物理學與物理學人才培養(yǎng)

關(guān)于物理學與物理學人才培養(yǎng)物理學和物理科學人才的培養(yǎng)1.什么是物理學2.從物理學的發(fā)展看物理學的思想方法3.物理學是一個整體4.自然科學和現(xiàn)代高新技術(shù)的基礎(chǔ)5.物理科學人才的需要和培養(yǎng)第2頁,共40頁，2024年2月25日，星期天1.什么是物理學

物理學是自然科學的基礎(chǔ)。

物理學研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式，物質(zhì)的性質(zhì)、運動、相互作用、相互轉(zhuǎn)化以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律。

物理學是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律的前沿學科。物理學是研究“物”的，它研究的是物質(zhì)，也就是研究宇宙間客觀存在的物質(zhì)。物理學不是對客觀存在的物質(zhì)的運動簡單地進行記載和現(xiàn)象描寫。而是研究“物”的“理”，也就是研究物質(zhì)運動的道理，研究物質(zhì)運動的普遍的基本規(guī)律。第3頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

正因為如此，所以可以概括為：

物理學研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式，物質(zhì)的性質(zhì)、運動、相互作用、相互轉(zhuǎn)化以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律。

物理學是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律的前沿學科。

可以說：物理學的研究對象是普遍的。物理學所研究的規(guī)律是基本的。第4頁,共40頁，2024年2月25日，星期天自遠古以來，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要確定季節(jié)，人們就進行天文觀察，在古代就形成天文學。

化學緣起于古代煉金術(shù)，獨立地發(fā)展。

物理學、天文學、化學是最早發(fā)展的自然科學。它們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)象中起著日益深刻的作用。

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的范圍。

物理學所發(fā)現(xiàn)的基本規(guī)律在地球現(xiàn)象和生命現(xiàn)象中，也起著重要作用。第5頁,共40頁，2024年2月25日，星期天2.從物理學的發(fā)展看物理學的思想方法

20

世紀已經(jīng)過去，現(xiàn)在已經(jīng)進入了21世紀。在20世紀初期的30

年，物理學經(jīng)歷了一場偉大的革命。這場革命推動的整個自然科學和應(yīng)用技術(shù)的偉大變革，這些變革和這些變革對人類社會的巨大影響，將作為20

世紀的一個重要標志而載入史冊。物理學的這段令人神往的革命發(fā)展，大大深化了人們對物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)及其運動的規(guī)律性的認識，提供了新興的高新科學技術(shù)部門的產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)。第6頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

作為自然科學的基礎(chǔ)，作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動的基本規(guī)律的物理學，總是生機勃勃，不斷地開辟自己前進的道路的。

1803年道爾頓提出了近代的原子論，認為世界間萬物都是由幾十種不同種類元素的原子組成的。到了19世紀60年代，人類認識的物質(zhì)元素數(shù)目增加到60多種，還認識到不同元素的性質(zhì)是有內(nèi)在聯(lián)系的，邁耶（美籍德國人，原子核殼層模型理論獲1963年諾貝爾獎，是繼居里夫人之后第二個獲諾獎的女士）和門捷列夫的周期律描述了各種元素之間的這種內(nèi)在聯(lián)系。

現(xiàn)在人類認識的物質(zhì)元素的數(shù)目已經(jīng)增加到114種，其中94種是自然界原來就有所存在的，20種完全是人造的。這114種元素組成了1千幾百萬種化合物。第7頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

19世紀末，物理學家們發(fā)現(xiàn)（1897年10月）了電子（1906年物理學獎），a

粒子（1899年發(fā)現(xiàn)，1906年確定為氦核，1908年化學獎），放射性（1896年3月發(fā)現(xiàn)，1903年物理學獎），X射線（1895年11月，1901年物理學獎），…。人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識進入了微觀世界。

20世紀初，發(fā)現(xiàn)原子是可以改變的，原子不是物質(zhì)構(gòu)成的最小單元，原子還有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。盧瑟福建立了原子結(jié)構(gòu)的有核模型。

探討熱輻射規(guī)律以及原子結(jié)構(gòu)模型和經(jīng)典物理學之間的矛盾，導(dǎo)致了量子論的建立、量子力學的誕生，產(chǎn)生了現(xiàn)代原子、分子物理，凝聚態(tài)物理，原子核物理，粒子物理，…?，F(xiàn)在，物理學又正在進入一個新的層次。探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)粒子及其運動、相互作用、相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究近40年多來取得十分輝煌的成就。第8頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

20世紀60年代到70年代，粒子物理學在認識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律方面取得了重大的、系統(tǒng)的進展，建立了粒子物理的標準模型。標準模型概括了兩方面的內(nèi)容：

1。物質(zhì)世界是由62種粒子構(gòu)成

(1)規(guī)范玻色子

相互作用的媒介粒子，共13種。

(2)費米子

自旋為1/2的粒子。費米子又分為輕子和夸克兩類，粒子和反粒子共48種。

(3)Higgs粒子

自旋為零的粒子，不帶電，共1種。第9頁,共40頁，2024年2月25日，星期天這62種粒子中，實驗上現(xiàn)在還沒得到存在的直接證據(jù)的2種粒子是Higgs粒子和引力子。其中引力子：作用太弱，不能直接觀測。

唯一的應(yīng)該能找到但還沒有找到的粒子

Higgs粒子。

2.粒子之間的基本相互作用有4種

(1)色相互作用

媒介粒子為膠子g.

(2)電弱相互作用

媒介粒子為

,W+,W

,Z。能量低于250GeV時分解為性質(zhì)和行為很不相同的兩種相互作用：

電磁相互作用

媒介粒子為

。

弱相互作用

媒介粒子為W+,W

,Z。

(3)引力相互作用

媒介粒子為引力子。第10頁,共40頁，2024年2月25日，星期天理論上認為還存在有一種相互作用。

(4)Higgs粒子湯川相互作用

媒介粒子為Higgs粒子。

只有

Higgs粒子湯川相互作用還沒有直接觀察到。粒子物理的標準模型完整地總結(jié)概括了現(xiàn)在已經(jīng)知道的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和相互作用的各種基本規(guī)律，并且得到多方面實驗的大量驗證。粒子物理的標準模型的建立以及它在各方面的成功，標志著物理學在探討物質(zhì)微觀的結(jié)構(gòu)和運動的基本規(guī)律方面正在進入物質(zhì)世界的一個更深的層次。

毫無疑問這是物理學發(fā)展歷史上一個具有劃時代意義的大事。第11頁,共40頁，2024年2月25日，星期天但是，在歡呼它取得的多方面的勝利時，也要看到同時它也提出了一系列帶本質(zhì)性的沒有解決的問題?？梢哉f，進入這個新層次將帶來的最本質(zhì)的新的物理，還沒有到來。

19世紀末的物理學家盡管看到了“遮蓋在熱和光的動力理論上的19世紀烏云”，但也沒有能猜測到物理學將進入比原子更深層次的探索，會在什么時候和在哪點上帶來新的物理，沒有能預(yù)見在30年內(nèi)相對論和量子力學的建立、近代物理的建立和發(fā)展。第12頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

21世紀初的人們可以在總結(jié)20世紀中近代物理學的飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上對21世紀初近代物理的某些發(fā)展動向進行某些預(yù)測。

21世紀初的人們也不能奢望能夠在近代物理學的飛速發(fā)展的面前對21世紀初幾十年內(nèi)物理學的發(fā)展前景作出全面、具體、肯定的預(yù)測。第13頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

20世紀初期物理學的革命，表現(xiàn)出人類理性思維的偉大勝利。狹義相對論，特別是廣義相對論，震撼著物理學工作者的心靈。愛因斯坦也在他那無與倫比的思考導(dǎo)致的宇宙模型面前感到困惑了。近四十多年來一大批物理學家和天文學家辛勤的努力和非凡的勇氣，把這個難以想象的革命性的關(guān)于宇宙的結(jié)構(gòu)和演化的概念和圖象建立起來了，大爆炸宇宙論得到科學界多數(shù)人的認同，被稱為宇宙學的標準模型。第14頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

在大致一百五十多億年前，宇宙從一個具有無限大的密度和具有無限大的時空曲率的點開始了。

宇宙迅速膨脹，密度和溫度迅速降低，到10–44

秒時，重力相互作用和其它相互作用分離開來；

到

10–36

秒時，強相互作用和電弱相互作用分離；大體上可以說10-10

秒以前物質(zhì)存在形式以夸克物質(zhì)形態(tài)為主，即以密集的夸克膠子等離子體的形式存在。第15頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

直到10–10

秒時，宇宙的平均溫度大約為1015

度，弱相互作用才與電磁相互作用分離，世界變成了有四種基本相互作用的世界。

體積再膨脹，溫度再降低后，到10-6

秒時，夸克、反夸克又結(jié)合成各種介子和重子，形成強子物質(zhì)。這時溫度大約在1013K

左右。大爆炸后的一秒鐘時宇宙的平均溫度大約為1010K。

溫度繼續(xù)降低，到大約3分鐘時開始，質(zhì)子和中子結(jié)合成較重的原子核，首先是形成氦核。這時宇宙的平均溫度大約為109K。第16頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

直到三十多萬年后，開始出現(xiàn)原子、分子，這時宇宙的溫度降到大約6000度。

從大的范圍來說，開始形成星體，出現(xiàn)星云系。這樣一個綜合了夸克尺度物理和宇觀尺度物理的宇宙演化模型的建立，是人類物質(zhì)認識史上一個最具有革命性的、劃時代的偉大事件。這個宇宙學的標準模型和近年來天體物理學取得的輝煌的成就，在物理學的面前提出了十分嚴峻的具有本質(zhì)的挑戰(zhàn)。第17頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

如何理解宇宙這樣有限而無界的時空和它的奇點？

什么是在宇宙這樣演化中的物質(zhì)和運動規(guī)律？

為什么宇宙結(jié)構(gòu)和演化中有那么多的“巧合”？

為什么宇宙中存在的暗物質(zhì)總量至少比明亮物質(zhì)的總量大一個數(shù)量級？

暗物質(zhì)粒子究竟是什么粒子？

為什么宇宙對正反物質(zhì)是不對稱的？宇宙對正反物質(zhì)不對稱的來源是什么？這些問題都是有待研究的。第18頁,共40頁，2024年2月25日，星期天3.物理學是一個整體

20世紀物理學的發(fā)展顯示：物質(zhì)世界是有層次的，反映物質(zhì)世界的物理學規(guī)律也是有層次的。

每一層次的物理都植根于更深層次的物理學，同時每一層次的物理規(guī)律又不能還原為更深層次物理規(guī)律的簡單積累和疊加。

每個層次的物理都是在真實的意義上不可窮盡的。

人類在探索自然奧秘的過程中，一個重要的問題是探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律；另一個重要的基本問題是探索物質(zhì)大范圍結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律；再一個重要的基本問題是探索宏觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)運動的基本規(guī)律。第19頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

20世紀以來，物理學在探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律方面不斷取得進展，從20世紀初到30年代，探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的前沿學科是原子物理學；30年代到40年代是原子核物理學；50年代以來是粒子物理學，建立了粒子物理的標準模型。

20世紀以來，物理學在探索物質(zhì)大范圍結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律方面不斷取得進展，從天體物理學到宇宙學，建立了宇宙學的標準模型。

20世紀以來，物理學在探索宏觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)運動的基本規(guī)律方面不斷取得進展，發(fā)展出理論物理、凝聚態(tài)物理、光物理、激光物理、非線性光學、低溫物理、磁性物理、金屬物理、半導(dǎo)體物理、材料物理、表面物理、介觀物理、電真空物理、電子物理、無線電物理、固體微電子學、等離子體物理、聲學、固態(tài)物理、液態(tài)物理、高壓物理、非線性物理、分形物理、計算物理……等分支學科。第20頁,共40頁，2024年2月25日，星期天近幾十年來，物理學的各分支學科有著突飛猛進的迅速發(fā)展，對物理現(xiàn)象和物理學規(guī)律的探索研究不斷取得新的進展，豐富了人們對物質(zhì)世界物理運動基本規(guī)律的認識和掌握，促進了許多和物理學緊密相關(guān)的交叉學科和技術(shù)學科的發(fā)展。

經(jīng)典力學、經(jīng)典電動力學并不因為量子力學、量子電動力學的發(fā)展而被排斥出物理學，近年來還不停地有它們新的、有深刻意義的進展。光物理學和凝聚態(tài)物理學半個世紀以來的巨大的、令人應(yīng)接不暇的發(fā)展提供了最能說服人的例子。第21頁,共40頁，2024年2月25日，星期天在當代粒子物理和宇宙學中最重要的觀念，如相變、對稱性的自發(fā)破缺、拓撲性缺陷、紅外發(fā)散…等等，都首先來自凝聚態(tài)物理學。而當代凝聚態(tài)物理的理論研究又都廣泛地而且本質(zhì)地使用粒子物理學中發(fā)展的量子場論的語言和技術(shù)。這顯示物質(zhì)世界的豐富性、多樣性決定了物理學有許多分支學科，體現(xiàn)物理學的豐富性、多樣性、和統(tǒng)一性，但各分支是緊密聯(lián)系的。物理學是一個整體“只有一個物理學”！第22頁,共40頁，2024年2月25日，星期天4.自然科學和現(xiàn)代高新技術(shù)的基礎(chǔ)

在20世紀，物理學的基本概念和技術(shù)已被應(yīng)用到所有的自然科學領(lǐng)域。

物理學與其它自然科學學科之間的邊緣領(lǐng)域，一定意義上是當代自然科學中最富于獲得豐碩成果的機遇的領(lǐng)域。邊緣領(lǐng)域的發(fā)展，又反過來豐富、加深和支持了物理學本身的發(fā)展。量子力學和現(xiàn)代物理實驗技術(shù)的應(yīng)用，大大推進了現(xiàn)代化學的發(fā)展。

對分子結(jié)構(gòu)、性能和反應(yīng)機理的研究，又豐富了和推動了現(xiàn)代物理的進步。第23頁,共40頁，2024年2月25日，星期天而且，如果沒有現(xiàn)代化學的支撐，現(xiàn)代物理學中好些分支學科都不能產(chǎn)生和發(fā)展。地球科學、生命科學與物理學的邊緣領(lǐng)域的發(fā)展，也將會是類似的情景。近二三十年復(fù)雜性科學的發(fā)展。數(shù)學、物理學，特別是物理學與化學、地球科學、生命科學、各種應(yīng)用技術(shù)科學的邊緣領(lǐng)域研究的發(fā)展，都使人們相信，在復(fù)雜性(多維度，多組元，非線性，非平衡和開放的)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能和演化中，有一些具有普遍性的運動規(guī)律和運動模式。

相信一門有重要的基礎(chǔ)科學意義的學科，復(fù)雜性物理正在形成。第24頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

復(fù)雜性物理已經(jīng)顯出可能對物理學中一些最基礎(chǔ)的問題，如必然性和隨機性，無序化的傾向和有序結(jié)構(gòu)的生成，不同層次的結(jié)構(gòu)的自相似性等，作出有深刻物理意義的回答。

復(fù)雜性物理也將是人類認識史上又一個重大的事件，它將會對化學，地球科學，生命科學，認知科學和各種應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。

20世紀以來，隨著近代物理學的迅猛發(fā)展，陸續(xù)發(fā)展了近代原子分子物理學、原子核物理學與核技術(shù)、原子核能的利用、激光物理和激光技術(shù)、半導(dǎo)體物理和器件、固體組件、超導(dǎo)電物理與技術(shù)、光電子學技術(shù)、X光技術(shù)、粒子物理。第25頁,共40頁，2024年2月25日，星期天這些分支學科的發(fā)展又推動了計算機科學技術(shù)和信息與通訊科學技術(shù)的發(fā)展，并且形成了各種有關(guān)的新科學技術(shù)產(chǎn)業(yè)。它們大大推動了現(xiàn)代社會的發(fā)展。隨著科學的發(fā)展，不同學科相互滲透，出現(xiàn)了物理學與這些學科之間的一系列交叉學科，如數(shù)學物理學、天體物理學、化學物理學、生物物理學、大氣物理學、海洋物理學、地球物理學等。

物理學是自然科學的基礎(chǔ)，物理學的發(fā)展動力深深地植根于人類對真理的非功利的追求。第26頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

這種對真理的非功利的追求給人類帶來了最大的收益。

當代技術(shù)進步的主要推動力來自純學科性的基礎(chǔ)研究。

研究室和實驗室中純學科性的研究轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾膽?yīng)用技術(shù)，實際生產(chǎn)和社會發(fā)展中遇到的問題轉(zhuǎn)化為有基礎(chǔ)學科意義的研究課題，兩者關(guān)系愈來愈密切，相互轉(zhuǎn)化的周期愈來愈短。

與之相應(yīng)，在現(xiàn)代，杰出的基礎(chǔ)科學研究人材和優(yōu)秀的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)人材在科學素質(zhì)上的要求變得更加一致了。第27頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

進入21世紀之際，無論是制造業(yè)還是服務(wù)業(yè)，也無論是材料、信息、能源、交通、環(huán)境等技術(shù)部門，都在期待著新的技術(shù)變革。

認真考察就會發(fā)現(xiàn)，這些新的技術(shù)變革都主要基于現(xiàn)代物理學的進展?？梢钥隙ǖ氖牵?1世紀物理學的發(fā)展仍是技術(shù)進步的主要源泉。物理學是自然科學的基礎(chǔ)。物理學是現(xiàn)代高、新技術(shù)的基礎(chǔ)。第28頁,共40頁，2024年2月25日，星期天5.物理學人才的需要和培養(yǎng)

物理學是自然科學的基礎(chǔ)。物理學是現(xiàn)代高、新技術(shù)的基礎(chǔ)。各個國家都在不斷地培養(yǎng)物理學的專門人才?？疾旄鲊锢韺W專門人才的培養(yǎng)情況，特別是培養(yǎng)博士水平的專門人才的情況，可以發(fā)現(xiàn)以下特點。第一、實際培養(yǎng)的人數(shù)遠遠大于開展物理學研究和物理學教育所需要的人數(shù)。第二、社會需要的物理學專門人才的數(shù)目大于學校實際培養(yǎng)的人數(shù)。第29頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

這兩個特點不是某一年的暫時的現(xiàn)象，而是持續(xù)相當長時期的穩(wěn)定的狀況。物理學專門人才有很好的物理學科學素質(zhì)。

物理學是自然科學的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代高新技術(shù)的基礎(chǔ)。

物理學研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式，物質(zhì)的性質(zhì)、運動、相互作用、相互轉(zhuǎn)化以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律。

物理學是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律的前沿學科。物理學不僅要知道物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動的規(guī)則，而且要知道物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動的規(guī)律。物理學不僅要知道“然”，而且要知道“所以然”。第30頁,共40頁，2024年2月25日，星期天物理學的發(fā)展的歷史就是不斷探索、研究未知的物質(zhì)普遍的運動規(guī)律的過程，物理學的發(fā)展就是探索、研究自然奧秘不斷前進的過程。

什么是物理學科學素質(zhì)，它不僅表現(xiàn)在掌握豐富的物理學知識，更重要的是反映了探索研究的意識、能力和水平；塌實、嚴謹、尊重科學、勇于創(chuàng)新的學風。物理學科學素質(zhì)的優(yōu)勢—— 探索、研究、創(chuàng)新。第31頁,共40頁，2024年2月25日，星期天物理學的科學素質(zhì)并不僅僅是掌握豐富的物理學知識，可以運用已知的物理學知識來解釋一些物理現(xiàn)象，運用已經(jīng)得到的公式、方法計算和分析一些物理效應(yīng)，解決實際遇到的物理學問題。

物理學的科學素質(zhì)還要善于提出問題、探索和研究過去沒有解決的問題?？匆粋€物理學發(fā)展中的事例：

20世紀初，人們已經(jīng)認識到物質(zhì)是由原子構(gòu)成，原子是電中性的，但原子內(nèi)部是有正負電的分布的。帶負電的是電子，每一個電子的質(zhì)量是很輕的，它們彌散在原子內(nèi)部。帶正電的是什么還不清楚，也不清楚它們是不是也像電子那樣呈現(xiàn)為彌散分布。第32頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

1909年蓋革和馬斯登第一次觀測到a

粒子束透過金屬薄膜后在各方向上散射分布的情況。

其結(jié)果中居然出現(xiàn)少數(shù)意料不到的大角度散射，觀察到散射角大到150度的a

粒子。

a

粒子是帶正電荷的重粒子。a

粒子束在透過金屬膜時發(fā)生散射說明盡管金屬是電中性的，但金屬原子內(nèi)還是有電荷分布的。正電荷對a

粒子排斥，負電荷對a

粒子吸引，造成a

粒子被散射?？疾煲粋€質(zhì)量為m速度為v的粒子A和一個質(zhì)量為M靜止的粒子B碰撞。第33頁,共40頁，2024年2月25日，星期天

碰撞后A粒子的運動方向轉(zhuǎn)了q

角，速度變?yōu)関’，B粒子沿著和入射方向成f

角的方向以速度V射出。

如果碰撞是正碰，則B粒子沿著和入射方向成f=0

的方向射出。

A粒子射出的運動方向有可能仍然向前取q=0角，也有可能向后取q=180度的方向射出。

第34頁,共40頁，2024年2月25