幾個有關物理的問題

【專家解說】：物理學的發(fā)展歷程 物理學是一門有著悠久歷史的科學，早在古代，人們在日常生活和生產實踐中就積累了一些物理知識，古希臘的亞里士多德曾經寫過《物理學》一書，敘述了當時人們的有關物體運動的知識，我國古代的沈括在《夢溪筆談》中也闡述了許多物理現象。但是，古代的物理學知識主要是依賴直觀和思辨總結的，缺乏嚴格的實驗檢驗。物理學真正成為一門嚴格的科學是隨著實驗方法的引入和數學工具的應用才確立的，物理學的發(fā)展大致經歷了以下幾個階段： （1）17、18世紀，建立和發(fā)展了牛頓力學和熱力學，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)明并非主要依靠經驗，而是吸取了當時許多物理學的研究成果。1643年，托里拆利發(fā)現了真空。1654年，德國的格里凱通過馬德堡半球實驗進一步認識了大氣壓的性質，指出在真空狀態(tài)下大氣壓可以轉變?yōu)闄C械力，并發(fā)明了真空泵。1662年，英國科學家玻意耳在格里凱實驗的影響下，進一步研究了大氣壓的性質，并發(fā)現了有名的玻意耳定律。1695年，在玻意耳的指導下，法國物理學家巴本終于發(fā)明了帶活塞的蒸汽機。1705年，經過英國的工程師塞維利和鍛工出身的技術家鈕可門等人的改進，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，在此過程中，瓦特應用了物體的比熱和水轉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，并廣泛應用于工業(yè)中，這也成為第一次工業(yè)革命的標志。 除了蒸汽機的發(fā)明以外，在17世紀和18世紀，機械技術在各個領域得到了應用和發(fā)展，如航海中利用機械技術改進船的推力；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；軍事中有關火炮內力作用、空氣彈道和空氣阻力的計算，等等，所有這些，都是在牛頓力學的基礎上得以發(fā)展的。 （2）19世紀，建立和發(fā)展了經典電磁理論，促進了工業(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，進入了應用電能的時代。 進入19世紀以后，物理學對技術發(fā)展影響的特點是物理原理轉變?yōu)槲镔|成果的速度大大加快了，如果說牛頓力學、熱力學用了100～200年的時間才完成了理論到技術的滲透和轉化，那么從電磁理論到電氣技術的轉變，一般只用了幾十年，甚至十幾年。1820年，奧斯特在自然統一性哲學觀點的指導下，第一次把電、磁現象聯系起來，發(fā)現了電流的磁效應。1831年，在奧斯特發(fā)現的啟發(fā)下，法拉第發(fā)現了電流磁效應的逆效應——電磁感應定律。這兩大發(fā)明的直接結果是，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……隨著電機技術的發(fā)展，電能的應用領域不斷擴大，因而開始了發(fā)電站的建立和電力傳輸技術的發(fā)展。另外，隨著對電與磁的各種效應的認識的深化，出現了一系列嶄新的技術領域，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場的概念以及電磁現象的經驗規(guī)律（庫侖定律、畢奧-沙伐定律、安培定律、法拉第電磁感應定律……）的基礎上，總結出了電磁場方程并預言電磁波的存在，使經典電磁理論發(fā)展到高峰，1888年赫茲用實驗驗證了這一理論。在這一基礎上，1895年馬可尼和波波夫分別進行了人類第一次無線電通訊。 另外，物理學除了對宏觀電氣技術作出了巨大貢獻以外，還研究了真空中的電現象以及經典電子論，這些為以后電子技術、原子能技術的出現奠定了基礎，對介質中的電磁現象的研究，為凝聚態(tài)物理以及相應的材料科學的發(fā)展開辟了道路。 （3）20世紀上半葉，建立了相對論和量子理論，使人類的認識深入到了原子和原子核內部，在此基礎上，引起了原子能、半導體、計算機、激光等新技術、新工藝的出現，推動了量子化學、分子生物學、量子生物學、現代宇宙學等新學科的出現，使人類開始了第三次技術革命。 1895年倫琴發(fā)現了X射線。1896年貝克勒耳發(fā)現了電子。1897年湯姆生發(fā)現了電子。這些發(fā)現破除了原子是宇宙的最小微粒的概念，人類的認識深入到了原子內部，這同樣也是近代物理學的開端。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在高速領域的“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、泡利等物理學家的努力下，建立了量子力學這一反映微觀世界物質運動規(guī)律的物理理論，從此，近代物理學宣告誕生了。在量子力學的基礎上，原子物理學、電子物理學、粒子物理學、原子核物理學、半導體物理學、固體物理學、金屬物理學、激光物理學、天體物理學、低溫物理學、非平衡態(tài)物理學等學科不斷涌現，人類的物質文明進入了一個嶄新的時期。 20世紀下半葉以來，物理學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展，如果向物質結構的更深、更廣層次的研究取得成功的話，必然對自然科學、技術科學的發(fā)展產生巨大的影響，同時也必然會對人類社會的物質文明帶來巨大的進步。在近代物理學的基礎上，形成了一系列的新技術群，如新能源技術，包括核的裂變能與聚變能的利用、太陽能、地熱能、新化學能等多種形式能的利用；激光技術，包括各種激光器在眾多領域中的應用；半導體技術，包括晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、半導體器件；信息技術，包括信息的傳輸、接收、儲存、處理及反饋等各種技術；計算機技術，包括硬件和軟件；材料技術，包括導電材料、半導體材料、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，物理學的每一次進步，都為社會生產進步帶來了必要的基礎和條件。 物理學作為一門基礎的自然科學，除了可以通過把物理知識轉化為物質設備、產品以及物質手段等的過程，對人類的物質生活產生了巨大的影響之外，還應看到，物理學還是人類文化的一個重要組成部分。從17世紀以來，物理學一直在自然科學中占主導地位，物理學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步，做出了積極的貢獻。世界各國都把物理學作為向下一代傳授的文化內容之一。 值得指出的是，物理學還是一門帶有方法論性質的科學。物理學與研究自然、社會、思維世界的普遍規(guī)律的哲學有著非常密切的關系，在物理學的產生和發(fā)展過程中，充滿著富有哲理的物理思想。辯證唯物主義的產生和發(fā)展從物理學中吸取了許多營養(yǎng)，物理學為辯證唯物主義的基本理論提供了許多佐證，通過學習物理學，對理解辯證唯物主義的基本原理是有益的。物理學還與數學一起，創(chuàng)造了科學的三大工作方法：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，利用設備、儀器，突出自然界、工農業(yè)生產和日常生活中物理現象的主要因素，使其反復再現，便于觀察和測量。觀察和實驗是獲得資料和數據的源泉，在此基礎上，通過分析、綜合，區(qū)分出主要因素和次要因素，突出事物、現象的本質，進行科學的抽象和概括，建立概念和模型，再根據概念進行科學的判斷，進而進行科學的推理，反復驗證后形成理論。這樣，不僅總結過去，而且指導未來。物理學中常用的處理問題的方法，如研究復雜問題的等效方法、隔離方法、近似處理方法以及數學方法等，也有著廣泛的普遍意義?？傊?，物理學的方法、思想對學習和理解其他運動規(guī)律有促進和幫助作用，它的知識結構也容易遷移到其他學科的學習中去，從這個意義上講，物理學有其教育性。 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給神靈。但這些習俗絕非源自于商周，而是有其更深的文化淵源。近代學者對各種玉器的用途也多有考證。如張光直先生認為琮應是巫師用來貫通天地的法器。是財富和權力和象征。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。這和薩滿式的巫術極為近似。薩滿式的巫術即巫師借助動物的助力溝通天地，溝通民神，溝通生死，這種巫術從考古學上可追溯到舊石器時代的晚期[4]。周南泉先生認為玉璧源于人們對天的信仰，進而仿天之圓形進行創(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信條，都要經過科學實驗的檢驗，從而奠定了實驗物理學的基礎。伽利略作為近代科學的巨人，一生有十幾項劃時代的科學發(fā)現和發(fā)明。伽利略徹底的科學革命精神導致了科學與宗教的重大對抗，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開辟了道路。先驅者們前赴后繼，迎來了近代自然科學的曙光。 牛頓 作為英國皇家學會前身的“無形學會”由于受到資產階級革命的鼓舞，度過了自己科學史上的“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生活密切相連，如他們把注意力集中在當時一些重大的技術（如抽機、炮術和航海等）問題上，因而受到資產階級的大力支持和歡迎。依靠資產階級的大力支持，虎克做了許多出色的實驗，這使他后來幾乎成了皇家學會的主要臺柱之一。與此同時，波義爾發(fā)現了氣體定律；虎克發(fā)現了彈性定律；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成果，奠定了以牛頓力學為代表的近代物理學基礎。這些成就，無疑是科學家智慧的結晶，是英國近代科學革命的產物?！盁o形學會”活躍時期，是科學實驗在西方歷史上生機勃勃的革命時期，科學實驗依靠社會革命所解放出來的生產力，獲得了雄厚的物質基礎。英國科學的崛起，又為英國工業(yè)革命和經濟發(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 世紀最偉大的科學家，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識過程中的一次飛躍 , 它圓滿地把傳統物理學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、宇宙航行和天文學的理論基礎，被廣泛運用于理論科學和應用科學之中。愛因斯坦的偉大成就——相對論，是自然科學發(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年獲得物理學博士學位，同年發(fā)表狹義相對論。1921年獲得諾貝爾物理學獎。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家，還是一個具有正義感的社會活動家。他關心人類的文明和進步。第二次世界大戰(zhàn)時，他公開譴責德國法西斯的暴行，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 世紀末、 20 世紀初，隨著生產的發(fā)展和科學實驗水平的提高，人們對自然界的認識開始從宏觀世界進入微觀世界，從低速運動發(fā)展到高速運動，自然科學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理論"叛逆者"的姿態(tài)，登上了自然科學舞臺。 愛因斯坦少年時代對自然現象懷有濃厚的興趣，風和雨形成，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，在瑞士蘇黎士聯邦工業(yè)大學讀書時，愛因斯坦就希望成為一名物理學家。 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研究的基礎。 1905 年，愛因斯坦在狹義相對論、光電效應和布朗運動三個不同領域里取得了重大成果，表現出驚人的才智。但是，當時科學界對此作出響應的人寥寥無幾，法國著名科學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)立的古典力學理論體系，經歷了 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了尖銳的矛盾，但許多物理學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)表了總結性論著《廣義相對論原理》。 楊振寧 楊振寧（1922～）美籍華裔物理學家。1922年9月22日生于安徽省合肥縣（今合肥市）。1942年畢業(yè)于西南聯合大學。1945年去美國留學，在著名物理學家費米的指導下研究理論物理，1948年獲博士學位。1948－1949年在芝加哥大學工作，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（石溪分校）教授和理論物理研究所所長。美國總統授予他1985年國家科學技術獎章。 楊振寧主要從事統計力學、量子場論、凝聚態(tài)物理、基本粒子物理方面的研究。他對理論物理學的貢獻范圍很廣。在粒子物理學方面，他最杰出的貢獻是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)范場的新研究領域，為現代規(guī)范場理論打下了基礎。另一項杰出貢獻是：1956年和李政道合作，深入研究了當時令人困惑的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年諾貝爾物理學獎。此外，1949年提出了基本粒子的第一個復合模型——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。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)范場與纖維叢的關系。1967－1985年與鄒祖德合作提出高能碰撞理論等。在統計力學方面，1952年與李政道合作提出關于相變的理論。1966－1969年間與楊振平合作得到關于數種模型的嚴格解。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，是美籍知名學者訪問新中國的第一人。他對促進中美建交、中美科學技術教育交流做了大量工作。他受聘為北京大學、復旦大學、中國科學技術大學、中山大學、南開大學等校的名譽教授，中國科學院高能物理研究所學術委員會委員。