播速速度應(yīng)該該隨著波波的傳播播方向而而改變。例例如：在在一個運運動的慣慣性參照照系中觀觀察，沿沿著參照照系運動動方向傳傳播的光光的速率率看起來來應(yīng)該慢慢一些；逆著參參照系運運動方向向傳播的的光的速速率看起起來應(yīng)該該快一些些。這就就給利用用測量不不同方向向光速的的方法，在在所有的的慣性參參照系中中確定那那些是絕絕對靜止止的參照照系提供供了可能能性。但但實測的的結(jié)果卻卻出乎意意料之外外，在不不同的、相相對作勻勻速運動動的慣性

31、性參照系系中，測測得的光光速同傳傳播方向向無關(guān)，都都完全相相等。特特別是 HYPERLINK javascript:hotword(A.A.邁克耳孫,10057) AA.A.邁克耳耳孫和EE.W.莫雷進(jìn)進(jìn)行的非非常精確確的實驗驗，可靠靠地證明明了這一一點。這這一實驗驗事實顯顯然同經(jīng)經(jīng)典物理理學(xué)中關(guān)關(guān)于時間間、空間間和以太太的概念念相矛盾盾。 HYPERLINK javascript:hotword(A.愛因斯坦,789) A.愛因斯斯坦從這這些實驗驗事實出出發(fā)，對對空間、時時間的概概念進(jìn)行行了深刻刻的分析析，從而而建立了了新的時時空觀念念，在此此基礎(chǔ)上上他提出出了 HYPERLINK java

32、script:hotword(狹義相對論,15281) 狹義義相對論論。狹義義相對論論的基本本假設(shè)是是：在一切切慣性參參照系中中，基本本物理規(guī)規(guī)律都一一樣，都都可用同同一組數(shù)數(shù)學(xué)方程程來表達(dá)達(dá)；對于任任何一個個光源發(fā)發(fā)出來的的光，在在一切慣慣性參照照系中測測量其傳傳播速率率，結(jié)果果都相等等。在狹義義相對論論中，空空間和時時間是彼彼此密切切聯(lián)系的的統(tǒng)一體體，空間間距離是是相對的的，時間間也是相相對的。在在相對于于尺和鐘鐘作勻速速運動的的慣性參參照系中中的觀察察者看來來，尺變變短了，鐘鐘變慢了了。因此此尺的長長短， 時間的的長短都都是相對對的。但但在狹義義相對論論中，并并不是一一切都是是相對的的。

33、例如如：設(shè)在在空間、時時間中有有兩點，它它們的坐坐標(biāo)分別別為(xx1，t1)和(x2，t2)，那那末在任任何慣性性參照系系中，量量(x1-x2)2-2(t1-t2)2的數(shù)值值是不變變的，因因此是絕絕對的，其其中代代表光速速?？臻g間坐標(biāo)、時時間坐標(biāo)標(biāo)和一系系列物理理量，如如：動量量和能量量、電場場強度和和磁場強強度等等等，在不不同慣性性參照系系之間的的變換關(guān)關(guān)系稱為為 HYPERLINK javascript:hotword(洛倫茲變換,21773) 洛倫茲茲變換?；疚锢砝硪?guī)律必必須對于于洛倫茲茲變換具具有不變變性。麥克克斯韋方方程組對對于洛倫倫茲變換換具有不不變性。經(jīng)經(jīng)典力學(xué)學(xué)規(guī)律對對于伽

34、利利略變換換具有不不變性；但對于于洛倫茲茲變換卻卻不具有有不變性性，因此此必須加加以修改改。修改改后的力力學(xué)稱為為相對論論力學(xué)，它它對于洛洛倫茲變變換具有有不變性性。在相相對論力力學(xué)中，光光速是機機械運動動速度的的極限，不不可逾越越。當(dāng)物物體速度度無限地地趨近光光速時，它它的動量量、能量量、慣性性質(zhì)量均均將趨于于無窮大大。這些些結(jié)論在在實驗中中都得到到了證實實。相對論論力學(xué)的的另一個個重要結(jié)結(jié)論是:一個具具有質(zhì)量量m的物體體一定具具有能量量E，并有有 Em22，即使物體靜靜止時也也是如此此。假使使質(zhì)量是是物質(zhì)的的量的一一種度量量，能量量是運動動的量的的一種度度量，則則上式表表明：物物質(zhì)和運運動

35、之間間存在著著不可分分割的聯(lián)聯(lián)系。不不存在沒沒有運動動的物質(zhì)質(zhì)，也不不存在沒沒有物質(zhì)質(zhì)的運動動。對于于靜止物物體來說說，E代表它它的內(nèi)部部運動的的量。11克物質(zhì)質(zhì)內(nèi)部所所蘊藏的的能量相相當(dāng)于22萬多噸噸TNTT炸藥爆爆炸時所所釋放的的能量。這這一規(guī)律律已在核核能的研研究和實實踐中得得到了證證實。當(dāng)物物體的速速度遠(yuǎn)小小于光速速時，相相對論力力學(xué)定律律就趨近近于經(jīng)典典力學(xué)定定律。因因此在低低速運動動時，經(jīng)經(jīng)典力學(xué)學(xué)定律仍仍然是很很好的相相對真理理。例如如：地球球繞太陽陽運行的的速率約約為300km/s。這這同日常常生活中中遇到的的機械運運動的速速度相比比是很大大的速度度；但同同光速相相比，卻卻是很

36、小小的速度度，僅為為光速的的萬分之之一。因因此處理理這類問問題，經(jīng)經(jīng)典力學(xué)學(xué)定律仍仍然是很很好的相相對真理理，仍然然能用來來解決工工程技術(shù)術(shù)中的力力學(xué)問題題。狹義相相對論對對空間和和時間的的概念進(jìn)進(jìn)行了革革命性的的變革，并并且否定定了以太太的概念念，肯定定了電磁磁場是一一種獨立立的、物物質(zhì)存在在的特殊殊形式。由由于空間間和時間間是物質(zhì)質(zhì)存在的的普遍形形式，因因此狹義義相對論論對于物物理學(xué)產(chǎn)產(chǎn)生了廣廣泛而又又深遠(yuǎn)的的影響。 廣義相對論論和萬有有引力的的基本理理論狹義相相對論給給牛頓萬萬有引力力定律也也帶來了了新問題題。牛頓頓提出的的萬有引引力被認(rèn)認(rèn)為是一一種超距距作用，它它的傳遞遞不需要要時間，

37、產(chǎn)產(chǎn)生和到到達(dá)是同同時的。這這同狹義義相對論論提出的的光速是是傳播速速度的極極限相矛矛盾。而而且在狹狹義相對對論中，“同同時”是是一種相相對的概概念。因因此，必必須對牛牛頓的萬萬有引力力定律也也加以改改造。改改造的關(guān)關(guān)鍵來自自R.VV.厄缶缶的實驗驗，它以以很高的的精確度度證明：慣性質(zhì)質(zhì)量和引引力質(zhì)量量相等，因因此不論論行星的的質(zhì)量多多大多小小，只要要在某一一時刻它它們的空空間坐標(biāo)標(biāo)和速度度都相同同，那末末它們的的運行軌軌道都將將永遠(yuǎn)相相同。引引力所決決定的運運行軌道道和運行行物體的的質(zhì)量無無關(guān)，對對于所有有物體都都一樣。這這個結(jié)論論提供了了一個線線索，啟啟發(fā)愛因因斯坦設(shè)設(shè)想：萬萬有引力力效應(yīng)

38、是是空間、時時間彎曲曲的一種種表現(xiàn)，從從而提出出了 HYPERLINK javascript:hotword(廣義相對論,2522) 廣義義相對論論。根據(jù)據(jù)廣義相相對論，空空間、時時間的彎彎曲結(jié)構(gòu)構(gòu)決定于于物質(zhì)的的能量密密度、動動量密度度在空間間、時間間中的分分布；而而空間、時時間的彎彎曲結(jié)構(gòu)構(gòu)又反過過來決定定物體的的運行軌軌道。在在引力不不強，空空間、時時間彎曲曲很小的的情況下下，廣義義相對論論的預(yù)言言就同牛牛頓萬有有引力定定律和牛牛頓運動動定律的的預(yù)言趨趨于一致致；引力力較強，空空間、時時間彎曲曲較大的的情況下下，就有有區(qū)別。但但這種區(qū)區(qū)別常常常很小，很很難在實實驗中觀觀察到。從從廣義相相

39、對論提提出到現(xiàn)現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過去了了70年年，至今今還只有有四種實實驗?zāi)軝z檢驗出這這種區(qū)別別。所有有這四種種實驗觀觀察結(jié)果果都支持持廣義相相對論而而不支持持牛頓萬萬有引力力定律的的結(jié)論。廣義相對論不僅對于天體的結(jié)構(gòu)和演化的研究有重要意義，對于研究宇宙的結(jié)構(gòu)和演化也有重要意義。 原子物理學(xué)學(xué)、量子子力學(xué)、量量子電動動力學(xué)原子物物理學(xué)研研究原子子的性質(zhì)質(zhì)、內(nèi)部部結(jié)構(gòu)、內(nèi)內(nèi)部受激激狀態(tài)，以以及原子子和電磁磁場、電電磁波的的相互作作用以及及原子之之間的相相互作用用。原子子是一個個很古老老的概念念。古代代就有人人認(rèn)為：宇宙間間萬物都都是由原原子組成成的。原原子是不不可分割割的、永永恒不變變的物質(zhì)質(zhì)最終單單元

40、。118977年 HYPERLINK javascript:hotword(J.J.湯姆孫,18819) J.J.湯湯姆孫發(fā)發(fā)現(xiàn)了 HYPERLINK javascript:hotword(電子,3658) 電電子。這這才使人人們認(rèn)識識到原子子不是不不可分割割的、永永恒不變變的，而而是具有有內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)的粒粒子。于于是在119世紀(jì)紀(jì)末，經(jīng)經(jīng)典物理理學(xué)的局局限性進(jìn)進(jìn)一步暴暴露出來來。根據(jù)據(jù)經(jīng)典物物理學(xué)和和原子中中存在著著電子的的實驗事事實可以以推導(dǎo)出出：假使使空腔壁壁的溫度度不為零零，一個個具有有有限體積積的空腔腔內(nèi)的 HYPERLINK javascript:hotword(電磁輻射,6874)

41、 電電磁輻射射的能量量是無窮窮大的。這這顯然不不符合客客觀事實實（見 HYPERLINK javascript:hotword(黑體輻射,29164) 黑黑體輻射射）。經(jīng)經(jīng)典物理理學(xué)也無無法解釋釋 HYPERLINK javascript:hotword(光電效應(yīng),3616) 光電效效應(yīng)。為為此， HYPERLINK javascript:hotword(M.普朗克,20025) MM.普朗朗克和愛愛因斯坦坦提出了了同經(jīng)典典物理學(xué)學(xué)相矛盾盾的假設(shè)設(shè)：光是是由一粒粒一粒光光子組成成的，每每一粒光光子的能能量E為 Ehv，式中v為光光的頻率率，h是一個個常數(shù)，稱稱為普朗朗克常數(shù)數(shù)。這一一假設(shè)導(dǎo)導(dǎo)出

42、的結(jié)結(jié)論和黑黑體輻射射及光電電效應(yīng)的的實驗結(jié)結(jié)果符合合。于是是，199世紀(jì)初初被否定定了的光光的微粒粒說又以以新的形形式出現(xiàn)現(xiàn)。19111年， HYPERLINK javascript:hotword(E.盧瑟福,9476) E.盧瑟福用粒子散射實驗(見 HYPERLINK javascript:hotword(原子結(jié)構(gòu),7122) 原子結(jié)構(gòu))發(fā)現(xiàn)原子的質(zhì)量絕大部分以及內(nèi)部的正電荷集中在原子中心一個很小的區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)域的半徑只有原子半徑的萬分之一左右，因此稱為 HYPERLINK javascript:hotword(原子核,17544) 原子核。這才使人們對原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了一個定性的、

43、符合實際的概念。在某些方面，原子類似一個極小的太陽系，只是太陽和行星之間的作用力是萬有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。用經(jīng)典物理學(xué)來解釋原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原子發(fā)射出來的光的頻譜遇到了不可克服的困難。按照 HYPERLINK javascript:hotword(經(jīng)典電動力學(xué),26356) 經(jīng)典電動力學(xué)理論，圍繞原子核運行的電子因加速運動會輻射電磁波，從而損失能量，電子軌道的半徑將逐漸縮小，放出的電磁波的頻率會愈來愈高，并連續(xù)改變；最后，電子因損失能量而落入原子核中。因此，原子不可能有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。但實驗表明：原子有很穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，放出來的電磁波的頻譜并不連續(xù)，而是分立的，而且這種分立的頻譜具

44、有明顯的規(guī)律性。為了解釋原子的結(jié)構(gòu)和原子光譜的規(guī)律， HYPERLINK javascript:hotword(N.玻爾,7730) N.玻爾提出了他的氫原子理論，在經(jīng)典力學(xué)所容許的所有運動狀態(tài)中，只有那些電子的軌道角動量為 的整數(shù)倍的的狀態(tài)才才是客觀觀規(guī)律所所允許的的狀態(tài)（見見 HYPERLINK javascript:hotword(玻爾氫原子理論,22468) 玻爾氫氫原子理理論）。因因此原子子內(nèi)部電電子圍繞繞原子核核運動的的能量只只能取一一系列分分立的數(shù)數(shù)值，稱稱為能級級。原子子吸收或或放出光光子時，就就從一個個能級躍躍遷到另另一個能能級，光光的頻率率v和光子子的能量量 E之間有有如上

45、述述愛因斯斯坦光子子假說的的公式所所表達(dá)的的關(guān)系。光光子的能能量 EE為這兩兩個能級級的能量量差。玻玻爾的氫氫原子理理論在解解釋氫原原子的結(jié)結(jié)構(gòu)和光光譜時取取得了很很大的成成功；但但是用來來研究氦氦原子結(jié)結(jié)構(gòu)時就就遇到了了困難。顯顯然，經(jīng)經(jīng)典物理理學(xué)的可可用范圍圍不包括括微觀世世界；而而上述普普朗克、愛愛因斯坦坦、玻爾爾的學(xué)說說雖包含含了微觀觀世界的的部分真真理，但但都不是是微觀世世界物理理現(xiàn)象的的完整的的基本理理論。原子子物理學(xué)學(xué)的基本本理論是是在200世紀(jì)220年代代中期和和后期由由 HYPERLINK javascript:hotword(L.V.德布羅意,22199) L.VV.德布布

46、羅意、 HYPERLINK javascript:hotword(W.K.海森伯,3529) W.KK.海森森伯、 HYPERLINK javascript:hotword(E.薛定諤,17218) E.薛薛定諤、 HYPERLINK javascript:hotword(P.A.M.狄喇克,28537) P.AA.M.狄喇克克、 HYPERLINK javascript:hotword(W.泡利,11999) W.泡泡利等所所創(chuàng)建的的 HYPERLINK javascript:hotword(量子力學(xué),26301) 量子力力學(xué)和 HYPERLINK javascript:hotword(量子

47、電動力學(xué),22115) 量子電電動力學(xué)學(xué)。它們們區(qū)別于于 HYPERLINK javascript:hotword(經(jīng)典力學(xué),5471) 經(jīng)典力力學(xué)和 HYPERLINK javascript:hotword(經(jīng)典電動力學(xué),29588) 經(jīng)典電電動力學(xué)學(xué)的主要要特點是是：物理量量所能取取的數(shù)值值常常是是不連續(xù)續(xù)的，當(dāng)當(dāng)然，某某些物理理量在一一定范圍圍內(nèi)也可可以取連連續(xù)的數(shù)數(shù)值；它們所所反映的的規(guī)律不不是確定定性的規(guī)規(guī)律，而而是統(tǒng)計計規(guī)律。這兩個特點之間又存在著密切的聯(lián)系。量子力學(xué)和量子電動力學(xué)應(yīng)用于研究原子結(jié)構(gòu)、原子光譜、原子發(fā)射、吸收、散射光的過程以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉(zhuǎn)化過

48、程非常成功。理論結(jié)果同最精密的實驗結(jié)果相符合。微觀客體的一個基本性質(zhì)是 HYPERLINK javascript:hotword(波粒二象性,30888) 波粒二象性。所有一切微觀粒子如：光子、電子、原子等都具有波粒二象性。對于所有微觀粒子，能量E和頻率v之間、動量p和波長之間都有如下的關(guān)系： 。這兩個關(guān)系系式表達(dá)達(dá)了微觀觀客體的的粒子性性和波動動性之間間的深刻刻聯(lián)系。粒粒子和波波是人在在宏觀世世界的實實踐中形形成的概概念，它它們各自自描述了了迥然不不同的客客體。但但從宏觀觀世界實實踐中形形成的概概念未必必恰巧適適合于描描述微觀觀世界的的現(xiàn)象?，F(xiàn)現(xiàn)在看來來，需要要粒子和和波動兩兩種概念念互相補

49、補充，才才能全面面地反映映微觀客客體在各各種不同同的條件件下所表表現(xiàn)的性性質(zhì)。這一一基本特特點的另另一種表表現(xiàn)方式式是海森森伯的 HYPERLINK javascript:hotword(測不準(zhǔn)關(guān)系,20213) 測測不準(zhǔn)關(guān)關(guān)系。這這一關(guān)系系說明：不可能能同時測測準(zhǔn)一個個粒子的的位置和和動量，位位置測得得愈準(zhǔn)，動動量必然然測得愈愈不準(zhǔn)；動量測測得愈準(zhǔn)準(zhǔn)，位置置必然測測得愈不不準(zhǔn)。測測不準(zhǔn)關(guān)關(guān)系的表表達(dá)式是是： xpph，式中x是是位置測測量的誤誤差，p是動量量測量的的誤差。波粒二象性已經(jīng)包含在量子力學(xué)的數(shù)學(xué)形式中：在量子力學(xué)中物理量由算符表示，物理量所能取的數(shù)值就是算符的本征值，本征值常常是不

50、連續(xù)的，粒子性就是這種不連續(xù)性的一種表現(xiàn)；物理狀態(tài)由 HYPERLINK javascript:hotword(波函數(shù),7850) 波函數(shù)表達(dá)，波動性就是波函數(shù)所描述的統(tǒng)計性質(zhì)的一種表現(xiàn)。量子力學(xué)和量子電動力學(xué)產(chǎn)生于 HYPERLINK javascript:hotword(原子物理學(xué),30489) 原子物理學(xué)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，因此不僅應(yīng)用于原子物理，也應(yīng)用于 HYPERLINK javascript:hotword(分子物理學(xué),26262) 分子物理學(xué)、 HYPERLINK javascript:hotword(原子核物理

51、學(xué),32628) 原子核物理學(xué)以及宏觀物體的微觀結(jié)構(gòu)的研究。量子電動力學(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，還沒有發(fā)現(xiàn)量子電動力學(xué)的局限性。當(dāng)所研究的現(xiàn)象中，坐標(biāo)值和動量值的乘積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于h時，量子力學(xué)和量子電動力學(xué)所得到的結(jié)果就趨近于經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動力學(xué)所得到的結(jié)果。例如，觀察不到宏觀物體的波動性的原因是因為相應(yīng)的波長太短。一個質(zhì)量為 1g的物體以1cm/s的速度運動，相應(yīng)的波長為610-27cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前實驗技術(shù)所能測量出來的最小距離。因此經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動力學(xué)仍然是反映宏觀力學(xué)現(xiàn)象和宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律的很好的相對真理。分子物理學(xué)研究原子如何結(jié)合成為分子，分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)

52、部運動狀態(tài)、它的電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)等等。分子物理現(xiàn)象服從量子力學(xué)和量子電動力學(xué)所反映的規(guī)律。簡單的分子用量子力學(xué)和量子電動力學(xué)來分析處理，得到的結(jié)果和實驗結(jié)果相符合，但用量子力學(xué)和量子電動力學(xué)來處理復(fù)雜的分子，數(shù)學(xué)上非常復(fù)雜和困難，很難得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。由于X射線衍射技術(shù)、中子衍射技術(shù)、激光技術(shù)等的發(fā)展，為研究分子提供了有力的實驗手段。生命物質(zhì)內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但應(yīng)用現(xiàn)有的實驗技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)λ鼈兊慕Y(jié)構(gòu)包括細(xì)胞內(nèi)染色體中攜帶遺傳密碼的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析。分子物理的實驗研究正在不斷取得進(jìn)展。 量子統(tǒng)計力力學(xué)以量子子力學(xué)為為基礎(chǔ)的的統(tǒng)計力力學(xué)，稱稱為量子子統(tǒng)計力力學(xué)(見見 HY

53、PERLINK javascript:hotword(量子統(tǒng)計法,18889) 量子統(tǒng)統(tǒng)計法)。經(jīng)典典統(tǒng)計力力學(xué)以經(jīng)經(jīng)典力學(xué)學(xué)為基礎(chǔ)礎(chǔ)，因而而經(jīng)典統(tǒng)統(tǒng)計力學(xué)學(xué)也具有有局限性性。例如如：隨著著溫度趨趨于絕對對零度固固體的比比熱容趨趨于零的的實驗現(xiàn)現(xiàn)象，就就無法用用經(jīng)典統(tǒng)統(tǒng)計力學(xué)學(xué)來解釋釋。在宏觀觀世界中中，看起起來相同同的物體體總是可可以區(qū)別別的；在在微觀世世界中，同同一類粒粒子卻無無法區(qū)分分。例如如：所有有的電子子的一切切性質(zhì)都都完全一一樣。在在宏觀物物理現(xiàn)象象中，將將兩個宏宏觀物體體交換，就就得到一一個和原原來狀態(tài)態(tài)不同的的狀態(tài)，進(jìn)進(jìn)行統(tǒng)計計時必須須將交換換前和交交換后的的狀態(tài)當(dāng)當(dāng)作兩個個不

54、同的的狀態(tài)處處理；但但是在一一個物理理系統(tǒng)中中，交換換兩個電電子后，得得到的還還是原來來的狀態(tài)態(tài)，因此此進(jìn)行統(tǒng)統(tǒng)計時，必必須將交交換前和和交換后后的狀態(tài)態(tài)當(dāng)作同同一個狀狀態(tài)來處處理。微觀觀粒子還還有其他他特殊性性。自旋旋為媡 的半整整倍數(shù)的的粒子，如如電子，服服從費密密-狄喇喇克統(tǒng)計計，這類類粒子統(tǒng)統(tǒng)稱為“ HYPERLINK javascript:hotword(費密子,2862) 費密子”；自旋為媡的整數(shù)倍的粒子，如光子，服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(見 HYPERLINK javascript:hotword(全同粒子,2111) 全同粒子)，這類粒子統(tǒng)稱為“ HYPERLINK javasc

55、ript:hotword(玻色子,9729) 玻色子”。根據(jù)微觀世界的這些規(guī)律改造經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)，就得到量子統(tǒng)計力學(xué)。應(yīng)用量子統(tǒng)計力學(xué)就能使一系列經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)無法解釋的現(xiàn)象，如黑體輻射、低溫下的固體比熱容、固體中的電子為什么對比熱的貢獻(xiàn)如此小等等，得到了合理的解釋。 固 體 物物 理 學(xué)固體物物理學(xué)研研究固體體的性質(zhì)質(zhì)，它的的微觀結(jié)結(jié)構(gòu)及其其各種內(nèi)內(nèi)部運動動，以及及這種微微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)和內(nèi)部部運動同同固體的的宏觀性性質(zhì)（如如力學(xué)性性質(zhì)、熱熱學(xué)性質(zhì)質(zhì)、光學(xué)學(xué)性質(zhì)、電電磁性質(zhì)質(zhì)等等）的的關(guān)系。每每立方厘厘米固體體中包含含巨量的的原子，因因此上述述問題是是多體問問題。固固體的內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)和運動動形式很很復(fù)

56、雜，這這方面的的研究是是從 HYPERLINK javascript:hotword(晶體,17356) 晶體體開始的的，因為為晶體的的內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)簡單單，而且且具有明明顯的規(guī)規(guī)律性，較較易研究究。以后后進(jìn)一步步研究一一切處于于凝聚狀狀態(tài)的物物體的內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)、內(nèi)部部運動以以及它們們和宏觀觀物理性性質(zhì)的關(guān)關(guān)系。這這類研究究統(tǒng)稱為為凝聚態(tài)態(tài)物理學(xué)學(xué)。固體中中電子的的運動狀狀態(tài)服從從量子力力學(xué)和量量子電動動力學(xué)的的規(guī)律。在在晶體中中，原子子（離子子、分子子）有規(guī)規(guī)則地排排列，形形成 HYPERLINK javascript:hotword(點陣,9061) 點陣陣。200世紀(jì)初初， HYPERLIN

57、K javascript:hotword(M.von勞厄,16156) M.vonn勞厄和和 HYPERLINK javascript:hotword(布喇格父子,19494) 布喇格格父子發(fā)發(fā)展了 HYPERLINK javascript:hotword(X射線衍射,5480) XX射線衍衍射方法法，用以以研究點點陣結(jié)構(gòu)構(gòu)。第二二次世界界大戰(zhàn)以以后，又又發(fā)展了了 HYPERLINK javascript:hotword(中子衍射,30127) 中子衍衍射方法法，使晶晶體點陣陣結(jié)構(gòu)的的實驗研研究得到到了進(jìn)一一步發(fā)展展。在晶體體中，原原子的外外層電子子可能具具有的能能量形成成一段一一段的能能帶(

58、見見 HYPERLINK javascript:hotword(固體的能帶,14632) 固體的的能帶)。電子子不可能能具有能能帶以外外的能量量值。按按電子在在能帶中中不同的的填充方方式，可可以把晶晶體區(qū)別別為金屬屬、絕緣緣體和 HYPERLINK javascript:hotword(半導(dǎo)體,14467) 半半導(dǎo)體。能能帶理論論結(jié)合半半導(dǎo)體鍺鍺和硅的的基礎(chǔ)研研究，高高質(zhì)量的的半導(dǎo)體體單晶生生長和摻摻雜技術(shù)術(shù)，導(dǎo)致致 HYPERLINK javascript:hotword(J.巴丁,14606) J.巴巴丁、WW.H.布喇頓頓和W.肖克萊萊于1994719448年發(fā)發(fā)明了晶晶體管。電子具有自

59、旋和 HYPERLINK javascript:hotword(磁矩,26566) 磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運動一起，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。作為一個整體的點陣，有大量內(nèi)部 HYPERLINK javascript:hotword(自由度,1541) 自由度，因此具有大量的集體運動方式，具有各式各樣的元激發(fā)（見 HYPERLINK javascript:hotword(固體中的元激發(fā),14785) 固體中的元激發(fā)）。晶體的許多性質(zhì)都和點陣的結(jié)構(gòu)及其各種運動模式密切相關(guān)，晶體內(nèi)部電子的運動和點陣的運動之間相耦合，也對固體的

60、性質(zhì)有重要的影響。例如： HYPERLINK javascript:hotword(H.開默林昂內(nèi)斯,2578) H.開默林昂內(nèi)斯在1911年發(fā)現(xiàn)，金屬在低溫下有 HYPERLINK javascript:hotword(超導(dǎo)電性,20929) 超導(dǎo)電性；江崎玲於奈在1960年發(fā)現(xiàn) HYPERLINK javascript:hotword(超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng),8001) 超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)。這些效應(yīng)都和這種不同運動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陣。處于不同形式點陣的晶體，雖然化學(xué)成分相同，物理性質(zhì)卻可能不同。不同的點陣形式具有不同的能量：在低溫時，點陣處于能量最