物理科学发展和前沿动态

“物理”一词最早出现于希腊文，原意是指自然。古时欧洲人称呼物理学作“自然哲学”。物理学是一种自然科学，主要研究的是物质，在时空中物质的运动，和所有相关概念，包括能量和作用力。更广义地说，物理学是对于大自然的研究分析，目的是为了要明白宇宙的行为。物理学的发展历史可以追溯到两千多年以前，人们对于大自然的好奇催生了物理学这门学科。物理学的发展经历了很长的一段时间，可以说物理学是一门历史最悠久的自然科学。在过去两千年，物理学与哲学，化学等等经常被混淆在一起，相提并论。直到十六世纪科学革命之后，才单独成为一门现代科学。现在，物理学已成为自然科学中最基础的学科之一。然而经典物理学的大厦的建立还是要归功于牛顿的经典理论。

十五世纪末叶，资本主义生产关系的产生，促进了生产和技术的大发展；席卷西欧的文艺复兴运动，解放了人们的思想，激发起人们的探索精神。近代自然科学就在这种物质的和思想的历史条件下诞生了。系统的观察实验和严密的数学演绎相结合的研究方法被引进物理学中，导致了十七世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立，标志着近代物理学的诞生。整个十八世纪，物理学处在消化、积累、准备的渐进阶段。新的科学思想、方法和理论，得到了传播、完善和扩展。牛顿力学完成了解析化工作，建立了分析力学；光学、热学和静电学也完成了奠基性工作，成为物理学的几门基础学科。人们以力学的模型去认识各种物理现象，使机械论的自然观成为十八世纪物理学的统治思想。到了十九世纪，物理学获得了迅速和重要的发展，各个自然领域之间的联系和转化被普遍发现，新数学方法被广泛引进物理学，相继建立了波动光学、热力学和分子运动论、经典电磁场理论等完整的、解析式的理论体系，使经典物理学臻于完善。由物理学的巨大成就所深刻揭示的自然界的统一性，为辨证唯物主义的自然观提供了重要的科学依据。

十九世纪末叶物理学上一系列重大发现，使经典物理学理论体系本身遇到了不可克服的危机，从而引起了现代物理学革命。由于生产技术的发展，精密、大型仪器的创制以及物理学思想的变革，这一时期的物理学理

论呈现出高速发展的状况。研究对象由低速到高速，由宏观到微观，深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部，对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识，产生了重大的变革。相对论的量子力学的建立，克服了经典物理学的危机，完成了从经典物理学到现代物理学的转变，使物理学的理论基础发生了质的飞跃，改变了人们的物理世界图景。1927年以后，量子场论、原子核物理学、粒子物理学、天体物理学和现代宇宙学，得到了迅速的发展。物理学向其它学科领域的推进，产生了一系列物理学的新部门和边缘学科，并为现代科学技术提供了新思路和新方法。现代物理学的发展，引起了人们对物质、运动、空间、时间、因果律乃至生命现象的认识的重大变化，对物理学理论的性质的认识也发生了重大变化。现在越来越多的事实表明，物理学在揭开微观和宏观深处的奥秘方面，正酝酿着新的重大突破。现代物理学的理论成果应用于实践，出现了象原子能、半导体、计算机、激光、宇航等许多新技术科学。这些新兴技术正有力地推动着新的科学技术革命，促进生产的发展。而随着生产和新技术的发展，又反过来有力地促进物理学的发展。这就是物理学的发展与生产发展的辨证关系。

20世纪初物理学发生了三件大事，一是1905年的狭义相对论；二是1915年的广义相对论；三是1925年的量子力学。而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。这当中比较突出的是超弦理论，甚至该派别的一些著名学者将它称誉为20世纪物理学的第三次革命。

物质科学将物质运动规律归于由物质（粒子）间的四种基本相互作用的结果。这四种基本力是：一、强力。它是四种基本力中最强的，作用距离最短的，它束缚了夸克形成质子和中子，束缚住质子和中子形成了原子核。二、电磁力。是第二强的力，它在带电荷的粒子之间作用。是一种长距离作用力。三、

弱力。是第二弱的力，作用于物质粒子之间的短距离作用力。四、引力。是最弱的一种长距离作用力，在所有物质之间发生作用。

量子力学的大统一理论（GUT）中，是一种统一电磁力、强力和弱力的理论，并不含有引力。而对引力的研究主要在广义相对论中，引力被描述为弯曲的空间——时间的曲率。爱因斯坦生前建立的统一场论只含有引力与电磁力而不含有强力和弱力，但最后未能获得成功。在1956年以前人们都相信，物理定律分别服从三个叫C、P和T的对称；C——电荷对称，是指粒子与反粒子定律相同；P——宇称对称，指任何情景与它的镜象定律不变；T——时间对称，指前进与后退的时间性方向定律一样。1956年美籍华裔科学家李政道、杨振宁关于弱相互作用下宇称不守恒的发现掀起物理学的轩然大波。同年，他们的同事吴健雄用实验证明了他们的预言，她在磁场中排列放射性元素的核，使他们自旋方向相同，发现电子在不同旋向发射量不同。李、杨二人为此获得1957年度诺贝尔物理学奖。

1964年美国科学家克罗宁和瓦尔发现K介子的衰变中连CP联合守恒也不服从。他们共同获得1980年度诺贝尔物理学奖。许多诺贝尔物理学奖是因为显示出“宇宙并不象我们预计的那么简单”的规律而被授予的。

1964年科学家提出了电荷宇称不守恒，但一直还没有能力给予直接证明。历来无用置疑的CPT守恒竟然也会出麻烦，这到底是不可思议，还是必然的自然规律，科学永远在不断的创新中进步。

1996年欧洲核子研究所宣布制造出九颗反氢原子，成为轰动全球的科技大新闻。反物质存在与否成了物理学界新的一个研究课题。在描述一切微观粒子的量子场论中，从狄拉克方程可以推导出反粒子的概念。通常说法是每个类型的物质粒子都有与其相应的反粒子，当它与粒子碰撞时它们就湮灭，只留下能量。如果反粒子存在则反原子、反物质、反星球、反星系全要出现了。然而所有这些，天文学家却从来也没有观察到过。20世纪60年代苏联物理学家萨哈罗夫说：“源于宇宙大爆炸初期由于CP不守恒（电荷、宇称不守恒）形成的粒子和反粒子有十亿分之一的微小差异，相互湮灭后仅留下1个粒子，构成了宇宙，