物理學(xué)的現(xiàn)代進(jìn)展

高崇壽

(北京大學(xué)物理學(xué)院，北京　100871)

特約稿件

物理學(xué)的現(xiàn)代進(jìn)展

高崇壽

(北京大學(xué)物理學(xué)院，北京100871)

摘要文章闡述了物理學(xué)是整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是高等理科教育中的重要組成部分，著重說(shuō)明了20世紀(jì)以來(lái)物理學(xué)在探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基本規(guī)律方面所取得的重大突破性進(jìn)展：一是強(qiáng)子結(jié)構(gòu)理論的確立，另一是電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一理論的成功.文章內(nèi)容包括粒子物理學(xué)的近代發(fā)展，波粒二相性和其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，以及粒子之間的基本相互作用等；此外，文章配合2015國(guó)際光年，特別闡述光學(xué)是物理學(xué)中最早探知微觀粒子波粒二相性的部分.

關(guān)鍵詞自然科學(xué)的基礎(chǔ)；波粒二相性；微觀粒子；電弱統(tǒng)一理論；標(biāo)準(zhǔn)模型；Higgs 粒子；電磁波；可見(jiàn)光

THE MODERN PROGRESS OF PHYSICS

Gao Chongshou

(College of Physics, Peking University, Beijing 100871)

AbstractThis paper explains that physics is the foundation of the whole natural science and an important part of the higher education of science, with emphasis on the major breakthroughs in exploring the basic laws of material microstructure since the 20th century. One of the breakthroughs is the establishment of hadron structure theory, the other is the success of unified theory of electromagnetic interaction and the weak interaction. This paper describes the modern development of particle physics, the wave-particle duality and a description of its motion state, the basic interaction between particles, and etc. in detail. Furthermore, in occasion of the 2015 international light year, this article especially explains that optics is the earliest part of physics for the discovery of wave-particle duality of microscopic particles.

Key wordsbase of natural science; wave-particle duality; microscopic particle; electro-weak unified theory; the standard model; Higgs particle; electromagnetic wave; visible light

1物理學(xué)是整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)

物理學(xué)是整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是高等理科教育中的重要組成部分.基礎(chǔ)物理課是理科各學(xué)科的重要基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)和提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、科學(xué)思維方法和科學(xué)研究能力的重要基礎(chǔ)課程.基礎(chǔ)物理課教學(xué)要使學(xué)生系統(tǒng)地了解和掌握物理學(xué)的基本知識(shí)、基本概念、基本規(guī)律和基本方法；因此基礎(chǔ)物理課的主線應(yīng)該是物理學(xué)，并且不應(yīng)該只是物理學(xué)的許多具體知識(shí)的堆積，而應(yīng)該系統(tǒng)地完整地介紹物理學(xué)的基本規(guī)律和基本方法，提高學(xué)生的物理學(xué)科學(xué)素質(zhì).基礎(chǔ)物理課的內(nèi)容是系統(tǒng)介紹物理學(xué)的最基本的部分.基礎(chǔ)物理課的內(nèi)容不僅要包含經(jīng)典物理學(xué)的基本內(nèi)容，而且也要包含理論物理學(xué)和近代物理學(xué)的重要基本部分.在物理課程中要系統(tǒng)地講授物理學(xué)的知識(shí)和規(guī)律本身，“物理還是物理”；但是物理課程的內(nèi)容不應(yīng)該貪大求全，變成物理學(xué)的“百科全書(shū)”.物理學(xué)課程應(yīng)該“以物理學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，以物理學(xué)規(guī)律為線索，以提高物理學(xué)科學(xué)素質(zhì)為核心”.物理學(xué)的科學(xué)素質(zhì)反映在“探索、研究、創(chuàng)新”的能力上.這是物理學(xué)科學(xué)素質(zhì)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì).

物理學(xué)是在人類探索自然的奧秘中形成的學(xué)科，物理學(xué)研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式，物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物質(zhì)之間如何相互作用、相互轉(zhuǎn)化以及各種物質(zhì)形態(tài)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律.

作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)，作為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律的物理學(xué)，總是生機(jī)勃勃，不斷地開(kāi)辟自己前進(jìn)的道路的.在 20 世紀(jì)，物理學(xué)的基本概念和技術(shù)已被應(yīng)用到所有的自然科學(xué)領(lǐng)域.物理學(xué)與其他自然科學(xué)學(xué)科之間的邊緣領(lǐng)域，一定意義上是當(dāng)代自然科學(xué)中最富于獲得豐碩成果的機(jī)遇的領(lǐng)域.21 世紀(jì)物理學(xué)毫無(wú)疑問(wèn)仍是技術(shù)進(jìn)步的主要源泉.20 世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展顯示：物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)；物理學(xué)是現(xiàn)代高、新技術(shù)的基礎(chǔ).

早期物理學(xué)有幾個(gè)部分：力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等.隨著科學(xué)的發(fā)展，近代物理學(xué)中不斷地生長(zhǎng)和發(fā)展出新的分支學(xué)科，如理論物理學(xué)、粒子物理學(xué)、原子核物理學(xué)、原子和分子物理學(xué)、天體物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、光物理學(xué)、激光物理學(xué)、非線性光學(xué)、低溫物理學(xué)、磁性物理學(xué)、金屬物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、材料物理學(xué)、表面物理學(xué)、介觀物理學(xué)、電真空物理學(xué)、電子物理學(xué)、無(wú)線電物理學(xué)、固體微電子學(xué)、等離子體物理學(xué)、聲學(xué)、固態(tài)物理學(xué)、液態(tài)物理學(xué)、高壓物理學(xué)、非線性物理學(xué)、計(jì)算物理學(xué)等.近幾十年來(lái)，物理學(xué)的各分支學(xué)科有著突飛猛進(jìn)的迅速發(fā)展，對(duì)物理現(xiàn)象和物理學(xué)規(guī)律的探索研究不斷取得新的進(jìn)展，豐富了人們對(duì)物質(zhì)世界物理運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)和掌握，促進(jìn)了許多和物理學(xué)緊密相關(guān)的交叉學(xué)科和技術(shù)學(xué)科的發(fā)展.

2粒子的波粒二相性和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述

任何物體都是由微粒集合組成，任何微粒在空間中總存在于某一確定的位置，因此微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由微粒在空間的位置的運(yùn)動(dòng)來(lái)描寫.換句話說(shuō)，微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全地由x(t),y(t),z(t) 來(lái)描寫.

如果微粒運(yùn)動(dòng)的x(t),y(t),z(t) 已知，就知道在任何時(shí)間微粒運(yùn)動(dòng)的位置，還知道微粒運(yùn)動(dòng)的速度vx(t),vy(t),vz(t)，動(dòng)量px=mvx(t),py=mvy(t),pz=mvz(t)，動(dòng)能等全部運(yùn)動(dòng)性質(zhì).

運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律是牛頓第二定律，它給出微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在外力作用下的演化規(guī)律.由微粒集合組成的物體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律也是牛頓第二定律：

(1)

微觀粒子普遍具有的共同特性是波粒二相性.粒子不簡(jiǎn)單是一個(gè)微粒，同時(shí)它還顯現(xiàn)出有波動(dòng)性.按照微粒性，一個(gè)粒子應(yīng)該位于空間中的某個(gè)確定的位置，但微觀粒子波動(dòng)性的表現(xiàn)之一是任何時(shí)刻一個(gè)粒子在空間中不同位置都有一定的概率存在.

因此一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不能簡(jiǎn)單地用這個(gè)粒子的空間位置來(lái)描寫，需要用能描寫粒子的波粒二相性的波函數(shù)ψ(x,y,z,t) 來(lái)描寫.一個(gè)粒子在波函數(shù)ψ(x,y,z,t) 描寫的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下在空間 (x,y,z) 點(diǎn)存在的概率密度為 |ψ(x,y,z,t)|2.

運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律是薛定諤方程，它給出微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在外力作用下的演化規(guī)律:

(2)

宏觀物體受的外力是各式各樣的，非常復(fù)雜;但是探究其來(lái)源，只有萬(wàn)有引力和電磁相互作用這兩種.觀察到的各式各樣的復(fù)雜的力都是這兩種力的復(fù)雜的綜合的表現(xiàn).

萬(wàn)有引力：

(3)

庫(kù)侖定律：

(4)

帶電粒子所受電磁力：

(5)

微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化與微觀粒子所受的“外力”有關(guān)；但“力”是宏觀物理學(xué)中采用的觀念，是物體之間的相互作用的形象化的描述.按照牛頓第二定律，微粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化直接由“外力”所決定.

但是微觀粒子具有波粒二相性，微觀粒子相互作用的基本形式是粒子的轉(zhuǎn)化.宏觀物理學(xué)中所說(shuō)的“力”實(shí)際是大量微觀相互作用過(guò)程的合效果.

一個(gè)粒子如果帶有電荷，它就具有放出和吸收光子的能力.帶電粒子不斷地放出和吸收光子，就使帶電粒子的周圍經(jīng)常存在“虛光子”，表現(xiàn)為帶電粒子周圍形成電場(chǎng).

如果在附近再有一個(gè)帶電粒子，它也會(huì)不斷地放出和吸收光子.它放出的光子也可能被另一個(gè)粒子吸收，同時(shí)，它也能吸收另一個(gè)帶電粒子放出的光子.這種兩個(gè)帶電粒子之間不斷交換光子的過(guò)程就是這兩個(gè)帶電粒子之間的庫(kù)侖相互作用過(guò)程.

帶電粒子的原始電磁相互作用過(guò)程是放出和吸收光子，兩個(gè)帶電粒子之間的基本電磁相互作用過(guò)程是交換光子.

可以用圖1和圖2描述這兩個(gè)電磁相互作用過(guò)程.

圖1 帶電粒子周圍的電場(chǎng)圖2 兩個(gè)帶電粒子的庫(kù)侖力

電磁相互作用的基本形式是帶電粒子放出和吸收光子，光子是電磁相互作用的媒介粒子.

微觀粒子參與的各種相互作用都表現(xiàn)為放出、吸收以及交換該種相互作用的媒介粒子.各種相互作用都有相應(yīng)的媒介粒子，電磁相互作用只有一種媒介粒子——光子；其他的相互作用可以有多種媒介粒子，這和相互作用的性質(zhì)類型有關(guān).

微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的演化決定于微觀粒子所參與的相互作用;因此研究微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律的基本問(wèn)題是確定微觀物質(zhì)世界由哪些粒子組成，它們參與的相互作用有哪些.

人類在探索自然奧秘的過(guò)程中，一個(gè)重要的基本問(wèn)題是探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律.

在19世紀(jì)，物性學(xué)和物理化學(xué)就成為當(dāng)時(shí)人類探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律的前沿學(xué)科.20世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)在探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)基本規(guī)律方面不斷地取得進(jìn)展.

20世紀(jì)初，研究原子的相互作用和原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了原子物理學(xué).

從20世紀(jì)初到20世紀(jì)30年代，探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的前沿學(xué)科是原子物理學(xué)；20世紀(jì)30年代到20世紀(jì)40年代是原子核物理學(xué)；20世紀(jì)50年代到現(xiàn)在是粒子物理學(xué).

3粒子物理學(xué)的發(fā)展

粒子物理學(xué)是研究場(chǎng)和粒子的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、相互作用、相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科，是研究粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律的學(xué)科.

20 世紀(jì)初在研究原子結(jié)構(gòu)規(guī)律時(shí)，就已經(jīng)認(rèn)識(shí)了最初的幾個(gè)基本粒子——質(zhì)子、電子、光子.這3種粒子都是穩(wěn)定的粒子，質(zhì)子帶單位正電荷，電子帶單位負(fù)電荷，光子不帶電，質(zhì)子和電子有放出和吸收光子的能力，它們通過(guò)電磁相互作用互相聯(lián)系起來(lái).

當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)上還顯示不出它們的體積大小，看不到它們有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為是“點(diǎn)”粒子.

人們認(rèn)為這些粒子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小的單元，把它們統(tǒng)稱為基本粒子.

質(zhì)子和電子之間既有電磁相互作用，又有引力相互作用；但質(zhì)子和電子之間的引力相互作用比電磁相互作用要弱得多，其比值為 4.40676×10-40.

英國(guó)天文學(xué)家和理論物理學(xué)家愛(ài)丁頓(Arthur Stanley Eddington)曾認(rèn)為基本粒子就是質(zhì)子、電子、光子3種，而宇宙就是由總數(shù)約 1079個(gè)質(zhì)子和電子構(gòu)成，是一個(gè)有限無(wú)邊的正在膨脹的宇宙.

從這種理論出發(fā)，也就提出了一系列需要研究解答的基本問(wèn)題：

為什么電荷有最小單位？

為什么電荷最小單位所決定的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)值約為 1/137.036？

為什么正電荷的最小單位比負(fù)電荷的最小單位質(zhì)量重 1836.15 倍？

為什么宏觀上正負(fù)電是對(duì)稱的，但正負(fù)電荷的最小單元質(zhì)子和電子又非常不對(duì)稱？

3.1　狄拉克的理論和正電子的發(fā)現(xiàn)

1928 年英國(guó)物理學(xué)家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)提出了一個(gè)電子運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論性量子力學(xué)方程，即狄拉克方程：

(6)

式中，p是電子的動(dòng)量.p= 0 給出正能的最低值和負(fù)能的最高值.這兩個(gè)能級(jí)之間的能量差為 2mc2.

利用這個(gè)方程研究氫原子能級(jí)分布時(shí)，考慮有自旋角動(dòng)量的電子作高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)論性效應(yīng)，給出了氫原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，與實(shí)驗(yàn)符合得很好.

利用這個(gè)方程還可以討論高速運(yùn)動(dòng)電子的許多性質(zhì)，這些結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)符合得很好.

這些成就促使人們相信狄拉克方程是一個(gè)正確地描寫電子運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論性量子力學(xué)方程.

既然實(shí)驗(yàn)已充分驗(yàn)證了狄拉克方程的正確，人們自然期望利用狄拉克方程預(yù)言新的物理現(xiàn)象.按照狄拉克方程給出的結(jié)果，電子除了有能量取正值的狀態(tài)外，還有能量取負(fù)值的狀態(tài)，并且所有正能狀態(tài)和負(fù)能狀態(tài)的分布對(duì)能量為零的點(diǎn)是完全對(duì)稱的，見(jiàn)圖3.

圖3　電子的正能狀態(tài)與負(fù)能狀態(tài)的對(duì)稱性示意

自由電子最低的正能態(tài)是一個(gè)靜止電子的狀態(tài)，其能量值是一個(gè)電子的靜止能量，其他的正能態(tài)的能量比一個(gè)電子的靜止能量要高，并且可以連續(xù)地增加到無(wú)窮.

與此同時(shí)，自由電子最高的負(fù)能態(tài)的能量值是一個(gè)電子靜止能量的負(fù)值，其他的負(fù)能態(tài)的能量比這個(gè)能量要低，并且可以連續(xù)地降低到負(fù)無(wú)窮.

這個(gè)結(jié)果表明：如果有一個(gè)電子處于某個(gè)正能狀態(tài)，則任意小的外來(lái)擾動(dòng)都有可能促使它跳到某個(gè)負(fù)能狀態(tài)而釋放出能量.

同時(shí)由于負(fù)能狀態(tài)的分布包含延伸到負(fù)無(wú)窮的連續(xù)譜，這個(gè)釋放能量的躍遷過(guò)程可以一直持續(xù)不斷地繼續(xù)下去，這樣任何一個(gè)電子都可以不斷地釋放能量，成為永動(dòng)機(jī)，這是完全不合理的.

針對(duì)這個(gè)矛盾，1930 年狄拉克提出一個(gè)理論，被稱為空穴理論，示意圖見(jiàn)圖4.這個(gè)理論認(rèn)為由于電子是費(fèi)米子，滿足泡利不相容原理，每一個(gè)狀態(tài)最多只能容納一個(gè)電子.物理上的真空狀態(tài)實(shí)際上是所有負(fù)能態(tài)都已填滿電子，同時(shí)正能態(tài)中沒(méi)有電子的狀態(tài).

圖4　狄拉克的空穴理論示意

因?yàn)檫@時(shí)任何一個(gè)電子都不可能找到能量更低的還沒(méi)有填入電子的能量狀態(tài).也就不可能跳到更低的能量狀態(tài)而釋放出能量，也就是說(shuō)不能輸出任何信號(hào)，這正是真空所具有的物理性質(zhì).

因此真空并不是真正的“空”，不是真正的一無(wú)所有.真空中充滿了處于負(fù)能態(tài)的電子，但這些電子并不會(huì)直接給出顯示其存在的直接的信號(hào).

按照這個(gè)理論，如果把一個(gè)電子從某一個(gè)負(fù)能狀態(tài)激發(fā)到一個(gè)正能狀態(tài)上去，需要從外界輸入至少兩倍于電子靜止能量的能量.這表現(xiàn)為可以看到一個(gè)正能狀態(tài)的電子和一個(gè)負(fù)能狀態(tài)的空穴.這個(gè)正能狀態(tài)的電子帶電荷-e，所具有的能量相當(dāng)于或大于一個(gè)電子的靜止能量.

按照電荷守恒定律和能量守恒定律的要求，這個(gè)負(fù)能狀態(tài)的空穴應(yīng)該表現(xiàn)為一個(gè)帶電荷為 +e的粒子，這個(gè)粒子所具有的能量應(yīng)當(dāng)相當(dāng)于或大于一個(gè)電子的靜止能量. 這個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)行為是一個(gè)帶正電荷的“電子”，即正電子. 狄拉克的理論預(yù)言了正電子的存在.

1932 年美國(guó)物理學(xué)家安德森(Carl David Anderson)在宇宙線實(shí)驗(yàn)中觀察到高能光子穿過(guò)重原子核附近時(shí)，可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)量與電子相同但帶有的是單位正電荷的粒子，從而發(fā)現(xiàn)了正電子，狄拉克對(duì)正電子的這個(gè)預(yù)言得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí). 正電子的發(fā)現(xiàn)表明對(duì)于電子來(lái)說(shuō)，正負(fù)電荷還是具有對(duì)稱性的. 狄拉克的空穴理論給出了反粒子的概念，正電子是電子的反粒子.

3.2　反粒子

這樣自然提出了一個(gè)新問(wèn)題：究竟反粒子的存在是電子所特有的性質(zhì)，還是所有的粒子都具有的普遍的性質(zhì). 如果所有的粒子都有相應(yīng)的反粒子，首先的檢驗(yàn)是應(yīng)該存在質(zhì)子的反粒子、中子的反粒子.

這個(gè)問(wèn)題在 24 年之后解決了，1956 年美國(guó)物理學(xué)家張伯倫(Owen Chamberlain)等在加速器的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，即質(zhì)量與質(zhì)子相同，自旋量子數(shù)也是 1/2，帶一個(gè)單位負(fù)電荷的粒子.接著又發(fā)現(xiàn)了反中子.

后來(lái)發(fā)現(xiàn)，各種粒子都有相應(yīng)的反粒子存在，這個(gè)規(guī)律是普遍的.有些粒子的反粒子就是它自己，這種粒子稱為純中性粒子.光子就是一種純中性粒子，光子的反粒子就是光子自己.

在粒子物理學(xué)中，已不再采用狄拉克的空穴理論來(lái)認(rèn)識(shí)正反粒子之間的關(guān)系，而是從正反粒子完全對(duì)稱的場(chǎng)論觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí). 一切粒子都有與之相應(yīng)的反粒子，這個(gè)普遍結(jié)論被幾十年的粒子物理的發(fā)展不斷印證. “反粒子”已成為粒子物理學(xué)中一個(gè)重要的基本概念，并且其本身的含義也在不斷地發(fā)展和充實(shí).

3.3　湯川的介子場(chǎng)理論

1935 年日本科學(xué)家湯川秀樹(shù)提出了核力的介子場(chǎng)理論.按照湯川理論，正如帶電粒子之間的電磁相互作用是通過(guò)交換靜止質(zhì)量為零的光子來(lái)實(shí)現(xiàn)的一樣，質(zhì)子和中子之間、質(zhì)子和質(zhì)子之間以及中子和中子之間的核力相互作用都是通過(guò)交換一種有靜止質(zhì)量的媒介粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

媒介粒子有靜止質(zhì)量決定了這種相互作用是短程的，也就是說(shuō)，當(dāng)距離超過(guò)某一稱為“力程”的長(zhǎng)度時(shí)，相互作用的強(qiáng)度就迅速減少到可以忽略的地步. 決定質(zhì)子、中子放出和吸收媒介粒子能力的耦合常數(shù)很大，這就決定了在近距離時(shí)這種核力遠(yuǎn)比電磁相互作用要強(qiáng).至少要強(qiáng) 10 倍以上.

媒介粒子的靜止質(zhì)量m和核力相互作用的力程L滿足如下的關(guān)系：

(7)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的核力力程的數(shù)量級(jí)約為 1.3～1.9飛米，估計(jì)出這種媒介粒子的靜止質(zhì)量應(yīng)該約是電子的 200～300 倍，介于電子和質(zhì)子之間. 湯川把這種媒介粒子稱為介子.

3.4　π介子

1947 年英國(guó)物理學(xué)家鮑威爾(Cecil Frank Powell)在宇宙線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量約為電子質(zhì)量 273 倍的帶正或負(fù)單位電荷的粒子，它與原子核之間有很強(qiáng)的相互作用，稱為π介子.

π介子是不穩(wěn)定粒子，平均壽命是 26.033ns，也就是一億分之 2.6033s.π 介子衰變時(shí)，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)μ 子和一個(gè)中微子或一個(gè)反中微子；有一萬(wàn)分之 1.230 的 π 介子衰變時(shí)轉(zhuǎn)化為一個(gè)電子和一個(gè)中微子或一個(gè)反中微子.

π 介子是湯川理論所預(yù)言的粒子，湯川理論經(jīng)過(guò) 12 年得到了實(shí)驗(yàn)的證實(shí).

1949 年湯川秀樹(shù)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1950 年鮑威爾獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1950 年發(fā)現(xiàn)中性的 π 介子，比帶電 π 介子質(zhì)量輕一些，平均壽命是一億億分之 0.852s. 中性的π介子的平均壽命是帶電π介子的平均壽命的一億分之 0.33. 中性的π介子衰變時(shí)，98.623%轉(zhuǎn)化為 兩個(gè)光子；有1.174%的中性π介子衰變時(shí)轉(zhuǎn)化為一個(gè)電子、一個(gè)正電子和一個(gè)光子.

3.5　20世紀(jì)60年代的兩大突破性進(jìn)展

粒子物理學(xué)是20世紀(jì)40年代開(kāi)始從原子核物理學(xué)中分出來(lái)的，前期的發(fā)展大體上到20世紀(jì)50年代.

粒子物理學(xué)在20世紀(jì)60年代取得了兩個(gè)重大的突破性進(jìn)展. 一個(gè)重大的突破性進(jìn)展是強(qiáng)子結(jié)構(gòu)理論的確立.

20世紀(jì)60年代以前，粒子物理學(xué)中并沒(méi)有得到顯示粒子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，理論上對(duì)粒子的處理是把粒子看作一個(gè)“點(diǎn)”來(lái)處理的，并且取得很大的成功. 這樣粒子物理學(xué)在當(dāng)時(shí)研究的主要是場(chǎng)和粒子的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、相互作用、相互轉(zhuǎn)化規(guī)律.

20世紀(jì)60年代中，高能物理實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展給出了能夠直接參與強(qiáng)相互作用的粒子即強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直接證據(jù)；理論上建立了強(qiáng)子結(jié)構(gòu)理論，并且得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證.

在已發(fā)現(xiàn)的粒子中有一類粒子，統(tǒng)稱為強(qiáng)子——可以直接參與強(qiáng)相互作用的粒子統(tǒng)稱為強(qiáng)子，它們又按自旋量子數(shù)和重子數(shù)分為兩類：

介子：自旋量子數(shù)為 0, 1, 2, 3, …，重子數(shù)為零的強(qiáng)子.

重子：自旋量子數(shù)為 0, 1, 2, 3, …+1/2，重子數(shù)為 1 或-1 的強(qiáng)子.

到 2004 年 1 月已發(fā)現(xiàn)粒子中介子共173 種.重子數(shù)為 1 的 145 種重子和它們的反粒子(重子數(shù)為-1，通常稱為反重子)共 290 種.

現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子總數(shù)為 479 種，其中 463 是強(qiáng)子，占了其中的絕大多數(shù).

在對(duì)大量強(qiáng)子及其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，1964 年美國(guó)物理學(xué)家蓋耳曼(Murray Gell-Mann)和茲韋格(George Zweig)相互獨(dú)立地提出了強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為所有的強(qiáng)子都是由更深層次的粒子所組成.現(xiàn)在稱這個(gè)強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)理論為夸克模型.

很快地強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)理論得到了高能物理實(shí)驗(yàn)的充分驗(yàn)證和確立.

另一個(gè)重大的突破性進(jìn)展是電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一理論的成功.

在物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，一直在探討從實(shí)驗(yàn)的研究中認(rèn)識(shí)的各種相互作用之間的聯(lián)系，是否可以把它們統(tǒng)一起來(lái).

在這個(gè)方向上的第一次突破是在經(jīng)典物理范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，把電相互作用和磁相互作用統(tǒng)一起來(lái)成為電磁相互作用.

微觀粒子之間存在著4種相互作用，這4種相互作用之間存在什么聯(lián)系，它們是否可以從更深刻的角度統(tǒng)一起來(lái)，一直是粒子物理學(xué)家關(guān)心的問(wèn)題.

愛(ài)因斯坦在建立廣義相對(duì)論后，花了很長(zhǎng)的時(shí)間致力于統(tǒng)一場(chǎng)論的研究，他希望能建立一個(gè)把電磁相互作用和引力相互作用統(tǒng)一起來(lái)的理論.

然而，他的這個(gè)研究并沒(méi)能取得成功，歸根結(jié)底，是因?yàn)槲锢韺W(xué)的發(fā)展在當(dāng)時(shí)條件下還不成熟.當(dāng)時(shí)人們對(duì)電磁相互作用和引力相互作用的宏觀規(guī)律已經(jīng)認(rèn)識(shí)得相當(dāng)清楚，但是對(duì)于弱相互作用和強(qiáng)相互作用這兩種只在微觀范圍內(nèi)才明顯顯現(xiàn)出來(lái)的短程相互作用的規(guī)律還認(rèn)識(shí)得很少. 因此，在當(dāng)時(shí)的條件下，愛(ài)因斯坦只能在電磁相互作用和引力相互作用的基礎(chǔ)上探索相互作用的統(tǒng)一理論.

粒子物理學(xué)30多年來(lái)的發(fā)展表明，首先成功地統(tǒng)一起來(lái)的是弱相互作用和電磁相互作用.

1961年，格拉肖(Glashow)提出了一個(gè)電弱統(tǒng)一模型，1967 年和 1968 年溫伯格(Weinberg)和薩拉姆(Salam)把這個(gè)理論建立在規(guī)范場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上，并引入對(duì)稱性自發(fā)破缺的機(jī)理，使這個(gè)理論發(fā)展完善.

1971 年和 1972 年特霍夫(’t Hooft)和威特曼(Veltman)等人證明了這個(gè)理論是可重正化的，從而使這個(gè)理論完善了.

格拉肖、溫伯格和薩拉姆提出的電弱統(tǒng)一理論認(rèn)為：弱相互作用和電磁相互作用本來(lái)屬于具有同一種對(duì)稱性的統(tǒng)一的相互作用，這種相互作用通過(guò)傳遞4種體現(xiàn)這種對(duì)稱性的粒子來(lái)實(shí)現(xiàn). 在能量較低的范圍，這種對(duì)稱性自發(fā)地破缺了，統(tǒng)一的電弱相互作用分解成為現(xiàn)在所觀察到的電磁相互作用和弱相互作用.后來(lái)，從20世紀(jì)70 年代到 80 年代，電弱統(tǒng)一理論得到實(shí)驗(yàn)的判定性檢驗(yàn).經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)和理論的研究證明，電弱統(tǒng)一理論取得了極大的成功.

1979 年格拉肖、溫伯格和薩拉姆被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1999 年特霍夫和威特曼被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

20世紀(jì)60年代中實(shí)現(xiàn)了第二次突破，實(shí)現(xiàn)了把電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一起來(lái)成為電弱相互作用.

由于電磁相互作用和弱相互作用的強(qiáng)度不同，力程不同，實(shí)驗(yàn)行為不同，把它們統(tǒng)一起來(lái)所遇到的困難和問(wèn)題要比把電相互作用和磁相互作用統(tǒng)一起來(lái)成為電磁相互作用復(fù)雜得多.

這兩個(gè)重大的突破性進(jìn)展標(biāo)志著粒子物理學(xué)的發(fā)展成熟.

4構(gòu)成物質(zhì)世界的微觀粒子

人們一直在探索物質(zhì)世界微觀結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律和相互作用的基本規(guī)律.粒子物理是這個(gè)領(lǐng)域的前沿.

從20世紀(jì)60 年代到 90 年代實(shí)驗(yàn)和理論的重大進(jìn)展是確立了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型. 標(biāo)準(zhǔn)模型概括了以下的內(nèi)容：

物質(zhì)世界是由 61 種(或 62 種)粒子構(gòu)成.

(1) 規(guī)范玻色子: 表1簡(jiǎn)要給出相互作用的媒介粒子.

表1　相互作用的媒介粒子

如果物質(zhì)之間普遍存在的引力相互作用也是通過(guò)交換媒介粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，則自然界應(yīng)該存在引力相互作用的媒介粒子——引力子.

(2) 費(fèi)米子: 自旋為1/2 的粒子.

費(fèi)米子又分為輕子和夸克兩類，見(jiàn)表2.

表2　費(fèi)米子

3代共 24 種，加上反粒子 24 種，共 48 種.

(3) Higgs 粒子： 自旋為零的粒子，不帶電，共 1 種.

這 62 種粒子中，能獨(dú)立存活的粒子共 10 種. 這 10 種粒子是電子 e-，3種中微子 νe、 νμ、ντ和這 4 種粒子的反粒子，再加上光子 γ 和引力子.

電子和正電子的質(zhì)量大于零，中微子和反中微子的質(zhì)量可能為零也有可能不等于零但質(zhì)量很小.光子和引力子的質(zhì)量為零.

復(fù)合粒子中，能獨(dú)立存活的粒子共 2 種：質(zhì)子和反質(zhì)子.

到 2012 年，這 62 種粒子中，實(shí)驗(yàn)上還沒(méi)得到存在的直接證據(jù)的粒子有 2 種：

Higgs 粒子:m> 115.5GeV,CL= 95%

引力子：作用太弱，不能直接觀測(cè).

唯一的應(yīng)能找到還未找到的粒子——Higgs 粒子.

從高能物理的實(shí)驗(yàn)給出: Higgs 粒子的質(zhì)量有 95 % 的概率是重于 115.5 GeV/c2，即重于 123 個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量.

5粒子之間的基本相互作用

粒子之間的基本相互作用有 4 種

(1) 色相互作用： 媒介粒子為膠子 g. 短程，耦合常數(shù)為色荷, αs有普適性.

(2) 電弱相互作用： 媒介粒子為 γ,W+, W-, Z0能量低于 250GeV 時(shí)分解為性質(zhì)和行為很不相同的兩種相互作用為

電磁相互作用： 媒介粒子為γ光子, 長(zhǎng)程，耦合常數(shù)為電荷e, 有普適性.

弱相互作用： 媒介粒子為 W+, W-, Z0，短程，耦合常數(shù)g2，g2/cosθw有普適性.

(3) 引力相互作用： 媒介粒子為引力子，長(zhǎng)程，耦合常數(shù)正比于能量(質(zhì)量)，GN有普適性.

(4) Higgs 粒子湯川相互作用： 媒介粒子為 Higgs 粒子，短程，耦合常數(shù)正比于質(zhì)量(靜止質(zhì)量)，有普適性.

只有 Higgs 粒子湯川相互作用還沒(méi)有直接觀察到.

5.1　Higgs 粒子的性質(zhì)和作用

· 實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性自發(fā)破缺

電弱相互作用→電磁相互作用+弱相互作用

· 使 W+, W-, Z0粒子獲得很重質(zhì)量.

· 使帶電輕子和夸克獲得質(zhì)量.

· Higgs 粒子與各種粒子相互作用性質(zhì)全部清楚.

· Higgs 粒子的質(zhì)量不能預(yù)言.

理論上給出如果存在 Higgs 粒子，粒子之間就有Higgs 粒子湯川相互作用.由于它的媒介粒子是質(zhì)量很重的 Higgs 粒子，需要在能量很高的實(shí)驗(yàn)中才能觀察到這種相互作用的直接表現(xiàn)，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的能量還沒(méi)有達(dá)到這個(gè)要求.

5.2　2012 年的重大實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

2012 年歐洲CERN(歐洲核子研究委員會(huì))發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重的 0+粒子，質(zhì)量為126 GeV，置信度為5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差.符合 Higgs 粒子的一般要求，但它是否就是標(biāo)準(zhǔn)模型中要求的 Higgs 粒子，則還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)判定.

如果進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)判定它就是標(biāo)準(zhǔn)模型中要求的 Higgs 粒子，則標(biāo)準(zhǔn)模型概括的構(gòu)成物質(zhì)世界的 61 種粒子都已找到.

6　光學(xué)是物理學(xué)中最早探知微觀粒子波粒二相性的部分

早期物理學(xué)的幾個(gè)部分：力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)中，只有光學(xué)是最早探知微觀粒子的波粒二相性的.光學(xué)是研究可見(jiàn)光的光子產(chǎn)生、傳播、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科：光子的直線傳播、反射、折射反映了它的粒子性；光的衍射、干涉、折射又反映了它的波動(dòng)性；而光的折射既反映了粒子性又反映了波動(dòng)性.

光是電磁波，可見(jiàn)光是從380～780nm之間的電磁波.光子是靜止質(zhì)量為零、自旋角動(dòng)量為 1 的粒子，它由帶電粒子通過(guò)電磁作用產(chǎn)生，永遠(yuǎn)以真空光速直線運(yùn)動(dòng)，然后被帶電粒子通過(guò)電磁作用吸收.每一個(gè)光子帶有的能量不同，正比于電磁波的頻率，因此紫光的光子帶有的能量大約是紅光的光子帶有的能量的 2 倍.波長(zhǎng)在從380～780nm范圍之外的電磁波就不是可見(jiàn)光了，比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的是紅外線，通常叫熱線，比紫光波長(zhǎng)更短的是紫外線.在空間傳播著的交變電磁場(chǎng)，即電磁波.它在真空中的傳播速度約為30萬(wàn)km/s.電磁波包括的范圍很廣.實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波.光波的頻率比無(wú)線電波的頻率要高很多，光波的波長(zhǎng)比無(wú)線電波的波長(zhǎng)短很多；而X射線和γ射線的頻率則更高，波長(zhǎng)則更短.為了對(duì)各種電磁波有個(gè)全面的了解，人們按照波長(zhǎng)或頻率、波數(shù)、能量的順序把這些電磁波排列起來(lái)，這就是電磁波譜.

依照波長(zhǎng)的長(zhǎng)短以及波源的不同，電磁波譜可大致分為：

無(wú)線電波——波長(zhǎng)從3000~10-3m，一般的電視和無(wú)線電廣播、手機(jī)等的波段就是用這種波.

微波——波長(zhǎng)從1m~0.1cm，這些波多用在雷達(dá)或其他通信系統(tǒng).

紅外線——波長(zhǎng)從10-3~7.8×10-7m；紅外線的熱效應(yīng)特別顯著.

可見(jiàn)光——這是人們所能感光的極狹窄的一個(gè)波段.可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍很窄，大約在7600～4000?(在光譜學(xué)中常采用?作長(zhǎng)度單位來(lái)表示波長(zhǎng)，1?=10-10m).從可見(jiàn)光向兩邊擴(kuò)展，波長(zhǎng)比它長(zhǎng)的稱為紅外線，波長(zhǎng)大約從7600?直到十分之幾毫米.光是原子或分子內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)所發(fā)出的電磁波.由于它是我們能夠直接感受而察覺(jué)的電磁波極少的那一部分，波長(zhǎng)從(7.8～3.8)×10-8m.

紫外線——波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短的稱為紫外線，它的波長(zhǎng)從(380～10)×10-9m，它有顯著的化學(xué)效應(yīng)和熒光效應(yīng).這種波產(chǎn)生的原因和光波類似，常常在放電時(shí)發(fā)出.由于它的能量和一般化學(xué)反應(yīng)所牽涉的能量大小相當(dāng)，因此紫外光的化學(xué)效應(yīng)最強(qiáng).

紅外線和紫外線都是人類看不見(jiàn)的，只能利用特殊的儀器來(lái)探測(cè).無(wú)論是可見(jiàn)光、紅外線或紫外線，它們都是由原子或分子等微觀客體激發(fā)的.一方面由于超短波無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線電波的范圍不斷朝波長(zhǎng)更短的方向發(fā)展；另一方面由于紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外線的范圍不斷朝長(zhǎng)波長(zhǎng)的方向擴(kuò)展.日前超短波和紅外線的分界已不存在，其范圍有一定的重疊.

倫琴射線——這部分電磁波譜，波長(zhǎng)從10×10-9～0.01×10-9m.倫琴射線(X射線)是原子的內(nèi)層電子由一個(gè)能態(tài)跳至另一個(gè)能態(tài)時(shí)或電子在原子核電場(chǎng)內(nèi)減速時(shí)所發(fā)出的.隨著X射線技術(shù)的發(fā)展，它的波長(zhǎng)范圍也不斷朝著兩個(gè)方向擴(kuò)展.在長(zhǎng)波段已與紫外線有所重疊，短波段已進(jìn)入γ 射線領(lǐng)域.

γ射線(伽馬射線)——是波長(zhǎng)從10-10～10-14m的電磁波.這種不可見(jiàn)的電磁波是從原子核內(nèi)發(fā)出來(lái)的，放射性物質(zhì)或原子核反應(yīng)中常有這種輻射伴隨著發(fā)出. γ射線的穿透力很強(qiáng)，對(duì)生物的破壞力很大.

由于輻射強(qiáng)度隨頻率的減小而急劇下降，因此波長(zhǎng)為幾百千米的低頻電磁波強(qiáng)度很弱，通常不為人們注意.實(shí)際中用的無(wú)線電波是從波長(zhǎng)約幾千米(頻率為幾百千赫)開(kāi)始.波長(zhǎng)3000～50m(頻率100kHz～6MHz)的屬于中波段；波長(zhǎng)50～10m(頻率6～30MHz)的為短波；波長(zhǎng)10m～1cm(頻率30～3×104MHz)甚至達(dá)到1mm(頻率為3×105MHz)以下的為超短波(或微波).有時(shí)按照波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)大小也常出現(xiàn)米波，分米波，厘米波，毫米波等名稱.中波和短波用于無(wú)線電廣播和通信，微波用于電視和無(wú)線電定位技術(shù)(雷達(dá)).

電磁波譜中上述各波段主要是按照得到和探測(cè)它們的方式不同來(lái)劃分的.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各波段都已沖破界限與其他相鄰波段重疊起來(lái).在電磁波譜中除了波長(zhǎng)極短(10-4～10-5?以下)的一端外，不再留有任何未知的空白了.

光學(xué)研究的不僅是可見(jiàn)光的產(chǎn)生與傳播，而是各種類型電磁波的產(chǎn)生與傳播.雖然各種類型電磁波都是電磁波，都是各種不同類型的光子，但是它們產(chǎn)生的機(jī)理不同，有各自的特點(diǎn).按照各種電磁波產(chǎn)生的方式，可將其劃分成3個(gè)組成部分：高頻區(qū)(高頻輻射區(qū))——其中包括X射線、γ射線和宇宙射線.它們是利用帶電粒子轟擊某些物質(zhì)而產(chǎn)生的.這些輻射的特點(diǎn)是它們的量子能量高，當(dāng)它們與物質(zhì)相互作用中，波動(dòng)性弱而粒子性強(qiáng).長(zhǎng)波區(qū)(低能輻射區(qū))——其中包括長(zhǎng)電振蕩、無(wú)線電波和微波等最低頻率的輻射.它們是由電子束管 配合電容、電感的共振結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生和接收的，也就是能量在電容和電感之間振蕩而形成.它們與物質(zhì)間的相互作用更多地表現(xiàn)為波動(dòng)性.中間區(qū)(中能輻射區(qū))——其中包括紅外輻射、可見(jiàn)光和紫外輻射.這部分輻射產(chǎn)生于原子和分子的運(yùn)動(dòng)，在紅外區(qū)輻射主要產(chǎn)生于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)；而在可見(jiàn)與紫外區(qū)輻射主要產(chǎn)生于電子在原子場(chǎng)中的躍遷.這部分輻射統(tǒng)稱為光輻射，這些輻射在與物質(zhì)的相互作用中顯示出波動(dòng)和粒子雙重性.

這樣光學(xué)也就發(fā)展形成多種與光學(xué)有關(guān)的物理學(xué)分支，其中包括光物理學(xué)、激光物理學(xué)、非線性光學(xué)、電子光學(xué)、量子光學(xué)、無(wú)線電物理學(xué)、原子分子光學(xué)等.

隨著科學(xué)的發(fā)展，近代物理學(xué)中不斷地生長(zhǎng)和發(fā)展出新的分支學(xué)科，如理論物理學(xué)、粒子物理學(xué)、原子核物理學(xué)、原子和分子物理學(xué)、天體物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、光物理學(xué)、激光物理學(xué)、非線性光學(xué)、低溫物理學(xué)、磁性物理學(xué)、金屬物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、材料物理學(xué)、表面物理學(xué)、介觀物理學(xué)、電真空物理學(xué)、電子物理學(xué)、無(wú)線電物理學(xué)、固體微電子學(xué)、等離子體物理學(xué)、聲學(xué)、固態(tài)物理學(xué)、液態(tài)物理學(xué)、高壓物理學(xué)、非線性物理學(xué)、計(jì)算物理學(xué)等.近幾十年來(lái)，物理學(xué)的各分支學(xué)科有著突飛猛進(jìn)的迅速發(fā)展，對(duì)物理現(xiàn)象和物理學(xué)規(guī)律的探索研究不斷取得新的進(jìn)展，豐富了人們對(duì)物質(zhì)世界物理運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)和掌握，促進(jìn)了許多和物理學(xué)緊密相關(guān)的交叉學(xué)科和技術(shù)學(xué)科的發(fā)展.

7結(jié)語(yǔ)

物理學(xué)作為一門最基礎(chǔ)的自然科學(xué)，它的發(fā)展動(dòng)力是深深地植根于人類對(duì)真理的非功利的追求.但是，歷史的發(fā)展將越來(lái)越有力地證明，正是這種非功利的追求給人類帶來(lái)最大的收益.當(dāng)代技術(shù)進(jìn)步的主要推動(dòng)力來(lái)自純學(xué)科性的基礎(chǔ)研究.研究室和實(shí)驗(yàn)室中純學(xué)科性的研究轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾膽?yīng)用技術(shù)，實(shí)際生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展中遇到的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有基礎(chǔ)學(xué)科意義的研究課題，兩者關(guān)系越來(lái)越密切，周期越來(lái)越短.與之相應(yīng)，在現(xiàn)代，杰出的基礎(chǔ)科學(xué)研究人才和優(yōu)秀的應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)人才在科學(xué)素質(zhì)上的要求變得更加一致了.進(jìn)入 21 世紀(jì)之際，無(wú)論是制造業(yè)還是服務(wù)業(yè)，也無(wú)論是材料、信息、能源、交通、環(huán)境等技術(shù)部門，都在呼喚著新的技術(shù)變革.認(rèn)真考察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)這些變革都主要基于物理學(xué)近年的進(jìn)展.21 世紀(jì)物理學(xué)毫無(wú)疑問(wèn)仍是技術(shù)進(jìn)步的主要源泉.

20 世紀(jì)以來(lái)，隨著近代物理學(xué)的迅猛發(fā)展，陸續(xù)發(fā)展了近代原子分子物理學(xué)、原子核物理學(xué)與核技術(shù)、原子核能的利用、激光物理和激光技術(shù)、半導(dǎo)體物理和器件、固體組件、超導(dǎo)電物理與技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、X光技術(shù)、粒子物理，以此又推動(dòng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和信息與通信科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并且形成了各種有關(guān)的新科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè). 它

們大大推動(dòng)了現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展.

隨著科學(xué)的發(fā)展，不同學(xué)科相互滲透，出現(xiàn)了物理學(xué)與這些學(xué)科之間的一系列交叉學(xué)科，如數(shù)學(xué)物理學(xué)、天體物理學(xué)、化學(xué)物理學(xué)、生物物理學(xué)、大氣物理學(xué)、海洋物理學(xué)、地球物理學(xué)等.

物理學(xué)是整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ).

物理學(xué)是現(xiàn)代高、新技術(shù)的基礎(chǔ).

參考文獻(xiàn)

[1]高崇壽. 20世紀(jì)物理學(xué)的變革與發(fā)展[M]. 濟(jì)南：山東教育出版社，2001.

[2]Gao Chong-Shou. Search for exotic strange dibaryon in relativistic heavy ion collisions[J]. Communications in Theoretical Physics, 2003, 40(2):188-190.

[3]MA Zhong-Biao, Miao Hong, Gao Chong-Shou. Baryon ratios in quark-gluon plasma[J]. Communications in Theoretical Physics, 2003, 40(5):547-550.

[4]Miao Hong, Gao Chong-Shou. Estimations of at RHIC from a QGP model with diquarks[J]. Journal of Physics G Nuclear & Particle Physics, 2004, (3):179-184.

[5]教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 解放思想，力爭(zhēng)超越 進(jìn)一步推進(jìn)基礎(chǔ)物理教學(xué)改革創(chuàng)新的倡議[J]. 物理與工程，2014,24(6)：封2.

[6]王青. 2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)介紹：規(guī)范粒子質(zhì)量起源[J]. 物理與工程，2014,24(1)：3-8.

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作者簡(jiǎn)介：高崇壽，男，教授，曾任國(guó)家教委高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員，主要從事物理教育和理論物理研究工作.gaochsh@pku.edu.cn

收稿日期:2015-02-14