几个有关物理的问题

【专家解说】：物理学的发展历程 物理学是一门有着悠久历史的科学，早在古代，人们在日常生活和生产实践中就积累了一些物理知识，古希腊的亚里士多德曾经写过《物理学》一书，叙述了当时人们的有关物体运动的知识，我国古代的沈括在《梦溪笔谈》中也阐述了许多物理现象。但是，古代的物理学知识主要是依赖直观和思辨总结的，缺乏严格的实验检验。物理学真正成为一门严格的科学是随着实验方法的引入和数学工具的应用才确立的，物理学的发展大致经历了以下几个阶段： （1）17、18世纪，建立和发展了牛顿力学和热力学，对于蒸汽机、热机、机械工业的发展起到了巨大的推动作用，使人类开始了第一次工业革命。 蒸汽机的发明，在18世纪的工业革命中占有重要的地位，它的发明并非主要依靠经验，而是吸取了当时许多物理学的研究成果。1643年，托里拆利发现了真空。1654年，德国的格里凯通过马德堡半球实验进一步认识了大气压的性质，指出在真空状态下大气压可以转变为机械力，并发明了真空泵。1662年，英国科学家玻意耳在格里凯实验的影响下，进一步研究了大气压的性质，并发现了有名的玻意耳定律。1695年，在玻意耳的指导下，法国物理学家巴本终于发明了带活塞的蒸汽机。1705年，经过英国的工程师塞维利和锻工出身的技术家钮可门等人的改进，蒸汽机的性能有了一些提高。后来，英国的著名发明家瓦特对钮可门蒸汽机的性能做了重大改进，在此过程中，瓦特应用了物体的比热和水转化为蒸汽的潜热等物理概念来计算不同大小蒸汽机的蒸汽消耗量，并采取了把冷凝器和主气缸分开的关键性措施，使得蒸汽机的效率大大提高。1768年，近代蒸汽机作为整个工业的“万能原动机”首次出现，并广泛应用于工业中，这也成为第一次工业革命的标志。 除了蒸汽机的发明以外，在17世纪和18世纪，机械技术在各个领域得到了应用和发展，如航海中利用机械技术改进船的推力；确定船在海洋中的位置；矿井中提取矿石、排气排水；粉碎矿石；军事中有关火炮内力作用、空气弹道和空气阻力的计算，等等，所有这些，都是在牛顿力学的基础上得以发展的。 （2）19世纪，建立和发展了经典电磁理论，促进了工业电气化、无线电通信等的发展，使人类开始了第二次工业革命，进入了应用电能的时代。 进入19世纪以后，物理学对技术发展影响的特点是物理原理转变为物质成果的速度大大加快了，如果说牛顿力学、热力学用了100～200年的时间才完成了理论到技术的渗透和转化，那么从电磁理论到电气技术的转变，一般只用了几十年，甚至十几年。1820年，奥斯特在自然统一性哲学观点的指导下，第一次把电、磁现象联系起来，发现了电流的磁效应。1831年，在奥斯特发现的启发下，法拉第发现了电流磁效应的逆效应——电磁感应定律。这两大发明的直接结果是，1832年皮克希发明发电机，1837年雅可比发明电动机，1837年莫尔斯发明电报，1885年斯坦利发明变压器，1888年特拉斯发明交流电机……随着电机技术的发展，电能的应用领域不断扩大，因而开始了发电站的建立和电力传输技术的发展。另外，随着对电与磁的各种效应的认识的深化，出现了一系列崭新的技术领域，如电解、电镀、电热、电冶、电声、电光源，等等。麦克斯韦在法拉第有关场的概念以及电磁现象的经验规律（库仑定律、毕奥-沙伐定律、安培定律、法拉第电磁感应定律……）的基础上，总结出了电磁场方程并预言电磁波的存在，使经典电磁理论发展到高峰，1888年赫兹用实验验证了这一理论。在这一基础上，1895年马可尼和波波夫分别进行了人类第一次无线电通讯。 另外，物理学除了对宏观电气技术作出了巨大贡献以外，还研究了真空中的电现象以及经典电子论，这些为以后电子技术、原子能技术的出现奠定了基础，对介质中的电磁现象的研究，为凝聚态物理以及相应的材料科学的发展开辟了道路。 （3）20世纪上半叶，建立了相对论和量子理论，使人类的认识深入到了原子和原子核内部，在此基础上，引起了原子能、半导体、计算机、激光等新技术、新工艺的出现，推动了量子化学、分子生物学、量子生物学、现代宇宙学等新学科的出现，使人类开始了第三次技术革命。 1895年伦琴发现了X射线。1896年贝克勒耳发现了电子。1897年汤姆生发现了电子。这些发现破除了原子是宇宙的最小微粒的概念，人类的认识深入到了原子内部，这同样也是近代物理学的开端。1900年普朗克为了解决黑体辐射问题，提出了量子论。1905年爱因斯坦为了解决电动力学在高速领域的“悖论”，建立了相对论。以量子论和相对论为基点，爱因斯坦于1905年又提出了光子的概念。1913年玻尔建立了氢原子的量子理论。在1924～1926年间，在波恩、海森堡、德布罗意、薛定谔、狄拉克、泡利等物理学家的努力下，建立了量子力学这一反映微观世界物质运动规律的物理理论，从此，近代物理学宣告诞生了。在量子力学的基础上，原子物理学、电子物理学、粒子物理学、原子核物理学、半导体物理学、固体物理学、金属物理学、激光物理学、天体物理学、低温物理学、非平衡态物理学等学科不断涌现，人类的物质文明进入了一个崭新的时期。 20世纪下半叶以来，物理学在探索亚核世界运动、宇观世界的天体运动等规律方面取得了积极的进展，如果向物质结构的更深、更广层次的研究取得成功的话，必然对自然科学、技术科学的发展产生巨大的影响，同时也必然会对人类社会的物质文明带来巨大的进步。在近代物理学的基础上，形成了一系列的新技术群，如新能源技术，包括核的裂变能与聚变能的利用、太阳能、地热能、新化学能等多种形式能的利用；激光技术，包括各种激光器在众多领域中的应用；半导体技术，包括晶体管、集成电路、大规模集成电路、半导体器件；信息技术，包括信息的传输、接收、储存、处理及反馈等各种技术；计算机技术，包括硬件和软件；材料技术，包括导电材料、半导体材料、绝缘材料、耐高温材料、抗辐射材料、高强度材料、压电材料、热电材料、光电材料、声光材料等，所有这些都说明，物理学的每一次进步，都为社会生产进步带来了必要的基础和条件。 物理学作为一门基础的自然科学，除了可以通过把物理知识转化为物质设备、产品以及物质手段等的过程，对人类的物质生活产生了巨大的影响之外，还应看到，物理学还是人类文化的一个重要组成部分。从17世纪以来，物理学一直在自然科学中占主导地位，物理学以其对客观世界的最基本的运动规律的探索，成为世界文化中的非常重要的组成部分，对社会生活方式和人类思维方式的进步，做出了积极的贡献。世界各国都把物理学作为向下一代传授的文化内容之一。 值得指出的是，物理学还是一门带有方法论性质的科学。物理学与研究自然、社会、思维世界的普遍规律的哲学有着非常密切的关系，在物理学的产生和发展过程中，充满着富有哲理的物理思想。辩证唯物主义的产生和发展从物理学中吸取了许多营养，物理学为辩证唯物主义的基本理论提供了许多佐证，通过学习物理学，对理解辩证唯物主义的基本原理是有益的。物理学还与数学一起，创造了科学的三大工作方法：观察、实验、理论。观察是有目的、有计划地运用各种感觉器官，了解事物、现象的特征，及其发生发展的条件；实验是在人为控制的条件下，利用设备、仪器，突出自然界、工农业生产和日常生活中物理现象的主要因素，使其反复再现，便于观察和测量。观察和实验是获得资料和数据的源泉，在此基础上，通过分析、综合，区分出主要因素和次要因素，突出事物、现象的本质，进行科学的抽象和概括，建立概念和模型，再根据概念进行科学的判断，进而进行科学的推理，反复验证后形成理论。这样，不仅总结过去，而且指导未来。物理学中常用的处理问题的方法，如研究复杂问题的等效方法、隔离方法、近似处理方法以及数学方法等，也有着广泛的普遍意义。总之，物理学的方法、思想对学习和理解其他运动规律有促进和帮助作用，它的知识结构也容易迁移到其他学科的学习中去，从这个意义上讲，物理学有其教育性。 雕刻玉版反映了中国古人天圆地方的宇宙观 我们还可以在其以后的典籍中找到类似的记载。《周礼·春官·大宗伯》：“以玉作六器，以礼天地四方。以苍璧礼天，以黄琮礼地，以黄圭礼东方，以赤璋礼南方，以白虎作西方，以玄璜礼北方。”《周礼》：“大祭祀、大旅，凡宾客之事，共其玉器而奉之。”《尚书·金滕》记载周公“植璧秉圭”祷告先王之后将玉器献给神灵。但这些习俗绝非源自于商周，而是有其更深的文化渊源。近代学者对各种玉器的用途也多有考证。如张光直先生认为琮应是巫师用来贯通天地的法器。是财富和权力和象征。针对琮上的兽面纹饰，张氏引用《左传》及《道藏》中的有关资料，指出巫师通天地的工作是受到动物帮助的。这和萨满式的巫术极为近似。萨满式的巫术即巫师借助动物的助力沟通天地，沟通民神，沟通生死，这种巫术从考古学上可追溯到旧石器时代的晚期[4]。周南泉先生认为玉璧源于人们对天的信仰，进而仿天之圆形进行创作。它是人们原始信仰和宇宙观的反映 哥白尼 1543年，哥白尼出版了他的《天体运行论》，第一次提出太阳中心论，取代了沿袭千年的托勒密“日心论” 伽利略 以伽利略为代表的科学思想全面地对古代亚里士多德思想体系的怀疑和挑战。从亚氏的“发生说”到“冲力论”，从“自然界忌真空”到“下落速度与重量成比例”等等，几乎一切古代的哲学信条，都要经过科学实验的检验，从而奠定了实验物理学的基础。伽利略作为近代科学的巨人，一生有十几项划时代的科学发现和发明。伽利略彻底的科学革命精神导致了科学与宗教的重大对抗，1632年2月，伽利略被传讯，6月被押送罗马，接受宗教裁判所的审讯。为了避免酷刑，这个年迈的科学家被迫在印好的忏悔书上签了字。但是，伽利略跪起之后，喃喃自语道：“有什么办法呢，地球仍然在运动！” 伽利略以坚忍的韧性为牛顿力学开辟了道路。先驱者们前赴后继，迎来了近代自然科学的曙光。 牛顿 作为英国皇家学会前身的“无形学会”由于受到资产阶级革命的鼓舞，度过了自己科学史上的“黄金时代”。那时，“自由研究”、“个人奋斗”、“知识私有”三位一体，注重研究和实际生产生活密切相连，如他们把注意力集中在当时一些重大的技术（如抽机、炮术和航海等）问题上，因而受到资产阶级的大力支持和欢迎。依靠资产阶级的大力支持，虎克做了许多出色的实验，这使他后来几乎成了皇家学会的主要台柱之一。与此同时，波义尔发现了气体定律；虎克发现了弹性定律；牛顿和德国的莱布尼兹创立了微积分。特别是牛顿集前人之大成，一生获十几项重大科学成果，奠定了以牛顿力学为代表的近代物理学基础。这些成就，无疑是科学家智慧的结晶，是英国近代科学革命的产物。“无形学会”活跃时期，是科学实验在西方历史上生机勃勃的革命时期，科学实验依靠社会革命所解放出来的生产力，获得了雄厚的物质基础。英国科学的崛起，又为英国工业革命和经济发展创造了极其重要的条件。 爱因斯坦 阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein 1879--1955) 20 世纪最伟大的科学家，因创立了相对论而闻名于世。相对论原理的建立是人类对自然界认识过程中的一次飞跃 , 它圆满地把传统物理学包括在自身的理论体系之中。广义的相对论更开阔了人类的视野，使科学研究的范围从无限小的微观世界直至无限大的宏观世界。今天，相对论已成为原子能科学、宇宙航行和天文学的理论基础，被广泛运用于理论科学和应用科学之中。爱因斯坦的伟大成就——相对论，是自然科学发展史上的一个划时代的里程碑。 爱因斯坦于1879年3月14日出生在德国一个犹太人家庭。1905年获得物理学博士学位，同年发表狭义相对论。1921年获得诺贝尔物理学奖。1933年因受德国纳粹反犹太主义狂潮迫害而离开祖国，迁居美国。1955年4月18日病逝于普林斯顿。 爱因斯坦不仅是一个伟大的科学家，还是一个具有正义感的社会活动家。他关心人类的文明和进步。第二次世界大战时，他公开谴责德国法西斯的暴行，因此成为德国纳粹分子追捕的对象。爱因斯坦还谴责日本帝国主义对中国的侵略。晚年，他主张禁用核武器，反对核军备竞赛。临终前，他仍念念不忘公民自由和世界和平。 19 世纪末、 20 世纪初，随着生产的发展和科学实验水平的提高，人们对自然界的认识开始从宏观世界进入微观世界，从低速运动发展到高速运动，自然科学正面临着重大的突破。正是在这个时期，年轻的爱因斯坦以旧科学理论"叛逆者"的姿态，登上了自然科学舞台。 爱因斯坦少年时代对自然现象怀有浓厚的兴趣，风和雨形成，月亮高悬空中竟然不会掉下来，这些无不令他感到惊奇。 1896 年，在瑞士苏黎士联邦工业大学读书时，爱因斯坦就希望成为一名物理学家。 但毕业后，爱因斯坦处于失业状态，两年后才在瑞士伯尔尼市专利局找到一个低级职员的位置。虽然生活十分贫困，但他仍坚持不懈地从事科学研究工作，利用业余时间看了大量的书。这段时间奠定了他一生科学研究的基础。 1905 年，爱因斯坦在狭义相对论、光电效应和布朗运动三个不同领域里取得了重大成果，表现出惊人的才智。但是，当时科学界对此作出响应的人寥寥无几，法国著名科学家朗之万曾对爱因斯坦说，全世界只有几个人知道什么是相对论。大多数人是怀疑的，有的甚至坚决反对。这是因为伽利略和牛顿创立的古典力学理论体系，经历了 200 年的发展后取得了辉煌成就。尽管旧的理论体系和新的事实之间出现了尖锐的矛盾，但许多物理学家仍不能摆脱它的束缚。他们力图把新的实验事实和物理现象容纳在旧的理论框架中，但爱因斯坦却不迷信前人，他探索着把相对论推广到更为广泛的运动情况中去。为此他又研究了整整 10 年。 1916 年，爱因斯坦发表了总结性论著《广义相对论原理》。 杨振宁 杨振宁（1922～）美籍华裔物理学家。1922年9月22日生于安徽省合肥县（今合肥市）。1942年毕业于西南联合大学。1945年去美国留学，在著名物理学家费米的指导下研究理论物理，1948年获博士学位。1948－1949年在芝加哥大学工作，1949－1965年在普林斯顿高级研究院工作。1955年起任教授，1966年起任纽约州立大学（石溪分校）教授和理论物理研究所所长。美国总统授予他1985年国家科学技术奖章。 杨振宁主要从事统计力学、量子场论、凝聚态物理、基本粒子物理方面的研究。他对理论物理学的贡献范围很广。在粒子物理学方面，他最杰出的贡献是1954年与密尔斯共同提出杨－密尔斯场理论，开辟了非阿贝尔规范场的新研究领域，为现代规范场理论打下了基础。另一项杰出贡献是：1956年和李政道合作，深入研究了当时令人困惑的θ－τ之谜，提出很可能在弱相互作用中宇称不守恒。次年，这一理论预见得到吴健雄小组的实验证实。为此，杨振宁和李政道获得了1957年诺贝尔物理学奖。此外，1949年提出了基本粒子的第一个复合模型——费米－杨模型。1957年与李政道合作提出二分量中微子理论；与李政道和奥赫梅合作提出在β衰变中不仅宇称不守恒，而且电荷共轭也不守恒；与李政道合作、与朗道和萨拉姆各自独立地提出在弱相互作用中组合宇称（CP）守恒的假设。1959－1962年，与李政道合作实验分析高能中微子和W粒子的研究。1974年－1975年与吴大峻合作提出规范场的积分形式理论以及规范场与纤维丛的关系。1967－1985年与邹祖德合作提出高能碰撞理论等。在统计力学方面，1952年与李政道合作提出关于相变的理论。1966－1969年间与杨振平合作得到关于数种模型的严格解。在凝聚态物理方面，1961年与拜尔斯合作对磁通量量子化的解释，1962年提出非对角长程序观念等。 杨振宁于1971年夏回国访问，是美籍知名学者访问新中国的第一人。他对促进中美建交、中美科学技术教育交流做了大量工作。他受聘为北京大学、复旦大学、中国科学技术大学、中山大学、南开大学等校的名誉教授，中国科学院高能物理研究所学术委员会委员。