幾個有關(guān)物理的問題

【專家解說】：物理學(xué)的發(fā)展歷程 物理學(xué)是一門有著悠久歷史的科學(xué)，早在古代，人們在日常生活和生產(chǎn)實踐中就積累了一些物理知識，古希臘的亞里士多德曾經(jīng)寫過《物理學(xué)》一書，敘述了當(dāng)時人們的有關(guān)物體運動的知識，我國古代的沈括在《夢溪筆談》中也闡述了許多物理現(xiàn)象。但是，古代的物理學(xué)知識主要是依賴直觀和思辨總結(jié)的，缺乏嚴(yán)格的實驗檢驗。物理學(xué)真正成為一門嚴(yán)格的科學(xué)是隨著實驗方法的引入和數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用才確立的，物理學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個階段： （1）17、18世紀(jì)，建立和發(fā)展了牛頓力學(xué)和熱力學(xué)，對于蒸汽機、熱機、機械工業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用，使人類開始了第一次工業(yè)革命。 蒸汽機的發(fā)明，在18世紀(jì)的工業(yè)革命中占有重要的地位，它的發(fā)明并非主要依靠經(jīng)驗，而是吸取了當(dāng)時許多物理學(xué)的研究成果。1643年，托里拆利發(fā)現(xiàn)了真空。1654年，德國的格里凱通過馬德堡半球?qū)嶒炦M(jìn)一步認(rèn)識了大氣壓的性質(zhì)，指出在真空狀態(tài)下大氣壓可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械力，并發(fā)明了真空泵。1662年，英國科學(xué)家玻意耳在格里凱實驗的影響下，進(jìn)一步研究了大氣壓的性質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)了有名的玻意耳定律。1695年，在玻意耳的指導(dǎo)下，法國物理學(xué)家巴本終于發(fā)明了帶活塞的蒸汽機。1705年，經(jīng)過英國的工程師塞維利和鍛工出身的技術(shù)家鈕可門等人的改進(jìn)，蒸汽機的性能有了一些提高。后來，英國的著名發(fā)明家瓦特對鈕可門蒸汽機的性能做了重大改進(jìn)，在此過程中，瓦特應(yīng)用了物體的比熱和水轉(zhuǎn)化為蒸汽的潛熱等物理概念來計算不同大小蒸汽機的蒸汽消耗量，并采取了把冷凝器和主氣缸分開的關(guān)鍵性措施，使得蒸汽機的效率大大提高。1768年，近代蒸汽機作為整個工業(yè)的“萬能原動機”首次出現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，這也成為第一次工業(yè)革命的標(biāo)志。 除了蒸汽機的發(fā)明以外，在17世紀(jì)和18世紀(jì)，機械技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了應(yīng)用和發(fā)展，如航海中利用機械技術(shù)改進(jìn)船的推力；確定船在海洋中的位置；礦井中提取礦石、排氣排水；粉碎礦石；軍事中有關(guān)火炮內(nèi)力作用、空氣彈道和空氣阻力的計算，等等，所有這些，都是在牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上得以發(fā)展的。 （2）19世紀(jì)，建立和發(fā)展了經(jīng)典電磁理論，促進(jìn)了工業(yè)電氣化、無線電通信等的發(fā)展，使人類開始了第二次工業(yè)革命，進(jìn)入了應(yīng)用電能的時代。 進(jìn)入19世紀(jì)以后，物理學(xué)對技術(shù)發(fā)展影響的特點是物理原理轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)成果的速度大大加快了，如果說牛頓力學(xué)、熱力學(xué)用了100～200年的時間才完成了理論到技術(shù)的滲透和轉(zhuǎn)化，那么從電磁理論到電氣技術(shù)的轉(zhuǎn)變，一般只用了幾十年，甚至十幾年。1820年，奧斯特在自然統(tǒng)一性哲學(xué)觀點的指導(dǎo)下，第一次把電、磁現(xiàn)象聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。1831年，在奧斯特發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)下，法拉第發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)的逆效應(yīng)——電磁感應(yīng)定律。這兩大發(fā)明的直接結(jié)果是，1832年皮克希發(fā)明發(fā)電機，1837年雅可比發(fā)明電動機，1837年莫爾斯發(fā)明電報，1885年斯坦利發(fā)明變壓器，1888年特拉斯發(fā)明交流電機……隨著電機技術(shù)的發(fā)展，電能的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，因而開始了發(fā)電站的建立和電力傳輸技術(shù)的發(fā)展。另外，隨著對電與磁的各種效應(yīng)的認(rèn)識的深化，出現(xiàn)了一系列嶄新的技術(shù)領(lǐng)域，如電解、電鍍、電熱、電冶、電聲、電光源，等等。麥克斯韋在法拉第有關(guān)場的概念以及電磁現(xiàn)象的經(jīng)驗規(guī)律（庫侖定律、畢奧-沙伐定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律……）的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了電磁場方程并預(yù)言電磁波的存在，使經(jīng)典電磁理論發(fā)展到高峰，1888年赫茲用實驗驗證了這一理論。在這一基礎(chǔ)上，1895年馬可尼和波波夫分別進(jìn)行了人類第一次無線電通訊。 另外，物理學(xué)除了對宏觀電氣技術(shù)作出了巨大貢獻(xiàn)以外，還研究了真空中的電現(xiàn)象以及經(jīng)典電子論，這些為以后電子技術(shù)、原子能技術(shù)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，對介質(zhì)中的電磁現(xiàn)象的研究，為凝聚態(tài)物理以及相應(yīng)的材料科學(xué)的發(fā)展開辟了道路。 （3）20世紀(jì)上半葉，建立了相對論和量子理論，使人類的認(rèn)識深入到了原子和原子核內(nèi)部，在此基礎(chǔ)上，引起了原子能、半導(dǎo)體、計算機、激光等新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，推動了量子化學(xué)、分子生物學(xué)、量子生物學(xué)、現(xiàn)代宇宙學(xué)等新學(xué)科的出現(xiàn)，使人類開始了第三次技術(shù)革命。 1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線。1896年貝克勒耳發(fā)現(xiàn)了電子。1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子。這些發(fā)現(xiàn)破除了原子是宇宙的最小微粒的概念，人類的認(rèn)識深入到了原子內(nèi)部，這同樣也是近代物理學(xué)的開端。1900年普朗克為了解決黑體輻射問題，提出了量子論。1905年愛因斯坦為了解決電動力學(xué)在高速領(lǐng)域的“悖論”，建立了相對論。以量子論和相對論為基點，愛因斯坦于1905年又提出了光子的概念。1913年玻爾建立了氫原子的量子理論。在1924～1926年間，在波恩、海森堡、德布羅意、薛定諤、狄拉克、泡利等物理學(xué)家的努力下，建立了量子力學(xué)這一反映微觀世界物質(zhì)運動規(guī)律的物理理論，從此，近代物理學(xué)宣告誕生了。在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，原子物理學(xué)、電子物理學(xué)、粒子物理學(xué)、原子核物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、固體物理學(xué)、金屬物理學(xué)、激光物理學(xué)、天體物理學(xué)、低溫物理學(xué)、非平衡態(tài)物理學(xué)等學(xué)科不斷涌現(xiàn)，人類的物質(zhì)文明進(jìn)入了一個嶄新的時期。 20世紀(jì)下半葉以來，物理學(xué)在探索亞核世界運動、宇觀世界的天體運動等規(guī)律方面取得了積極的進(jìn)展，如果向物質(zhì)結(jié)構(gòu)的更深、更廣層次的研究取得成功的話，必然對自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響，同時也必然會對人類社會的物質(zhì)文明帶來巨大的進(jìn)步。在近代物理學(xué)的基礎(chǔ)上，形成了一系列的新技術(shù)群，如新能源技術(shù)，包括核的裂變能與聚變能的利用、太陽能、地?zé)崮?、新化學(xué)能等多種形式能的利用；激光技術(shù)，包括各種激光器在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用；半導(dǎo)體技術(shù)，包括晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體器件；信息技術(shù)，包括信息的傳輸、接收、儲存、處理及反饋等各種技術(shù)；計算機技術(shù)，包括硬件和軟件；材料技術(shù)，包括導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、絕緣材料、耐高溫材料、抗輻射材料、高強度材料、壓電材料、熱電材料、光電材料、聲光材料等，所有這些都說明，物理學(xué)的每一次進(jìn)步，都為社會生產(chǎn)進(jìn)步帶來了必要的基礎(chǔ)和條件。 物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)的自然科學(xué)，除了可以通過把物理知識轉(zhuǎn)化為物質(zhì)設(shè)備、產(chǎn)品以及物質(zhì)手段等的過程，對人類的物質(zhì)生活產(chǎn)生了巨大的影響之外，還應(yīng)看到，物理學(xué)還是人類文化的一個重要組成部分。從17世紀(jì)以來，物理學(xué)一直在自然科學(xué)中占主導(dǎo)地位，物理學(xué)以其對客觀世界的最基本的運動規(guī)律的探索，成為世界文化中的非常重要的組成部分，對社會生活方式和人類思維方式的進(jìn)步，做出了積極的貢獻(xiàn)。世界各國都把物理學(xué)作為向下一代傳授的文化內(nèi)容之一。 值得指出的是，物理學(xué)還是一門帶有方法論性質(zhì)的科學(xué)。物理學(xué)與研究自然、社會、思維世界的普遍規(guī)律的哲學(xué)有著非常密切的關(guān)系，在物理學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展過程中，充滿著富有哲理的物理思想。辯證唯物主義的產(chǎn)生和發(fā)展從物理學(xué)中吸取了許多營養(yǎng)，物理學(xué)為辯證唯物主義的基本理論提供了許多佐證，通過學(xué)習(xí)物理學(xué)，對理解辯證唯物主義的基本原理是有益的。物理學(xué)還與數(shù)學(xué)一起，創(chuàng)造了科學(xué)的三大工作方法：觀察、實驗、理論。觀察是有目的、有計劃地運用各種感覺器官，了解事物、現(xiàn)象的特征，及其發(fā)生發(fā)展的條件；實驗是在人為控制的條件下，利用設(shè)備、儀器，突出自然界、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中物理現(xiàn)象的主要因素，使其反復(fù)再現(xiàn)，便于觀察和測量。觀察和實驗是獲得資料和數(shù)據(jù)的源泉，在此基礎(chǔ)上，通過分析、綜合，區(qū)分出主要因素和次要因素，突出事物、現(xiàn)象的本質(zhì)，進(jìn)行科學(xué)的抽象和概括，建立概念和模型，再根據(jù)概念進(jìn)行科學(xué)的判斷，進(jìn)而進(jìn)行科學(xué)的推理，反復(fù)驗證后形成理論。這樣，不僅總結(jié)過去，而且指導(dǎo)未來。物理學(xué)中常用的處理問題的方法，如研究復(fù)雜問題的等效方法、隔離方法、近似處理方法以及數(shù)學(xué)方法等，也有著廣泛的普遍意義?？傊?，物理學(xué)的方法、思想對學(xué)習(xí)和理解其他運動規(guī)律有促進(jìn)和幫助作用，它的知識結(jié)構(gòu)也容易遷移到其他學(xué)科的學(xué)習(xí)中去，從這個意義上講，物理學(xué)有其教育性。 雕刻玉版反映了中國古人天圓地方的宇宙觀 我們還可以在其以后的典籍中找到類似的記載?！吨芏Y·春官·大宗伯》：“以玉作六器，以禮天地四方。以蒼璧禮天，以黃琮禮地，以黃圭禮東方，以赤璋禮南方，以白虎作西方，以玄璜禮北方?！薄吨芏Y》：“大祭祀、大旅，凡賓客之事，共其玉器而奉之?！薄渡袝そ痣酚涊d周公“植璧秉圭”禱告先王之后將玉器獻(xiàn)給神靈。但這些習(xí)俗絕非源自于商周，而是有其更深的文化淵源。近代學(xué)者對各種玉器的用途也多有考證。如張光直先生認(rèn)為琮應(yīng)是巫師用來貫通天地的法器。是財富和權(quán)力和象征。針對琮上的獸面紋飾，張氏引用《左傳》及《道藏》中的有關(guān)資料，指出巫師通天地的工作是受到動物幫助的。這和薩滿式的巫術(shù)極為近似。薩滿式的巫術(shù)即巫師借助動物的助力溝通天地，溝通民神，溝通生死，這種巫術(shù)從考古學(xué)上可追溯到舊石器時代的晚期[4]。周南泉先生認(rèn)為玉璧源于人們對天的信仰，進(jìn)而仿天之圓形進(jìn)行創(chuàng)作。它是人們原始信仰和宇宙觀的反映 哥白尼 1543年，哥白尼出版了他的《天體運行論》，第一次提出太陽中心論，取代了沿襲千年的托勒密“日心論” 伽利略 以伽利略為代表的科學(xué)思想全面地對古代亞里士多德思想體系的懷疑和挑戰(zhàn)。從亞氏的“發(fā)生說”到“沖力論”，從“自然界忌真空”到“下落速度與重量成比例”等等，幾乎一切古代的哲學(xué)信條，都要經(jīng)過科學(xué)實驗的檢驗，從而奠定了實驗物理學(xué)的基礎(chǔ)。伽利略作為近代科學(xué)的巨人，一生有十幾項劃時代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。伽利略徹底的科學(xué)革命精神導(dǎo)致了科學(xué)與宗教的重大對抗，1632年2月，伽利略被傳訊，6月被押送羅馬，接受宗教裁判所的審訊。為了避免酷刑，這個年邁的科學(xué)家被迫在印好的懺悔書上簽了字。但是，伽利略跪起之后，喃喃自語道：“有什么辦法呢，地球仍然在運動！” 伽利略以堅忍的韌性為牛頓力學(xué)開辟了道路。先驅(qū)者們前赴后繼，迎來了近代自然科學(xué)的曙光。 牛頓 作為英國皇家學(xué)會前身的“無形學(xué)會”由于受到資產(chǎn)階級革命的鼓舞，度過了自己科學(xué)史上的“黃金時代”。那時，“自由研究”、“個人奮斗”、“知識私有”三位一體，注重研究和實際生產(chǎn)生活密切相連，如他們把注意力集中在當(dāng)時一些重大的技術(shù)（如抽機、炮術(shù)和航海等）問題上，因而受到資產(chǎn)階級的大力支持和歡迎。依靠資產(chǎn)階級的大力支持，虎克做了許多出色的實驗，這使他后來幾乎成了皇家學(xué)會的主要臺柱之一。與此同時，波義爾發(fā)現(xiàn)了氣體定律；虎克發(fā)現(xiàn)了彈性定律；牛頓和德國的萊布尼茲創(chuàng)立了微積分。特別是牛頓集前人之大成，一生獲十幾項重大科學(xué)成果，奠定了以牛頓力學(xué)為代表的近代物理學(xué)基礎(chǔ)。這些成就，無疑是科學(xué)家智慧的結(jié)晶，是英國近代科學(xué)革命的產(chǎn)物?！盁o形學(xué)會”活躍時期，是科學(xué)實驗在西方歷史上生機勃勃的革命時期，科學(xué)實驗依靠社會革命所解放出來的生產(chǎn)力，獲得了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。英國科學(xué)的崛起，又為英國工業(yè)革命和經(jīng)濟發(fā)展創(chuàng)造了極其重要的條件。 愛因斯坦 阿爾伯特·愛因斯坦 (Albert Einstein 1879--1955) 20 世紀(jì)最偉大的科學(xué)家，因創(chuàng)立了相對論而聞名于世。相對論原理的建立是人類對自然界認(rèn)識過程中的一次飛躍 , 它圓滿地把傳統(tǒng)物理學(xué)包括在自身的理論體系之中。廣義的相對論更開闊了人類的視野，使科學(xué)研究的范圍從無限小的微觀世界直至無限大的宏觀世界。今天，相對論已成為原子能科學(xué)、宇宙航行和天文學(xué)的理論基礎(chǔ)，被廣泛運用于理論科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)之中。愛因斯坦的偉大成就——相對論，是自然科學(xué)發(fā)展史上的一個劃時代的里程碑。 愛因斯坦于1879年3月14日出生在德國一個猶太人家庭。1905年獲得物理學(xué)博士學(xué)位，同年發(fā)表狹義相對論。1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。1933年因受德國納粹反猶太主義狂潮迫害而離開祖國，遷居美國。1955年4月18日病逝于普林斯頓。 愛因斯坦不僅是一個偉大的科學(xué)家，還是一個具有正義感的社會活動家。他關(guān)心人類的文明和進(jìn)步。第二次世界大戰(zhàn)時，他公開譴責(zé)德國法西斯的暴行，因此成為德國納粹分子追捕的對象。愛因斯坦還譴責(zé)日本帝國主義對中國的侵略。晚年，他主張禁用核武器，反對核軍備競賽。臨終前，他仍念念不忘公民自由和世界和平。 19 世紀(jì)末、 20 世紀(jì)初，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)實驗水平的提高，人們對自然界的認(rèn)識開始從宏觀世界進(jìn)入微觀世界，從低速運動發(fā)展到高速運動，自然科學(xué)正面臨著重大的突破。正是在這個時期，年輕的愛因斯坦以舊科學(xué)理論"叛逆者"的姿態(tài)，登上了自然科學(xué)舞臺。 愛因斯坦少年時代對自然現(xiàn)象懷有濃厚的興趣，風(fēng)和雨形成，月亮高懸空中竟然不會掉下來，這些無不令他感到驚奇。 1896 年，在瑞士蘇黎士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)讀書時，愛因斯坦就希望成為一名物理學(xué)家。 但畢業(yè)后，愛因斯坦處于失業(yè)狀態(tài)，兩年后才在瑞士伯爾尼市專利局找到一個低級職員的位置。雖然生活十分貧困，但他仍堅持不懈地從事科學(xué)研究工作，利用業(yè)余時間看了大量的書。這段時間奠定了他一生科學(xué)研究的基礎(chǔ)。 1905 年，愛因斯坦在狹義相對論、光電效應(yīng)和布朗運動三個不同領(lǐng)域里取得了重大成果，表現(xiàn)出驚人的才智。但是，當(dāng)時科學(xué)界對此作出響應(yīng)的人寥寥無幾，法國著名科學(xué)家朗之萬曾對愛因斯坦說，全世界只有幾個人知道什么是相對論。大多數(shù)人是懷疑的，有的甚至堅決反對。這是因為伽利略和牛頓創(chuàng)立的古典力學(xué)理論體系，經(jīng)歷了 200 年的發(fā)展后取得了輝煌成就。盡管舊的理論體系和新的事實之間出現(xiàn)了尖銳的矛盾，但許多物理學(xué)家仍不能擺脫它的束縛。他們力圖把新的實驗事實和物理現(xiàn)象容納在舊的理論框架中，但愛因斯坦卻不迷信前人，他探索著把相對論推廣到更為廣泛的運動情況中去。為此他又研究了整整 10 年。 1916 年，愛因斯坦發(fā)表了總結(jié)性論著《廣義相對論原理》。 楊振寧 楊振寧（1922～）美籍華裔物理學(xué)家。1922年9月22日生于安徽省合肥縣（今合肥市）。1942年畢業(yè)于西南聯(lián)合大學(xué)。1945年去美國留學(xué)，在著名物理學(xué)家費米的指導(dǎo)下研究理論物理，1948年獲博士學(xué)位。1948－1949年在芝加哥大學(xué)工作，1949－1965年在普林斯頓高級研究院工作。1955年起任教授，1966年起任紐約州立大學(xué)（石溪分校）教授和理論物理研究所所長。美國總統(tǒng)授予他1985年國家科學(xué)技術(shù)獎?wù)隆? 楊振寧主要從事統(tǒng)計力學(xué)、量子場論、凝聚態(tài)物理、基本粒子物理方面的研究。他對理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)范圍很廣。在粒子物理學(xué)方面，他最杰出的貢獻(xiàn)是1954年與密爾斯共同提出楊－密爾斯場理論，開辟了非阿貝爾規(guī)范場的新研究領(lǐng)域，為現(xiàn)代規(guī)范場理論打下了基礎(chǔ)。另一項杰出貢獻(xiàn)是：1956年和李政道合作，深入研究了當(dāng)時令人困惑的θ－τ之謎，提出很可能在弱相互作用中宇稱不守恒。次年，這一理論預(yù)見得到吳健雄小組的實驗證實。為此，楊振寧和李政道獲得了1957年諾貝爾物理學(xué)獎。此外，1949年提出了基本粒子的第一個復(fù)合模型——費米－楊模型。1957年與李政道合作提出二分量中微子理論；與李政道和奧赫梅合作提出在β衰變中不僅宇稱不守恒，而且電荷共軛也不守恒；與李政道合作、與朗道和薩拉姆各自獨立地提出在弱相互作用中組合宇稱（CP）守恒的假設(shè)。1959－1962年，與李政道合作實驗分析高能中微子和W粒子的研究。1974年－1975年與吳大峻合作提出規(guī)范場的積分形式理論以及規(guī)范場與纖維叢的關(guān)系。1967－1985年與鄒祖德合作提出高能碰撞理論等。在統(tǒng)計力學(xué)方面，1952年與李政道合作提出關(guān)于相變的理論。1966－1969年間與楊振平合作得到關(guān)于數(shù)種模型的嚴(yán)格解。在凝聚態(tài)物理方面，1961年與拜爾斯合作對磁通量量子化的解釋，1962年提出非對角長程序觀念等。 楊振寧于1971年夏回國訪問，是美籍知名學(xué)者訪問新中國的第一人。他對促進(jìn)中美建交、中美科學(xué)技術(shù)教育交流做了大量工作。他受聘為北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中山大學(xué)、南開大學(xué)等校的名譽教授，中國科學(xué)院高能物理研究所學(xué)術(shù)委員會委員。