現(xiàn)代物理學(xué)前沿選講

內(nèi)容概要

《現(xiàn)代物理學(xué)前沿選講(第2版)》從宇觀、微觀和宏觀三方面分別介紹一些關(guān)于現(xiàn)代物理學(xué)前沿發(fā)展的概況。大到宇宙的結(jié)構(gòu)，其過去發(fā)展的歷史和未來發(fā)展的趨勢；小到組成物質(zhì)的原子和亞原子結(jié)構(gòu)；中間涉及極端條件（低溫、高壓、強電磁場）下物質(zhì)所表現(xiàn)出的各種新現(xiàn)象和新規(guī)律。既試圖扼要地講述相關(guān)的物理內(nèi)容，也盡可能介紹一些現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展過程中的故事。希望引起讀者了解和學(xué)習(xí)物理的興趣，認識物理對于發(fā)展社會物質(zhì)文明和精神文明的意義，體會研究物理學(xué)的方法。 
現(xiàn)在的這本小書是以授課講義為基礎(chǔ)，經(jīng)過修改、補充、整理出來的。書中所介紹內(nèi)容涉及51個諾貝爾獎（包括近12年的諾貝爾物理學(xué)獎）的有關(guān)內(nèi)容。 
《現(xiàn)代物理學(xué)前沿選講(第2版)》可供大學(xué)低年級學(xué)生或講授有關(guān)課程的大、中學(xué)教師參考，也可供對現(xiàn)代物理學(xué)前沿發(fā)展有興趣的讀者作為高級科普讀物來閱讀。

作者簡介

黃祖洽，男，1924年10月出生于湖南長沙，理論物理和核物理學(xué)家。1950年清華大學(xué)理論物理研究生畢業(yè)后，先后在中國原子能研究院及二機部九院工作，從事原子核理論、反應(yīng)堆理論及氫彈理論的研究。1980午當選為中國科學(xué)院院士，同年到北京師范大學(xué)任教授。先后培養(yǎng)6名碩士和14名博士，共發(fā)表論文及專著等130余篇（種）。曾獲國家自然科學(xué)一等獎、國家教委科技進步一、二等獎及何梁何利科技進步獎；被評為北京市師德先進個人，北京市優(yōu)秀黨員。自1999年開始在北京師范大學(xué)為物理系和相關(guān)院、系、所一年級本科生講授選修課《現(xiàn)代物理學(xué)前沿選講》，從宇觀、微觀和宏觀三方面分別介紹一些關(guān)于現(xiàn)代物理學(xué)前沿發(fā)展的概況，并以授課講義為基礎(chǔ)，結(jié)合多年的講授經(jīng)驗，經(jīng)過修改、補充，整理成書。希望本書對大學(xué)低年級的同學(xué)、講授有關(guān)課程的大、中學(xué)教師和對現(xiàn)代物理學(xué)前沿發(fā)展有興趣的讀者有所幫助。

書籍目錄

第二版序言第1講 前言1.1 大家都可以來了解現(xiàn)代物理學(xué)前沿1.2 為什么要選修物理學(xué)1.3 現(xiàn)代物理學(xué)中的不同專業(yè)1.4 現(xiàn)代物理學(xué)的前沿1.5 關(guān)于參考書第2講 時空觀念的變化——從牛頓到愛因斯坦2.1 引言2.2 牛頓的時空觀和決定論2.3 宇宙學(xué)原理2.4 白夜佯謬2.5 愛因斯坦的貢獻第3講 相對論淺釋3.1 歷史背景3.2 狹義相對論3.3 動尺縮短和動鐘變慢3.4 速度的合成3.5 質(zhì)能(質(zhì)量和能量的)等價關(guān)系3.6 愛因斯坦的引力理論(廣義相對論)3.7 廣義相對論的三個關(guān)鍵性檢驗及其他第4講 我們的宇宙——膨脹的宇宙4.1 愛因斯坦方程的宇宙解4.2 哈勃定律4.3 熱大爆炸宇宙論4.4 宇宙殘余的背景輻射4.5 暗物質(zhì)和暗能量4.6 天體物理觀測衛(wèi)星的應(yīng)用4.7 宇宙學(xué)的自然單位制和普朗克尺度第5講 我們的宇宙——宇宙演化簡史5.1 宇宙的創(chuàng)生時期(0

章節(jié)摘錄

第1講 前 言1.1 大家都可以來了解現(xiàn)代物理學(xué)前沿我們今天開始上這個課。這個課的名字很大：現(xiàn)代物理學(xué)前沿選講。其實，這個課可以在任何水平上來講。比如說，如果給研究生開這個課，給他們介紹一些可能的研究方向，我想是很合適的；如果在你們上大學(xué)三年級或四年級時講，給你們進一步選擇專業(yè)做參考，也是可以的。我們現(xiàn)在就和剛進大學(xué)的同學(xué)們討論這方面的問題，是不是太早一點呢？我想也未必。記得在大概1947、1948年的時候，我還在清華大學(xué)念書，課余曾經(jīng)給工人夜校的青年工人們講過一點科學(xué)知識，有幾次我就試著跟他們談了一些關(guān)于物質(zhì)的組成和運動的問題。工人們知道我是物理系的，跟我提出了許多他們聽到和想到的物理問題。我看他們的興趣還挺廣，就跟他們談了一些有關(guān)相對論和宇宙起源的當時還算相當前沿的物理知識，他們好像也可以理解。事實上，對于希望了解物理學(xué)的青年人來說，重要的不是知道許多描寫現(xiàn)代物理學(xué)前沿問題細節(jié)的高等數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)這些公式的數(shù)學(xué)技巧，而是了解：有關(guān)這些問題，我們今天已經(jīng)從物理上解答了多少？還有些什么問題需要我們繼續(xù)努力去尋求解答？也就是說，當你們面臨物理學(xué)這一大片原野時，盡早鳥瞰一下這片原野開墾的大致情況和前沿在哪里，還是很有必要的。所以我說這種問題可以在任何水平上來討論。當然，隨著學(xué)習(xí)的深入，會要求大家從定性的鳥瞰進入定量的描述。所以，隨著對象的不同，講這個課的方式也不一樣。如果是跟高年級同學(xué)來講或跟研究生同學(xué)來討論這方面的問題，那么就會有許多數(shù)學(xué)牽涉進來，像線性代數(shù)、微積分、高等代數(shù)、高等幾何等一些中學(xué)沒有教過的數(shù)學(xué)。對于還沒有學(xué)過這些數(shù)學(xué)的同學(xué)，開始的時候可以對有關(guān)公式的推導(dǎo)跳過去，但是把問題記下來，等到你們在數(shù)學(xué)課上或自己看數(shù)學(xué)參考書學(xué)到有關(guān)知識時，再聯(lián)系起來加以解決。這時，你們就會像遇到久已向往的人那樣，感到由衷的喜悅。不過，考慮到大多數(shù)同學(xué)的學(xué)習(xí)進度，在開始的半個學(xué)期，我還是盡量只用中學(xué)已經(jīng)學(xué)過的那些數(shù)學(xué)知識。實在要用到一些高等數(shù)學(xué)的觀念時，簡單的我就在黑板上臨時說明，復(fù)雜的就在書末以數(shù)學(xué)附注的形式從頭開始加以介紹。寫這些附注的目的，完全是為了同學(xué)們現(xiàn)在和將來學(xué)習(xí)時參閱方便，既不試圖代替專門的數(shù)學(xué)課程，也不追求系統(tǒng)完備。另外，我假設(shè)同學(xué)們都掌握了中學(xué)時代應(yīng)當掌握的那些基礎(chǔ)物理知識。不過，如果有同學(xué)聽講的時候感到有問題不太清楚，請隨時舉手示意向我提問，或者先記下來，等到課間休息時或課后再來和我討論。要是時間來不及， 自己下課后再去查書也是可以的。1.2 為什么要選修物理學(xué)我不知道我們同學(xué)選學(xué)物理這個學(xué)科都經(jīng)過了一些什么考慮。我只回想起當初我是為什么要選修物理的。我記得初中時候教物理的老師很好。他上課的時候，我聽不懂時向他提一些問題，有的問題他當時就解釋了，有些問題一時解釋不了的，他就讓我課后上他的休息室去，并且把他大學(xué)時的教科書翻出來。我還記得就是《Duff 物理學(xué)》。他借給我，讓我自己看。我看后經(jīng)過自己的思考，并且自己動手做了些計算，搞清楚了原來不懂的問題，感到很高興。從那個時候開始我就對物理有了興趣。后來上高中時，我也常找這位老師或到校圖書館借物理方面的書自學(xué)。越學(xué)興趣越大，后來考西南聯(lián)大時就選擇了物理系。我想同學(xué)們選修物理多半也是因為你們對物理有了興趣。物理學(xué)家運用實驗方法和數(shù)學(xué)方法，盡可能嚴格地揭示自然規(guī)律，這些實驗方法和數(shù)學(xué)方法對其他自然科學(xué)也是適用的。物理學(xué)的實驗設(shè)備、實驗的及理論的方法的發(fā)展成為眾多別的學(xué)科及其持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)?？茖W(xué)的嚴格數(shù)學(xué)化表述也是從物理學(xué)開始的。物理學(xué)一方面是基礎(chǔ)科學(xué)，以研究自然界中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動的基本規(guī)律為目的，富有成果而且?guī)缀醢_萬象；另外一方面物理學(xué)又是對許多其他學(xué)科起帶頭作用的一門學(xué)科，對其他學(xué)科有著深遠的有時甚至是決定性的影響，物理學(xué)研究因而成為自然科學(xué)和工程科學(xué)各學(xué)科不可或缺的組成部分。它曾經(jīng)是并且仍將是基于現(xiàn)代技術(shù)之上的經(jīng)濟發(fā)展的必要根基。所以，盡管生物工程、信息科學(xué)和材料工程等新興學(xué)科，在進入21 世紀以來已經(jīng)吸引了很多人的注意，但是聯(lián)合國教科文組織仍然把2005 年確定為“世界物理年”，用來紀念20 世紀的偉大物理學(xué)家愛因斯坦（圖1.1），同時也提醒大家：不要忘了物理學(xué)在認識世界和知識創(chuàng)新方面的基礎(chǔ)作用。從歷史上看，物理學(xué)的發(fā)展對全世界三次大的技術(shù)革命起到了最為關(guān)鍵的主導(dǎo)作用。因此，可以毫不夸張地說，很難舉出人類哪一方面的知識領(lǐng)域是和物理學(xué)無關(guān)的。物理現(xiàn)象存在于生活的每一個角落，發(fā)生在宇宙的每一個地方。物理學(xué)的研究成果源源不斷地得到應(yīng)用，而社會又對物理學(xué)不斷提出新的研究課題。在科學(xué)以空前的規(guī)模和速度突飛猛進的今天，尤其需要從各種角度、各種層次來考察和探討：物理學(xué)將給人們提供什么新的觀念？物理學(xué)怎樣推動社會前進？社會又將如何有效地發(fā)揮物理學(xué)的作用并促進物理學(xué)的發(fā)展？但是，近年來，社會公眾的物理意識在削弱、淡薄，長此下去，物理學(xué)的發(fā)展勢必受到影響。全球舉行“2005 世界物理年” 活動，其主題是“物理學(xué)與社會”，它的宗旨是一方面鼓勵和推動物理學(xué)工作者繼續(xù)為人類社會的進步與文明做出新的貢獻，同時，通過展示物理學(xué)在社會、經(jīng)濟、技術(shù)、文化等方面的重要作用，在全球范圍內(nèi)爭取公眾對物理學(xué)的理解與支持，堅定公眾對物理學(xué)的信念，推動物理教育，培育物理人才，使物理學(xué)在21 世紀得到新的發(fā)展。事實上，物理學(xué)本身確實是非常奇妙、非常有趣的一門學(xué)問，學(xué)起來其樂無窮！它幫助我們深入地了解到自然界許多奧妙現(xiàn)象的本質(zhì)。物理學(xué)最講究實證，以觀測和實驗為基礎(chǔ)；最推崇理性，不滿足于觀測和實驗所揭示的現(xiàn)象，而要尋求現(xiàn)象背后隱藏的規(guī)律；既善于根據(jù)對現(xiàn)象的概括和抽象，做出大膽的假設(shè)，對現(xiàn)象做出理論解釋；又敢于大膽懷疑尋根問底，考究已有的假設(shè)和理論是否真能符合實際。物理學(xué)研究令人振奮，使人陶醉。正如藝術(shù)創(chuàng)造力一樣，理解和發(fā)現(xiàn)新事物是人類前進的基本動力。它不能被壓抑、限制或禁止。在物理學(xué)研究中充滿好奇和快樂、失敗與成功，這種強烈的情感令研究者入迷。他們的動機是從新的認識中獲得可能的新創(chuàng)造，從而服務(wù)人民，造福社會。物理學(xué)研究使人們有可能更好地了解這個世界，發(fā)展有關(guān)這個世界的新思想，還能發(fā)展新技術(shù)。新技術(shù)又使人們的日常工作更為便利，更能夠持久地享受生活。但我們必須意識到，技術(shù)有可能用于并曾經(jīng)被用于破壞和濫殺無辜。科學(xué)家、包括物理學(xué)家在內(nèi)的自然科學(xué)家，對人類生活的諸多方面有著特殊的責(zé)任，因為他們擁有知識和洞察力。為了我們的后代，在保護自然和環(huán)境方面，他們的責(zé)任更為重大。他們應(yīng)該在科學(xué)中倡導(dǎo)寬容、誠實和尊嚴，反對蓄意濫用科學(xué)。學(xué)術(shù)自由和民主是社會的財富，也是獲取新知識的重要前提條件。物理學(xué)家應(yīng)該同所有的科學(xué)家一樣，發(fā)揚學(xué)術(shù)自由，提倡民主討論。在科學(xué)上，無論是對自己還是對別人都必須誠實和正直。拒絕科學(xué)中的不端行為，譴責(zé)造假、剽竊和篡改數(shù)據(jù)。參與批評并接受監(jiān)督和檢查?？茖W(xué)家之間也會有不同意見甚至利益沖突。在基礎(chǔ)研究方面，固然經(jīng)常有不同學(xué)派之間的論戰(zhàn)；在應(yīng)用型研究中，當其中的某些人負有政治責(zé)任或需要堅持原則時，這種沖突也是在所難免的。公平、公開、公正的，以實踐檢驗為歸依的學(xué)術(shù)爭論，對科學(xué)的發(fā)展是有益無害的。解決矛盾的方法應(yīng)該是平心靜氣的商討和對不同意見的耐心考慮、寬容和尊重?？茖W(xué)家應(yīng)該時刻反省自己的研究是否遵守法律和公德，物理學(xué)家也應(yīng)如此。物理學(xué)帶來的技術(shù)發(fā)展可能被濫用，甚至用于戰(zhàn)爭和恐怖活動。歷史上，物理學(xué)家也曾多次公開明確地對技術(shù)本身的潛在危險和自然科學(xué)研究成果的軍事應(yīng)用提出警告。我們學(xué)了物理學(xué)以后，對于自然界許多現(xiàn)象和規(guī)律固然會有所了解，可以加以運用，同時更會激發(fā)我們的好奇心，對不了解的現(xiàn)象和規(guī)律去進一步研究；會引導(dǎo)我們?nèi)ヌ剿魅ニ伎肌膶W(xué)習(xí)物理學(xué)得到的訓(xùn)練，會增加我們看待和處理事物時的理性成分。真正學(xué)懂物理學(xué)中認真求實和創(chuàng)新的精神，對一個人一生都是有好處的。即使他以后轉(zhuǎn)行，不再從事物理工作，物理學(xué)精神的熏陶，也會使他更容易判別什么是真的，什么是假的，什么是合理的，什么是不合理的，什么是可信的，什么是不可信的。換言之，會提高他理性判斷和創(chuàng)新思維的能力。剛剛過去的20 世紀曾經(jīng)是物理學(xué)的世紀。20 世紀純粹物理學(xué)研究的成就增進了人類對自然界基本規(guī)律的了解，其深度和廣度都是在此以前無法想象的。在物理學(xué)中純粹的研究及其應(yīng)用是密不可分的。沒有純粹研究，就沒有新知識產(chǎn)生；沒有新的知識，文化和文明之花將凋謝。只有當一個國家的國民受到廣泛的教育時，他們才可以判斷某種新知識究竟是造福人類還是會給人類帶來災(zāi)難。將來，這種教育必定會日益建立在數(shù)學(xué)和科學(xué)教育（其中物理學(xué)教育是重要的一部分）的寬廣基礎(chǔ)上。1.3 現(xiàn)代物理學(xué)中的不同專業(yè)過去有很多著名的物理學(xué)家是多才多藝的多面手。像杰出的意大利物理學(xué)家伽利略（G.Galileo）同時又是天文學(xué)家，還創(chuàng)造出自己的第一臺望遠鏡。像也是意大利出生的著名物理學(xué)家費米（E.Fermi），不但同時是杰出的實驗和理論物理學(xué)家，而且還主持創(chuàng)建了世界上第一個核裂變反應(yīng)堆（圖1.2）。隨著時代的進步，現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)成為一個大的科學(xué)，所以雖然還是有人具備多方面的才能，但學(xué)物理的人也不得不進行分工。比如說有些學(xué)物理的同學(xué)將來可能會專門從事創(chuàng)造新的、具有超越性能的儀器，或者去做一些組裝大型設(shè)備，像加速器和有關(guān)探測器的工作?，F(xiàn)代實驗要求十分高的探測精度和非常快的數(shù)據(jù)處理速度，沒有信息技術(shù)的高度發(fā)展，許多重要的實驗都將無法進行。2000年的諾貝爾物理學(xué)獎授予阿爾費羅夫（Z.I.Alferov） 、克雷默（H.Kroemer） 和基爾比（J.S.Kibly）等三位科學(xué)家，正是為了表彰他們發(fā)明快速晶體管、激光二極管和集成電路（芯片），從而奠定了現(xiàn)代信息技術(shù)基礎(chǔ)的貢獻。2009 年諾貝爾物理學(xué)獎的一半被授予英國華裔科學(xué)家高錕（圖1.3）以及兩位美國科學(xué)家。高錕獲獎，是因為他在“有關(guān)光在纖維中的傳輸并用于光學(xué)通信方面”做出了突破性成就。在大型設(shè)備方面，研究粒子物理的高能加速器規(guī)模越來越大，就拿北京正負電子對撞機和測量對撞中所產(chǎn)生粒子束的大型譜儀來說，設(shè)計、制造和運轉(zhuǎn)這些裝置的人在一千人以上，他們都是很好的物理學(xué)家，有很高的成就。另一部分物理學(xué)家是利用儀器設(shè)備做實驗，希望在實驗中揭示或發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的人。做一個大型實驗，往往需要幾十到幾百個實驗物理學(xué)家分工合作，夜以繼日、專心致志地辛勤工作，才能在浩瀚的數(shù)據(jù)中有所發(fā)現(xiàn)。還有一部分理論物理學(xué)家，他們著重對實驗結(jié)果進行理論分析，對所發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象提出理論見解，同時根據(jù)這些分析和見解，提出他們認為應(yīng)當進一步進行的實驗研究。此外也還有一些專家配合工作，比如說搞計算機、計算數(shù)學(xué)和信息處理的專家。所以，現(xiàn)在作為一個大科學(xué)的物理學(xué)，不像17、18 和19 世紀那樣依靠個別人就能夠做出許多很好的成就，因為我們對物質(zhì)的探索已經(jīng)越來越深入，規(guī)模也越來越大了。隨著物理學(xué)向其他學(xué)科的滲透和交叉，現(xiàn)代物理學(xué)中所發(fā)展的儀器設(shè)備實驗技術(shù)和理論觀念已經(jīng)促使生物物理學(xué)材料科學(xué)和信息科學(xué)等新興學(xué)科迅速發(fā)展，并已成為它們不可缺少的組成部分。1960年發(fā)明的激光是光盤（CD）技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光眼科學(xué)和其他所有激光光學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。1947年發(fā)明的晶體管對我們所有的電子設(shè)備發(fā)展曾經(jīng)起到了決定性作用。沒有晶體管和其他半導(dǎo)體器件及其在大規(guī)模集成電路中的超小型化，就不會有計算技術(shù)，也不會有控制電子設(shè)備技術(shù)……

編輯推薦

黃祖洽編著的《現(xiàn)代物理學(xué)前沿選講(第2版)》從宇觀、微觀和宏觀三方面分別介紹一些關(guān)于現(xiàn)代物理學(xué)前沿發(fā)展的概況。本書可供大學(xué)低年級學(xué)生或講授有關(guān)課程的大、中學(xué)教師參考，也可供對現(xiàn)代物理學(xué)前沿發(fā)展有興趣的讀者作為高級科普讀物來閱讀。

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