物理科学前沿简介

1 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。 2

一个大物理学家叫做普朗克，他在1900年12月14日发表了一篇很重要的文章来解释黑体辐射。普朗克引进了一个假说，也就是光的能量的传播，不是连续的释放和吸收，而是以一个一个光量子的形态来出现，这个光量子形态也就是普朗克常数乘以光的频率。这个假说很好的解释了黑体辐射问题。这是物理学中第一次引进了光能的吸收和释放是不连续的概念。爱因斯坦进一步用普朗克假说解释了光电效应，进一步爱因斯坦又提出光子除了具有能量之外，还具有动量，这个动量就是普朗克常数h乘以振动频率再除以光速c。光子就不再简单看作电磁波的振动，也看作是粒子，这个粒子既有能量又有动量。后来康普顿和吴有训先生在实验上证明了这样一个光子打到电子以后，光子运动的频率和运动方向都会发生改变，而这样一个改变的后果就象是光子作为一个具有确定动量的小球，打在一个静止的电子上面，然后光子再通过弹性散射到另外一个方位上去，这样的改变完全遵守牛顿力学中的弹性碰撞定律，这样就让人们看得很清楚，就是光子既是波，又是粒子，这就是波粒二象性。进一步，法国人德布洛意提出波粒二象性不仅是光子具有的，而是任何一种粒子都具有的。也就是光子看起来是波，其实也是粒子；而普通称为粒子的电子，中子，质子，甚至分子，原子，这些看起来是粒子的也有波动性，因此他把光子的波粒二象性扩展成粒子的波粒二象性。这就是德布洛意波假说。进一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的观念更加普遍化，变成量子力学。量子力学出来以后，引起了人们对微观世界认识的一场大革命。这两件事情就是20世纪物理的重大发现. 物理学的大发现，在历史上有三次。第一次是牛顿力学。牛顿力学以及当时跟牛顿力学有关系的科学所发现的物理学定律是宏观的低速运动的规律。因为牛顿力学讨论象地球，太阳，月球这些天体运动，即讨论对象的运动速度是慢的，物体是宏观的。 牛顿力学勾画的是经典物理学的图景。到后来，人们研究了电磁相互作用的定律。电磁相互作 普朗克，德国物理学家，量子力学的奠基人。

吴有训，中国物理学家，曾任中国科学院副院长

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用定律的一个重要特点就是以光速而运动。电磁波的运动可以说是一种宏观而高速的运动。到了爱因斯坦的相对论，就把宏观低速运动和高速运动有机的联系在一起，其中，描写光的高速运动的麦克斯韦方程却自然而然的满足狭义相对论。这就是物理学的第二次突破，爱因斯坦，包括他的前人麦克斯韦就发现了宏观高速运动的规律。第三次突破是量子力学。量子力学回答的是微观粒子的运动规律，而薛定鄂，海森堡的量子力学是涉及微观低速作用下的规律。这三次突破都引起了生产技术的重大变革。牛顿力学奠定的是机械工程等方面的基础，麦克斯韦方程，狭义相对论是我们现代电气化的支撑，至于第三次大突破的量子力学的出现，就涉及化学运动的规律，半导体的规律，原子核运动的规律等。我们现在面临的原子能时代，电脑时代的技术，都是量子力学的贡献。物理学每一次划时代的发现都带来了划时代技术的进展。20世纪物理学最重要的成就以上这些。

德布罗意L,V，法国物理学家 4

二、未来物理学发展的问题、难点与趋势 20世纪的物理学驱散了两片乌云，而物理学的天空并没有晴空万里，新的问题肯定会出现，那么21世纪物理要解决是哪些问题呢？

物理学已经进行了三次大突破，如果要进一步问物理学未来的发展应该是怎样的，非常自然的一个想法就是微观高速运动的规律是不是能有彻底的解决。也就是物理学的第四次大突破就是关于微观高速运动的规律的突破。这个问题需要分两个方面来说。第一，任何物理的突破都是关于物理的实体问题的突破，或者说是一种新的物质运动形态的突破。比如牛顿力学是人们对天体运动的规律有所了解，到了麦克斯韦方程，狭义相对论的出现，是人们对光的本性的研究，对电磁场的性质的研究，对接近光速的宏观物体的力学规律的研究，我们叫做宏观高速运动规律。到了量子力学，人们发现电子、质子、中子，以及有特殊运动规律的原子结构，也就是电子绕原子核运动有特殊的规律，这导致量子力学出现。所以，规律的突破，总是伴随着物质的新的实体形式的突破。现在要问，微观高速运动要跟什么样形态的物质实体相联系。有趣的是，这几年在这个领域有许多进展，人们在进一步研究粒子的同时，发现质子，中子等强子，有更深层次的结构，就是夸克，这是构成所有强相互作用的最深层次的物质。现在人们对基本粒子的观念已经改变，认为夸克，加上轻子，一共六种粒子组成基本粒子。所以我们研究的微观高速运动粒子的规律就是在夸克和轻子层次的表现形态和它们的运动规律。在20世纪这一方面的研究有很大进展，人们对

A.爱因斯坦，20世纪最伟大的自然科学家

图7 爱因斯坦关于狭义相对论的著名论文 5

强相互作用规律就总结出了量子色动力学，关于轻子和强子的弱相互作用和电磁相互作用已得到初步统一，我们叫做弱电统一理论。所以20世纪的物理学在微观高速运动上突破在于两个重要理论，一个是量子色动力学，是回答粒子之间强相互作用的理论;另外一个是关于弱相互作用和电磁相互作用的弱电统一理论。但是，虽然在微观高速运动中得到许多成就，还不能够认为这是最终的成就，因为微观高速运动还涉及到很多人们未知的粒子的性质和运动，有可能还存在有某些尚未发现的粒子，这就是21世纪的物理要面临的问题。

物理学第四次大突破才刚刚开始。从物质运动形态来说，还有许许多多待研究的新的物质还没有发现。理论上讲，可能还存在一种超对称粒子。从宇宙中来说，还有暗物质，就是透明度很高，光可以自由穿过，而光照射到它上面也不会被反射的物质，人们对此有很多猜测，可能会与理论上正在猜测的超对称粒子有联系。如果这种猜测成立，将要进一步丰富发展人们对微观高速运动的认识。这方面的课题在世界很多国家都在开展研究。李政道教授也说过，暗物质是很重要的问题。另外一个和微观高速运动相联系的问题是真空是什么。当微观高速运动粒子的运动速度越来越高，粒子撞击会不会使得真空性质本身有所改变？在微观高速运动的情况下，粒子引起真空中场的振荡非常激烈，激烈的程度可以使真空性质改变，这些都是微观世界里需要进一步讨论的问题。另外，已经知道，强相互作用有很好的理论，电磁相互作用和弱相互作用有一个统一的理论叫做弱电统一理论，非常自然的问题就是，强作用，电磁作用和弱作用能否

图8 我国发射的东方红一号卫星 美籍华人物理学家杨振宁 图10 美籍华人物理学家李政道

图11 DNA双螺旋结构 6

进一步统一起来 ；另外，引力理论是不是也可能跟以上三种作用统一起来。现在引力理论还不知道它如何量子化，更不知道它们能否和三种作用统一，当前关于引力理论有很多不同意见，即便量子化成功后，还不一定能够有很好的、相应的量子场论，量子场论化要求在引力理论中能够解决量子发散困难。这些问题都没有解决。从纯理论来说，这些都是要解决的重大的基本问题。

以上讨论的是当代物理学中粒子之小的问题，当代物理学还有另外一个发展前沿方向，宇宙之大。人们深入研究宇宙后发现，在130亿年或者150亿年前宇宙有个大爆炸，在这个大爆炸以后造成了宇宙膨胀。有人问，宇宙大爆炸从何而来？在大爆炸以前，有一个宇宙收缩的过程。宇宙空间的物质，在万有引力作用下，随着距离缩小，引力越来越大，最后低密度物质会被吸引成为高密度物质。在高密度物质激烈碰撞、冲击下，有可能真空会发生改变，而释放出能量，并在各种激烈的相互作用下会形成反弹。这样就形成宇宙大爆炸。宇宙大爆炸的标准模型可以很好地解释天文学重很多观测结果，比如宇宙背景辐射，也能回答粒子物理中某些问题，比如中微子有多少代。还有现在氢气、氦气，还有各种原子核在宇宙中的分布。最为重要的是宇宙大爆炸曾预言有一种背景辐射，这个背景辐射很好的和实验观测相符合。但是这几年宇宙论有惊人发现，也就是说进一步研究关于背景辐射的不均匀度的时候，发现除了标准宇宙模型中要引入暗物质外，还要引进真空背景常数。这个背景常数当年爱因斯坦猜测过，一般认为等于0，而现在的实验观测并且确定不等于0，这是2001年来一个重

图12 以色列科学家研制的纳米级DNA计算机。一根试管可容纳一万亿个此类计算机，运算速度达到每秒10亿次，精确度高达99.8%。该项发明位于《Nature》评比的2001十大发明之首。

中科院金属所研制的纳米碳纤维储氢材料