近代物理学发展进程简介

近代物理学发展进程简介

《20世纪物理学革命》是上海科技教育出版社出版的《诺贝尔奖百年鉴》丛书中的一本。该书给我们描述了物理学的革命历程。其中，20世纪是物理学发展史上最富有成就的世纪，物理学在经典物理学的基础上飞速发展，取得了许多辉煌的成果，对人类社会产生了

深刻的影响。

在20世纪之前，物理学家对于物质结构的认识还只是观念性的。20世纪前夕的1897年，人类才发现了第一种基本粒子——电子。在那以后，物理学家才真正开始了探索微观物质世界的进程。1900年，普朗克提出量子假说，量子论就此诞生。其后，爱因斯坦用光量子理论解释了光电效应。1913年，玻尔提出了原子光谱理论，建立了现代意义上的原子模型。在20世纪20年代，矩阵力学、薛定谔方程、泡利不相容原理、海森伯不确定原理和狄拉克电子方程相继提出，为量子力学奠定了基础。这是20世纪物理学史上一场名副其实的

革命。

与量子革命几乎同时，爱因斯坦发动了20世纪物理学的另一场革命。1905年，他提出了狭义相对论，把自牛顿以来一直根深蒂固的绝对时空观从物理学中驱逐出去了。1915年，他又提出了广义相对论，从而建立起引力的科学理论。相对论和量子理论一起，成为20世纪物理学的两大基石。40年代，量子电动力学诞生，它利用相对论和量子理论对电磁力进行了极为深入的阐述。50年代，发现了弱相互作用的宇称不守恒现象。60年代，夸克模型成功建立。60年代末到70年代初，电弱统一理论和量子色动力学相继提出，标准模型正式形成。标准模型是人类认识微观世界的进程中一个重要的分水岭，堪称20世纪物理学的又

一场革命。

然而，标准模型并不意味着人类探索自然的脚步就此停止。一方面，将引力与电磁力、弱力和强力统一到一个完整的大统一理论一直是物理学家无法割舍的梦想；另一方面，实验和观测所提供的数据也提出了许多新的问题。20世纪80年代以来，弦论的蓬勃发展，也许

同样将是一场给物理学带来巨大影响的革命。

《中国教育报》2001年10月18日第7版（张白）

质量

物理学的七个基本量之一。最初，牛顿把质量定义为物质的量，同物质的密度和体积成正比。直到19世纪下半叶，以马赫为代表的一批物理学家对牛顿力学的基础进行了认真的考查，对牛顿的质量定义提出了非议，在实验事实的基础上建立了惯性质量和引力质量的

概念。

在牛顿运动定律中，质量是物体惯性大小的量度，叫做惯性质量。在万有引力定律中，质量反映物体受到的和产生的引力的大小，与惯性无关，叫做引力质量。惯性质量和引力质量反映的是物体的两种不同属性，它们之间有什么关系呢？牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，对运动定律和万有引力定律都用同一个“质量”的概念，隐含着惯性质量等于引力

质量，牛顿的这种作法是否正确呢？

牛顿虽然没有提出惯性质量和引力质量的概念，但他是意识到这个问题的，并用单摆实验来求两者的关系。如图10-1所示，设单摆摆长为l，摆球的惯性质量为mi，引力质量

，在摆角α很小时，单摆的运动方程为：

为mG

miα=－mGg。

由此求出摆球作简谐振动的周期为：

T=2π

采用不同材料做成不同质量的摆球，但保证摆长相同，实验结果是周期全都相同。这就证明，对所有摆球，mi与mG的比值是一个普适常量。

上述实验的精度不高，只能准确到10－3。1890年匈牙利物理学家厄缶（R．EdtV6S，1848～1919）提出一个精确的实验，以10－9的精度证明了上述结果。1964年，美国的R．H 狄克改进了厄缶实验，图10-2是狄克实验的示意图：在灵敏扭秤的横梁两端各放一个引力质量相同材料不同的球A和B，横梁只能绕竖直轴转动。A和B既受地球吸引，也受太阳吸引。地球的引力在竖直方向上，不能使扭秤转动。如果引力质量与惯性质量之比不是常量，太阳的引力将使扭秤转动。设初始时横梁与阳光垂直，则有

和

因此，

：式中的G是万有引力常量，是太阳的引力质量，r是太阳与地球的距离。设a为地球相对于太阳的加速度a

，则对地球上的观察者来说，A、B两球相对于他的加速度将是

如果mG与mi的比值是个普适常量，则a’

A =a’

B

。，地球上的观察者将看不到横梁的

任何摆动。如果mG与mi的比值随材料而改变，则观察者将因地球的自转而看到横梁以24小时为周期的摆动。狄克以10-11的实验精度证明了mG与mi的比值是个普适常量。后来，到70年代初，布拉金斯基等人又把实验的精度提高到0．9×10-12。

既然mG与mi的比值是个普适常量，只要选取适当单位，就可以使二者相等，即mG=mi。

这样，我们就可以不再区分它们，而认为质量既表示引力质量又表示惯性质量。

爱因斯坦深刻地看出了这个简单结论的重要意义，在引力质量与惯性质量相等的基础上提出了“等效原理”，这一原理成为爱因斯坦建立广义相对论的基本原理之一。

密度

分布均匀的物质，它的密度定义为由该物质组成的物体的质量与体积之比，或单位体积内所含该物质的质量。用m和V分别表示物体的质量和体积，用p=m/V表示组成该物体的物质的密度，则有。密度的单位是千克每立方米，符号是kg/m3

分布不均匀的物质，可用质量与体积之比表示物体的平均密度：

p

平均

=m/V

物质的密度随外界的压强和温度的变化而变化，一般说来，压强增大物质密度也增大，温度升高物质密度减小。水是一个例外，它在4℃密度最大。在给定条件下某一物质的密度

p 1与另一参考物质的密度p

2

的比d=p

1

/p

2

，叫做该物质的相对密度。相对密度是一个无量钢

的量。

密度的倒数称为比体积。

物质分布不均匀的物体，物体中各点的密度不同。某一点的密度p定义为含有该点的体积元的质量△m与△V之比，当△V收缩到一点时的极限值：

整个物体的质量可表示为

如果质量分布在曲面或曲线上，则可类似地给出相应的面密度和线密度的定义，

及其与整体质量的关系：

式中的△S表示曲面上面元的面积，△l表示曲线上线元的长度。