物理学专业前沿讲座课件

学时：36

物理学讲座2023/8/18学时：36物理学讲座2023/8/51前言物理学与核技术物理学和粒子物理物理学与宇宙学物理学和激光技术与工程物理学与量子技术内容2023/8/18前言内容2023/8/52前言技术源于生产活动、生活经验技术的物质形式：工具在人类历史上，技术的出现先于科学。

科学从技术的探索与运用中诞生2023/8/18前言技术源于生产活动、生活经验在人类历史上，技术的出3前言

科学知识的源泉：一是由于生产发展的需要二是人类对客观世界的好奇心和求知的兴趣感性认识理性认识思考自然界内在的规律观察分析归纳2023/8/18前言科学知识的源泉：感性认识理性认识思考自然界内在的规4前言科学（首先是物理科学）的革命，引发了生产技术的革命，使人们对基础科学、应用科学、工程技术和生产活动的关系，有了新的感受和认识。哥白尼19世纪17世纪16世纪爱因斯坦麦克斯韦牛顿20世纪科学独立存在有了完整的体系2023/8/18前言科学（首先是物理科学）的革命，引发了生产技术的革命，使5前言

物理学与科学技术：互相促进、携手并进、相互渗透；与哲学、社会科学密切相关，共同推动着经济与社会的发展；从生产方式、生活方式与思想观念上改变了人类文明的进程。2023/8/18前言物理学与科学技术：2023/8/56前言物理学：对许多工程技术领域的开创起着先导、引领的作用；工程技术：直接地创造生产力，反过来开拓、深化了物理学研究的疆域，并为之提供了丰富精致的环境条件和研究手段。在现代社会进步的历程中，物理学和工程技术之间存在紧密的相互联系和深刻的相互作用。2023/8/18前言物理学：在现代社会进步的历程中，物理学和工程技术20237一、物理学与核技术田湾核电站2023/8/18一、物理学与核技术田湾核电站2023/8/58原子核物理学的新发现是核工程技术的基础与先导

19世纪末，相继发现了放射性、原子光谱、X射线、和电子

1911年卢瑟福提出了原子的核式模型，但存在困难，需要改造

1913年玻尔完善原子结构理论:1）定态假设；2）量子化假设；3）跃迁假设1905年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的新概念;提出了质能关系及其著名表达式E=mc2

2023/8/18原子核物理学的新发现是核工程技术的基础与先导19世纪末，相9原子原子核+核外电子核衰变α衰变β衰变

衰变一、原子核衰变2023/8/18原子原子核+核外电子核衰变α衰变一、原子核衰变2023/810例如，一个铀核衰变成钍核的方程是

α衰变：α衰变是指某种原子核（称为母核）因自发放射粒子（）而转变成新核（称为子核）的过程。其衰变模式为

特点：1）质量数大于140

2）α粒子能量不连续，核内能量量子化2023/8/18例如，一个铀核衰变成钍核的方程是α衰变：α衰变是指某种原11例如，一个钾核衰变成钙核的方程是

β

衰变：原子核通过自发放射粒子而完成的衰变过程特点：1）出射电子的能量连续

2）相当于核中的中子转变成质子2023/8/18例如，一个钾核衰变成钙核的方程是β衰变：原子核通过自12β衰变连续能谱2023/8/18β衰变连续能谱2023/8/513例如，铊核发生的衰变

衰变：处于激发态的原子核因发生跃迁而释放出

光子的过程

特点：1）出射光子的能量分立

2）核内部能量非连续2023/8/18例如，铊核发生的衰变衰变：处于激发态的原子核因发生跃14放射性:然放射性、人工放射性天然放射性元素的原子序数都大于81，并依次形成三个质量数分别为4n、4n+2和4n+3的放射系，即钍(Th)系、铀(U)系和锕(Ac)系。唯有在人工放射条件下，才能见到质量数是4n+1的镎(Np)放射系，原因是该系各原子核衰变得较快，以致无法长期存在。

2023/8/18放射性:然放射性、人工放射性天然放射性元素的原子序数都大于15二、衰变速率卢瑟福最早发现，钍元素放射强度大约1分钟减弱为原来的1/2，而在2分钟和3分钟之内依次降低到原来的1/4与1/8；直至按时间平方反比规律衰减2023/8/18二、衰变速率卢瑟福最早发现，钍元素放射强度大约1分钟减弱为原16衰变关系半衰期衰变规律总寿命平均寿命2023/8/18衰变关系半衰期衰变规律总寿命平均寿命2023/8/517核物质的放射强度由该物质的放射性活度——单位时间内发生衰变的核的数量表示放射性活度的单位为居里（Ci）在我国放射性活度的法定单位是贝可勒尔(Bq)表示每秒衰变一次的计量

2023/8/18核物质的放射强度由该物质的放射性活度——单位时间内发生衰变的18三、原子核的组成

1)由氢的原子核——质子组成2）由质子和电子组成3）由质子与一种中性粒子——中子组成

1919年，卢瑟福提出中子概念1932年，查德威克发现中子

2023/8/18三、原子核的组成1)由氢的原子核——质子组成2023/19海森堡率先提出，质子和中子可以通过交换电子而结合成原子核，其理论后果是导致相互作用的粒子交换机制，成为现代场论的思想基础。电子与核子的性质内禀性质电子质子中子电荷(e)-e+e0质量(MeV/c2)0.5110938.27231939.56563自旋1/21/21/2平均寿命>1031a20s2023/8/18海森堡率先提出，质子和中子可以通过交换电子而结合成原子核20原子核通常用符号表示，其中，具有相同质子数与相同中子数的核称为同种核素，而具有相同质子数与不同中子数，以及具有不同质子数与相同质量数的核则分别被称为同位素（如氢元素有三种同位素：、和）和同量异位素（如和等）。、

2023/8/18原子核通常用符号表示，其中，具有相同21四、原子核的基本性质

1）原子核的电荷

+Ze

天然存在的原子核Z<95钚

A=241，242，2442）原子核的质量

一个原子质量单位

2023/8/18四、原子核的基本性质1）原子核的电荷2）原子核的质量2022例如，氧核的质量为钾核的质量为质子和中子的质量可分别表示为

当采用原子质量单位计量时，各原子核的质量都非常接近于整数，因此原子的质量数通常取整数。

2023/8/18例如，氧核的质量为2023/8/5233）原子核的半径

实验表明，原子核的形状大都为球形且没有明显的边界，因而只能用统计意义上的区域半径来表示其尺度大小，即在这个半径以内核物质存在的几率很大，而一旦超过这个半径结果会迅速下降为零。目前，通过电子散射方法测定的核半径与其质量数的立方根成正比，2023/8/183）原子核的半径，2023/8/524或者说核体积同质量数成正比例如，的半径仅有

核物质密度基本保持一致，即有

2023/8/18或者说核体积同质量数成正比例如，的半径仅有核物254）原子核的自旋

原子核的自旋应当由其内部核子的自旋角动量以及轨道角动量共同组成，是原子核内禀特性的一种直接反映实验发现，所有偶偶核（拥有偶数个质子和中子）的核自旋均为零，而所有奇奇核（拥有奇数个质子和中子）以及所有奇偶核（拥有奇数个核子）的核自旋则分别为整数和半整数。2023/8/184）原子核的自旋实验发现，所有偶偶核（拥有偶数个质子265）原子核内的核力

核力是指广泛存在于核子之间，并足以克服库仑斥力而最终促使核子结合成核的吸引作用。这种作用最早出自海森堡提出的粒子交换概念，但它的有效机制是由日本物理学家汤川秀树揭示出来的。1935年汤川秀树指出，核力在本质上是一种介子（因质量介于电子与质子之间而得名）交换作用，其交换力程为2023/8/185）原子核内的核力2023/8/527力程应当等于介子有三种带电状态，即带有正电和负电的以及不带电的介子的2023/8/18力程应当等于介子有三种带电状态，即带有正电和负电的28核子交换介子的作用图像2023/8/18核子交换介子的作用图像2023/8/529核力的基本特征：（1）属于强作用，是电磁作用强度的100多倍；（2）为短程力，其有效力程大约仅有；（2）与电荷无关，即不同核子间的核力基本相同，从而表现出与电荷无关的性质；（3）具有饱和性，即每个核子只能与邻近的核子发生核力作用，因为如果假定不是这样，那么质量数越大的核，其核力作用也会越强，结果就必然导致核密度的增加。2023/8/18核力的基本特征：（1）属于强作用，是电磁作用强度的1305）原子核的结合能

实验表明，所有原子核（除氕核外）的质量总要略小于其内部核子的质量之和，即从而造成所谓的质量亏损2023/8/185）原子核的结合能从而造成所谓的质量亏损2023/8/531亏损质量对应着相对论能量例如，氘核的质量其质量亏损是对应的结合能2023/8/18亏损质量对应着相对论能量例如，氘核的质量对应的结合能232平均结合能——比结合能——代表了拆散原子核时所必须对每个核子付出的能量拥有更大比结合能的原子核其状态会更加稳定；反之，则稳定性较差2023/8/18平均结合能——比结合能——代表了拆散原子核时所必须对每33比结合能随质量数的分布曲线2023/8/18比结合能随质量数的分布曲线2023/8/534一些核素的结合能和比结合能（单位）核素结合能比结合能核素结合能比结合能12H2.2241.112917F128.227.5423He7.7182.573919F147.807.7824He28.307.072040Ca342.058.5536Li31.995.332656Fe492.38.7937Li39.245.6147107Ag915.28.55612C92.167.6854129Xe1087.68.43714N104.667.4854131Xe1103.58.42715N115.497.7054132Xe1112.48.43815O111.957.4682208Pb1636.47.87816O127.617.9892235U1783.87.59817O131.767.7592238U1801.67.572023/8/18一些核素的结合能和比结合能（单位）核素结351．核反应分类本质上,核反应是一种受激衰变过程，要促使一个原子核发生反应，就必须用其他核或粒子去尽可能地接近它，以便在核力作用范围内引起其内部结构的扰动。例如，历史上第一个人工核反应(1919年卢瑟福)

五、原子核反应

第一个在加速器上实现的核反应

2023/8/181．核反应分类五、原子核反应第一个在加速器上实现的核反应36

目前，人们掌握和认识的核反应已经达到上千种，并且这些反应可以一般地写作如下形式

A+a=B+b

A、a分别表示靶核和入射粒子，B、b分别代表剩余核和出射粒子。2023/8/182023/8/537核反应总体上可按如下几个标准划分1）靶核质量标准依据靶核质量数A的大小对核反应进行分类，也即以、和三个区间段，将核反应区分为轻核反应、中等核反应与重核反应。2)入射粒子能量标准如果以入射粒子的能量水平为区分，核反应的表现大致不外乎低能、中能以及高能反应等三种类型。2023/8/18核反应总体上可按如下几个标准划分2023/8/538

其中，入射粒子能量在140Mev之下的为低能核反应，它最多仅能产生3至4个出射粒子，而能量在140MeV到1Gev之间的中能核反应则可以使靶核散裂成许多碎片，唯有能量达到1GeV之上的高能核反应，才有机会产生出质量更大的介子。3)入射粒子类型标准从入射粒子的种类入手，人们通常会将核反应划分为中子核反应、带电粒子核反应，以及光核反应等基本类型，它们分别对应着入射粒子为中子、带电粒子和光子的核反应。此外，如果以出入射粒子的相同与否相区分，则核反应还会表现为散射与转变过程。2023/8/18其中，入射粒子能量在140Mev之下的为低能核反应，392.原子核的裂变与聚变*反应能

Q>0，Q<0的反应分别称为放能与吸能反应，其中而人们最关注的是原子核的裂变与聚变反应。

1）核裂变从概念上讲，核裂变是指一个重核分裂为若干中等质量核的过程，它包括自发裂变与诱发裂变两种类型。2023/8/182.原子核的裂变与聚变2023/8/540其中，自发裂变意指原子核在未受其他粒子轰击是所自发产生的裂变，而诱发裂变则对应着重核在遭受外部轰击下所进行的裂变反应。由于中等核的比结合能比重核要大，结果使得裂变过程不仅能够产生能量，同时还表现出了惊人的产能效率。例如，一次裂变所释放出的能量可以高达百兆电子伏以上，为化学反应产能率的上千万倍。1938年哈恩和史特斯曼发现中子轰击铀核的裂变现象2023/8/18其中，自发裂变意指原子核在未受其他粒子轰击是所自发产生41意大利物理学家费米敏锐地注意到这一反应的价值，他进而推测指出，如果在裂变的产物中出现中子，那它就有可能诱发出新的反应，从而使整个反应以连锁形式不断进行，直至在反应进程及能量释放方面出现一种可怕的失控状态——核爆炸。2023/8/182023/8/5422023/8/182023/8/5432）核聚变与裂变反应的方向相反，在自然界中还存在着一种由轻原子核聚合成较重原子核的核聚变反应，简称核聚变。在聚变过程中，由于参与反应的轻微原子核拥有更小的比结合能，因此当它们聚合生成较重原子核时就会释放出更大的能量。典型反应例如2023/8/182）核聚变与裂变反应的方向相反，在自然界中还存在着一种由轻44

等价于目前实现聚变反应的方式有引力约束、磁约束与惯性约束机制2023/8/182023/8/545被寄予厚望的磁约束聚变反应装置——托克马克环流器（Tokamak）2023/8/18被寄予厚望的磁约束聚变反应装置——托克马克环流器（To46惯性约束机制2023/8/18惯性约束机制2023/8/547对核结构和质量的研究，使人们认识到原子核结合能随原子量变化的规律：一个重核分裂成两个中等质量的核时，会释放能量；某些轻核聚合成重核时将释放比前者大4倍以上的能量；E=ΔMC2ΔM----质量亏损。原子核物理学的新发现是核技术的基础与先导

2023/8/18对核结构和质量的研究，使人们认识到原子核结合能随原子量变化的48原子核物理的发现，奠定了裂变核能与聚变核能应用的基础。核能应用的实现还必须进一步解决一系列应用物理学和工程技术上的问题。

原子核物理学的新发现是核工程技术的基础与先导

E=MC22023/8/18原子核物理的发现，奠定了裂变核能与聚变核能应用的基础。原子核49核武器与核能

1)

核裂变能（原子能）被用来制造原子弹时，必须突破诸多的关键问题：

可裂变材料的选取和制备；确定实现链式裂变反应所必须的裂变物质的最小体积（临界体积）或临界质量；达到临界与裂变点火的技术途径；2023/8/18核武器与核能1)核裂变能（原子能）被用来制造原子弹时，必50核武器与核能

高能炸药研究，爆轰物理规律及其精确的时空控制；将流体力学，中子核物理等耦合在一起的全过程数值模拟，整套物理参数；核部件与非核部件的加工，材料相容性研究及结构工程设计；核试验的方法，核试验诊断理论与测试技术等。2023/8/18核武器与核能高能炸药研究，爆轰物理规律及其精确的时空控制；51核武器与核能

2)核聚变放能是氢弹的物理基础。制造氢弹必须创造性地解决一系列问题：必要的热核燃料（如氘和氚或锂等）的制备；如何利用原子弹爆炸的能量产生高温、高压来点燃聚变材料，并使之自持燃烧；氢弹2023/8/18核武器与核能2)核聚变放能是氢弹的物理基础。制造氢弹必须52核武器与核能掌握辐射输运的规律、辐射流体力学及高温高密度等离子体物理、状态方程、高剥离度原子参数；利用适当的材料和巧妙的构形实现热核爆炸；特殊效应的核武器（如中子弹等）还需进行特殊的设计等。2023/8/18核武器与核能掌握辐射输运的规律、辐射流体力学及高温高密度等53核武器与核能

问题的解决是物理工作和工程技术紧密交叉结合的过程：如,核爆炸的物理诊断学，就是为了弄清核武器爆炸后快速而复杂的物理过程、各种物理量随时、空的变化规律，从而做到不仅知其然，而且知其所以然。有意思的是，几个核国家突破氢弹的工作是“英雄所见略同”。

两个太阳2023/8/18核武器与核能问题的解决是物理工作和工程技术紧密交叉结合的过54核武器与核能

3）明智的人类把核能用于和平目的，作为洁净的能源。基于核裂变反应堆的核电站由核岛和常规岛构成在核岛内要使核能以可控的、安全的、长期持续的形式释放出来；通过常规岛转换成电能供人使用。2023/8/18核武器与核能3）明智的人类把核能用于和平目的，作为洁净的能55核武器与核能

在核燃料的选择、制备、控制方法、结构和安全设计等方面需解决一系列的工程、技术问题。2023/8/18核武器与核能在核燃料的选择、制备、控制方法、结构和安全设计56核武器与核能

基于核聚变反应堆的聚变电站是解决人类未来能源问题的一个希望。要实现热核燃料的“点火”，并有净能量输出；必须控制热核聚变反应的速率；是一项有难度的大科学工程；目前处于前期实验研究阶段。2023/8/18核武器与核能基于核聚变反应堆的聚变电站57核工程技术的发展深化着物理学的研究

核爆炸的物理环境：瞬时的快变的高温高密度等离子体和混合辐射场。揭示了高温高密度等离子体的某些特有规律，如非平衡燃烧需用“三温方程”描述。辐射场本身也可能是非平衡的。2023/8/18核工程技术的发展深化着物理学的研究核爆炸的物理环境58核工程技术的发展深化着物理学的研究

再如，一般情况下，可用线性的波尔兹曼方程来描述中子输运过程；但在发生剧烈热核聚变的区域和时间内，中子之间的碰撞已不可忽略，于是提出了非线性中子输运方程及其解法。

2023/8/18核工程技术的发展深化着物理学的研究再如，2023/59

核武器物理和工程发展的过程中，形成了一个新兴的交叉学科——高能量密度物理学。广义地，“高能量密度”是指能量超过1011J/m3，或压力超过1兆巴，温度超过400ev，电磁波强度超过3×1015w/cm2的物质状态；在核武器物理领域，“高能量密度”特指温度超过103ev，压力超过107atm，高密度的物质状态。核工程技术的发展深化着物理学的研究

2023/8/18核武器物理和工程发展的过程中，形成了一60核工程技术的发展深化着物理学的研究

进行高能量密度物理研究的装置包括：激光惯性约束聚变装置基于脉冲功率技术的Z箍缩装置长脉冲（μs）功率装置（如美国的Atlas）等神光II装置2023/8/18核工程技术的发展深化着物理学的研究进行高能量密度物理研61核技术的发展深化着物理学的研究

研究的内容包括：材料特性可压缩流体动力学辐射流体动力学核聚变物理天体物理等。是以大科学工程为手段研究基础物理学2023/8/18核技术的发展深化着物理学的研究研究的内容包括：是以大62核工程技术的发展深化着物理学的研究可见：

物理学引领工程技术生产力反哺物理学工程技术2023/8/18核工程技术的发展深化着物理学的研究生产力反哺物理学工程技术263一、原子核的基本性质1.原子核的电荷

莫塞莱（H.G.J.Moseley）定律X射线的特征频率v2.原子核的质量

A=Z+N3.原子核的半径1）核力作用半径2）电荷分布半径

2023/8/18一、原子核的基本性质1.原子核的电荷X射线的特征频率v2.原644.原子核的自旋与磁矩5.原子核的结合能6.原子核的比结合能2023/8/184.原子核的自旋与磁矩5.原子核的结合能6.原子核的比结合能65比结合能曲线2023/8/18比结合能曲线2023/8/566强相互作用力

2

103牛顿短程力1fm

具有饱和性的交换力π介子与电荷无关与自旋有关自旋平行力大于反平行二、核力三、核模型液滴模型壳模型集体模型既考虑核子的独立运动，又考虑形变、转动、振动等集体运动

2023/8/18强相互作用力2103牛顿二、核力三、核模型液滴67四、原子核的衰变及衰变规律α衰变

β衰变γ衰变2023/8/18四、原子核的衰变及衰变规律α衰变2023/8/568二、粒子物理和粒子探测

2023/8/18二、粒子物理和粒子探测2023/8/569基本粒子的发现电子e-光子γ质子p他质量Q=+1,mp=938.3MeV

中子n质量Q=0,mn=939.6MeV

2023/8/18基本粒子的发现电子e-2023/8/570Dirac理论1928年相对论量子力学2023/8/18Dirac理论1928年相对论量子力学2023/8/571正电子的发现1932年美国物理学家安德森发现高能光子穿过重原子核附近时可以转化为一个电子和一个质量与之相同且带单位正电荷的粒子

——正电子2023/8/18正电子的发现1932年美国物理学家安德森发现高能光子穿过重原72狄拉克理论的意义提出狄拉克海概念，使人们重新评价真空——真空不空不仅电子有反粒子，一切基本粒子都有其反粒子。科学实验进一步证实了这个想法，从1953年起人们又陆续发现了反质子、反中子、反介子等一系列反粒子。正粒子与反粒子具有相同的质量、自旋、寿命以及相反的电荷和磁矩等。按照正反物质对称的观点，人们相信，在自然界中必然会存在反原子、反物质、反天体，乃至反物质世界。2023/8/18狄拉克理论的意义提出狄拉克海概念，使人们重新评价真空——真空73粒子的内禀属性全同性：粒子所表现出的一个最基本的特征就是全同性

质量不同种粒子之间的差别主要反映在粒子的运动性质和相互作用性质的不同，并通过一些特征物理量体现出来。所有粒子都有其自身确定的质量，并与运动速度有关（例如最重的Z0粒子，质量为m=91.1882GeV，约为电子的178451倍）

2023/8/18粒子的内禀属性全同性：粒子所表现出的一个最基本的特征就是全同74寿命与宽度许多粒子都不稳定，从而表现出一定的寿命τ(如τz

=2.643×10^-25s)，并且τ与粒子质量分布宽度Γ之间满足如下关系其中粒子衰变规律为电荷电荷量子化，其精度范围1931年狄拉克指出存在磁单极g2023/8/18寿命与宽度许多粒子都不稳定，从而表现出一定的寿命τ(如τz75自旋所有粒子都有确定的自旋角动量，称为粒子的自旋。粒子自旋角动量可以由一个自旋量子数S来表示，其大小等于按照自旋可以将粒子分成两类：一类是自旋量子数取整数（即s=0,1,2…）的玻色子；另一类是自旋量子数取半整数奇数倍（即s=1/2,3/2,5/3…）的费米子同位旋

1932年海森堡提出同位旋概念，认为与电子自旋的空间取向相似，中子与质子也完全能够视为是同一粒子的两种取向状态，只不过这种取向不是发生在常规的空间，而是在一种抽象的同位旋空间。同位旋概念与自旋概念的相似性，不仅表现在它们具有完全相同的数学结构，而且也体现出相同守恒律，即同位旋守恒2023/8/18自旋所有粒子都有确定的自旋角动量，称为粒子的自旋。粒子自旋76和角动量守恒，并且拥有相同的数学表述。在同位旋空间中，同位旋矢量的取向是量子化的,其量子数常以I表示

粒子电荷同位旋I同位旋分量I3p+11/2+1/2n01/2-1/2π++11+1π0010π--11-1Λ000Σ++11+1Σ0010Σ--11-12023/8/18和角动量守恒，并且拥有相同的数学表述。在同位旋空间中，同位旋77基本相互作用对自然界各种作用过程的归纳与总结揭示出四种基本相互作用：引力作用、电磁作用、强作用以及弱作用。它们是造成自然界一切现象的根源，并且在不同空间范围内发挥作用。具体地说，引力和电磁作用是遵循平方反比规律的长程力，而强作用和弱作用则属于衰减更快的短程力。正因为存在力程上的差别，人们很早就认识到引力作用与电磁作用的存在，但强作用和弱作用只是在原子核物理发展之后才逐步被揭示出来。2023/8/18基本相互作用对自然界各种作用过程的归纳与总结揭示出四种基本相781）引力作用引力作用是存在于一切物体之间的一种长程吸引作用，也是目前已知四种作用中最弱的一种作用。在1687年牛顿在其出版的《自然哲学之数学原理》一书中就已经明确提出了万有引力概念。牛顿引力理论虽然完成了运动在宏观世界的统一，但它割裂了时间和空间的本质联系。只有等到时空一体的概念确立之后，爱因斯坦才从广义相对论的等效原理出发，进一步阐明了引力作用在本质上的几何意义。2023/8/181）引力作用引力作用是存在于一切物体之间的一种长程吸792）电磁作用作为一种带电粒子间的长程作用，电磁作用不仅普遍存在于宏观范围，而且在微观领域也同样占有主导地位。例如，原子就是由电子与原子核结合成的电磁作用系统，而就其本质而言，人们司空见惯的诸如摩擦力、弹力，以及流体的压力与浮力等相互作用力，也无一不是源于物体内部分子间的电磁作用。并且可以毫不夸张地说，电磁作用其实还是人们目前认识得最为深刻和应用最为广泛的一种作用。2023/8/182）电磁作用作为一种带电粒子间的长程作用，电磁作用不803）强作用正如我们此前已经指出的那样，强作用被认为是将中子和质子束缚组成原子核的力，这种力不但具有作用强度大和作用力程短的特点，同时还表现出了趋向平衡的性质。这就是，在平衡距离以外强作用将以吸引为主，但在小距离处则会转化为排斥趋势。2023/8/183）强作用正如我们此前已经指出的那样，强作用被认为是81

4）弱作用弱作用比强作用更弱，力程也更短，大约只有1×10-17m。弱作用的存在主要是制约衰变等一类放射性过程，例如诱发中子衰变的力量就是源于弱作用的结果。

2023/8/184）弱作用弱作用比强作用更弱，力程也更短，大约只有182四种基本相互作用的特征比较作用类型引力作用电磁作用强作用弱作用作用强度0．00730．15作用力程宏观表现有有无无媒介粒子引力子光子介子，胶子粒子2023/8/18四种基本相互作用的特征比较引力作用电磁作用强作用弱作用作用83自然界中的四种基本相互作用，这些作用最终被归结为一种所谓的粒子交换机制。其中，不同相互作用的区别就在于交换粒子的性质不同，以及参与作用的粒子释放和吸收媒介粒子的能力不同。相互作用虽然在性质上表现出了巨大差异，但它们都有一个共同点，就是需要通过各自不同的媒介粒子场来实现力的传递，并且通过场论机制而逐步走向统一。2023/8/18自然界中的四种基本相互作用，这些作用最终被归结为一种所84粒子发现主要从宇宙射线以及加速粒子中寻找更多新粒子，直接导致了20世纪中后期一个粒子大发现。总结起来，尽管粒子在性质上表现得千差万别，但从它们发生碰撞的碎片来看可大致划分为三种类型：1）重子——包括质子和中子在内的一类质量更重的费米子；2）介子——包括介子在内的一类质量介于电子与质子之间的玻色子，由于介子和重子都能参与强作用，故而合称为强子；3）轻子——包括电子在内的一类质量较轻且不参与强作用的费米子。2023/8/18粒子发现主要从宇宙射线以及加速粒子中寻找更多新粒子，直接导致85粒子的角动量分类2023/8/18粒子的角动量分类2023/8/586角动量的空间量子化2023/8/18角动量的空间量子化2023/8/587量子排斥效应2023/8/18量子排斥效应2023/8/588部分粒子实例2023/8/18部分粒子实例2023/8/589典型粒子的发现

1）正电子安德森19322023/8/18典型粒子的发现2023/8/590正电子的产生图像2023/8/18正电子的产生图像2023/8/5911930赵忠尧研究高能γ射线2.6MeV的吸收规律，发现反常吸收，同时放出0.5MeV的各向同性的光子辐射——赵忠尧辐射2023/8/181930赵忠尧研究高能γ射线2.6MeV的吸收规律，发现反常922)π介子质量是电子的二三百倍，要产生π介子需要几百MeV的能量，当时的粒子加速条件只能从宇宙射线（高能质子、α粒子、电子与各种原子核）中寻找，因为宇宙线在与大气分子碰撞过程可以产生出π介子。1937年，安德森发现质量为电子207倍μ子，有两种带电状态，即μ±

μ=π？

μ与物质的作用非常弱，很相电子，并且衰变2023/8/182)π介子2023/8/593μ子衰变其平均寿命1948年，张文裕发现，μ子可以取得原子中的电子而形成μ原子，被原子核内的质子吸收（称K吸收）后转化为中子2023/8/18μ子衰变2023/8/594并释放出一个中微子由于μ原子中μ子更靠近核，以致形成屏蔽，，容易发生聚变——冷聚变该反应形成的径迹是2023/8/18并释放出一个中微子2023/8/5952023/8/182023/8/5962023/8/182023/8/597

μ子不是π介子，而是π介子的衰变产物

1947年，鲍威尔用气球将设备送到高空去纪录宇宙线，发现

介子，寿命为几乎与发现同时人们又发现了寿命为2023/8/18μ子不是π介子，而是π介子的衰变产物2023/8/598中微子β衰变2023/8/18中微子2023/8/599镍的衰变2023/8/18镍的衰变2023/8/51001942年，王淦昌设想用能动量关系验证中微子的存在，因不β衰变为三提衰变，不宜确定，只能采用K俘获2023/8/181942年，王淦昌设想用能动量关系验证中微子的存在，因不β衰101王淦昌建议用Be做实验，同年阿伦完成实验，证明失去的动量和能量刚好符合中微子的要求，是显示中微子存在的第一个实验。1956年，柯温和莱茵斯用200公升水和370加仑的液体闪烁体在核反应堆附近找到中微子存在的直接证据，其探测原理是：当反中微子与水中质子碰撞时会发生反应2023/8/18王淦昌建议用Be做实验，同年阿伦完成实验，证明失去的动量和能102由此放出的正电子经过减速与电子湮灭，并转化为光子。这些光子射入闪烁体后会产生相应的符合信号——两个闪烁同时记录到光子信号。同时，作为反应产物的中子也会经多次碰撞被水中掺入的镉(Cd)原子核吸收，直至最终产生若干光子，它们会再进入闪烁体，从而性成一种延迟信号，据此证明水中的确发生了上述反应过程2023/8/18由此放出的正电子经过减速与电子湮灭，并转化为光子。这些光1032023/8/182023/8/51042023/8/182023/8/5105其他量子数重子数B中子、质子带有重子数，重子数守恒

轻子数L电子、中微子带有轻子数，轻子数守恒奇异数S指K介子、Λ超子、Σ超子和超子等。奇异粒子有以下特征：一是产生迅速，衰变缓慢，如产生的时间为10^-24s，而平均寿命则是10^-10s，相差14个量级；二是协同产生，独立衰变，如K+介子和Λ超子通过粒子反应过程

独立衰变2023/8/18其他量子数2023/8/51061953年，美国物理学家盖耳曼引入奇异数奇异数守恒2023/8/181953年，美国物理学家盖耳曼引入奇异数2023/107第一代基本粒子

2023/8/18第一代基本粒子2023/8/5108第一、二代基本粒子

2023/8/18第一、二代基本粒子2023/8/5109强子性质

2023/8/18强子性质2023/8/5110轻子家族2023/8/18轻子家族2023/8/5111轻子的性质2023/8/18轻子的性质2023/8/5112强子

一切参与强相互作用的粒子，称为强子。强子又可分为两类：一类是自旋为的整数倍的粒子，称为介子，包括带正、负电荷和中性的介子，带正、负电荷和中性的介子以及介子；另一类是自旋为的半整数倍的粒子，称为重子，重子又分为核子（如质子和中子）和超子（粒子的静止质量大于质子，如等超子）。到目前为止，没有发现轻子有任何结构。

2023/8/18强子一切参与强相互作用的粒子，称为强子。强子又可分为两113强子的夸克模型

夸克是组成强子的基本单元，其性质可概括如下1)夸克是自旋为1/2的费米子．2)夸克有红(R)、绿(G)、蓝(B)三色标志，即携带三种色荷．3)夸克分上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、顶(t)、底(b)六种味态．4)重子由三个夸克组成，可以写作qqq，其中每个夸克的重子数是1/3，反夸克为-1/3．例如，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，p=(uud)；中子由两个下夸克和一个上夸克组成，n=(udd)．2023/8/18强子的夸克模型夸克是组成强子的基本单元，其性质可概括如1145）介子由夸克和反夸克组成，即，例如介子由一个上夸克和一个反下夸克组由于正反夸克可以湮没，因而这也正好可以说明自然界中为什么不存在稳定介子态的基本事实．6）每一种夸克都对应着一种反夸克，所以总夸克数是36。夸克通过色作用结合在一起，其媒介粒子是胶子，胶子共有八种．

2023/8/185）介子由夸克和反夸克组成，即，例如115夸克的基本性质

2023/8/18夸克的基本性质2023/8/5116粒子的分类1）轻子：6×1+6×1=122）夸克：6×3+6×3=363）规范粒子:光子γ

1

中间玻色子Ｗ±、Z°3

胶子g

8

引力子g1基本粒子总数：12+36+13=612023/8/18粒子的分类1）轻子：6×1+6×1=122023/117基本相互作用

在自然界中的基本相互作用有四种，即电磁作用、弱作用、强作用和引力作用。依据相对论量子理论的观点，粒子之间所存在的相互作用是通过交换媒介粒子来实现的．

2023/8/18基本相互作用在自然界中的基本相互作用有四种，即电磁作用118相互作用的场论图像2023/8/18相互作用的场论图像2023/8/5119二、激光原来与技术

激光加工设备2023/8/18二、激光原来与技术激光加工设备2023/8/5120光物理的基础研究孕育了激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性

1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念

基础性、探索性研究2023/8/18光物理的基础研究孕育了激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关121光物理的基础研究孕育了激光器的诞生激光走向新技术的开发和工程应用阶段1954年研制成第一台微波激射器

1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。我国的第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功

2023/8/18光物理的基础研究孕育了激光器的诞生激光走向新技术的开发和工程122一、激光原理1）激光产生的物理基础*原子能级间的跃迁通常伴随辐射和吸收，即1.自发辐射2.受激辐射3.受激吸收

2023/8/18一、激光原理1）激光产生的物理基础2023/8/5123

粒子数正常分布与反转分布分布数分布数比

ΔE=1eV，T=300K*通过光照、放电激励实现粒子数反转

N2>N1

2023/8/18粒子数正常分布与反转分布2023/8/5124四能级结构——存在亚稳态

激励频率连锁辐射频率

2023/8/18四能级结构——存在亚稳态2023/8/5125*光学谐振腔2023/8/18*光学谐振腔2023/8/5126激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响

激光的特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：方向性单色性相干性高亮度2023/8/18激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响方向性单色性相干性高亮127四十多年来，激光器的品种迅速增加：固体激光器半导体激光器气体激光器（CO2激光、氦氖激光）激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响2023/8/18四十多年来，激光器的品种迅速增加：激光技术与工程128准分子激光器自由电子激光器x射线激光器金属蒸气激光器等。

激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响铜蒸气激光2023/8/18准分子激光器激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响铜蒸气激光2129固体激光器以掺杂离子的绝缘晶体为工作物质特点：输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固

2023/8/18固体激光器以掺杂离子的绝缘晶体为工作物质2023/8/5130半导体激光器以半导体为工作物质，将电能直接转化为光能特点：1）能量置换效率(50％)高；2）无功热量小、频率稳定性更好；3）结构简单、寿命长。2023/8/18半导体激光器以半导体为工作物质，将电能直接转化为光能20231312023/8/182023/8/5132气体激光器以气体或蒸气为工作物质特点：输出光束的质量好，功率大2023/8/18气体激光器以气体或蒸气为工作物质2023/8/5133化学光器以化学反应实现粒子数反转并进而产生受激辐射的激光器特点：1）将化学能直接转换成光能；2）宽输出光谱；3）功率大2023/8/18化学光器以化学反应实现粒子数反转并进而产生受激辐射的激光器134激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件高功率、高能量激光器；脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；超短脉冲：纳秒皮秒费秒阿秒

脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。

激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响2023/8/18激光器的输出水平不断提高：激光技术与工程的迅速发展及135输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：长至亚毫米（太赫兹）短至x射线γ激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；输出激光的光束质量，好的可达近衍射极限。激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响2023/8/18输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：激光技术与工程的迅速发展136

激光应用的开创性表现在：①激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提高了百亿倍；②激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础；光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。可擦除小型光盘的刻录母盘2023/8/18激光应用的开创性表现在：激光技术与工程的迅速发展及137③激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度：在工业制造中可进行精确的切削和表面改性做精密的医疗手术作用于微型靶实现激光核聚变。激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响2023/8/18③激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度：激光技术与工程的138④激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光通讯激光制导与测距高能强激光武器激光雷达激光陀螺

激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响ABLABL2023/8/18④激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光技术与工程的迅139激光通讯

传输信息量大、抗干扰、保密性强

多采用半导体激光器——效率高、寿命长、体积小、质量轻、易调制2023/8/18激光通讯传输信息量大、抗干扰、保密性强2023/8/5140激光制导与测距2023/8/18激光制导与测距2023/8/5141激光测距2023/8/18激光测距2023/8/5142激光武器2023/8/18激光武器2023/8/5143激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展

非线性光学成为一个重要研究领域：激光与介质（含大气）相互作用时产生各种非线性效应的物理本质和规律。产生的条件、特性、机理：受激拉曼散射自聚焦热晕光学和频与倍频相干瞬态光学效应等2023/8/18激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展非线性光144激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展

非线性光学材料及非线性光学效应的几种应用：扩展激光的波长范围发展非线性光学相位共轭技术光学双稳为研究非线性系统中的动力学行为提供实用的手段；超短、超强激光将对强场超快科学、相对论非线性物理、天体物理及宇宙学的研究提供新的手段和极端条件。2023/8/18激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展非线性光145激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展

激光光谱学的高灵敏度和高分辨率：可用于对物质的结构、能谱、瞬态的变化和微观动力学进行深入研究，进一步认识原子和分子的超精细结构，更精确地确定基本物理常数的数值；1995年人们利用激光冷却的办法，在实验室实现了爱因斯坦1926年预言的Bose-Einstein凝聚；Bose-Einstein凝聚态2023/8/18激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展146激光还在物理学与其它基础科学的交叉学科研究中，发挥了巨大的推动作用如化学物理学生物物理学（以激光为手段的分子雷达成为生命活细胞研究的工具就是一例）等激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展

2023/8/18激光还在物理学与其它基础科学的交叉学科研究中，147三、量子技术及应用2023/8/18三、量子技术及应用2023/8/5148量子隧道效应隧道效应的本质就是粒子对势垒的穿越问题，对该问题的描述有两种图像：1）经典运动图像——由牛顿方程支配2023/8/18量子隧道效应隧道效应的本质就是粒子对势垒的穿越问题，对1492023/8/182023/8/51502）量子运动图像

——由薛定谔方程支配2023/8/182）量子运动图像2023/8/5151势函数运动模式2023/8/18势函数运动模式2023/8/5152量子隧穿隧穿系数2023/8/18量子隧穿隧穿系数2023/8/5153扫描隧道显微镜

STM-ScanningTunnellingMicroscopt

在隧道效应的技术应用中，最具影响的是宾尼（Binnig）和罗雷尔（Rohrer）于1981年由研制成的第三代显微镜——扫描隧道显微镜2023/8/18扫描隧道显微镜

STM-ScanningTunnell154由量子力学可得隧道电流I与势垒宽度d有如下关系：

其中φ是平均势垒高度，A为常数。由上式可以看出隧道电流的大小与所加的操作电压关系密切，在探针针尖到被测物表面的间距只有几个原子间距时，隧道电流与此间距的关系非常敏感，STM就可以利用探针尖端和金属表面间的隧道电流随原子间距变化的性质探测金属表面结构。2023/8/18由量子力学可得隧道电流I与势垒宽度d有如下关系：2023/8155金属探针受一压电陶瓷驱动电压控制，能够沿x、y、z方向扫描移动，扫描可达范围10^-6米，精度0.1~0.01nm（纳米）2023/8/18金属探针受一压电陶瓷驱动电压控制，能够沿x、y、z方向扫描移156恒流模式将一适当工作电压加在探针与样品之间，当探针在试样表面作二维扫描过程中接入一反馈回路，反馈回路通过调整针尖的高度使隧道电流保持在一定的预设值上，记录下控制探针高度的方向驱动电压，测得试样表面的形貌图。2023/8/18恒流模式将一适当工作电压加在探针与样品之间，当探针157恒高模式断开反馈回路，使探针在被测物表面作二维扫描，扫描过程中保持操作电压及探针针尖高度均为固定值，当探针沿样品表面扫描时，间隙是一个变量，而隧道电流是未知的函数，各点的隧道电流I反映了样品表面的凸凹状况。2023/8/18恒高模式断开反馈回路，使探针在被测物表面作二维扫158STM的隧道电流有5~6个数量级的变化，适于测量高度起伏不超过0.5~0.6nm的试样表面。它的纵向分辨率已达到0.005nm，横向分辨率已达到0.2nm，测量精度高。表面三维图像可以直观地显示样品表面原子结构。由此可见，扫描隧道显微镜是研究固体表面原子结构的有力手段，也为探讨表面吸附、催化和腐蚀等机理，以及利用表面效应制造新型器件提供了方便。扫描隧道探针不仅是观察原子世界的工具，而且还可以用它进行微加工。当针尖与样品间电压大于5V时，相应能量足以引起表面原子迁移、键断裂和一些化学反应。人们正是运用扫描隧道探针移动原子，在硅片上形成原子排列而成金属点、线，或在表面刻线、构图。2023/8/18STM的隧道电流有5~6个数量级的变化，适于测量高度起伏不超1592023/8/182023/8/5160STM的局限性与发展尽管STM有着其他仪器不能比拟的诸多优点，但由于仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下两个方面：1.在恒电流工作模式下，STM对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要。

2.

STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补扫描隧道显微镜的不足。2023/8/18STM的局限性与发展尽管STM有着其他仪器不能比拟的诸多优点161原子力显微镜

AFM-atomicforcemicroscope由宾宁等人于1986年发明，其原理是利用探针与样品间的原子力（引力与斥力）随距离变化的关系来测量样品表面的形貌、弹性、硬度等性质，对各种材料均适用。2023/8/18原子力显微镜

AFM-atomicforcemicr162AFM结构示意图2023/8/18AFM结构示意图2023/8/5163光子扫描隧道显微镜

PSTM-photonscanningtunnellingmicroscope

PSTM利用光子在探针材料与样品表面间形成势垒中的贯穿性质而获得测量信息。分辨率可达纳米量级。2023/8/18光子扫描隧道显微镜

PSTM-photonscanni164激光冷却与原子捕陷技术1975年提出概念，1985年首次实现。主要应用：1）消除谱线的热致展宽，提高了光谱学精度与灵敏度；

2）建立高精度的原子频标，将原子钟的精度提高两个量级；

3）开辟原子、分子及光物理新领域；4）制成能控制20nm~10μm尺度的“光学镊子”——分子生物学、高分子聚合物2023/8/18激光冷却与原子捕陷技术1975年提出概念，1985年首次实现165激光冷却的基本思想是：运动着的原子在共振吸收迎面射来的光子后，从基态过渡到激发态，其动量就减小，速度也就减小了。速度减小的值为其减速效果相当于重力加速度的

10万倍2023/8/18激光冷却的基本思想是：运动着的原子在共振吸收迎面射来的光子后166双光束冷却原子，此时原子将优先吸收迎面射来的光子而达到多普勒冷却的结果。

2023/8/18双光束冷却原子，此时原子将优先吸收迎面射来的光子而达到多普勒167三维激光冷却利用波长为589的黄光冷却钠原子的极限为240K，利用波长为852的红外光冷却铯原子的极限为124K。但研究者们进一步采取了其他方法使原子达到更低的温度。1995年达诺基小组把铯原子冷却到了2.8的低温，朱棣文等利用钠原子喷泉方法曾捕集到温度仅为24的一群钠原子。2023/8/18三维激光冷却利用波长为589的黄光冷却钠原子的极限为2168三维光阱与铷原子团发光照片2023/8/18三维光阱与铷原子团发光照片2023/8/5169原子阱技术原子阱由两个平行的电流方向相反的线圈构成，其中心磁场为0，并向四周不断增强。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心时势能最低，偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而返回。这种阱曾捕获10^12个原子，捕陷时间长达12min。2023/8/18原子阱技术原子阱由两个平行的电流方向相反的线圈构成，170玻色－爱因斯坦凝聚BEC

BEC是玻色和爱因斯坦分别于1924年预言的，但长期未被观察到。这是一种宏观量子现象，指的是宏观数目的粒子（玻色子）处于同一个量子基态。它实现的条件是粒子的德布罗意波长大于粒子的间距。在被激光冷却的极低温度下，原子的动量很小，因而德布罗意波长大于粒子的间距。同时，在原子阱内又可捕获足够多的原子，它们的相互作用很弱而间距较小，因而可能达到凝聚的条件。1995年果真观察到了2000个铷原子在170nK温度下和5×个钠原子在2K温度下的玻色-爱因斯坦凝聚。2023/8/18玻色－爱因斯坦凝聚BECBEC是玻色和爱因斯坦分别于171三、广义相对论与宇宙学2023/8/18三、广义相对论与宇宙学2023/8/5172人类对宇宙的认识大尺度范围内物质分布均匀各向同性→宇宙学原理

10^11星系=10^22太阳=10^52kg宇宙正在膨胀→哈勃定律V=Hr宇宙源于150亿年前的一次大爆炸→大爆炸宇宙2023/8/18人类对宇宙的认识大尺度范围内物质分布均匀各向同性2023/8173空间尺度：从极小到极大最遥远星系银河系邻近恒星太阳地球人类细胞原子质子夸克1026m10-20m10-10m100m1010m1020m2023/8/18空间尺度：从极小到极大最遥远星系1026m10-20m1174空间尺度（米）实物1026宇宙引力半径1023星系团1020地球到银河系中心的距离1016地球到最近恒星的距离1011地球到太阳的距离109太阳的半径108地球到月亮的距离106地球半径103地球上高山100人的身高10-5细菌10-8大分子10-10原子10-15核子物质世界的空间尺度2023/8/18空间尺度（米）实物1026宇宙引力半径1023星系团10201752023/8/182023/8/5176时间尺度（秒）物质的运动周期、寿命1018宇宙年龄1017地球年龄1015恐龙绝灭1014出现古人类1011人类文明史109人类的寿命107地球公转周期106月球的周期104地球自转周期100钟摆的周期10-3声波的周期10-6m子的寿命10-8p±介子的寿命10-16p0介子的寿命10-19S0超子的寿命10-25Z0（中间玻色子）的寿命物质世界的时间尺度2023/8/18时间尺度（秒）物质的运动周期、寿命1018宇宙年龄1017地177宇宙的时间表2023/8/18宇宙的时间表2023/8/5178人类在时间长河中是无比渺小的2023/8/18人类在时间长河中是无比渺小的2023/8/5179今天的物理学今天人类认识的物质世界20世纪：物理学的黄金时代

相对论

量子力学物理学的新发展以及面临的困难物理与技术2023/8/18今天的物理学今天人类认识的物质世界2023/8/5180广义相对论的诞生正在人们忙于理解狭义相对论时，爱因斯坦正接近完成广义相对论。1916年，爱因斯坦在老同学格罗斯曼的帮助下，运用黎曼几何完成了广义相对论的最终形式。在这个理论中，引力是被考虑的主要问题。2023/8/18广义相对论的诞生正在人们忙于理解狭义相对论时，爱因斯坦正接近1812023/8/182023/8/5182狭义相对论遗留的问题一方面，狭义相对论是针对惯性参照系而专门设计的，它既已强调力学与电磁学运动规律在所有惯性系中成立，却无法为自己找到一个严格意义上的惯性系，因为真实的情况是这种参照系根本就不存在。比如，地球要时刻围绕太阳运转，而太阳又不断受到来自银河系中心的吸引作用，即便是对于规模更大的银河系，也无时不在进行着一系列复杂的运动……。2023/8/18狭义相对论遗留的问题一方面，狭义相对论是针对惯性参照系而专门183另一方面，作为牛顿力学重要组成部分的万有引力理论，人们却无法从根本上将其改造成为符合洛仑兹变换需要的数学形式。原因是，在牛顿万有引力定律中所出现的用于决定引力大小的量，如质量与质点间距离等，都理所当然地被定义成为具有绝对意义的坐标变换不变量．然而依照狭义相对论的观点，这些量并不具有坐标变换下的不变性，因此牛顿万有引力理论必须得到修改。2023/8/18另一方面，作为牛顿力学重要组成部分的万有引力理论，人们却无法184广义相对论是狭义相对论的自然延伸，也是对牛顿引力理论的卓有成效的发展。广义相对论强调，不仅物理规律在所有参照系中都应当具有同样的表现，而且物质的存在也必然会引起时空几何的变化，并由此造成引力作用的根本原因。所以说，广义相对论本质上是一种引力理论，是对狭义相对论在包含引力作用条件下的有效推广，目的在于给出一般运动意义下引力源所产生的动态引力场结构，而牛顿引力理论则不过是刻画了其中一个特殊的静态结果，即静态的引力场。2023/8/18广义相对论是狭义相对论的自然延伸，也是对牛顿引力理论的卓有成185广义相对论原理

要解决惯性系问题以及引力问题，首先必须将包括惯性系和非惯性系在内的一切参照系视为等同，尤其要突出它们在描述物理规律方面应该具有平权的意义；其次是将牛顿引力理论推广为新型的引力理论。1）广义相对性原理：一切物理定律在任何参考系中都应当具有相同的形式。2023/8/18广义相对论原理要解决惯性系问题以及引力问题，首先必须将包括1862）等效原理：在一个局域范围内，不可能通过实验来区分引力与惯性力，它们是等效的。引力场与加速场等效2023/8/182）等效原理：在一个局域范围内，不可能通过实验来区分引力与惯187加速电梯中的观察者，无法断定电梯究竟是处于重力作用下还是在加速上升，因为这意味着，物体在重力场与非惯性系中将会拥有同样的运动性质。可见，爱因斯坦电梯在揭示运动规律方面已完全体现出了与伽利略萨尔维阿蒂大船的异曲同工之妙。

2023/8/18加速电梯中的观察者，无法断定电梯究竟是处于重力作用下还是在加188在牛顿力学看来引力质量与惯性质量的相等完全只是一种巧合，其中并没有什么特别的含义。然而在爱因斯坦眼里，这种相等性质却包藏着极为深刻的物理内容，至少，从它身上可以直接导出引力和惯性力对物理过程的影响具有不可区分性的推论。当然，正是由于认识到引力加速度仅仅取决于引力场分布，而与运动物体固有属性无关的事实，才使爱因斯坦最终决定要利用物质分布对时空几何的影响来描述引力场的性质。这样一来，按照爱因斯坦的定义，惯性系不仅是指狭义相对论成立或引力为零的参考系，同时还包括那些在局域引力场中建立于自由落体之上的参照系，简称局部惯性系。重要的是，这些局部惯性系的运动时空能够反映引力场的时空几何性质，应该说，爱因斯坦就是以此确立广义相对论的理论框架的。2023/8/18在牛顿力学看来引力质量与惯性质量的相等完全只是一种巧合，其中189广义相对论时空观从数学上看，适用于平直空间中的几何为欧几里德（Euclid）几何，简称欧氏几何。欧氏几何表现出了许多人所共知的特点，如两点间直线距离最短，两条平行线永不相交，三角形内角和等于等。然而，弯曲空间却不具有这些性质，例如在球面上定义的两点间最短距离为大圆弧距离，而两条平行线也会自然相交于一点，因此弯曲空间几何又被称为非欧几何。2023/8/18广义相对论时空观从数学上看，适用于平直空间中的几何为190弯曲空间2023/8/18弯曲空间2023/8/5191圆周率对空间几何属性的判断从较大范围来看，弯曲空间将突出表现为非欧几何的特征。此时连接两点的最短路径（简称短程线）已不再是直线，而是曲线。2023/8/18圆周率对空间几何属性的判断2023/8/5192揭示弯曲空间几何性质的简单方法是研究光线的行走轨迹，因为它代表了空间几何的短程线2023/8/18揭示弯曲空间几何性质的简单方法是研究光线的行走轨迹，因为它代193如果将场中自由落体参照系视为局部惯性系，则从这种局部惯性系的观点来看，不仅时钟会有所变慢，同时径向尺度也会发生收缩，并且引力越强其带来的效应就越显著。据此，广义相对论便成功地将物质分布与时空性质联系在一起，从而为人们认识和分析引力的性质奠定了理论基础。广义相对论的惊人创举在于它对物体运动提出了一种极富革命精神的观点，强调物体之所以要在引力场中沿弯曲轨道运动，原因并非是由于受到引力的