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物理學概覽物理學是研究宇宙間物質存在的基本形式、性質、運動和轉化、內部結構等方面,從而認識這些結構的組成元素及其相互作用、運動和轉化的基本規律的科學。

物理學是研究宇宙間物質存在的基本形式、性質、運動和轉化、內部結構等方面,從而認識這些結構的組成元素及其相互作用、運動和轉化的基本規律的科學。

    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自於實踐,隨著實踐的擴展和深入,物理學的內容也在不斷擴展和深入。

    隨著物理學各分支學科的發展,人們發現物質的不同存在形式和不同運動形式之間存在著聯繫,於是各分支學科之間開始互相滲透。物理學也逐步發展成為各分支學科彼此密切聯繫的統一整體。

    物理學家力圖尋找一切物理現象的基本規律,從而統一地理解一切物理現象。這種努力雖然逐步有所進展,但現在離實現這—目標還很遙遠。看來人們對客觀世界的探索、研究是無窮無盡的。

經典力學

    經典力學是研究宏觀物體做低速機械運動的現象和規律的學科。宏觀是相對於原子等微觀粒子而言的;低速是相對於光速而言的。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並首先加以研究的都是宏觀低速的機械運動。

   

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自遠古以來,由於農業生產需要確定季節,人們就進行天文觀察。16世紀後期,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律。差不多在同一時期,伽利略進行了落體和拋物體的實驗研究,從而提出關於機械運動現象的初步理論。

    牛頓深入研究了這些經驗規律和初步的現象性理論,發現了宏觀低速機械運動的基本規律,為經典力學奠定了基礎。亞當斯根據對天王星的詳細天文觀察,並根據牛頓的理論,預言了海王星的存在,以後果然在天文觀察中發現了海王星。於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:一個力學系統在某一時刻的狀態,由它的某一個質點在這一時刻的空間坐標和動量表示。對於一個不受外界影響,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,其狀態隨時間的變化由總能量決定。

    在經典力學中,力學系統的總能量和總動量有特別重要的意義。物理學的發展表明,任何一個孤立的物理系統,無論怎樣變化,其總能量和總動量數值是不變的。這種守恆性質的適用範圍已經遠遠超出了經典力學的範圍,現在還沒有發現它們的局限性。

    早在19世紀,經典力學就已經成為物理學中十分成熟的分支學科,它包含了豐富的內容。例如:質點力學、剛體力學、分析力學、彈性力學、塑性力學、流體力學等。經典力學的應用範圍,涉及到能源、航空、航天、機械、建築、水利、礦山建設直到安全防護等各個領域。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。

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    機械運動中,很普遍的一種運動形式就是振動和波動。聲學就是研究這種運動的產生、傳播、轉化和吸收的分支學科。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;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生的地震、火山爆發或核爆炸的信息;頻率很高的聲波和聲表面波已經用於固體的研究、微波技術、醫療診斷等領域;非常強的聲波已經用於工業加工等。

熱學、熱力學和經典統計力學

    熱學是研究熱的產生和傳導,研究物質處於熱狀態下的性質及其變化的學科。人們很早就有冷熱的概念。對於熱現象的研究逐步澄清了關於熱的一些模糊概念(例如區分了溫度和熱量),並在此基礎上開始探索熱現象的本質和普遍規律。關於熱現象的普遍規律的研究稱為熱力學。到19世紀,熱力學已趨於成熟。

    物體有內部運動,因此就有內部能量。19世紀的系統實驗研究證明:熱是物體內部無序運動的表現,稱為內能,以前稱作熱能。19世紀中期,焦耳等人用實驗確定了熱量和功之間的定量關係,從而建立了熱力學第一定律:宏觀機械運動的能量與內能可以互相轉化。就一個孤立的物理系統來說,不論能量形式怎樣相互轉化,總的能量的數值是不變的,因此熱力學第一定律就是能量守恆與轉換定律的一種表現。

    在卡諾研究結果的基礎上,克勞修斯等科學家提出了熱力學第二定律,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,那麼熱就從溫度較高的地方流向溫度較低的地方,最後達到各處溫度都相同的狀態,也就是熱平衡的狀態。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相同的狀態。應用熵的概念,還可以把熱力學第二定律表達為:一個孤立的物理系統的熵不會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,物理系統就處於熱平衡狀態。

    深入研究熱現象的本質,就產生了統計力學。統計力學應用數學中統計分析的方法,研究大量粒子的平均行為。統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計規律,是理論物理的一個重要分支。

    非平衡統計力學所研究的問題複雜,直到20世紀中期以後才取得了比較大的進展。對於一個包含有大量粒子的宏觀物理系統來說,系統處於無序狀態的幾率超過了處於有序狀態的幾率。孤立物理系統總是從比較有序的狀態趨向比較無序的狀態,在熱力學中,這就相應於熵的增加。

    處於平衡狀態附近的非平衡系統的主要趨向是向平衡狀態過渡。平衡態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展,已趨於成熟。近20~30年來人們對於遠離平衡態的物理系統,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計力學也是這樣。經典力學應用於原子、分子以及宏觀物體的微觀結構時,其局限性就顯示出來,因而發展了量子力學。與之相應,經典統計力學也發展成為以量子力學為基礎的量子統計力學。

經典電磁學、經典電動力學

    經典電磁學是研究宏觀電磁現象和客觀物體的電磁性質的學科。人們很早就接觸到電和磁的現象,並知道磁棒有南北兩極。在18世紀,發現電荷有兩種:正電荷和負電荷。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世紀末發現電荷能夠流動,這就是電流。但長期沒有發現電和磁之間的聯繫。

    19世紀前期,奧斯特發現電流可以使小磁針偏轉。而後安培發現作用力的方向和電流的方向,以及磁

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針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之後,法拉第又發現,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繫。

    在電和磁之間的聯繫被發現以後,人們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磁力線,電荷向各個方向產生電力線,並在此基礎上產生了電磁場的概念。

    現在人們認識到,電磁場是物質存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產生電場,這個電場又以力作用於其他電荷。磁體和電流在其周圍產生磁場,而這個磁場又以力作用於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,它瀰漫於整個空間。

    19世紀下半葉,麥克斯韋總結了宏觀電磁現象的規律,並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組偏微分方程來表達電磁現象的基本規律。這套方程稱為麥克斯韋方程組,是經典電磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在,其傳播速度等於光速,這一預言後來為赫茲的實驗所證實。於是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象的規律,肯定了光也是一種電磁波。

    由於電磁場能夠以力作用於帶電粒子,一個運動中的帶電粒子既受到電場的力,也受到磁場的力,洛倫茨把運動電荷所受到的電磁場的作用力歸結為一個公式,人們就稱這個力為洛倫茨力。描述電磁場基本規律的麥克斯韋方程組和洛倫茨力就構成了經典電動力學的基礎。

    事實上,發電機無非是利用電動力學的規律,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典電動力學發展的產物。經典電動力學對生產力的發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。

光學和電磁波

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    光學研究光的性質及其和物質的各種相互作用,光是電磁波。雖然可見光的波長範圍在電磁波中只佔很窄的一個波段,但是早在人們認識到光是電磁波以前,人們就對光進行了研究。

    17世紀對光的本質提出了兩種假說:一種假說認為光是由許多微粒組成的;另一種假說認為光是一種波動。19世紀在實驗上確定了光有波的獨具的干涉現象,以後的實驗證明光是電磁波。20世紀初又發現光具有粒子性,人們在深入入研究微觀世界后,才認識到光具有波粒二象性。

    光可以為物質所發射、吸收、反射、折射和衍射。當所研究的物體或空間的大小遠大於光波的波長時,光可以當作沿直線進行的光線來處理;但當研究深入到現象細節,其空間範圍和光波波長差不多大小的時候,就必須要考慮光的波動性。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於物質內部結構的重要信息,例如:原子所放出來原子光譜的就和原子結構密切相關。

    近年來利用受激輻射機制所產生的激光能夠達到非常大的功率,且光束的張角非常小,其電場強度甚至可以超過原子內部的電場強度。利用激光已經開闢了非線性光學等重要研究方向,激光在工業技術和醫學中已經有了很多重要的應用。

    現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展過程中,形成了電磁場的概念。在物理學其後的發展中,場成了非常基本、非常普遍的概念。在現代物理學中.場的概念已經遠遠超出了電磁學的範圍,成為物質的一種基本的、普遍的存在形式。

狹義相對論和相對論力學

    在經典力學取得很大成功以後,人們習慣於將一切現象都歸結為由機械運動所引起的。在電磁場概念提出以後,人們假設存在一種名叫「以太」的媒質,它瀰漫於整個宇宙,滲透到所有的物體中,絕對靜止不動,沒有質量,對物體的運動不產生任何阻力,也不受萬有引力的影響。可以將以太作為一個絕對靜止的參照系,因此相對於以太作勻速運動的參照系都是慣性參照系。

    在慣性參照系中觀察,電磁波的傳播速度應該隨著波的傳播方向而改變。但實驗表明,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。特別是邁克爾遜和莫雷進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典物理學中關於時間、空間和以太的概念相矛盾。愛因斯坦從這些實驗事實出發,對空間、時間的概念進行了深刻的分析,提出了狹義相對論,從而建立了新的時空觀念。

    狹義相對論的基本假設是:
    ①在一切慣性參照系中,基本物理規律都一樣,都可用同一組數學方程來表達;
    ②對於任何一個光源發出來的光,在一切慣性參照系中測量其傳播速率,結果都相等。

    在狹義相對論中,空間和時間是彼此密切聯繫的統一體,空間距離是相對的,時間也是相對的。因此尺的長短,時間的長短都是相對的。但在狹義相對論中,並不是一切都是相對的。

    相對論力學的另一個重要結論是:質量和能量是可以相互轉化的。假使質量是物質的量的一種度量,能量是運動的量的一種度量,則上面的結論:物質和運動之間存在著不可分割的聯繫,不存在沒有運動的物質,也不存在沒有物質的運動,兩者可以相互轉化。這一規律己在核能的研究和實踐中得到了證實。

    當物體的速度遠小於光速時,相對論力學定律就趨近於經典力學定律。固此在低速運動時,經典力學定律仍然是很好的相對真理,非常適合用來解決工程技術中的力學問題。

    狹義相對論對空間和時間的概念進行了革命性的變革,並且否定了以太的概念,肯定了電磁場是一種獨立的、物質存在的恃殊形式。由於空間和時間是物質存在的普遍形式,因此狹義相對論對於物理學產生了廣泛而又深遠的影響。

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帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力被認為是一種超距作用,它的傳遞不需要時間,產生和到達是同時的。這同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。因此,必須對牛頓的萬有引力定律也要加以改造。

    改造的關鍵來自厄缶的實驗,它以很高的精確度證明:慣性質量和引力質量相等,固此不論行星的質量多大多小,只要在某一時刻它們的空間坐標和速度都相同,那末它們的運行軌道都將永遠相同。這個結論啟發了愛因斯坦設想:萬有引力效應是空間、時間彎曲的一種表現,從而提出了廣義相對論。

    根據廣義相對論,空間、時間的彎曲結構決定於物質的能量密度、動量密度在空間、時間中的分佈;而空間、時間的彎曲結構又反過來決定物體的運行軌道。在引力不強,空間、時間彎曲度很小情況下,廣義相對論的結論同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的結論趨於一致;當引力較強,空間、時間彎曲較大的隋況下,就有區別。不過這種區別常常很小,難以在實驗中觀察到。從廣義相對論提出到現在,還只有四種實驗能檢驗出這種區別。

    廣義相對論不僅對於天體的結構和演化的研究有重要意義,對於研究宇宙的結構和演化也有重要意義。

原子物理學、量子力學、量子電動力學

    原子物理學研究原子的性質、內部結構、內部受激狀態,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。古代就有人認為:宇宙間萬物都是由原子組成的,原子是不可分割的、永恆不變的物質最終單元。

    1897年湯姆遜發現了電子,使人們認識到原子是具有內部結構的粒子。於是,經典物理學的局限性進一步的暴露出來了。為此,德國科學家普朗克提出了同經典物理學相矛盾的假設:光是由一粒一粒光子組成的。這一假設導出的結論和黑體輻射及光電效應的實驗結果符合。於是,19世紀初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現了。

    1911年,盧瑟福用粒子散射實驗發現原子的絕大部分質量,以及內部的正電荷集中在原子中心一個很小的區域內,這個區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部結構得到了一個定性的、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。

    原子物理學的基本理論主要是由德布羅意、海森堡、薛定諤、狄里克萊等所創建的量子力學和量子電動力學。它們與經典力學和經典電動力學的主要區別是:物理量所能取的數值是不連續的;它們所反映的規律不是確定性的規律,而是統計規律。

    應用量子力學和量子電動力學研究原子結構、原子光譜、原子發射、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波粒二象性。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於描述微觀世界的現象。

    現在看來,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的性質。這一基本特點的另一種表現方式是海森伯的測不準原理:不可能同時測准一個粒子的位置和動量,位置測得愈准,動量必然測得愈不準;動量測的愈准,位置必然測得愈不準。

    量子力學和量子電動力學產生於原子物理學的研究,但是它們起作用的範圍遠遠超出原子物理學。量子力學是所有微觀、低速現象所遵循的規律,固此不僅應用於原子物理,也應用於分子物理學、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象所必須遵循的規律,直到現在,還沒有發現量子電動力學的局限性。

量子統計力學

    量子力學為基礎的統計力學,稱為量子統計力學。經典統計力學以經典力學為基礎,因而經典統計力學也具有局限性。例如:隨著溫度趨於絕對零度,固體的熱也趨於零的實驗現象,就無法用經典統計力學來解釋。

    在宏觀世界中,看起來相同的物體總是可以區別的,在微觀世界中,同一類粒子卻無法區分。例如:所有的電子的一切性質都完全一樣。在宏觀物理現象中,將兩個宏觀物體交換,就得到一個和原來狀態不同的狀態,進行統計時必須將交換前和交換后的狀態當作兩個不同的狀態處理;但是在一個物理系統中,交換兩個電子后,得到的還是原來的狀態,因此進行統計時,必須將交換前和交換后的狀態當作同一個狀態來處理。

    根據微觀世界的這些規律改造經典統計力學,就得到量子統計力學。應用量子統計力學就能使一系列經典統計力學無法解釋的現象,如黑體輻射、低溫下的固體比熱窖、固體中的電子為什麼對比熱的貢獻如此小等等,都得到了合理的解釋。

固體物理學

    固體物理學是研究固體的性質、它的微觀結構及其各種內部運動,以及這種微觀結構和內部運動同固體的宏觀性質的關係的學科。固體的內部結構和運動形式很複雜,這方面的研究是從晶體開始的,因為晶體的內部結構簡單,而且具有明顯的規律性,較易研究。以後進一步研究一切處於凝聚狀態的物體的內部結構、內部運動以及它們和宏觀物理性質的關係。這類研究統稱為凝聚態物理學。

    固體中電子的運動狀態服從量子力學和量子電動力學的規律。在晶體中,原子(離子、分子)有規則地排列,形成點陣。20世紀初勞厄和法國科學家布拉格父子發展了 X射線衍射法,用以研究晶體點陣結構。第二次世界大戰以後,又發展了中子衍射法,使晶體點陣結構的實驗研究得到了進一步發展。

    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。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,可以把晶體區別為金屬、絕緣體和半導體。能帶理論結合半導體鍺和硅的基礎研究,高質量的半導體單晶生長和摻雜技術,為晶體管的產生準備了理論基礎。

    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。

    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,也對固體的性質有重要的影響。例如1911年發現的低溫超導現象;1960年發現的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。處於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,點陣處於能量最低的形式;當晶體的內部能量增高,溫度升高到一定數值,點陣就會轉變到能量較高的形式。這種轉變稱為相變,相變會導致晶體物理性質的改變,相變是重要的物理現象,也是重要的研究課題。

    點陣結構完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態。實際晶體內部的點陣結構總會有缺陷:化學成分不會絕對純,內部會含有雜質。這些缺陷和雜質對固體的物理性質(包括力學、電學、碰學、發光學等)以及功能材料的技術性能,常常會產生重要的影響。大規模集成電路的製造工藝中,控制和利用雜質和缺陷是很重要的晶體的表面性質和界面性質,會對許多物理過程和化學過程產生重要的影響。所有這些都已成為固體物理研究中的重要領域。

    非晶態固體內部結構的無序性使得對於它們的研究變得更加複雜。非晶態固體有一些特殊的物理性質,使得它有多方面的應用。這是一個正在發展中的新的研究領域。

    固體物理對於技術的發展有很多重要的應用,晶體管發明以後,集成電路技術迅速發展,電子學技術、計算技術以至整個信息產業也隨之迅速發展。其經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。固體物理學也是材料科學的基礎。

原子核物理學

    原子核是比原子更深一個層次的物質結構。原子核物理學是研究原子核的性質,它的內部結構、內部運動、內部激髮狀態、衰變過程、裂變過程以及它們之間的反應過程的學科。

    在原子核被發現以後,曾經以為原子核是由質子和電子組成的。1932年,英國科學家查德威克發現了中子,這才使人們認識到原子核可能具有更複雜的結構。

    質子和中子統稱為核子,中子不帶電,質子帶正電荷,因此質子間存在著靜電排斥力。萬有引力雖然使各核子相互吸引,但在兩個質子之間的靜電排斥力比它們之間的萬有引力要大萬億億倍以上。所以,一定存在第三種基本相互作用——強相互作用力。人們將核子結合成為原子核的力稱為核力,核力來源於強相互作用。從原子核的大小以及核子和核子碰撞時的截面估計,核力的有效作用距離力程約為一千萬億分之一米。

    原子核主要由強相互作用將核子結合而成,當原子核的結構發生變化或原子核之間發生反應時,要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核(如鈾原子核)在吸收一個中子以後,會裂變成為兩個較輕的原子核,同時放出二十到三十中子和很大的能量。兩個很輕的原子核也能熔合成為一個較重的原子核,同時放出巨大的能量。這種原子核熔合過程叫作聚變。

    粒子加速器的發明和裂變反應堆的建成,使人們能夠獲得大量能量較高的質子、電子、光子、原子核和大量中子。可以用來轟擊原子核,系統地開展關於原子核的性質及其運動、轉化和相互作用過程的研究。

    高能物理研究發現,核子還有內部結構。原子核結構是一個比原子結構更為複雜的研究領域,目前,已有的關於原子核結構,原子核反應和衰變的理論都是模型理論,其中一部分相當成功地反映了原子核的客觀規律。

    一公斤鈾裂變時所釋放的能量,相當於約兩萬噸TNT炸藥爆炸時所釋放的能量,一公斤重氫原子核聚變所釋放的能量還要大幾倍。輕原子核聚變為較重的原子核並釋放能量的過程,就是太陽幾十億年來的能量來源,也是熱核爆炸的能量來源。如果能使重氫的聚變反應有控制地進行,那麼能源問題就將得到較徹底的解決。由於放射性同位素所放出的射線能產生各種物理效應、化學效應和生物效應,因此放射性同位素在工業、農業、醫學和科學研究中有廣泛的應用。

等離子體物理學

    等離子體物理是研究等離子體的形成及其各種性質和運動規律的學科。宇宙間的大部分物質處於等離子體狀態。例如:太陽中心區的溫度超過一千萬度,太陽中的絕大部分物質處於等離子體狀態。地球高空的電離層也處於等離子體狀態。19世紀以來對於氣體放電的研究、20世紀初以來對於高空電離層的研究,推動了等離子體的研究工作。從20世紀50年代起,為了利用輕核聚變反應解決能源問題,促使等離子體物理學研究蓬勃發展。

    等離子體內部存在著很多種運動形式,並且相互轉化著,高溫等離子體還有多種不穩定性,因此等離子體研究是十非常複雜的問題。雖然知道了描述等離子體的基本數學方程,但這組方程非常難解,目前還很難用以準確預言等離子體的性質和行為。

粒子物理學

    目前對所能探測到的物質結構最深層次的研究稱為粒子物理學,又稱為高能物理學。在20世紀20年代末,人們曾經認為電子和質子是基本粒子,後來又發現了中子。在宇宙射線研究和後來利用高能加速器進行的實驗研究中,又發現了數以百計的不同種類的粒子。這些粒子的性質很有規律性,所以現在將基本兩字去掉,統稱為粒子。

    研究這些粒子,發現它們都是配成對的。配成對的粒子稱為正、反粒子。正、反粒子一部分性質完全相同,而另一部分性質完全相反。另一個重要發現是,所有粒子在一定條件下都能產生和消滅。例如:高能光子在原子核的電場中能轉化為電子和正電子,電子和正電子相遇,就會同時湮沒而轉化為兩個或三個光子。

    在實驗上把已經發現的粒子分為兩大類。一類是不參與強相互作用的離子,統稱為輕子。另一類是參與強相互作用的粒子統稱為強子。已經發現的數百種粒子中絕大部分是強子。實驗發現,強子也具有內部結構。強子內部帶點電荷的東西在外國稱為夸克,中國的部分物理學家稱之為層子。因為他們認為:即使層子也不是物質的始元,也只不過是物質結構無窮層次中的一個層次而已。

    雖然層子在強子內部可以相當自由地運動,但即使用目前加速器所能產生的能量最高的粒子束轟擊強子,也沒有能將層子打出來,使它們成為處於自由狀態的層子。將層子囚禁在強子內部是強相互作用所獨有的性質,這種性質稱為「囚禁」。

    弱相互作用也有其獨特的性質。它的基本規律對於左和右,正、反粒子,過去和未來都是不對稱的。弱相互作用的不對稱就是李政道和楊振寧在1956年所預言,不久在實驗上為吳健雄所證實的宇稱在弱相互作用中的不守恆。

    在量子場論中,各種粒子均用相應的量子場來反映。空間、時間中每一點的量子場均以算符來表示,稱為場算符。這些場算符滿足一定的微分方程和對應關係或反對應關係。量子場的確既能反映披粒二象性,又能反映粒子的產生和消滅,還能自然地反映正、反粒子配成對的現象。

    對稱性在物理學中佔有很重要的地位。可以證明,假使物理基本規律具有某種對稱性,與之相應就有某種守恆定律。例如:假使物理基本規律在任何時間都一樣,與之相應就有能量守恆定律:假使物理基本規律對於相變換具有不變性,與之相應就有電荷守恆定律。

    假使物理規律的某種對稱性是定域的,那麼與之相應一定存在某種基本相互作用。目前已經通過實驗嚴格檢驗的廣義相對論、量子電動力學和電弱統一理論都來源於定域對稱性。也就是說:萬有引力相互作用、電磁相互作用和弱相互作用都來源於定域對稱性。

物理學同其他自然科學和技術之間的關係

    物質的各種存在形式和運動形式之間普遍存在著聯繫。隨著學科的發展,這種聯繫逐步顯示出來。物理學也和其他學科相互滲透,產生一系列交叉學科,如:化學物理、生物物理、大氣物理、海洋物理、地球物理、天體物理等等。

    數學對物理學的發展起了重要的作用,反過來物理學也促進數學的發展。在物理學的基礎性研究過程中,形成和發展出來的基本概念、基本理論、基本實施手段和精密的測試方法,已成為其他許多學科的重要組成部分,併產生了良好的效果。這對於天文學、化學、生物學、地學、醫學、農業科學都是如此。

    物理學研究的重大突破導致生產技術的飛躍已經是歷史事實。反過來,發展技術和生產力的要求,也有力地推動物理學研究的發展,固體物理、原子核物理、等離子體物理、激光研究、現代宇宙學等之所以迅速發展,是和技術及生產力發展的要求分不開的。

    目前在物理學前沿進行研究工作,必須使用尖端技術,否則就無法使實驗研究工作達到一定的深度,也很難開闢新的研究領域。因此理論和實踐,基礎理論和尖端技術的關係將日益密切、互相促進,並一日千里地向前推進。

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