物理学

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1824年,在伦敦发行的《机械杂志》内的一副刻画。阿基米德说:“给我一个支点,我就可以撬起整个地球。”
牛顿,I. 像

  物理学汉语拼音:Wulixue;拉丁语:Physica;希腊语:Φυσική;英语:Physics),探讨物质运动基本规律科学。内容包括物质结构以及物质运动形式和它们之间的改变与转化。这一定义虽阐明了物理学的主要特征,但没有将它和其他的自然科学分支明确地予以界定。首先应对物质的运动形式加上适当的限制:应该不包括与生命现象有关的运动形式,这样就使物质科学与生命科学区分开来;进而再与涉及化学变化的运动形式加以区分,从而分清物理学与化学的界限。这里所指的物质结构为微观结构。更大尺度的物质聚集态,诸如地层大气层等属于地球科学的领域;而地球以外的天体,乃至整个宇宙,属于天文学宇宙学的领域。当然各种物质结构层次和运动形式之间必然存在相互关联,这就构成了物理学与其他学科相互交叉的领域,诸如物理化学化学物理生物物理地球物理天体物理与宇宙学等。

  物理学是关于大自然规律的知识;更广义地说,物理学探索分析大自然所发生的现象,以了解其规则。在过去两千年里,物理学与化学、天文学都曾归属于自然哲学。直到十七世纪科学革命之后,物理学才成为一门独立的自然科学。物理学的疆界并不是固定不变的,物理学里的创始突破时常可以用来解释这些跨领域研究的基础机制,有时还会开启崭新的跨领域研究。

  物理学是自然科学中最基础的学科之一。经过严谨思考论证,物理学者会提出表述大自然现象与规律的假说。倘若这假说能够通过大量严格的实验检验,则可以被归类为物理定律。但正如很多其他自然科学理论一样,这些定律不能被证明,其正确性只能靠着反复的实验来检验。

  通过创立新理论与发展新科技,物理学对于人类文明有极为显著的贡献。例如,由于电磁学的快速进展,电灯、电动机、家用电器等新产品纷纷涌现,人类社会的生活水平也得到大幅提升。由于核子物理学日趋成熟,核能发电不再是蓝图构想,但引致的安全问题也使人们意识到地球的娇弱。类似的,量子力学也对于现代计算机的硬件有着卓越的贡献,而且基于量子力学叠加态原理的量子计算机如今已经初步的得到使用,其在处理某些计算的时候拥有远强于普通计算机的计算能力。

发展历史[编辑 | 编辑源代码]

  “物理”一词在英文里是“physics”,最先出自于古希腊文“φύσις”,原意是自然。在中文、日文里,这词源自初科学家方以智的百科全书式著作《物理小识》。

  从古代开始,人们就尝试着了解大自然的奥妙:为什么物体会往地面掉落,为什么不同的物质会具有不同的性质?如此等等。其中有一个意义非凡的谜题,即宇宙的性质,比如地球太阳月亮这些星体究竟是遵循着什么规律在运动,而又是什么力量决定着这些规律?人们提出了各种理论,试图解释宇宙的规律,然而其中大多数理论都不正确。以现代判据来看,早期的物理理论更像是一些哲学理论:现代的理论都需要经过系统的实验检验,而那些早期的理论并没有经过严格证实。像托勒密亚里士多德提出的理论中,有些就与日常所观察到的事实相悖。

  尽管如此,仍有许多古学者贡献出相当正确的理论。古希腊哲学家泰勒斯(约前624年-约前546年)曾经远渡地中海,在埃及学习天文学几何,还加以推广延伸,发扬光大。他预测到公元前585年发生的日蚀,并且能够估算船只离岸边的距离,又从金字塔的阴影计算出其高度。泰勒斯拒绝倚赖玄异或超自然因素来解释自然现象。公元前5世纪古希腊哲学家留基伯率先提出原子论,认为所有物质皆是由不会毁坏、不可分割的原子所构成。希腊思想家阿基米德在作用力方面推导出许多正确的定量结论,如对于杠杆原理的解释。

  中世纪时期,印度波斯的学者也对物理学做出诸多贡献。印度天文学家阿耶波多(Aryabhata)构建了描述太阳系地心说模型;在这模型里,太阳和月亮分别搭载于本轮(epicycle),绕着地球转动。穆斯林科学家海什木对于光学研究贡献良多。波斯科学家纳西尔·艾德丁·图西(Nasir al-Din al-Tusi)指出了托勒密体系的重大缺陷。

  近代时期,欧洲出现了很多物理大师;其中最具影响力的当属伽利略·伽利莱约翰内斯·开普勒艾萨克·牛顿。开普勒发表的开普勒定律正确地解释了行星绕着太阳公转的机制。大约同时,伽利略用抽象数学定律解释物体运动。牛顿提出的牛顿运动定律万有引力定律经典力学奠定了稳固的基础。由于这些近代的物理学者坚持使用实验方法与定量方法来研究与发现物理定律,经典物理学成为一门独立学科。

  二十世纪初期,物理学家发现经典物理学有很严重的瑕疵。迈克耳孙-莫雷实验所测量得到的零结果否定了乙太存在。经典统计力学的能量均分定理引起了紫外灾难(在频率趋向于无穷大时,黑体辐射的理论结果和实验数据无法吻合)。在原子层次,经典理论无法解释能级的机制。这些瑕疵给学术界带来了一场前所未有的考验,彻底地动摇了旧理论体系的基石,导致了二十世纪物理学两大理论体系相对论量子力学的出现,进而开启了现代物理学的纪元。

经典物理学[编辑 | 编辑源代码]

  经典物理学为宏观世界的物理规律。从奠基到19世纪末已基本上完备地建立起来。由于人们生活在宏观尺度的物质世界里,经典物理学的重要性是不言而喻的。现今它仍是物理学的重要组成部分,也构成许多工程技术的理论基础。

经典力学[编辑 | 编辑源代码]

  17世纪经典力学体系的确立是物理学第一次伟大的集成。经典力学实际上是将天上的行星运动(J.开普勒根据天文观测所总结出的行星运动规律)与地面上的落体与抛体运动(伽利略揭示的规律)概括到一个规律里,建立了经典力学。I.牛顿实际上建立了两个定律,一个是运动定律,一个是万有引力定律。运动定律是在力作用下物体怎样运动的规律;万有引力是一切物质之间都存在的一种基本相互作用力。牛顿从物理上把这两个重要的力学规律总结出来的同时,也发展了数学。他也是微积分的发明人之一。由运动定律得出来的运动方程,可用数学方法具体求解。计算行星运动轨道的问题,基本上可按照牛顿定律,加上用数学方法解运动方程即可。根据现在的轨道上行星位置,倒推千百年前或预计千百年后它们的位置都是可行的,从而创立了天体力学海王星的发现史就充分显示了这一点。按照牛顿定律写出运动方程,若已知粒子的位置和速度的初始条件,原则上就可求出以后任何时刻的粒子位置和速度。

  到19世纪,经典力学新的发展表现为一些科学家重新表述了牛顿定律。新表述的有拉格朗日方程组哈密顿方程组,形成了分析力学。这些新的表述形式,在不改变实质的条件下,用新的、更简洁的形式来表述牛顿定律。另一个方面,就是将牛顿定律推广到大量质点构成的系统,即首先建立了刚体力学,随后又出现了弹性力学流体力学等。在这方面,20世纪有更大的发展,特别是流体力学,空气动力学,这些学科与航空技术的发展密切相关,而空气动力学的发展又和喷气技术密切相关,进而经典力学还构成了航空航天技术的理论基础。机械振动在介质中的传播构成了声波,在19世纪后半叶瑞利建立了声学的基本理论。到20世纪声学研究的频段从可听声(20~2×104赫)扩充到次声(10-4~20赫)和超声(2×104~1014赫),传播的介质也从空气扩充到液体(如海水)和固体,一些交叉学科建筑声学语言声学电声学水声学超声学等依次地建立起来。

经典电磁学[编辑 | 编辑源代码]

  经典电磁学的研究对象是宏观电磁现象。最初是由经验总结出来的库仑定律,用以表达电荷与电荷间的相互作用力,也表达磁极与磁极之间的相互作用力。然后,发现了电与磁之间的关联,包括:H.C.奥斯特电流磁效应A.-M.安培电流与电流之间相互作用的安培定律,以及M.法拉第电磁感应定律,这样电与磁就联系在一起了。到19世纪中叶,J.C.麦克斯韦提出了统一的电磁场理论,概括了所有的宏观电磁现象的基本规律。其核心思想是:变化的电场能产生磁场;变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提了一套表达电磁现象基本规律的方程组,称为麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组和洛伦兹力构成了经典电动力学的基础。电磁定律力学规律有一个很大的不同。力学考虑的相互作用,特别是万有引力相互作用,根据牛顿的设想是超距的相互作用,没有力的传递问题(当然用现代观点看,引力也应该有传递问题)。从粒子的超距作用到电磁场的场的相互作用,这在观点上有很大变化,重点从粒子转移到场。麦克斯韦考虑电磁场的相互作用,导致后来电磁波的发现,电场和磁场不断相互作用造成电磁波的传播,H.R.赫兹在实验室中实现了电磁波的发射。电磁波除无线电波外,还包括光波光学在过去是与电磁学完全分开发展的,到麦克斯韦的电磁理论出现以后,光学变成了电磁学的分支,电学磁学光学得到了统一。这在技术上有重要意义,发电机电动机都是建立在电磁感应基础上的,电磁波的传播导致现代的无线电技术的出现。电磁学直到现在,在技术上还是起主导作用的学科,因而在基础物理学中电磁学始终保持它的重要地位。

  早在认识到光是特定频段的电磁波之前,对光学的研究即已开始。对光的传播、反射、折射等现象的研究导致几何光学的建立。有关光的干涉、衍射和偏振等现象的研究导致物理光学的建立。光学是研究光的产生、传播、性质及与物质相互作用的学科。光学不仅研究可见光,也包括紫外和红外部分。光学方法是研究大至天体,小至微生物以至原子分子极其有效的方法。光谱研究则取得了有关原子与分子结构的信息,为随后发展起来的原子物理学分子物理学奠定坚实的理论基础。到20世纪,可利用的电磁波的频谱范围又进一步扩大,包含了X射线γ射线等。

经典热学[编辑 | 编辑源代码]

  热学研究热的产生和传导,研究物质处于热状态下的性质和这些性质如何随着热状态的变化而变化。在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。但科学家不满足于单纯在宏观层次上来描述,企图从分子和原子的微观层次上来阐明物理规律。气体动理论便应运而生,阐明了气体物态方程、气体导热性与粘滞性等物性参量的微观基础。显然,1摩尔气体中的分子数高达1023的量级,要追踪每一个分子,列出其运动方程来求解,是不可能的。因而只能采用概率和统计的方法,虽丢掉许多细节,但抓住了总的演变趋势,这就是L.玻耳兹曼J.W.吉布斯所发展的经典统计力学热力学统计物理学的发展,促使物理学家接触到具体的物性问题,加强了物理学与化学的联系,建立了物理化学,但传统的热力学与统计物理学只探讨平衡态之间可逆过程。到20世纪,热力学与统计物理学被推广到不可逆过程和非平衡态,与之相应的是涉及凝聚态物质物理动力学也得到了发展。

向现代物理学的过渡[编辑 | 编辑源代码]

  以相对论和量子力学为标志。

相对论[编辑 | 编辑源代码]

  19世纪的科学家不满足于用麦克斯韦方程组来解释电磁现象,热衷于采用机械模型来说明问题,即使是麦克斯韦本人也不例外。以太被引入作为真空中传播电磁波的介质。A.A.迈克耳孙F.W.莫雷设计了精巧的实验来验证物体和以太的相对运动,取得了负的结果。A.爱因斯坦提出了狭义相对论(1905),其物理洞见在于摒弃了不必要的以太假设,肯定电磁学的规律对于一切惯性参考系都是成立的,且具有相同的形式,真空中的光速不变,不同惯性系之间的变换关系为洛伦兹变换。经典力学对于惯性参考系才成立,而不同惯性系之间的变换关系为伽利略变换。这样经典力学和经典电磁学之间就存在矛盾。A.爱因斯坦肯定了经典电磁学,而对经典力学作了相应的修正,摒弃了牛顿的绝对的时空观,认为空间时间运动有关,并首创性地提出了质量能量的对等关系,将牛顿力学修正后成功地应用于物体高速运动的情形。

  牛顿力学的另一局限性表现在它不能圆满地解释强引力场中物体的运动,这从它无法定量解释水星轨道近日点的进动问题而初露端倪。另一个带根本性的问题是它对万有引力的存在没有任何理论解释。1916年,爱因斯坦创立了广义相对论。这一理论的出发点在于肯定惯性质量与引力质量等同的等效原理,将非惯性参考系中观测到的惯性力与局域的引力等同起来,进而提出一切参考系均有相同的物理规律这一广义相对性原理,而引力被理解为空间弯曲的必然结果。广义相对论成功地预言了一些效应,如强引力场光线的弯曲,引力场与光谱线频移的关系,并用空间的弯曲很自然地解释了引力的存在。由于广义相对论是针对强引力场和大质量物体而提出来的,因而广泛应用于天体物理学,也构成了现代宇宙学的基础。

量子物理学[编辑 | 编辑源代码]

  相对论如果是消除了经典物理学的内在矛盾并推广其应用范围,量子论则是开启了微观物理学的新天地。在19世纪,化学家J.道尔顿提出了原子论,物理学家也提出由原子–分子微观运动的概念来构筑分子动理论和统计物理学。特别是物理学家L.玻耳兹曼在发展原子–分子运动理论和推动统计物理学的发展上,作出了杰出的贡献。爱因斯坦于1905年提出布朗运动的理论,为分子运动的图像提供了有力的支持。随后,J.B.佩兰的实验观测提供了更加确凿的证据。

  在明确了宏观世界之外存在有微观世界后,进一步的问题在于探索微观世界的物理规律。19世纪末的一系列重要发现,对这方面的研究起了很大促进作用:1895年W.K.伦琴发现了X射线,随后X射线成为揭示物质的微观结构的重要工具;1896年H.贝可勒尔发现了放射性,随后居里夫妇发现了强放射性元素镭,E.卢瑟福确认了α、β、γ射线的本质,这些工作拉开了原子核科学研究的序幕。1897年,J.J.汤姆孙发现了电子,随后电子被作为重要的工具应用于研究物质的微观结构,而控制电子的电子元器件则成为现代信息技术的基础。

  如果说证实原子与分子的存在意味着揭示物质结构在微小尺度上具有不连续性,那么早期量子论则揭示了能量在微小尺度上的不连续性。1900年,M.普朗克为拟合黑体辐射能量分布的实验数据,在经典物理学的理论无效之后,提出了包括作用量子h的量子论。h就是如今大家熟知的普朗克常数。1905年,爱因斯坦根据光电效应存在能量阈值的规律提出了在物理上更明确的具有能量为光量子这一种基本粒子。1911年,卢瑟福根据金箔对于α粒子的大角度散射实验结果,提出了有核的原子模型。1913年,N.玻尔提出了量子论的原子模型,认为原子中的电子处于确定的轨道上,处于定态,而束缚定态的能量是量子化的,在定态之间的量子跃迁则导致发光。玻尔用这种半经典的量子理论相当成功地解释了氢原子的光谱线系,但对于更复杂的原子光谱问题则遇到了困难。科学家需要发展更全面的量子理论。1924年,L.V.德布罗意正确地提出,正如电磁波具有粒子性质(光子)一样,而具有粒子性质的电子等也应具有波动性。1925~1926年,W.K.海森伯E.薛定谔分别完成了量子力学的两种表述,即矩阵力学波动力学,强调了波动与粒子的二象性。电子衍射的实验结果证实了电子具有波动性,而量子力学的理论全面地解读了纷纭繁复的原子光谱实验结果,一举在原则上解决了原子结构的问题,并为阐明化学元素周期表奠定了理论基础。随后P.A.M.狄拉克将非相对论的薛定谔方程推广到(狭义)相对论的情形,建立了狄拉克方程,为量子力学作了重要的补充。这样微观世界的物理规律终于确立。

  处理多粒子的量子统计力学在这段时间内也建立起来。微观同类粒子具有不可分辨性,而且粒子还有自旋和宇称,自旋为h/2π的半奇数的粒子(费米子)服从费米–狄拉克统计;自旋为h/2π整数倍的粒子(波色子)则服从玻色–爱因斯坦统计。这样科学家就掌握了大量微观粒子的统计规律。

现代物理学[编辑 | 编辑源代码]

  量子力学确立之后,物理学进入了现代物理学新的时期。

实验技术[编辑 | 编辑源代码]

  20世纪是实验技术突飞猛进的时期。早期卢瑟福的粒子散射实验为随后的原子核物理学粒子物理学的研究树立了样板。但技术上的改进是多方面的。轰击靶的粒子束有质子中子电子光子和各种离子等。30年代初中子被发现后,由于其散射截面大,容易引起核反应,受到学术界的重视。E.费米及其合作者用中子来轰击周期表中不同元素,发现了一系列的核反应和新的放射性元素。1938年,O.哈恩L.迈特纳终于发现和确认铀的裂变。随后原子核裂变的链式反应得以实现,导致了核裂变反应堆的问世。随后,轻元素的核聚变提供了另一种核能源。但可控的聚变能的和平利用还要经历漫长的发展过程。

  到30年代,科学家开始认识到天然放射性元素发射的粒子能量太低,束流也不够强,在这种情况下发展了加速器技术,早期有高压倍加器和静电加速器,主流是E.O.劳伦斯开创的回旋加速器及其变型。以后加速器的能量要求越来越高,技术越来越精。能量已从早期的兆电子伏量级升高到如今的太电子伏量级。加速器为原子核物理和粒子物理的研究提供了必要的实验保证,发现了几百种粒子。与之并行发展的还有粒子检测技术,从早期的盖革–米勒计数器、云雾室,到照相乳胶、气泡室火花室闪烁晶体列阵等。虽然技术的进展十分引人注目,但许多物理实验的基本思路,如通过质子对高能电子的深度非弹性散射来论证质子具有夸克结构,仍然和卢瑟福的原型实验十分相似。加速器与反应堆也被用于非核物理学以至于其他科学的研究,同步辐射和高通量中子源就是例证。

  另一高速发展是基于物理观测技术的天文望远术。光学望远镜越做越大;由雷达技术推动而发展起来的射电望远镜也朝向巨型发展;依据射电望远镜发展起来的综合孔径技术也反馈到光学望远镜的技术中。新波段(如红外、X射线和γ射线)的望远技术得到了发展,带动了新的检测技术的进步。为了超越大气层的吸收和干扰,还将望远镜放到太空中去,如哈勃空间望远镜钱德拉望远镜康普顿望远镜等。大量天体谱线红移的数据为宇宙膨胀提供证据,宇宙微波背景辐射脉冲星类星体黑洞γ射线暴等重大发现,为理论天体物理和宇宙学提供了大量数据,使星体和宇宙成为检验物理理论的庞大实验室。现代高能物理学(包括部分原子核物理)及天体物理学已经成为大科学的主宰领域。

  20世纪20~30年代,光谱学研究为原子物理学的建立奠定了基础。但第二次世界大战中雷达技术的发展又为微波波谱磁共振的研究提供了机遇。50年代初,首先在微波频段实现了受激发射,随后转移到光学频段,导致激光器的问世。激光技术引起了光学和光谱学的一场革命,促进了量子光学的诞生,影响十分深远。应该指出,早在1917年爱因斯坦就提出了受激发射的理论,而实验室中的实现却延迟到40年之后。激光技术引入物理实验室,为小型精巧的实验研究提供了机会。

  X射线衍射和由之派生的电子衍射中子衍射,导致了晶体结构分析的发展。它为凝聚态物理和材料科学奠定基础,亦大大地促进了化学、生物学和矿物学的研究。电子显微术超越了光学显微术的分辨极限,并实现了原子尺度的成像。80年代以后,扫描隧道显微术发展成为类型繁多的显微探针技术,不仅实现了原子尺度的成像,还实现了多种原子尺度的测量和控制技术,充分显示了微加工实验技术富有很大的生命力。

  为消除热运动对凝聚态物质中许多现象的干扰,将试样冷却到低温下进行研究成为重要的手段。现代低温技术始于氦的液化(4.2K),进一步采取稀释致冷可以达到mK的温度,再进行核退磁致冷,可以达到μK的量级。现发展起来的激光冷却,再加上蒸发致冷,可使原子气体达到μK以下的温度。低温物性的研究取得许多重要的成果:金属与合金的超导电性4He和3He液体的超流动性,多种非常规的超导电性和高温超导电性[如有机化合物重费米子、铜氧化物超导电性的超导转变温度已高于液体氧的温度(77K)]。1995年起又在μK温度以下观测到碱金属气体原子的玻色–爱因斯坦凝聚,随后相位相干的原子束得到了实验演示,即所谓原子波激射器。

  其他一些极端条件如高压技术也受到科学界的重视。利用压砧–圆筒装置可获得高达8吉帕的静态高压,可用来人造金刚石。金刚石钻室技术可在微区内产生直到260吉帕的静态高压,成为高压物理学研究的主要工具。利用爆炸可获得数百到数千吉帕的动态高压,1996年利用高温下的动态高压技术观测到液态氢从绝缘体到金属的转变,成为实测到金属氢的首例。高压技术可模拟地层深处与行星内部的条件,对于地球科学行星研究颇有意义。

  强磁场技术也是物性研究的重要手段。恒定的强磁场可以用介质冷却的电磁铁或超导线圈来产生,单独使用可达10~20特的量级,混合使用可达30特以上。可用脉冲方法产生50~200特脉冲强磁场,而爆炸法则可高达1,300特。

  激光超短脉冲技术则提供瞬态过程的物理和化学的信息,时间间隔可以压缩到飞(10-15)秒的量级。亦可以利用超短脉冲的光场产生瞬态的强电场与强磁场来模拟天体物理的一些条件。

  晶体纯度和完整性对物性有重要的影响,促使固体制备技术诸如单晶拉制、区熔提纯、控制掺杂的进步。这些技术已成功地应用于光学材料半导体材料的制备中。1947年,晶体管的发明可以说是20世纪中物理学家所作出的取得最大经济与社会效益的一项成就。70年代后,在超高真空技术下的结构与能谱测试手段相继问世,开拓了表面物理学的新领域。以分子束外延为标志的当代薄膜与异质结制备技术的开发,引起量子纳米结构(量子阱量子线量子点等)的研究热潮,并向磁性材料巨磁电阻效应)和超导电体方面延伸。许多新的物理效应的发现,诸如整数与分数量子霍耳效应介观量子输运等,显示了凝聚态物理尚有蓬勃发展的新领域。

理论与计算[编辑 | 编辑源代码]

  量子力学建立之后,理论发展的一个方向是深入到更加微小尺度的微观世界中去。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。20世纪50~60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),其中多数是不稳定的。1964年,M.盖耳–曼等提出了强子的夸克模型,认为强子并非基本粒子,而是由具有分数电荷(1/3或2/3电子电荷)、还具有色荷(红、蓝、绿三种颜色之一)的夸克所构成的。质子的夸克结构已为实验所证实。理论所预言三色六味的各种夸克,均被实验所揭示,最后一种顶夸克是到1995年才被发现的。夸克虽然存在于强子结构中,但独立存在的自由夸克却一直没有被观测到。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,限于原子核的范围之内。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,未取得成功。量子力学建立之后,处理量子体系与互作用场的理论(量子场论)得到了发展。首先发展的是处理电磁相互作用的量子场论,即量子电动力学。在40年代末,利用重整化消除了发散的困难,使量子电动力学的理论预言得到了高精确度的实验证实。杨振宁等提出了规范场理论为量子场论的进一步发展铺平了道路。随后,处理强相互作的量子场论、量子色动力学得到了发展。弱相互作用的理论始于E.费米β衰变理论。50年代中期,杨振宁李政道吴健雄的工作确证了在弱相互作用中宇称不守恒;60年代末,S.L.格拉肖S.温伯格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之中。大统一理论企图将统一的范围包括强相互作用,尚有待实验的证实。进而将引力包括在内的超大统一理论的设想也被提出。三代夸克与轻子的粒子模型、量子色动力学电弱统一理论,被统称为粒子物理学的标准模型,概括和预言实验事实取得了非凡的成功。它预言了62种基本粒子,其中60种已被发现,只剩下黑格斯粒子引力子尚待发现。

  但标准模型仍带有唯象性质,它包含十几个参量,而且对粒子的质量不提供理论解释。如何超越标准模型,从更根本的微观模型来解释粒子物理,并将量子力学与广义相对论融合起来,成为对理论物理学家的重大挑战。这方面的努力以超弦理论最引人注目。这一理论极其精巧,也推动了相关数学问题的研究,但尚不完备,但最终如何评价这一理论尚有待于实践来检验。

  当代天文学研究的大爆炸理论被称为宇宙学标准模型。按此理论设想,宇宙起源于约140亿年前的一次大爆炸:原先是时空奇点(密度和曲率为无限大),各种相互作用统一在一起。到10-43秒,发生了引力与其他相互作用分离的对称性破缺,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,成为如今四种基本力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,逐步形成各种原子,再经过漫长的演化逐步形成各种星系星体大爆炸宇宙学是建立在若干天文学观测基础之上的,哈勃定律所描述的宇宙膨胀、3K宇宙微波背景辐射、宇宙原初轻元素(氢、氦)的丰度数据,现已被观测结果所证实。它是言之有据的物理学理论,当然还有许多问题尚有待于澄清。

  量子力学建立之后,理论发展的另一个方向是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。涉及了这些问题,就需要明确区分量子力学和经典物理学的各自适用的范围。通常的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。

  凝聚态物理学和量子化学由于大量采用这种混合的处理方案而取得了成效。但这类的电子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而发展起来的费米液体理论巡游电子铁磁性理论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)仍然是一个难题,对理论物理学家提出了强有力的挑战。

  如果仅关注原子(或离子)与分子常温下的位形与动力学问题,采用经典物理学的方法是无可非议的,正如当代液体物理学和软凝聚态物理学所作的那样。如果涉及键合的细节和电子的跃迁,还是需要量子力学。低温下的量子流体(4He与3He)突出地体现了量子力学效应。气体中要体现量子力学效应,由于原子间距,简并温度要压得很低。在进入20世纪90年代后,方始观测到这类理论预期的效应,原子束光学玻色–爱因斯坦凝聚都是例证。特高密度下的物质(如中子星),使简并温度高达1010K,可能使这些星体内部呈现超流性等量子力学效应。

  应该指出,当代也是经典物理学复兴的时代。在相变与临界现象领域,研究了具有长程涨落的经典统计体系,呈现了普适性和标度律,发展了重正化群理论。经典动力学系统理论和非线性物理学都取得了长足的进展。像混沌分形孤子概念,在交叉学科中获得了广泛的应用,成为理解复杂性的钥匙,也为解决湍流这个长期悬而未决的难题提供了有意义的线索。

  电子计算机的突飞猛进,对于当代物理学产生了异乎寻常的影响。量子化学与凝聚态电子理论的从头计算(ab initio)方案变得切实可行,促进了计算材料科学这门新的交叉学科的发展。分子动理论蒙特卡罗方法,乃至于元胞自动机为物理学的各个分支提供了生动的物理图像和信息。以至于有些科学家认为计算和计算机模拟已成为可与实验和理论并立的科学研究的第三个支柱。

学科分划与发展趋势[编辑 | 编辑源代码]

物理学不同分支学科与所研究结构的尺度

  当代物理学的研究表明,物质结构在尺度上和能量上都呈现不同的层次。明确了物质结构的不同层次之后,当代物理学的分支学科如何划分的问题,也就迎刃而解(见右图)。

  最微小(也是能量最高)的层次是粒子物理学(又称为高能物理学),然后是原子核物理学。原子核物理学研究原子核的性质、相互作用和相互转化,它的内部结构与运动,激发态和衰变与裂变特性以及原子核反应,包括核裂变核聚变过程等。接着就是原子物理学分子物理学。它们研究原子和分子的结构,原子、分子之间的相互作用,以及原子和分子与光的相互作用。激光器问世之后,这一学科获得了新的生命力。这方面技术的进展,对其他分支学科也产生重大的影响。原子、离子或分子聚集起来构成了气相液相固相,不同的聚集相,乃至于固液之间的中介相,如液晶复杂流体与聚合物等软物质。其中凝聚态物质(固相、液相和软物质)构成了凝聚态物理学的研究对象,由于其结构与物性丰富多彩,新现象与新概念层出不穷,又与当代高新技术密切相关,已成为当代物理学中最庞大也是十分活跃的分支学科。另一类气相(由宏观中性的正负带电粒子所构成的)就是等离子体,相应的学科是等离子体物理学。等离子体的研究是在实验室、地球外的空间和星际中并行地发展起来的。电离层的研究,范艾仑带太阳风的发现表明了必须用等离子体物理学来考虑地球与太阳周围的空间。而受控热核聚变的困难又促使科学家去研究复杂等离子体中各种不稳定性与湍流。这些又和当代流体力学所面临的问题有不少相似性。尽管处理大块物质的固体力学和流体力学已偏离了物理学的主流,但其中仍有不少问题需要物理学家的参与。如流体的湍流与固体的塑性形变与断裂,聚集相的复杂组合构成了岩石土壤河流山脉湖泊海洋大气地幔内核等,成为地球物理学的研究对象;而细胞器官植物动物人体亦构成了生物物理学的研究对象。继续扩大物质研究的空间尺度,就引导到空间物理学行星物理的领域。进而包括太阳恒星星系星系团,乃至于整个宇宙,构成了天体物理学宇宙学的内容。在这里似乎遗漏了一些传统物理学的分支学科,如光学与声学。它们的部分内容正朝向偏重技术的工程学科转化,而另一部分则和某些结构层次的物理学相结合。如光物理就和原子与分子物理学密不可分,也和凝聚态物理学关系密切;而物理声学则与凝聚态物理学及固体与流体力学密切相关。

  从物质结构层次化的图表来看,物理学的主要空白区域突出地显示为图表的底部和顶部。其一是尺度上最微小但能量最高的世界,对应的学科为粒子物理学;其二是最宏大的世界,即天体与宇宙,对应的学科为天体物理学和宇宙学。这两者表面看来,是南辕北辙,结果却殊途同归,有合二为一的趋向,奇妙地体现了大与小的辩证统一。粒子物理学所面临的挑战在于探索更加细微尺度下,也就是更高能区物质结构的规律,希望能够超越现有的标准模型,追求相互作用的进一步统一。而宇宙学标准模型则表明早期的宇宙是处于超高能的状态。因而,高能物理学的研究,从某种意义上来说,是对宇宙进行考古学的研究。提高研究的能量范围,就等于追溯到更早期的宇宙。高能物理和天体物理的实验研究都属于大科学的范畴。但大科学亦有大的难处。在冷战时期,巨型加速器成为国力的象征,理所当然地得到国家的支持。冷战以后,情况显然有所不同,需要考虑这类基础科学研究的社会效益问题。今后的出路在于走国际合作的道路。对这两个前沿学科现今是机遇和挑战并存。

  除了这两个很明显的前沿外,还存在一个在各个结构层次上,朝复杂物质展开的前沿问题。固体物理早期所研究的多半是简单的物质,进一步研究中方始接触到比较复杂的物质,当中蕴涵有许多尚待发展、挖掘的物性。元素半导体硅研究得最清楚,应用得最广泛;然后是复杂一点的砷化镓化合物半导体;更进一步就涉及结构更复杂的聚合物半导体。聚合物半导体研究十分引人注目,已能做出了聚合物晶体管。由聚合物想到了人的大脑问题,大脑思维复杂程度远远超过现代大型计算机。故从简单物质的研究到复杂物质的研究的发展过程中,物理学应该是大有用武之地的。可以认定,物理学的前沿,应包括探讨不同结构层次上复杂物质的结构与物性。

统一性与多样性[编辑 | 编辑源代码]

  物理学家惯用的一个观点是还原论。所谓还原论就是将世界分成许多小的部分,每一部分研究清楚了,最后拼起来问题就得到解决。尽管有许多物理学家抱有这类观点,但现在来看问题并不这么简单,基本规律知道了,具体规律是不是就一定能够推出来,这个问题一直是有争议的。应该看到,物质结构存在不同的层次,层次与层次之间是有关联的,有耦合的,因此需要理解更深层次的一些规律。如固体的导电问题,牵涉到电子在固体中的行为问题,如果把电子在固体中的行为搞清楚,那么对固体为什么导电,为什么有的是半导体、有的是金属、有的是超导体这一类问题,就都可以得到解释。这就有利于推动人们去研究导电现象,以及利用这些现象制出晶体管,制造集成电路来,制造超导的约瑟夫森结来为人类服务。这就说明层次与层次之间存在耦合现象。另一方面,层次与层次之间也存在脱耦现象。所谓脱耦现象,就是下一个层次的现象对上个层次未必有重要关系。如粒子物理有一个重要的发现,就是1995年发现了顶夸克,这对粒子物理是件大事,因为设想的几种夸克,包括最后一种顶夸克也都被发现。但是,顶夸克的发现对固体物理或凝聚态物理没有可以观察到的影响。这表明层次跟层次之间,在某些情况下存在脱耦。就是说粒子物理的进一步发展,对于本身,对理解粒子的性质和宇宙早期的问题具有极大的重要性,对于原子核理论也具有一定的重要性。但它的发展,对理解相隔了好几个层次的物质,就丧失了重要性。再如原子核的壳结构对遗传一般说来看不出有太大的影响。这就是层次之间既存在耦合,又存在脱耦,而且大量粒子构成的体系往往涌现新的规律。

  再来看看另一个所谓的层创论的观点。如果仅知道两三个或四五个粒子的规律,这并不能说明1020或1024个粒子的集体的规律。在每一种复杂的层次上,会有完全新的性质出现,而且对这些新的性质的研究,其基本性并不亚于其他研究。也就是说,物质结构存在不同的层次,而层次跟层次之间,往往到上一个层次就有新的规律出现。对这些新的规律的研究,其本身也具有基本性。重要的是要认识到各个层次之间既有耦合,也存在脱耦。并非是探究清楚最微观层次的规律,就可以把世界上的问题全部解决。

  尽管由于物质结构层次化的结果,使得当今的物理学家很难精通、也不必要精通物理学的各个分支。但是物质结构在概念上是有其统一性的。类似的概念会在不同的层次上出现。如壳层结构,既可以在原子核的结构中存在,也可以在原子结构中存在。

物理学与其他自然科学的关系[编辑 | 编辑源代码]

  物理学作为严格的、定量的自然科学的基础学科之一,一直在科学技术的发展中发挥着重要的作用。过去如此,现在和将来亦复如是。

数学[编辑 | 编辑源代码]

  物理学与数学的关系密切,源远流长。[历史]]上有许多著名科学家如牛顿、L.欧拉C.F.高斯等,对于这两门科学都作出重要贡献。此风一直延伸到19世纪末、20世纪初。当时的一些大数学家如H.庞加莱M.D.克列因D.希尔伯特等,尽管学术倾向不尽相同,但都精通理论物理。到20世纪前期,数学与物理学开始有分道扬镳的趋势,但仍有不少有名的数学家如H.外尔J.冯·诺伊曼A.N.科尔莫戈罗夫等还对理论物理甚至于具体的物理问题感兴趣而且作出贡献。总的来看,抽象数学之风日益鼎盛,到20世纪中叶因布尔巴基学派的问世而达到新的水平高度。

  转机的出现,一方面是来自理论物理学的新发展。20世纪50年代初,杨振宁等提出的规范场论,赋予了微分几何中像纤维丛这一类相当抽象的概念也具有具体的物理内容。1990年作为数学界最高荣誉的费尔兹奖破天荒地授予从事超弦理论研究的理论物理学家威顿,表明两大学科在重新靠拢。另一方面是电子计算机发展的结果。计算技术高速发展,不仅技术上成果累累,理论上也有其重要意义。过去物理学所乐道的是运动方程式的可积问题,特别是可以将物理解以解析函数来表示(如谐振子二体运动等),显示出对于运动状态高度精确的可预测性。但可积问题只是少数特殊情况,多数的问题是不可积的,由于数学上求解困难,只有数值计算的结果,因而对于这类问题的物理本质理解不透。计算技术的进展大大地促进了这一领域的发展,为现代非线性物理这一新学科分支奠定了基础。

天文学[编辑 | 编辑源代码]

  物理学与天文学的关系更是密不可分,可追溯到早期的开普勒与牛顿。到当代提供天文学信息的已从可见光扩展到从无线电波到X射线宽广的电磁波频段,必然采用现代物理所提供的各种探测手段。而宇宙空间提供了地球上实验室所不具备的极端条件,如高温、高压、高能粒子、强引力等,构成了检验物理学理论的理想的实验室。因此,几乎所有的广义相对论的证据都来自天文观测。正电子μ子都是首先在宇宙线研究中观测到的,为粒子物理学的创建作出了贡献。H.A.贝特的热核反应理论首先是为解释太阳能源问题而提出的。L.D.朗道J.R.奥本海默等人的中子星理论由A.海威什J.贝尔发现了脉冲星而得到证实。而现代宇宙论的标准模型大爆炸理论,是完全建立在粒子物理理论基础上的。从20世纪70年代以来,诺贝尔物理奖不仅授予物理学家,也授予天文学家,这也是天文学与现代物理学密不可分的一个标志。

化学[编辑 | 编辑源代码]

  物理学与化学息息相关。热力学、统计物理和量子力学都在化学中得到重要应用。19世纪J.W.吉布斯的工作横跨了这两个学科。20世纪的P.J.W.德拜L.昂萨格也复如是。但是,在物理学与化学之间也存在阻梗理解的壁障。经典物理学几乎将所有涉及具体材料的物性问题让给了化学,它本身只关心较理想化的简单系统。量子力学诞生后,固体物理学得到发展,情况就有很大的改变,但思维的惯性仍然存在。物理学家看到包括许多苯环的复杂分子结构式,往往望而生畏;同时又不满足甚至轻视从大量实验结果总结出来的经验规律。另外,概念与术语上的差异也是一个现实问题。如谈到固体的电子结构,化学家习用由量子化学导来的化学键;而物理学家则立论于以固体物理学引入的能带。随着固体物理学发展为凝聚态物理学,研究的对象日益深入到更加复杂的物质结构的层次。就超导体而言,从合金超导体到氧化物和有机超导体,都反映了结构复杂化的趋势,化学家的配合与参与愈加重要。凝聚态物理学的概念和方法促进了液晶科学高分子科学分子膜科学的日趋成熟,导致了软物质科学的建立。另一方面,化学反应动力学这一化学的基本问题,也得到了分子束激光等实验技术的推动。它和量子力学、统计物理、原子物理、分子物理等理论分析的配合,成为当今化学发展的前沿领域。在原子、分子和大块凝聚态物质之间新开辟的研究领域,即团簇,得到物理学界和化学界的共同关注。

生物学[编辑 | 编辑源代码]

  从聚合物和复杂结构的分子再前进一步就到达生物大分子,接触到分子生物学的核心问题。从19世纪起,生物学家在生物遗传方面进行了大量的研究工作,他们在前人所得规律的基础上于20世纪提出了基因的假设。当时对基因的物质基础问题,仍是一个疑问和挑战。在40年代,物理学家M.德尔布吕克E.薛定谔生命的基本问题,提出了遗传密码存储于非周期晶体的观点,并在薛定谔的《生命是什么?》中进行了阐述。几乎同时,英国剑桥大学的卡文迪什实验室布拉格的领导之下,开展了对肌红蛋白血红蛋白的X射线结构分析,持续时间超过25年,为此J.C.肯德鲁M.F.佩鲁兹于1962共同获得诺贝尔化学奖,推动了对生物大分子结构的物理学研究。美国化学家L.鲍林利用他熟谙的化学知识,利用搭模型的方法,解决了α螺旋的晶体结构。受德尔布吕克与薛定谔的影响,生物学家J.D.沃森与物理学家F.H.C.克里克,在晶体学家R.E.富兰克林M.威尔金斯的X射线衍射图的启发下,采用搭模型的捷径,在卡文迪什实验室定出了DNA的晶体结构,揭示了遗传密码的本质,这是20世纪生物科学的最重大的突破。人类的基因组测序的工作业已完成,如何利用这些珍贵的资料来发展生物学是当前生物学家面临的重大的挑战。显然这需要物理学家的参与。当今生物物理学家是大有可为的。随着单分子操纵与探测技术的发展,已经可以对细胞与分子层次的生化功能过程进行实时单分子探测和实验,为生命科学从定性走向定量以来革命性进展。单分子研究DNA动力学模型神经系统物理学亚细胞结构物理学生物物理学复杂系统、生物分子结构动力学生物纳米技术表面科学等,代表了21世纪理论与应用生物物理的发展全貌。

地球科学[编辑 | 编辑源代码]

  20世纪地球科学的重大突破在于板块理论的确立。1945年以后,物理学家P.M.S.布莱克特倡导岩石磁学的研究,形成了古磁学这一新的交叉学科。后来,在大西洋脊附近的古磁学研究中揭示了洋脊扩展的时序,为板块理论的确立奠定了基础。板块运动的驱动力问题,又涉及下地幔的缓慢对流问题,是非线性科学中的一个课题。地球的内核也存在着许多挑战性的疑难问题,诸如地球磁场的产生及其反转等。大气物理学气象学与物理学相接触的领域,两者存在强烈的相互作用。气象学中有重要意义的洛斯贝涡旋,以及气象学家E.N.洛伦兹为探讨长期天气预报的可能性而导出的洛伦兹方程,在现代非线性科学中扮演重要的角色。

物理学与技术的关系[编辑 | 编辑源代码]

  物理学一直和现代技术有密切关系。一般而论,它与技术的关系存在两种基本模式:其一是由于生产实践的需要而创建了技术(如蒸汽机等热机技术),然后提高到理论上来(建立了热力学),再反馈到技术中去,促进技术的进步。其二是先在实验室中揭示基本规律,建立完整的理论,再在生产中发展全新的技术部门。19世纪电磁学的发展,提供了这一模式的范例,创建了现代的电机工程无线电技术。在当今世界中,上述的两种模式都还在起作用。从物理学的角度来看,第二类模式的重要性越发明显。

  经典物理学已经孕育出一系列的工程技术,诸如建立在经典力学基础上的机械工程土木建筑工程航空航天工程,建立在经典电磁学基础上的电机工程、无线电工程和电子工程,建立在热力学上的有动力工程工程热物理

信息技术[编辑 | 编辑源代码]

  信息技术在现代工业中的地位,日趋重要。计算技术通信技术控制技术已经从根本上改变了当代社会的面貌。

  信息技术的物理基础首先体现在电子学的建立。第一代信息技术所用的电子器件是真空电子管。早在19世纪末,J.J.汤姆孙阴极射线的研究中发现了电子,随后L.F.李查孙通过热电子发射的基础研究,对于发展真空电子管技术起了关键作用。应该说真空电子管技术的重要性已经减弱,但有些地方仍然未被取代,如雷达技术中磁控管与速调管,电视技术中显像管等。第二代信息技术所用电子器件中则是半导体晶体管

  1947年贝尔实验室的J.巴丁W.H.布拉坦W.B.肖克莱发明了晶体管标志了信息时代的开始。他们的发明是基于量子力学的固体能带理论启发下进行的,又有坚实的材料研究作为基础。随即发展了一系列半导体器件,建立了半导体工业。从离散的半导体器件到将有源器件和无源元件合为一体,即集成电路,又是一个飞跃,这是在50年代末实现的。而后集成电路向微型化方向发展,集成度约以每两年翻一倍的摩尔定律在增长。在40年代中建成的第一台大型电子计算机ENIAC,使用了18,000个真空管,1,500个继电器,几十万枚电阻器与电容器,自重30吨,耗电200千瓦。而今天一台笔记本计算机的性能完全可以超过它,显示了半导体技术对电子计算机发展的决定性影响。

  集成电路的微型化基本上是采用工艺手段使电路的几何尺寸缩小。最关键的是光刻技术;多种物理手段,如紫外线电子束和X射线(包括同步辐射),用来减小刻线的细度。工业生产上已达到0.12微米左右,实验室中却由亚微米纳米推进。但微型化必然存在物理的极限。研究表明,到了几十纳米的量级,量子限制效应即已凸现出来。原来半导体器件工作的原理就不再适用。十多年以后,可能需要用全新的技术来取代业已成熟半导体芯片工艺。量子阱、量子线、量子点等这类呈现新的物理效应的器件,都已受到重视。

  芯片性能的提高,取决于电路的运算速率和能耗的降低。用高迁移率的量子阱来代替常规的硅器件,在物理上是可行的。对于以砷化镓为基质的集成电路的研制工作也早已在进行。但砷化镓材料的质量控制比硅要困难得多,一系列工艺技术尚难于达到硅的水平,因而要用砷化镓集成电路来取代硅还并不现实。

  激光器的发明导致了光子学作为信息技术的另一物理支柱。早在1917年,爱因斯坦就认识到两能级的辐射中必须引入与受激吸收相对应的受激发射。但由于在热平衡态,在高能级上的粒子数小于低能级上的粒子数,因而受激发射为受激吸收所掩盖。50年代初C.H.汤斯A.M.普罗霍罗夫N.G.巴索夫分别使氨分子束实现了粒子数反转,观察到微波的受激发射。1958年,汤斯与A.L.肖洛提出了利用法布里·珀罗干涉仪作为腔体实现光的受激发射的激光器的设想。1960年,T.H.梅曼制出了第一台红宝石激光器,为光子学揭开了序幕。激光器一经问世,首先想到的重要应用就是光通信,因为高频的光波具有更大通信容量。但早期的进展都令人沮丧。激光器问世15周年时,虽然在测距、加工、准直、计量等方面取得了重要的成果,唯独光通信仍然停滞不前。在贝尔实验室,由于科学家的远见卓识和锲而不舍,研制出了低损耗的光纤,研制出稳定可靠、寿命超过一万小时的半导体激光器。这样就使光通信走出实验室成为一种重要的现代通信手段。光子学的发展,人们设想用光计算机来取代电子计算机。光的传播速度高,光的信息处理是平行式,对图像的处理应有其突出的优越性。光计算机的基本元件是高速的光双稳态元件,量子阱就是一个候选者。应该指出,光计算机尚处于探索的阶段,离实用还有相当的距离。当然,在电子计算机中采用部分的光学部件,如用于存储信息的光盘业已大量应用。

  铁磁性或亚铁磁性物质构成的磁存储器一直是计算机的重要配件。但传统的电子器件只是应用了电荷的输运,而忽略了自旋的输运。1988年A.费尔等在铁磁与非铁磁金属多层膜中发现了巨磁电阻效应,自旋输运问题取得了突破。几年后自旋阀问世,用于硬盘的读出磁头。另外,隧道磁电阻效应作为可擦除的磁随机存储器也可能获得更大规模的应用,从自旋电子学基础研究脱颖而出的这项新技术,受到科技界的普遍关注。操纵自旋输运比操纵电荷输运所需的能耗更小。再有如何将自旋极化的电流注入半导体,如何获得居里点高于室温的铁磁半导体等研究,在信息技术中的可能应用有远大的前程。

  1962年,B.D.约瑟夫森提出了超导电子对的隧道效应并获得实验的证实后,电子学又产生了一个新分支,即超导电子学。两个或更多个约瑟夫森结可以组成超导量子干涉器件。SQUID除在实验室中作为精密测量磁场的仪器外,在地质探矿和测量人体的微弱磁性方面都有重要的应用。超导体也用于微波技术,可以作为高Q谐振腔的材料。而约瑟夫森结也可用于探测微波、毫米波和亚毫米波。SQUID也可作为门电路,用于计算机的逻辑元件。

  1949年,C.E.香农创立的信息论是建立在经典统计物理的基础上的,它提供了现代信息技术的理论基础。到20世纪的90年代,科学家发展了量子信息理论。基于量子力学的叠加原理,量子位(qubit)同时是既为0又为1,与经典位(0与1中选取一种)截然不同。许多实验已演示了少数量子位的实现。量子信息的发展将是本世纪中值得关注的一件事,将来能否发展为重要实用技术还很难说。但至少在某些特殊的信息技术领域中可能有用,如量子密码学就已经接近于实用化。

材料技术[编辑 | 编辑源代码]

  材料技术的核心为新材料的研制和传统材料性能的提高。20世纪初,基于热力学的复相平衡规律的应用,为研究材料相图与相结构提供了依据,进而相变动力学理论得到了发展。到30年代,固体能带理论提供了理解材料电子性质的依据,晶体的位错理论为理解金属的塑性提供了依据。到40年代,物理金属学金属物理学得以建立。对于锗、硅等半导体的研究,揭开了材料技术的新篇章。区熔提纯、单晶制备、外延生长、掺杂工艺等方法相继问世,彻底变革了材料工艺的面貌。这方面的研究工作,除了在半导体器件上开花结果外,也促使材料科学在定量化、微观化和现代化方面迈出了一大步。

  对金属材料行之有效的多种研究方法也成功地向陶瓷材料的领域延拓。铁氧体与铁电体等新型功能材料也丰富了陶瓷学的内涵。到60年代,物理陶瓷学趋于成熟。

  金属、半导体和陶瓷共同点较多:以晶态为主,辅以非晶态的玻璃。而以高分子为主的有机材料的发展途径和研究工具与无机材料有较大的差异。高分子科学的研究始于20世纪。通过H.施陶丁格W.库恩P.J.弗洛里等化学家的努力,高分子科学也趋于成熟。到20世纪70年代,液晶物理学受到物理学家的关注。随后,P.-G.德·热纳等人又将临界现象的标度律引入高分子科学,并关注于胶体或更复杂的系统,如水、油与表面活性剂的混合物等,从而引发了处理软物质的材料科学的诞生,使材料科学朝向一体化方向迈出了一大步。

能源[编辑 | 编辑源代码]

  能源]的取得和利用是工业生产的大事。20世纪物理学的一项重大贡献在于核能的利用。然而,核电事业的发展速度和普及程度并没有达到40~50年代科学界的期望。其原因是多方面的,但核电厂已是工业上的现实。在中国大亚湾秦山等核电厂的建设,核电的发展已提到了工业发展的议事日程上。如何进一步降低成本,充分而经济地利用核燃料,将是一个重要的研究方向。如果说核裂变能的利用是今天的现实,则核聚变能的研究便是为解决21世纪的能源问题开辟道路。可控热核聚变能的研究,比原来预期要困难得多,但还是在向前推进。在能源和动力方面,可无损耗地传输电流的超导体的广泛应用,也可能导致一场革命。在液氦温区工作的常规超导体所绕成的线圈,已在粒子加速器磁流体发电装置乃至托卡马克装置等大型实验设备中用来产生强磁场,可节约大量电能;在发电机和电动机上应用超导体,已制成接近实用规模的试验性样机;超导储能超导输电磁悬浮列车等的应用前景与开发的价值是不言而喻的。自从1987年液氮温区的超导体问世以来,它在强电中的应用前景是最激动人心的。通过15年的努力,这方面应用的物理可行性已得到证实:已经掌握制备长线材的工艺技术,但还需要进一步降低成本。2001年初日本科学家又发现金属间化合物MgB2的Tc(超导临界温度)为39K,虽然不及氧化物超导体,但加工容易,某些应用有可能后来居上。太阳能的利用也对物理学提出了挑战,如何制出价廉而高效的太阳能电池将是一个关键性的问题。至于更加常规的能源利用,如石油勘探、煤的燃烧、氢能的利用、节能技术等,也有不少涉及物理学的问题有待于进一步研究。

其他[编辑 | 编辑源代码]

  除了信息、材料、能源技术之外,医疗卫生技术也是物理学发挥作用甚大的领域:诸如X射线透视和层析技术,核磁共振透视与层析技术等,引发了诊断技术的革命;放射线元素和加速器的利用提供了治癌的有效手段。高能物理学是探索微观世界最基本规律——基本粒子及其相互作用的学科领域,涉及大量数据的提取、处理和传输,因而在信息处理和网络技术中发挥了极其关键性的作用。欧洲核子研究中心(CERN)为因特网的诞生作出了贡献,而中国科学院高能物理研究所也为中国因特网的建立起了关键的作用。20世纪的30年代爱因斯坦与玻尔曾对量子力学的理论解释展开激烈的争议。1935年爱因斯坦及其合作者曾经提出EPR佯谬,来非难量子力学的流行解释。但20世纪80年代实验证实了EPR态确实存在,并构成了当今迅速发展中的量子信息技术的基础。一场带哲学意味的争论产生了技术性的后果,也是始料不及的。这说明在基础科学与技术应用的问题上,不能采取过于急功近利的态度。

近期研究[编辑 | 编辑源代码]

  虽然物理学是最古老的学术之一,于今,许多具突破性的划时代研究依然在物理的各个分支领域夜以继日、如火如荼地进行中。

  在凝聚态物理学领域,某些物质在温度高于50K仍旧具有超导电性,物理学者不清楚促成这高温超导现象的机制为何。很多凝聚体实验的目标是制成可使用的自旋电子学元件和量子计算机元件。

  在粒子物理学领域,支持后标准模型物理学(physics beyond the Standard Model)的实验证据已开始陆续出现。在这些结果之中,比较重要的是中微子具有非零质量的征象。这实验结果似乎合理解答了瞩目良久的太阳中微子缺失问题,即有些中微子在从太阳传播到地球的路途中,会转换为实验无法侦测的别种类中微子的现象。带质量中微子的物理研究是很热门的理论与实验题目。高能粒子加速器已开始侦测TeV能量域,希望能够找到希格斯玻色子超对称粒子的一鳞半爪。2012年7月4日,欧洲核子研究组织(CERN)宣布已发现一种新玻色子,这玻色子极像希格斯玻色子,但还有待物理学者进一步分析来完全确定是否为希格斯玻色子。

  理论物理学家尝试将量子力学广义相对论统一成为量子引力理论。这研究已延续了大半个世纪,但至今仍未得到满意的答案。现今几个比较成功的理论为M理论超弦理论圈量子引力论

  许多天文和宇宙现象仍旧没有找到合意的解答,如超高能量宇宙射线重子不对称性宇宙加速膨胀星系自转问题等等。

  虽然,高能物理、量子物理、天文物理等领域有很大的突破与进展,但对于许多涉及复杂系统、混沌、湍流等等日常发生的现象,科学家仍是一知半解。自1970年以来,这些复杂现象关注度不断提升,主要原因有很多,包括现代数学方法和电子计算机的出现,使以新方式模拟复杂系统成为可能。还有,复杂物理学已成为一门多学科研究领域。在空气动力学里,关于湍流的研究代表了这发展趋势。