第三章 物理学的理论与方法.doc

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( ,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( ,1858-1947)的量子论和爱因斯坦( ,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 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