“物理學(xué)”簡介、含義、起源、歷史與發(fā)展

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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。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。

客觀世界是一個內(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。16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，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)。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：包括三條牛頓運動定律和萬有引力定律，為經(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)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：質(zhì)量、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)存在的普遍形式。現(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慣性參照系。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)、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)用到統(tǒng)計物理學(xué)、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)直到安全防護等各個領(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。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。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)、熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)

熱學(xué)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)和這些性質(zhì)如何隨著熱狀態(tài)的變化而變化。人們很早就有冷熱的概念。利用火是人類文明發(fā)展史中的一個重要的里程碑。對于熱現(xiàn)象的研究逐步澄清了關(guān)于熱的模糊概念（例如：區(qū)分了溫度和熱量，發(fā)現(xiàn)它們是密切聯(lián)系而又有區(qū)別的兩個概念）。在此基礎(chǔ)上開始探索熱現(xiàn)象的本質(zhì)和普遍規(guī)律。關(guān)于熱現(xiàn)象的普遍規(guī)律的研究稱為熱力學(xué)。到19世紀(jì)，熱力學(xué)已趨于成熟。

能量可以有許多種存在形式，力學(xué)現(xiàn)象中物體有動能和位能。物體有內(nèi)部運動，因此有內(nèi)部能量。19世紀(jì)的系統(tǒng)實驗研究證明：熱是物體內(nèi)部無序運動的能量的表現(xiàn)，因此稱這種能量為內(nèi)能，以前稱作熱能。19世紀(jì)中期，J.P.焦耳等用實驗確定了熱量和功之間的定量關(guān)系，從而建立了熱力學(xué)第一定律：宏觀機械運動的能量與內(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S.卡諾研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，R.克勞修斯等提出了熱力學(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)用熵的概念，還可以把熱力學(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，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、輸運和漲落。這方面的理論逐步發(fā)展，已趨于成熟。近20～30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)典電磁學(xué)、經(jīng)典電動力學(xué)

經(jīng)典電磁學(xué)研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)。人們很早就接觸到電的現(xiàn)象和磁的現(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。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。

19世紀(jì)前期，H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針。而后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，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)為是超距作用。也就是說：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，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)言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速。這一預(yù)言后來為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，也受到磁場的力，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)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。雖然可見光的波長范圍在4×10-5～7.6×10-5cm之間，只占電磁波中很窄的一個波段，但早在認(rèn)識到光是電磁波以前，人們就對光進(jìn)行了研究。17世紀(jì)對光的本質(zhì)提出了兩種假說：一種假說認(rèn)為光是由許多微粒組成的；另一種假說認(rèn)為光是一種波動。19世紀(jì)在實驗上確定了光有波的獨具的干涉現(xiàn)象，以后的實驗證明光是電磁波。20世紀(jì)初又發(fā)現(xiàn)光具有粒子性，人們在深入研究微觀世界后，才認(rèn)識到，光具有波粒二象性。

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)大于光波的波長時，光可以當(dāng)作沿直線進(jìn)行的光線來處理；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差不多大小的時候，就必須著重考慮光的波動性。而研究光和微觀粒子的相互作用時，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：原子所放出來的原子光譜就和原子結(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。

現(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?；尽⒎浅Ｆ毡榈母拍?，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)的一種基本的、普遍的存在形式。

狹義相對論和相對論力學(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)象歸結(jié)為由機械運動所引起的。在電磁場概念提出以后，人們假設(shè)存在一種名叫“以太”的媒質(zhì)，它彌漫于整個宇宙，滲透到所有的物體中，絕對靜止不動，沒有質(zhì)量，對物體的運動不產(chǎn)生任何阻力，也不受萬有引力的影響。電磁場被認(rèn)為是以太中的應(yīng)力，電磁波是以太中的彈性波，它在以太中向各方向的傳播速度都一樣大（見以太論）。

可以將以太作為一個絕對靜止的參照系，因此相對于以太作勻速運動的參照系都是慣性參照系。在相對于以太作勻速運動的慣性參照系中觀察，電磁波的傳播速度應(yīng)該隨著波的傳播方向而改變。例如：在一個運動的慣性參照系中觀察，沿著參照系運動方向傳播的光的速率看起來應(yīng)該慢一些；逆著參照系運動方向傳播的光的速率看起來應(yīng)該快一些。這就給利用測量不同方向光速的方法，在所有的慣性參照系中確定那些是絕對靜止的參照系提供了可能性。但實測的結(jié)果卻出乎意料之外，在不同的、相對作勻速運動的慣性參照系中，測得的光速同傳播方向無關(guān)，都完全相等。特別是A.A.邁克耳孫和E.W.莫雷進(jìn)行的非常精確的實驗，可靠地證明了這一點。這一實驗事實顯然同經(jīng)典物理學(xué)中關(guān)于時間、空間和以太的概念相矛盾。A.愛因斯坦從這些實驗事實出發(fā)，對空間、時間的概念進(jìn)行了深刻的分析，從而建立了新的時空觀念，在此基礎(chǔ)上他提出了狹義相對論。狹義相對論的基本假設(shè)是：

①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)方程來表達(dá)；

②對于任何一個光源發(fā)出來的光，在一切慣性參照系中測量其傳播速率，結(jié)果都相等。

在狹義相對論中，空間和時間是彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一體，空間距離是相對的，時間也是相對的。在相對于尺和鐘作勻速運動的慣性參照系中的觀察者看來，尺變短了，鐘變慢了。因此尺的長短，時間的長短都是相對的。但在狹義相對論中，并不是一切都是相對的。例如：設(shè)在空間、時間中有兩點，它們的坐標(biāo)分別為(x1，t1)和(x2，t2)，那末在任何慣性參照系中，量(x1-x2)2-с2(t1-t2)2的數(shù)值是不變的，因此是絕對的，其中с代表光速?？臻g坐標(biāo)、時間坐標(biāo)和一系列物理量，如：動量和能量、電場強度和磁場強度等等，在不同慣性參照系之間的變換關(guān)系稱為洛倫茲變換?；疚锢硪?guī)律必須對于洛倫茲變換具有不變性。

麥克斯韋方程組對于洛倫茲變換具有不變性。經(jīng)典力學(xué)規(guī)律對于伽利略變換具有不變性；但對于洛倫茲變換卻不具有不變性，因此必須加以修改。修改后的力學(xué)稱為相對論力學(xué)，它對于洛倫茲變換具有不變性。在相對論力學(xué)中，光速是機械運動速度的極限，不可逾越。當(dāng)物體速度無限地趨近光速時，它的動量、能量、慣性質(zhì)量均將趨于無窮大。這些結(jié)論在實驗中都得到了證實。

相對論力學(xué)的另一個重要結(jié)論是:一個具有質(zhì)量m的物體一定具有能量E，并有E＝mс2，即使物體靜止時也是如此。假使質(zhì)量是物質(zhì)的量的一種度量，能量是運動的量的一種度量，則上式表明：物質(zhì)和運動之間存在著不可分割的聯(lián)系。不存在沒有運動的物質(zhì)，也不存在沒有物質(zhì)的運動。對于靜止物體來說，E代表它的內(nèi)部運動的量。1克物質(zhì)內(nèi)部所蘊藏的能量相當(dāng)于2萬多噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量。這一規(guī)律已在核能的研究和實踐中得到了證實。

當(dāng)物體的速度遠(yuǎn)小于光速時，相對論力學(xué)定律就趨近于經(jīng)典力學(xué)定律。因此在低速運動時，經(jīng)典力學(xué)定律仍然是很好的相對真理。例如：地球繞太陽運行的速率約為30km/s。這同日常生活中遇到的機械運動的速度相比是很大的速度；但同光速相比，卻是很小的速度，僅為光速的萬分之一。因此處理這類問題，經(jīng)典力學(xué)定律仍然是很好的相對真理，仍然能用來解決工程技術(shù)中的力學(xué)問題。

狹義相對論對空間和時間的概念進(jìn)行了革命性的變革，并且否定了以太的概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質(zhì)存在的特殊形式。由于空間和時間是物質(zhì)存在的普遍形式，因此狹義相對論對于物理學(xué)產(chǎn)生了廣泛而又深遠(yuǎn)的影響。

廣義相對論和萬有引力的基本理論

狹義相對論給牛頓萬有引力定律也帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力被認(rèn)為是一種超距作用，它的傳遞不需要時間，產(chǎn)生和到達(dá)是同時的。這同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。而且在狹義相對論中，“同時”是一種相對的概念。因此，必須對牛頓的萬有引力定律也加以改造。改造的關(guān)鍵來自R.V.厄缶的實驗，它以很高的精確度證明：慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，因此不論行星的質(zhì)量多大多小，只要在某一時刻它們的空間坐標(biāo)和速度都相同，那末它們的運行軌道都將永遠(yuǎn)相同。引力所決定的運行軌道和運行物體的質(zhì)量無關(guān)，對于所有物體都一樣。這個結(jié)論提供了一個線索，啟發(fā)愛因斯坦設(shè)想：萬有引力效應(yīng)是空間、時間彎曲的一種表現(xiàn)，從而提出了廣義相對論。根據(jù)廣義相對論，空間、時間的彎曲結(jié)構(gòu)決定于物質(zhì)的能量密度、動量密度在空間、時間中的分布；而空間、時間的彎曲結(jié)構(gòu)又反過來決定物體的運行軌道。在引力不強，空間、時間彎曲很小的情況下，廣義相對論的預(yù)言就同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的預(yù)言趨于一致；引力較強，空間、時間彎曲較大的情況下，就有區(qū)別。但這種區(qū)別常常很小，很難在實驗中觀察到。從廣義相對論提出到現(xiàn)在已經(jīng)過去了70年，至今還只有四種實驗?zāi)軝z驗出這種區(qū)別。所有這四種實驗觀察結(jié)果都支持廣義相對論而不支持牛頓萬有引力定律的結(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)、量子力學(xué)、量子電動力學(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、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個很古老的概念。古代就有人認(rèn)為：宇宙間萬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J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子。這才使人們認(rèn)識到原子不是不可分割的、永恒不變的，而是具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子。于是在19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)的局限性進(jìn)一步暴露出來。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)和原子中存在著電子的實驗事實可以推導(dǎo)出：假使空腔壁的溫度不為零，一個具有有限體積的空腔內(nèi)的電磁輻射的能量是無窮大的。這顯然不符合客觀事實（見黑體輻射）。經(jīng)典物理學(xué)也無法解釋光電效應(yīng)。為此，M.普朗克和愛因斯坦提出了同經(jīng)典物理學(xué)相矛盾的假設(shè)：光是由一粒一粒光子組成的，每一粒光子的能量E為E＝hv，式中v為光的頻率，h是一個常數(shù)，稱為普朗克常數(shù)。這一假設(shè)導(dǎo)出的結(jié)論和黑體輻射及光電效應(yīng)的實驗結(jié)果符合。于是，19世紀(jì)初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現(xiàn)。

1911年，E.盧瑟福用α粒子散射實驗(見原子結(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、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，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)倍的狀態(tài)才是客觀規(guī)律所允許的狀態(tài)（見玻爾氫原子理論）。因此原子內(nèi)部電子圍繞原子核運動的能量只能取一系列分立的數(shù)值，稱為能級。原子吸收或放出光子時，就從一個能級躍遷到另一個能級，光的頻率v和光子的能量E之間有如上述愛因斯坦光子假說的公式所表達(dá)的關(guān)系。光子的能量E為這兩個能級的能量差。玻爾的氫原子理論在解釋氫原子的結(jié)構(gòu)和光譜時取得了很大的成功；但是用來研究氦原子結(jié)構(gòu)時就遇到了困難。顯然，經(jīng)典物理學(xué)的可用范圍不包括微觀世界；而上述普朗克、愛因斯坦、玻爾的學(xué)說雖包含了微觀世界的部分真理，但都不是微觀世界物理現(xiàn)象的完整的基本理論。

原子物理學(xué)的基本理論是在20世紀(jì)20年代中期和后期由L.V.德布羅意、W.K.海森伯、E.薛定諤、P.A.M.狄喇克、W.泡利等所創(chuàng)建的量子力學(xué)和量子電動力學(xué)。它們區(qū)別于經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動力學(xué)的主要特點是：

①物理量所能取的數(shù)值常常是不連續(xù)的，當(dāng)然，某些物理量在一定范圍內(nèi)也可以取連續(xù)的數(shù)值；

②它們所反映的規(guī)律不是確定性的規(guī)律，而是統(tǒng)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λ之間都有如下的關(guān)系：。這兩個關(guān)系式表達(dá)了微觀客體的粒子性和波動性之間的深刻聯(lián)系。粒子和波是人在宏觀世界的實踐中形成的概念，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，需要粒子和波動兩種概念互相補充，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)。

這一基本特點的另一種表現(xiàn)方式是海森伯的測不準(zhǔn)關(guān)系。這一關(guān)系說明：不可能同時測準(zhǔn)一個粒子的位置和動量，位置測得愈準(zhǔn)，動量必然測得愈不準(zhǔn)；動量測得愈準(zhǔn)，位置必然測得愈不準(zhǔn)。測不準(zhǔn)關(guān)系的表達(dá)式是：Δx·Δp≥h，式中Δx是位置測量的誤差，Δp是動量測量的誤差。

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)用于分子物理學(xué)、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6×10-27cm，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)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)計力學(xué)

以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計力學(xué)，稱為量子統(tǒng)計力學(xué)(見量子統(tǒng)計法)。經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，因而經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)也具有局限性。例如：隨著溫度趨于絕對零度固體的比熱容趨于零的實驗現(xiàn)象，就無法用經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)來解釋。

在宏觀世界中，看起來相同的物體總是可以區(qū)別的；在微觀世界中，同一類粒子卻無法區(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，將兩個宏觀物體交換，就得到一個和原來狀態(tài)不同的狀態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)計時必須將交換前和交換后的狀態(tài)當(dāng)作兩個不同的狀態(tài)處理；但是在一個物理系統(tǒng)中，交換兩個電子后，得到的還是原來的狀態(tài)，因此進(jìn)行統(tǒng)計時，必須將交換前和交換后的狀態(tài)當(dāng)作同一個狀態(tài)來處理。

微觀粒子還有其他特殊性。自旋為媡的半整倍數(shù)的粒子，如電子，服從費密-狄喇克統(tǒng)計，這類粒子統(tǒng)稱為“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(見全同粒子)，這類粒子統(tǒng)稱為“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。

固體物理學(xué)

固體物理學(xué)研究固體的性質(zhì)，它的微觀結(jié)構(gòu)及其各種內(nèi)部運動，以及這種微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運動同固體的宏觀性質(zhì)（如力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)等等）的關(guān)系。每立方厘米固體中包含巨量的原子，因此上述問題是多體問題。固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動形式很復(fù)雜，這方面的研究是從晶體開始的，因為晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，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狀態(tài)的物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部運動以及它們和宏觀物理性質(zhì)的關(guān)系。這類研究統(tǒng)稱為凝聚態(tài)物理學(xué)。

固體中電子的運動狀態(tài)服從量子力學(xué)和量子電動力學(xué)的規(guī)律。在晶體中，原子（離子、分子）有規(guī)則地排列，形成點陣。20世紀(jì)初，M.von勞厄和布喇格父子發(fā)展了X射線衍射方法，用以研究點陣結(jié)構(gòu)。第二次世界大戰(zhàn)以后，又發(fā)展了中子衍射方法，使晶體點陣結(jié)構(gòu)的實驗研究得到了進(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(見固體的能帶)。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)體單晶生長和摻雜技術(shù)，導(dǎo)致J.巴丁、W.H.布喇頓和W.肖克萊于1947～1948年發(fā)明了晶體管。

電子具有自旋和磁矩，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，也對固體的性質(zhì)有重要的影響。例如：H.開默林－昂內(nèi)斯在1911年發(fā)現(xiàn)，金屬在低溫下有超導(dǎo)電性；江崎玲於奈在1960年發(fā)現(xiàn)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，點陣就會轉(zhuǎn)變到能量較高的形式。這種轉(zhuǎn)變稱為相變。相變會導(dǎo)致晶體物理性質(zhì)的改變。溫度不斷升高，晶體可以經(jīng)歷幾次相變。溫度升高了，晶體就會熔化為液體；溫度更高時，液體就會沸騰而轉(zhuǎn)化為氣體；溫度再升高，氣體中的分子就分解為原子；溫度再升高，原子就分解為離子和電子，氣體就轉(zhuǎn)化為等離子體。這些變化都稱為相變。相變是重要的物理現(xiàn)象，也是重要的研究課題。

點陣結(jié)構(gòu)完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。實際晶體內(nèi)部的點陣結(jié)構(gòu)總會有缺陷；化學(xué)成分也不會絕對純，內(nèi)部會含有雜質(zhì)。這些缺陷和雜質(zhì)對固體的物理性質(zhì)（包括力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、發(fā)光學(xué)等）以及功能材料的技術(shù)性能，常常會產(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)，會對許多物理過程和化學(xué)過程產(chǎn)生重要的影響。所有這些都已成為固體物理研究中的重要領(lǐng)域（見晶體缺陷、晶粒間界、表面物理學(xué)）。

非晶態(tài)固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無序性使得對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。這是一個正在發(fā)展中的新的研究領(lǐng)域（見非晶態(tài)半導(dǎo)體、非晶態(tài)材料、非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)模型）。

固體物理對于技術(shù)的發(fā)展有很重要的作用。在晶體管發(fā)明以后，集成電路技術(shù)迅速發(fā)展，電子學(xué)技術(shù)、計算技術(shù)以至整個信息產(chǎn)業(yè)也隨之迅速發(fā)展。其經(jīng)濟影響和社會影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見。固體物理學(xué)也是發(fā)展具有特定物理性質(zhì)（如：發(fā)光性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)）材料的基礎(chǔ)，這些材料對于工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，往往有重要的作用。

原子核物理學(xué)

原子核是比原子更深一個層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。原子核物理學(xué)研究原子核的性質(zhì)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部運動、內(nèi)部激發(fā)狀態(tài)、衰變過程、裂變過程以及它們之間的反應(yīng)過程。在原子核被發(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，J.查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，這才使人們認(rèn)識到原子核是由質(zhì)子和中子組成的。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，核子在原子核中的結(jié)合能遠(yuǎn)大于電子在原子中的結(jié)合能。

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。萬有引力雖然使各核子相互吸引，但在兩個質(zhì)子之間的靜電排斥力比它們之間的萬有引力要大到約1036倍。顯然，將核子結(jié)合成為原子核的既不可能是電磁相互作用，也不可能是萬有引力相互作用。自然界一定存在第三種基本相互作用──強相互作用。人們將核子結(jié)合成為原子核的力稱為核力。核力來源于強相互作用，在宏觀物理現(xiàn)象中，能夠直接觀察到萬有引力和電磁力，因為它們是長程力；但從未能直接觀察到核力，因為核力是短程力。從原子核的大小以及核子和核子碰撞時的截面估計，核力的力程約為10-13cm。

地球上的原子核絕大多數(shù)是穩(wěn)定的；只有一些質(zhì)量很大的原子核在沒有外來影響下能自行轉(zhuǎn)化為質(zhì)量較小的其他原子核。在這種自行轉(zhuǎn)化的過程中會放出射線。放出的射線有三種：一種由波長很短、能量很高的光子組成，相應(yīng)的轉(zhuǎn)化過程是由電磁相互作用產(chǎn)生的;第二種射線由氦原子核組成，相應(yīng)的轉(zhuǎn)化過程是強相互作用和電磁相互作用結(jié)合產(chǎn)生的;第三種射線由電子組成，在相應(yīng)的轉(zhuǎn)化過程中還同時放出一種叫做中微子的粒子。中微子不帶電，質(zhì)量非常小，可能等于零。中微子和物質(zhì)的相互作用非常弱，直到20世紀(jì)50年代才在實驗中被探測到。因此，自然界還存在著一種遠(yuǎn)較電磁相互作用為弱的第四種基本相互作用──弱相互作用。原子核放出電子和中微子的過程是由弱相互作用導(dǎo)致的。所有能自行轉(zhuǎn)化并放出射線的原子核統(tǒng)稱為放射性原子核。這種轉(zhuǎn)化過程稱為衰變過程。

原子核主要由強相互作用將核子結(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，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如鈾原子核）在吸收一個中子以后，會裂變成為兩個較輕的原子核，同時放出二個到三個中子和很大的能量。兩個很輕的原子核也能熔合成為一個較重的原子核，同時放出很大的能量。這種原子核熔合過程也叫作聚變。

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，用以轟擊原子核，以便系統(tǒng)地開展關(guān)于原子核的性質(zhì)及其運動、轉(zhuǎn)化和相互作用過程的研究。

高能物理研究發(fā)現(xiàn)，核子還有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。核子的半徑和原子核的半徑都是10-13cm數(shù)量級，因此原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很難和核子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)截然分開。

原子核結(jié)構(gòu)是一個遠(yuǎn)較原子結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的研究領(lǐng)域。目前，已有的關(guān)于原子核結(jié)構(gòu)，原子核反應(yīng)和衰變的理論都是模型理論。其中一部分相當(dāng)成功地反映了原子核的客觀規(guī)律。原子核的實驗研究和理論研究仍在探索和發(fā)展之中。

原子核物理的研究已經(jīng)產(chǎn)生了重要的社會效果。1kg鈾裂變時所釋放的能量相當(dāng)于約2萬噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量。這就是原子彈爆炸和核發(fā)電站中的關(guān)鍵物理過程。1kg重氫原子核聚變?yōu)楹ぴ雍怂尫诺哪芰窟€要大幾倍。輕原子核聚變?yōu)檩^重的原子核并釋放能量的過程，就是太陽幾十億年來大量放光、放熱的能量來源，也是熱核爆炸的能量來源。海洋中有幾乎取之不盡的重氫，假使能使重氫的聚變反應(yīng)有控制地進(jìn)行，那么能源問題就將得到較徹底的解決。由于放射性同位素所放出的射線穿透力很強，能產(chǎn)生各種物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)，這些射線又容易探測，因此放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。

等離子體物理學(xué)

等離子體物理研究等離子體的形成及其各種性質(zhì)和運動規(guī)律。宇宙間的大部分物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。例如：太陽系的物質(zhì)絕大部分集中于太陽，太陽中心區(qū)的溫度超過107℃，太陽中的絕大部分物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)。地球高空的電離層也處于等離子體狀態(tài)。19世紀(jì)以來對于氣體放電的研究、20世紀(jì)初以來對于高空電離層的研究推動了對等離子體的研究工作。從20世紀(jì)50年代起，為了利用輕核聚變反應(yīng)解決能源問題，促使等離子體物理學(xué)研究蓬勃發(fā)展。

等離子體內(nèi)部存在著很多種運動形式，并且相互轉(zhuǎn)化著，高溫等離子體還有多種不穩(wěn)定性。因此等離子體研究是個非常復(fù)雜的問題。雖然知道了描述等離子體的基本數(shù)學(xué)方程，但這組方程非常難解，目前還很難用以準(zhǔn)確預(yù)言等離子體的性質(zhì)和行為。等離子體的實驗研究，因為因素復(fù)雜多變，所以難度也很大，目前精確度還不高?，F(xiàn)在正在大力進(jìn)行這方面的研究，以期能夠發(fā)展出一套方法，使等離子體的溫度升高到一億度以上，并能控制它的不穩(wěn)定性，在足夠長的時間內(nèi)，將它約束住，使熱核反應(yīng)得以比較充分地進(jìn)行下去。

粒子物理學(xué)

目前實驗上所能探測到的物質(zhì)結(jié)構(gòu)最深層次的研究稱為粒子物理學(xué)，也稱為高能物理學(xué)。在20世紀(jì)20年代末，人們曾經(jīng)認(rèn)為電子和質(zhì)子是基本粒子，后來又發(fā)現(xiàn)了中子。在宇宙線研究和后來利用高能加速器進(jìn)行的實驗研究中，又發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不同種類的粒子。它們都能產(chǎn)生、消滅、相互轉(zhuǎn)化，連電子和質(zhì)子也不例外。在條件具備時，電子和質(zhì)子也能產(chǎn)生和消滅，轉(zhuǎn)化為其他粒子。這些粒子的性質(zhì)很有規(guī)律性?？磥硭鼈儾皇且郧八O(shè)想的永恒不變的、不可分割的基本粒子。所以現(xiàn)在將基本兩字去掉，統(tǒng)稱為粒子。

研究這些粒子，發(fā)現(xiàn)它們都是配成對的。配成對的粒子稱為正、反粒子。正、反粒子一部分性質(zhì)完全相同，另一部分性質(zhì)完全相反。例如：電子和正電子是一對正、反粒子。它們的質(zhì)量和自旋完全相同，它們的電荷和磁矩完全相反。有一小部分正、反粒子，它們的所有性質(zhì)完全相同。它們就是同一種粒子。光子就是這樣一種粒子。

另一個重要發(fā)現(xiàn)是，沒有一種粒子是不生不滅、永恒不變的，在一定條件下都能產(chǎn)生和消滅。例如：原來認(rèn)為電子是不生不滅的和永恒不變的。后來發(fā)現(xiàn)，高能光子在原子核的電場中能轉(zhuǎn)化為一對電子和正電子。電子和正電子相遇，就會同時湮沒而轉(zhuǎn)化為兩個或三個光子。

在所有這些粒子中，光子是傳遞電磁相互作用的媒介，1983年發(fā)現(xiàn)的W+、W-和Z0中間玻色子是傳遞弱相互作用的媒介。但迄今還沒有在實驗上發(fā)現(xiàn)理論上預(yù)言的傳遞萬有引力的引力子和傳遞強相互作用的膠子。

除了光子和W+、W-、Z0中間玻色子以外，可以按照是否參與強相互作用，把實驗上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的粒子分為兩大類。①不參與強相互作用的粒子統(tǒng)稱為輕子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的輕子共有三代，每代兩種，共六種。與之相應(yīng)，存在著六種反輕子。輕子和反輕子的自旋均為啚/2，因此都是費密子。②參與強相互作用的粒子統(tǒng)稱為強子。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子中絕大部分是強子。實驗發(fā)現(xiàn)，強子有一定大小（例如：核子的半徑大小為0.8×10-13cm）。進(jìn)一步實驗研究發(fā)現(xiàn)，強子內(nèi)部還存在著帶點電荷的、可以在強子內(nèi)部相當(dāng)自由地運動的東西，因此強子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見強子結(jié)構(gòu)）。強子內(nèi)部帶點電荷的東西在國外稱為夸克；中國的部分物理學(xué)家稱之為層子，因為他們認(rèn)為：即使層子也不是物質(zhì)的始元，也只不過是物質(zhì)結(jié)構(gòu)無窮層次中的一個層次而已。組成已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的強子的層子也有三代，每代兩套，每套三種，共十八種。與之相應(yīng)，存在十八種反層子。丁肇中和B.里希特在1974年發(fā)現(xiàn)的J/ψ粒子證明其中的一套層子：粲層子的存在（見粲偶素）。所有層子和反層子的自旋也都是啚/2，也都是費密子?？磥磔p子和層子的性質(zhì)有不同處，也有很多相似處，它們之間可能存在著深刻的聯(lián)系。

雖然層子在強子內(nèi)部可以相當(dāng)自由地運動，但即使用目前加速器所能產(chǎn)生的能量最高的粒子束轟擊強子，也沒有能將層子、膠子打出來，使它們成為處于自由狀態(tài)的層子和膠子。將層子和膠子囚禁在強子內(nèi)部是強相互作用所獨有的性質(zhì)，這種性質(zhì)稱為“囚禁”。

弱相互作用也有其獨特的性質(zhì)。它的基本規(guī)律對于左和右，對于正、反粒子，對于過去和未來都是不對稱的。弱相互作用的規(guī)律對于左和右不對稱就是李政道和楊振寧在1956年所預(yù)言、不久以后在實驗上為吳健雄所證實的