物质世界与物理学

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1、1 物质世界与物理学 ( 绪论 ) 1 物质世界与物理学 物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。尽管，这样的定义很难把现 代物理学极其丰富的内容刻画出来，但我们可以肯定地说， 物理学更注重于物质 世界中最普遍而基本的规律。 同学们从中学开始就已经接触到物理学，物理学的 “绪论”也见识过。那么，大学物理课应该讲什么，怎么讲？简言之，我们将把 物理学所研究的对象中最本质、 更深层次的规律揭示出来， 把最精彩的最具有吸 引力的部分展示给大家， 尽量把同学们带进五彩缤纷的物理世界中，把物理学的 理论前沿展示出来，激发大家不断探索自然奥秘的热情。 一、物质世界 我们生活的时空首先从空间尺度上看，最大

2、的尺度是宇宙，大约是 10 26m(约 150 亿光年) ；最小的尺度是夸克，大约是 10 -20m 。从时间尺度上看，最 长的时间是宇宙的年龄，约10 18s ( 约 150 亿年) ；最小的时间间隔是硬 射线 的周期，约 10 -27 s 。时空尺度的跨度之大，达数量级为10 46 。最高的速率是光 在真空中的速度值，通常表示为3 10 8 m/s。物理学按照空间的尺度把物质世界 分为宇观体系、宏观体系和微观体系。 物理学为我们描绘出物质世界的总图象人们从自己向小尺度追问， 探索物 质的组成，相应的物理学是“粒子物理学”；同样，人们又向大尺度追问以探索 宇宙的奥秘，相应的物理学是“天体物理

3、学”。粒子物理学给我们的物质组成的 信息是：目前物理学公认的组成物质的最小单元是夸克(quark) 。物质之间基本 的相互作用是：电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用和引力作用。天体物理 学对宇宙的奥秘揭示到的程度是：首先，宇宙起源于一次“豌豆”的大爆炸，然 后就不断地进行绝热膨胀， 致使宇宙半径不断增大， 宇宙密度不断下降， 进而使 宇宙的温度不断降低，目前的“宇宙背景温度”是2.7K。在这个过程中，粒子、 原子、分子、星球、星系渐次产生和形成。宇宙有多大？这是人们想知道的第二 个问题。回答是简洁而明确的，即，宇宙有限而无边，宇宙有心又无心！我们每 个人处于这样的状态。如图1 所示。某时刻，

4、宇宙上的两个人处于A状态，随着 时间的流逝， 宇宙上的两人则处于B状态。人们就好象坐在一个逐渐膨胀的气球 的表面，相互远离。 A状态 B状态 图 1 2 二、关于两个前沿的基本理论 ? 粒子物理学 ( 微观理论 ) 是探索物质组成的基本学科。人们通过高能物理实验的手段取得实验数据， 验证理论。目前研究粒子性质的加速器最大能量只达到10 3 GeV，离物理学的大 统一时代，即物理学的绿洲所需的能量10 15GeV差 12-13 个量级。当人们的加速 器达到这样的能量水平后，展现在我们面前的将是宇宙的起始状态。 ? 天体物理学 ( 宇观理论 ) 宇宙是物理学的最大研究对象。 科学家探索宇宙的起源和

5、发展， 提出了标准 宇宙模型，该模型的核心思想就是所谓的“大爆炸理论”。这个理论为我们勾画 出一副用温度计作计时器的宇宙演化图象。如图2 左箭头所示的宇宙演化时间 表。 宇宙演化时间表 ( 摘自： 科学家谈物理陆 ) 温度(K) 能量(eV) 时间(s) 物理过程 10 32 10 28 10 - 44 普朗克时代 粒子产生 10 28 10 24 10 - 36 大统一时代 重子不对称性产生 10 13 10 9 10 - 6 强子时代 大量强子产生 10 11 10 7 10 - 2 轻子时代 轻子过程 5 10 9 5 10 5 5 e-e湮灭 中子自由衰变 10 9 10 5 3 分核

6、合成时代 4 He等生成 4 10 3 0.4 4 10 5 年复合时代 中性原子生成 太阳系形成 2.7 3 10 - 4 10 10年 现在 人类进行科学实验 图 2 ? 如果我们在图 2 的右侧往上画一个箭头， 可以清晰地展示出粒子物理在研究宇 宙演化中的重要作用。 右箭头说明人类利用加速器探索物质组成的历程和目前达 到的水平。 想把这个箭头继续往上延伸，则有赖于科学技术的发展。 这左右两个 箭头说明了这两个物理学的前沿理论从两个极端探索物质世界的奥秘，得到的结 论是一致的。从而充分地体现了物理学的和谐、 完美和对称。我们可以肯定地说： 从遥远的过去宇宙产生于一次大爆炸，产生了很多基本粒

7、子， 绝热膨胀至今； 我 们生活在这样的世界中， 总想知道这个世界的来源， 于是，人们就通过各种实验 手段( 比如加速器 ) 把物质打开，探索其深奥的内部。 一位物理学家把物理学上的 这种和谐、统一用一条小龙清晰完美地展现出来，如图3 所示。 3 图 3 三、物理学使人们深入认识世界 ? 物质存在的基本形式 中学时我们就知道，物质存在有两种基本形式。即，场和粒子。最新的理论 为我们描绘的基本图象是： 与每种粒子相对应存在一种场，场具有可入性，充满全空间。例如，与光子 相对应存在电磁场、与电子相对应存在电子场等等，它们同时存在于全空间。 场具有不同的能量状态。 能量最低态称之为基态。 当一种场处

8、于基态时， 这种场 就不会通过状态的变化释放能量而输出信号，从而不会显现出直接的物理效应， 4 这时表现为看不到存在粒子。当场处于激发态时，表现为出现粒子。所以，物质 存在的两种形式中，场更基本，粒子只是场的激发态的表现。 按照这样的观点， 当所有的场都处于基态时， 任何一个场都不可能给出信号 显现出粒子，这时，就是物理上的真空。 ? 基本相互作用 ? 物质的凝聚状态 物理学家通常把物质分为以下五种凝聚状态：固态、液态、( 这两种统称凝 聚态) 气态、等离子态。以上四种状态，我们在日常生活中都可以看到。但，在 天体研究中，还有第五种状态- 致密态。密到什么程度呢？地球表面物质的密 度最大在 1

9、0g/cm 3。宇宙中，恒星进入晚年，就演化为白矮星、中子星和黑洞。 白矮星的密度是10 2kg/cm3。1967 年发现了中子星的脉冲星，这类晚年恒星的密 度是 10 8 -10 12kg/cm3。有人推测，有些恒星可以塌缩到比中子星更大的密度， 称为黑洞，密度可达10 13kg/cm3。这种晚年恒星的高密度状态称为致密态。 2 物理学与科学思维 一、物理学的研究方法 物理学的研究方法很多，归纳为以下三种。演绎法 - 推理、演算； 归纳法 - 假设、模型；定性半定量法等等。物理学是一门实验的科学，发展 离不开实验和观测。 物理学中， 有自己的一套获取知识、 组织知识和应用知识的 有效步骤。首

10、先是从实验、或原理中提出命题； 其次是根据不同的问题，通过建 立物理模型、 用已知原理和推测对现象作定性解释、根据现理论进行推理和数学 演算作定量解释，这一步称为推测答案 ；当新事实与旧理论不符时，提出假说； 然后，进行 理论预言 ，实验检验 ；如果假说与实验有出入，则就修正理论； 再实 验检验，反复多次，假说 上升至理论， 并付诸应用 。有时，创造发明则依靠物理 学家的直觉、想象力和洞察力。 二、物理学家的科学态度 在科学的进程中， 科学实验的结果远非尽人所愿；在探索未知的历程中， 很 多事情无法预料。物理学家的态度是：实验的结果验证了理论，固然可喜；但实 验结果与已有理论不符合会更让物理学

11、家兴奋，因为，这种不符合正预示着重大 的突破。爱因斯坦是善于抓住旧理论的困难，而提出新的革命性的理论的典范。 是他以大无畏的胆识提出了“狭义相对论” “广义相对论”“光的量子性”等等革 命性的理论。 在科学界， 最不满意的气氛就是较少发现与理论不符合的结果。他 们说，最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事。这就是物理学家的得失观。 在科 学研究的进程中， 物理学家的三分之一的激奋在于建立理论；三分之一的激奋在 于证实理论；三分之一的激奋在于突破理论。 3 物理学与科学技术 一、物理学为其他学科创立原理和技术 几乎所有的重大的新技术领域( 如电子学、原子能、激光和信息技术) 的创 立，事前均在物理学

12、中经过长期的酝酿，在理论和实验上积累了大量的知识，然 后才取得突破。如，人们都知道，1947年贝尔实验室的巴丁 ?布拉顿和肖克莱发 明了晶体管，标志着信息时代的开始。1962 年发明了集成电路； 70 年代后期出 现了大规模集成电路。但，殊不知，在此之前至少存在20 年的“史前期”，即， 在这个“史前期”中物理学为孕育它的诞生作了大量的理论和实验准备。如： 19251926年 建立了量子力学； 1926年提出费米 狄拉克统计方法、泡利不相容原理； 5 1927年建立布拉赫波的理论； 1928年索末菲提出能带的猜想； 1929年派尔斯提出禁带、 空穴的概念，贝特提出费米面的概念等等。以上 这些都

13、是固体、半导体物理的理论基础。 上述事实说明，工程技术中的基本规律均反映在物理学的各个领域中。物理 学在交叉学科、边缘学科的发展中是最有生命力的最活跃的学科。 二、物理学为一切学科提供了基本的实验手段和基本研究方法 如，光谱分析法、 X 光分析、核磁共振谱分析等等。可以毫不夸张地说：几 乎一切现代的实验分析方法或设备都源于物理学的相应原理或效应。 4 物理学与高素质人才 物理知识是促进各学科发展的重要基础知识 工程技术人员的物理素质直接关系到本部门的发展。实践表明，现在科研成 果转化为生产力的周期愈来愈短，这意味着知识的更新周期也随之缩短。作为知 识的核心，物理基本理论则是持久不衰的。物理知识

14、、原理、方法将使人们终生 受益。深厚的科学素养，深刻的科学洞察力以及在此基础上的不懈的努力可以 造就伟大的科学家， 完成大发明。如， 新式显微镜 - 扫描隧道显微镜 ( 简写 STM) 的发明过程就充分地说明了这一点。STM 的发明者葛 ?宾尼(Gerd Binning)、海 ?罗雷尔 (Heinrich Roheer)巧妙地应用了“隧道效应”改进了“场发射显微镜”， 从而使显微镜的发展掀开了新的篇章。STM的分辨率达到 1?， 单原子的图象清晰 可见。 大学物理课的任务 把大学生领进物理学的大门。 把物理学中的基本原理、 基本规律介绍给学生， 使之对物质世界有一全面、 清醒的认识。正如物理学家理查得?费曼说的， “科学 是一种方法，它教导人们：一切事情是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在 了解到什么程度， 如何对待疑问和不确定性， 证据服从什么法则， 如何去思考事 物作出判断，如何区分真伪和表面现象。 ”我们物理课将为学生打开物理学的大 门， 并送之一枚指南针， 使学生在物理学展示的五彩缤纷的物质世界中汲取营养， 迎接世纪的挑战。