现代物理学
经典物理学(包括经典力学,经典电磁学,统计物理,热力学)近代物理学的两个分支相对论和量子力学在低速和宏观情况下的极限近似。对以太说和自然界无跳跃的信条的否定使人们认识到了相对时空(四维时空),波粒二象性和不确定性原理。这是一次巨大的飞跃。同时对于原子内部结构的研究使粒子物理学得以创建,物理学再不同于经典物理学时代通过简单的实验总结规律然后得出结论,而是进入了全新的时代。
❷ 现代物理学中,有哪些发现让人们意料不到
在初中的学习当中,那么我们初步进入了物理学的学习,那么其实在以前的物理学的了解当中都是非常小的,我们只了解到关于力与力之间的作用,还有速度与力之间的作用,那么就是相关的牛顿定理。几乎都是关于力的一个知识,比如说你的做功或者是另一之间的一个动力性比,那么其实随着我们科技或者是随着我们各个方面的发展,那么科学极大地推进了在各方面的进步之后,那么物理学在我们的生活当中也是广泛应用,给我们的人的社会也带来了很多的好处。
就拿现在我们的高铁运行和手机的通讯,通用以及许多的电子产品的使用,那么以至于更大的就是一些航天器或者是一些神舟飞船的发射。对于太空的探索已经有了很大的进步,那么这一些都是我们物理学中运用到的知识,而让我们意想不到的成果。
❸ 现代物理学的发展前沿
高能物理学又称粒子物理学或基本粒子物理学,它是物理学的一个分支学科,研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质,和在很高的能量下,这些物质相互转化的现象,以及产生这些现象的原因和规律。它是一门基础学科,是当代物理学发展的前沿之一。粒子物理学是以实验为基础,而又基于实验和理论密切结合发展的。
高能物理学的发展历史
两千多年来人们关于物质是由原子构成的思想,由哲学的推理,变成了科学的现实,而且在这个阶段终了时,形成了现代的基本粒子的思想。
原子的概念,是由2400年前的希腊哲学家德谟克利特,和中国战国时代的哲学家惠施提出来的。惠施说“至小无内,谓之小一”,意思是最小的物质是不可分的。这个最小的单元,也就是德谟克利特称为原子的东西。但是他们都没能说明原子或“最小的单元”具体是什么。之后的两千多年间,原子这个概念,只停留在哲学思想的范畴。
1897年,汤姆逊在实验中发现了电子,1911年卢瑟福由α粒子大角度弹性散射实验,又证实了带正电的原子核的存在。这样,就从实验上证明了原子的存在,以及原子是由电子和原子核构成的理论。
1932年,查德威克在用α粒子轰击核的实验中发现了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的,从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元——质子、中子和电子构成的统一的世界图像。
就在这个时候开始形成了现代的基本粒子概念。1905年,爱因斯坦提出电磁场的基本结构单元是光子,1922年被康普顿等人的实验所证实,因而光子被认为是一种“基本粒子”。1931年,泡利又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子——中微子(严格地讲是反中微子,中微子的存在是1956年由莱因斯和科恩在实验上证实的)。
相对论量子力学预言,电子、质子、中子、中微子都有质量和它们相同的反粒子。第一个反粒子——正电子是1932年,安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的,50年代中期以后陆续发现了其他粒子的反粒子。
随着原子核物理学的发展,发现除了已知的引力相互作用和电磁相互作用之外,还存在两种新的相互作用——强相互作用和弱相互作用。
1934年,汤川秀树为解释核子之间的强作用短程力,基于同电磁作用的对比,提出这种力是由质子和(或)中子之间交换一种具有质量的基本粒子——介子引起的。1936年,安德森和尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子,其质量是电子质量的207倍,这就是后来被称为μ子的粒子。μ子是不稳定的粒子,它衰变成电子、一个中微子和一个反中微子,平均寿命为百万分之二秒。
汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。1938年,凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实,发展了稍早些时候出现的同位旋的概念,建立了核力的对称性理论。
1947年,孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强作用。1947年鲍威尔等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子,其后,在加速器上也证实了这种介子的存在。
从此以后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。就在1947年,罗彻斯特和巴特勒在宇宙线实验中发现v粒子(即K介子),这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。由于它们独特的性质,一种新的量子数——奇异数的概念被引进到粒子物理中。在这些奇异粒子中,有质量比质子轻的奇异介子,有质量比质子重的各种超子。在地球上的通常条件下,它们并不存在,在当时的情况下,只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。
这些发现了的基本粒子,加上理论上预言其存在,但尚未得到实验证实的引力场量子——引力子,按相互作用的性质,可分成引力子、光子、轻子和强子四类。为了克服宇宙线流太弱这个限制,从50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段,如大型气泡室、火花室、多丝正比室等,开始了新粒子的大发现时期。
到了60年代头几年,实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多,而且发现的势头也越来越强。1961年,由盖耳-曼及奈曼类比化学元素周期表提出了,用强相互作用的对称性来对强子进行分类的“八重法”。
八重法分类不但给出了当时已经发现的强子在其中的位置,还准确地预言了一些新的粒子,如1964年用气泡室实验发现的Ω粒子。八重法很好地说明粒子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。
在此阶段中,证实了不单电子,所有的粒子,都有它的反粒子(有的粒子的反粒子就是它自身)。其中第一个带电的反超子是由中国的王淦昌等在1959年发现的。此外,还发现了为数众多的寿命极短经强作用衰变的粒子——共振态。
基本粒子大量发现,使人们怀疑这些基本粒子的基本性。基本粒子的概念,面临一个突变。
20世纪40年代到60年代,对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。经过一代物理学家的努力,量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等等现象,特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后,它已经成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本理论。
但是,量子力学还有几个方面的不足:它不能反映场的粒子性;不能描述粒子的产生和湮没的过程;它有负能量的解,这导致物理概念上的困难。量子场论是由狄喇克、约旦、维格纳、海森伯和泡利等人在相对论量子力学的基础上,通过场的量子化的途径发展出来的,它很好地解决了这三个问题。
库什和福里1947年发现的电子反常磁矩,和由兰姆等发现的氢原子能级的分裂,只有通过量子电动力学的重正化理论才能得到正确的解释。今天,量子电动力学已经经受了许多实验上的验证,成为电磁相互作用的基本理论。
并非所有的基本粒子都是“基本”的想法,最早是在1949年由费密和杨振宁提出的。他们认为,介子不是基本的,基本的是核子,而介子只是由核子和反核子构成的结合态。1955年,坂田昌一扩充了费密和杨振宁的模型提出了强子是由核子、超子和它们的反粒子构成的模型。
1961年,在实验上发现了不少共振态。1964年,已发现的基本粒子(包括共振态)的种类增加到上百种,因而使得盖耳-曼和兹韦克提出,产生对称性的基础就是构成所有强子的构造单元,它们一共有三种,并命名为夸克。
20世纪60年代以来,在宇宙线中、加速器上以及在岩石中,都进行了对夸克的实验找寻,但迄今还没有被确证为成功的报道。在60年代和70年代,有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。虽然在这些加速器上没有找到夸克。但却得到了间接的,但是更有力地说明夸克存在的证据。
与强子的数目急剧增加的情况相反,自从1962年利用大型火花室,在实验上证实了两类中微子之后,长时间内已知的轻子就只有四种,但是到了1975年情况有了改变,这一年佩尔等在正负电子对撞实验中发现了一个新的轻子,它带正电或带负电,达质子的两倍,所以又叫重轻子。与它相应,普遍相信应有另一种中微子存在,但是尚未得到实验上的证实。
夸克理论提出不久,就有人认识到强子的强相互作用和弱相互作用的研究应建立在夸克的基础上,同时还要充分考虑强子的结构特性和各种过程中的运动学特点,才能正确地解释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性质。1965年,中国发展的强子结构的层子模型,就是这个方向的首批研究之一。层子的命名,是为了强调物质结构的无限层次而作出的。在比强子更深一层次上的层子,就是夸克。近20年来,粒子物理实验和理论发展的主流,一直沿着这个方向,在弱作用方面,已有了突破性的进展,在强作用方面,也有重大的进展。
最早的弱相互作用理论,是费密为了解释中子衰变现象在1934年提出来的。弱作用宇称不守恒的发现,给弱作用理论的研究带来很大的动力。随后不久便确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应当具有的形式,而且适用于所有的弱作用过程,被称为普适费密型弱相互作用理论。
1961年,格拉肖提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论。这个理论的基础,是杨振宁和密耳斯在1954年提出的非阿贝耳规范场论。但是在这个理论里,这些粒子是否具有静止质量、理论上如何重正化等问题,没有得到解答。
1967~1968年,温伯格、萨拉姆阐明了作为规范场粒子是可以有静止质量的,还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在,而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。由于没有实验的支持,所以当时这个模型并末引起人们的重视。
1973年,美国费密实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流,之后,人们才开始对此模型重视起来。在1983年,鲁比亚实验组等在高能质子—反质子对撞的实验中发现的特性同理论上期待的完全相符规范粒子,这给予电弱统一理论以极大的支持,从而使它有可能成为弱相互作用的基本理论。
目前,粒子物理已经深入到比强子更深一层次的物质的性质的研究。更高能量加速器的建造,无疑将为粒子物理实验研究提供更有力的手段,有利于产生更多的新粒子,以弄清夸克的种类和轻子的种类,它们的性质,以及它们的可能的内部结构。
弱电相互作用统一理论日前取得的成功,特别是弱规范粒子的发现,加强了人们对定域规范场理论作为相互作用的基本理论的信念,也为今后以高能轻子作为探针探讨强子的内部结构、夸克及胶子的性质以及强作用的性质提供了可靠的分析手段。在今后一个时期,强相互作用将是粒子物理研究的一个重点。
把电磁作用、弱作用和强作用统一起来的大统一理论,近年来引起相当大的注意。但即使在最简单的模型中,也包含近20个无量纲的参数。这表明这种理论还包含着大量的现象性的成分,只是一个十分初步的尝试。它还要走相当长的一段路,才能成为一个有效的理论。
另外从发展趋势来看,粒子物理学的进展肯定会在宇宙演化的研究中起推进作用,这个方面的研究也将会是一个十分话跃的领域。
很重要的是,物理学是一门以实验为基础的科学,粒子物理学也不例外。因此,新的粒子加速原理和新的探测手段的出观,将是意义深远的。
❹ 现代物理学包括哪几部分
目前我们学物理是包括了力学,光学,热学,电磁学,原子物理学,理论力学,热力学,统计物理学,电动力学,量子力学,数学物理方法,固体物理学这些学科的
❺ 近代物理学和现代物理学分别有哪些 就大学本科的知识而言
力学、狭义相对论、机械振动,机械波,热力学
电磁学、光学、量子物理学
❻ 现代物理学领域三大理论成就
回顾了物理学发展的历史,讨论了二十一世纪物理学发展的方向。认为二十一世纪物理学将在三个方向上继续发展:(1)在微观方向上深入下去;(2)在宏观方向上拓展开去;(3)深入探索各层次间的联系,进一步发展非线性科学。可能应该从两方面去探寻现代物理学革命的突破口:(1)发现客观世界中已知的四种力以外的其他力;(2)通过审思相对论和量子力学的理论基础的不完善性,重新定义时间、空间,建立新的理论。
二十世纪即将结,二十一世纪即将来临,二十世纪是光辉灿烂的一个世纪,是个类社会发展最迅速的一个世纪,是科学技术发展最迅速的一个世纪,也是物理学发展最迅速的一个世纪。在 这一百年中发生了物理学革命,建立了相对信纸和量子力学,完成了从经典物理学到现代物理学的转变。在二十世纪二、三十年代以后,现代物理学在深度和广度上有了进一步的蓬勃发展,产生了一系列的新学科的交叉学科、边缘学科,人类对物质世界的规律有了更深刻的认识,物理学理论达到了一个新高度,现代物理学达到了成熟的阶段。
❼ 近代物理学与现代物理学的本质区别是什么
严格来说,这个问题科学的描述应该是:经典物理学和现代物理学的本质区别是什么。
下面就来进行简要分析。
什么是现代物理学?现代物理学是后牛顿时代的物理概念。“现代”一词描述的是一种需要结合量子力学理论、爱因斯坦相对论理论亦或是两者兼而有之的一种概念。一般来说,现代物理学用于指代在20世纪初期和之后开发的物理学领域的所有分支,同时我们也习惯将受20世纪早期物理学影响较大的物理分支划分在现代物理学的领域范畴。
作为物理学的两大支柱,经典物理学和现代物理学都有着极为重要的科研地位和研究价值,事实也证明,两者在科学研究中共同发挥着不可磨灭的作用,并未现代社会的发展做出了突出的贡献。
相信未来量子卫星和量子通讯的全面普及,必将为物理领域带来新的研究热潮。
❽ 简述现代物理学革命内容
19世纪末,物理学领域连续发生了三个重大事件,这就是X射线、放射性现象和电子的发现。这三大发现,使人类的认识第一次深入到了原子内部,彻底打破了原子不可分、元素不可变的传统物理学观念。以太漂移实验的零结果和黑体辐射研究中的“紫外灾难”,使经典物理学陷入不可克服的矛盾,成为推动这一时期科学发展的重要机制。 牛顿力学和麦克斯韦电磁理论,在以太问题上都遇到了根本性的困难。在牛顿力学中,任何机械运动都是相对于一个参考系进行的,如果以太弥漫于整个宇宙空间,它就是一个理想的参考系,各种运动都可以看作是相对于以太进行的。在麦克斯韦电磁理论中,电磁作用(包括光)是靠以太为介质来传递的,以太无所不在。为了验证以太的存在,物理学家进行了大量的实验和观测。1887年美国物理学家迈克耳逊和化学家莫协进行了一项搜索以太风的著名实验,但是没有找到以太风或地球与以太的相对运动。这个实验被许多人所重复,所得到的是否定以太风存在的“负结果”。1905年,爱因斯坦针对经典物理学同新的实验事实之间的矛盾,在《论动体的电动力学》一文中提出了相对性原理和光速不变原理,作为狭义相对论的两条基本原理,从而导出一系列重要结论:同时性的相对性、时缓效应、尺缩效应、光速不可逾越以及物体的质速关系式和质能关系式等。狭义相对论的建立以及1915年广义相对论的建立,从根本上突破了牛顿绝对时空的旧框框,把空间、时间和物质的运动联系了起来,引起了人类时空观的革命和整个物理学的革命。 “紫外灾难”是在研究黑体辐射的能量分布问题中产生的。1879年玻耳兹曼发现黑体辐射第一个经验定律,1893年维恩发现第二个经验定律。1900年,英国物理学家瑞利推算出一个不同的能量分布公式,后经英国物理学家金斯加以修正,合称瑞利—金斯公式:热物体的辐射强度正比于它的绝对温度,而反比于这个发射光线波长的平方。这个公式与维恩定律相反,只在长波部分才能很好地与实验符合,当波长变短时,这个公式就失效了。由于这一公式在紫区出了问题,故被称为“紫外灾难”。1900年,普朗克在玻耳兹曼统计观点启发下,大胆地提出了一个与经典物理学的连续性观念根本不同的能量子假说,认为物体在发射辐射和吸收辐射时,能量不是连续发生变化的,而是以一定数量值的整数倍跳跃式地变化,即能量的变化是一份一份的进行的。他把一份一份的能量称为“能量子”或“量子”。其数学表达式为:E=hv,E为量子,h为普朗克常数,v为频率。从能量子假说出发,普朗克成功地解释了他自己提出的辐射公式,解决了“紫外灾难”的问题。量子论的诞生,是对经典物理学理论的重大突破,它把经典物理学中一切因果关系都是在连续的基础上所建立的物理思想方法彻底地变革了。尽管在当时的物理学界对这一假说的反应冷淡,但在爱因斯坦、玻尔等科学家的推动下,量子理论获得了飞速发展,成为举世公认的科学理论。到20世纪30年代,经过德布罗意、薛定谔、海森伯、玻恩、狄拉克以及泡利等青年物理学家的努力,形成了量子力学的完整体系。量子力学的建立,是继相对论之后对古典物理学的又一次严重冲击。它使人们从根本上改变了只承认连续性和机械力学决定论的经典观念,揭示了连接与间断统一的自然观,揭示了自然规律的客观统计性,为各门科学的量子化奠定了理论基础。 肇始于19世纪末20世纪初的现代科学革命,是以相对论和量子力学的诞生为主要标志。这次革命初期主要在物理学领域发生,到20世纪中叶在各个领域得到迅速发展。
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❾ 现代物理学的现状及前景
如果说现状,那么有三大事实:第一,在一个目前最有力的理论框架下,标准模型已经建立。只剩下希格斯玻色子和引力子还未找到,但至少量子场论加上标准模型已是当今最完整最禁得住考验的理论支柱。第二,最有希望发展为终极理论的超弦理论和M理论在西方发展势头最强,尽管它们看似美妙但实际上困难重重,离所谓的终极理论还有不可预想的距离。第三,实验技术方面也难有大的突破,即便提出了更强更基本的理论,也很难在现有的技术条件下获得验证,除非实验判定理论的观念不在被坚持。再说前景。还有很多触及最基本问题的为什么,如今任然无法解答,不是说现有的理论不对,而是它们并不是最根本的,走向最终的方向并不很明朗,没人敢肯定的说M或超弦或扭量理论其中的那个就一定会走到底。现如今很可能需要一个摆脱已有理论和思维框架的新理论,就像当初提出量子化一样,打开一个新局面。这是理论上的需求。但事实上,如今和将来奔向理论的人都越来越少而选择应用的人却越来越多,在中国尤其显著。换句话说,前景取决于学术界共同意识形态的大方向,而很难再由个别出色的人所创造。
❿ 现代物理学的两大支柱是什么
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱.
量子力学(Quantum Mechanics)是研究微内观粒子的运动规律的物容理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一,而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。
相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)创立,分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。