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1、經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展史 經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展史 古希臘時(shí)代的阿基米德已經(jīng)在流體靜力學(xué)和固體的平衡方面取得輝煌成就，但當(dāng)時(shí)將這些歸入應(yīng)用數(shù)學(xué)，并沒(méi)有將他的成果特別是他的精確實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證方法汲入物理學(xué)中。從希臘、羅馬到漫長(zhǎng)的中世紀(jì)，自然哲學(xué)始終是亞里士多德的一統(tǒng)天下。到了文藝復(fù)興時(shí)期，哥白尼、布魯諾、開(kāi)普勒和伽利略不顧宗教的迫害，向舊傳統(tǒng)挑戰(zhàn)，其中伽利略把物理理論和定律建立在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)和科學(xué)的論證上，因此被尊稱(chēng)為物理學(xué)或科學(xué)之父。 伽利略的成就是多方面的，僅就力學(xué)而言，他以物體從光滑斜面下滑將在另一斜面上升到同一高度，推論出如另一斜面的傾角極小，為達(dá)到同一高度，物體將以勻速運(yùn)動(dòng)趨于無(wú)限遠(yuǎn)，從

2、而得出如無(wú)外力作用，物體將運(yùn)動(dòng)不息的結(jié)論。他精確地測(cè)定不同重量的物體以同一加速度沿光滑斜面下滑，并推論出物體自由下落時(shí)的加速度及其運(yùn)動(dòng)方程，駁倒了亞里士多德重物下落比輕物快的結(jié)論，并綜合水平方向的勻速運(yùn)動(dòng)和垂直地面方向的勻加速運(yùn)動(dòng)得出拋物線軌跡和45°的最大射程角，伽利略還分析"地常動(dòng)移而人不知"，提出著名的"伽利略相對(duì)性原理"(中國(guó)的成書(shū)于1800年前的《尚書(shū)考靈曜》有類(lèi)似結(jié)論)。但他對(duì)力和運(yùn)動(dòng)變化關(guān)系的分析仍是錯(cuò)誤的。全面、正確地概括力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的是牛頓的三條運(yùn)動(dòng)定律，牛頓還把地面上的重力外推到月球和整個(gè)太陽(yáng)系，建立了萬(wàn)有引力定律。牛頓以上述的四條定律并運(yùn)用他創(chuàng)造的"流數(shù)法"(即今微積分初

3、步)，解決了太陽(yáng)系中的二體問(wèn)題，推導(dǎo)出開(kāi)普勒三定律，從理論上解決了地球上的潮汐問(wèn)題。史稱(chēng)牛頓是第一個(gè)綜合天上和地上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)并取得偉大成就的物理學(xué)家。與此同時(shí)，幾何光學(xué)也有很大發(fā)展，在16世紀(jì)末或17世紀(jì)初，先后發(fā)明了顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)普勒、伽利略和牛頓都對(duì)望遠(yuǎn)鏡作很大的改進(jìn)。 法國(guó)在大革命的前后，人才輩出，以P.S.M.拉普拉斯為首的法國(guó)科學(xué)家(史稱(chēng)拉普拉斯學(xué)派)將牛頓的力學(xué)理論發(fā)揚(yáng)光大，把偏微分方程運(yùn)用于天體力學(xué)，求出了太陽(yáng)系內(nèi)三體和多體問(wèn)題的近似解，初步探討并解決了太陽(yáng)系的起源和穩(wěn)定性問(wèn)題，使天體力學(xué)達(dá)到相當(dāng)完善的境界。在牛頓和拉普拉斯的太陽(yáng)系內(nèi)，主宰天體運(yùn)動(dòng)的已經(jīng)不是造物主，而是萬(wàn)有

4、引力，難怪拿破侖在聽(tīng)完拉普拉斯的太陽(yáng)系介紹后就問(wèn)：你把上帝放在什么地位?無(wú)神論者拉普拉斯則直率地回答：我不需要這個(gè)假設(shè)。 拉普拉斯學(xué)派還將力學(xué)規(guī)律廣泛用于剛體、流體和固體，加上W.R.哈密頓、G.G.斯托克斯等的共同努力，完善了分析力學(xué)，把經(jīng)典力學(xué)推進(jìn)到更高階段。該學(xué)派還將各種物理現(xiàn)象如熱、光、電、磁甚至化學(xué)作用都?xì)w于粒子間的吸引和排斥，例如用光子受物質(zhì)的排斥解釋反射，光微粒受物質(zhì)的吸引解釋折射和衍射，用光子具有不同的外形以解釋偏振，以及用熱質(zhì)粒子相互排斥來(lái)解釋熱膨脹、蒸發(fā)等等，都一度取得成功，從而使機(jī)械的唯物世界觀統(tǒng)治了數(shù)十年。正當(dāng)這學(xué)派聲勢(shì)煊赫、如日中天時(shí)，受到英國(guó)物理學(xué)家T.楊和這個(gè)學(xué)

5、派的后院法蘭西科學(xué)院及科學(xué)界的挑戰(zhàn)，J.B.V.傅里葉從熱傳導(dǎo)方面，T.楊、D.F.J.阿拉戈、A.-J.菲涅耳從光學(xué)方面，特別是光的波動(dòng)說(shuō)和粒子說(shuō)(見(jiàn)光的二象性)的論爭(zhēng)在物理史上是一個(gè)重大的事件。為了駁倒微粒說(shuō)，年輕的土木工程師菲涅耳在阿拉戈的支持下，制成了多種后以他的姓命名的干涉和衍射設(shè)備，并將光波的干涉性引入惠更斯的波陣面在介質(zhì)中傳播的理論，形成惠更斯-菲涅耳原理，還大膽地提出光是橫波的假設(shè)，并用以研究各種光的偏振及偏振光的干涉，他創(chuàng)造了"菲涅耳波帶"法，完滿地說(shuō)明了球面波的衍射，并假設(shè)光是以太的機(jī)械橫波解決了光在不同介質(zhì)界面上反射、折射的強(qiáng)度和偏振問(wèn)題，從而完成了經(jīng)典的波動(dòng)光學(xué)理論。菲

6、涅耳還提出地球自轉(zhuǎn)使表面上的部分以太漂移的假設(shè)并給出曳引系數(shù)。也在阿拉戈的支持下，J.B.L.傅科和A.H.L.菲佐測(cè)定光速在水中確比空氣中為小，從而確定了波動(dòng)說(shuō)的勝利，史稱(chēng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)為光的判決性實(shí)驗(yàn)。此后，光的波動(dòng)說(shuō)及以太論統(tǒng)治了19世紀(jì)的后半世紀(jì)，著名物理學(xué)家如法拉第、麥克斯韋、開(kāi)爾文等都對(duì)以太論堅(jiān)信不疑。另一方面，利用干涉儀內(nèi)干涉條紋的移動(dòng)，可以精確地測(cè)定長(zhǎng)度、速度、曲率的極微細(xì)的變化；利用棱鏡和衍射光柵產(chǎn)生的光譜，可以確定地上和天上的物質(zhì)的成分及原子內(nèi)部的變化。因此這些光學(xué)儀器已成為物理學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)和天體物理學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)手段。 蒸汽機(jī)的發(fā)明推動(dòng)了熱學(xué)的發(fā)展，18世紀(jì)60年代

7、在J.瓦特改進(jìn)蒸汽機(jī)的同時(shí)，他的摯友J.布萊克區(qū)分了溫度和熱量，建立了比熱容和潛熱概念，發(fā)展了量溫學(xué)和量熱學(xué)，所形成的熱質(zhì)說(shuō)和熱質(zhì)守恒概念統(tǒng)治了80多年。在此期間，盡管發(fā)現(xiàn)了氣體定律，度量了不同物質(zhì)的比熱容和各類(lèi)潛熱，但對(duì)蒸汽機(jī)的改進(jìn)幫助不大，蒸汽機(jī)始終以很低的效率運(yùn)行。1755年法國(guó)科學(xué)院堅(jiān)定地否決了永動(dòng)機(jī)。1807年T.楊以"能"代替萊布尼茲的"活力"，1826年J.V.彭賽列創(chuàng)造了"功"這個(gè)詞。1798年和1799年，朗福德和H.戴維分析了摩擦生熱，向熱質(zhì)說(shuō)挑戰(zhàn)；J.P.焦耳從19世紀(jì)40年代起到1878年，花了近40年時(shí)間，用電熱和機(jī)械功等各種方法精確地測(cè)定了熱功當(dāng)量；生理學(xué)家J.R.

8、邁爾和H.von亥姆霍茲，更從機(jī)械能、電能、化學(xué)能、生物能和熱的轉(zhuǎn)換，全面地說(shuō)明能量既不能產(chǎn)生也不會(huì)消失，確立了熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律。在此前后，1824年，S.卡諾根據(jù)他對(duì)蒸汽機(jī)效率的調(diào)查，據(jù)熱質(zhì)說(shuō)推導(dǎo)出理想熱機(jī)效率由熱源和冷卻源的溫度確定的定律。文章發(fā)表后并未引起注意。后經(jīng)R.克勞修斯和開(kāi)爾文分別提出兩種表述后，才確認(rèn)為熱力學(xué)第二定律。克勞修斯還引入新的態(tài)函數(shù)熵；以后，焓、亥姆霍茲函數(shù)、吉布斯函數(shù)等態(tài)函數(shù)相繼引入，開(kāi)創(chuàng)了物理化學(xué)中的重要分支--熱化學(xué)。熱力學(xué)指明了發(fā)明新熱機(jī)、提高熱機(jī)效率等的方向，開(kāi)創(chuàng)了熱工學(xué)；而且在物理學(xué)、化學(xué)、機(jī)械工程、化學(xué)工程、冶金學(xué)等方面也有廣泛的指向和推動(dòng)作

9、用。這些使物理化學(xué)開(kāi)創(chuàng)人之一W.奧斯特瓦爾德曾一度否認(rèn)原子和分子的存在，而宣揚(yáng)"唯能論"，視能量為世界的最終存在。但另一方面，J.C.麥克斯韋的分子速度分布率(見(jiàn)麥克斯韋分布)和L.玻耳茲曼的能量均分定理把熱學(xué)和力學(xué)綜合起來(lái)，并將概率規(guī)律引入物理學(xué)，用以研究大量分子的運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)建了氣體分子動(dòng)力論(現(xiàn)稱(chēng)氣體動(dòng)理論)，確立了氣體的壓強(qiáng)、內(nèi)能、比熱容等的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，得到了與熱力學(xué)協(xié)調(diào)一致的結(jié)論。玻耳茲曼還進(jìn)一步認(rèn)為熱力學(xué)第二定律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，把熵同狀態(tài)的概率聯(lián)系起來(lái)，建立了統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)。任何實(shí)際物理現(xiàn)象都不可避免地涉及能量的轉(zhuǎn)換和熱量的傳遞，熱力學(xué)定律就成為綜合一切物理現(xiàn)象的基本規(guī)律。經(jīng)過(guò)20世紀(jì)的物理學(xué)革

10、命，這些定律仍然成立。而且平衡和不平衡、可逆和不可逆、有序和無(wú)序乃至漲落和混沌等概念，已經(jīng)從有關(guān)的自然科學(xué)分支中移植到社會(huì)科學(xué)中。 在19世紀(jì)20年代以前，電和磁始終認(rèn)為是兩種不同的物質(zhì)，因此，盡管1600年W.吉伯發(fā)表《論磁性》，對(duì)磁和地磁現(xiàn)象有較深入的分析，1747年B.富蘭克林提出電的單流質(zhì)理論，闡明了正電和負(fù)電，但電學(xué)和磁學(xué)的發(fā)展是緩慢，1800年A.伏打發(fā)明伏打電堆，人類(lèi)才有能長(zhǎng)期供電的電源，電開(kāi)始用于通信；但要使用一個(gè)電弧燈，就需聯(lián)接2千個(gè)伏打電池，所以電的應(yīng)用并不普及。1920年H.C.奧斯特的電流磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)始了電和磁的綜合，電磁學(xué)就迅猛發(fā)展，幾個(gè)月內(nèi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)A.-M.安

11、培建立平行電流間的安培定律，并提出磁分子學(xué)說(shuō)，J.-B.畢奧和F.薩伐爾建立載流導(dǎo)線對(duì)磁極的作用力(后稱(chēng)畢-薩-拉定律)，阿拉戈發(fā)明電磁鐵并發(fā)現(xiàn)磁阻尼效應(yīng)，這些成就奠定了電磁學(xué)的基礎(chǔ)。1831年M.法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，磁的變化在閉合回路中產(chǎn)生了電流，完成了電和磁的綜合，并使人類(lèi)獲得新的電源。1867年W.von西門(mén)子發(fā)明自激發(fā)電機(jī)，又用變壓器完成長(zhǎng)距離輸電，這些基于電磁感應(yīng)的設(shè)備，改變了世界面貌，創(chuàng)建了新的學(xué)科--電工學(xué)和電機(jī)工程。法拉第還把場(chǎng)的概念引入電磁學(xué)；1864年麥克斯韋進(jìn)一步把場(chǎng)的概念數(shù)學(xué)化，提出位移電流和有旋電場(chǎng)等假設(shè)，建立了麥克斯韋方程組，完善了電磁理論，并預(yù)言了存在以光速傳

12、播的電磁波。但他的成就并沒(méi)有即時(shí)被理解，直到H.R.赫茲完成這組方程的微分形式，并用實(shí)驗(yàn)證明麥克斯韋預(yù)言的電磁波，具有光波的傳播速度和反射、折射干涉、衍射、偏振等一切性質(zhì)，從而完成了電磁學(xué)和光學(xué)的綜合，并使人類(lèi)掌握了最快速的傳遞各種信息的工具，開(kāi)創(chuàng)了電子學(xué)這門(mén)新學(xué)科。 直到19世紀(jì)后半葉，電荷的本質(zhì)是什么，仍沒(méi)有搞清楚，盛極一時(shí)的以太論，認(rèn)為電荷不過(guò)是以太海洋中的渦元。H.A.洛倫茲首先把光的電磁理論與物質(zhì)的分子論結(jié)合起來(lái)，認(rèn)為分子是帶電的諧振子，1892年起，他陸續(xù)發(fā)表"電子論"的文章，認(rèn)為1859年J.普呂克爾發(fā)現(xiàn)的陰極射線就是電子束；1895年提出洛倫茲力公式，它和麥克斯韋方程相結(jié)合，

13、構(gòu)成了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)；并用電子論解釋了正常色散、反常色散(見(jiàn)光的色散)和塞曼效應(yīng)。1897年J.J.湯姆孫對(duì)不同稀薄氣體、不同材料電極制成的陰極射線管施加電場(chǎng)和磁場(chǎng)，精確測(cè)定構(gòu)成陰極射線的粒子有同一的荷質(zhì)比，為電子論提供了確切的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。電子就成了最先發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子。1895年W.K.倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，延伸了電磁波譜，它對(duì)物質(zhì)的強(qiáng)穿透力，使它很快就成為診斷疾病和發(fā)現(xiàn)金屬內(nèi)部缺陷的工具。1896年A.-H.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射性，1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性更強(qiáng)的新元素--釙和鐳，但這些發(fā)現(xiàn)一時(shí)尚未引起物理學(xué)界的廣泛注意 20世紀(jì)的物理學(xué)到19世紀(jì)末期，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到很完滿的階段，

14、許多物理學(xué)家認(rèn)為物理學(xué)已接近盡頭，以后的工作只是增加有效數(shù)字的位數(shù)。開(kāi)爾文在19世紀(jì)最后一個(gè)除夕夜的新年祝詞中說(shuō)："物理大廈已經(jīng)落成，…動(dòng)力理論確定了熱和光是運(yùn)動(dòng)的兩種方式，現(xiàn)在它的美麗而晴朗的天空出現(xiàn)兩朵烏云，一朵出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論，另一朵出現(xiàn)在麥克斯韋和玻耳茲曼的能量均分理論。"前者指的是以太漂移和邁克耳孫-莫雷測(cè)量地球?qū)?絕對(duì)靜止的)以太速度的實(shí)驗(yàn)，后者指用能量均分原理不能解釋黑體輻射譜和低溫下固體的比熱。恰恰是這兩個(gè)基本問(wèn)題和開(kāi)爾文所忽略的放射性，孕育了20世紀(jì)的物理學(xué)革命。 1905年A.愛(ài)因斯坦為了解決電動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于動(dòng)體的不對(duì)稱(chēng)(后稱(chēng)為電動(dòng)力學(xué)與伽利略相對(duì)性原理的不協(xié)調(diào))，創(chuàng)建了

15、狹義相對(duì)論，即適用于一切慣性參考系的相對(duì)論。他從真空光速不變性出發(fā)，即在一切慣性系中，運(yùn)動(dòng)光源所射出的光的速度都是同一值，推出了同時(shí)的相對(duì)性和動(dòng)系中尺縮、鐘慢的結(jié)論，完滿地解釋了洛倫茲為說(shuō)明邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)提出的洛倫茲變換公式，從而完成了力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的綜合。另一方面，狹義相對(duì)論還否定了絕對(duì)的空間和時(shí)間，把時(shí)間和空間結(jié)合起來(lái)，提出統(tǒng)一的相對(duì)的時(shí)空觀構(gòu)成了四度時(shí)空；并徹底否定以太的存在，從根本上動(dòng)搖了經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)的哲學(xué)基礎(chǔ)，而把伽利略的相對(duì)性原理提高到新的階段，適用于一切動(dòng)體的力學(xué)和電磁學(xué)現(xiàn)象。但在動(dòng)體或動(dòng)系的速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，相對(duì)論力學(xué)就和經(jīng)典力學(xué)相一致了。經(jīng)典力學(xué)中的質(zhì)量、能量和動(dòng)

16、量在相對(duì)論中也有新的定義，所導(dǎo)出的質(zhì)能關(guān)系為核能的釋放和利用提供了理論準(zhǔn)備。1915年，愛(ài)因斯坦又創(chuàng)建廣義相對(duì)論，把相對(duì)論推廣到非慣性系，認(rèn)為引力場(chǎng)同具有相當(dāng)加速度的非慣性系在物理上是完全等價(jià)的，而且在引力場(chǎng)中時(shí)空是彎曲的，其曲率取決于引力場(chǎng)的強(qiáng)度，革新了宇宙空間都是平直的歐幾里得空間的舊概念。但對(duì)于范圍和強(qiáng)度都不很大的引力場(chǎng)如地球引力場(chǎng)，可以完全不考慮空間的曲率，而對(duì)引力場(chǎng)較強(qiáng)的空間如太陽(yáng)等恒星的周?chē)头秶艽蟮目臻g如整個(gè)可觀測(cè)的宇宙空間，就必須考慮空間曲率。因此廣義相對(duì)論解釋了用牛頓引力理論不能解釋的一些天文現(xiàn)象，如水星近日點(diǎn)反常進(jìn)動(dòng)、光線的引力偏析等。以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)的宇宙學(xué)已成為天文

17、學(xué)的發(fā)展最快的一個(gè)分支。 另一方面，1900年M.普朗克提出了符合全波長(zhǎng)范圍的黑體輻射公式，并用能量量子化假設(shè)從理論上導(dǎo)出，首次提出物理量的不連續(xù)性。1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表光量子假設(shè)，以光的波粒二象性，解釋了光電效應(yīng)；1906年又發(fā)表固體熱容的量子理論；1913年N.玻爾(見(jiàn)玻爾父子)發(fā)表玻爾氫原子理論，用量子概念準(zhǔn)確地地計(jì)算出氫原子光譜的巴耳末公式，并預(yù)言氫原子存在其他線光譜，后獲證實(shí)。1918年玻爾又提出對(duì)應(yīng)原理，建立了經(jīng)典理論通向量子理論的橋梁；1924年L.V.德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性的假設(shè)，預(yù)言電子束的衍射作用；1925年W.泡利發(fā)表泡利不相容原理，W.K.海森伯在M.玻

18、恩和數(shù)學(xué)家E.P.約旦的幫助下創(chuàng)立矩陣力學(xué)，P.A.M.狄拉克提出非對(duì)易代數(shù)理論；1926年 E.薛定諤根據(jù)波粒二象性發(fā)表波動(dòng)力學(xué)的一系列論文，建立了波函數(shù)，并證明波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)是等價(jià)的，遂即統(tǒng)稱(chēng)為量子力學(xué)。同年6月玻恩提出了波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋?zhuān)砻鲉蝹€(gè)粒子所遵循的是統(tǒng)計(jì)性規(guī)律而非經(jīng)典的確定性規(guī)律；1927年海森伯發(fā)表不確定性關(guān)系；1928年發(fā)表相對(duì)論電子波動(dòng)方程，奠定了相對(duì)論性量子理論的基礎(chǔ)。由于一切微觀粒子的運(yùn)動(dòng)都遵循量子力學(xué)規(guī)律，因此它成了研究粒子物理學(xué)、原子核物理學(xué)、原子物理學(xué)、分子物理學(xué)和固體物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，也是研究分子結(jié)構(gòu)的重要手段，從而發(fā)展了量子化學(xué)這個(gè)化學(xué)新分支。 差不

19、多同時(shí)，研究由大量粒子組成的粒子系統(tǒng)的量子統(tǒng)計(jì)法也發(fā)展起來(lái)了，包括1924年建立的玻色-愛(ài)因斯坦分布和1926年建立的費(fèi)米-狄拉克分布，它們分別適應(yīng)于自旋為整數(shù)和半整數(shù)的粒子系統(tǒng)。稍后，量子場(chǎng)論也逐漸發(fā)展起來(lái)了。1927年，狄拉克首先提出將電磁場(chǎng)作為一個(gè)具有無(wú)窮維自由度的系統(tǒng)進(jìn)行量子化的方案，以處理原子中光的自發(fā)輻射和吸收問(wèn)題。1929年海森伯和泡利建立了量子場(chǎng)論的普遍形式，奠定了量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。通過(guò)重正化解決了發(fā)散困難，并計(jì)算各階的輻射修正，所得的電子磁矩?cái)?shù)值與實(shí)驗(yàn)值只相差2.5×10-10，其準(zhǔn)確度在物理學(xué)中是空前的。量子場(chǎng)論還正向統(tǒng)一場(chǎng)論的方向發(fā)展，即把電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相

20、互作用和引力相互作用統(tǒng)一在一個(gè)規(guī)范理論中，已取得若干成就的有電弱統(tǒng)一理論、量子色動(dòng)力學(xué)和大統(tǒng)一理論等。 物理學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論相互推進(jìn)，并廣泛應(yīng)用于各部門(mén)，成為技術(shù)革命的重要?jiǎng)恿?，也?0世紀(jì)物理學(xué)的一個(gè)顯著特征。其中開(kāi)展得最迅速的領(lǐng)域則是原子核物理學(xué)和粒子物理學(xué)。1905年E.盧瑟福等發(fā)表元素的嬗變理論說(shuō)明放射性元素因放射a和β粒子轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪辉?，打破元素萬(wàn)古不變的舊觀念；1911年盧瑟福又利用a粒子的大角度散射，確立了原子核的概念；1919年，盧瑟福用a粒子實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)。鑒于天然核反應(yīng)不受外界條件的控制，當(dāng)時(shí)人工核反應(yīng)所消耗的能量又遠(yuǎn)大于所獲得的核能，因此盧瑟福曾斷言核能的利用是不可能的。1

21、932年2月，J.查德威克在約里奧·居里夫婦(1932年1月)和W.博特的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了中子，既解決構(gòu)成原子核的一個(gè)基本粒子(和質(zhì)子并稱(chēng)為核子)，又因它對(duì)原子核只有引力而無(wú)庫(kù)侖斥力，中子特別是慢中子成為誘發(fā)核反應(yīng)、產(chǎn)生人工放射性核素的重要工具。1938年發(fā)現(xiàn)核裂變反應(yīng)，1942年建成第一座裂變反應(yīng)堆，完成裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，1945年爆炸了第一顆原子彈 ，1954年建成了第一個(gè)原子能發(fā)電站，至今核裂變能已成為重要的能源。物理學(xué)家還從核聚變方向探索新能源：1938年H.A.貝特提出碳氮循環(huán)假說(shuō)以氫聚變解釋太陽(yáng)的能源，成為分析太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和恒星演化的重要理論依據(jù)；1952年爆炸了第一顆氫彈。許多國(guó)家

22、都在慣性約束聚變和磁約束聚變等不同方面，探索自控核聚變反應(yīng)，以解決日趨匱乏的能源問(wèn)題。 對(duì)基本粒子的研究，最初是和研究原子和原子核結(jié)構(gòu)在一起的，先后發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子。1931年泡利為了解釋?duì)滤プ兊哪芰渴睾?，提出中微子假設(shè)，于1956年證實(shí)。1932年C.D.安德森發(fā)現(xiàn)第一個(gè)反粒子即正電子，證實(shí)了狄拉克于1928年作出的一切粒子都存在反粒子的預(yù)言。在研究核內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)核子間普遍存在強(qiáng)相互作用，以克服質(zhì)子間的電磁相互作用，還了解核內(nèi)存在數(shù)值比電磁作用小的弱相互作用，它是引起β衰變的主要作用。1934年湯川秀樹(shù)用介子交換的假設(shè)解釋強(qiáng)相互作用，但當(dāng)時(shí)所用的粒子加速器的能量不足以產(chǎn)生介子，因

23、此要在宇宙射線中尋找。1937年C.D.安德森在宇宙線內(nèi)果然找到了一種質(zhì)量介乎電子和質(zhì)子間的粒子(后稱(chēng)μ子)，一度被認(rèn)為介子，但以后發(fā)現(xiàn)它并無(wú)強(qiáng)作用。1947年C.F.鮑威爾在高山頂上利用核乳膠發(fā)現(xiàn)π介子。從50年代起，各國(guó)都把高頻、微波和自動(dòng)控制技術(shù)引入加速器，制成大型高能加速器及對(duì)撞機(jī)等，成為粒子物理學(xué)的主要實(shí)驗(yàn)手段，發(fā)現(xiàn)了幾百種粒子：將參與電磁、強(qiáng)、弱相互作用的粒子稱(chēng)為強(qiáng)子，如核子、介子和質(zhì)量超過(guò)核子的重子；只參與電磁和弱相互作用的粒子如電子、μ子、τ子稱(chēng)輕子，并開(kāi)始按對(duì)稱(chēng)性分類(lèi)。1955年發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)稱(chēng)為θ介子和τ介子的兩種粒子，它們的質(zhì)量、壽命相同應(yīng)屬一種粒子，但在弱相互作用下卻有兩種不

24、同衰變方式，一種衰變成偶宇稱(chēng)，一種為奇宇稱(chēng)，究竟是一種或兩種粒子 ，被稱(chēng)為θ-τ之謎。李政道和楊振寧仔細(xì)檢查了以往的弱作用實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)這些實(shí)驗(yàn)并未證實(shí)弱作用中宇稱(chēng)守恒，從而以弱作用中宇稱(chēng)不守恒，確定θ和τ是一種粒子，合稱(chēng)K粒子。這是首次發(fā)現(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性破缺。對(duì)粒子間相互作用的研究還促進(jìn)了量子電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。60年代中期起，進(jìn)一步研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)，提出帶色的夸克假設(shè)，并用對(duì)稱(chēng)性及其破缺來(lái)分析夸克和粒子的各種性質(zhì)及各種相互作用；建立了電弱統(tǒng)一理論和量子色動(dòng)力學(xué)，并正在探索將電磁、弱、強(qiáng)三種相互作用統(tǒng)一起來(lái)的大統(tǒng)一理論。 此外，基于19世紀(jì)末熱電子發(fā)射現(xiàn)象，1906年發(fā)明了具有放大作用的三極電子管，各種電

25、子管紛紛出現(xiàn)，并和基于陰極射線的攝像管相結(jié)合，使電子工業(yè)，電子技術(shù)和電子學(xué)都迅速發(fā)展。1912年M.von勞厄發(fā)現(xiàn)X射線通過(guò)晶體時(shí)的衍射現(xiàn)象，后布拉格父子發(fā)展了研究固體的X射線衍射技術(shù)，在發(fā)現(xiàn)電子和離子的衍射現(xiàn)象后，鑒于它們的波長(zhǎng)可以較X射線更短，發(fā)展了各種電子顯微鏡，其中掃描透射電鏡的分辨本領(lǐng)達(dá)到3，可以觀察到輕元素支持膜上的重原子，這些都成為研究固體結(jié)構(gòu)及其表面狀態(tài)的重要實(shí)驗(yàn)工具。在引入量子理論后固體物理學(xué)及所屬的表面物理學(xué)迅速開(kāi)展起來(lái)了。在固體的能帶理論指導(dǎo)下，對(duì)半導(dǎo)體的研究取得很大成功，1947年制成了具有放大作用的晶體三極管，以后又發(fā)明其他類(lèi)型晶體管和集成電路等半導(dǎo)體器件，使電子設(shè)備

26、小型化，促進(jìn)了電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，并開(kāi)創(chuàng)了半導(dǎo)體物理學(xué)新學(xué)科。此外，以愛(ài)因斯坦的受激輻射理論為基礎(chǔ)，發(fā)展了激光技術(shù)，由于激光的高定向性、高單色性、高相干性和高亮度，得到了廣泛的應(yīng)用；在低溫物理學(xué)方面，H.卡默林-昂內(nèi)斯于1906和1908年相繼液化了氫氣和氦氣，1911 年發(fā)現(xiàn)金屬在溫度4K左右時(shí)的超導(dǎo)電性，以后超導(dǎo)物質(zhì)有所增加，超導(dǎo)溫度也漸提高?，F(xiàn)已證實(shí)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可提高到100余開(kāi)，并已開(kāi)始應(yīng)用于超導(dǎo)加速器等。 學(xué)科特點(diǎn)物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，"實(shí)踐是真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)"，物理學(xué)也同樣遵循這一標(biāo)準(zhǔn)。一切假說(shuō)都必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，必須經(jīng)受住實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。但物理學(xué)也是思辨性很強(qiáng)的科學(xué)，從誕生之日起就和哲

27、學(xué)建立了不解之緣。無(wú)論是伽利略的相對(duì)性原理、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)量和能量守恒定律、麥克斯韋方程乃至相對(duì)論、量子力學(xué)，無(wú)不帶有強(qiáng)烈的、科學(xué)的思辨性。有些科學(xué)家例如在19世紀(jì)中主編《物理學(xué)與化學(xué)》雜志的J.C.波根多夫曾經(jīng)想把思辨性逐出物理學(xué)，先后兩次以具有思辨性?xún)?nèi)容為由，拒絕刊登邁爾和亥姆霍茲的論能量守恒的文章，終為后世所詬病。要發(fā)現(xiàn)隱藏在實(shí)驗(yàn)事實(shí)后面的規(guī)律，需要深刻的洞察力和豐富的想像力。多少物理學(xué)家關(guān)注θ-τ之謎，唯有華裔美國(guó)物理學(xué)家李政道和楊振寧，經(jīng)過(guò)縝密的思辨，檢查大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)謎后隱藏著未經(jīng)實(shí)驗(yàn)鑒定的弱相互作用的宇稱(chēng)守恒的假設(shè)。而從物理學(xué)發(fā)展史來(lái)看，每一次大綜合都促使物理學(xué)本身和有關(guān)學(xué)科的

28、很大發(fā)展，而每一次綜合既以建立在大量精確的觀察、實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，也有深刻的思辨內(nèi)容。因此一般的物理工作者和物理教師，為了更好地應(yīng)用和傳授物理知識(shí)，也應(yīng)從物理學(xué)的整個(gè)體系出發(fā)，理解其中的重要概念和規(guī)律。 應(yīng)用物理學(xué)是廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)各部門(mén)的一門(mén)科學(xué)，有人曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，優(yōu)秀的工程師應(yīng)是一位好物理學(xué)家。物理學(xué)某些方面的發(fā)展，確實(shí)是由生產(chǎn)和生活的需要推動(dòng)的。在前幾個(gè)世紀(jì)中，卡諾因提高蒸汽機(jī)的效率而發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律，阿貝為了改進(jìn)顯微鏡而建立光學(xué)系統(tǒng)理論，開(kāi)爾文為了更有效地使用大西洋電纜發(fā)明了許多靈敏電學(xué)儀器；在20世紀(jì)內(nèi)，核物理學(xué)、電子學(xué)和半導(dǎo)體物理、等離子體物理乃至超聲學(xué)、水聲學(xué)、建筑聲學(xué)、噪聲研究等的

29、迅速發(fā)展，顯然和生產(chǎn)、生活的需要有關(guān)。因此，大力開(kāi)展應(yīng)用物理學(xué)的研究是十分必要的。另一方面，許多推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，大大促進(jìn)生產(chǎn)的物理學(xué)成就卻肇始于基本理論的探求，例如：法拉第從電的磁效應(yīng)得到啟發(fā)而研究磁的電效應(yīng)，促進(jìn)電的時(shí)代的誕生；麥克斯韋為了完善電磁場(chǎng)理論，預(yù)言了電磁波，帶來(lái)了電子學(xué)世紀(jì)；X射線、放射性乃至電子、中子的發(fā)現(xiàn)，都來(lái)自對(duì)物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)的研究。從重視知識(shí)、重視人才考慮，尤應(yīng)注重基礎(chǔ)理論的研究。因此為使科學(xué)技術(shù)達(dá)到世界前列，基礎(chǔ)理論研究是絕不能忽視的。 展望21世紀(jì)的前夕，科學(xué)家將從本學(xué)科出發(fā)考慮百年前景。物理學(xué)是否將如前兩三個(gè)世紀(jì)那樣，處于領(lǐng)先地位，會(huì)有一番爭(zhēng)議，但不會(huì)再有一位科學(xué)家

30、像開(kāi)爾文那樣，斷言物理學(xué)已接近發(fā)展的終端了。能源和礦藏的日漸匱乏，環(huán)境的日漸惡化，向物理學(xué)提出解決新能源、新的材料加工、新的測(cè)試手段的物理原理和技術(shù)。對(duì)粒子的深層次探索，解決物質(zhì)的最基本的結(jié)構(gòu)和相互作用，將為人類(lèi)提供新的認(rèn)識(shí)和改造世界的手段，這需要有新的粒子加速原理，更高能量的加速器和更靈敏、更可靠的探測(cè)器。實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩?，需要綜合等離子體物理、激光物理、超導(dǎo)物理、表面物理、中子物理等方面知識(shí)，以解決有關(guān)的一系列理論技術(shù)問(wèn)題?？傊?，隨著新的技術(shù)革命的深入發(fā)展，物理學(xué)也將無(wú)限延伸。 特別聲明： 1：資料來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)，版權(quán)歸屬原作者 2：資料內(nèi)容屬于網(wǎng)絡(luò)意見(jiàn)，與本賬號(hào)立場(chǎng)無(wú)關(guān) 3：如有侵權(quán)，請(qǐng)告知，立即刪除。