物理科學(xué)前沿簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上物理科學(xué)前沿簡介一、20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的歷史回顧 在19世紀(jì)末葉，有一個叫開爾文的物理學(xué)家，他當(dāng)時有一個很有名的話，就是“19世紀(jì)的物理學(xué)，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(dāng)時對的存在性，光速跟以太有沒有關(guān)系的疑問；另外一個是關(guān)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(jì)物理學(xué)家說的話，沒有想到這就成為了20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的序幕。第一朵烏云的驅(qū)散，導(dǎo)致了的誕生，另外一朵烏云的澄清。導(dǎo)致了誕生。這兩朵烏云一澄清以后，物

2、理學(xué)就有飛速發(fā)展。我可以簡要敘述一下的特點(diǎn)。狹義相對論之所以提出來，是針對光速測量產(chǎn)生的。當(dāng)時有好多實(shí)驗(yàn)，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(yùn)動而運(yùn)動的，也有一些證明是以太是隨著物質(zhì)的運(yùn)動而部分地帶運(yùn)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(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，實(shí)驗(yàn)說光的速度和發(fā)光物質(zhì)的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)，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(yùn)動中的觀察者，永遠(yuǎn)看到的是光的速度，大概是每秒30萬公里在運(yùn)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(xué)需要有修正。牛頓力學(xué)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(jié)果就是就是物體在低速運(yùn)動的時候仍然符合牛頓力學(xué)的規(guī)律，而在速度很大，接近光速的時候，運(yùn)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(jì)另外一個重大的發(fā)現(xiàn)是量子力學(xué)，量子力學(xué)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(dāng)時有一個大物理學(xué)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(jìn)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(xué)中第一次引進(jìn)了光能的吸收和釋放是不連續(xù)的概念。愛因斯坦進(jìn)一步用普朗克假說解釋了光電效應(yīng)，進(jìn)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(xùn)先生在實(shí)驗(yàn)上證明了這樣一個光子打到電子以后，光子運(yùn)動的頻率和運(yùn)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(xué)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(jìn)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(shí)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(kuò)展成粒子的波粒二象性。這就是德布洛意波假說。進(jìn)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(xué)。量子力學(xué)出來以后，引起了人們對微觀世界認(rèn)識的一場大革命。這兩件事情就是20世紀(jì)物理的重大發(fā)現(xiàn). 物理學(xué)的大發(fā)現(xiàn)，在歷史上有三次。第一次是牛頓力學(xué)。牛頓力

6、學(xué)以及當(dāng)時跟牛頓力學(xué)有關(guān)系的科學(xué)所發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)定律是宏觀的低速運(yùn)動的規(guī)律。因?yàn)榕ｎD力學(xué)討論象地球，太陽，月球這些天體運(yùn)動，即討論對象的運(yùn)動速度是慢的，物體是宏觀的。 牛頓力學(xué)勾畫的是經(jīng)典物理學(xué)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(diǎn)就是以光速而運(yùn)動。電磁波的運(yùn)動可以說是一種宏觀而高速的運(yùn)動。到了愛因斯坦的相對論，就把宏觀低速運(yùn)動和高速運(yùn)動有機(jī)的聯(lián)系在一起，其中，描寫光的高速運(yùn)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(xué)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(yùn)動的規(guī)律。第三次突破是量子力學(xué)。量子力學(xué)回答的是微觀粒子的運(yùn)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(shù)的重大變革。牛頓力學(xué)奠定的是機(jī)械工程等方面的基礎(chǔ)，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(xué)運(yùn)動的規(guī)律，半導(dǎo)體的規(guī)律，原子核運(yùn)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(shù)，都是量子力學(xué)的貢獻(xiàn)。物理學(xué)每一次劃時代的發(fā)現(xiàn)都帶來了劃時代技術(shù)的進(jìn)展。20世紀(jì)物理學(xué)最重要的成就以上這些。開爾文，英國物理學(xué)家麥克斯韋,J.C.,英國物理學(xué)家,在經(jīng)典電磁學(xué)方面貢獻(xiàn)突出。普朗克，德國物理學(xué)家，量子力學(xué)的奠基人。吳有訓(xùn)，中國物理學(xué)家，曾任中國科學(xué)院副院長 德布羅意L,V，法國物理學(xué)家 二、未

8、來物理學(xué)發(fā)展的問題、難點(diǎn)與趨勢20世紀(jì)的物理學(xué)驅(qū)散了兩片烏云，而物理學(xué)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(jì)物理要解決是哪些問題呢？ 物理學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了三次大突破，如果要進(jìn)一步問物理學(xué)未來的發(fā)展應(yīng)該是怎樣的，非常自然的一個想法就是微觀高速運(yùn)動的規(guī)律是不是能有徹底的解決。也就是物理學(xué)的第四次大突破就是關(guān)于微觀高速運(yùn)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(guān)于物理的實(shí)體問題的突破，或者說是一種新的物質(zhì)運(yùn)動形態(tài)的突破。比如牛頓力學(xué)是人們對天體運(yùn)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(xué)規(guī)律的研究，我們叫做宏觀高速運(yùn)動規(guī)律。到了量子力學(xué)，人們發(fā)現(xiàn)電子、質(zhì)子、中子，以及有特殊運(yùn)動規(guī)律的原子結(jié)構(gòu)，也就是電子繞原子核運(yùn)動有特殊的規(guī)律，這導(dǎo)致量子力學(xué)出現(xiàn)。所以，規(guī)律的突破，總是伴隨著物質(zhì)的新的實(shí)體形式的突破?，F(xiàn)在要問，微觀高速運(yùn)動要跟什么樣形態(tài)的物質(zhì)實(shí)體相聯(lián)系。有趣的是，這幾年在這個領(lǐng)域有許多進(jìn)展，人們在進(jìn)一步研究粒子的同時，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，中子等強(qiáng)子，有更深層次的結(jié)構(gòu)，就是夸克，這是構(gòu)成所有強(qiáng)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(rèn)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(yùn)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(yùn)動規(guī)律

10、。在20世紀(jì)這一方面的研究有很大進(jìn)展，人們對強(qiáng)相互作用規(guī)律就總結(jié)出了，關(guān)于輕子和強(qiáng)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(jì)的物理學(xué)在微觀高速運(yùn)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(guān)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(yùn)動中得到許多成就，還不能夠認(rèn)為這是最終的成就，因?yàn)槲⒂^高速運(yùn)動還涉及到很多人們未知的粒子的性質(zhì)和運(yùn)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(jì)的物理要面臨的問題。 物理學(xué)第四次大突破才剛剛開始。從物質(zhì)運(yùn)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(jìn)一步豐富發(fā)展人們對微觀高速運(yùn)動的認(rèn)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(yùn)動相聯(lián)系的問題是真空是什么。當(dāng)微觀高速運(yùn)動粒子的運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(qiáng)作用，電磁作用和能否進(jìn)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(dāng)前關(guān)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(yīng)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(dāng)代物理學(xué)中粒子之小的問題，當(dāng)代物理學(xué)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(biāo)準(zhǔn)模型可以很好地解釋天文學(xué)重很多觀測結(jié)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(yù)言有一種背景輻射，這個背景輻射很好的和實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步研究關(guān)于背景輻射的不均勻度的時候，發(fā)現(xiàn)除了標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型中要引入暗物質(zhì)外，還

14、要引進(jìn)真空背景常數(shù)。這個背景常數(shù)當(dāng)年愛因斯坦猜測過，一般認(rèn)為等于0，而現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)一步豐富了人們對物質(zhì)運(yùn)動基本規(guī)律的認(rèn)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(jié)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(shù)上重大的革新，甚至是革命。人們曾把量子力學(xué)運(yùn)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(xué)的應(yīng)用。大家知道量子力學(xué)非常重要的應(yīng)用在于研究了凝聚態(tài)物理，半導(dǎo)體現(xiàn)象，導(dǎo)體，絕緣體。

15、量子力學(xué)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(xué)研究半導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體是一種特殊的結(jié)構(gòu)，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(yùn)動，從而形成半導(dǎo)體理論，半導(dǎo)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(jì)算機(jī)元件。所以說量子力學(xué)開創(chuàng)了一個電腦時代，由于它對半導(dǎo)體的透徹研究，引起了半導(dǎo)體工業(yè)，芯片集成，也就是電腦的出現(xiàn)。 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的進(jìn)展有一個很大的特點(diǎn)就是技術(shù)上芯片越做越小。人們就總結(jié)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(jì)算機(jī)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(xué)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(rèn)識過去是近似用牛頓力學(xué)來描述，但是工作單元小到納米量級，就要用量子力學(xué)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(xué)。為什么大家關(guān)注這一件事情，因?yàn)榧{米科學(xué)關(guān)系到芯片能否進(jìn)一步縮小。現(xiàn)在納米技術(shù)還在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。另外，計(jì)算機(jī)的原理也有新的改進(jìn)。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)是做加減乘除，現(xiàn)在出現(xiàn)的一種新的計(jì)算方法叫做量子計(jì)算。這種新的計(jì)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(jì)算的出現(xiàn)要求人們深入研究量子力學(xué)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(xué)研究的日程上去了。從這個EPR佯謬人們提出了量子力學(xué)糾纏態(tài)的理論，這也成了量子力學(xué)的新發(fā)展和新動向。 進(jìn)一步一個要深入的問題就是量子力學(xué)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(fù)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(dǎo)體、二極管、三極管、集成電路、納米電路，復(fù)雜納米體系的組合等。所以物理學(xué)是向復(fù)雜性進(jìn)軍的。我們周圍事物很復(fù)雜，而最高級，最復(fù)雜的就是生命。細(xì)菌，細(xì)胞這些在生物中最簡單的，從物

18、理觀念來看都是高度復(fù)雜的物質(zhì)。這些都是物理學(xué)要逐步研究的課題。以理解為現(xiàn)在物理學(xué)把自己的領(lǐng)域擴(kuò)得越來越廣，就是與其他學(xué)科的界限越來越小了。 如果追問一下當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的線索，我覺得回答之一就是物理學(xué)是一個很重要的線索。物理學(xué)由于深入研究物質(zhì)運(yùn)動基本規(guī)律，所以就在深入的過程中向各個領(lǐng)域擴(kuò)展。比如物理學(xué)就深入到了化學(xué)，以至有的化學(xué)家都同意這樣一個說法，化學(xué)已經(jīng)成為物理學(xué)的一個部門?；瘜W(xué)研究的原子分子的運(yùn)動，而原子分子的運(yùn)動就是量子力學(xué)探討的對象。這已經(jīng)是在向較為復(fù)雜的體系進(jìn)軍了。更進(jìn)一步，許多的分子組成大分子團(tuán)， 大分子團(tuán)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(xué)家的關(guān)注。當(dāng)代的自然科學(xué)的4大發(fā)展，相對論，量子力學(xué)，電腦，還有就是對于遺傳物質(zhì)的研究，就是雙螺旋結(jié)構(gòu)，其實(shí)這也是物理學(xué)家對生命問題的研究成果。很多物理學(xué)家也深受鼓