物理研究史

三、現(xiàn)代物理學(xué)

經(jīng)典物理這座輝煌的大廈，對(duì)物質(zhì)的研究和人類(lèi)文明的發(fā)展，及其人們生活都起到了無(wú)可替代的偉大作用，說(shuō)它是人類(lèi)科學(xué)大地上的一座金碧輝煌的寶塔，一點(diǎn)也不過(guò)分。但是隨著人類(lèi)科學(xué)的不斷發(fā)展，這座大廈逐漸出現(xiàn)了裂縫，并且裂縫且行且裂而無(wú)法彌補(bǔ)，從而導(dǎo)致了現(xiàn)代物理學(xué)的形成?，F(xiàn)代物理學(xué)的兩大杰出開(kāi)路先鋒就是：愛(ài)因斯坦的相對(duì)論和以普朗克為量子之父的量子理論。

愛(ài)因斯坦相對(duì)論，包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論基于兩個(gè)假設(shè)：其一，相對(duì)性原理，即物理學(xué)的定律在所有慣性系中具有不變的形式；其二，光速不變?cè)?，即在自由空間中，光的傳播速度是一個(gè)常數(shù)。

以這兩個(gè)假設(shè)為基礎(chǔ)的狹義相對(duì)論，得出了許多革命性的論斷，打破了人類(lèi)對(duì)經(jīng)典物理框架下的，好多舊的認(rèn)識(shí)觀(guān)點(diǎn)。比如時(shí)間、空間的相對(duì)性，即時(shí)間和空間隨著物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而改變；比如物體的質(zhì)量，隨物體運(yùn)動(dòng)速度的增大而增大；再比如物體運(yùn)動(dòng)的速度上限為光速，即所有物體的運(yùn)動(dòng)速度，不可能大于光在真空中的速度C；等等。

廣義相對(duì)論，是在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因?yàn)榻^對(duì)的慣性系難以找到；所以愛(ài)因斯坦，把狹義相對(duì)論中的相對(duì)性原理，從慣性系推廣到任意參考系，從而得到了廣義相對(duì)性原理。廣義相對(duì)論認(rèn)為，物理定律在一切參考系中都具有相同的形式，或者說(shuō)物理定律在任意坐標(biāo)變換下都具有協(xié)變性，這條原理也稱(chēng)作廣義協(xié)變性原理。

除此之外，廣義相對(duì)論還有一個(gè)重要的理論，它就是著名的等效原理；即相對(duì)固定物體做恒定加速運(yùn)動(dòng)的參考系，與在均勻引力場(chǎng)中靜止的慣性系是等效的。

舉個(gè)等效原理的例子：在你睡著的時(shí)候，把你裝在一個(gè)黑箱子里面，然后把裝你的黑箱子放在地球的某個(gè)地方，或放在以加速度g飛行的宇宙飛船上；當(dāng)你醒來(lái)后，黑箱子里面的你，根本不知道自己是在地球上，還是在加速飛行的飛船上。實(shí)際上等效原理的通俗理解就是，加速度和引力是等效的。

在以廣義相對(duì)性原理和等效原理，為基礎(chǔ)的廣義相對(duì)論認(rèn)為引力彎曲時(shí)空，即引力曲率效應(yīng)。

狹義相對(duì)論的核心是時(shí)空觀(guān)念，它認(rèn)為時(shí)空具有相對(duì)性；廣義相對(duì)論的關(guān)鍵是等效思想。相對(duì)論揭示了時(shí)間、空間、物質(zhì)，三者的相互關(guān)系，以及物質(zhì)性能與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。而在相對(duì)論框架下得出的尺縮時(shí)延效應(yīng)、質(zhì)能關(guān)系——質(zhì)能方程式、時(shí)空扭曲效應(yīng)等等，都是一個(gè)個(gè)驚人的天才凸現(xiàn)。

與相對(duì)論比翼的是量子力學(xué)。量子力學(xué)是研究微觀(guān)世界的規(guī)律；它從根本上揭示了物質(zhì)結(jié)構(gòu)，及其相互作用的原理；它是可以描述除了引力之外，幾乎所有基本相互作用的理論；它是由普朗克、愛(ài)因斯坦、薛定諤、海森堡、費(fèi)米等許多科學(xué)家共同努力，并完成的理論。

隨著現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，和人類(lèi)科學(xué)研究的不斷拓展，科學(xué)家們睿智的卓絕，閃爍著許多奇麗的光芒。

宇宙學(xué)。宇宙學(xué)包括，宇宙大爆炸理論和時(shí)空膨脹理論，以及平行宇宙、多重宇宙等等。

宇宙大爆炸理論認(rèn)為，我們的宇宙起源于一個(gè)體積無(wú)限小、能量密度無(wú)限大的奇點(diǎn)。奇點(diǎn)在某種情況下突然爆炸，繼而向外擴(kuò)展成我們的初期宇宙；然后我們的宇宙，在斥力作用下不斷膨脹、在物質(zhì)耦合作用下形成粒子，引力作用下形成各種天體星系。這樣逐漸發(fā)展、不斷演化，形成了我們?nèi)缃竦挠钪嫒f(wàn)物；現(xiàn)在我們的宇宙空間，還在繼續(xù)向外膨脹，還在不斷的演化之中。

人們剛開(kāi)始認(rèn)為，宇宙的膨脹僅僅只是，天體星系的向外運(yùn)行；后來(lái)才慢慢地發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙膨脹，不僅僅是天體星系的退行，而是宇宙空間自身在膨脹，這就是時(shí)空膨脹理論的觀(guān)點(diǎn)。

另外許多科學(xué)家認(rèn)為，我們的宇宙外面有空間，要不然宇宙不可能向外膨脹。所以有人提出了多元宇宙，其中最有名的兩個(gè)猜想是：其一，平行宇宙，其認(rèn)為我們的宇宙，只是許多宇宙中的一個(gè)，許多宇宙在一起，就像一盆吹起的肥皂泡泡一樣；其二，多重宇宙，其認(rèn)為宇宙分不同等級(jí)，高級(jí)宇宙包含低級(jí)宇宙，而我們的宇宙只是其中的某一級(jí)。

在天體的研究中，霍金對(duì)黑洞的研究頗有建樹(shù)?；艚鸷鸵恍┛茖W(xué)家，在黑洞的研究方面得出了，奇點(diǎn)定理、黑洞無(wú)毛定理、黑洞面積定理、霍金輻射等等。其中以霍金最為突出，所以霍金被認(rèn)為是繼愛(ài)因斯坦之后，又一個(gè)偉大的物理學(xué)家。當(dāng)然，除黑洞的研究之外，霍金還研究了其它方面的領(lǐng)域。

統(tǒng)一理論。現(xiàn)在科學(xué)家都認(rèn)為，自然界存在四大基本作用，即萬(wàn)有引力、電磁力、弱相互作用和強(qiáng)相互作用。麥克斯韋方程統(tǒng)一了電、磁、光，此三者統(tǒng)一于電磁場(chǎng)及其電磁力；弱電理論統(tǒng)一了電磁力和弱相互作用。除此之外，統(tǒng)一理論的研究中，還有兩種主要的理論，它們就是弦理論和楊-米爾斯理論。

弦理論。弦理論認(rèn)為，宇宙萬(wàn)物的最基本單元不是點(diǎn)狀粒子，而是非常微小的線(xiàn)狀弦，就像小提琴的琴弦一樣，或是有端點(diǎn)的開(kāi)弦，或是彎成圈狀的閉弦；弦的振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了各種粒子，進(jìn)而形成宇宙萬(wàn)物。

楊-米爾斯理論，又稱(chēng)規(guī)范場(chǎng)理論，是由物理學(xué)家楊振寧和米爾斯首先提出來(lái)的。這一理論起源于對(duì)電磁相互作用的研究，用它建立的弱電磁統(tǒng)一論已被證實(shí)，它又是研究強(qiáng)相互作用的有力工具，也是引力作用的備用理論。故此理論在物理學(xué)中，有著極其重要的作用。

楊振寧除了建立了規(guī)范場(chǎng)理論之外，他還和李政道提出了宇稱(chēng)不守恒定律。宇稱(chēng)是描述，微觀(guān)粒子在空間反演下，變換性質(zhì)的相乘性量子數(shù)；宇稱(chēng)守恒定律，即宇稱(chēng)對(duì)稱(chēng)，通俗地講就是左右對(duì)稱(chēng)，或鏡像與原物對(duì)稱(chēng)。舉個(gè)例子：8或6翻轉(zhuǎn)，使其左右對(duì)換，則8依然是8，然6就不是6了；所以8具有左右對(duì)稱(chēng)性，6不具有左右對(duì)稱(chēng)性。

另外，楊振寧在許多領(lǐng)域內(nèi)也做出了好多貢獻(xiàn)，如統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面的相變理論等。所以楊振寧當(dāng)之無(wú)愧，為當(dāng)今世界最偉大的科學(xué)家。

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