物理学与物理学人才培养

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1、国培班学术讲座 2011.9.26物理学和物理科学 人才的培养物理学和物理科学人才的培养 1. 什么是物理学 2. 从物理学的发展看物理学的思想 方法 3. 物理学是一个整体 4. 自然科学和现代高新技术的基础 5. 物理科学人才的需要和培养1. 什么是物理学 物理学是自然科学的基础。 物理学研究宇宙间物质存在的基本形式， 物质的性质、运动、相互作用、相互转化以及 内部结构的基本规律。 物理学是探讨物质结构和运动基本规律的 前沿学科。 物理学是研究“物”的，它研究的是物质， 也就是研究宇宙间客观存在的物质。 物理学不是对客观存在的物质的运动简单 地进行记载和现象描写。而是研究“物”的“理” ，

2、也就是研究物质运动的道理，研究物质运动 的普遍的基本规律。 正因为如此，所以可以概括为： 物理学研究宇宙间物质存在的基本 形式，物质的性质、运动、相互作用、 相互转化以及内部结构的基本规律。 物理学是探讨物质结构和运动基本 规律的前沿学科。 可以说：物理学的研究对象是普遍的。 物理学所研究的规律是基本的。 自远古以来，由于农业生产需要确定季节 ，人们就进行天文观察，在古代就形成天文学 。 化学缘起于古代炼金术，独立地发展。 物理学、天文学、化学是最早发展的自然 科学。它们之间存在着密切的联系。 物理学所发现的基本规律在天文现象和化 学现象中起着日益深刻的作用。 地学和生命科学都是自然科学的重要

3、方面 ，有重要的社会作用。 但是像地球这样有生物的行星在宇宙中却 是少见的，所以地学和生命科学不属于物理学 的范围。 物理学所发现的基本规律在地球现象和生 命现象中，也起着重要作用。2.从物理学的发展看物理学的 思想方法 20 世纪已经过去，现在已经进入了 21 世纪。 在 20 世纪初期的 30 年，物理学经历了 一场伟大的革命。这场革命推动的整个自然 科学和应用技术的伟大变革，这些变革和这 些变革对人类社会的巨大影响，将作为 20 世纪的一个重要标志而载入史册。 物理学的这段令人神往的革命发展，大 大深化了人们对物质世界的结构及其运动的 规律性的认识，提供了新兴的高新科学技术 部门的产生和

4、发展的基础。 作为自然科学的基础，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 为世界间万物都是由几十种不同种类元素的原 子组成的。 到了 19 世纪 60 年代，人类认识的物质元 素数目增加到 60 多种，还认识到不同元素的 性质是有内在联系的，迈耶（美籍德国人，原 子核壳层模型理论获1963年诺贝尔奖，是继居 里夫人之后第二个获诺奖的女士）和门捷列夫 的周期律描述了各种元素之间的这种内在联系 。 现在人类认识的物质元素的数目已经增加 到 114 种，其中 94 种是自然界原来就有所存 在的，20 种完全是

5、人造的。这 114 种元素组 成了 1 千几百万种化合物。 19 世纪末，物理学家们发现（1897年10月） 了电子（1906年物理学奖），a 粒子（1899年发现 ，1906年确定为氦核，1908年化学奖），放射性 （1896年3月发现，1903年物理学奖），X 射线（ 1895年11月，1901年物理学奖），。人类对物 质结构的认识进入了微观世界。 20 世纪初，发现原子是可以改变的，原子不是 物质构成的最小单元，原子还有内部结构。卢瑟福 建立了原子结构的有核模型。 探讨热辐射规律以及原子结构模型和经典物理 学之间的矛盾，导致了量子论的建立、量子力学的 诞生，产生了现代原子、分子物理，凝聚

6、态物理， 原子核物理，粒子物理，。 现在，物理学又正在进入一个新的层次。探索 物质微观结构粒子及其运动、相互作用、相互转化 规律的研究近 40 年多来取得十分辉煌的成就。 20 世纪 60 年代到 70 年代，粒子物理学 在认识物质微观结构和运动规律方面取得了重 大的、系统的进展，建立了粒子物理的标准模 型。 标准模型概括了两方面的内容： 1。物质世界是由 62 种粒子构成 (1) 规范玻色子相互作用的媒介粒子 ，共 13 种。 (2) 费米子自旋为1/2 的粒子。 费米子又分为轻子和夸克两类，粒子和反 粒子共 48 种。 (3) Higgs 粒子自旋为零的粒子，不带 电，共 1 种。 这 6

7、2 种粒子中，实验上现在还没得到存 在的直接证据的 2 种粒子是 Higgs 粒子和引力 子。其中引力子：作用太弱，不能直接观测。 唯一的应该能找到但还没有找到的粒子 Higgs 粒子。 2. 粒子之间的基本相互作用有 4 种 (1) 色相互作用媒介粒子为胶子 g. (2) 电弱相互作用媒介粒子为 , W+, W, Z。能量低于 250 GeV 时分解为性质和行 为很不相同的两种相互作用： 电磁相互作用媒介粒子为 。 弱相互作用媒介粒子为 W+, W, Z。 (3) 引力相互作用媒介粒子为引力子 。 理论上认为还存在有一种相互作用。 (4) Higgs 粒子汤川相互作用媒介粒子 为 Higgs

8、 粒子。 只有 Higgs 粒子汤川相互作用还没有直接 观察到。 粒子物理的标准模型完整地总结概括了现 在已经知道的物质微观结构和相互作用的各种 基本规律，并且得到多方面实验的大量验证。 粒子物理的标准模型的建立以及它在各方 面的成功，标志着物理学在探讨物质微观的结 构和运动的基本规律方面正在进入物质世界的 一个更深的层次。 毫无疑问这是物理学发展历史上一个具有 划时代意义的大事。 但是，在欢呼它取得的多方面的胜利 时，也要看到同时它也提出了一系列带本 质性的没有解决的问题。 可以说，进入这个新层次将带来的最 本质的新的物理，还没有到来。 19 世纪末的物理学家尽管看到了“遮 盖在热和光的动力

9、理论上的 19 世纪乌云” ，但也没有能猜测到物理学将进入比原子 更深层次的探索，会在什么时候和在哪点 上带来新的物理，没有能预见在 30 年内 相对论和量子力学的建立、近代物理的建 立和发展。 21 世纪初的人们可以在总结 20 世 纪中近代物理学的飞速发展的基础上对 21 世纪初近代物理的某些发展动向进行 某些预测。 21 世纪初的人们也不能奢望能够在 近代物理学的飞速发展的面前对 21 世纪 初几十年内物理学的发展前景作出全面 、具体、肯定的预测。 20 世纪初期物理学的革命，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， 震撼着物理学工作者的心灵。爱因斯坦 也在他那无

10、与伦比的思考导致的宇宙模 型面前感到困惑了。 近四十多年来一大批物理学家和天 文学家辛勤的努力和非凡的勇气，把这 个难以想象的革命性的关于宇宙的结构 和演化的概念和图象建立起来了，大爆 炸宇宙论得到科学界多数人的认同，被 称为宇宙学的标准模型。 在大致一百五十多亿年前，宇宙从 一个具有无限大的密度和具有无限大的 时空曲率的点开始了。 宇宙迅速膨胀，密度和温度迅速降 低，到 10 4 4 秒时，重力相互作用和其 它相互作用分离开来； 到 10 3 6 秒时，强相互作用和电弱 相互作用分离； 大体上可以说10-10 秒以前物质存在 形式以夸克物质形态为主，即以密集的 夸克胶子等离子体的形式存在。

11、直到 10 1 0 秒时，宇宙的平均温度大约 为 10 15 度，弱相互作用才与电磁相互作用分 离，世界变成了有四种基本相互作用的世界。 体积再膨胀，温度再降低后，到 10 - 6 秒 时，夸克、反夸克又结合成各种介子和重子， 形成强子物质。这时温度大约在 10 13 K 左右。 大爆炸后的一秒钟时宇宙的平均温度大约 为 10 10 K。 温度继续降低，到大约 3 分钟时开始，质 子和中子结合成较重的原子核，首先是形成氦 核。这时宇宙的平均温度大约为 10 9 K。 直到三十多万年后，开始出现原子 、分子，这时宇宙的温度降到大约 6000 度。 从大的范围来说，开始形成星体， 出现星云系。 这

12、样一个综合了夸克尺度物理和宇 观尺度物理的宇宙演化模型的建立，是 人类物质认识史上一个最具有革命性的 、划时代的伟大事件。 这个宇宙学的标准模型和近年来天 体物理学取得的辉煌的成就，在物理学 的面前提出了十分严峻的具有本质的挑 战。 如何理解宇宙这样有限而无界的时空和它 的奇点？ 什么是在宇宙这样演化中的物质和运动规 律？ 为什么宇宙结构和演化中有那么多的“巧合 ”？ 为什么宇宙中存在的暗物质总量至少比明 亮物质的总量大一个数量级？ 暗物质粒子究竟是什么粒子？ 为什么宇宙对正反物质是不对称的？宇宙 对正反物质不对称的来源是什么？ 这些问题都是有待研究的。3. 物理学是一个整体 20 世纪物理学

13、的发展显示：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。 每一层次的物理都植根于更深层次的物理 学，同时每一层次的物理规律又不能还原为更 深层次物理规律的简单积累和叠加。 每个层次的物理都是在真实的意义上不可 穷尽的。 人类在探索自然奥秘的过程中，一个重要 的问题是探索物质微观结构的基本规律；另一 个重要的基本问题是探索物质大范围结构的基 本规律；再一个重要的基本问题是探索宏观物 质结构复杂系统运动的基本规律。 20 世纪以来，物理学在探索物质微观结构的 基本规律方面不断取得进展，从 20 世纪初到 30 年代，探索物质微观结构的前沿学科是原子物理学 ；30 年代到 40 年

14、代是原子核物理学；50 年代以 来是粒子物理学，建立了粒子物理的标准模型。 20 世纪以来，物理学在探索物质大范围结构 的基本规律方面不断取得进展，从天体物理学到宇 宙学，建立了宇宙学的标准模型。 20 世纪以来，物理学在探索宏观物质结构复 杂系统运动的基本规律方面不断取得进展，发展出 理论物理、凝聚态物理、光物理、激光物理、非线 性光学、低温物理、磁性物理、金属物理、半导体 物理、材料物理、表面物理、介观物理、电真空物 理、电子物理、无线电物理、固体微电子学、等离 子体物理、声学、固态物理、液态物理、高压物理 、非线性物理、分形物理、计算物理等分支学 科。 近几十年来，物理学的各分支学科有着

15、突 飞猛进的迅速发展，对物理现象和物理学规律 的探索研究不断取得新的进展，丰富了人们对 物质世界物理运动基本规律的认识和掌握，促 进了许多和物理学紧密相关的交叉学科和技术 学科的发展。 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， 近年来还不停地有它们新的、有深刻意义的进 展。 光物理学和凝聚态物理学半个世纪以来的 巨大的、令人应接不暇的发展提供了最能说服 人的例子。 在当代粒子物理和宇宙学中最重要的观念 ，如相变、对称性的自发破缺、拓扑性缺陷、 红外发散等等，都首先来自凝聚态物理学。 而当代凝聚态物理的理论研究又都广泛地 而且本质地使用粒子物理学中发展的量子场论 的语言和技术。 这显示物质世界的丰富性、多样性决定了 物理学有许多分支学科，体现物理学的丰富性 、多样性、和统一性，但各分支是紧密联系的 。 物理学是一个整体物理学是一个整体 “ “只有一个物理学只有一个物理学” ”！4. 自然科学和现代高新技术的基础 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