“物理學”簡介、含義、起源、歷史與發(fā)展

1、 HYPERLINK javascript:gotothis() 物理學物理學研究宇宙間物質存在的各種主要的基本形式，它們的性質、運動和轉化以及內部結構；從而認識這些結構的組元及其相互作用、運動和轉化的基本規(guī)律。地學和生命科學都是自然科學的重要方面，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，所以地學和生命科學不屬于物理學范圍。當然，物理學所發(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。物理學的各分支學科是按物質的不同存在形式和不同運動形式劃分的。人對自然界的認識來源于實踐，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，物理學的內容也不斷擴展和深入

2、。新的分支學科陸續(xù)形成；已有的分支學科日趨成熟，應用也日益廣泛。早在古代就形成的天文學和起源于古代煉金術的化學，始終保持著獨立的地位，沒有被納入物理學的范圍。在天文學和物理學之間、化學和物理學之間存在著密切的聯(lián)系，物理學所發(fā)現(xiàn)的基本規(guī)律在天文現(xiàn)象和化學現(xiàn)象中也起著日益深刻的作用。客觀世界是一個內部存在著普遍聯(lián)系的統(tǒng)一體。隨著物理學各分支科學的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)物質的不同存在形式和不同運動形式之間存在著聯(lián)系，于是各分支學科之間開始互相滲透。物理學逐步發(fā)展成為各分支學科彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一整體。物理學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展，使得這一目標有

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)，使這一目標又變得更遙遠?？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的歷史發(fā)展過程來敘述物理學的發(fā)展及其內容。 經 典 力 學經典力學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。人們日常生活直接接觸到的并首先加以研究的都是宏觀低速的機械運動。自遠古以來，由于農業(yè)生產需要確定季節(jié)，人們就進行天文觀察。1

4、6世紀后期，人們對行星繞太陽的運動進行了詳細、精密的觀察。17世紀J.開普勒從這些觀察結果中總結出了行星繞日運動的三條經驗規(guī)律。差不多在同一時期， HYPERLINK javascript:hotword(伽利略,12225) 伽利略進行了落體和拋物體的實驗研究，從而提出關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果的方法引入了物理學。 HYPERLINK javascript:hotword(I.牛頓,14870) I.牛頓深入研究了這些經驗規(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(經典力學,1432) 經典力學奠定了基礎。根據對天王星運行軌道的詳細天文觀察，并根據牛頓的理論，預言了海王星的存在；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定律和萬有引力定律被普遍接受了。經典力學中的基本物理量是質點的空間坐標和動量。一個力學系統(tǒng)在某一時刻的狀態(tài)由它的每一個質點在這一時刻的空間坐標和動量表示。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）的力學系統(tǒng)

6、來說，它的總機械能就是每一個質點的空間坐標和動量的函數，其狀態(tài)隨時間的變化由總能量決定。在經典力學中，力學系統(tǒng)的總能量和總動量有特別重要的意義。物理學的發(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值是不變的，它們是守恒量。這種守恒性質的適用范圍已經遠遠超出了經典力學的范圍，還沒有發(fā)現(xiàn)它們的局限性。在經典力學中出現(xiàn)了三個最普遍的基本物理概念： HYPERLINK javascript:hotword(質量,21558) 質量、 HYPERLINK javascript:hotword(空間和時間,2639) 空間和時間。質量可以作為物質的量的一種度量，空間和時間是物質存在的

7、普遍形式。現(xiàn)有一切物理量的量綱原則上都可以由質量、空間、時間的量綱結合起來表達。具有不同量綱的物理量之間存在著質的差異。量綱在一定程度上反映物理量的質。量綱相同的物理量的質可以相同，但未必一定相同。在經典力學中，時間和空間之間沒有聯(lián)系。空間向上下四方延伸，同時間無關；時間從過去流向未來，同空間無關。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。任何一個質點的坐標，在不同的慣性參照系中取不同的數值，這種不同數值之間的變換關系稱為伽利略變換。在這種變換中，尺的長度不變，時鐘運行的速度不變，經典力學基本規(guī)律的數學形式也不變。利用力學實驗方法，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。早在19世紀，經典力學就已經成為物理學中一個成熟的分支學科，它包含了豐富的內容。例如：質點力學、剛體力學、 HYPERLINK javascript:hotword(分析力學,15609) 分析力學、 HYPERLINK javascript:hotword(彈性力學,22034) 彈性力學、 HYPERLINK jav

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

10、各個領域。當然，工程技術問題常常是綜合性的問題，還需要許多學科進行綜合研究，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,14762) 聲學就是系統(tǒng)研究這種運動的產生、傳播、轉化和吸收的分支學科。 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部性質，例如利用聲波在媒質中的傳播特性研究地層

11、結構和海洋深處及海底的現(xiàn)象和性質，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) 聲表面波已經用于固體的研究、微波技術、醫(yī)療診斷等領域；非常強的聲波已經用于工業(yè)加工。 熱學、熱熱力學和和經典統(tǒng)統(tǒng)計力學學熱學研研究熱的的產生和和傳導，研研究物質質處于熱熱狀態(tài)下下的性質質和這些些性質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）。在在此基礎礎上開始始探索熱熱現(xiàn)象的的本質和和普遍規(guī)規(guī)律。關關于熱現(xiàn)現(xiàn)象的普普遍規(guī)律律的研究究稱為 HYPERLINK javascript:hotword(熱力學,19389) 熱熱力學。到到19世世紀，熱熱力學已已趨于成成熟。 HYPERLINK javascript:hotword(能量,13149) 能

13、量量可以有有許多種種存在形形式，力力學現(xiàn)象象中物體體有動能能和位能能。物體體有內部部運動，因因此有內內部能量量。199世紀的的系統(tǒng)實實驗研究究證明：熱是物物體內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(內能,964) 內能能，以前前稱作熱熱能。119世紀紀中期， 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系，從而建立了 HYPERLINK javascript:hotword(熱力學第一定律,5078) 熱力學第一定律：宏觀機械運動的能

14、量與內能可以互相轉化。就一個孤立的物理系統(tǒng)來說，不論能量形式怎樣相互轉化，總的能量的數值是不變的，熱力學第一定律就是能量守恒與轉換定律的一種表現(xiàn)。在 HYPERLINK javascript:hotword(S.卡諾,2082) S.卡諾研究結果的基礎上， HYPERLINK javascript:hotword(R.克勞修斯,32647) R.克勞修斯等提出了 HYPERLINK javascript:hotword(熱力學第二定律,14185) 熱力學第二定律。它提出了一切涉及熱現(xiàn)象的客觀過程的發(fā)展方向，表達了宏觀非平衡過程的不可逆性。例如：一個孤立的物體，其內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)。應用 HYPERLINK javascript:hotword(熵,4163) 熵的概念，還可以把 HYPERLINK javascript:hotword(熱力學第二定律,7131) 熱力學第二定律表達為：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。當熵達到最大值時，物理系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。熱力學是一種唯

16、象的理論。深入研究熱現(xiàn)象的本質，就產生了統(tǒng)計力學。統(tǒng)計力學根據物質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。為了認識熱現(xiàn)象的規(guī)律，也無需那么詳細的知識。統(tǒng)計力學應用統(tǒng)計系綜的方法，研究大量粒子的平均行為。20世紀初， HYPERLINK javascript:hotword(J.W.吉布斯,5257) J.W.吉布斯奠定了平衡態(tài)的統(tǒng)計力學的基礎。它的關于統(tǒng)計分布的基本假設是：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。熱力學中的各種

17、物理量以及它們之間的關系都可以用這種統(tǒng)計分布的平均值表達。溫度一方面同物體內部各分子無序運動的那部分能量有關，另一方面也決定了這種內部能量在物體內部運動狀態(tài)之間的分布。非平衡統(tǒng)計力學所研究的問題復雜，直到20世紀中期以后才取得了比較大的進展。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)的數目比有序狀態(tài)的數目大得多，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)。在熱力學中，這就相應于熵的增加。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年來人們對于遠離平衡態(tài)的物理系統(tǒng)如耗散結構等進行了廣泛的研究，取得了很大的進展，但還有很多問題等待解決。在一定時期內，人們對客觀世界的認識總是有局限性的，認識到的只是相對的真理，經典力學和以經典力學為基礎的經典統(tǒng)計力學也是這樣。經典力學應用于原子、分子以及宏觀物體的微觀結構時，其局限性就顯示出來，因而發(fā)展了量子力學。與之相應，經典統(tǒng)計力學也發(fā)展成為以量子力學為基礎的量子統(tǒng)計力學。 經經典電磁磁學、經經典電動動力學經典 HYPERLINK javascript:hotword(電磁學,21252)

19、電電磁學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。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世紀紀，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)電荷有有兩種：正電荷荷和負電電荷。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)，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產生電流。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。這些力曾經被認為是 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，就認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產生圍繞著導線的 HYPERLINK javascript:hotword(磁力線,15644) 磁力線，電荷向各個方向產生電力線，并在此基礎上產生了電磁場的概念?，F(xiàn)在人們認識到，電磁場是物質存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產生 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世紀下半葉， HYPERLINK javascript:hotword(J.C.麥克斯韋,7786) J.C.麥克斯韋總結了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產生磁場；變化著的磁場也能產生電場。在此基礎上他提出了一套偏微分方程來表達電磁現(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，是經典電磁學的基本方程，其中包含著

23、電荷、電流如何產生電磁場的規(guī)律；也包含著電場和磁場相互影響，導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成了 HYPERLINK javascript:hotword(經典電動力學,23015) 經典電動力學的基礎。事實上發(fā)電機無非是利用電動力學的規(guī)律，將機械能轉化為電磁能；電動機無非是利用電動力學的規(guī)律將電磁能轉化為機械能。電報、電話、無線電、電燈也無一不是經典電磁學和經

25、典電動力學發(fā)展的產物。經典電動力學對生產力的發(fā)展起著重要的推動作用，從而對社會產生普遍而重要的影響。 光 學 和和 電 磁 波波 HYPERLINK javascript:hotword(光學,12088) 光學研研究 HYPERLINK javascript:hotword(光,6635) 光的性質質及其和和物質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，但早早在認識識到光是是電磁波波以前，人人們就對對光進行行了研究究。177世紀對對光的本本質提出出了兩種種假說：一種假假說認為為光是由由

26、許多微微粒組成成的；另另一種假假說認為為光是一一種波動動。199世紀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世紀紀初又發(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。光光可以為為物質所所發(fā)射、吸吸收、反反射、折折射和衍衍射。當當所研究究的物體體或空間間的大小小遠大于于光波的的波長時時，光可可以當作作沿直線線進行的的光線來來處理；但當研研究深入入到現(xiàn)象象細節(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。光學方法是研究大至天體、小至微生物以至分子、原子結構的非常有效的方法。利用光的干涉效應可以進行非常精密的測量。物質所放出來的光攜帶著關于物質內部結構的重要信息，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(原子結構,11630) 原子結構密切相關。近年來利用受激光輻射機制所產生的 HYPERLINK javascript:hotword(激光,1455) 激光能夠達到非常

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部的電場強度。利用激光已經開辟了 HYPERLINK javascript:hotword(非線性光學,22675) 非線性光學等重要研究方向；激光在工業(yè)技術和醫(yī)學中已經有重要的應用?，F(xiàn)在用人工方法產生的電磁波的波長，長的已經達幾千米，短的不到一百萬億分之一厘米，覆蓋了近20個數量級的波段。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。在經典電磁學的建立與發(fā)展過程中，形成了電磁場的概念。在物理學爾后的發(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)代物理學中，場的概念已經遠遠超出了電磁學的范圍，成為物質的

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在經典典力學取取得很大大成功以以后，人人們習慣慣于將一一切現(xiàn)象象歸結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，人人們假設設存在一一種名叫叫“以太太”的媒媒質，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，沒沒有質量量，對物物體的運運動不產產生任何何阻力，也也不受萬萬有引力力的影響響。電磁磁場被認認為是以以太中的的應力，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，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.莫雷進進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經典物理理學中關關于時間間、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數學方程程來表達達；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：設在在空間、時時間中有有兩點，它它們的坐坐標分別別為(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、時時間坐標標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關系稱為為 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。經經典力學學規(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。修改改后的力力學稱為為相對論論力學，它它對于洛洛倫茲變變換具有有不變性性。在相相對論力力學中，光光速是機機械運動動速度的的極限，不不可逾越越。當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、慣性性質量均均將趨于于無窮大大。這些些結論在在實驗中中都得到到了證實實。相對論論力學的的另一個個重要結結論是:一個具具有質量量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。假使使質量是是物質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質，也不不存在沒沒有物質質的運動動。對于于靜止物物體來說說，E代表它它的內部部運動的的量。11克物質質內部所所蘊藏的的能量相相當于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。當物物體的速速度遠小小于光速速時，相相對論力力學定律律就趨近近于經典典力學定定律。因因此在低低速運動動時，經經典力學學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，經經典力學學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術中的力力學問題題。狹義相相對論對對空間和和時間的的概念進進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、物物質存在在的特殊殊形式。由由于空間間和時間間是物質質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產產生了廣廣泛而又又深遠的的影響。 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認為是一一種超距距作用，它它的傳遞遞不需要要時間，

37、產產生和到到達是同同時的。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。改改造的關關鍵來自自R.VV.厄缶缶的實驗驗，它以以很高的的精確度度證明：慣性質質量和引引力質量量相等，因因此不論論行星的的質量多多大多小小，只要要在某一一時刻它它們的空空間坐標標和速度度都相同同，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量無無關，對對于所有有物體都都一樣。這這個結論論提供了了一個線線索，啟啟發(fā)愛因因斯坦設設想：萬萬有引力力效應

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。根據據廣義相相對論，空空間、時時間的彎彎曲結構構決定于于物質的的能量密密度、動動量密度度在空間間、時間間中的分分布；而而空間、時時間的彎彎曲結構構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)在已經經過去了了70年年，至今今還只有有四種實實驗能檢檢驗出這這種區(qū)別別。所有有這四種種實驗觀觀察結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論。廣義相對論不僅對于天體的結構和演化的研究有重要意義，對于研究宇宙的結構和演化也有重要意義。 原子物理學學、量子子力學、量量子電動動力學原子物物理學研研究原子子的性質質、內部部結構、內內部受激激狀態(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質最終單單元

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，而而是具有有內部結結構的粒粒子。于于是在119世紀紀末，經經典物理理學的局局限性進進一步暴暴露出來來。根據據經典物物理學和和原子中中存在著著電子的的實驗事事實可以以推導出出：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）。經經典物理理學也無無法解釋釋 HYPERLINK javascript:hotword(光電效應,3616) 光電效效應。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典典物理學學相矛盾盾的假設設：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，稱稱為普朗朗克常數數。這一一假設導導出

42、的結結論和黑黑體輻射射及光電電效應的的實驗結結果符合合。于是是，199世紀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(原子結構,7122) 原子結構)發(fā)現(xiàn)原子的質量絕大部分以及內部的正電荷集中在原子中心一個很小的區(qū)域內，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部結構得到了一個定性的、

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。用經典物理學來解釋原子的內部結構和原子發(fā)射出來的光的頻譜遇到了不可克服的困難。按照 HYPERLINK javascript:hotword(經典電動力學,26356) 經典電動力學理論，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)定的結構。但實驗表明：原子有很穩(wěn)定的結構，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。為了解釋原子的結構和原子光譜的規(guī)律， HYPERLINK javascript:hotword(N.玻爾,7730) N.玻爾提出了他的氫原子理論，在經典力學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數值，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的的關系。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結構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結構時就就遇到了了困難。顯顯然，經經典物理理學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。原子子物理學學的基本本理論是是在200世紀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,26301) 量子力力學和 HYPERLINK javascript:hotword(量子

47、電動力學,22115) 量子電電動力學學。它們們區(qū)別于于 HYPERLINK javascript:hotword(經典力學,5471) 經典力力學和 HYPERLINK javascript:hotword(經典電動力學,29588) 經典電電動力學學的主要要特點是是：物理量量所能取取的數值值常常是是不連續(xù)續(xù)的，當當然，某某些物理理量在一一定范圍圍內也可可以取連連續(xù)的數數值；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。量子力學和量子電動力學應用于研究原子結構、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化過

48、程非常成功。理論結果同最精密的實驗結果相符合。微觀客體的一個基本性質是 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系： 。這兩個關系系式表達達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。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(測不準關系,20213) 測測不準關關系。這這一關系系說明：不可能能同時測測準一個個粒子的的位置和和動量，位位置測得得愈準，動動量必然然測得愈愈不準；動量測測得愈準準，位置置必然測測得愈不不準。測測不準關關系的表表達式是是： 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。波粒二象性已經包含在量子力學的數學形式中：在量子力學中物理量由算符表示，物理量所能取的數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,7850) 波函數表達，波動性就是波函數所描述的統(tǒng)計性質的一種表現(xiàn)。量子力學和量子電動力學產生于 HYPERLINK javascript:hotword(原子物理學,30489) 原子物理學研究，但是它們起作用的范圍遠遠超出原子物理學。量子力學是所有微觀、低速現(xiàn)象所遵循的規(guī)律，因此不僅應用于原子物理，也應用于 HYPERLINK javascript:hotword(分子物理學,26262) 分子物理學、 HYPERLINK javascript:hotword(原子核物理

51、學,32628) 原子核物理學以及宏觀物體的微觀結構的研究。量子電動力學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)量子電動力學的局限性。當所研究的現(xiàn)象中，坐標值和動量值的乘積遠遠大于h時，量子力學和量子電動力學所得到的結果就趨近于經典力學和經典電動力學所得到的結果。例如，觀察不到宏觀物體的波動性的原因是因為相應的波長太短。一個質量為 1g的物體以1cm/s的速度運動，相應的波長為610-27cm，遠遠小于目前實驗技術所能測量出來的最小距離。因此經典力學和經典電動力學仍然是反映宏觀力學現(xiàn)象和宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律的很好的相對真理。分子物理學研究原子如何結合成為分子，分子的內部結構、內

52、部運動狀態(tài)、它的電學性質、磁學性質和光學性質等等。分子物理現(xiàn)象服從量子力學和量子電動力學所反映的規(guī)律。簡單的分子用量子力學和量子電動力學來分析處理，得到的結果和實驗結果相符合，但用量子力學和量子電動力學來處理復雜的分子，數學上非常復雜和困難，很難得到比較準確的結果。由于X射線衍射技術、中子衍射技術、激光技術等的發(fā)展，為研究分子提供了有力的實驗手段。生命物質內部的分子結構非常復雜，但應用現(xiàn)有的實驗技術已經能夠對它們的結構包括細胞內染色體中攜帶遺傳密碼的分子結構進行詳細的分析。分子物理的實驗研究正在不斷取得進展。 量子統(tǒng)計力力學以量子子力學為為基礎的的統(tǒng)計力力學，稱稱為量子子統(tǒng)計力力學(見見 HY

53、PERLINK javascript:hotword(量子統(tǒng)計法,18889) 量子統(tǒng)統(tǒng)計法)。經典典統(tǒng)計力力學以經經典力學學為基礎礎，因而而經典統(tǒng)統(tǒng)計力學學也具有有局限性性。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，就就無法用用經典統(tǒng)統(tǒng)計力學學來解釋釋。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)，進進行統(tǒng)計計時必須須將交換換前和交交換后的的狀態(tài)當當作兩個個不

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”。根據微觀世界的這些規(guī)律改造經典統(tǒng)計力學，就得到量子統(tǒng)計力學。應用量子統(tǒng)計力學就能使一系列經典統(tǒng)計力學無法解釋的現(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如此小等等，得到了合理的解釋。 固 體 物物 理 學固體物物理學研研究固體體的性質質，它的的微觀結結構及其其各種內內部運動動，以及及這種微微觀結構構和內部部運動同同固體的的宏觀性性質（如如力學性性質、熱熱學性質質、光學學性質、電電磁性質質等等）的的關系。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。固固體的內內部結構構和運動動形式很很復

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，因為為晶體的的內部結結構簡單單，而且且具有明明顯的規(guī)規(guī)律性，較較易研究究。以后后進一步步研究一一切處于于凝聚狀狀態(tài)的物物體的內內部結構構、內部部運動以以及它們們和宏觀觀物理性性質的關關系。這這類研究究統(tǒng)稱為為凝聚態(tài)態(tài)物理學學。固體中中電子的的運動狀狀態(tài)服從從量子力力學和量量子電動動力學的的規(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構構。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，使晶晶體點陣陣結構的的實驗研研究得到到了進一一步發(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(半導體,14467) 半半導體。能能帶理論論結合半半導體鍺鍺和硅的的基礎研研究，高高質量的的半導體體單晶生生長和摻摻雜技術術，導致致 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，決定了晶體的磁學性質，晶體的許多性質（如力學性質、光學性質、電磁性質等）常常不是各向同性的。作為一個整體的點陣，有大量內部 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)）。晶體的許多性質都和點陣的結構及其各種運動模式密切相關，晶體內部電子的運動和點陣的運動之間相耦合，也對固體的

60、性質有重要的影響。例如： HYPERLINK javascript:hotword(H.開默林昂內斯,2578) H.開默林昂內斯在1911年發(fā)現(xiàn)，金屬在低溫下有 HYPERLINK javascript:hotword(超導電性,20929) 超導電性；江崎玲於奈在1960年發(fā)現(xiàn) HYPERLINK javascript:hotword(超導體的單電子隧道效應,8001) 超導體的單電子隧道效應。這些效應都和這種不同運動模式之間的耦合相關。晶體內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，雖然化學成分相同，物理性質卻可能不同。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