自然科学发展概要（3）

第三章 物理学的理论与方法、历史与前沿

第一节 引言

物理学是关于自然界最基本形态的科学，它研究物质的结构和相互作用以及它们的运动规律。具体而言，物理学研究宇宙间物质存在的各种主要的基本形式，它们的性质、运动和转化以及内部结构，从而认识这些结构的组元及其相互作用、运动和转化的基本规律。

物理学领域包含的尺度从小到质子(proton)的半径10-5m,直到目前可探测到的最远的类星体(quasar)的距离1026m；包含的时间从短到10-25s的最不稳定粒子的寿命，直到长达1039s的质子的寿命。研究包含如此宽广范围的物理现象，发明为观测自然界所需要的更为有效的实验工具，创立使我们能够解释已经观测到的物理现象的理论，这些就是物理学的目标和成就。

物理学是一切自然科学的基础。物理学所研究的粒子，构成了蛋白质、基因、器官、生物体、陆地、海洋和大气等一切人造的和天然的物质。在这个意义上，物理学构成了化学、生物学、材料科学和地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到了所有的自然科学。在这些学科和物理学之间的边缘领域中，形成了一系列新的分支学科和交叉学科，从而促使自然科学更加迅速地发展。

从古希腊的自然哲学算起，物理学的发展已经有了2600多年的历史。物理学真正成为一门精密的科学，却是从1687年牛顿（I.Newton，1642—1727）发表《自然哲学的数学原理》才开始的。在历史上，人们在实践中首先观察到的是宏观的物体和现象，对它们的研究导致了经典物理学的诞生和发展。到19世纪后期，力学、热学、电磁学和光学等经典物理学已经建立了比较完整的理论体系，并取得了巨大的成功；同时，物理学研究开始进入到了微观世界领域，并对高速运动现象，特别是光的传播和干涉现象进行了精密的研究，经典物理学的局限性也开始显露了出来。

20世纪初，普朗克(M.Planck，1858－1947)的量子论和爱因斯坦(A.Einstein，1879－1955)的相对论开辟了近代科学的新纪元，物理学成了自然科学的先驱。这些崭新的观念改变了人们对客观世界的认识，极大地影响了科学技术的发展。物理学研究的范围迅速扩大、不断深入。今天，人们在粒子物理学、原子核物理学、凝聚态物理学、原子分子物理学和光学、等离子体物理学、引力和宇宙学、宇宙射线物理学等分支学科以及各个交叉学科和技术应用中，都取得了引人注目的成就。

物理学的发展，广泛而直接地影响了社会生产和生活的各个方面，成为科学技术和社会发展的巨大推动力。18世纪60年代的第一次技术革命，主要的标志是蒸汽机的广泛应用，它是牛顿力学和热力学发展的结果。19世纪70年代开始的第二次技术革命，主要的标志是电力的广泛应用和无线电通讯的实现，它是电磁学发展的结果。20世纪40年代兴起并一直延续到今天的第三次技术革命，是近代物理学发展的结果，它的特点是出现了一系列新技术和高技术，并在此基础上创造了一系列的新产品和新装置，深刻地改变了人类的物质生产和精神生活。

由于物理学所研究现象的范围极其宽广，因此常采用科学记数法来表示测量所得到的数值结果。科学记数法是把数值写成一个小于10的数字乘以10的幂次，因而指数相差1就代表数值大10倍或小10倍，称为一个数量级(order of magnitude)。从表1的数据可以看出，在人类已研究的领域中，空间尺度跨越了42个数量级。通常，我们把原子尺度的客体叫做微观系统(microscopic system)，把大小在人体尺度上下几个数量级范围内的客体叫做宏观系统(macroscopic system)，两者所服从的物理规律不同。一般来说，在非相对论情况下，宏观系统可以用经典力学或牛顿力学来处理，而微观系统需要用量子力学来处理。

近年来人们发现，线宽为10-7m的小尺寸样品在低温下表现出了电子波的量子干涉效应。我们把这种呈现微观特征的准宏观系统，叫做介观系统(mesoscopic system)。研究介观系统行为的介观物理学，是近几年才发展起来的一个物理学新分支，它将成为下一代微电子器件的理论基础。

表3.1 某些量的长度的数量级

质子的半径
10-15m
地球的半径
107 m

电子的康普顿波长
10-12m
太阳的半径
109 m

原子的半径
10-10m
地球轨道的半径
1011m

病毒的半径
10-7 m
太阳系的半径
1013m

巨型阿米巴的半径
10-4 m
到最近恒星的距离
1016m

昆虫的长度
10-2 m
银河系的半径
1021m

人体的高度
100 m
星系团的半径
2023m

红杉树高度
102 m
超星系团的半径
1024m

珠穆朗玛峰的高度
104 m
可探测类星体的最远距离
1026m




第二节 经典物理学

14世纪后期，文艺复兴运动首先在意大利兴起，随后波及到整个欧洲。这是一场激荡人心的社会大变革，它从各个方面改变了欧洲社会的面貌，对人类历史的进程产生了深刻的影响。现代意义的自然科学就在这里逐渐形成，物理学很快便被推到了科学的前沿。此后，经过许多代人的努力，从16世纪到19世纪末，以研究宏观、低速物理现象和规律为基本内容，建立在严格的科学实验和严密的逻辑之上的经典物理学建立起来，形成为一个系统的、精确的知识体系。至今，经典物理学的各个分支在理论上和应用上仍在继续发展，依然是整个物理学的基础。

2.1经典力学体系的建立

在17世纪，物理学，乃至自然科学的最高成就，就是牛顿所创建的经典力学体系，所以有的科学史家干脆把17世纪称为牛顿时代。

2.1.1 伽利略的力学贡献

伽利略，1564年2月15日生于意大利比萨城。1638年，出版了著名论着《关于力学和局部运动两门新科学的对话》，这本书对运动学和力学的基本关系作了详细的几何论证。

自由落体的问题，是动力学中最简单的一个问题。亚里士多德认为重物比轻物落得快，伽利略认为这个观点是错误的。伽利略认为自由落体运动是一种匀加速运动，并首次提出了“加速度”的概念。为了证明他的这一观点，大约在1609年，伽利略进行了著名的“斜面实验”。通过这一实验，伽利略证明了物体下落的速度的确与下落的距离与时间的平方成正比，这就是人们现在熟知的自由落体定律。

1576年意大利帕都亚(Padua)有一位数学家叫莫勒第(G．MoIetti)，写了—本小册子叫《大炮术》，是以当时惯用的对话方式进行论述的。其中有一段明确地提到落体运动，请读下面一段对话：

“王子：如果从塔顶我们放下两个球，一个是重20磅的铅球，另—个是重10磅的铅球，大球将比小球快20倍。

作者：我认为理由是充分的，如果有人问我，我一定同意这是一条原理。

王子：亲爱的先生，您错了。它们同时到达。我不是只做过一次试验，而是许多次。还有，和铅球体积大致相等的木球，从同一高度释放，也在同一时刻落到地面或土壤上。

作者：如果高贵的大人不告诉我您做过这样的试验，我还会不相信呢！那好，可是怎样拯救亚里士多德呢?

王子：许多人都设法用不同的方法来拯救他，但实际上他没有得到拯救。老实告诉您，我也曾以为自己找到了一个办法来拯救，但再好好思考，又发现还是救不了他。”

由此可见，关于落体问题的讨论在伽利略1589年当比萨大学教授之前已经广泛展开了，并且已有人作过实验，得到的结果其实是尽人皆知的生活经验。问题在于，没有人敢于触犯亚里士多德的教义。因为亚里士多德的理论指的是落体的自然运动，即没有媒质作用的自由落体运动，这是一种理想情况，在没有真空泵的16世纪谁都没有可能真正做这类实验。

抛物运动是伽利略接着研究的一种更为复杂的运动。通过研究抛物运动，伽利略首次明确地提出了“惯性运动”的概念以及“运动合成”的概念。

2.1.2 伽利略相对性原理

对于一个封闭船舱内所发生的现象，伽利略曾生动地描绘道：“使船以任何速度前进，只要船的运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，在船舱内你从一切现象中观察不出丝毫的改变，也无法从其中任何一个现象来确定船是在运动还是在停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时你也将和以前一样。在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳在空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。当你把不论什幺东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不须要用更多的力。水滴将像先前一样滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾。蝴蝶和苍蝇将继续随便到处飞行，它们决不会向船尾集中。如果点香冒烟，则将看到烟像一朵朵云一样向上升起，不会向任何一边移动。”

概括而言，一个相对于惯性系作匀速直线运动的参考系，在其内部所发生的一切力学过程，都不受系统作匀速直线运动的影响。或者说，不可能利用在惯性系内部进行的任何力学实验，来确定该系统作匀速直线运动的速度。这一原理称为伽利略相对性原理(Galilean principle of relativity)或力学相对性原理，它可以表述为：力学定律在所有惯性系中都是相同的。

既然在相对于一惯性系作匀速直线运动的一切系统内的力学现象遵从同样的力学规律，我们就可以得出结论：相对于一惯性系作匀速直线运动的一切参考系都是惯性系。换言之，力学规律对于一切惯性系都是等价的，不存在特殊的绝对的惯性系。

2.1.3 牛顿和万有引力定律的建立

对引力的科学研究，到17世纪以后才取得长足进展，很多著名科学家为此作出了重要贡献，其中包括开普勒、伽利略、笛卡尔、惠更斯等人。但集其大成完成物理史上的第一次伟大综合的人，当首推牛顿。

1687年7月，牛顿的《原理》一书问世。在该书中，牛顿首次给万有引力定律以精确的数学表达方式，即


式中G是引力常数。1798年，英国化学家、物理学家卡文迪许通过扭秤实验，证实了万有引力定律，并给出G的具体量值为6.7×10-11N·m2·kg-2。

万有引力定律建立后，胜利地经历了几次重大的考验，从而树立了它的权威，为所有物理学家所接受。其中一个重大的考验就是地球的形状问题。牛顿由万有引力定律出发，认为每个行星由于自身旋转，应当引起赤道部分隆起，两极则稍微扁平一点，形成所谓“番瓜”形状。牛顿还进一步指出，由于地球不是正圆球形，它将产生一种进动。进动可解释天文学家长期迷惑不解的岁差现象。一开始，法国科学家并不相信，最后在法王路易十五的赞同下，于1735年和1736年分别派遣测量队在赤道和北极附近测量，才证实了牛顿的预言是正确的。

2.1.4 牛顿运动定律的表述

牛顿第一定律(惯性定律)：任何物体，只要没有外力改变它的状态，便永远保持静止或匀速直线运动的状态。

牛顿第二定律：在受到外力作用时，物体所获得的加速度的大小与外力矢量和的大小成正比，并与物体的质量成反比，加速度的方向与外力矢量和的方向相同。用公式表示，则有

→ →

a = F / m

→ →

F = m a







即， 。

牛顿第三定律：两物体1和2相互作用时，作用力和反作用力大小相等，方向相反，在同一条直线上。用公式表示，则有

→ →

F12 =－ F21。

2.1.5 自然界中常见的力

(1)重力

星球施加于物体的万有引力与惯性离心力的合力，称为物体的重量(weight)，用W表示。或者说，物体在特定参考系中的重量，就是使该物体在此参考系中获得其加速度等于当地自由落体加速度时的力。在地面这个非惯性系中，实际测得的物体的重量，可称为物体所在地的重力(gravity)。

(2)弹性力

物体因形变而产生的恢复力，称为弹性力(elastic force)。一些弹性体(如弹簧等)在形变不超过一定的限度时，弹性力 与其偏离平衡位置的位移 成正比，方向总是指向平衡位置，即

F = -kx

称为胡克定律(Hooke law)。上式中的比例常量k称为弹性体的劲度系数或劲度(stiffness)，负号表示力与位移的方向相反。

(3)摩擦力

两个相互接触的物体作相对运动或有相对运动趋势时，在接触面上产生的阻碍它们相对运动的作用力，称为摩擦力(friction force)。两个相互接触的物体是否发生相对运动，可将摩擦力区分为静摩擦力(static friction force)和滑动摩擦力(sliding friction force)。

2.2 经典电磁学的建立

电学和磁学比力学和光学年轻得多。18世纪中叶以后，人们在已知同种电荷相斥、异种电荷相吸的基础上，对电荷之间的相互作用的规律开始了定量的研究。

2.2.1 电荷、电荷守恒定律

1、两种电荷

早在公元前585年人们就发现了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体的现象。后来发现许多物质(如玻璃、硬橡胶、金刚石、蓝宝石和明矾等)经过毛皮或丝绸等摩擦后，都能吸引轻小物体，于是人们就说它们带了电(electricity )，或者说它们有了电荷(electric charge)。

电相互作用比引力相互作用强得多，而且具有与引力相互作用根本不同的性质。电荷的基本属性之一是存在两种电荷，称为正电荷和负电荷。同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。而且，当异种电荷在一起时，它们的效应互相抵消。大多数宏观物体是由等量的正电荷和负电荷组成的，称为是电中性(electric neutrality)的。因此，通常两宏观物体之间的净的电相互作用接近于零，从而它们之间的引力相互作用才显示了出来。

从物质的微观结构来看，金属之所以导电，是因为组成金属的原子的最外层价电子，可以摆脱原子的束缚而在金属中自由运动，称为自由电子(free electron)；电解液之所以导电，是因为其内部存在许多可以作宏观运动的正、负离子。在绝缘体或电介质内部，由于电子所受到的原子核的束缚较紧，基本上没有自由电荷，所以几乎不导电。在半导体中，通常把导电的粒子称为载流子(carrier)，包括带负电的电子和带正电的空穴(hole)。n型半导体中的多数载流子是电子，p型半导体中的多数载流子是空穴。

2、电荷守恒定律

电荷守恒定律(1aw of conservation of charge)可表述为：在一个与外界没有电荷交换的系统内，正负电荷的代数和在任何物理过程中保持不变。

近代科学实验证明，电荷守恒定律不仅在一切宏观过程中成立，而且被一切微观过程(例如核反应和基本粒子过程)所普遍遵守。电荷是在一切相互作用下都守恒的一个守恒量，电荷守恒定律是物理学中普遍的基本定律之一。

3、电荷量子化

1906—1917年，密立根(R．A．Millikan，1868—1953)用液滴法测定了电子的电荷，他三次改进了实验方法，取得了上千次的测量数据。他首先从实验上证明了，微小粒子带电量的变化不是连续的，它只能是某个元电荷(elementary charge) e的整数倍，这就是说粒子的电荷是量子化的。迄今所知，电子是自然界存在的最小负电荷，质子是最小正电荷，它们与元电荷e的量值都相等，其1986年推荐值为

e=1.60217733×10-19C

其中C(库仑)是电量的单位。

2.2.2 库仑定律的建立

库仑定律是静电学中第一个定量的基本规律，它是由法国物理学家库仑在1785年建立起来的。而在此之前，德国柏林科学院院士埃皮努斯博士、英国科学家罗宾逊和卡文迪许等人就提出了“反平方定律”，即电荷之间的相互作用力与电荷间的距离平方成反比。后来，库仑通过他著名的“扭秤实验”，直接确立了电的排斥力的反平方定律；通过“电摆实验”，证实了带异号电荷的两小球间的吸引力也反比于两球中心间距离的平方的结论：


这就是库仑定律的数学表达方式。库仑定律的建立，使电磁学进入了定量的研究，从而使电磁学真正成为一门科学。

2.2.3 电场和电场强度

早期的电磁理论是超距作用理论，它认为相隔一定距离的两个物体之间所存在的相互作用，既不需要介质传递，也不需要传递时间。后来，法拉第在大量实验研究的基础上，提出了以近距作用观点为基础的力线和场的概念。现在，场的概念已经成为近代物理学中最重要的基本概念之一。凡是有电荷的地方，四周就存在着电场(electric field)，即任何电荷都在自己周围的空间激发电场。相对于观测者静止的电荷在其周围空间所产生的电场，称为静电场(electrostatic field)。

电场对处在其中的任何其它电荷都有作用力，称为电场力。为了使电场不致因测量而受到影响，我们选用带电量充分小且几何线度也充分小的试探电荷q，把它静止地放置在电场中，测量它在各处所受到的电场力F。利用库仑定律可以证明，对于电场中的任何一个固定点来说，比值F/q是一个无论大小和方向都与试探电荷无关的矢量，它反映了电场本身的性质，定义为电场强度(electric field strengh)，简称场强，用表示E，即E=F/q。

为了形象地描述电场分布，可以在电场中作出许多曲线，使这些曲线上每一点的切线方向与该点的场强方向一致，通常把这些曲线称为电场线(electric field line)或电力线(electric line of force)。静电场中的电场线具有如下的性质：1)电场线起始于正电荷(或无限远处)，终止于负电荷(或无限远处)，不会在没有电荷处中断；2)两条电场线不会相交；3)电场线不形成闭合曲线。

2.2.4 麦克斯韦尔电磁理论的建立

在电磁理论建立以前，电磁学已建立了四大定律，即库仑定律、高斯定律、法拉第定律和安培定律。法拉第等人虽然有高超的实验技巧和丰富的想象力，并提出了“力线”和“场”的物理思想，但由于数学能力不够，不能把研究成果概括为精确的定量理论。

麦克斯韦系统地总结了从库仑到安培和法拉第等人的电磁学说的全部成就，并在此基础上提出了有旋电场和位移电流的假说，他指出：不但变化的磁场可以产生(有旋)电场，而且变化的电场也可以产生磁场。在相对论出现之前，麦克斯韦就揭示了电场和磁场的内在联系，把电场和磁场统一为电磁场，并归纳出了电磁场的基本方程——麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论体系。l 862年，麦克斯韦从他建立的电磁理论出发，预言了电磁波的存在，并论证了光是一种电磁波。1888年，赫兹(H．R．Hertz，1857—1894)在实验上证实了麦克斯韦的这一预言。

本来麦克斯韦尔方程组是一个包括20个变量的由20个方程构成的方程组。到了1890年，德国物理学家赫兹又把这组方程写成最简单的、具有完美对称形式的4个方程：

1、
2、
3、
4、
即使在相对论和量子力学建立之后，麦克斯韦方程组实质上还是在原来的形式下被使用着，它们正确地描写了所有的电磁现象。然而，现代物理学对麦克斯韦方程组的解释发生了变化。运用量子场论的语言，我们可以说麦克斯韦方程组描写的是称为光子的电磁量子在空间的传播，而带电体之间的电磁相互作用也可以用交换光子这种方式来描述。

对麦克斯韦尔的功绩，爱因斯坦作了很高的评价，他在纪念麦克斯韦尔100周年的文集中写道：

“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦尔在电磁现象方面的工作所引起的”。“这样一次伟大的变革是同法拉第、麦克斯韦尔和赫兹的名字永远联在一起的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦尔。”

2.3 光学的发展

光学(optics)是一门发展较早的学科，早期只限于研究与眼睛和视觉有关的自然现象。正是因为眼睛接收了物体所发射、反射或散射的光(1ight)，我们才能看到客观世界中的各种景象。最初，人们从物体成象的研究中形成了光线(1ight ray)的概念，并以光的直线传播性质为基础，总结出了光在透明介质中的反射和折射的规律，逐步形成了几何光学(geometrical optics)。到17世纪，人们不但发明了望远镜和显微境，而且还提出了两种关于光的本性的学说：一是牛顿所提出的微粒说(corpuscular theory)，认为光是一股微粒流；另一是惠更斯(C．Huygens，1629—1695)所提出的波动说(undulatory theory)，认为光是机械振动在“以太”这种特殊介质中的传播。光的微粒说差不多统治了17和18两个世纪。

早在1666年，牛顿就研究了光的色散现象，用棱镜将太阳光分解为由红到紫的可见光谱。1800年赫歇尔(J．F．W．Hershel，1738—1822)发现，在可见光谱的红端以外，还有能够产生热效应的部分，称为红外线(infrared ray)。1802年里特(J．W．Ritter，1776—1810)和沃拉斯顿(W．H．Wollaston，1766—1828)发现，在可见光谱的紫端以外，还有能够产生化学效应的部分，称为紫外线(ultraviolet ray)。尽管红外线和紫外线都不能引起视觉，但可用一定的方法探测。广义而言，光也包括红外线和紫外线。

19世纪以来，随着实验技术水平的提高，光的干涉、衍射和偏振等实验结果表明，光具有波动性，并且光是横波，从而使光的波动说获得了普遍的承认。19世纪后半叶，麦克斯韦提出了电磁波理论，并为赫兹的实验所证实，这时人们才认识到光不是机械波，而是一定波段的电磁波，从而形成了以电磁波理论为基础的波动光学(wave optics)。19世纪末到20世纪初，光学已发展成为研究从微波直到X射线的宽广波段范围内的电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及与物质相互作用的学科。

然而，在光的电磁理论取得了巨大成功的同时，也遇到了严重的困难。1900年普朗克提出了辐射的量子论，1905年爱因斯坦提出了光量子论，在此基础上人们建立起了量子力学。建立在光的量子性基础上，深入到微观领域研究光与物质相互作用规律的分支学科，称为量子光学(quantum optics)。通常人们把波动光学和量子光学统称为物理光学(physical optics)。

1960年，梅曼(T．H．Maiman，1927—)研制成功了第一台红宝石激光器。此后，激光科学和技术得到了异常迅速的发展，从而形成了研究非线性光学、激光光谱学、信息光学、全息术、光纤通信、集成光学和统计光学等方面问题的现代光学(modern optics)，对当代生产和科学技术的发展正起着越来越大的作用。

2.3.1 光的波动说与微粒说之争

什幺是光?光的本性是什幺?它由什幺组成?每一位研究光学现象的物理学家都必然会涉及这些问题。从折射定律和色散现象的研究也可看出这一点。

笛卡儿主张波动说，他认为光本质上是一种压力，在完全弹性的、充满一切空间的媒质(以太)中传递，传递的速度无限大。但他却又用小球的运动来解释光的反射和折射。牛顿倾向于微粒说，认为光可能是微粒流，这些微粒从光源飞出，在真空或均匀媒质中作惯性运动，但他在研究牛顿环时，却认识到了光的周期性，使他把微粒说和以太振动的思想结合起来，对干涉条纹作出了自己的解释。可见，不论是笛卡儿还是牛顿，都没有对光的本性作出肯定的判断。

1、牛顿的微粒说

经典物理学的奠基者牛顿基本上是主张微粒说的。他根据光的直线传播性质，提出光是微粒流的理论。他认为这些微粒从光源飞出来，在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动；认为光线可能是由球形的物体所组成，并用这种观点解释了光的直线传播和光的反射、折射定律。

“牛顿环”现象是牛顿的一项重要发现。当他把一个平凸透镜放在一个双凸透镜上时，观察到一系列明暗相间的同心环。牛顿用他的微粒说解释了牛顿环现象。

2、惠更斯的波动说

大约与牛顿在英国强调微粒说的同时，荷兰物理学家惠更斯在欧洲大陆发展了“波动说”。惠更斯于1678年向法国科学院提交了《光论》这本着作，以批驳牛顿的微粒说，同时提出了他的波动说。他认为光是由发光体的微小粒子的振动在充满于宇宙空间的媒质“以太”中的一种传播过程，光的传播方式与声音的传播方式一样。

惠更斯认为光波是一纵波，这一波以非常大但又是有限的速度在以太中传播。惠更斯由此断言，新的波前在被光所触及的每个颗粒周围产生，并以半球形式散布开来；产生于单一的点的单一波前是无限微弱的，不产生光，但无限多的这种波前重迭的地方就产生了光。这就是惠更斯原理。

但是，惠更斯的波动说作为一种理论仍然是很粗略的。到了十九世纪初叶，一系列决定性的发现导致人们普遍接受波动理论。托马斯·杨和菲涅耳等人的实验和理论工作把光的波动理论大大地向前推进，解释了光的干涉、衍射现象，初步测定了光的波长，并根据光的偏振现象确定光是横波。波动说战胜了微粒说，波动理论在比较坚实的基础上建立起来。

2.3.2 折射定律的建立

折射现象发现得很早，折射定律却几经沧桑，经过漫长的岁月才得以确立。笛卡儿在他的名著《方法论》（也叫《屈光学》，1637年）中有一附录，他是这样解释折射现象的：

1、他用球的运动来阐述光的折射，而球的运动服从力学规律。可见，他采用的是微粒说。

2、他假设光在两种媒质中的速度不一样，把折射现象归因于光速不同。

3、他假设平行于媒质交界面的光速分量不变。由此可以推出折射定律。

但是笛卡儿的推导是基于媒质交界面两侧光速的平行分量相等的假设。为了使理论结果与实验数据相符，他必须假设密媒质光速比疏媒质大。笛卡儿的推导受到了他的同国人费马(Pierr Fermat，1601—1665)的批评。1 661年，费马把数学家赫里贡(Hergone)提出的数学方法用于折射问题，推出了折射定律，得到了正确的结论。

折射定律的确立是光学发展史中的一件大事。它的研究由于天文学的迫切要求而受到推动，因为天文观测总是会受大气折射的影响，后来又加上光学仪器制造的需要，所以到了17世纪，许多物理学家都致力于研究折射现象。一经建立起折射定律，几何光学理论很快得到了发展。

2.3.3 光谱的研究

当时的物理学家往往习惯于用力学系统来处理问题，摆脱不了传统观念的束缚，也许正是由于这个原因，在光谱规律的研究上首先打开突破口的不是物理学家，而是瑞士的一位中学数学教师巴耳末(Johann Jakob Balmer，1825—1898)。他受到巴塞尔大学一位对光谱很有研究的物理教授哈根拜希(E．Hagenbach)的鼓励，试图寻找氢光谱的规律。巴耳末擅长投影几何，写过这方面的教科书，对建筑结构、透视图形、几何素描有浓厚兴趣。他在这方面的特长使他有可能取得物理学家没有想到的结果。1884年6月 25日巴耳末在瑞士的巴塞尔市向全国科学协会报告了自己发现的氢原子光谱规律（即巴耳末公式），次年发表了论文。巴耳末公式打开了光谱奥秘的大门，找到了译解原子“密码”的依据，此后光谱规律陆续总结出来，原子光谱逐渐形成了—门系统的学科。

瑞典物理学家里德伯(Johannes Robert Rydberg，1854—1919)则是沿另外一条途径找到光谱规律的。1890年他发表了元素光谱的普遍公式。为了研究元素的周期性，他收集和整理了大量的光谱资料，其中锂、钠、钾和镁、锌、铝、汞、铅等元素的谱线波长数据，对他总结光谱公式提供了重要依据，然而关键的启示是已有—些物理学家在他之前用波长的倒数代替波长来表示谱线。里德伯的工作在巴耳末之后，但他并不知道巴耳末公式。直到1890年，当他获知巴耳末公式并且将巴耳末公式用波数表示，发现这正是自己所得公式的—个特例，这才对自己的工作有了更充分的把握。

2.3.4 非线性光学

在各向同性的介质中，极化强度P与电场强度E的方向相同，它们的数值之间的普遍关系可以写成


式中的 ， 是通常所说的极化率，而 和 则分别是二阶和三阶极化系数，它们都是与电场强度E无关的常量，由介质的性质决定。一般来说，在这些系数中，相继的后一个系数要比前一个系数小得多。如果用 表示原子内部的平均电场强度，它大约等于 V/m，则理论表明，上式中相邻两项的比值为

。

普通光源发出的光的电场强度E要比 小几个数量级，因此前一式中的非线性项可以忽略，这时光场在介质中感生的极化强度与外界电场强度成正比，即 ，这就是通常的线性光学所讨论的情况。激光出现之后，它的极高的光功率密度对应着很大的电场强度，例如用一个透镜将红宝石激光器发出的200MW光脉冲集中到直径为25 m的圆面上，在这个区域内的电场强度约为 V/m。因此，激光光场可以与原子内部的平均电场相比拟，这时前一式中的非线性项就不能忽略了。

非线性极化系数比较大的介质，称为非线性介质。当强的相干光在非线性介质中传播时，可以观察到各种非线性光学现象。一般而言，可以将非线性光学现象分为两大类：一类是强光与被动介质相互作用的非线性光学现象，如光学整流、光学倍频、光学混频和光自聚焦等；另一类是强光与激活介质相互作用的非线性光学现象，如受激拉曼散射和受激布里渊散射等。所谓被动介质，是指这种介质在与强光相互作用时，它自身的特征频率并不明显起作用；所谓激活介质，是指这种介质在与强光相互作用时，它能以其特征频率影响与之相互作用的光波。

2.4 热力学与统计物理学的建立与发展

热力学与统计物理研究的主要内容是物体的热运动。我们将大量微观粒子的随机运动称为热运动，研究热运动的规律和热运动对物质宏观性质的影响。所研究的对象是大量微观粒子组成的有限的宏观物体，即认为宏观物体是由大量的原子或分子组成的。从这样的前提出发研究物质的性质和运动规律。

研究热运动有两种方法：热力学方法和统计物理方法。

2.4.1 热力学的基本规律

热力学是讨论热运动的宏观理论。其研究方法的特点是，不考虑物质的微观结构，从大量的实践和实验总结出来的基本规律出发，演绎推导出宏观物理量之间的关系及其变化规律。热力学将所研究的对象用一组参量来描述其状态。发展至今总结出的经验规律如下：

1、热力学第零定律：两个物体同时与第三个物体达到热平衡，这两个物体也处于热平衡。

2、热力学第一定律：能量守恒。热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须满足的能量守恒定律，对过程进行的方向并没有给出任何限制。然而，在自然界中，任何宏观自发过程都是具有方向性的。自发过程(spontaneous process)是指在不受外来干预的条件下所进行的过程。在热力学中，所谓过程的方向，总是指自发过程的方向。因为一旦加上了外来的干预，任何过程的方向问题就变得毫无意义了。

3、热力学第二定律：孤立系统的熵不可能减少（熵是个态函数，其定义式为： 。式中 分别是热量的微分和绝对温度；绝对温度和摄氏温度的关系为： （K），这里273.15K为水的冰点的绝对温度）。热力学第二定律的实质在于它指出了，自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。热力学第二定律所揭示的这一客观规律，向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。

4、热力学第三定律：绝对零度不可能达到。1906年，能斯特(W．H．Nernst，1864—1941)在研究低温下各种化学反应的性质时，总结大量实验资料得出了一个普遍规则，即凝聚系统的熵在等温过程中的改变，随着绝对温度的趋近于零而趋于零，可表为

，

此式称为能斯特定理，一般情况下可作为热力学第三定律的一种表述。普遍而言，热力学第三定律可以用绝对零度不能达到原理来表述，即不可能施行有限的过程把一个物体冷却到绝对零度。

热力学就是从这些基本定律出发应用数学方法、逻辑演绎导出描写宏观物体性质的参量之间的关系、运动过程的方向和限度等的结论。

2.4.2 统计物理学

统计物理学是热运动的微观理论。物体是由大量的原子或分子组成的。这些粒子的任何一种排布都是该物体的一种状态。一个孤立的平衡态系统，出现任何一种微观状态的几率相等，称为等几率原理。统计物理学就是从这一基本原理出发，对所研究的系统给出简化模型，通过统计学方法，进行逻辑演绎和理论计算，导出大量微观粒子组成的物体的热运动规律。

如果粒子遵从经典力学的运动规律，对粒子运动状态的描述称为经典描述；如果粒子遵从量子力学的运动规律，对粒子运动状态的描述称为量子描述。

统计物理不追求个别粒子的运动细节，而是研究集体行为表现的规律——统计规律性。量子统计和经典统计的主要区别在于对微观运动状态的描述上，而在统计原理上是相同的。经典统计认为微观粒子是可区分的，而量子统计认为微观粒子是全同的。

1、Boltzmann统计理论

在Boltzmann统计理论中，认为粒子是可区别的，而且遵从经典力学的规

律；N个粒子放在可区别的M个格子中的微观状态数为


这里认为调换不同格子里的粒子产生不同的微观状态。

2、Bose统计理论

在Bose统计理论中，认为粒子是不可区分的、全同的，每个量子态能容纳的粒子数不受限制。自旋量子数为整数（包括0）的粒子遵从Bose统计，这类粒子组成的全同粒子体系的波函数是对称的，因而这类粒子称为Bose子。

3、Fermi统计理论

在Fermi统计理论中，认为粒子是不可区分的、全同的，系统的粒子存在相关性，放在一个量子态上只能有一个粒子，遵从Pauli不兼容原理。自旋量子数为半整数的粒子遵从Fermi统计，这类粒子组成的全同粒子体系的波函数是反对称的，因而这类粒子称为Fermi子。

2.4.3 热力学与统计物理学的关系

1、热力学总结出来的经验定律根本不考虑物质的微观结构。所以有高度的普遍性，适用于一切物质；所研究的系统是一个连续体，用连续函数来描写；只讨论宏观量之间的关系，不深入讨论现象的本质。热力学主要研究平衡态和可逆过程；对于非平衡态和不可逆过程只给出定性的和方向性的估价。热力学不能解决涨落问题。

2、统计物理学是从物质的微观结构出发，对微观量求统计平均值。这个统计平均值就是热力学的宏观物理量。所以，统计物理方法建立了物体的微观状态和宏观状态之间的关系，讨论了宏观量的本质，解释了涨落现象和从非平衡态到平衡态的不可逆过程。

当粒子数很大时，涨落很小，热力学和统计物理学的结果是一致的。但当系统的尺寸很小，粒子数较少时，涨落现象显着，或在相变临界点附近，热力学理论将不适用。所以，统计物理学是理论更严格、更抽象，适用范围更广泛的学科。

既不要怀疑热力学的可靠性，它已经历了200多年的科学检验，很多热力学参量是可以直接测量的；也不要迷信统计物理学的万能性，因为从微观统计计算宏观特性常常遇到很大的困难。

2.4.4 系综理论

设想同时考虑大数目的类似系统，每个系统包含有相同的粒子数，它们都处于同样的外界条件下，但微观状态一般不同，这些系统各自是独立的。这种类似系统的集合称为系综。

系综是统计理论的一种表达式，它不是实际物体；实际物体是组成系综的单元。常见的系综有三种：微正则系综、正则系综和巨正则系综。

2.4.5 涨落理论

平衡态统计理论指出，宏观物理量是相应微观量的统计平均值。求统计平均值的方法是通过不同的统计法找出分布函数，然后通过它求统计平均值，原则上可以解决各种热力学问题。

在任一瞬间，体系的宏观量的数值不等于它的平均值，每次观测的可能值与平均值的偏差，称为围绕平均值的涨落。

原则上涨落现象可以分为两大类：一是围绕平均值的涨落，这是由于物质结构的粒子性决定的，热力学量相应于微观量的统计平均值。另一是Brown运动，即粒子在气体或液体受周围分子碰撞而产生不规则的运动。



第三节 现代物理学

现代物理学虽然是以量子论和相对论的建立为标志，但它的序幕却是由世纪之交一系列重大发现所揭示的。

19世纪末期，经典物理学理论在当时看来已发展到相当完善的阶段。那时，一般的物理现象都可以从相应的理论中得到说明：

1、物体的机械运动，在 时，准确地遵循牛顿力学的规律；

2、电磁现象的规律被总结为麦克斯韦尔方程；

3、光的现象有光的波动理论，最后也归结到麦克斯韦尔方程；

4、热现象理论有完整的热力学以及Boltzmann、Gibbs等人建立的统计物理学。

在这种情况下，当时有许多人认为物理现象的基本规律已完全被揭露，剩下的工作只是把这些基本规律应用到各种具体问题上，进行一些计算而已。

就在经典物理学理论取得上述重大成就的同时，人们发现了一些新的物理现象，例如黑体辐射、康普顿效应、光电效应、原子的光谱线系以及固体在低温下的比热等等，都是经典物理理论所无法解释的。

为了解释黑体辐射的问题，1900年Planck假定，黑体以 为能量单位不连续地发射和吸收频率为 的辐射，而不是向经典理论所要求的那样可以连续地发射和吸收辐射能量。 是Planck常数，它的数值是 焦耳·秒。

为了解释光电效应，Eienstein假设，电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量为 的微粒形式出现，而且以这种形式以光速在空间中运动。这种粒子叫做光量子或光子。这样，Eienstein成功地解释了光电效应。

Planck和Eienstein的理论揭示出光的微粒性，但这并不否定光的波动性，因为光的波动理论早已被干涉、衍射等现象所完全证实。这样，光就具有微粒和波动的双重性质，这种性质称为波粒二象性。

为了解释原子的光谱线系，1913年Bohr提出了三条假设：

5、电子在原子中不可能沿着经典理论所允许的每一个轨道运动，而只能沿着其中一组特殊的轨道运动。Bohr假设沿这一组特殊轨道运动的电子处于稳定状态（简称定态）。当电子保持在这种状态时，它们不吸收也不发出辐射。

6、当电子从一个定态轨道跃迁到另一定态轨道时，才产生辐射的吸收或发射现象。电子从能量为 的定态跃迁到能量为 的定态时所吸收或发射的辐射频率 ，满足下列关系：

。

7、对原子的任一定态，每一电子绕其轨道中心的角动量 必须是 的

整数倍，即

，

这就是Bohr的量子化条件。后来，Sommerfield将Bohr的量子化条件推广为

。

Bohr的理论虽然能很好地解释氢原子的光谱线系，但不能解释氦原子的光谱线系。直到1924年，de Broglie在光的波粒二象性的启发下，大胆地假设微观粒子也具有波粒二象性，这样一个较完整的描述微观粒子运动规律的理论——量子力学才逐步建立起来。

3.1 量子力学

3.1.1 量子力学的建立和发展

1、海森伯矩阵力学的提出

量子力学是在1923—1927年这段时间里建立起来的，当时两个彼此等价的理论——矩阵力学和波动力学几乎同时被提出。

1925年，海森伯(W．K．Heisenberg，1901—1976)在玻思(M．Born，1882—1970)和他的学生乔丹(E．P．Jordan，1902—1980)的帮助下，创立了矩阵力学(matrix mechanics)。他们从物理上的可观察量(observable)出发，赋予每一个物理量以一个矩阵。于是，用矩阵所表示的量子力学中的物理量之间的代数运算规则与经典物理量不同，两个量的乘积一般不满足交换律。量子体系的有经典力学量对应的各力学量之间的关系，用矩阵方程或算符方程来表示，它们在形式上与经典力学相似，但运算规则不同。

矩阵力学成功地解决了谐振子、转子和氢原子的离散能级、光谱线频率和强度等问题，引起了物理学界的普遍重视。但是，当时的物理学家对于矩阵代数很陌生，接受矩阵力学并不容易。

2、薛定谔波动力学的提出

在普朗克和爱因斯坦的光量子论以及玻尔的原子论的启发下，德布罗意

(L．de Broglie 1892—1987)仔细分析了光的微粒说和波动说的发展历史，并注意到几何光学与经典粒子力学的相似性，根据类比的方法，于1923年提出了微观粒子具有波粒二象性(wave-particle dualism)的假设：实物粒子也可能具有波动性，即和光一样，也具有波动—粒子两重性；与一定能量E和动量P的物质粒子相联系的波的频率和波长分别为：

，
此式称为德布罗意关系(de Broglie relation)。

1927年，戴维孙(C．J．Davisson，1881—1958)和革末(L．H．Germer，1896—1971)用实验直接证实了物质粒子的波动性。他们用一束具有一定能量和动量的电子射向金属镍单晶的表面，观测到了电子衍射现象，并证实了德布罗意关系式λ=h/p是正确的。后来，大量的事实表明，不仅是电子，而且质子、中子和原子等都具有波动性。物质粒子的波动性是普遍的。

薛定谔进一步推广了德布罗意波的概念，于1926年提出了波动力学(wave mechanics)。他建立了一个量子体系的物质波的运动方程，这是一个二阶偏微分方程，很容易为人们所接受。在薛定谔的波动力学中，离散能级的问题表现为在一定的边条件下解微分方程的本征值问题。与矩阵力学一样，薛定谔用他的波动方程成功地解决了氢原子光谱等一系列重大问题。薛定谔随后还证明了，波动力学与矩阵力学是完全等价的，是同一种力学规律的两种不同的表述，而且它们都属于非相对论性的量子力学。

3、量子理论的发展

量子力学提出后，许多悬而末决的问题很快就得到了解决，令人心悦诚服。但为了弄清这个理论的含义，却爆发了一场激烈的争论。量子力学的诠释及其内部的自洽，是在1926年玻思对波函数的统计诠释提出后才得以基本解决的。1928年，狄拉克提出了电子的相对论运动方程——狄拉克方程(Dirac equation)，奠定了相对论性量子力学的基础。狄拉克把量子论与相对论结合起来，很自然地解释了电子自旋和内禀磁矩的存在。

为了研究粒子和场之间的相互作用和相互转化的量子规律，量子场论(quantum field theory)在量子力学的基础上发展了起来。早先，人们认为粒子是物质存在的基本形式，“场”的概念(例如电磁场)是为了描述粒子之间的相互作用而引进的。随着科学技术的发展，人们逐渐发现，电磁场和粒子一样，具有能量和动量，甚至电磁波也具有不连续的微观结构——光子。这就是说，电磁场和粒子一样，也是客观存在的物质。到这时，粒子和场被认为是物质存在的两种基本形式。由于人们最早认识的场是电磁场，其量子(光子)总是以光速运动的，因此量子场论首先是在相对论性领域里发展起来的。

随着粒子物理学的发展，人们认识到，粒子的运动性质具有以下三个特点：

1)所有的粒子都是微观尺度的客体，都具有量子性；

2)粒子运动时，速度的变化常达到可以和光速相比拟的量级，相应的能量变化常达到相当于甚至远大于粒子静能的量级，运动是相对论性的；

3)粒子运动时，常表现出粒子之间的相互转化，粒子数目是可变的，反映出自由度数是可变的。

因此，粒子物理学中所研究的物理规律必然是既能反映微观粒子的量子性，又能反映高速运动的相对论性，还能体现粒子可以产生或湮没的过程。量子性和相对论性要求对粒子运动规律的理论描述必须建立在量子力学和相对论的基础上；自由度数可变要求理论描述应该以具有无穷多自由度的系统，即“场”的理论为基础。同时能够体现上述三方面特点的是相对论性量子场论。

1927年，狄拉克首先提出，将电磁场作为一个具有无穷维自由度的系统进行量子化。1928年，乔丹和维格纳提出了所谓二次量子化(second quantization)的描述方式。于是，用来描述单个电子运动的波函数可看作电子场并实现其量子化，描述电子场和电磁场相互作用的量子场论——量子电动力学应运而生。1929年，海森伯和泡利建立了量子场论的普遍形式。

量子场论给出了一个新的基本物理图象：

1)每种粒子对应一种场，场没有不可入性，对应各种不同粒子的场在空间中互相重迭地充满全空间。

2)场的能量最低状态称为基态(ground state)，场的其它能量状态称为激发态(excitation state)。场的激发态表现为出现相应的粒子，场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态不同。因此，在场和粒子之间，场是更基本的，粒子只是场处于激发态时的表现。

3)一般来说，场和场的激发都用复量(complex quantity)描写，互为复共轭的两种激发状态表现为粒子和反粒子互换的两种物理状态。例如，电子场的一种激发态表现为一个电子，与之成复共扼的激发态表现为一个能量和动量相同的正电子。如果某场和场的激发用实量描写，则其复共轭就是它自身，粒子就是它自身的反粒子。

4)所有的场都处于基态时为物理真空(physical vacuum)。因此，真空并不是“真”的“空”无一物，真空态时全空间充满各种场，只是由于所有场都处于能量最低状态，从而不可能表现出任何释放出能量而给出信号的物理效应。

按照量子场论，相互作用存在于场之间，无论是处于基态还是处于激发态的场，都同样地与其它场相互作用；粒子之间的相互作用来自它们所对应的场之间的相互作用，场之间的相互作用是粒子转化的原因。

然而，在利用量子场论计算任何物理过程时，尽管用微扰论最低级近似计算的结果与实验近似符合，但进一步计算高级修正时却都得到了无穷大的结果。这就是量子场论中的发散困难，它来源于粒子的点模型。目前所采用的解决办法是，直接用电荷和质量的实验值来分别代表发散的电荷和质量，这种办法叫做重正化(renormalization)。

在量子场论不断发展的同时，从20世纪50年代后期，开始了另外两个方向的重要发展：一是把量子场论方法用于研究非相对论多粒子系统，一是基于粒子物理学发展的需要，建立了规范场论(gauge field theory)。量子场论作为微观现象的物理学基本理论，现已广泛应用于近代物理学的各个分支。

3.1.2 波函数和薛定谔方程

在量子力学中，我们通常是用波函数来描述粒子的状态。为了说明“波”和它所描写的“粒子”之间的关系，1926年6月，德国物理学家Born在题为《碰撞现象的量子力学》的论文中，首先提出了波函数的统计解释：波函数在空间中某一点的强度（振幅绝对值的平方）和在该点找到粒子的几率成正比。按照这种解释，描写粒子的波又称为几率波。1954年，Born“由于他的基础研究，特别是由于他对波函数的统计解释”而获得Nobel奖。

量子力学中这种描写状态的方式和经典力学中描写质点状态的方式完全不一样：在经典力学中，通常是用质点的坐标和动量（或速度）的值来描写质点的状态，而且坐标和动量（或速度）能同时具有确定值。但是，在量子力学中，只能用波函数来描写粒子的状态，不可能同时用粒子坐标和动量的确定值来描写粒子的量子状态，因为粒子具有波粒二象性，粒子的坐标和动量不可能同时具有确定值（这就是量子力学中著名的“测不准关系”）。

一般来说，如果波函数 描写体系的可能状态，那幺，它们的线性迭加

（ 是任意的复数）

也描写这个体系的一个可能状态，这就是量子力学中的态迭加原理。

在量子力学中，既然我们是用波函数来描写微观粒子的状态，那幺决定粒子状态变化的方程就不再是牛顿运动方程，而是薛定谔方程。薛定谔方程的一般形式为：


它描写了在势场 中粒子状态 随时间的变化。当势场 不显含时间时，该方程可以用分离变量法来求解，即令 ，将此式代入上述方程可得波函数 所满足的定态薛定谔方程


这个方程看起来很简单，但是除了极少数情况（比如一维无限深势阱、线性谐振子、氢原子系统等）以外，该方程都不能得到解析解，只能寻找近似方法来得到数值解。

3.1.3 薛定谔方程应用举例(线性谐振子)

一个作简谐振动的粒子所受的力是与它的位移 成正比而方向相反的，即 。它的势能函数为


式中 是谐振子的固有圆频率， 是振子的质量， 是振子离开其平衡位置的位移。一维线性谐振子的定态薛定谔方程为


根据波函数 应满足单值性、连续性和有限性等物理条件，求解上述定态薛定谔方程，得到线性谐振子的总能量为

（ ）

这说明，谐振子的能量只能取分立的值，是量子化的。由此式可看出，谐振子的最低能量是 。而在经典力学中，一个谐振子的最小能量应该是零，相当于谐振子静止的情形。量子力学给出谐振子的最低能量不是零，这意味着微观粒子不可能完全静止，这是波粒二象性的表现。

谐振子模型可用于研究固体中的原子振动、分子振动和由于原子振动引起的固体的声学的和热学的性质，包含核的取向振动的固体的磁性质和量子电动力学中正在振动的电磁波，一般来说简谐振动几乎能够用于描述围绕一个稳定平衡点进行小振动的任何实体。

3.1.4 电子的自旋

1925年1月，泡利发表了不兼容原理，指出原子中每一个电子要用四个量子数来表征。为了说明泡利提出的第四个量子数所对应的第四个自由度的物理意义，同年10月，两位年轻的荷兰物理学家乌伦贝克（Uhlenbeck）和哥德斯密特（Goudsmit）提出了电子自旋的假设。这不仅克服了泡利理论遇到的困难，而且使长期令人困惑不解的光谱线精细结构、反常塞曼效应和斯特恩-盖拉赫实验得到了解释和说明。

乌伦贝克（Uhlenbeck）和哥德斯密特（Goudsmit）最初提出的电子自旋概念，是把电子看成一个带电的小球，他们认为，与地球绕太阳的运动相似，电子一方面绕原子核运转（相应有轨道角动量），一方面又绕本身轴线自转，具有自旋角动量 ，以及相应的自旋磁矩 。斯特恩-盖拉赫银原子射线实验所测得的磁矩正是这自旋磁矩。自旋磁矩 与自旋角动量 成正比：


应该指出的是，把电子自旋看成是小球绕本身轴线的转动是不正确的。电子具有自旋和自旋磁矩是电子本身所固有的基本性质。它们的存在，标志电子还有一个新的自由度。无数实验表明，自旋和自旋磁矩是标志各种粒子（电子、质子、中子等）的很重要的物理量。自旋是没有经典对应的物理量。

根据粒子的自旋状态，可以将粒子分成两大类，自旋量子数为半整数（即1/2，3/2，5/2等等）的粒子称为费米子。质子和中子的自旋量子数与电子一样，都是1/2，所以它们都是费米子。自旋量子数为整数（即0，1，2等等）的粒子称为玻色子。光子的自旋为1，所以它是玻色子。

总结起来，关于原子中电子的运动状态应由下列四个量子数来确定：

⑴主量子数 ： 。它大体上决定了原子中电子的能量。

⑵角量子数 ： 。它决定了电子绕核运动的角动量的大小。一般来说，处于同一主量子数而不同角量子数的状态中的各个电子，其能量也稍有不同。

⑶磁量子数 ： 。它决定了电子绕核运动的角动量矢量在外磁场中的指向。

⑷自旋磁量子数 ： 。它决定了电子自旋角动量矢量在外磁场中的指向。它也影响原子在外磁场中的能量。

3.2 相对论理论的建立

相对论是关于时间、空间及其与物质、运动相联系的物理学说。相对论包括狭义相对论和广义相对论两部分，它的建立是二十世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学、哲学的发展产生了深远的影响。

3.2.1 相对论产生的历史背景（绝对时空观的困难）

人类对时空的认识，随着自然科学的发展，是不断变化的。伽利略、牛顿以前，在欧洲占统治地位的是亚里士多德的时空观。在亚里士多德看来，空间的概念似乎是和物体的位置不可分离的，而物体位置的分布又存在某种最优状态，这又导致了空间非均匀性思想的萌芽；关于时间概念，亚里士多德把它和运动联系起来，认为时间是描述运动的数。

牛顿对时间、空间的认识基本上继承了亚里士多德的观点，在他看来，空间象一个大容器，它为物体的运动提供了一个场所，物体放进去也好，取出来也好，这个空间本身并不会发生什幺变化，这种空间称为绝对空间；而时间象川流不息的河流，有事件发生也好，无事件发生也好，这条河流总是不断地、均匀地、不变地流逝着，这种时间称为绝对时间。这就是牛顿的绝对时空观。

牛顿之所以引入绝对空间和绝对时间概念，为的是找到一个使惯性定律及其它力学定律能够成立的参考系。牛顿的绝对时空观，无论是从直观角度来说，还是从牛顿力学运动规律的表述的要求来说，似乎都是必然的结果。但仔细进行逻辑推敲与哲学思考，就会引起人们的不安与怀疑。因为，相对性原理是不承认绝对静止的，因此，也就不存在绝对的参考系。其次，如果真的存在着相对于绝对空间的绝对运动，那幺，这种绝对运动如何测定呢？

1883年，马赫出版了《力学史评》一书，书中马赫从一切事物都是相互联系、相互依赖这一前提出发，指责绝对空间、绝对时间无法根据对物体的运动作比较来量度，无法与经验观测相联系。这些思想后来在爱因斯坦创建相对论时起到了启发作用。

3.2.2 狭义相对论的诞生

爱因斯坦在创建狭义相对论的过程中经历了以下几个思考过程：

首先是关于“以太”的思考。爱因斯坦说，“我最早考虑这个问题时，并不怀疑以太的存在，即不怀疑地球穿过以太运动。”但是，当“我知道迈克尔逊的零结果是事实，那幺地球相对以太运动的想法就是错的。这也是引导我走向狭义相对论的最早想法。”

第二是关于光速的思考。据爱因斯坦回忆，他从16岁（1895年）起就开始思考这样一个问题：“如果我以光速追随光波将会看到什幺？”直到1904年，爱因斯坦阅读了洛伦兹1859年的论着，并从中引出了光速不变的概念。

第三是关于时间概念的思考。既然存在光速不变和速度加法定则，这两者之间是矛盾的。直到1905年，爱因斯坦才解决了这一问题。爱因斯坦说：“我的解决办法是，分析时间这个概念。时间不能绝对定义，时间和速度之间有不可分割的联系。使用这个新概念，我解决了这一矛盾。”接着，他用了五个星期完成了狭义相对论。

狭义相对论的两条基本公设：1、物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。2、任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度运动着，不管这道光线是从静止的还是从运动的物体发射出来的。

爱因斯坦从他的两个基本公设出发，推导出了联系两个惯性坐标系 和 中时空坐标之间的方程组：



这就是著名的“洛伦兹变换”。爱因斯坦用这组变换式还导出了运动刚体“长度收缩”、运动时钟“时间延缓”效应和新的速度合成公式。

1907年，爱因斯坦假定物体的质量和能量是完全相当的概念，得到能量等于质量乘以光速的平方的关系，即


这就是著名的“质能关系式”，质能关系式的发现是狭义相对论最重要的成果之一。

3.2.3 广义相对论的建立

狭义相对论建立之后，爱因斯坦的科学创造步伐并没有停止下来，接着，他就开始了新的理论构想。

爱因斯坦说：“狭义相对论最使人不满意之处是，虽然它能给出质量与能量之间的关系，但不能清楚地解释质量与重量（或引力场的能量）之间的关系。我感到这个问题不可能在狭义相对论的框架内解决。”为此，爱因斯坦进行了长期的研究，使这一问题得到解决，导致了广义相对论的建立。

在此过程中，爱因斯坦始终抓住“在引力场中一切物体都具有同一加速度”这样一个平凡而古老的实验事实。自伽利略以来，物理学家都知道这个性质，但没有人对此作进一步的深究。1907年，爱因斯坦在这一方面跨出了重要的一步，在《关于相对论原理和由此得出的结论》一文中，根据“一切物体在引力场中都被同样地加速”这样一个事实，首次提出了等效原理的假设，即“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价”。在上述同一篇文章中，他还把狭义相对性原理作了相应的推广，指出“迄今为止，我们只把相对性原理，即认为自然规律同参照系的状态无关这一假设应用于非加速参照系。是否可以设想，相对性运动原理对于相互作加速运动的参照系也仍然成立？”这就是广义相对性原理。

广义相对性原理及等效原理的提出，奠定了广义相对论的思想基础，但离广义相对论理论体系的建立仍有很大的距离。“其主要原因在于，要使人们从坐标必须具有直接度规意义这一观念中解放出来，可不是那幺容易的。”所谓坐标必须具有直接度规意义，指的是坐标差等于可量度的长度或时间。这是奠基在欧氏几何基础上的物理学从古以来的传统观念。为此，爱因斯坦在1912年建立起“柔性度规”的概念，并明确了这种“柔性度规”是依赖于引力场的。1915年，爱因斯坦在《引力的场方程》一文中，提出了引力方程的完整形式：

。

1916年，爱因斯坦发表了《广义相对论的基础》一文，对于广义相对论的研究作了全面总结，并给出了谱线位移、光线弯曲、行星轨道近日点运动的理论预言，所有这些都被日后的实验证实。从此爱因斯坦所创立的广义相对论才逐渐被人们所认识和承认。

3.3 原子核与基本粒子的研究

原子核物理和粒子物理是20世纪创建的重要物理学分支。原子核物理是

研究原子核的性质、结构和运动变化的规律的学科；粒子物理是研究基本粒子的性质、运动和相互作用、相互转换的规律及其内部结构的学科。

3.3.1 原子核的组成

1911年卢瑟福根据 粒子的散射实验提出了原子的有核模型。他指出原子

的全部正电荷和它的几乎全部质量集中在一个体积很小的中心，这个中心的半径约为10-12～10-13cm。但当时他并没有能够立刻判定，这个核究竟是一个正的荷电粒子呢，还是一个包含几个正电荷的系统。1919年，卢瑟福用强 射线源去照射氮，结果发现产生出射程较长而质量较小的微粒，并被证明为氢原子核，同时还发现氮原子嬗变成了氧原子，这是第一次实现的人工原子嬗变。根据这一事实，卢瑟福把原子核模型修改为，原子核是由质子和电子组成的，这种看法得到物理学家的公认。

1930年，德国物理学家玻特在用 射线轰击铍靶时，观察到一种穿透本领比最硬的 射线还大的射线，当时把它称为铍辐射。后来，查德威克敏锐地意识到，铍辐射决不是 辐射，而是卢瑟福和他寻找了多年的那种中性粒子。正是用这种思想指导，查德威克通过一系列的实验研究，证明当 粒子打在铍核上时，产生了一种质量与质子差不多的、中性的新粒子，这就是被当作铍辐射的中子。

中子发现之初，由于中子的自旋和质量未经精确测定，所以对中子是复合粒子还是基本粒子，以及原子核是由哪些组分构成等问题，继续争论不休。一方面，卢瑟福和查德威克坚持中子是由质子和电子结合而成的复合粒子。另一方面，前苏联物理学家伊万宁柯于1932年4月向《自然》杂志提交一份极短的评论，提出“电子不可能以独立的粒子存在于核中，核仅仅由质子和中子组成。”

1933年5月，实验测得氢的同位素氘核的自旋值为1。1934年3月，进一步的实验确认了这一结论之后，才确定中子的自旋是1/2或者3/2的半整数，并于1937年最后确定为1/2。1934年8月，查德威克通过氘核的光致分裂过程进行精确的测量，其结果是，中子的质量不仅大于质子，而且大于质子和电子质量之和。由于这两方面的进展，终于否定了中子是复合粒子的可能性，普遍承认它是一种“基本粒子”。现在知道，中子、质子并不是物质结构的终结，在它们之下还会有物质结构更深入的层次。

3.3.2 核力

原子核是由中子和质子组成的，它们之间必须有某种力的作用才可能结合在一起。这种力不是我们已知的万有引力和电磁力。容易估计，万有引力在原子核内可以完全忽略，而电磁力对核内的质子只能起排斥作用。因此，在核子之间必然有一种新的、很强的吸引力存在，才能克服质子之间的静电斥力，使中子和质子紧密地结合在一起，形成密度高达1014g/cm3的原子核。这种新的作用力就是核力。

1、核力是强相互作用。质子间的库仑斥力反比于距离的平方，在核内质子之间的距离很短，但质子竟然不顾库仑斥力的作用而紧密结合，这就充分说明核力的强大。有一个简单计算的例子可以给我们一点感性认识。地球上最重的天然原子核是铀核，铀核里有92个质子聚集在10-15m这样一个直径的空间中，两个质子在这样一个距离的库仑排斥力很容易算出大约是245N，在铀核边缘一个质子会受到其它91个质子的排斥力，虽然这些质子对它的排斥力的方向不完全相同，但联合的力估计在9800N上下！可是这些质子并没有飞散，原子核还稳定地结合着，这正是由于原子核间核力的强大吸引作用。从体现力的强度的实验数据得知，核力的强大大约高出电磁力两个数量级。

2、核力是短程力。原子核的体积与质量数（即核子数）成正比，结合能也近似地与核子数成正比。这些事实说明核子间的力是短程的强力。

3、核力具有饱和性。核力的饱和性是指原子核中，一个核子只和有限数目的核子有核力作用，核力饱和以后，即使附近还有其它的核子，它们之间也没有核力作用。这和化学键类似，例如水分子(H2O)中，一个氧原子只能和两个氢原子结合，如果再加入一个氢原子，氧原子始终不会和它发生作用。

4、核力与电荷的无关性。核子之间的核力作用和它们是否带电无关，只要两个核子状态一定，核力作用就完全确定了，不论它们是质子与质子之间的核力，中子与中子之间的核力，还是质子与中子之间的核力，都相等。

5、核子在极短程内存在斥力。核子不能无限靠近，它们之间除引力外还一定存在斥力。核子通过强力彼此强烈地吸引而束缚在一起。不过一旦它们彼此太靠近时，这种强力立即表现为斥力，阻止它们进一步靠近。

3.3.3 核力的介子理论

1935年日本物理学家汤川秀树提出核力的介子理论，用于解释强相互作用。他把核力和电磁力类比，认为正像带电粒子间的力是通过电磁场起作用一样，核子之间的力也是通过一种场起作用；电磁场的量子是光子，这种场的量子是一种具有静止质量的新粒子。由于这种新粒子的质量介于质子质量和电子质量之间，故被命名为介子。

当汤川秀树提出他的介子理论时，人们并没有发现过这种粒子，于是实验物理学家开始寻找介子。1936-1937年期间，美国物理学家安德森在对宇宙射线的研究中发现了质量约为200倍电子质量的粒子，这不由得使人联想到，这些粒子大概就是汤川秀树所预言的介子。后来，物理学家康维尔西对具有中间质量的宇宙粒子与原子核的相互作用进行了多年研究，实验结果表明这些粒子与核的相互作用非常弱，差不多比电磁相互作用还弱1011倍，不可能是汤川秀树所预言的强相互作用粒子。

为了解决这一困难，1943年日本物理学家坂田昌一提出具有中间质量的粒子有许多种，不可能把任意一种具有中间质量的粒子说成是汤川粒子。安德森所观察到的具有中间质量的粒子后来被称为 介子（或轻子）。坂田昌一认为传播核力的不是 介子，而是另一种粒子。

1947年鲍威尔在研究核乳胶中的基本相互作用时探测到有一种比 介子质量稍大的粒子，命名为 介子。很快就被证实， 介子正是汤川秀树所预言的强相互作用粒子。 介子和 介子的质量分别为273和207个电子质量。

与光子不同的是， 介子可以是带电的，它分别为 ，其中 的质量都是电子质量的273.3倍， 的质量则是264倍。

3.3.4 基本力

基本粒子间的一切转化过程都是通过一定的相互作用来实现的，就目前所知引起基本粒子反应的主要有四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱作用和引力相互作用。由于引力相互作用非常弱，在基本粒子作用过程中影响很小，所以往往把它忽略不计。这四种相互作用的相对强度、作用力程和特征时间差别特别大，其传递力的粒子也迥然不同，下表列出了这四种相互作用比较的情况：

名 称
强作用
电磁作用
弱作用
引力作用

相对强度
1




作用力程/m





特征时间/s
10-23
10-20～10-10



被作用粒子
强子
强子、轻子
强子、轻子
一切物体

传递力的粒子
胶子
光子
中间玻色子
引力子？

举例
核力
原子结合
衰变
天体之间


各种相互作用由于强弱不同，所以在引起基本粒子反应的速度上有明显的差别。各种相互作用有自己的特征时间，特征时间长表示作用弱，不易起变化；作用时间短表示作用强，易起变化。

各种相互作用的作用力程也有很大不同。电磁力和引力都与距离平方的倒数成正比，随着距离的增加它们的减弱是较慢的，因此称为长程力。遥远的天体间的相互作用受引力的支配，就说明了这一点。强相互作用与弱相互作用都是短程力。

3.3.5 基本粒子的分类

1932年中子发现后，人们把质子、中子和电子认为是物质结构的基本单元，把这些粒子，再加上光子，看作“基本粒子”。后来又在宇宙射线中发现了正电子、 介子、 介子和一些奇异粒子。40年代中期之后，打碎粒子的有力工具——粒子加速器——一台接一台地建起来了。物理学家们从而能在实验室里用人工方法制造粒子的反应过程。从1953年发现反中微子起，又陆续发现了一大批新粒子。到1961年，粒子表里就列有100多中粒子。粒子数目的增加在某种程度上十分类似于19世纪化学元素数目的增加。按照它们的主要相互作用，可以将基本粒子分为三类。

第一类是传递力的粒子。传递强相互作用的粒子是胶子；传递电磁力的粒子是光子；传递弱力的粒子是中间玻色子（ ）。

第二类是轻子。轻子具有两个性质：轻子只参与弱相互作用和电磁相互作用，不受强力影响；轻子必定以粒子——反粒子对的形式产生或湮灭。已知的轻子有六种，它们成队出现，每一队包括一个荷电轻子和一个中性轻子，即电子和电子中微子， 子和 中微子， 子和 中微子。

第三类基本粒子是强子。一切参与强相互作用的粒子统称为强子，它们之间的主要作用是强相互作用。强子分为两类：重子和介子。所有的强子，除了质量和电荷外，它们还具有自旋。重子是费密子，介子是玻色子。不过，新的发现告诉我们，强子不是基本粒子，而是亚核粒子。强子是由几种称为夸克（quark）的更为基本的粒子所构成的。

3.4 低维半导体物理

天然的晶态半导体材料是原子在空间作周期性排列构成的。这种周期性是自然形成的．通常用晶格常数来描述。它使每种半导体都具有其特有的能带结构。通常它是由被电子填满的“价带”和能量在其上面的“导带”组成，二者之间被“禁带”所隔开。用光激发、电注入或者掺杂等方式可以将电子填充到导带底，空穴填充到价带顶。这将会使半导体的性能(例如电导率)发生很大的变化。然而，对于能量处于禁带中的电子和空穴则不同．一旦它们进入材料后将受到很强的反射而无法在材料中存在。所以说半导体的晶格结构或者说能带结构直接决定了半导体的性质。如果用天然半导体材料晶格常数的若干倍做周期，将两种不同材料A、B(可以是禁带不同的材料，也可以是导电类型不同的材料)按不同方式组合生长在一起，就可以构成异质结、量子阱或超晶格等原来在自然界并不存在的新材料。现在若按B—A—B方式组合生长成材料，并假设B材料的禁带大于A材料，A层中处在能带边缘附近的电子或空穴若进入两侧的B层．其能量显然是处在B材料的禁带内。只要B层不是十分薄，它们将几乎会被完全反射回来。换句活说，电子和空穴将被限制在A层内，就好象落人势能陷阱之中一样。这种约束电子和空穴的特殊能带结构被形象地称为“量子阱”。这里冠以‘量子”二字的涵义是指由于阱的宽度已小到可以和电子的波长相比，电子的波动性将表现得十分明显。这时．阱中电子能量不再能取连续值而只能取少数特定的分离值。如果分隔量于阱A的势垒材料B比较薄，不同阱之间存在有足够强的状态耦合，上述这种按B—A—B方式人工生长出的周期性结构就成为超晶格。这里“超”的含义是指在天然的周期性以外又附加了人工周期性。很显然，超晶格是人工制作的，是按天然材料晶格常数的若干倍周期排列而成。下难理解这种人工附加的周期性必然使超晶格这类经“人工剪裁”过的材料具有原来天然半导体材料不具备的、十分独特的性能。例如在体材料中电子和空穴可以在x、y、z的三维空间作自由运动。到了量子阱中，电子和空穴沿阱宽方向的运动因受势阶的限制不再能作自由运动，它们只能在x、y的二维平面内作自由运动。如果进一步附加维度限制，电于、空穴的运动即可成为一维自由(量子线)甚至成为完全受限(量子点)。电子运动状态由三维向二维、一维甚至零维的转变使量子阱、量子线和量子点中电子态发生了重大变化，继而也使得这类低维半导体表现出崭新的重要特性。

以超晶格、量子阱和量子点、线为典型代表的这类经人工剪裁过的低维半导体材料是用分子束外延等超薄生长技术制备出来的。它是在超高真交条件下将构成晶体的各种组分元素和掺杂元素的原子(分子)束以—定的热运动速度、按一定的比例喷射到热衬底表面上，在非热平衡条件下进行晶体的外延生长。其特点是：生长速度慢(~1微米／小时)，生长温度低，可随意改变外延层的组分和掺杂，可在原子尺度范围内精确地控制外延膜的厚度、界面平整度和掺杂分布。回顾半个世纪以来半导体科学技术的发展历史，不难了解许多重要的半导体器件的发明创造均是创新的物理思想和先进的新工艺技术相结合的产物。例如，少数载流子的注入和收集同元素半导体的P-n结工艺的结合促成了双极晶体管的发明；场效应诱导的半导体表面反型和制备高质量薄氧化硅层工艺技术的结合导致了金属一氧化物—半导体场效应晶体管(MOSFET)的出现；粒子数反转和化合物半导体异质结工艺的结合推出了新型半导体激光器。半导体科学技术的一个重要特点是各种半导体器件及其集成电路均是在高度精确、稳定和重复可控的工艺条件下制备出来的。可以预计，随着大规模集成电路进一步朝小型化、高密度方向发展，对制备工艺的难确性，可控度的要求必将越来越高。以分子束外延为代表的超薄层生长技术把半导体组分、掺杂和器件层次结构的控制精度从微米、亚微米直接推进到单原子层的尺度。单从这个含义就可以预期分子柬外延技术及由它制备出的人工剪裁半导体将对半导体科学技术今后的发展产生不可估量的影响。

从学科角度而言，半导体超晶格物理是凝聚念物理的新生长点和重要前沿领域。这不仅是因为低维半导体结构中的量子尺寸效应使得它呈现出许多物理内涵丰富的原来三维固体不具备的新现象。而且，由于电子作为电子波的量子属性在低维半导体结构中表现得越来越明显，使得物理学的研究进入了一个新的尺度范畴——介观，也即介于宏观与微观之间的尺度范畴。新的分支领域——半导体介观物理正在迅速崛起。

半导体超晶格又和高技术有着紧密的联系。一方面半导体超晶格的研究强烈依赖高技术的运用。利用先进的分子束外延(MBE)材料生长技术可以把半导体材料的组分，掺杂和层次结构的控制精度推进到原子层尺度；对材料的能带结构可以按照需要进行人工剪裁，对不同材料体系可以进行组合生长，制出区别于天然半导体的崭新的人工材科。另一方面半导体超晶格的研究又反过来开拓着许多新的重要应用，推动了高技术的发展。在这个领域内已经发现的新现象、新效应已广泛地被用来开发具有新原理、新结构的固态电子、光电子器件，对电子、光电子等高技术产业产生着重要影响。



第四节 世纪之交的物理学

在20世纪，物理学的革命对推动整个自然科学和应用技术的发展产生了深远的影响。这场革命给我们什幺样的启示呢？

首先的启示是作为研究物质结构和运动的基本规律的物理学，总是生机勃勃、不断地开辟自己前进的道路的。1803年，道尔顿提出了近代的原子论，认为世间万物都是由几十种不同种类的原子组成的。经过近一个世纪多方面的研究和争论，科学界接受和发展了这一学说。到19世纪60年代，元素的数目增到60多种，而且还认识到不同元素的性质是有内在联系的，门捷列夫的周期规律描述了这种联系。19世纪末，物理学家们发现了电子、 粒子、放射线、X射线等等。发现原子是可以改变的，原子不是物质结构的最小单元。20世纪初，卢瑟福建立了原子结构的有核模型。探讨原子结构模型和经典物理学之间的矛盾，导致了量子力学的诞生，产生了现代原子和分子物理、凝聚态物理、原子核物理等学科。20世纪50年代，人们找到作为构成物质的基石的基本粒子有三十多种，也认识到它们之间的相互作用于和相互转换。探索这些“基本粒子”的更深层次的构造的努力，近三十年来取得了十分辉煌的成就。三代夸克和三代轻子的粒子模型、弱电统一理论和量子色动力学的建立，标志物理学正进入物质世界的一个更深的层次。但从本质上来说，目前的标准模型还是一个唯象的模型。

20世纪物理学的革命，表现出人类理性思维的伟大胜利。狭义相对论，特别是广义相对论，以它深邃的思考，严整的形式和美丽的表述，震撼着一代又一代的物理学工作者的心灵。但是，爱因斯坦也在他那无与伦比的思考导致的宇宙模型面前困惑了。近四十多年来，一大批物理学家和天文学家辛勤地工作，这个难以想象的革命性的关于宇宙的概念和图象终于建立起来，并得到科学界多数人的认同。在大致150多亿年前，宇宙从一个具有无限大密度和具有无限大时空曲率的点开始了。人们猜想，在宇宙膨胀，密度和温度降低中，到 时，重力相互作用和其它相互作用分离开来；到 时，强相互作用和弱电相互作用分离开来；直到 时，弱相互作用才与电磁相互作用分离开来，世界变成了我们现在所处的有四种基本相互作用的世界。到 时，夸克开始结合成强子，也许应当说，只有从此以后的物理才是当代物理学家可以比较有把握来谈论的。直到 （也就是说三万多年）后，原子才开始出现。这样一个综合了亚核子尺度的物理和宇观尺度的物理的宇宙演化模型的建立，可以说是人类认识史上一个最具有革命性的、划时代的伟大事件。

20世纪物理学的发展给我们的又一启示是：物质世界是有层次的，反映物质世界的物理学规律也是有层次的。每一层次的物理都根植于更深层次的物理学。但是，每个层次的物理都是在真实意义上不可穷尽的。经典力学、经典电动力学并不因为量子力学、量子电动力学的发展而被排斥出物理学，近年来我们还不停地学习它们新的、有深刻意义的进展。光学和凝聚态物理学半个世纪来的巨大的、令人应接不暇的发展提供了最有说服力的例子。当代粒子物理和宇宙学中最重要的观念，如相变、对称性破缺、拓扑性缺陷、红外发散等等，都首先来自凝聚态物理学。

在20世纪，物理学的基本概念和技术已被应用到所有的自然科学领域。物理学与其它自然科学学科之间的边缘领域，一定意义上是当代自然科学中最富于获得丰硕成果的机遇的领域。边缘领域的发展，又反过来丰富、加深和支持了物理学本身的发展。量子力学和现代物理实验技术的应用，大大推进了化学的发展。对分子结构、性能和反应机理的研究，又丰富和推动了现代物理的进步。而且，没有化学的支撑，现代物理学中好多分支学科都不能产生和发展。地球科学、生命科学与物理学的边缘领域的发展，也将会是类似的情景。

物理学作为一门最基础的自然科学，它的发展动力是深深地植根于人类对真理的非功利的追求。但是，历史的发展将越来越有力地证明，正是这种非功利的追求给人类带来最大的收益。本世纪发生的主要源于物理学的进展的技术革命，就是最有说服力的例子。当代技术进步的主要推动力来自纯学科性的基础研究。在世纪之交，无论是制造业还是服务业，也无论是材料、信息、能源、交通、环境等技术部门，都在呼唤着新的技术变革。而认真考察就会发现，多数这些变革都主要基于物理学近年的进展。21世纪物理学毫无疑问仍是技术进步的主要源泉。

物理学的发展从来就对人类社会思想、文化发生巨大影响。20世纪的物理学革命就是这样。人类社会进步的一个主要动力便是科学精神，现代科学精神的典范集中的反映就是现代物理学。



【参考文献】

1、《基础物理学教程》，陆果编着。

2、《物理学简明教程》，曹茂盛、祁恩云、曹玉干编着。

3、《物理学简史》，潘永详、王绵光编着。

4、《量子力学》，周世勋编着。

5、《大学物理导论》，向义和编着。

6、《热力学与统计物理》，薛增泉编着。

7、《现代半导体物理》，夏建白编着。



推荐阅读书目

1、《量子力学导论》，曾谨言编着，北京大学出版社。

2、《理论物理基础》，彭恒武、徐锡申编着，北京大学出版社。

3、《固体物理基础》，阎守胜编着，北京大学出版社。

4、《大学物理导论》，向义和编着，清华大学出版社。



思考题：

1、牛顿力学与量子力学的本质区别是什么？

2、试述经典统计物理学与量子统计物理学的区别与联系。

3、请简要叙述光的波粒二象性的本质。

4、请简要叙述波函数的统计解释。

5、核力的基本特征是什么？