现代物理学的发展与演化之路

现代物理学的发展与演化之路现代物理学通常是指二十世纪初开始发展起来的物理学，包括相对论，量子力学，原子和原子核物理学，粒子物理学等，是物理学的一个重要组成部分。它彻底改变了人们以往的时空观，使人们对这个世界有了新的认识，也大大地改变了人们的生活方式。在２１世纪，物理学将进一步获得迅速发展，物理学仍将是整个自然科学的基础，物理学的进展仍是推动整个自然科学发展的一个最重要的动力。十九世纪末二十世纪初，经典物理学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海森堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！现代物理学革命的最主要成果是由爱因期坦的相对论和由普朗克，玻尔奠基，德布罗意，薛定谔，海森堡，狄拉克等建立的量子力学，发现高速领域和微观领域内新的物质运动规律，揭示了物质和运动以及它们同时间，空间等物质存在形式的有机联系，揭示了微观世界中波动性和微粒性，连续性和间断性，必然性和偶然性之间的辩证关系。相对论和量子力学是现代物理学两大支柱，在不同的研究领域衍生出量子统计物理学，量子电动力学，相对论量子力学等理论。按研究的物质运动形态和具体研究对象，通常把物理学分为力学，热学，声学，光学，电磁学，原子分子物理学，原子物理学等。随着人们对物理现象认识的不断深入，一些在经典物理学中属于物理学的分支学科发展成为独立的学科，如天文学，气象学，力学等。目前，现代物理学中最活跃的分支学科是凝聚态物理，原子核物理，粒子物理学，统一场论等。现代物理学采用先进的实验技术对物质结构和特性进行深入研究所得的普遍规律和结论，带动了其它基础学科的研究和发展，出现一系列边缘科学，如化学物理，天体物理，地球物理，生物物理等；分化出一系列尖端科学技术部门，如半导体，超导体，激光等。有力促进信息科学，能源科学，材料科学等其它科学技术的发展，为以原子能，电子计算机，空间技术的应用为主要标志的第三次技术革命开辟道路。现代物理学与电子技术一起，成为２０世纪科学技术的带头学科。在量子力学建立之后，理论发展就分道扬镳，其中一条道路是深入到更加微小尺度的世界中去。首先发展的是原子核结构和动力学理论。虽然核子之间存在强相互作用，但基于平均势场中作有效单粒子运动的壳模型也取得成功。还有强调核的集体行为的液滴模型和复合核模型，也有将单粒子运动和集体运动结合起来的综合模型，核子配对的相互作用玻色子模型等颇成功地说明原子核的某些性质。进入更深层的物质结构就到达了粒子物理学的研究领域。1950和1960年代，除核子以外，又发现大量的强子（具有强相互作用的粒子），其中多数不稳定。1964年，盖尔曼等提出强子的夸克模型，认为强子并非基本粒子，而是由具分数电荷（1/3或2/3电子电荷）、还具有色荷（红、蓝、绿三种颜色之一）的夸克所构成。质子的夸克结构已为实验证实。理论预言三色六味的各种夸克一一被实验揭示，最后一种顶夸克是1995年才发现的。独立存在的自由夸克一直未观测到，科学家又提出夸克禁闭模型来说明这一事实。到20世纪中叶，已明确自然界只有四种基本相互作用，即引力、电磁力、弱力与强力。其中引力和电磁力是长程的，而弱力与强力是短程的，限于原子核范围内。爱因斯坦晚年致力于统一场论，试图将引力和电磁力统一起来，未获成功。量子力学建立后，处理量子体系与相互作用场的理论（量子场论）得到了发展。首先是处理电磁相互作用的量子场论，即量子电动力学。在1940年代末，利用重正化消除发散困难，使量子电动力学的理论预言得到了高精确度的实验证实（有效数字高达十几位）。杨振宁等提出规范场理论，为量子场论的进一步发展铺平了道路。随后，处理强相互作用的量子场论、量子色动力学得到发展。弱相互作用的理论始于费米的?茁衰变理论。1950年代中，杨振宁、李政道与吴健雄的工作确证了在弱相互作用中宇称不守恒；1960年代末，格拉肖、温伯格与萨拉姆成功地将电磁相互作用与弱相互作用统一起来。在量子场论中，一些粒子被理解为场的激发态，而另一些粒子则成为传递相互作用的玻色子。进一步探索各种相互作用的统一理论尚在进行中。大统一理论企图将统一的范围包括强相互作用，尚有待实验证实。进而将引力包括在内的超大统一理论的设想也被提出。当代天文学研究总结出来的大爆炸理论被称为宇宙论的标准模型。按此理论设想，宇宙起源于100多亿年前的一次大爆炸：原先是时空奇点（密度和曲率却无限大），各种相互作用统一在一起。到10-44秒，发生了引力与其他相互作用分离的对称破缺，到10-36秒发生强力与其他相互作用分离，到10-10秒又发生弱力与电磁力的分离，成为如今四种相互作用并存的世界。到10-6秒时，开始合成强子，到3分钟后形成原子核，再逐步形成各种原子及星体与星系，大爆炸宇宙论是建立在若干天文学观测的结果上的：如哈勃定律所描述的宇宙膨胀，3K宇宙背景辐射的发现，星体一些元素的丰度数据。当然许多问题尚有待澄清。量子力学建立之后，另一条发展道路在于进入较大尺寸的物质体系。将量子力学应用于分子，建立了量子化学；将量子力学与统计物理学应用于固体，建立了固体物理学，随后发展为凝聚态物理学。涉及这些问题，需明确区分量子力学和经典物理学的各自适用范围。通常提法是量子力学适用于微观体系，而经典物理学适用于宏观体系，这显然不够精确，因为也存在宏观量子体系。对于特定粒子构成的系统，可采用量子简并温度（即粒子的德布罗意波长等于粒子的平均间距对应的温度）T0=h^2/3mKba^2来区分。这里h是普朗克常数，m为粒子质量，KB为玻尔兹曼常数，a为平均间距（或密度）。如果温度大于T0，则可放心采取经典物理学方法处理，否则就得用量子力学。至于T0的高低则取决于m和a。对于固体和液体，a约为0.3纳米。由于电子系统的T0在105开量级，从而必须用量子力学。对于原子核或离子而言，T0在50/A开量级（A为原子质量数）；对于轻元素（如氦与氢），在低温下要考虑量子力学效应。因而在通常情况下对于大量原子核（或离子）与电子的混合体系，可采用量子力学和经典物理学的理论方法分别处理电子与原子核两种子系统，凝聚态物理学和量子化学由于大量采用这种混合处理方案而取得成效。应指出，这类理论涉及相互作用粒子的多体问题。基于有效场单电子近似的固体能带理论显然很有成效；引入适度的相互作用发展起来的费米液体理论、巡游电子铁磁性理论和BCS超导理论也成绩斐然；但强关联电子体系（包括高温超导体）仍是一根硬骨头在现在物理学中任何一切已知理论都有可能被推翻，因为现在的理论对于很多无法解决的问题还都束手无策，任何一个观测结果都有可能推翻现有的所有理论，所以万有理论的存在还有待探究。物理学是否有尽头，也同样预示着人类认识世界的正确与否，人类认识世界靠的是实验和逻辑，而数学的公式的都是人类从客观认识中建立的，用现在的认知去认知所要认知最深层次的未知，这条路是否正确，也是人类一步一步需要思考的。