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物理学概论说明

来源:xuexi110 作者:xuexi110 人气: 发布时间:2015-12-30
摘要:物理学概览 物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面,从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。 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自于实

物理学概览

     物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面,从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。

     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自于实践,随着实践的扩展和深入,物理学的内容也在不断扩展和深入。

     随着物理学各分支学科的发展,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。物理学也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,从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展,但现在离实现这—目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。

经典力学

     经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。宏观是相对于原子等微观粒子而言的;低速是相对于光速而言的。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。16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,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现象的初步理论。

     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,为经典力学奠定了基础。亚当斯根据对天王星的详细天文观察,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,由它的某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。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,现在还没有发现它们的局限性。

     早在19世纪,经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学科,它包含了丰富的内容。例如:质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。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就是振动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。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;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等。

热学、热力学和经典统计力学

      热学是研究热的产生和传导,研究物质处于热状态下的性质及其变化的学科。人们很早就有冷热的概念。对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念(例如区分了温度和热量),并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。到19世纪,热力学已趋于成熟。

      物体有内部运动,因此就有内部能量。19世纪的系统实验研究证明:热是物体内部无序运动的表现,称为内能,以前称作热能。19世纪中期,焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系,从而建立了热力学第一定律:宏观机械运动的能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,因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。

      在卡诺研究结果的基础上,克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律,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相同的状态。应用熵的概念,还可以把热力学第二定律表达为:一个孤立的物理系统的熵不会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。

      深入研究热现象的本质,就产生了统计力学。统计力学应用数学中统计分析的方法,研究大量粒子的平均行为。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。

      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,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、输运和涨落,这方面的理论逐步发展,已趋于成熟。近20~30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。

经典电磁学、经典电动力学

     经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科。人们很早就接触到电和磁的现象,并知道磁棒有南北两极。在18世纪,发现电荷有两种:正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥,异性相吸,作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上,力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动,这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。

     19世纪前期,奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后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,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。

在电和磁之间的联系被发现以后,人们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,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组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组,是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在,其传播速度等于光速,这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是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,也受到磁场的力,洛伦茨把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式,人们就称这个力为洛伦茨力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了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。

光学和电磁波

     光学研究光的性质及其和物质的各种相互作用,光是电磁波。虽然可见光的波长范围在电磁波中只占很窄的一个波段,但是早在人们认识到光是电磁波以前,人们就对光进行了研究。

17世纪对光的本质提出了两种假说:一种假说认为光是由许多微粒组成的;另一种假说认为光是一种波动。19世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象,以后的实验证明光是电磁波。20世纪初又发现光具有粒子性,人们在深入入研究微观世界后,才认识到光具有波粒二象性。

光可以为物质所发射、吸收、反射、折射和衍射。当所研究的物体或空间的大小远大于光波的波长时,光可以当作沿直线进行的光线来处理;但当研究深入到现象细节,其空间范围和光波波长差不多大小的时候,就必须要考虑光的波动性。而研究光和微观粒子的相互作用时,还要考虑光的粒子性。

     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:原子所放出来原子光谱的就和原子结构密切相关。

     近年来利用受激辐射机制所产生的激光能够达到非常大的功率,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了很多重要的应用。

     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。在物理学其后的发展中,场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代物理学中.场的概念已经远远超出了电磁学的范围,成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。

狭义相对论和相对论力学

     在经典力学取得很大成功以后,人们习惯于将一切现象都归结为由机械运动所引起的。在电磁场概念提出以后,人们假设存在一种名叫“以太”的媒质,它弥漫于整个宇宙,渗透到所有的物体中,绝对静止不动,没有质量,对物体的运动不产生任何阻力,也不受万有引力的影响。可以将以太作为一个绝对静止的参照系,因此相对于以太作匀速运动的参照系都是惯性参照系。

    在惯性参照系中观察,电磁波的传播速度应该随着波的传播方向而改变。但实验表明,在不同的、相对作匀速运动的惯性参照系中,测得的光速同传播方向无关。特别是迈克尔逊和莫雷进行的非常精确的实验,可靠地证明了这一点。这一实验事实显然同经典物理学中关于时间、空间和以太的概念相矛盾。爱因斯坦从这些实验事实出发,对空间、时间的概念进行了深刻的分析,提出了狭义相对论,从而建立了新的时空观念。

狭义相对论的基本假设是:

①在一切惯性参照系中,基本物理规律都一样,都可用同一组数学方程来表达;

②对于任何一个光源发出来的光,在一切惯性参照系中测量其传播速率,结果都相等。

     在狭义相对论中,空间和时间是彼此密切联系的统一体,空间距离是相对的,时间也是相对的。因此尺的长短,时间的长短都是相对的。但在狭义相对论中,并不是一切都是相对的。

     相对论力学的另一个重要结论是:质量和能量是可以相互转化的。假使质量是物质的量的一种度量,能量是运动的量的一种度量,则上面的结论:物质和运动之间存在着不可分割的联系,不存在没有运动的物质,也不存在没有物质的运动,两者可以相互转化。这一规律己在核能的研究和实践中得到了证实。

    当物体的速度远小于光速时,相对论力学定律就趋近于经典力学定律。固此在低速运动时,经典力学定律仍然是很好的相对真理,非常适合用来解决工程技术中的力学问题。

    狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命性的变革,并且否定了以太的概念,肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的恃殊形式。由于空间和时间是物质存在的普遍形式,因此狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。

广义相对论和万有引力的基本理论

    狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用,它的传递不需要时间,产生和到达是同时的。这同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛盾。因此,必须对牛顿的万有引力定律也要加以改造。

改造的关键来自厄缶的实验,它以很高的精确度证明:惯性质量和引力质量相等,固此不论行星的质量多大多小,只要在某一时刻它们的空间坐标和速度都相同,那末它们的运行轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想:万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现,从而提出了广义相对论。

    根据广义相对论,空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布;而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强,空间、时间弯曲度很小情况下,广义相对论的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致;当引力较强,空间、时间弯曲较大的隋况下,就有区别。不过这种区别常常很小,难以在实验中观察到。从广义相对论提出到现在,还只有四种实验能检验出这种区别。

    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、量子力学、量子电动力学

     原子物理学研究原子的性质、内部结构、内部受激状态,以及原子和电磁场、电磁波的相互作用以及原子之间的相互作用。原子是一个很古老的概念。古代就有人认为:宇宙间万物都是由原子组成的,原子是不可分割的、永恒不变的物质最终单元。

1897年汤姆逊发现了电子,使人们认识到原子是具有内部结构的粒子。于是,经典物理学的局限性进一步的暴露出来了。为此,德国科学家普朗克提出了同经典物理学相矛盾的假设:光是由一粒一粒光子组成的。这一假设导出的结论和黑体辐射及光电效应的实验结果符合。于是,19世纪初被否定了的光的微粒说又以新的形式出现了。

    1911年,卢瑟福用粒子散射实验发现原子的绝大部分质量,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,因此称为原子核。这才使人们对原子的内部结构得到了一个定性的、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。

    原子物理学的基本理论主要是由德布罗意、海森堡、薛定谔、狄里克莱等所创建的量子力学和量子电动力学。它们与经典力学和经典电动力学的主要区别是:物理量所能取的数值是不连续的;它们所反映的规律不是确定性的规律,而是统计规律。

    应用量子力学和量子电动力学研究原子结构、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波粒二象性。粒子和波是人在宏观世界的实践中形成的概念,它们各自描述了迥然不同的客体。但从宏观世界实践中形成的概念未必恰巧适合于描述微观世界的现象。

    现在看来,需要粒子和波动两种概念互相补充,才能全面地反映微观客体在各种不同的条件下所表现的性质。这一基本特点的另一种表现方式是海森伯的测不准原理:不可能同时测准一个粒子的位置和动量,位置测得愈准,动量必然测得愈不准;动量测的愈准,位置必然测得愈不准。

量子力学和量子电动力学产生于原子物理学的研究,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,固此不仅应用于原子物理,也应用于分子物理学、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。

量子统计力学

     量子力学为基础的统计力学,称为量子统计力学。经典统计力学以经典力学为基础,因而经典统计力学也具有局限性。例如:随着温度趋于绝对零度,固体的热也趋于零的实验现象,就无法用经典统计力学来解释。

     在宏观世界中,看起来相同的物体总是可以区别的,在微观世界中,同一类粒子却无法区分。例如:所有的电子的一切性质都完全一样。在宏观物理现象中,将两个宏观物体交换,就得到一个和原来状态不同的状态,进行统计时必须将交换前和交换后的状态当作两个不同的状态处理;但是在一个物理系统中,交换两个电子后,得到的还是原来的状态,因此进行统计时,必须将交换前和交换后的状态当作同一个状态来处理。

     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、低温下的固体比热窖、固体中的电子为什么对比热的贡献如此小等等,都得到了合理的解释。

固体物理学

     固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动,以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。固体的内部结构和运动形式很复杂,这方面的研究是从晶体开始的,因为晶体的内部结构简单,而且具有明显的规律性,较易研究。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。

     固体中电子的运动状态服从量子力学和量子电动力学的规律。在晶体中,原子(离子、分子)有规则地排列,形成点阵。20世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了

     X射线衍射法,用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后,又发展了中子衍射法,使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展。

    在晶体中,原子的外层电子可能具有的能量形成一段一段的能带。电子不可能具有能带以外的能量值。按电子在能带中不同的填充方式,可以把晶体区别为金属、绝缘体和半导体。能带理论结合半导体锗和硅的基础研究,高质量的半导体单晶生长和掺杂技术,为晶体管的产生准备了理论基础。

    电子具有自旋和磁矩,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。

    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,也对固体的性质有重要的影响。例如1911年发现的低温超导现象;1960年发现的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,点阵处于能量最低的形式;当晶体的内部能量增高,温度升高到一定数值,点阵就会转变到能量较高的形式。这种转变称为相变,相变会导致晶体物理性质的改变,相变是重要的物理现象,也是重要的研究课题。

    点阵结构完好无缺的晶体是一种理想的物理状态。实际晶体内部的点阵结构总会有缺陷:化学成分不会绝对纯,内部会含有杂质。这些缺陷和杂质对固体的物理性质(包括力学、电学、碰学、发光学等)以及功能材料的技术性能,常常会产生重要的影响。大规模集成电路的制造工艺中,控制和利用杂质和缺陷是很重要的晶体的表面性质和界面性质,会对许多物理过程和化学过程产生重要的影响。所有这些都已成为固体物理研究中的重要领域。

    非晶态固体内部结构的无序性使得对于它们的研究变得更加复杂。非晶态固体有一些特殊的物理性质,使得它有多方面的应用。这是一个正在发展中的新的研究领域。

    固体物理对于技术的发展有很多重要的应用,晶体管发明以后,集成电路技术迅速发展,电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学的基础。

原子核物理学

     原子核是比原子更深一个层次的物质结构。原子核物理学是研究原子核的性质,它的内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反应过程的学科。

在原子核被发现以后,曾经以为原子核是由质子和电子组成的。1932年,英国科学家查德威克发现了中子,这才使人们认识到原子核可能具有更复杂的结构。

     质子和中子统称为核子,中子不带电,质子带正电荷,因此质子间存在着静电排斥力。万有引力虽然使各核子相互吸引,但在两个质子之间的静电排斥力比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。所以,一定存在第三种基本相互作用——强相互作用力。人们将核子结合成为原子核的力称为核力,核力来源于强相互作用。从原子核的大小以及核子和核子碰撞时的截面估计,核力的有效作用距离力程约为一千万亿分之一米。

      原子核主要由强相互作用将核子结合而成,当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时,要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核(如铀原子核)在吸收一个中子以后,会裂变成为两个较轻的原子核,同时放出二十到三十中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成为一个较重的原子核,同时放出巨大的能量。这种原子核熔合过程叫作聚变。

      粒子加速器的发明和裂变反应堆的建成,使人们能够获得大量能量较高的质子、电子、光子、原子核和大量中子。可以用来轰击原子核,系统地开展关于原子核的性质及其运动、转化和相互作用过程的研究。

     高能物理研究发现,核子还有内部结构。原子核结构是一个比原子结构更为复杂的研究领域,目前,已有的关于原子核结构,原子核反应和衰变的理论都是模型理论,其中一部分相当成功地反映了原子核的客观规律。

     一公斤铀裂变时所释放的能量,相当于约两万吨TNT炸药爆炸时所释放的能量,一公斤重氢原子核聚变所释放的能量还要大几倍。轻原子核聚变为较重的原子核并释放能量的过程,就是太阳几十亿年来的能量来源,也是热核爆炸的能量来源。如果能使重氢的聚变反应有控制地进行,那么能源问题就将得到较彻底的解决。由于放射性同位素所放出的射线能产生各种物理效应、化学效应和生物效应,因此放射性同位素在工业、农业、医学和科学研究中有广泛的应用。

等离子体物理学

     等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如:太阳中心区的温度超过一千万度,太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究,推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起,为了利用轻核聚变反应解决能源问题,促使等离子体物理学研究蓬勃发展。

等离子体内部存在着很多种运动形式,并且相互转化着,高温等离子体还有多种不稳定性,因此等离子体研究是十非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程,但这组方程非常难解,目前还很难用以准确预言等离子体的性质和行为。

粒子物理学

     目前对所能探测到的物质结构最深层次的研究称为粒子物理学,又称为高能物理学。在20世纪20年代末,人们曾经认为电子和质子是基本粒子,后来又发现了中子。在宇宙射线研究和后来利用高能加速器进行的实验研究中,又发现了数以百计的不同种类的粒子。这些粒子的性质很有规律性,所以现在将基本两字去掉,统称为粒子。

研究这些粒子,发现它们都是配成对的。配成对的粒子称为正、反粒子。正、反粒子一部分性质完全相同,而另一部分性质完全相反。另一个重要发现是,所有粒子在一定条件下都能产生和消灭。例如:高能光子在原子核的电场中能转化为电子和正电子,电子和正电子相遇,就会同时湮没而转化为两个或三个光子。

     在实验上把已经发现的粒子分为两大类。一类是不参与强相互作用的离子,统称为轻子。另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。实验发现,强子也具有内部结构。强子内部带点电荷的东西在外国称为夸克,中国的部分物理学家称之为层子。因为他们认为:即使层子也不是物质的始元,也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。

     虽然层子在强子内部可以相当自由地运动,但即使用目前加速器所能产生的能量最高的粒子束轰击强子,也没有能将层子打出来,使它们成为处于自由状态的层子。将层子囚禁在强子内部是强相互作用所独有的性质,这种性质称为“囚禁”。

     弱相互作用也有其独特的性质。它的基本规律对于左和右,正、反粒子,过去和未来都是不对称的。弱相互作用的不对称就是李政道和杨振宁在1956年所预言,不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱相互作用中的不守恒。

     在量子场论中,各种粒子均用相应的量子场来反映。空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示,称为场算符。这些场算符满足一定的微分方程和对应关系或反对应关系。量子场的确既能反映披粒二象性,又能反映粒子的产生和消灭,还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。

    对称性在物理学中占有很重要的地位。可以证明,假使物理基本规律具有某种对称性,与之相应就有某种守恒定律。例如:假使物理基本规律在任何时间都一样,与之相应就有能量守恒定律:假使物理基本规律对于相变换具有不变性,与之相应就有电荷守恒定律。

    假使物理规律的某种对称性是定域的,那么与之相应一定存在某种基本相互作用。目前已经通过实验严格检验的广义相对论、量子电动力学和电弱统一理论都来源于定域对称性。也就是说:万有引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都来源于定域对称性。

物理学同其他自然科学和技术之间的关系

     物质的各种存在形式和运动形式之间普遍存在着联系。随着学科的发展,这种联系逐步显示出来。物理学也和其他学科相互渗透,产生一系列交叉学科,如:化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等等。

数学对物理学的发展起了重要的作用,反过来物理学也促进数学的发展。在物理学的基础性研究过程中,形成和发展出来的基本概念、基本理论、基本实施手段和精密的测试方法,已成为其他许多学科的重要组成部分,并产生了良好的效果。这对于天文学、化学、生物学、地学、医学、农业科学都是如此。

     物理学研究的重大突破导致生产技术的飞跃已经是历史事实。反过来,发展技术和生产力的要求,也有力地推动物理学研究的发展,固体物理、原子核物理、等离子体物理、激光研究、现代宇宙学等之所以迅速发展,是和技术及生产力发展的要求分不开的。

目前在物理学前沿进行研究工作,必须使用尖端技术,否则就无法使实验研究工作达到一定的深度,也很难开辟新的研究领域。因此理论和实践,基础理论和尖端技术的关系将日益密切、互相促进,并一日千里地向前推进。

光学

     狭义来说,光学是关于光和视见的科学,optics(光学)这个词,早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天,常说的光学是广义的,是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到

     X射线的宽广波段范围内的,关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示,以及跟物质相互作用的科学。

光学是物理学的一个重要组成部分,也是与其他应用技术紧密相关的学科。

光学的发展简史

     光学是一门有悠久历史的学科,它的发展史可追溯到2000多年前。

    人类对光的研究,最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体?”之类问题。约在公元前400多年(先秦的代),中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载,叙述影的定义和生成,光的直线传播性和针孔成像,并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。

     自《墨经)开始,公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜;公元1590年到17世纪初,詹森和李普希同时独立地发明显微镜;一直到17世纪上半叶,才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果,归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。

     1665年,牛顿进行太阳光的实验,它把太阳光分解成简单的组成部分,这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征,各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。

     牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上,当用白光照射时,则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹;当用某一单色光照射时,则出现一组明暗相间的同心环条纹,后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。

     牛顿在发现这些重要现象的同时,根据光的直线传播性,认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来,在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。

     惠更斯是光的微粒说的反对者,他创立了光的波动说。提出“光同声一样,是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点,都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。在整个18世纪中,光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来,但都不很完整。

     19世纪初,波动光学初步形成,其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理,由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理,用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象,也能解释光的直线传播。

     在进一步的研究中,观察到了光的偏振和偏振光的干涉。为了解释这些现象,菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波。为说明光在各不同媒质中的不同速度,又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的;在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。此外,还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。如此性质的以太是难以想象的。

     1846年,法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转;1856年,韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。

     1860年前后,麦克斯韦的指出,电场和磁场的改变,不能局限于空间的某一部分,而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着,光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。

     然而,这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质,也不能解释光的色散现象。到了1896年洛伦兹创立电子论,才解释了发光和物质吸收光的现象,也解释了光在物质中传播的各种特点,包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中,以太乃是广袤无限的不动的媒质,其唯一特点是,在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。

     对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题,洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。并且,如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话,则可将不动的以太选作参照系,使人们能区别出绝对运动。而事实上,1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”,得到否定的结果,这表明到了洛伦兹电子论时期,人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。

     1900年,普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念,提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波,包括光,只能以各自确定分量的能量从振子射出,这种能量微粒称为量子,光的量子称为光子。

     量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律,而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学,也给整个物理学提供了新的概念,所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

     1905年,爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示,特别指出光与物质相互作用时,光也是以光子为最小单位进行的。

     1905年9月,德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理,文中指出,从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学,其应用范围只限于速度远远小于光速的情况,而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征,根本放弃了以太的概念,圆满地解释了运动物体的光学现象。

     这样,在20世纪初,一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波;而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。

     1922年发现的康普顿效应,1928年发现的喇曼效应,以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构,它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明,现代物理学中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。

此后,光学开始进入了一个新的时期,以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。其中最重要的成就,就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射,并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。

     爱因斯坦研究辐射时指出,在一定条件下,如果能使受激辐射继续去激发其他粒子,造成连锁反应,雪崩似地获得放大效果,最后就可得到单色性极强的辐射,即激光。1960年,梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器;同年制成氦氖激光器;1962年产生了半导体激光器;1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性,所以自1958年发现以来,得到了迅速的发展和广泛应用,引起了科学技术的重大变化。

     光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论,和1906年波特为之完成的实验验证;1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法,并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜,为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖;1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理,为此,伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。

     自20世纪50年代以来,人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来,给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念,更新了经典成像光学,形成了所谓“博里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术,形成了一个新的学科领域——光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就,它为信息传输和处理提供了崭新的技术。

     在现代光学本身,由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学,包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲,以及可调谐激光技术的出现,已使传统的光谱学发生了很大的变化,成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。

光学的研究内容

我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

     几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发,来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径,它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

    物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科,所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振,以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

    波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系,而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象,以及光在媒质界面附近的表现;也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学

     1900年普朗克在研究黑体辐射时,为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式,他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设,即“组成黑体的振子的能量不能连续变化,只能取一份份的分立值”。

     1905年,爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论,进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上,而是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中,当光子照射到金属表面时,一次为金属中的电子全部吸收,而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间,电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功,余下的就变成电子离开金属表面后的动能。

     这种从光子的性质出发,来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。

     光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了:非但光有这种两重性,世界的所有物质,包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物,也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。

应用光学

     光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成;由于它有广泛的应用,所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如,有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学;以正常平均人眼为接收器,来研究电磁辐射所引起的彩色视觉,及其心理物理量的测量的色度学;以及众多的技术光学:光学系统设计及光学仪器理论,光学制造和光学测试,干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等;还有与其他学科交叉的分支,如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。

 

力学

     力学又称经典力学,是研究通常尺寸的物体在受力下的形变,以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。力学是物理学、天文学和许多工程学的基础,机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。

     机械运动是物质运动的最基本的形式。机械运动亦即力学运动,是物质在时间、空间中的位置变化,包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。而平衡或静止,则是其中的特殊情况。物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。

力是物质间的一种相互作用,机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。静止和运动状态不变,则意味着各作用力在某种意义上的平衡。因此,力学可以说是力和(机械)运动的科学。

力学的起源

     力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具,逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究,确定它们的基本规律,初步奠定了静力学即平衡理论的基础。

     古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中,了解一些简单的运动规律,如匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的关系,只是在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。

     伽利略在实验研究和理论分析的基础上,最早阐明自由落体运动的规律,提出加速度的概念。牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律),提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。

     此后,力学的研究对象由单个的自由质点,转向受约束的质点和受约束的质点系。这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理,和拉格朗日建立的分析力学。其后,欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程,这看作是连续介质力学的开端。

     运动定律和物性定律这两者的结合,促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世,在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人。弹性力学和流体力学基本方程的建立,使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。

     从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。在弹性和流体基本方程建立后,所给出的方程一时难于求解,工程技术中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的方法解决。这使得19世纪后半叶,在材料力学、结构力学同弹性力学之间,水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。

     20世纪初,随着新的数学理论和方法的出现,力学研究又蓬勃发展起来,创立了许多新的理论,同时也解决了工程技术中大量的关键性问题,如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题等。

     这时的先导者是普朗特和卡门,他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中洞察事物本质,又能寻找合适的解决问题的数学途径,逐渐形成一套特有的方法。从20世纪60年代起,计算机的应用日益广泛,力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。

     力学在中国的发展经历了一个特殊的过程。与古希腊几乎同时,中国古代对平衡和简单的运动形式就已具备相当水平的力学知识,所不同的是未建立起像阿基米德那样的理论系统。

     在文艺复兴前的约一千年时间内,整个欧洲的科学技术进展缓慢,而中国科学技术的综合性成果堪称卓著,其中有些在当时世界居于领先地位。这些成果反映出丰富的力学知识,但终未形成系统的力学理论。到明末清初,中国科学技术已显著落后于欧洲。

学科性质

    物理科学的建立是从力学开始的。在物理科学中,人们曾用纯粹力学理论解释机械运动以外的各种形式的运动,如热、电磁、光、分子和原子内的运动等。当物理学摆脱了这种机械(力学)的自然观而获得健康发展时,力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化,逐渐从物理学中独立出来。

     20世纪初,相对论指出牛顿力学不适用于高速或宇宙尺度内的物体运动;20年代,量子论指出牛顿力学不适用于微观世界。这反映人们对力学认识的深化,即认识到物质在不同层次上的机械运动规律是不同的。所以通常理解的力学,是指以宏观的机械运动为研究内容的物理学分支学科。许多带“力学”名称的学科,如热力学、统计力学、相对论力学、电动力学、量子力学等,在习惯上被认为是物理学的其它分支,不属于力学的范围。

     力学与数学在发展中始终相互推动,相互促进。一种力学理论往往和相应的一个数学分支相伴产生,如运动基本定律和微积分,运动方程的求解和常微分方程,弹性力学及流体力学和数学分析理论,天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等,因此有人甚至认为力学应该也是一门应用数学。但是力学和其它物理学分支一样,还有需要实验基础的一面,而数学寻求的是比力学更带普遍性的数学关系,两者有各自不同的研究对象。

      力学不仅是一门基础科学,同时也是一门技术科学,它是许多工程技术的理论基础,又在广泛的应用过程中不断得到发展。当工程学还只分民用工程学(即土木工程学)和军事工程学两大分支时,力学在这两个分支中就已经起着举足轻重的作用。工程学越分越细,各个分支中许多关键性的进展,都有赖于力学中有关运动规律、强度、刚度等问题的解决。

     力学和工程学的结合,促使了工程力学各个分支的形成和发展。现在,无论是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等,还是后起的航空工程、航天工程、核技术工程、生物医学工程等,都或多或少有工程力学的活动场地。

     力学既是基础科学又是技术科学这种二重性,有时难免会引起分别侧重基础研究和应用研究的力学家之间的不同看法。但这种二重性也使力学家感到自豪,它们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面作出了贡献。

力学的研究方法

力学研究方法遵循认识论的基本法则:实践——理论——实践。

     力学家们根据对自然现象的观察,特别是定量观测的结果,根据生产过程中积累的经验和数据,或者根据为特定目的而设计的科学实验的结果,提炼出量与量之间的定性的或数量的关系。为了使这种关系反映事物的本质,力学家要善于抓住起主要作用的因素,屏弃或暂时屏弃一些次要因素。

     力学中把这种过程称为建立模型。质点、质点系、刚体、弹性固体、粘性流体、连续介质等是各种不同的模型。在模型的基础上可以运用已知的力学或物理学的规律,以及合适的数学工具,进行理论上的演绎工作,导出新的结论。

     依据所得理论建立的模型是否合理,有待于新的观测、工程实践或者科学实验等加以验证。在理论演绎中,为了使理论具有更高的概括性和更广泛的适用性,往往采用一些无量纲参数如雷诺数、马赫数、泊松比等。这些参数既反映物理本质,又是单纯的数字,不受尺寸、单位制、工程性质、实验装置类型的牵制。

     因此,从局部看来,力学研究工作方式是多样的:有些只是纯数学的推理,甚至着眼于理论体系在逻辑上的完善化;有些着重数值方法和近似计算;有些着重实验技术等等。而更大量的则是着重在运用现有力学知识,解决工程技术中或探索自然界奥秘中提出的具体问题。

现代的力学实验设备,诸如大型的风洞、水洞,它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目,需要多工种、多学科的协作。应用研究更需要对应用对象的工艺过程、材料性质、技术关键等有清楚的了解。在力学研究中既有细致的、独立的分工,又有综合的、全面的协作。

学科分类

     力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分,静力学研究力的平衡或物体的静止问题;运动学只考虑物体怎样运动,不讨论它与所受力的关系;动力学讨论物体运动和所受力的关系。

     力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支,流体包括液体和气体;固体力学和流体力学可统称为连续介质力学,它们通常都采用连续介质的模型。固体力学和流体力学从力学分出后,余下的部分组成一般力学。

     一般力学通常是指以质点、质点系、刚体、刚体系为研究对象的力学,有时还把抽象的动力学系统也作为研究对象。一般力学除了研究离散系统的基本力学规律外,还研究某些与现代工程技术有关的新兴学科的理论。

     一般力学、固体力学和流体力学这三个主要分支在发展过程中,又因对象或模型的不同出现了一些分支学科和研究领域。属于一般力学的有理论力学(狭义的)、分析力学、外弹道学、振动理论、刚体动力学、陀螺力学、运动稳定性等;属于固体力学的有材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等;流体力学是由早期的水力学和水动力学这两个风格迥异的分支汇合而成,现在则有空气动力学、气体动力学、多相流体力学、渗流力学、非牛顿流体力学等分支。各分支学科间的交叉结果又产生粘弹性理论、流变学、气动弹性力学等。

     力学也可按研究时所采用的主要手段区分为三个方面:理论分析、实验研究和数值计算。实验力学包括实验应力分析、水动力学实验和空气动力实验等。着重用数值计算手段的计算力学,是广泛使用电子计算机后才出现的,其中有计算结构力学、计算流体力学等。对一个具体的力学课题或研究项目,往往需要理论、实验和计算这三方面的相互配合。

     力学在工程技术方面的应用结果形成工程力学或应用力学的各种分支,诸如土力学、岩石力学、爆炸力学复合材料力学、工业空气动力学、环境空气动力学等。

     力学和其他基础科学的结合也产生一些交又性的分支,最早的是和天文学结合产生的天体力学。在20世纪特别是60年代以来,出现更多的这类交叉分 支,其中有物理力学、化学流体动力学、等离子体动力学、电流体动力学、磁流体力学、热弹性力学、理性力学、生物力学、生物流变学、地质力学、地球动力学、地球构造动力学、地球流体力学等。

 

热学

     热学是研究物质处于热状态时的有关性质和规律的物理学分支,它起源于人类对冷热现象的探索。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中,冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。

     对中国山西芮城西侯度旧石器时代遗址的考古研究,说明大约180万年前人类已开始使用火;约在公元前二千年中国已有气温反常的记载;在公元前,东西方都出现了热学领域的早期学说。中国战国时代的邹衍创立了五行学说,他把水、火、木、金、土称为五行,认为这是万事万物的根本。古希腊时期,赫拉克利特提出:火、水、土、气是自然界的四种独立元素。这些都是人们对自然界的早期认识。

     1714年,华伦海特改良水银温度计,定出华氏温标,建立了温度测量的一个共同的标准,使热学走上了实验科学的道路。经过许多科学家两百年的努力,到1912年,能斯脱提出热力学第三定律后,人们对热的本质才有了正确的认识,并逐步建立起热学的科学理论。

     历史上对热的认识,出现过两种对立的观点。18世纪出现过热质说,把热看成是一种不生不灭的流质,一个物体含有的热质多,就具有较高的温度。与此相对立的是把热看成物质的一种运动的形式的观点,俄国科学家罗蒙诺索夫指出热是分子运动的表现。

     针对热质说不能解释摩擦生热的困难,许多科学家进行了各种摩擦生热的实验,特别是朗福德的实验,他用钝钻头钻炮筒,因钻头与炮筒内壁摩擦,在几乎没产生碎屑的情况下使水沸腾;1840年以后,焦耳做了一系列的实验,证明热是同大量分子的无规则运动相联系的。

     焦耳的实验以精确的数据证实了迈尔热功当量概念的正确性,使人们摈弃了热质说,并为能量守恒定律奠定了实验基础。与此同时,热学的两类实验技术——测温术和量热术也得到了发展。

     热学理论有两个方面,一是宏观理论,即热力学;一是微观理论,即统计物理学。这两个方面相辅相成,构成了热学的理论基础。

热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质,它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。

     热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论,不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。因此它是一种唯象的宏观理论,具有高度的可靠性和普遍性。

     热力学三定律是热力学的基本理论。热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系,它引进了系统的态函数——内能。热力学第一定律也可以表述为:第一类永动机是不可能造成的。

     热学中一个重要的基本现象是趋向平衡态,这是一个不可逆过程。例如使温度不同的两个物体接触,最后到达平衡态,两物体便有相同的温度。但其逆过程,即具有相同温度的两个物体,不会自行回到温度不同的状态。

     这说明,不可逆过程的初态和终态间,存在着某种物理性质上的差异,终态比初态具有某种优势。1854年克劳修斯引进一个函数来描述这两个状态的差别,1865年他给此函数定名为熵。

    1850年,克劳修斯在总结了这类现象后指出:不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化,这就是热力学第二定律的克氏表述。几乎同时,开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容。

     用熵的概念来表述热力学第二定律就是:在封闭系统中,热现象宏观过程总是向着熵增加的方向进行,当熵到达最大值时,系统到达平衡态。第二定律的数学表述是对过程方向性的简明表述。

     1912年能斯脱提出一个关于低温现象的定律:用任何方法都不能使系统到达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。

热力学的这些基本定律是以大量实验事实为根据建立起来的,在此基础上,又引进了三个基本状态函数:温度、内能、熵,共同构成了一个完整的热力学理论体系。此后,为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性,又引进了一些辅助的状态函数,如焓、亥姆霍兹函数(自由能)、吉布斯函数等。这会带来运算上的方便,并增加对热力学状态某些特性的了解。

     从热力学的基本定律出发,应用这些状态函数,利用数学推演得到系统平衡态各种特性的相互联系,是热力学方法的基本内容。

热力学理论是普遍性的理论,对一切物质都适用,这是它的优点,但它不能对某种特殊物质的具体性质作出推论。例如讨论理想气体时,需要给出理想气体的状态方程;讨论电磁物质时,需要补充电磁物质的极化强度和场强的关系等。这样才能从热力学的一般关系中,得出某种特定物质的具体知识。

     平衡态热力学的理论已很完善,并有广泛的应用。但在自然界中,处于非平衡态的热力学系统(物理的、化学的、生物的)和不可逆的热力学过程是大量存在的。因此,这方面的研究工作十分重要,并已取得一些重要的进展。

     目前,研究非平衡态热力学的一种理论是在一定条件下,把非平衡态看成是数目众多的局域平衡态的组合,借助原有的平衡态的概念描述非平衡态的热力学系统。并且根据“流”和“力”的函数关系,将非平衡态热力学划分为近平衡区(线性区)和远离平衡区(非线性区)热力学。这种理论称为广义热力学,另一种研究非平衡态热力学的理论是理性热力学。它是以热力学第二定律为前提,从一些公理出发,在连续媒质力学中加进热力学概念而建立起来的理论。它对某些具体问题加以论证,在特殊的弹性物质的应用中取得了一定成果。

     非平衡态热力学领域提供了对不可逆过程宏观描述的一般纲要。对非平衡态热力学或者说对不可逆过程热力学的研究,涉及广泛存在于自然界中的重要现象,是正在探讨的一个领域。如平衡态的热力学和统计力学的关系一样,从微观运动的角度研究非平衡态现象的理论是非平衡态统计力学。


声学

     声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。媒质包括各种状态的物质,可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质;机械波是指质点运动变化的传播现象。

声学发展简史

     声音是人类最早研究的物理现象之一,声学是经典物理学中历史最悠久,并且当前仍处在前沿地位的唯一的物理学分支学科。

从上古起直到19世纪,人们都是把声音理解为可听声的同义语。中国先秦时就说“情发于声,声成文谓之音”,“音和乃成乐”。声、音、乐三者不同,但都指可以听到的现象。同时又说“凡响曰声”,声引起的感觉(声觉)是响,但也称为声,这与现代对声的定义相同。西方国家也是如此,英文的的词源来源于希腊文,意思就是“听觉”。

     世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面。《吕氏春秋》记载,黄帝令伶伦取竹作律,增损长短成十二律;伏羲作琴,三分损益成十三音。三分损益法就是把管(笛、箫)加长三分之一或减短三分之一,这样听起来都很和谐,这是最早的声学定律。传说在古希腊时代,毕达哥拉斯也提出了相似的自然律,只不过是用弦作基础。

     1957年在中国河南信阳出土了蟠螭文编钟,它是为纪念晋国于公元前525年与楚作战而铸的。其音阶完全符合自然律,音色清纯,可以用来演奏现代音乐。1584年,明朝朱载堉提出了平均律,与当代乐器制造中使用的乐律完全相同,


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