物理科學發(fā)展和前沿動態(tài)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 “物理”一詞最早出現(xiàn)于希臘文，原意是指自然。古時歐洲人稱呼物理學作“自然哲學”。 物理學是一種自然科學，主要研究的是物質(zhì)，在時空中物質(zhì)的運動，和所有相關概念，包括能量和作用力。更廣義地說，物理學是對于大自然的研究分析，目的是為了要明白宇宙的行為。物理學的發(fā)展歷史可以追溯到兩千多年以前，人們對于大自然的好奇催生了物理學這門學科。物理學的發(fā)展經(jīng)歷了很長的一段時間，可以說物理學是一門歷史最悠久的自然科學。在過去兩千年，物理學與哲學，化學等等經(jīng)常被混淆在一起，相提并論。直到十六世紀科學革命之后，才單獨成為一門現(xiàn)代科學?，F(xiàn)在，物理學已成為自然科學中最基礎的學科之一。然而經(jīng)典物

2、理學的大廈的建立還是要歸功于牛頓的經(jīng)典理論。十五世紀末葉，資本主義生產(chǎn)關系的產(chǎn)生，促進了生產(chǎn)和技術的大發(fā)展；席卷西歐的文藝復興運動，解放了人們的思想，激發(fā)起人們的探索精神。近代自然科學就在這種物質(zhì)的和思想的歷史條件下誕生了。系統(tǒng)的觀察實驗和嚴密的數(shù)學演繹相結(jié)合的研究方法被引進物理學中，導致了十七世紀主要在天文學和力學領域中的“科學革命”。牛頓力學體系的建立，標志著近代物理學的誕生。整個十八世紀，物理學處在消化、積累、準備的漸進階段。新的科學思想、方法和理論，得到了傳播、完善和擴展。牛頓力學完成了解析化工作，建立了分析力學；光學、熱學和靜電學也完成了奠基性工作，成為物理學的幾門基礎學科。人們以力

3、學的模型去認識各種物理現(xiàn)象，使機械論的自然觀成為十八世紀物理學的統(tǒng)治思想。到了十九世紀，物理學獲得了迅速和重要的發(fā)展，各個自然領域之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化被普遍發(fā)現(xiàn)，新數(shù)學方法被廣泛引進物理學，相繼建立了波動光學、熱力學和分子運動論、經(jīng)典電磁場理論等完整的、解析式的理論體系，使經(jīng)典物理學臻于完善。由物理學的巨大成就所深刻揭示的自然界的統(tǒng)一性，為辨證唯物主義的自然觀提供了重要的科學依據(jù)。十九世紀末葉物理學上一系列重大發(fā)現(xiàn)，使經(jīng)典物理學理論體系本身遇到了不可克服的危機，從而引起了現(xiàn)代物理學革命。由于生產(chǎn)技術的發(fā)展，精密、大型儀器的創(chuàng)制以及物理學思想的變革，這一時期的物理學理論呈現(xiàn)出高速發(fā)展的狀況。研究對象

4、由低速到高速，由宏觀到微觀，深入到廣垠的宇宙深處和物質(zhì)結(jié)構的內(nèi)部，對宏觀世界的結(jié)構、運動規(guī)律和微觀物質(zhì)的運動規(guī)律的認識，產(chǎn)生了重大的變革。相對論的量子力學的建立，克服了經(jīng)典物理學的危機，完成了從經(jīng)典物理學到現(xiàn)代物理學的轉(zhuǎn)變，使物理學的理論基礎發(fā)生了質(zhì)的飛躍，改變了人們的物理世界圖景。1927年以后，量子場論、原子核物理學、粒子物理學、天體物理學和現(xiàn)代宇宙學，得到了迅速的發(fā)展。物理學向其它學科領域的推進，產(chǎn)生了一系列物理學的新部門和邊緣學科，并為現(xiàn)代科學技術提供了新思路和新方法?，F(xiàn)代物理學的發(fā)展，引起了人們對物質(zhì)、運動、空間、時間、因果律乃至生命現(xiàn)象的認識的重大變化，對物理學理論的性質(zhì)的認識也發(fā)

5、生了重大變化?，F(xiàn)在越來越多的事實表明，物理學在揭開微觀和宏觀深處的奧秘方面，正醞釀著新的重大突破?，F(xiàn)代物理學的理論成果應用于實踐，出現(xiàn)了象原子能、半導體、計算機、激光、宇航等許多新技術科學。這些新興技術正有力地推動著新的科學技術革命，促進生產(chǎn)的發(fā)展。而隨著生產(chǎn)和新技術的發(fā)展，又反過來有力地促進物理學的發(fā)展。這就是物理學的發(fā)展與生產(chǎn)發(fā)展的辨證關系。20世紀初物理學發(fā)生了三件大事，一是1905年的狹義相對論；二是1915年的廣義相對論；三是1925年的量子力學。而量子力學的誕生則在當時物理界很大范圍的人們思想中，意味著宣告了經(jīng)典物理大廈的徹底崩潰，或者說是與過去的物理學理論體系告別。以后又隨之產(chǎn)生

6、了量子場論。相對論和量子力學是20世紀物理學中的兩次重要革命。其間，物理界各學派分門別類的在爭論中努力勤奮的研究推動了物理學的加速發(fā)展。這當中比較突出的是超弦理論，甚至該派別的一些著名學者將它稱譽為20世紀物理學的第三次革命。   物質(zhì)科學將物質(zhì)運動規(guī)律歸于由物質(zhì)（粒子）間的四種基本相互作用的結(jié)果。這四種基本力是：一、強力。它是四種基本力中最強的，作用距離最短的，它束縛了夸克形成質(zhì)子和中子，束縛住質(zhì)子和中子形成了原子核。二、電磁力。是第二強的力，它在帶電荷的粒子之間作用。是一種長距離作用力。三、弱力。是第二弱的力，作用于物質(zhì)粒子之間的短距離作用力。四、引力。是最弱的一種長距

7、離作用力，在所有物質(zhì)之間發(fā)生作用。   量子力學的大統(tǒng)一理論（GUT）中，是一種統(tǒng)一電磁力、強力和弱力的理論，并不含有引力。而對引力的研究主要在廣義相對論中，引力被描述為彎曲的空間時間的曲率。愛因斯坦生前建立的統(tǒng)一場論只含有引力與電磁力而不含有強力和弱力，但最后未能獲得成功。在1956年以前人們都相信，物理定律分別服從三個叫C、P和T的對稱；C電荷對稱，是指粒子與反粒子定律相同；P宇稱對稱，指任何情景與它的鏡象定律不變；T時間對稱，指前進與后退的時間性方向定律一樣。1956年美籍華裔科學家李政道、楊振寧關于弱相互作用下宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)掀起物理學的軒然大波。同年，他們的同事吳

8、健雄用實驗證明了他們的預言，她在磁場中排列放射性元素的核，使他們自旋方向相同，發(fā)現(xiàn)電子在不同旋向發(fā)射量不同。李、楊二人為此獲得1957年度諾貝爾物理學獎。1964年美國科學家克羅寧和瓦爾發(fā)現(xiàn)K介子的衰變中連CP聯(lián)合守恒也不服從。他們共同獲得1980年度諾貝爾物理學獎。許多諾貝爾物理學獎是因為顯示出“宇宙并不象我們預計的那么簡單”的規(guī)律而被授予的。   1964年科學家提出了電荷宇稱不守恒，但一直還沒有能力給予直接證明。歷來無用置疑的CPT守恒竟然也會出麻煩，這到底是不可思議，還是必然的自然規(guī)律，科學永遠在不斷的創(chuàng)新中進步。   1996年歐洲核子研究所宣

9、布制造出九顆反氫原子，成為轟動全球的科技大新聞。反物質(zhì)存在與否成了物理學界新的一個研究課題。在描述一切微觀粒子的量子場論中，從狄拉克方程可以推導出反粒子的概念。通常說法是每個類型的物質(zhì)粒子都有與其相應的反粒子，當它與粒子碰撞時它們就湮滅，只留下能量。如果反粒子存在則反原子、反物質(zhì)、反星球、反星系全要出現(xiàn)了。然而所有這些，天文學家卻從來也沒有觀察到過。20世紀60年代蘇聯(lián)物理學家薩哈羅夫說：“源于宇宙大爆炸初期由于CP不守恒（電荷、宇稱不守恒）形成的粒子和反粒子有十億分之一的微小差異，相互湮滅后僅留下1個粒子，構成了宇宙，所以見不到反物質(zhì)世界?！彼玫讲簧偃酥С?。但是美籍華裔物理學家丁肇中不以為

10、然，他認為薩氏理論很難證實。丁博士是以尋找稀奇物質(zhì)著稱的，1976年他因發(fā)現(xiàn)丁粒子而獲得諾貝爾物理學獎。他牽頭研制了反物質(zhì)頻譜儀進行宇宙射線太空實驗。重點希望放在只可能產(chǎn)生于反恒星的反碳核上；人們拭目以待是否真有這種足以傾翻宇宙學的反粒子存在？試驗從2001年2月在阿爾法國際空間站上，進行為期三年的探測。同時擔負有搜索暗物質(zhì)的重任。   暗物質(zhì)是擺在天體研究者面前的兩大謎之一。第一個謎是類星體，最早發(fā)現(xiàn)于1961年，體積與太陽差不多，能量卻超過太陽1018倍，亮度可達1000個銀河系亮度 的總和，推斷其壽命有1000萬年，已知宇宙中至少有100萬個類星體，它們的發(fā)能方式是遠

11、遠超過核能的人類尚不了解的方式，人類對類星體仍一無所知。第二個謎就是暗物質(zhì)，它占據(jù)有人類已知物質(zhì)九倍以上的質(zhì)量，而人們用光學、紅外線、放射等手段都發(fā)現(xiàn)不了遍布宇宙中的它們。   目前，人類已經(jīng)具備了對小至10-17米的微粒，大到150億光年（1.439×1027米）左右的整個宇宙進行研究。而牛頓的運動方程、麥克斯韋方程、愛因斯坦的狹義相對論與廣義相對論方程、狄拉克方程和其它五、六個方程則都是物理學理論的最重要的組成。20世紀物理科學在經(jīng)典物理學的基礎上取得了四大突破：一、相對論在宏觀宇宙中突破了經(jīng)典力學的時空觀，建立了新的引力理論。二、量子力學突破了經(jīng)典學的直觀描

12、述方式及單值決定論，用概率波揭示了微觀世界的統(tǒng)計性規(guī)律。三、量子場論突破了經(jīng)典物理中粒子與場（波）的對立，揭示了物質(zhì)世界的起源的統(tǒng)一理論范疇。四、對對稱和守恒量的認識的突破，成為探索未來奧秘的銳利武器。目前，世界上面臨著四個最大的科學難題：一、人體基因結(jié)構。它直接關系到人類的生存命運。二、宇宙中的暗物質(zhì)。它占據(jù)著整個宇宙質(zhì)量的90%，而人類卻對它還一無所知。三、受控核聚變。已知7克氫核燃料能產(chǎn)生相當于6噸煤的能量；而氫核燃料是可取之不盡地從海水中提取，然而人類卻計窮于無法利用它。四、生命起源。我們是從哪里來的，又將要到哪里去，人類又該如何無限延續(xù)自己的生存。如果能揭開這些謎，對人類、對整個世界

13、都將帶來巨大的變化。   綜觀物理學的發(fā)展史，牛頓所創(chuàng)建的經(jīng)典力學從它的形成與發(fā)展經(jīng)歷了幾千年的風風雨雨，是久經(jīng)考驗而成熟的不朽史篇。無論說，牛頓是站在巨人肩上摘取物理學明珠的偉人，或是他本人就是讓其他科學家站在他肩上收獲物理學光輝碩果的巨人，他對人類所作出的巨大貢獻功不可沒。   世界在前進，科學永遠在發(fā)展中進步。千百年來為人類構筑美好舒適的物理環(huán)境的經(jīng)典力學。當人們視野不滿足于僅僅是看得見，摸得著的那一小點宏觀范圍；對宏觀大到遙不可及的宇宙天際；對小到以往難以想象的微觀世界的微粒；到19世紀末，它的知識范疇終于難以滿足人們的好奇心及新的需求了。

14、60;  20世紀初，物理學邁入了劃時代的量子力學領域，愛因斯坦是這個新時代的領路人，他是歷史上繼牛頓后最偉大的科學家。他所創(chuàng)建的相對論，在大尺度宏觀物理領域，將人們的觀念開始從地球上一直深入到150億光年之遙的宇宙太空；在他發(fā)現(xiàn)光子理論的基礎上而涌現(xiàn)出的量子理論學派則深入到了比原子核還要渺小的多的微觀世界中去了。自愛因斯坦后杰出的物理學家霍金，宇宙學和黑洞是他的兩個主要研究領域，他證明了黑洞和大爆炸奇點的不可避免性。也許，不久的將來人類的星際旅行就不再是夢。   伴隨著時代的發(fā)展，物理學不斷向更高的境界縱深發(fā)展。它不僅是研究物質(zhì)的基本結(jié)構和運動的基本規(guī)律的科學，同時還肩負著為所有自然科學提供統(tǒng)一的理論基礎的重任。時代正向它提出了不斷將物質(zhì)分解成更微觀層次的微粒的任務。希望能將物質(zhì)統(tǒng)一到真正不可再分的基本粒子和能量。以創(chuàng)造新的未來。愛因斯坦曾經(jīng)說過：“大統(tǒng)一論是物理學皇冠上的那顆鉆石?！被艚鹫f：“在謹慎樂觀的基礎上