物理学与物理学人才培养

物理学与物理学人才培养第1页，共39页，2023年，2月20日，星期六物理学和物理科学人才的培养1.什么是物理学2.从物理学的发展看物理学的思想方法3.物理学是一个整体4.自然科学和现代高新技术的基础5.物理科学人才的需要和培养第2页，共39页，2023年，2月20日，星期六1.什么是物理学

物理学是自然科学的基础。

物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物质的性质、运动、相互作用、相互转化以及内部结构的基本规律。

物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。物理学是研究“物”的，它研究的是物质，也就是研究宇宙间客观存在的物质。物理学不是对客观存在的物质的运动简单地进行记载和现象描写。而是研究“物”的“理”，也就是研究物质运动的道理，研究物质运动的普遍的基本规律。第3页，共39页，2023年，2月20日，星期六

正因为如此，所以可以概括为：

物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物质的性质、运动、相互作用、相互转化以及内部结构的基本规律。

物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。

可以说：物理学的研究对象是普遍的。物理学所研究的规律是基本的。第4页，共39页，2023年，2月20日，星期六自远古以来，由于农业生产需要确定季节，人们就进行天文观察，在古代就形成天文学。

化学缘起于古代炼金术，独立地发展。

物理学、天文学、化学是最早发展的自然科学。它们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起着日益深刻的作用。

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的范围。

物理学所发现的基本规律在地球现象和生命现象中，也起着重要作用。第5页，共39页，2023年，2月20日，星期六2.从物理学的发展看物理学的思想方法

20

世纪已经过去，现在已经进入了21世纪。在20世纪初期的30

年，物理学经历了一场伟大的革命。这场革命推动的整个自然科学和应用技术的伟大变革，这些变革和这些变革对人类社会的巨大影响，将作为20

世纪的一个重要标志而载入史册。物理学的这段令人神往的革命发展，大大深化了人们对物质世界的结构及其运动的规律性的认识，提供了新兴的高新科学技术部门的产生和发展的基础。第6页，共39页，2023年，2月20日，星期六

作为自然科学的基础，作为研究物质结构和运动的基本规律的物理学，总是生机勃勃，不断地开辟自己前进的道路的。

1803年道尔顿提出了近代的原子论，认为世界间万物都是由几十种不同种类元素的原子组成的。到了19世纪60年代，人类认识的物质元素数目增加到60多种，还认识到不同元素的性质是有内在联系的，迈耶（美籍德国人，原子核壳层模型理论获1963年诺贝尔奖，是继居里夫人之后第二个获诺奖的女士）和门捷列夫的周期律描述了各种元素之间的这种内在联系。

现在人类认识的物质元素的数目已经增加到114种，其中94种是自然界原来就有所存在的，20种完全是人造的。这114种元素组成了1千几百万种化合物。第7页，共39页，2023年，2月20日，星期六

19世纪末，物理学家们发现（1897年10月）了电子（1906年物理学奖），a

粒子（1899年发现，1906年确定为氦核，1908年化学奖），放射性（1896年3月发现，1903年物理学奖），X射线（1895年11月，1901年物理学奖），…。人类对物质结构的认识进入了微观世界。

20世纪初，发现原子是可以改变的，原子不是物质构成的最小单元，原子还有内部结构。卢瑟福建立了原子结构的有核模型。

探讨热辐射规律以及原子结构模型和经典物理学之间的矛盾，导致了量子论的建立、量子力学的诞生，产生了现代原子、分子物理，凝聚态物理，原子核物理，粒子物理，…。现在，物理学又正在进入一个新的层次。探索物质微观结构粒子及其运动、相互作用、相互转化规律的研究近40年多来取得十分辉煌的成就。第8页，共39页，2023年，2月20日，星期六

20世纪60年代到70年代，粒子物理学在认识物质微观结构和运动规律方面取得了重大的、系统的进展，建立了粒子物理的标准模型。标准模型概括了两方面的内容：

1。物质世界是由62种粒子构成

(1)规范玻色子相互作用的媒介粒子，共13种。

(2)费米子自旋为1/2的粒子。费米子又分为轻子和夸克两类，粒子和反粒子共48种。

(3)Higgs粒子自旋为零的粒子，不带电，共1种。第9页，共39页，2023年，2月20日，星期六这62种粒子中，实验上现在还没得到存在的直接证据的2种粒子是Higgs粒子和引力子。其中引力子：作用太弱，不能直接观测。

唯一的应该能找到但还没有找到的粒子

Higgs粒子。

2.粒子之间的基本相互作用有4种

(1)色相互作用媒介粒子为胶子g.

(2)电弱相互作用媒介粒子为

,W+,W,Z。能量低于250GeV时分解为性质和行为很不相同的两种相互作用：

电磁相互作用媒介粒子为。

弱相互作用媒介粒子为W+,W,Z。

(3)引力相互作用媒介粒子为引力子。第10页，共39页，2023年，2月20日，星期六理论上认为还存在有一种相互作用。

(4)Higgs粒子汤川相互作用媒介粒子为Higgs粒子。

只有

Higgs粒子汤川相互作用还没有直接观察到。粒子物理的标准模型完整地总结概括了现在已经知道的物质微观结构和相互作用的各种基本规律，并且得到多方面实验的大量验证。粒子物理的标准模型的建立以及它在各方面的成功，标志着物理学在探讨物质微观的结构和运动的基本规律方面正在进入物质世界的一个更深的层次。

毫无疑问这是物理学发展历史上一个具有划时代意义的大事。第11页，共39页，2023年，2月20日，星期六但是，在欢呼它取得的多方面的胜利时，也要看到同时它也提出了一系列带本质性的没有解决的问题。可以说，进入这个新层次将带来的最本质的新的物理，还没有到来。

19世纪末的物理学家尽管看到了“遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云”，但也没有能猜测到物理学将进入比原子更深层次的探索，会在什么时候和在哪点上带来新的物理，没有能预见在30年内相对论和量子力学的建立、近代物理的建立和发展。第12页，共39页，2023年，2月20日，星期六

21世纪初的人们可以在总结20世纪中近代物理学的飞速发展的基础上对21世纪初近代物理的某些发展动向进行某些预测。

21世纪初的人们也不能奢望能够在近代物理学的飞速发展的面前对21世纪初几十年内物理学的发展前景作出全面、具体、肯定的预测。第13页，共39页，2023年，2月20日，星期六

20世纪初期物理学的革命，表现出人类理性思维的伟大胜利。狭义相对论，特别是广义相对论，震撼着物理学工作者的心灵。爱因斯坦也在他那无与伦比的思考导致的宇宙模型面前感到困惑了。近四十多年来一大批物理学家和天文学家辛勤的努力和非凡的勇气，把这个难以想象的革命性的关于宇宙的结构和演化的概念和图象建立起来了，大爆炸宇宙论得到科学界多数人的认同，被称为宇宙学的标准模型。第14页，共39页，2023年，2月20日，星期六

在大致一百五十多亿年前，宇宙从一个具有无限大的密度和具有无限大的时空曲率的点开始了。

宇宙迅速膨胀，密度和温度迅速降低，到10–44

秒时，重力相互作用和其它相互作用分离开来；

到

10–36

秒时，强相互作用和电弱相互作用分离；大体上可以说10-10

秒以前物质存在形式以夸克物质形态为主，即以密集的夸克胶子等离子体的形式存在。第15页，共39页，2023年，2月20日，星期六

直到10–10

秒时，宇宙的平均温度大约为1015

度，弱相互作用才与电磁相互作用分离，世界变成了有四种基本相互作用的世界。

体积再膨胀，温度再降低后，到10-6

秒时，夸克、反夸克又结合成各种介子和重子，形成强子物质。这时温度大约在1013K

左右。大爆炸后的一秒钟时宇宙的平均温度大约为1010K。

温度继续降低，到大约3分钟时开始，质子和中子结合成较重的原子核，首先是形成氦核。这时宇宙的平均温度大约为109K。第16页，共39页，2023年，2月20日，星期六

直到三十多万年后，开始出现原子、分子，这时宇宙的温度降到大约6000度。

从大的范围来说，开始形成星体，出现星云系。这样一个综合了夸克尺度物理和宇观尺度物理的宇宙演化模型的建立，是人类物质认识史上一个最具有革命性的、划时代的伟大事件。这个宇宙学的标准模型和近年来天体物理学取得的辉煌的成就，在物理学的面前提出了十分严峻的具有本质的挑战。第17页，共39页，2023年，2月20日，星期六

如何理解宇宙这样有限而无界的时空和它的奇点？

什么是在宇宙这样演化中的物质和运动规律？

为什么宇宙结构和演化中有那么多的“巧合”？

为什么宇宙中存在的暗物质总量至少比明亮物质的总量大一个数量级？

暗物质粒子究竟是什么粒子？

为什么宇宙对正反物质是不对称的？宇宙对正反物质不对称的来源是什么？这些问题都是有待研究的。第18页，共39页，2023年，2月20日，星期六3.物理学是一个整体

20世纪物理学的发展显示：物质世界是有层次的，反映物质世界的物理学规律也是有层次的。

每一层次的物理都植根于更深层次的物理学，同时每一层次的物理规律又不能还原为更深层次物理规律的简单积累和叠加。

每个层次的物理都是在真实的意义上不可穷尽的。

人类在探索自然奥秘的过程中，一个重要的问题是探索物质微观结构的基本规律；另一个重要的基本问题是探索物质大范围结构的基本规律；再一个重要的基本问题是探索宏观物质结构复杂系统运动的基本规律。第19页，共39页，2023年，2月20日，星期六

20世纪以来，物理学在探索物质微观结构的基本规律方面不断取得进展，从20世纪初到30年代，探索物质微观结构的前沿学科是原子物理学；30年代到40年代是原子核物理学；50年代以来是粒子物理学，建立了粒子物理的标准模型。

20世纪以来，物理学在探索物质大范围结构的基本规律方面不断取得进展，从天体物理学到宇宙学，建立了宇宙学的标准模型。

20世纪以来，物理学在探索宏观物质结构复杂系统运动的基本规律方面不断取得进展，发展出理论物理、凝聚态物理、光物理、激光物理、非线性光学、低温物理、磁性物理、金属物理、半导体物理、材料物理、表面物理、介观物理、电真空物理、电子物理、无线电物理、固体微电子学、等离子体物理、声学、固态物理、液态物理、高压物理、非线性物理、分形物理、计算物理……等分支学科。第20页，共39页，2023年，2月20日，星期六近几十年来，物理学的各分支学科有着突飞猛进的迅速发展，对物理现象和物理学规律的探索研究不断取得新的进展，丰富了人们对物质世界物理运动基本规律的认识和掌握，促进了许多和物理学紧密相关的交叉学科和技术学科的发展。

经典力学、经典电动力学并不因为量子力学、量子电动力学的发展而被排斥出物理学，近年来还不停地有它们新的、有深刻意义的进展。光物理学和凝聚态物理学半个世纪以来的巨大的、令人应接不暇的发展提供了最能说服人的例子。第21页，共39页，2023年，2月20日，星期六在当代粒子物理和宇宙学中最重要的观念，如相变、对称性的自发破缺、拓扑性缺陷、红外发散…等等，都首先来自凝聚态物理学。而当代凝聚态物理的理论研究又都广泛地而且本质地使用粒子物理学中发展的量子场论的语言和技术。这显示物质世界的丰富性、多样性决定了物理学有许多分支学科，体现物理学的丰富性、多样性、和统一性，但各分支是紧密联系的。物理学是一个整体“只有一个物理学”！第22页，共39页，2023年，2月20日，星期六4.自然科学和现代高新技术的基础

在20世纪，物理学的基本概念和技术已被应用到所有的自然科学领域。

物理学与其它自然科学学科之间的边缘领域，一定意义上是当代自然科学中最富于获得丰硕成果的机遇的领域。边缘领域的发展，又反过来丰富、加深和支持了物理学本身的发展。量子力学和现代物理实验技术的应用，大大推进了现代化学的发展。

对分子结构、性能和反应机理的研究，又丰富了和推动了现代物理的进步。第23页，共39页，2023年，2月20日，星期六而且，如果没有现代化学的支撑，现代物理学中好些分支学科都不能产生和发展。地球科学、生命科学与物理学的边缘领域的发展，也将会是类似的情景。近二三十年复杂性科学的发展。数学、物理学，特别是物理学与化学、地球科学、生命科学、各种应用技术科学的边缘领域研究的发展，都使人们相信，在复杂性(多维度，多组元，非线性，非平衡和开放的)系统的结构、性能和演化中，有一些具有普遍性的运动规律和运动模式。

相信一门有重要的基础科学意义的学科，复杂性物理正在形成。第24页，共39页，2023年，2月20日，星期六

复杂性物理已经显出可能对物理学中一些最基础的问题，如必然性和随机性，无序化的倾向和有序结构的生成，不同层次的结构的自相似性等，作出有深刻物理意义的回答。

复杂性物理也将是人类认识史上又一个重大的事件，它将会对化学，地球科学，生命科学，认知科学和各种应用技术的发展产生巨大的影响。

20世纪以来，随着近代物理学的迅猛发展，陆续发展了近代原子分子物理学、原子核物理学与核技术、原子核能的利用、激光物理和激光技术、半导体物理和器件、固体组件、超导电物理与技术、光电子学技术、X光技术、粒子物理。第25页，共39页，2023年，2月20日，星期六这些分支学科的发展又推动了计算机科学技术和信息与通讯科学技术的发展，并且形成了各种有关的新科学技术产业。它们大大推动了现代社会的发展。随着科学的发展，不同学科相互渗透，出现了物理学与这些学科之间的一系列交叉学科，如数学物理学、天体物理学、化学物理学、生物物理学、大气物理学、海洋物理学、地球物理学等。

物理学是自然科学的基础，物理学的发展动力深深地植根于人类对真理的非功利的追求。第26页，共39页，2023年，2月20日，星期六

这种对真理的非功利的追求给人类带来了最大的收益。

当代技术进步的主要推动力来自纯学科性的基础研究。

研究室和实验室中纯学科性的研究转变为重要的应用技术，实际生产和社会发展中遇到的问题转化为有基础学科意义的研究课题，两者关系愈来愈密切，相互转化的周期愈来愈短。

与之相应，在现代，杰出的基础科学研究人材和优秀的应用技术开发人材在科学素质上的要求变得更加一致了。第27页，共39页，2023年，2月20日，星期六

进入21世纪之际，无论是制造业还是服务业，也无论是材料、信息、能源、交通、环境等技术部门，都在期待着新的技术变革。

认真考察就会发现，这些新的技术变革都主要基于现代物理学的进展。可以肯定的是：21世纪物理学的发展仍是技术进步的主要源泉。物理学是自然科学的基础。物理学是现代高、新技术的基础。第28页，共39页，2023年，2月20日，星期六5.物理学人才的需要和培养

物理学是自然科学的基础。物理学是现代高、新技术的基础。各个国家都在不断地培养物理学的专门人才。考察各国物理学专门人才的培养情况，特别是培养博士水平的专门人才的情况，可以发现以下特点。第一、实际培养的人数远远大于开展物理学研究和物理学教育所需要的人数。第二、社会需要的物理学专门人才的数目大于学校实际培养的人数。第29页，共39页，2023年，2月20日，星期六

这两个特点不是某一年的暂时的现象，而是持续相当长时期的稳定的状况。物理学专门人才有很好的物理学科学素质。

物理学是自然科学的基础，是现代高新技术的基础。

物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物质的性质、运动、相互作用、相互转化以及内部结构的基本规律。

物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。物理学不仅要知道物质结构和运动的规则，而且要知道物质结构和运动的规律。物理学不仅要知道“然”，而且要知道“所以然”。第30页，共39页，2023年，2月20日，星期六物理学的发展的历史就是不断探索、研究未知的物质普遍的运动规律的过程，物理学的发展就是探索、研究自然奥秘不断前进的过程。

什么是物理学科学素质，它不仅表现在掌握丰富的物理学知识，更重要的是反映了探索研究的意识、能力和水平；塌实、严谨、尊重科学、勇于创新的学风。物理学科学素质的优势—— 探索、研究、创新。第31页，共39页，2023年，2月20日，星期六物理学的科学素质并不仅仅是掌握丰富的物理学知识，可以运用已知的物理学知识来解释一些物理现象，运用已经得到的公式、方法计算和分析一些物理效应，解决实际遇到的物理学问题。

物理学的科学素质还要善于提出问题、探索和研究过去没有解决的问题。看一个物理学发展中的事例：

20世纪初，人们已经认识到物质是由原子构成，原子是电中性的，但原子内部是有正负电的分布的。带负电的是电子，每一个电子的质量是很轻的，它们弥散在原子内部。带正电的是什么还不清楚，也不清楚它们是不是也像电子那样呈现为弥散分布。第32页，共39页，2023年，2月20日，星期六

1909年盖革和马斯登第一次观测到a

粒子束透过金属薄膜后在各方向上散射分布的情况。

其结果中居然出现少数意料不到的大角度散射，观察到散射角大到150度的a

粒子。

a

粒子是带正电荷的重粒子。a

粒子束在透过金属膜时发生散射说明尽管金属是电中性的，但金属原子内还是有电荷分布的。正电荷对a

粒子排斥，负电荷对a

粒子吸引，造成a

粒子被散射。考察一个质量为m速度为v的粒子A和一个质量为M静止的粒子B碰撞。第33页，共39页，2023年，2月20日，星期六

碰撞后A粒子的运动方向转了q

角，速度变为v’，B粒子沿着和入射方向成f

角的方向以速度V射出。

如果碰撞是正碰，则B粒子沿着和入射方向成f=0

的方向射出。

A粒子射出的运动方向有可能仍然向前取q