物理学前沿知识

《九年义务教育三年制初级中学教师教学用书第二册物理》试用修订版上海科学技术出版社华东地区初中物理教材编写协作组编2002年8月第一版第一次印刷

参考资料P346

1、物理学——前沿科学的支柱

自然界是无限广阔庭丰富多彩的。物理学是自然科学中最基本的科学，它研究物质运动的形式和规律，物质的结构及其相互作用，以及如何应用这些规律去改造自然界。因此，物理学又是许多科学技术领域的理论基础。

从本世纪开始，物理学经历了极其深刻的革命，从对宏观现象的研究发展到对微观现象的研究，从研究低速运动发展到研究高速运动，由此诞生了相对论和量子力学，并在许多科技领域中引发了深刻的变革。

物理学在认识、改造物质世界方面不断取得伟大成就，不断揭示物质世界内部的秘密；而社会的发展又对物理学提出无穷无尽的研究课题。例如，原子能的利用，使人类掌握了武器和新能源；激光技术的出现，焕发了经典光学物理的青春，使许多以往光学技术办不到的事情，现还能办到了；半导体科学技术的发展，导致了计算技术、无线电通信和自动控制的革命；超导电性、纳米固体材料和非晶态材料的出现，如金属物理、半导体物理、电介质物理、非晶态物理、表面与界面物理、高压物理、低温物理等。此外，物理学与其他学科之间的渗透，又产生了许多边缘交叉学科，如天体物理、大气物理、生物物理、地球物理、化学物理和最近发展起来的考古物理等。

我们可以说，物理现象存在于人类生活和每个角落，发生在宇宙的每一地方，物理学是推动科学技术发展的重要支柱，它是自然科学中应用广泛、影响深刻、发展迅速的一门基础科学和带头科学。

2、“无限大”和“无限小”系统物理学

“无限大”和“无限小”系统物理学是当今物理学发展一个非常活跃的领域之一。天体物理学和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系的研究，逐步发展到银河系，直至对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为20世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型可以成功地解释宇宙观测的最新结果，如宇宙膨胀、宇宙年龄下限、宇宙物质的层次结构、宇宙在大尺度范围内是各向同性的等重要结果。可以说，具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了可靠的基础。但是到目前为止，关于宇宙的起源问题仍没有得到根本解决，还有待于科学工作者进一步的努力和探索。

原子核物理学和粒子物理学等属于“无限小”系统物理学的范畴。它从早期对原子和原子核的研究，逐步发展到对基本粒子的研究。

基本粒子是在物质结构层次中属于比原子核更深层次的物质单元，如光子、质子、中子、π介子等。迄今已确认有400余种基本粒子，它们都是通过宇宙射线和加速器实验发现的。基本粒子的性质可用一系列描述其内禀性质的物理量，如质量、电荷、自旋、宇称、同位旋、轻子数、重子数、奇异数、超荷等表征。基本粒子之间存在着弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用（见下面介绍的“物质间的基本相互作用”）。通过这些相互作用，基本粒子可发生创生、湮没以及相互转化等现象。

按照参与相互作用的类型，通常将基本粒子区分为三大类：轻子、强子、和规范玻色子。轻子如电子、μ子和中微子等；它们仅参与弱作用和电磁作用。强子如质了、中子、π介子等，它们参与上述全部三种作用。规范玻色子如光子、中间玻色子（W±，Z0）、胶子等，它们是传递相互作用的媒介粒子，光子传递电磁作用，中间玻色子传递弱作用，胶子传递强作用，目前人们已经知道，强子都是由更小的粒子——“夸克”构成。至今已经发现了多种夸克。

基本粒子中除光子、电子、中微子和质子以及它们的反粒子等极少数几类粒子是稳定粒子外，绝大多数都是不稳定粒子，经历一定平均寿命后，将通过相互作用而转化为其他粒子。平均寿命大于10-16S的粒子包括稳定粒子只有30余种，粒子物理学中常常把这些粒子都称为稳定粒子。其余约百余种粒子的寿命约为10-20S，另外200余种粒子的寿命约为10-23S，相当于接近光速运动的粒子穿越10-15M距离所需时间。

随着实验和理论研究的不断深入，20世纪60年代以来已发现许多基本粒子具有内部结构，这个发现使人们认识到，基本粒子这一名称并不确切。所以目前物理学界常常把原来所谓基本粒子的物质统称粒子，把研究基本粒子性质及其相互转化规律的学科称为粒子物理学。

从表面上看“无限大”系统物理学与“无限小”系统物理学似乎没有必然的联系。宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构（可观察的宇宙范围），而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限小”微观区域的现象。其实，宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性，可以进行类比。目前该领域研究目标之一就是将两者结合起来，即将微观粒子物理学与宇宙物理学结合起来进行研究。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的研究典范。

2、物质间的基本相互作用

自然界普遍存在的物质间相互作用亦称基本力，迄今发现自然界中存在四种基本相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用，其中引力作用和电磁作用广泛地存在于微观、宏观及宇观现象中，而弱作用和强作用则仅仅存在于比原子核更深层次的微观领域中，物理学中的一切现象和一切相互作用都可归因天这四种基本相互作用。

（1）引力相互作用

物质间最普遍存在的一种基本相互作用，牛顿于17世纪用万有引力定律描述这种作用，爱因斯坦于1916年建立了广义相对论，利用时空弯曲来描述这种相互作用，并引进了引力场的概念。引力作用在四种基本作用中其强度最弱。例如两个质子之间的引力与它们之间在同样距离上的库仑力之比为4πε0Gm p/e2≈10-38,式中ε0为真空电容率，G为引力常量，m p 和e分别为质子的质量和电荷。由于引力作用的强度很弱，在微观现象和不少宏观现象中通常可不考虑。但是在大质量和电中性的天体和宇宙学等宇观领域中，引力相互作用常常起决定性作用的。

（2）电磁相互作用

带电粒子间的相互作用，这种作用是通过电磁场传递的，在量子理论中，电磁场由光子构成，所以实质上说，电磁作用是带电粒子间通过光子传递的一种相互作用，从牛顿的万有引力定律和电磁学中的库仑定律可以看出，引力和电磁力的值都与两个质点或两从此点电荷的距离平方成反比，即它们都是“平方反比的力”。这种力称为长程力，它们广泛地表现在微观和宏观等现象中。在原子线度（～ 10-10 m）、分子线度（10-10～10-8 m）以及宏观线度上所发生的许多物理现象都可归因于电磁相互作用。通常所说分子力、范德瓦尔斯力、摩擦力、附着力、弹性力等实质上都是电磁力的表现。宏观电磁相互作用的理论是1864年麦克斯韦建立的电磁理论，这个理论也常称为“经典电动力学”。该理论与量子力学原理相结合，便产生了“量子电动力学”，它是描写微观电磁相互作用的理论，电磁相互作用是目前人们研究得最多，认识最为深刻，应用也最为广泛的一种基本相互作用。

（3）弱相互作用

人们对于弱作用的研究开始于20世纪30年代关于β衰变现象的研究，β衰变是一个中子衰变为一个质子、一个电子和一个相应的反中微子的过程。中子的寿命很长（约１５min），所以导致中子发生β衰变的作用强度很弱，这种作用便称为弱相互作用。弱作用与电磁作用相比，有如下两个特点：一是其作用强度小，电磁作用的强度比弱作用的强度大１０３