現(xiàn)代物理學(xué)

1、原子核物理學(xué)雖然原子核的概念是盧瑟福在1911年進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗(yàn)后才提出的，在此之前很多現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也應(yīng)歸入原子核物理學(xué)的范疇，因此從歷史上看原子物理學(xué)和原子核物理學(xué)在量子力學(xué)誕生之前就早已存在。不過(guò)，原子核物理學(xué)在1932年英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯查德威克爵士發(fā)現(xiàn)中子以前一直處于經(jīng)驗(yàn)性的研究階段，這期間的代表性發(fā)現(xiàn)包括：1896年法國(guó)物理學(xué)家亨利貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性；居里夫婦于1898年發(fā)現(xiàn)放射性元素釙、1902年發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳；從鐳

2、的放射性中，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了α射線和β射線、法國(guó)物理學(xué)家保羅維拉德于1900年發(fā)現(xiàn)γ射線，而盧瑟福和貝可勒爾等人又通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步判斷了這幾種射線的本質(zhì)；1917年，盧瑟福使用α粒子（氦核）轟擊氮原子，從中得到了氫原子核。在經(jīng)歷了二十世紀(jì)二十年代的一個(gè)短暫低潮之后，量子力學(xué)的建立給原子核物理帶來(lái)了嶄新的面貌。1932年密立根的學(xué)生卡爾安德森在不了解狄拉克理論的情況下通過(guò)觀測(cè)云室中的宇宙射線發(fā)現(xiàn)了正電子。同年，查德威克在盧瑟福提出的原子核內(nèi)具有

3、中子的假說(shuō)的基礎(chǔ)上，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列粒子撞擊實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算了相應(yīng)粒子的能量。查德威克的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子核內(nèi)中子的存在，并測(cè)定了中子的質(zhì)量。中子的發(fā)現(xiàn)改變了原子核原有的質(zhì)子電子模型，建立了新的質(zhì)子中子模型。1933年，法國(guó)的約里奧居里夫婦通過(guò)用氦核轟擊鋁箔得到了磷的同位素（磷30），他們發(fā)現(xiàn)磷的同位素會(huì)衰變成硅30，這個(gè)現(xiàn)象導(dǎo)致了他們發(fā)現(xiàn)了人工放射性。1934年，意大利物理學(xué)家恩里科費(fèi)米在用中子轟擊當(dāng)時(shí)已知的最重元素——92號(hào)元素

4、鈾時(shí)，得到了一種半衰期為13分鐘的放射性元素，但它不屬于任何一種已知的重元素。費(fèi)米等人懷疑它是一種未知的原子序數(shù)為93的超鈾元素，但在當(dāng)時(shí)的條件下他無(wú)法做出判斷。同年，費(fèi)米又通過(guò)用中子和氫核碰撞獲得了慢中子，慢中子的產(chǎn)生大大加強(qiáng)了中子在原子核實(shí)驗(yàn)中的轟擊效果。1938年德國(guó)化學(xué)家?jiàn)W托哈恩和弗里茨斯特拉斯曼用慢中子轟擊鈾，從中得到了較輕的元素：鑭和鋇。哈恩將這一結(jié)果發(fā)信給當(dāng)時(shí)受納粹迫害而流亡中的好友，奧利地瑞典物理學(xué)家莉澤邁特納，稱自己發(fā)

5、現(xiàn)了一種“破裂”的現(xiàn)象。邁特納次年在玻爾的肯定下發(fā)表了論文《中子導(dǎo)致的鈾的裂體：一種新的核反應(yīng)》，將這種現(xiàn)象稱作核裂變，并為裂變提供了理論上的解釋。邁特納所用的解釋就是愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論中的質(zhì)能等價(jià)關(guān)系，從而解釋了裂變中產(chǎn)生的巨大能量的來(lái)源。她計(jì)算出每個(gè)裂變的原子核會(huì)釋放2億電子伏特的能量，這一理論解釋奠定了應(yīng)用原子能的基礎(chǔ)。同年，德國(guó)美國(guó)物理學(xué)家漢斯貝特解釋了恒星內(nèi)部的核聚變循環(huán)。粒子物理學(xué)粒子物理學(xué)介子的發(fā)現(xiàn)粒子物理學(xué)是原子物理和

6、原子核物理在高能領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，相對(duì)于偏重于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的原子核物理學(xué)，粒子物理更注重對(duì)基本粒子的物理本性的研究。就實(shí)驗(yàn)方面而言，研究粒子物理所需的能量往往要比原子核物理所需的高得多，在回旋加速器發(fā)明以前，很多新粒子都是在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的，如正電子。1935年，日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)提出了第一個(gè)重要的核子間強(qiáng)相互作用的理論，從而解釋了原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子如何束縛在一起的。在湯川的理論中，核子間的作用力是靠一種虛粒子——介子來(lái)完成的。介子所

7、傳遞的強(qiáng)相互作用能夠解釋原子核為何不在質(zhì)子間相對(duì)較弱的電磁斥力下崩塌，而介子本身具有的兩百多倍電子靜止質(zhì)量也能解釋為什么強(qiáng)相互作用相比于電磁相互作用具有短很多的作用范圍。1937年，安德森等人在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量約為電子靜止質(zhì)量207倍的新粒子——μ子，人們起初以為μ子正是湯川預(yù)言的介子，從而稱之為μ介子。然而隨著研究發(fā)現(xiàn)，μ子和原子核的相互作用非常微弱，事實(shí)證明它只是一種輕子。1947年，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的物理學(xué)家塞西爾鮑威爾等人

8、通過(guò)對(duì)宇宙射線照相發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量約為電子靜止質(zhì)量273倍的π介子，從而證實(shí)了湯川的預(yù)言。然而，關(guān)于介子如何傳遞強(qiáng)相互作用的理論則遠(yuǎn)比湯川理論所描述的復(fù)雜，描述核子內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)的理論被包含在量子色動(dòng)力學(xué)中。中微子的發(fā)現(xiàn)中微子的發(fā)現(xiàn)1914年查德威克發(fā)現(xiàn)β衰變的譜線是連續(xù)譜，這表明在β衰變中存在一部分未知的能量損失。為此，泡利于1930年提出中微子假說(shuō)：在β衰變過(guò)程中，伴隨每一個(gè)電子有一個(gè)輕的中性粒子一起被發(fā)射出來(lái)，泡利當(dāng)時(shí)將這種粒子稱作中子。

9、但隨后查德威克于1932年發(fā)現(xiàn)了“真正”的大質(zhì)量中子后，這種中性粒子后來(lái)被費(fèi)米改成了現(xiàn)在具有意大利文風(fēng)格的名字，稱作（反）中微子。1934年，費(fèi)米在此基礎(chǔ)上將產(chǎn)生電子和中微子的過(guò)程和產(chǎn)生光子的過(guò)程進(jìn)行了類比，提出中子和質(zhì)子只是核子的兩種狀態(tài)，β衰變即這兩種狀態(tài)之間的躍遷過(guò)程，從中會(huì)釋放出電子和中微子；而相對(duì)于電磁相互作用釋放的光子，釋放電子和中微子的相互作用被稱作弱相互作用。意大利物理學(xué)家維克和漢斯貝特后來(lái)用費(fèi)米的衰變理論預(yù)言了第三種β

10、衰變的形式：電子俘獲，這一預(yù)言后來(lái)也被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1953年，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的克萊德柯恩和弗雷德里克萊因斯等人利用核反應(yīng)堆的β衰變產(chǎn)生的反中微子對(duì)質(zhì)子進(jìn)行散射，通過(guò)測(cè)量得到的中子和正電子的散射截面直接證實(shí)了反中微子的存在。相關(guān)論文《自由中微子的探測(cè)：一個(gè)證實(shí)》于1956年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，這一結(jié)果獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。的約束從而無(wú)法獨(dú)立存在。在統(tǒng)合了電弱理論和量子色動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，粒子物理學(xué)建立了一個(gè)能夠描述除引力

11、以外的三種基本相互作用及所有基本粒子（夸克、輕子、規(guī)范玻色子、希格斯玻色子）的規(guī)范理論——標(biāo)準(zhǔn)模型，二十世紀(jì)中葉以來(lái)高能物理的所有實(shí)驗(yàn)成果都符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型不但無(wú)法將引力，以及近年來(lái)提出的暗物質(zhì)與暗能量包含在內(nèi)，它所預(yù)言的希格斯玻色子的存在還沒(méi)有確鑿的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，它也沒(méi)有解釋中微子振蕩中的非零質(zhì)量問(wèn)題。2008年起在歐洲核子研究組織開(kāi)始運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的主要實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹?，就是?duì)希格斯玻色子的存在性進(jìn)行驗(yàn)證；直到200

12、8年8月止，關(guān)于希格斯玻色子仍然只能經(jīng)驗(yàn)性地間接肯定其存在。凝聚態(tài)物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)是二十世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展產(chǎn)生的新興領(lǐng)域，其發(fā)展速度之快，已經(jīng)使其成為了當(dāng)今物理學(xué)中研究范圍覆蓋最廣的領(lǐng)域之一。早期的凝聚態(tài)物理是基于經(jīng)典或半經(jīng)典理論的，例如在金屬電子論中服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)的自由電子氣體模型，后來(lái)泡利在此基礎(chǔ)上引入了由費(fèi)米和狄拉克各自獨(dú)立建立的費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)使之成為一種半經(jīng)典理論，建立了金屬電子的費(fèi)米能級(jí)等概念；以及彼得德拜改進(jìn)了固

13、體比熱容的愛(ài)因斯坦模型，建立了更符合實(shí)際情形的德拜模型。1912年，勞厄、威廉亨利布拉格爵士和其子威廉勞倫斯布拉格爵士從晶體的X射線衍射提出了晶格理論，這成為了晶格結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，也標(biāo)志著近代固體物理學(xué)的開(kāi)端。二十世紀(jì)二十年代量子力學(xué)的誕生使凝聚態(tài)物理學(xué)具有了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，其立竿見(jiàn)影的成果是海森堡在1928年建立了鐵磁性的量子理論，不過(guò)對(duì)固體物理學(xué)界更有影響力的是同年他的學(xué)生、美籍瑞士裔物理學(xué)家費(fèi)利克斯布洛赫建立的能帶理論。雖然布洛赫

14、是海森堡的學(xué)生，他建立能帶理論的基礎(chǔ)卻是薛定諤方程。他從薛定諤方程的解得到啟發(fā)，推導(dǎo)出在周期勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電子的波函數(shù)是一個(gè)調(diào)幅平面波，調(diào)幅因子（布洛赫波包）具有和晶格勢(shì)場(chǎng)相同的周期性，這一定理后來(lái)被稱作布洛赫定理。布洛赫的能帶理論解釋了很多以往固體物理學(xué)無(wú)法解釋的現(xiàn)象，如金屬電阻率、正霍爾系數(shù)等，后來(lái)在英國(guó)物理學(xué)家A.H.威爾遜、法國(guó)物理學(xué)家萊昂布里淵等人的完善下，能帶理論還進(jìn)一步解釋了金屬的導(dǎo)電性、提出了費(fèi)米面的概念，它對(duì)二十世紀(jì)三十年

15、代的凝聚態(tài)物理學(xué)影響非常深遠(yuǎn)。第二次世界大戰(zhàn)后，能帶理論在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉肖克利、約翰巴丁等人于1947年12月23日制造出世界上第一只晶體管[152]，這也推動(dòng)了半導(dǎo)體物理學(xué)成為凝聚態(tài)物理學(xué)中最活躍的一個(gè)領(lǐng)域。凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展的另一個(gè)活躍領(lǐng)域是低溫方向：1911年，荷蘭物理學(xué)家?？丝┝职簝?nèi)斯發(fā)現(xiàn)水銀在4.2K的低溫時(shí)電阻率消失為零，這被稱作超導(dǎo)電性。對(duì)超導(dǎo)電性本質(zhì)的解釋始終是物理學(xué)家難以解決的一個(gè)問(wèn)題，即使

16、是在布洛赫建立能帶理論之后。1933年，德國(guó)物理學(xué)家沃爾特邁斯納在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)總保持為零，這被稱作邁斯納效應(yīng)。人們從中發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體的這種完全抗磁性實(shí)際來(lái)自固體本身的一種熱力學(xué)態(tài)，這種熱力學(xué)態(tài)正是具有超導(dǎo)電性和完全抗磁性這兩種屬性。為了進(jìn)一步解釋超導(dǎo)電性，人們?cè)岢鲞^(guò)一系列唯象理論，如二流體模型（戈特、卡西米爾，1934年）、倫敦方程（屬于經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，倫敦兄弟，1935年）、金茲堡朗道方程（金茲堡、朗道，1950年）。

17、直到1956年，美國(guó)物理學(xué)家利昂庫(kù)珀利用量子場(chǎng)論方法建立了庫(kù)珀對(duì)的概念，當(dāng)電子能量低于費(fèi)米能時(shí)，庫(kù)珀對(duì)由兩個(gè)動(dòng)量和自旋都大小相等方向相反的電子結(jié)合而形成。1957年，庫(kù)珀和巴丁、約翰施里弗三人在此基礎(chǔ)上共同提出了超導(dǎo)的微觀理論，又稱作BCS理論，至此在微觀上解釋了超導(dǎo)電性。1962年，劍橋大學(xué)的布賴恩約瑟夫森應(yīng)用BCS理論計(jì)算出基于量子隧道效應(yīng)的約瑟夫森效應(yīng)[159]。當(dāng)代天體物理學(xué)當(dāng)代天體物理學(xué)二十世紀(jì)的天體物理學(xué)是物理學(xué)中另一個(gè)發(fā)展

18、迅速的領(lǐng)域，廣義的天體物理學(xué)可以把天文學(xué)都包括在內(nèi)，而狹義的天體物理學(xué)是指十九世紀(jì)中葉以后光譜學(xué)的發(fā)展以及天體攝影和分光技術(shù)等天體觀測(cè)技術(shù)的發(fā)明，使得天文學(xué)家能夠更深入地通過(guò)可見(jiàn)光觀測(cè)探索天體現(xiàn)象的物理本質(zhì)，從而發(fā)展起的天文學(xué)和物理學(xué)的交叉領(lǐng)域。如同量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的關(guān)系，二十世紀(jì)天體物理學(xué)的快速發(fā)展得益于世紀(jì)之初的另一個(gè)重要理論——廣義相對(duì)論的建立。愛(ài)因斯坦建立廣義相對(duì)論之初，由于場(chǎng)方程的復(fù)雜性他一時(shí)還無(wú)法找到場(chǎng)方程的任何一種精

19、確解。在他研究水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的問(wèn)題中，他在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)近似計(jì)算了無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)電荷的球形質(zhì)量的引力場(chǎng)。然而就在廣義相對(duì)論建立的同時(shí)，1915年12月德國(guó)物理學(xué)家卡爾史瓦西給了他一個(gè)驚喜，史瓦西使用了球坐標(biāo)求得了這個(gè)問(wèn)題的精確解。史瓦西解預(yù)言了在引力場(chǎng)非常強(qiáng)的情形下光也無(wú)法逸出的可能性，從而在理論上證明了黑洞的存在。1930年，印度物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)錢德拉塞卡根據(jù)廣義相對(duì)論計(jì)算出質(zhì)量大于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量（錢德拉塞卡極限）的非轉(zhuǎn)動(dòng)星體會(huì)因引力

20、坍縮成為電子簡(jiǎn)并態(tài)。愛(ài)丁頓雖然在理論上支持黑洞存在的可能性，但同時(shí)認(rèn)為錢德拉塞卡的觀點(diǎn)事實(shí)上不能成立，他認(rèn)為“應(yīng)當(dāng)有某種自然定律阻止恒星出現(xiàn)這種荒唐的行為”。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家如玻爾、泡利等人都贊同錢德拉塞卡的理論，但出于愛(ài)丁頓聲望的原因，他們并沒(méi)有公開(kāi)對(duì)錢德拉塞卡表示支持。不過(guò)從某種意義上說(shuō)，愛(ài)丁頓也是正確的，當(dāng)恒星質(zhì)量大于錢德拉塞卡極限后，確實(shí)仍然會(huì)有中子簡(jiǎn)并壓力阻止恒星繼續(xù)坍縮。到了1939年，美國(guó)物理學(xué)家羅伯特奧本海默等人推算了這種