现代物理科学前沿32页PPT
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物理科学前沿简介
物理科学前沿简介一、20世纪物理学发展的历史回顾在19世纪末叶，有一个叫开尔文的物理学家，他当时有一个很有名的话，就是“19世纪的物理学，已经把所有的问题都解决了，好像是一片晴朗的天空，但是在晴朗的天空上还有两朵乌云”。
这两朵乌云指什么呢，一个是指当时对以太的存在性，光速跟以太有没有关系的疑问；另外一个是关于黑体辐射的，谱形没有得到很好的解释。
这两个理论问题都没有很好的解决，所以说在晴朗的天空上还留有两朵乌云。
这是19世纪物理学家说的话，没有想到这就成为了20世纪物理学发展的序幕。
第一朵乌云的驱散，导致了狭义相对论的诞生，另外一朵乌云的澄清。
导致了量子力学诞生。
这两朵乌云一澄清以后，物理学就有飞速发展。
我可以简要叙述一下狭义相对论的特点。
狭义相对论之所以提出来，是针对光速测量产生的。
当时有好多实验，有的证明了以太是静止不动的，还有的证明了以太是随着物质的运动而运动的，也有一些证明是以太是随着物质的运动而部分地带运动的。
所以这个以太就成为了一个“谜”。
爱因斯坦就深入分析了这个问题，从一个科学实验事实出发，实验说光的速度和发光物质的运动状态无关，也就是说光不论在什么地方发射，光源的速度是多少，观察者，包括运动中的观察者，永远看到的是光的速度，大概是每秒30万公里在运行。
根据这样一个奇怪的事情，再加上了空间是均匀的，各向同性的假定，爱因斯坦就提出了狭义相对论，这是人们对事件空间的观念的一个转变。
在狭义相对论中发现，牛顿力学需要有修正。
牛顿力学中的力等于动量对时间的微分，其中动量就是质量乘以速度，而相对论就是对这个动量作了修正，结果就是就是物体在低速运动的时候仍然符合牛顿力学的规律，而在速度很大，接近光速的时候，运动规律就有很大的修改。
同时爱因斯坦的相对论还有一些很特殊性质的发现，比如钟慢尺缩。
20世纪另外一个重大的发现是量子力学，量子力学的发现是由于黑体辐射问题很难得到一个统一的解决而产生出的问题。
这一件事情，当时有开尔文，英国物理学家麦克斯韦,J.C.,英国物理学家,在经典电磁学方面贡献突出。
《现代物理科学前沿》PPT课件
时间从何时候开始？
时间空间不可分割！时间影响空间，空间也 能影响时间。
所处空间不一样，时间也不一样！
影响空间
引力波 速度
ห้องสมุดไป่ตู้
速度v越大
t
t0
1 (v )2
c
l l0
1 (v)2 c
m m0 1 (v )2 c
时长 寸短 相对质量变大
思考：如果速度超过光速c呢？
回到过去？！
如果一个人真的“返回过去”，并且在其外祖母怀他母 亲之前就杀死了自己的外祖母？
在物理学中也是类似时间是通过物理过程来定义的首先要选择一个参考系空间时间时间空间2021精选ppt24如果两个人选择的参考系所处空间不一样那两个人的时间就不一我的相对论
现代物理科学前沿
（Suitable for teaching courseware and reports）
现代物理科学前沿
简介
全球首颗量子卫星——墨子号
墨子：春秋战国时期哲学 家（物理学家），墨家学 派创始人。创立看几何学 和物理学。最早提出光沿 直线传播！
2、量子有啥特点？
3、量子密码 量子通信 量子传送 这些飞行姿态就是他两共同的秘密——量子密码
如果，这是出现 了 一个很不要脸 窃听者。。。
这意味着接收者得 到的量子姿态有 50%的概率与出发 时不一样！！
宇宙中质量越大的天体附近，引力波越强！
空间扭曲越明显！
时间变得越慢！
时间?!
时间的定义：人类在生活中总结出时间的观念，其根源 来自于日常生活中事件的发生次序。在物理学中也是类 似，时间是通过物理过程来定义的，首先要选择一个参 考系（空间） 。
时间
时间
空间
如果两个人选择的 参考系（所处空间） 不一样那两个人的 时间就不一样？？
时间空间不可分割！时间影响空间，空间也 能影响时间。
所处空间不一样，时间也不一样！
影响空间
引力波 速度
ห้องสมุดไป่ตู้
速度v越大
t
t0
1 (v )2
c
l l0
1 (v)2 c
m m0 1 (v )2 c
时长 寸短 相对质量变大
思考：如果速度超过光速c呢？
回到过去？！
如果一个人真的“返回过去”，并且在其外祖母怀他母 亲之前就杀死了自己的外祖母？
在物理学中也是类似时间是通过物理过程来定义的首先要选择一个参考系空间时间时间空间2021精选ppt24如果两个人选择的参考系所处空间不一样那两个人的时间就不一我的相对论
现代物理科学前沿
（Suitable for teaching courseware and reports）
现代物理科学前沿
简介
全球首颗量子卫星——墨子号
墨子：春秋战国时期哲学 家（物理学家），墨家学 派创始人。创立看几何学 和物理学。最早提出光沿 直线传播！
2、量子有啥特点？
3、量子密码 量子通信 量子传送 这些飞行姿态就是他两共同的秘密——量子密码
如果，这是出现 了 一个很不要脸 窃听者。。。
这意味着接收者得 到的量子姿态有 50%的概率与出发 时不一样！！
宇宙中质量越大的天体附近，引力波越强！
空间扭曲越明显！
时间变得越慢！
时间?!
时间的定义：人类在生活中总结出时间的观念，其根源 来自于日常生活中事件的发生次序。在物理学中也是类 似，时间是通过物理过程来定义的，首先要选择一个参 考系（空间） 。
时间
时间
空间
如果两个人选择的 参考系（所处空间） 不一样那两个人的 时间就不一样？？
现代物理科学前沿PPT32页
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
现代物理有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
现代物理有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
现代物理知识讲座课件.ppt
4
一个宇航员乘着以0.9998c的宇宙飞船去旅行，他临 走的时候有父母妻子和五岁的小女儿。当他遨游太空一 年后又回到地球，他的父母去世了，迎接他的只有他的 妻子和女儿，妻子已是78岁的老太太，女儿也有55岁了。
这种事是可能的吗？按照相对论，这是可能的。不 过这里面存在一个问题：从地球上的人看，飞船上的一 年相当于地球上的50年；可是，从飞船上的人看来，地 球上的一年也相当于飞船上的50年。宇航员回来，到底 是宇航员显得年轻呢，还是地球上的人显得年轻呢？
1.伽利略变换的困难 1) 电磁场理论不服从伽利略变换
19世纪下半叶，随着科学实验的发展，人们对电磁现象的 认识越来越深入。1864年，麦克斯韦总结了电磁现象和电磁运动 规律，得到了著名的麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组概括了库 仑定律等一系列经
14
验定律，完整的反映了宏观电磁场运动的规律性， 并且预言了电磁波的存在。23年以后，电磁波得 到了实践的证实。随着电磁运动普遍规律的建立， 很自然地就提出了这样一个问题：这些规律是否 也象牛顿运动定律一样在不同的惯性系中保持着 相同的形式呢？或它们只适用于某一个特定的惯 性参照系，而在另外的惯性参照系中要改变它们 的形式呢？一句话，电磁现象是否遵从伽利略的 相对性原理呢？我们也可以具体一点说，在“伽 利略的船”上，如果进行电磁学实验，能否决定 船是静止还是作匀速直线运动呢？
r '
y
' y
为
y'
轴上的单位矢量
f静e
1
4 0
q1q2 ( y2' )2
ry'
（1）’
17
这就是说，静止航船中的观察者对一对电荷间相互作用力测量 的结果，将发现它们仍然遵从库仑定律。
一个宇航员乘着以0.9998c的宇宙飞船去旅行，他临 走的时候有父母妻子和五岁的小女儿。当他遨游太空一 年后又回到地球，他的父母去世了，迎接他的只有他的 妻子和女儿，妻子已是78岁的老太太，女儿也有55岁了。
这种事是可能的吗？按照相对论，这是可能的。不 过这里面存在一个问题：从地球上的人看，飞船上的一 年相当于地球上的50年；可是，从飞船上的人看来，地 球上的一年也相当于飞船上的50年。宇航员回来，到底 是宇航员显得年轻呢，还是地球上的人显得年轻呢？
1.伽利略变换的困难 1) 电磁场理论不服从伽利略变换
19世纪下半叶，随着科学实验的发展，人们对电磁现象的 认识越来越深入。1864年，麦克斯韦总结了电磁现象和电磁运动 规律，得到了著名的麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组概括了库 仑定律等一系列经
14
验定律，完整的反映了宏观电磁场运动的规律性， 并且预言了电磁波的存在。23年以后，电磁波得 到了实践的证实。随着电磁运动普遍规律的建立， 很自然地就提出了这样一个问题：这些规律是否 也象牛顿运动定律一样在不同的惯性系中保持着 相同的形式呢？或它们只适用于某一个特定的惯 性参照系，而在另外的惯性参照系中要改变它们 的形式呢？一句话，电磁现象是否遵从伽利略的 相对性原理呢？我们也可以具体一点说，在“伽 利略的船”上，如果进行电磁学实验，能否决定 船是静止还是作匀速直线运动呢？
r '
y
' y
为
y'
轴上的单位矢量
f静e
1
4 0
q1q2 ( y2' )2
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（1）’
17
这就是说，静止航船中的观察者对一对电荷间相互作用力测量 的结果，将发现它们仍然遵从库仑定律。
物理前沿科学 PPT
心得体会： 物理，是一门艺术 不需要
所有人懂 需要的是
有一部分人可以潜心专研 告诉世人
地球，或则整个宇宙的秘密
二十世纪的物理学呈现出 高速发展的状况，其内容之丰 富，思想之深刻和观念之新颖， 远非过去物理学发展的各个历 史时期所可比拟。现代物理学 远远超出了宏观物体缓慢运动 的范围。
从微观领域来说， 人们的研究已经深入到 原子内部、基本粒子内 部，发现了大小不断减 小、能量不断增加的许 多连续的层次原子、原 子核、基本粒子、夸克 等。目前还无法预见这 个层级链条有没有一个 终端。
从宏观领域来说，人们的视野已经扩展到半径 为150亿光年的宇宙范围，依次突破了银河系、 星团、星系和总星系的领域。物理学的一系列 成果在理论思想上突破了原子不可分、元素不 可变的观念、运动只具有连续性的观念、绝对 时空观念以及机械决定论的局限性；提出了量 子态、波粒二象性、几率决定性、四维时空与 弯曲时空、实物与场的联系和转化以及宇宙膨 胀的思想，物理学基本观念和理论基础发生了 质的飞跃。
物理前沿科学简介
报
告
内
物前沿科学有关内容
容
心得体会
从十七世纪以来，物理学的理论和研 究方法不断地向其它学科移植渗透，对其 它学科的建立和发展起到了有力地推动作 用。这种趋势在二十世纪三十年代以后明 显地得到增强，相继产生了一系列物理学 的新部门和边缘学科，如量子化学、生物 物理学、天体物理学和广义相对论宇宙学 等等，这些学科大多数也成为现代物理学 发展的前沿，并且给现代科学技术的发展 提供了新思路和新方法。
量子力学的诞生则在当时
物理界很大范围的人们思想中， 意味着宣告了经典物理大厦的 彻底崩溃，或者说是与过去的 物理学理论体系告别。以后又 随之产生了量子场论。相对论 和量子力学是20世纪物理学 中的两次重要革命。其间，物 理界各学派分门别类的在争论 中努力勤奋的研究推动了物理 学的加速发展。
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质量以及相互作用力与运动无关（f‘=f，m’=m，）正是经典力学的 基本观点。既然伽利略变换保持经典力学的形式不变，也就满足力 学相对性原理的要求，所以它是经典力学的基本变换关系。
2019-8-27
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12
速度变换与加速度变换
正
vx vx u vy vy
ax
ax
du dt
止”的特殊地位，而其它一切惯性系则作“绝对
运动”。这样假定显然带有人为的性质。例如，
我们可以同样假定在太阳系中麦克斯韦方程组成
立，那么同上面一样的分析，它在地面实验室中
就不再成立了。
2019-8-27
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25
并且，根据如点电荷的相互作用力等电磁学实验， 我们就能够确定地球的“绝对运动”速度。
在电磁学的发展史上，物理学家们曾经假定
因为麦克尔逊——莫雷期待能够用实验直接
证明以太的存在。
2019-8-27
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36
麦克尔逊——莫雷的实验的结果却使当时每 一个人都感到惊奇，因为在实验误差的范围外， 竟然完全没有发现条纹的移动！这个实验有不同 的人在不同的季节和不同的地点多次重复过，结
果总是一样：没有检测到以太的存在。
现（1）’和（2）’的差别，也就是说，可以从中揭露 矛盾。
2019-8-27
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f静e
1
4 0
q1q2 ( y2' )2
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（1）’
f动
1
4 0
q1q2 y22
(1
u c
2 2
)ry'
f静
(1
物理学前沿问题一 老教授的授课 PPT
2 dx 2
（4）式 ）
ds = dt +
2
+
+
2 dx 3
( 4)
的度规为： 的度规为：
g ν
1 0 = 0 0
0 0 0 1 0 0 ≡ η ν 0 1 0 0 0 1
这称为闵可夫斯基四维平直空间的度规张量。 这称为闵可夫斯基四维平直空间的度规张量。
[2]、施瓦西（K.Schwarzschild）度规： 、施瓦西（ ）度规： 施瓦西度规形成的不变间隔为（ 的自然单位） 施瓦西度规形成的不变间隔为（取c=1的自然单位） 的自然单位
引力 物理场
等价
弯曲时空 几何场
日
地
θ
星 ★
★
1999年12月26日 1999年12月26日，
爱因斯坦
被美国《时代》 被美国《时代》周刊 评为
“世纪伟人” 世纪伟人”
小 时 侯 的 爱 因 斯 坦
爱 因 斯 坦 生 日 留 影
5、 爱因斯坦引力场方程 、
Rν
其中
1 g ν R = 8πGTν 2
可写成（ ） 可写成（5）式，具体展开式为
ds = g11dx dx + g12 dx dx + g13 dx dx
2 2 1 2 2 2 3 3 1 3 2
+ g 21dx dx + g 22 dx dx + g 23 dx dx + g 31dx dx + g 32 dx dx + g 33 dx dx = dx dx + dx dx + dx dx .
dl = dx + dy + dz
2 2 2
2
（4）式 ）
ds = dt +
2
+
+
2 dx 3
( 4)
的度规为： 的度规为：
g ν
1 0 = 0 0
0 0 0 1 0 0 ≡ η ν 0 1 0 0 0 1
这称为闵可夫斯基四维平直空间的度规张量。 这称为闵可夫斯基四维平直空间的度规张量。
[2]、施瓦西（K.Schwarzschild）度规： 、施瓦西（ ）度规： 施瓦西度规形成的不变间隔为（ 的自然单位） 施瓦西度规形成的不变间隔为（取c=1的自然单位） 的自然单位
引力 物理场
等价
弯曲时空 几何场
日
地
θ
星 ★
★
1999年12月26日 1999年12月26日，
爱因斯坦
被美国《时代》 被美国《时代》周刊 评为
“世纪伟人” 世纪伟人”
小 时 侯 的 爱 因 斯 坦
爱 因 斯 坦 生 日 留 影
5、 爱因斯坦引力场方程 、
Rν
其中
1 g ν R = 8πGTν 2
可写成（ ） 可写成（5）式，具体展开式为
ds = g11dx dx + g12 dx dx + g13 dx dx
2 2 1 2 2 2 3 3 1 3 2
+ g 21dx dx + g 22 dx dx + g 23 dx dx + g 31dx dx + g 32 dx dx + g 33 dx dx = dx dx + dx dx + dx dx .
dl = dx + dy + dz
2 2 2
2
理论物理前沿讲座PPT课件
2021/3/12
3
原子的结构
1896年,贝克勒尔发现发射性→原子是不稳定的。
1897年,汤姆生的阴极射线管实验发现电子。
1909年，卢瑟福的阿尔法粒子散射实验发现原子 的质量必須集中在一個很小的区域內, 原子的构造 如太阳系一般, 电子绕原子核运行。
2021/3/12
4
原子核的结构
1932年，查德威克（Chadwick）用阿尔法粒子撞击
2021/3/12
14
费米—杨模型(1949)
π介子由一个核子和反核子构成。 π+=pn¯、π-=np¯、 π0=(pp¯-nn¯)。
坂田(Sakata)模型(1956) 所有的强子由 p、n、Λ组成。
K+=pΛ， K-=p¯Λ， Σ+=Λpn¯， Ξ0=ΛΛn¯。
2021/3/12
15
夸克模型
2021/3/12
7
它们都是最基本的吗？
2021/3/12
8
对称性
系统在一种操作或变换下保持不变，我们说系统 对于这种操作或变换具有对称性。
诺特(Noether)定理：
对称性
守恒量
2021/3/12
9
物理中的对称性
连续对称性： 空间平移不变性 时间平移不变性 空间转动不变性
动量守恒 能量守恒 角动量守恒
物理学科前沿讲座
——粒子物理与宇宙学
“世界是由什么构成的?” 和
“它们是如何相互作用的?”
2021/3/12
2
基本粒子概念的发展
⑴ 古代对物质结构的猜想 我国夏朝：金、木、水、火、土五行学说 古希腊：水、火、土、空气组成物质 （德谟克利特）提出了原子论（公元前3世纪）
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55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
现代物理科前沿
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
现代物理科前沿
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思