“物理学”简介、含义、起源、历史与发展

1、 HYPERLINK javascript:gotothis() 物理学物理学研究宇宙间物质存在的各种主要的基本形式，它们的性质、运动和转化以及内部结构；从而认识这些结构的组元及其相互作用、运动和转化的基本规律。地学和生命科学都是自然科学的重要方面，有重要的社会作用，但是像地球这样有生物的行星在宇宙中却是少见的，所以地学和生命科学不属于物理学范围。当然，物理学所发现的基本规律，即使在地球现象和生命现象中，也起着重要作用。物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来源于实践，而实践的广度和深度有着历史的局限性。随着实践的扩展和深入，物理学的内容也不断扩展和深入

2、。新的分支学科陆续形成；已有的分支学科日趋成熟，应用也日益广泛。早在古代就形成的天文学和起源于古代炼金术的化学，始终保持着独立的地位，没有被纳入物理学的范围。在天文学和物理学之间、化学和物理学之间存在着密切的联系，物理学所发现的基本规律在天文现象和化学现象中也起着日益深刻的作用。客观世界是一个内部存在着普遍联系的统一体。随着物理学各分支科学的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而去统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，使得这一目标有

3、时显得很接近；但与此同时，新的物理现象又不断出现，使这一目标又变得更遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。以下大体按照物理学的历史发展过程来叙述物理学的发展及其内容。 经 典 力 学经典力学研究宏观物体低速机械运动的现象和规律，宏观是相对于原子等微观粒子而言的。人们在日常生活中直接接触到的物体常常包含巨量的原子，因此是宏观物体。低速是相对于光速而言的。最快的喷气客机的速度一般也不到光速的一百万分之一，在物理学中仍算是低速。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动。自远古以来，由于农业生产需要确定季节，人们就进行天文观察。1

4、6世纪后期，人们对行星绕太阳的运动进行了详细、精密的观察。17世纪J.开普勒从这些观察结果中总结出了行星绕日运动的三条经验规律。差不多在同一时期， HYPERLINK javascript:hotword(伽利略,12225) 伽利略进行了落体和抛物体的实验研究，从而提出关于机械运动的初步的现象性理论，并把用实验验证理论结果的方法引入了物理学。 HYPERLINK javascript:hotword(I.牛顿,14870) I.牛顿深入研究了这些经验规律和初步的现象性理论，发现了宏观低速机械运动的基本规律：包括三条 HYPERLINK javascript:hotword(牛顿运动定律,17

5、756) 牛顿运动定律和 HYPERLINK javascript:hotword(万有引力定律,19561) 万有引力定律，为 HYPERLINK javascript:hotword(经典力学,1432) 经典力学奠定了基础。根据对天王星运行轨道的详细天文观察，并根据牛顿的理论，预言了海王星的存在；以后果然在天文观察中发现了海王星。于是牛顿所提出的力学定律和万有引力定律被普遍接受了。经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量。一个力学系统在某一时刻的状态由它的每一个质点在这一时刻的空间坐标和动量表示。对于一个不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式（如热运动、电磁运动等）的力学系统

6、来说，它的总机械能就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定。在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的意义。物理学的发展表明，任何一个孤立的物理系统，无论怎样变化，其总能量和总动量数值是不变的，它们是守恒量。这种守恒性质的适用范围已经远远超出了经典力学的范围，还没有发现它们的局限性。在经典力学中出现了三个最普遍的基本物理概念： HYPERLINK javascript:hotword(质量,21558) 质量、 HYPERLINK javascript:hotword(空间和时间,2639) 空间和时间。质量可以作为物质的量的一种度量，空间和时间是物质存在的

7、普遍形式。现有一切物理量的量纲原则上都可以由质量、空间、时间的量纲结合起来表达。具有不同量纲的物理量之间存在着质的差异。量纲在一定程度上反映物理量的质。量纲相同的物理量的质可以相同，但未必一定相同。在经典力学中，时间和空间之间没有联系。空间向上下四方延伸，同时间无关；时间从过去流向未来，同空间无关。因此，就存在绝对静止的 HYPERLINK javascript:hotword(参照系,4311) 参照系，牛顿运动定律和万有引力定律原来是在这种参照系中表述的。相对于绝对静止的参照系作匀速运动的参照系称为 HYPERLINK javascript:hotword(惯性参照系,5810) 惯性参照

8、系。任何一个质点的坐标，在不同的惯性参照系中取不同的数值，这种不同数值之间的变换关系称为伽利略变换。在这种变换中，尺的长度不变，时钟运行的速度不变，经典力学基本规律的数学形式也不变。利用力学实验方法，无法确定哪些惯性参照系是绝对静止的参照系，因而绝对静止的参照系就成了一个假设。早在19世纪，经典力学就已经成为物理学中一个成熟的分支学科，它包含了丰富的内容。例如：质点力学、刚体力学、 HYPERLINK javascript:hotword(分析力学,15609) 分析力学、 HYPERLINK javascript:hotword(弹性力学,22034) 弹性力学、 HYPERLINK jav

9、ascript:hotword(塑性力学,3246) 塑性力学、 HYPERLINK javascript:hotword(流体力学,12821) 流体力学等。经典力学的 HYPERLINK javascript:hotword(哈密顿正则方程,14687) 哈密顿正则方程已成为物理学中的重要方程，并应用到 HYPERLINK javascript:hotword(统计物理学,883) 统计物理学、 HYPERLINK javascript:hotword(量子力学,29198) 量子力学等近代物理学的理论中。经典力学的应用范围，涉及到能源、航空、航天、机械、建筑、水利、矿山建设直到安全防护等

10、各个领域。当然，工程技术问题常常是综合性的问题，还需要许多学科进行综合研究，才能完全解决。机械运动中，很普遍的一种运动形式是振动和波动。 HYPERLINK javascript:hotword(声学,14762) 声学就是系统研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。 HYPERLINK javascript:hotword(声波,31418) 声波是传递信息的重要媒介，而且常常是其中不可缺少的环节。人的声带、口腔和耳就是声波的产生器和接收器。人们通过声波传递信息。有许多物体，不易为光波和电磁波透过，却能为声波透过。利用声波研究这种物体的内部性质，例如利用声波在媒质中的传播特性研究地层

11、结构和海洋深处及海底的现象和性质，就有优越性。频率非常低的声波能在大气和海洋中传播到遥远的地方，因此能迅速传递地球上任何地方发生的地震、火山爆发或核爆炸的信息；频率很高的声波和 HYPERLINK javascript:hotword(声表面波,14673) 声表面波已经用于固体的研究、微波技术、医疗诊断等领域；非常强的声波已经用于工业加工。 热学、热热力学和和经典统统计力学学热学研研究热的的产生和和传导，研研究物质质处于热热状态下下的性质质和这些些性质如如何随着着热状态态的变化化而变化化。人们们很早就就有冷热热的概念念。利用用火是人人类文明明发展史史中的一一个重要要的里程程碑。对对于热现现象

12、的研研究逐步步澄清了了关于热热的模糊糊概念（例例如：区区分了 HYPERLINK javascript:hotword(温度,23533) 温温度和 HYPERLINK javascript:hotword(热量,28135) 热量，发发现它们们是密切切联系而而又有区区别的两两个概念念）。在在此基础础上开始始探索热热现象的的本质和和普遍规规律。关关于热现现象的普普遍规律律的研究究称为 HYPERLINK javascript:hotword(热力学,19389) 热热力学。到到19世世纪，热热力学已已趋于成成熟。 HYPERLINK javascript:hotword(能量,13149) 能

13、量量可以有有许多种种存在形形式，力力学现象象中物体体有动能能和位能能。物体体有内部部运动，因因此有内内部能量量。199世纪的的系统实实验研究究证明：热是物物体内部部无序运运动的能能量的表表现，因因此称这这种能量量为 HYPERLINK javascript:hotword(内能,964) 内能能，以前前称作热热能。119世纪纪中期， HYPERLINK javascript:hotword(J.P.焦耳,7339) J.P.焦耳等用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了 HYPERLINK javascript:hotword(热力学第一定律,5078) 热力学第一定律：宏观机械运动的能

14、量与内能可以互相转化。就一个孤立的物理系统来说，不论能量形式怎样相互转化，总的能量的数值是不变的，热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。在 HYPERLINK javascript:hotword(S.卡诺,2082) S.卡诺研究结果的基础上， HYPERLINK javascript:hotword(R.克劳修斯,32647) R.克劳修斯等提出了 HYPERLINK javascript:hotword(热力学第二定律,14185) 热力学第二定律。它提出了一切涉及热现象的客观过程的发展方向，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。例如：一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同，那么热

15、就从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达到各处温度都相同的状态，也就是 HYPERLINK javascript:hotword(热平衡,9406) 热平衡的状态。相反的过程是不可能的，即这个孤立的、内部各处温度都相等的物体不可能自动回到各处温度不尽相同的状态。应用 HYPERLINK javascript:hotword(熵,4163) 熵的概念，还可以把 HYPERLINK javascript:hotword(热力学第二定律,7131) 热力学第二定律表达为：一个孤立的物理系统的熵不能随着时间的流逝而减少，只能增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。热力学是一种唯

16、象的理论。深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。宏观物体内部包含着大量的粒子。要研究其中每一个分子在每一时刻的状态实际上办不到。为了认识热现象的规律，也无需那么详细的知识。统计力学应用统计系综的方法，研究大量粒子的平均行为。20世纪初， HYPERLINK javascript:hotword(J.W.吉布斯,5257) J.W.吉布斯奠定了平衡态的统计力学的基础。它的关于统计分布的基本假设是：对于一个具有给定能量的给定物理系统，各种可能的状态出现的几率是等同的。热力学中的各种

17、物理量以及它们之间的关系都可以用这种统计分布的平均值表达。温度一方面同物体内部各分子无序运动的那部分能量有关，另一方面也决定了这种内部能量在物体内部运动状态之间的分布。非平衡统计力学所研究的问题复杂，直到20世纪中期以后才取得了比较大的进展。对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说，无序状态的数目比有序状态的数目大得多，实际上多得无法比拟。系统处于无序状态的几率超过了处于有序状态的几率。孤立物理系统总是从比较有序的状态趋向比较无序的状态。在热力学中，这就相应于熵的增加。处于平衡状态附近的非平衡系统的主要趋向是向平衡状态过渡。平衡态附近的主要非平衡过程是弛豫、输运和 HYPERLINK java

18、script:hotword(涨落,1614) 涨落。这方面的理论逐步发展，已趋于成熟。近2030年来人们对于远离平衡态的物理系统如耗散结构等进行了广泛的研究，取得了很大的进展，但还有很多问题等待解决。在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性的，认识到的只是相对的真理，经典力学和以经典力学为基础的经典统计力学也是这样。经典力学应用于原子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就显示出来，因而发展了量子力学。与之相应，经典统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。 经经典电磁磁学、经经典电动动力学经典 HYPERLINK javascript:hotword(电磁学,21252)

19、电电磁学研研究宏观观电磁现现象和客客观物体体的电磁磁性质。人人们很早早就接触触到电的的现象和和磁的现现象，并并知道磁磁棒有南南北两极极。在118世纪纪，发现现电荷有有两种：正电荷荷和负电电荷。不不论是电电荷还是是磁极都都是同性性相斥，异异性相吸吸，作用用力的方方向在电电荷之间间或磁极极之间的的连接线线上，力力的大小小和它们们之间的的距离的的平方成成反比。在在这两点点上和万万有引力力很相似似。188世纪末末发现电电荷能够够流动，这这就是电电流。但但长期没没有发现现电和磁磁之间的的联系。19世纪前期， HYPERLINK javascript:hotword(H.C.奥斯特,9860) H.C.奥

20、斯特发现电流以力作用于磁针。而后 HYPERLINK javascript:hotword(A.-M.安培,24587) A.-M.安培发现作用力的方向和电流的方向以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后， HYPERLINK javascript:hotword(M.法拉第,13460) M.法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。两个质点之间的万有引力沿着它们之间的连接线起作用。两个电荷之间的作用力也是这样。这些力曾经被认为是 HYPERLINK javascript:hotword(超距作用,7180) 超距作用。也

21、就是说：这种力的传递既不需要时间，也不需要媒介。但是在电和磁之间的联系被发现以后，就认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的 HYPERLINK javascript:hotword(磁力线,15644) 磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。现在人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生 HYPERLINK javascript:hotword(电场,32622) 电场，这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生 HYPERLINK javascript:ho

22、tword(磁场,1062) 磁场，而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介。它弥漫于整个空间。19世纪下半叶， HYPERLINK javascript:hotword(J.C.麦克斯韦,7786) J.C.麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为 HYPERLINK javascript:hotword(麦克斯韦方程组,29707) 麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程，其中包含着

23、电荷、电流如何产生电磁场的规律；也包含着电场和磁场相互影响，导致它们在时间和空间中如何变化的规律。麦克斯韦的电磁理论预言了 HYPERLINK javascript:hotword(电磁波,27856) 电磁波的存在，其传播速度等于 HYPERLINK javascript:hotword(光速,8374) 光速。这一预言后来为 HYPERLINK javascript:hotword(H.R.赫兹,18645) H.R.赫兹的实验所证实。遂使人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。由于电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场的力

24、，也受到磁场的力， HYPERLINK javascript:hotword(H.A.洛伦兹,27059) H.A.洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为 HYPERLINK javascript:hotword(洛伦兹力,19798) 洛伦兹力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦兹力就构成了 HYPERLINK javascript:hotword(经典电动力学,23015) 经典电动力学的基础。事实上发电机无非是利用电动力学的规律，将机械能转化为电磁能；电动机无非是利用电动力学的规律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电、电灯也无一不是经典电磁学和经

25、典电动力学发展的产物。经典电动力学对生产力的发展起着重要的推动作用，从而对社会产生普遍而重要的影响。 光 学 和和 电 磁 波波 HYPERLINK javascript:hotword(光学,12088) 光学研研究 HYPERLINK javascript:hotword(光,6635) 光的性质质及其和和物质的的各种相相互作用用，光是是电磁波波。虽然然可见光光的波长长范围在在 410-5 7.6110-55cm之之间，只只占电磁磁波中很很窄的一一个波段段，但早早在认识识到光是是电磁波波以前，人人们就对对光进行行了研究究。177世纪对对光的本本质提出出了两种种假说：一种假假说认为为光是由由

26、许多微微粒组成成的；另另一种假假说认为为光是一一种波动动。199世纪在在实验上上确定了了光有波波的独具具的干涉涉现象，以以后的实实验证明明光是电电磁波。220世纪纪初又发发现光具具有粒子子性，人人们在深深入研究究微观世世界后，才才认识到到，光具具有 HYPERLINK javascript:hotword(波粒二象性,18126) 波粒粒二象性性。光光可以为为物质所所发射、吸吸收、反反射、折折射和衍衍射。当当所研究究的物体体或空间间的大小小远大于于光波的的波长时时，光可可以当作作沿直线线进行的的光线来来处理；但当研研究深入入到现象象细节，其其空间范范围和光光波波长长差不多多大小的的时候，就就必

27、须着着重考虑虑光的波波动性。而而研究光光和微观观粒子的的相互作作用时，还还要考虑虑光的粒粒子性。光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构的非常有效的方法。利用光的干涉效应可以进行非常精密的测量。物质所放出来的光携带着关于物质内部结构的重要信息，例如：原子所放出来的 HYPERLINK javascript:hotword(原子光谱,12895) 原子光谱就和 HYPERLINK javascript:hotword(原子结构,11630) 原子结构密切相关。近年来利用受激光辐射机制所产生的 HYPERLINK javascript:hotword(激光,1455) 激光能够达到非常

28、大的功率，且光束的张角非常小，其电场强度甚至可以超过原子内部的电场强度。利用激光已经开辟了 HYPERLINK javascript:hotword(非线性光学,22675) 非线性光学等重要研究方向；激光在工业技术和医学中已经有重要的应用。现在用人工方法产生的电磁波的波长，长的已经达几千米，短的不到一百万亿分之一厘米，覆盖了近20个数量级的波段。电磁波传播的速度大，波段又如此宽广，已成为传递信息的非常有力的工具。在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。在物理学尔后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念，变得十分重要。在现代物理学中，场的概念已经远远超出了电磁学的范围，成为物质的

29、一种基本的、普遍的存在形式。 狭义相相对论和和相对论论力学在经典典力学取取得很大大成功以以后，人人们习惯惯于将一一切现象象归结为为由机械械运动所所引起的的。在电电磁场概概念提出出以后，人人们假设设存在一一种名叫叫“以太太”的媒媒质，它它弥漫于于整个宇宇宙，渗渗透到所所有的物物体中，绝绝对静止止不动，没没有质量量，对物物体的运运动不产产生任何何阻力，也也不受万万有引力力的影响响。电磁磁场被认认为是以以太中的的应力，电电磁波是是以太中中的弹性性波，它它在以太太中向各各方向的的传播速速度都一一样大（见见 HYPERLINK javascript:hotword(以太论,25885) 以太论论）。可以

30、将将以太作作为一个个绝对静静止的参参照系，因因此相对对于以太太作匀速速运动的的参照系系都是惯惯性参照照系。在在相对于于以太作作匀速运运动的惯惯性参照照系中观观察，电电磁波的的传播速速度应该该随着波波的传播播方向而而改变。例例如：在在一个运运动的惯惯性参照照系中观观察，沿沿着参照照系运动动方向传传播的光光的速率率看起来来应该慢慢一些；逆着参参照系运运动方向向传播的的光的速速率看起起来应该该快一些些。这就就给利用用测量不不同方向向光速的的方法，在在所有的的惯性参参照系中中确定那那些是绝绝对静止止的参照照系提供供了可能能性。但但实测的的结果却却出乎意意料之外外，在不不同的、相相对作匀匀速运动动的惯性

31、性参照系系中，测测得的光光速同传传播方向向无关，都都完全相相等。特特别是 HYPERLINK javascript:hotword(A.A.迈克耳孙,10057) AA.A.迈克耳耳孙和EE.W.莫雷进进行的非非常精确确的实验验，可靠靠地证明明了这一一点。这这一实验验事实显显然同经经典物理理学中关关于时间间、空间间和以太太的概念念相矛盾盾。 HYPERLINK javascript:hotword(A.爱因斯坦,789) A.爱因斯斯坦从这这些实验验事实出出发，对对空间、时时间的概概念进行行了深刻刻的分析析，从而而建立了了新的时时空观念念，在此此基础上上他提出出了 HYPERLINK java

32、script:hotword(狭义相对论,15281) 狭义义相对论论。狭义义相对论论的基本本假设是是：在一切切惯性参参照系中中，基本本物理规规律都一一样，都都可用同同一组数数学方程程来表达达；对于任任何一个个光源发发出来的的光，在在一切惯惯性参照照系中测测量其传传播速率率，结果果都相等等。在狭义义相对论论中，空空间和时时间是彼彼此密切切联系的的统一体体，空间间距离是是相对的的，时间间也是相相对的。在在相对于于尺和钟钟作匀速速运动的的惯性参参照系中中的观察察者看来来，尺变变短了，钟钟变慢了了。因此此尺的长长短， 时间的的长短都都是相对对的。但但在狭义义相对论论中，并并不是一一切都是是相对的的。

33、例如如：设在在空间、时时间中有有两点，它它们的坐坐标分别别为(xx1，t1)和(x2，t2)，那那末在任任何惯性性参照系系中，量量(x1-x2)2-2(t1-t2)2的数值值是不变变的，因因此是绝绝对的，其其中代代表光速速。空间间坐标、时时间坐标标和一系系列物理理量，如如：动量量和能量量、电场场强度和和磁场强强度等等等，在不不同惯性性参照系系之间的的变换关关系称为为 HYPERLINK javascript:hotword(洛伦兹变换,21773) 洛伦兹兹变换。基基本物理理规律必必须对于于洛伦兹兹变换具具有不变变性。麦克克斯韦方方程组对对于洛伦伦兹变换换具有不不变性。经经典力学学规律对对于伽

34、利利略变换换具有不不变性；但对于于洛伦兹兹变换却却不具有有不变性性，因此此必须加加以修改改。修改改后的力力学称为为相对论论力学，它它对于洛洛伦兹变变换具有有不变性性。在相相对论力力学中，光光速是机机械运动动速度的的极限，不不可逾越越。当物物体速度度无限地地趋近光光速时，它它的动量量、能量量、惯性性质量均均将趋于于无穷大大。这些些结论在在实验中中都得到到了证实实。相对论论力学的的另一个个重要结结论是:一个具具有质量量m的物体体一定具具有能量量E，并有有 Em22，即使物体静静止时也也是如此此。假使使质量是是物质的的量的一一种度量量，能量量是运动动的量的的一种度度量，则则上式表表明：物物质和运运动

35、之间间存在着着不可分分割的联联系。不不存在没没有运动动的物质质，也不不存在没没有物质质的运动动。对于于静止物物体来说说，E代表它它的内部部运动的的量。11克物质质内部所所蕴藏的的能量相相当于22万多吨吨TNTT炸药爆爆炸时所所释放的的能量。这这一规律律已在核核能的研研究和实实践中得得到了证证实。当物物体的速速度远小小于光速速时，相相对论力力学定律律就趋近近于经典典力学定定律。因因此在低低速运动动时，经经典力学学定律仍仍然是很很好的相相对真理理。例如如：地球球绕太阳阳运行的的速率约约为300km/s。这这同日常常生活中中遇到的的机械运运动的速速度相比比是很大大的速度度；但同同光速相相比，却却是很

36、小小的速度度，仅为为光速的的万分之之一。因因此处理理这类问问题，经经典力学学定律仍仍然是很很好的相相对真理理，仍然然能用来来解决工工程技术术中的力力学问题题。狭义相相对论对对空间和和时间的的概念进进行了革革命性的的变革，并并且否定定了以太太的概念念，肯定定了电磁磁场是一一种独立立的、物物质存在在的特殊殊形式。由由于空间间和时间间是物质质存在的的普遍形形式，因因此狭义义相对论论对于物物理学产产生了广广泛而又又深远的的影响。 广义相对论论和万有有引力的的基本理理论狭义相相对论给给牛顿万万有引力力定律也也带来了了新问题题。牛顿顿提出的的万有引引力被认认为是一一种超距距作用，它它的传递递不需要要时间，

37、产产生和到到达是同同时的。这这同狭义义相对论论提出的的光速是是传播速速度的极极限相矛矛盾。而而且在狭狭义相对对论中，“同同时”是是一种相相对的概概念。因因此，必必须对牛牛顿的万万有引力力定律也也加以改改造。改改造的关关键来自自R.VV.厄缶缶的实验验，它以以很高的的精确度度证明：惯性质质量和引引力质量量相等，因因此不论论行星的的质量多多大多小小，只要要在某一一时刻它它们的空空间坐标标和速度度都相同同，那末末它们的的运行轨轨道都将将永远相相同。引引力所决决定的运运行轨道道和运行行物体的的质量无无关，对对于所有有物体都都一样。这这个结论论提供了了一个线线索，启启发爱因因斯坦设设想：万万有引力力效应

38、是是空间、时时间弯曲曲的一种种表现，从从而提出出了 HYPERLINK javascript:hotword(广义相对论,2522) 广义义相对论论。根据据广义相相对论，空空间、时时间的弯弯曲结构构决定于于物质的的能量密密度、动动量密度度在空间间、时间间中的分分布；而而空间、时时间的弯弯曲结构构又反过过来决定定物体的的运行轨轨道。在在引力不不强，空空间、时时间弯曲曲很小的的情况下下，广义义相对论论的预言言就同牛牛顿万有有引力定定律和牛牛顿运动动定律的的预言趋趋于一致致；引力力较强，空空间、时时间弯曲曲较大的的情况下下，就有有区别。但但这种区区别常常常很小，很很难在实实验中观观察到。从从广义相相

39、对论提提出到现现在已经经过去了了70年年，至今今还只有有四种实实验能检检验出这这种区别别。所有有这四种种实验观观察结果果都支持持广义相相对论而而不支持持牛顿万万有引力力定律的的结论。广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研究有重要意义，对于研究宇宙的结构和演化也有重要意义。 原子物理学学、量子子力学、量量子电动动力学原子物物理学研研究原子子的性质质、内部部结构、内内部受激激状态，以以及原子子和电磁磁场、电电磁波的的相互作作用以及及原子之之间的相相互作用用。原子子是一个个很古老老的概念念。古代代就有人人认为：宇宙间间万物都都是由原原子组成成的。原原子是不不可分割割的、永永恒不变变的物质质最终单单元

40、。118977年 HYPERLINK javascript:hotword(J.J.汤姆孙,18819) J.J.汤汤姆孙发发现了 HYPERLINK javascript:hotword(电子,3658) 电电子。这这才使人人们认识识到原子子不是不不可分割割的、永永恒不变变的，而而是具有有内部结结构的粒粒子。于于是在119世纪纪末，经经典物理理学的局局限性进进一步暴暴露出来来。根据据经典物物理学和和原子中中存在着着电子的的实验事事实可以以推导出出：假使使空腔壁壁的温度度不为零零，一个个具有有有限体积积的空腔腔内的 HYPERLINK javascript:hotword(电磁辐射,6874)

41、 电电磁辐射射的能量量是无穷穷大的。这这显然不不符合客客观事实实（见 HYPERLINK javascript:hotword(黑体辐射,29164) 黑黑体辐射射）。经经典物理理学也无无法解释释 HYPERLINK javascript:hotword(光电效应,3616) 光电效效应。为为此， HYPERLINK javascript:hotword(M.普朗克,20025) MM.普朗朗克和爱爱因斯坦坦提出了了同经典典物理学学相矛盾盾的假设设：光是是由一粒粒一粒光光子组成成的，每每一粒光光子的能能量E为 Ehv，式中v为光光的频率率，h是一个个常数，称称为普朗朗克常数数。这一一假设导导出

42、的结结论和黑黑体辐射射及光电电效应的的实验结结果符合合。于是是，199世纪初初被否定定了的光光的微粒粒说又以以新的形形式出现现。19111年， HYPERLINK javascript:hotword(E.卢瑟福,9476) E.卢瑟福用粒子散射实验(见 HYPERLINK javascript:hotword(原子结构,7122) 原子结构)发现原子的质量绝大部分以及内部的正电荷集中在原子中心一个很小的区域内，这个区域的半径只有原子半径的万分之一左右，因此称为 HYPERLINK javascript:hotword(原子核,17544) 原子核。这才使人们对原子的内部结构得到了一个定性的、

43、符合实际的概念。在某些方面，原子类似一个极小的太阳系，只是太阳和行星之间的作用力是万有引力，而原子核和电子间的作用力是电磁力。用经典物理学来解释原子的内部结构和原子发射出来的光的频谱遇到了不可克服的困难。按照 HYPERLINK javascript:hotword(经典电动力学,26356) 经典电动力学理论，围绕原子核运行的电子因加速运动会辐射电磁波，从而损失能量，电子轨道的半径将逐渐缩小，放出的电磁波的频率会愈来愈高，并连续改变；最后，电子因损失能量而落入原子核中。因此，原子不可能有稳定的结构。但实验表明：原子有很稳定的结构，放出来的电磁波的频谱并不连续，而是分立的，而且这种分立的频谱具

44、有明显的规律性。为了解释原子的结构和原子光谱的规律， HYPERLINK javascript:hotword(N.玻尔,7730) N.玻尔提出了他的氢原子理论，在经典力学所容许的所有运动状态中，只有那些电子的轨道角动量为 的整数倍的的状态才才是客观观规律所所允许的的状态（见见 HYPERLINK javascript:hotword(玻尔氢原子理论,22468) 玻尔氢氢原子理理论）。因因此原子子内部电电子围绕绕原子核核运动的的能量只只能取一一系列分分立的数数值，称称为能级级。原子子吸收或或放出光光子时，就就从一个个能级跃跃迁到另另一个能能级，光光的频率率v和光子子的能量量 E之间有有如上

45、述述爱因斯斯坦光子子假说的的公式所所表达的的关系。光光子的能能量 EE为这两两个能级级的能量量差。玻玻尔的氢氢原子理理论在解解释氢原原子的结结构和光光谱时取取得了很很大的成成功；但但是用来来研究氦氦原子结结构时就就遇到了了困难。显显然，经经典物理理学的可可用范围围不包括括微观世世界；而而上述普普朗克、爱爱因斯坦坦、玻尔尔的学说说虽包含含了微观观世界的的部分真真理，但但都不是是微观世世界物理理现象的的完整的的基本理理论。原子子物理学学的基本本理论是是在200世纪220年代代中期和和后期由由 HYPERLINK javascript:hotword(L.V.德布罗意,22199) L.VV.德布布

46、罗意、 HYPERLINK javascript:hotword(W.K.海森伯,3529) W.KK.海森森伯、 HYPERLINK javascript:hotword(E.薛定谔,17218) E.薛薛定谔、 HYPERLINK javascript:hotword(P.A.M.狄喇克,28537) P.AA.M.狄喇克克、 HYPERLINK javascript:hotword(W.泡利,11999) W.泡泡利等所所创建的的 HYPERLINK javascript:hotword(量子力学,26301) 量子力力学和 HYPERLINK javascript:hotword(量子

47、电动力学,22115) 量子电电动力学学。它们们区别于于 HYPERLINK javascript:hotword(经典力学,5471) 经典力力学和 HYPERLINK javascript:hotword(经典电动力学,29588) 经典电电动力学学的主要要特点是是：物理量量所能取取的数值值常常是是不连续续的，当当然，某某些物理理量在一一定范围围内也可可以取连连续的数数值；它们所所反映的的规律不不是确定定性的规规律，而而是统计计规律。这两个特点之间又存在着密切的联系。量子力学和量子电动力学应用于研究原子结构、原子光谱、原子发射、吸收、散射光的过程以及电子、光子和电磁场的相互作用和相互转化过

48、程非常成功。理论结果同最精密的实验结果相符合。微观客体的一个基本性质是 HYPERLINK javascript:hotword(波粒二象性,30888) 波粒二象性。所有一切微观粒子如：光子、电子、原子等都具有波粒二象性。对于所有微观粒子，能量E和频率v之间、动量p和波长之间都有如下的关系： 。这两个关系系式表达达了微观观客体的的粒子性性和波动动性之间间的深刻刻联系。粒粒子和波波是人在在宏观世世界的实实践中形形成的概概念，它它们各自自描述了了迥然不不同的客客体。但但从宏观观世界实实践中形形成的概概念未必必恰巧适适合于描描述微观观世界的的现象。现现在看来来，需要要粒子和和波动两两种概念念互相补

49、补充，才才能全面面地反映映微观客客体在各各种不同同的条件件下所表表现的性性质。这一一基本特特点的另另一种表表现方式式是海森森伯的 HYPERLINK javascript:hotword(测不准关系,20213) 测测不准关关系。这这一关系系说明：不可能能同时测测准一个个粒子的的位置和和动量，位位置测得得愈准，动动量必然然测得愈愈不准；动量测测得愈准准，位置置必然测测得愈不不准。测测不准关关系的表表达式是是： xpph，式中x是是位置测测量的误误差，p是动量量测量的的误差。波粒二象性已经包含在量子力学的数学形式中：在量子力学中物理量由算符表示，物理量所能取的数值就是算符的本征值，本征值常常是不

50、连续的，粒子性就是这种不连续性的一种表现；物理状态由 HYPERLINK javascript:hotword(波函数,7850) 波函数表达，波动性就是波函数所描述的统计性质的一种表现。量子力学和量子电动力学产生于 HYPERLINK javascript:hotword(原子物理学,30489) 原子物理学研究，但是它们起作用的范围远远超出原子物理学。量子力学是所有微观、低速现象所遵循的规律，因此不仅应用于原子物理，也应用于 HYPERLINK javascript:hotword(分子物理学,26262) 分子物理学、 HYPERLINK javascript:hotword(原子核物理

51、学,32628) 原子核物理学以及宏观物体的微观结构的研究。量子电动力学则是所有微观电磁现象所必须遵循的规律，直到现在，还没有发现量子电动力学的局限性。当所研究的现象中，坐标值和动量值的乘积远远大于h时，量子力学和量子电动力学所得到的结果就趋近于经典力学和经典电动力学所得到的结果。例如，观察不到宏观物体的波动性的原因是因为相应的波长太短。一个质量为 1g的物体以1cm/s的速度运动，相应的波长为610-27cm，远远小于目前实验技术所能测量出来的最小距离。因此经典力学和经典电动力学仍然是反映宏观力学现象和宏观电磁现象的规律的很好的相对真理。分子物理学研究原子如何结合成为分子，分子的内部结构、内

52、部运动状态、它的电学性质、磁学性质和光学性质等等。分子物理现象服从量子力学和量子电动力学所反映的规律。简单的分子用量子力学和量子电动力学来分析处理，得到的结果和实验结果相符合，但用量子力学和量子电动力学来处理复杂的分子，数学上非常复杂和困难，很难得到比较准确的结果。由于X射线衍射技术、中子衍射技术、激光技术等的发展，为研究分子提供了有力的实验手段。生命物质内部的分子结构非常复杂，但应用现有的实验技术已经能够对它们的结构包括细胞内染色体中携带遗传密码的分子结构进行详细的分析。分子物理的实验研究正在不断取得进展。 量子统计力力学以量子子力学为为基础的的统计力力学，称称为量子子统计力力学(见见 HY

53、PERLINK javascript:hotword(量子统计法,18889) 量子统统计法)。经典典统计力力学以经经典力学学为基础础，因而而经典统统计力学学也具有有局限性性。例如如：随着着温度趋趋于绝对对零度固固体的比比热容趋趋于零的的实验现现象，就就无法用用经典统统计力学学来解释释。在宏观观世界中中，看起起来相同同的物体体总是可可以区别别的；在在微观世世界中，同同一类粒粒子却无无法区分分。例如如：所有有的电子子的一切切性质都都完全一一样。在在宏观物物理现象象中，将将两个宏宏观物体体交换，就就得到一一个和原原来状态态不同的的状态，进进行统计计时必须须将交换换前和交交换后的的状态当当作两个个不

54、同的的状态处处理；但但是在一一个物理理系统中中，交换换两个电电子后，得得到的还还是原来来的状态态，因此此进行统统计时，必必须将交交换前和和交换后后的状态态当作同同一个状状态来处处理。微观观粒子还还有其他他特殊性性。自旋旋为媡 的半整整倍数的的粒子，如如电子，服服从费密密-狄喇喇克统计计，这类类粒子统统称为“ HYPERLINK javascript:hotword(费密子,2862) 费密子”；自旋为媡的整数倍的粒子，如光子，服从玻色-爱因斯坦统计(见 HYPERLINK javascript:hotword(全同粒子,2111) 全同粒子)，这类粒子统称为“ HYPERLINK javasc

55、ript:hotword(玻色子,9729) 玻色子”。根据微观世界的这些规律改造经典统计力学，就得到量子统计力学。应用量子统计力学就能使一系列经典统计力学无法解释的现象，如黑体辐射、低温下的固体比热容、固体中的电子为什么对比热的贡献如此小等等，得到了合理的解释。 固 体 物物 理 学固体物物理学研研究固体体的性质质，它的的微观结结构及其其各种内内部运动动，以及及这种微微观结构构和内部部运动同同固体的的宏观性性质（如如力学性性质、热热学性质质、光学学性质、电电磁性质质等等）的的关系。每每立方厘厘米固体体中包含含巨量的的原子，因因此上述述问题是是多体问问题。固固体的内内部结构构和运动动形式很很复

56、杂，这这方面的的研究是是从 HYPERLINK javascript:hotword(晶体,17356) 晶体体开始的的，因为为晶体的的内部结结构简单单，而且且具有明明显的规规律性，较较易研究究。以后后进一步步研究一一切处于于凝聚状状态的物物体的内内部结构构、内部部运动以以及它们们和宏观观物理性性质的关关系。这这类研究究统称为为凝聚态态物理学学。固体中中电子的的运动状状态服从从量子力力学和量量子电动动力学的的规律。在在晶体中中，原子子（离子子、分子子）有规规则地排排列，形形成 HYPERLINK javascript:hotword(点阵,9061) 点阵阵。200世纪初初， HYPERLIN

57、K javascript:hotword(M.von劳厄,16156) M.vonn劳厄和和 HYPERLINK javascript:hotword(布喇格父子,19494) 布喇格格父子发发展了 HYPERLINK javascript:hotword(X射线衍射,5480) XX射线衍衍射方法法，用以以研究点点阵结构构。第二二次世界界大战以以后，又又发展了了 HYPERLINK javascript:hotword(中子衍射,30127) 中子衍衍射方法法，使晶晶体点阵阵结构的的实验研研究得到到了进一一步发展展。在晶体体中，原原子的外外层电子子可能具具有的能能量形成成一段一一段的能能带(

58、见见 HYPERLINK javascript:hotword(固体的能带,14632) 固体的的能带)。电子子不可能能具有能能带以外外的能量量值。按按电子在在能带中中不同的的填充方方式，可可以把晶晶体区别别为金属属、绝缘缘体和 HYPERLINK javascript:hotword(半导体,14467) 半半导体。能能带理论论结合半半导体锗锗和硅的的基础研研究，高高质量的的半导体体单晶生生长和掺掺杂技术术，导致致 HYPERLINK javascript:hotword(J.巴丁,14606) J.巴巴丁、WW.H.布喇顿顿和W.肖克莱莱于1994719448年发发明了晶晶体管。电子具有自

59、旋和 HYPERLINK javascript:hotword(磁矩,26566) 磁矩，它们和电子在晶体中的轨道运动一起，决定了晶体的磁学性质，晶体的许多性质（如力学性质、光学性质、电磁性质等）常常不是各向同性的。作为一个整体的点阵，有大量内部 HYPERLINK javascript:hotword(自由度,1541) 自由度，因此具有大量的集体运动方式，具有各式各样的元激发（见 HYPERLINK javascript:hotword(固体中的元激发,14785) 固体中的元激发）。晶体的许多性质都和点阵的结构及其各种运动模式密切相关，晶体内部电子的运动和点阵的运动之间相耦合，也对固体的

60、性质有重要的影响。例如： HYPERLINK javascript:hotword(H.开默林昂内斯,2578) H.开默林昂内斯在1911年发现，金属在低温下有 HYPERLINK javascript:hotword(超导电性,20929) 超导电性；江崎玲於奈在1960年发现 HYPERLINK javascript:hotword(超导体的单电子隧道效应,8001) 超导体的单电子隧道效应。这些效应都和这种不同运动模式之间的耦合相关。晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵。处于不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相同，物理性质却可能不同。不同的点阵形式具有不同的能量：在低温时，点阵处于能量最