人類文明課件

人類文明課件第一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六說過,現(xiàn)代數(shù)學(xué)的書可以分成兩種，一種是看了一頁看不下去的，另一種是看了一行看不下去的。物理又何嘗不是呢？第二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六以下內(nèi)容，純屬網(wǎng)絡(luò)收集，道聽途說，如有任何錯(cuò)誤。。。。。。歡迎同學(xué)交流指正。第三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六距1905年愛因斯坦建立狹義相對(duì)論已百年有余.這一百多年是人類社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個(gè)百年,也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個(gè)百年.在這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命,建立了相對(duì)論和量子力學(xué),完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)的轉(zhuǎn)變.在20世紀(jì)二三十年代以后,現(xiàn)代物理學(xué)在深度和廣度上有了蓬勃的發(fā)展,產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科、交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科,人類對(duì)物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認(rèn)識(shí),物理學(xué)理論達(dá)到了一個(gè)新高度.回顧上一個(gè)世紀(jì)之交物理學(xué)發(fā)展的情況,思考其發(fā)展規(guī)律,對(duì)我們今天的教育,特別是科學(xué)教育具有重要意義.第四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六19、20世紀(jì)之交物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn):電子X射線放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)第五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六20世紀(jì)物理學(xué)取得了巨大成就，在某些領(lǐng)域，理論與實(shí)驗(yàn)的符合程度雖達(dá)到了驚人程度，如：電子的反常磁矩，1979年的實(shí)驗(yàn)值為1．001159652410(200)，而1981年的量子電動(dòng)力學(xué)理論值為1．001159652460(148)還有課本中談及的第六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展得已經(jīng)相當(dāng)完善，當(dāng)?shù)聡?guó)著名的年輕物理學(xué)家普朗克向他的老師開爾文求教，是選擇音樂還是物理學(xué)作為自己終身的職業(yè)時(shí)，得到的答復(fù)是：“物理學(xué)基本是一門已經(jīng)完成了的科學(xué)，因此，物理學(xué)已經(jīng)無所作為，往后無非在已知規(guī)律的小數(shù)點(diǎn)后面加上幾個(gè)數(shù)字而已?！碑?dāng)時(shí)許多物理學(xué)家認(rèn)為：物理學(xué)的大廈已經(jīng)落成，人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)已經(jīng)到了盡頭。第七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六經(jīng)典物理學(xué)的萬里晴空中出現(xiàn)了

兩朵“烏云”:“以太漂移”的“零結(jié)果”黑體輻射的“紫外災(zāi)難”.第八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六牛頓——經(jīng)典物理愛因斯坦、普朗克、開爾文等相對(duì)論量子力學(xué)第九頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六由于相關(guān)理論過于復(fù)雜，下面主要圍繞課本簡(jiǎn)單了解一下其中所涉及內(nèi)容，另外考慮時(shí)間問題，具體細(xì)節(jié)也不再展開講述，感興趣的同學(xué)不妨課后查閱資料，搞明白了，你就是21世界的物理學(xué)家了。你以為我會(huì)告訴你其實(shí)我也不懂嗎？第十頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六相對(duì)論和量子論各自都非常成功，而且將相對(duì)論應(yīng)用于量子論而建立起來的量子電動(dòng)力學(xué)、量子場(chǎng)論也同樣非常成功，但當(dāng)將量子論應(yīng)用于由廣義相對(duì)論描述的引力理論之中時(shí)，在引力的量子化問題上卻碰到了巨大的困難——在這兩個(gè)非?；A(chǔ)、關(guān)鍵的理論之間存在著一定的不自洽性。第十一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六

雖然引力的相互作用強(qiáng)度極弱，比弱作用還要弱幾十個(gè)數(shù)量級(jí)，但它在構(gòu)造物質(zhì)世界方面起著極為重要的作用，在宇宙學(xué)中更是主要角色，因此沒有包含引力的標(biāo)準(zhǔn)模型顯然不能算是一個(gè)終極理論。再是標(biāo)準(zhǔn)模型包含了多達(dá)61個(gè)基本組分，其中物質(zhì)粒子和反粒子48個(gè)，規(guī)范粒子12個(gè)，還有一個(gè)到目前還未找到的希格斯粒子(希格斯粒子的引入使得規(guī)范理論的對(duì)稱性自發(fā)破缺，從而使規(guī)范粒子獲得了質(zhì)量)。第十二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六于是，超弦理論，應(yīng)運(yùn)而生。弦理論不同于傳統(tǒng)的量子場(chǎng)論，它假定物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)不是點(diǎn)粒子而是弦——一條曲線。這樣就可自然地避免產(chǎn)生無法重整化的發(fā)散。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的量子場(chǎng)論中，兩個(gè)相互無限靠近的點(diǎn)粒子產(chǎn)生的引力會(huì)產(chǎn)生奇異的量子行為，當(dāng)尺寸小于米時(shí)，粒子的引力半徑與康普頓(Compton)半徑相當(dāng)。真空中充滿了虛的黑洞，也就是說量子漲落效應(yīng)可以導(dǎo)致相互靠得非常近的粒子變成黑洞，時(shí)空本身在此尺度下將開始塌陷——出現(xiàn)奇異性。而在弦理論中，兩條閉弦碰撞在一起時(shí)，只有二者各自的無窮小的一部分相碰。第十三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六如圖所示，表示兩條分離的閉合弦隨著時(shí)間的演化而逐漸靠近，以至形成一條新的閉合弦，然后又分開去。這樣就在弦理論中避免了無法重整化的發(fā)散問題。第十四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六但是，為了追求統(tǒng)一、簡(jiǎn)潔而建立起來的10維超弦理論卻有五種不同的框架現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)，五種不同的超弦理論實(shí)際上是一個(gè)更大的理論的五個(gè)不同側(cè)面而已，它們相互間可以通過對(duì)偶對(duì)稱性(Duality)聯(lián)系起來?，F(xiàn)在世界各國(guó)都投入了較大的力量對(duì)超弦理論進(jìn)行深入研究，以期建立起統(tǒng)一的、簡(jiǎn)潔的包羅萬象的理論第十五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六物質(zhì)具有不同層次的結(jié)構(gòu)，為了窺探深層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，所需要出能量越來越高。例如要了解原子、分子的結(jié)構(gòu)，人們只需要幾個(gè)電子伏或更少能量的探測(cè)粒子；而要探測(cè)核子乃至夸克的結(jié)構(gòu)，則需要電子伏以上能量的探測(cè)粒子。因此，為了探索物質(zhì)更深層次的結(jié)構(gòu)，需要超高能量的加速器。除了希格斯粒子，粒子物理學(xué)還有許多根本性的問題需要解決，如真空的性質(zhì)、失蹤的對(duì)稱性、夸克禁閉及基本相互作用的統(tǒng)一等等，所有這些無一不需要超高能物理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，更何況在實(shí)驗(yàn)過程中還會(huì)提出新的問題。第十六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六因此，在2l世紀(jì)，需要建造更高能量的加速器，并在設(shè)計(jì)思想上需要大的突破。一方面可以充分利用宇宙這個(gè)天然實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)橛钪嬷写嬖谥罅砍吣艿挠钪嫔渚€。另一方面，宇宙大爆炸起始時(shí)，溫度高、對(duì)應(yīng)的粒子能量也高，人們可以利用那時(shí)遺留下來的信號(hào)檢驗(yàn)粒子物理理論，反過來高能物理實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)展也將促進(jìn)宇宙學(xué)問題的解決。我國(guó)在宇宙線的研究方面具有得天獨(dú)厚的天然資源，如云南高山站、西藏羊八井宇宙線觀測(cè)站等海拔高，大氣遮擋少，并有多年的研究基礎(chǔ)和國(guó)際合作的經(jīng)驗(yàn)，有理由相信，21世紀(jì)我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究將取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。第十七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六所謂復(fù)雜系統(tǒng)是相對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)而言的。對(duì)于真正的多體問題，利用統(tǒng)計(jì)的方法，問題反而簡(jiǎn)化了，而對(duì)于一體、二體問題，往往可以嚴(yán)格求解，問題也可以簡(jiǎn)化；但對(duì)介于二者之間的少體問題，雖然從表面上看沒有多體問題復(fù)雜，但既不能用統(tǒng)計(jì)的方法，又不能嚴(yán)格求解，所以問題反而復(fù)雜化了，如行星三體問題到目前還沒有完全解決。類似的問題如介觀問題，它介于微觀和宏觀之間，但其研究的起步和進(jìn)程都不如微觀和宏觀問題。其原因在于它們都屬于復(fù)雜系統(tǒng)，是介于有序與無序之間的系統(tǒng)。另一個(gè)重要的領(lǐng)域是非線性物理，雖然20世紀(jì)60年代以來，它已取得了很大進(jìn)展，但由于問題的復(fù)雜性，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完全解決，而且不斷有新問題出現(xiàn)，例如經(jīng)濟(jì)、金融物理學(xué)問題，即用物理的方法和模型來描述經(jīng)濟(jì)、金融問題，用沙堆模型描述企業(yè)的不斷擴(kuò)張而突然失控的現(xiàn)象等等。第十八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期六所謂極端條件是指偏離常規(guī)條件的特別條件。例如作為核聚變研究基礎(chǔ)的高溫、高密度等離子體物理的研究，超高壓條件下的深海物理研究，失重條件、強(qiáng)輻射條件下(宇宙航行)的各種材料物理性能變化的研究，強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)條件下凝聚態(tài)物理的研