物理学：从经典到现代的演变之路，本文主要内容关键词为：之路论文,物理学论文,经典论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学是建立在大量实验事实的基础上的。实验的特色在于精密而定量的测量，且多半在可控制和可重复的条件下进行。只有在取得大量经验规律后，才能建立融会贯通的物理体系（一般均采用数学形式表达），并要求针对特定问题推出具体预言，再通过进一步实验加以甄别，即证实或证伪。当然，随着研究范围的扩大、研究程度的深化和测量精度的提高，又会发现有些现象与原有理论相悖，导致对原有理论的修正，在某些情况下甚至推翻原有理论，建立新理论。近来由于计算技术的飞速发展，介乎实验和理论推导之间的计算模拟也发挥了愈来愈重要的作用。
经典物理学
经典物理学为宏观世界的物理规律，奠基最早，到19世纪末已基本上完备地建立起来。由于人类生活在宏观尺度的世界里，经典物理学的重要性是不言而喻的：它一直是物理学教育的重要组成部分，也构成许多工程技术的理论基础。
经典力学
17世纪经典力学体系的确立，是物理学第一次伟大的综合。它是通过将开普勒总结出的行星运动规律，与伽利略揭示的地面上落体与抛物运动规律概括在一起后才建立起来的。具体说，是牛顿建立的两个定律——运动定律与万有引力定律。运动定律就是在力作用下物体怎样运动的规律；万有引力是一种特定的物体之间存在的基本相互作用。两定律之所以结合运用，是因为行星或地球上抛物运动都离不开引力的影响。
同时，牛顿也运用自己发明的数学方法（即微积分）来求解具体的力学运动方程。这体现了牛顿力学的威力。比如，用这套方法可根据现在轨道上行星位置，轻而易举求出千百年前或千百年后它们的位置，从而开拓了天体力学这一学科。海王星的发现史就充分显示了这一点。人们发现天王星轨道偏离了理论要求，问题在哪里呢？结果认为牛顿定律无误，而是在天王星轨道外面还有一颗星，对它造成影响。果然，人们在预计的位置附近发现了这颗星，命名为海王星。
到19世纪，经典力学新的发展表现为一些科学家重新表述了牛顿定律，包括拉格朗日方程组、哈密顿方程组，形成了分析力学。这些重新表述形式不一，实质并没有改变。在不改变实质的条件下，用新的、更简洁的形式来表述牛顿定律，这是一个方面。
另一个方面，就是将牛顿定律推广到大量质点构成的系统：首先建立了刚体力学，随后又出现弹性力学、流体力学等。这一方面20世纪有更大发展，特别是流体力学、空气动力学和航空技术的发展密切相关，并促进了喷气技术，故而经典力学构成了航天技术的理论基础。机械振动在媒质中的传播构成声波，19世纪后半叶瑞利建立了声学的基本理论。到20世纪声波的频段从可听声
体（如海水）和固体，一些交叉学科如建筑声学、语言声学、电声学等次第建立起来。
经典电磁学
经典电磁学的对象是宏观电磁现象。最初是经验性的库仑定律，用以表达电荷间的相互作用，也表达磁极之间的相互作用。随着奥斯特的电流磁效应、安培的电流间相互作用规律及法拉第电磁感应定律的陆续发现，电与磁连通成一体。最后，19世纪中叶，麦克斯韦提出统一的电磁场理论，概括了所有的宏观电磁现象的基本规律。它与力学规律很不同，力学考虑的相互作用，特别是引力（据牛顿设想）是超距作用，没有力的传递问题（当然用现代观点看引力也应有传递）。现从粒子的超距作用改成电磁场的场相互作用，在观点上有很大变化，最终导致了麦克斯韦电磁波的概念，电场和磁场不断相互作用造成电磁波的传播，后来赫兹在实验室中证实电磁波的发射。
另外，电磁波不但包括无线电波，实际上有很宽的频谱，很重要的一部分就是光波。电磁理论的提出使原本独立发展的光学变成电磁学的分支。电、磁、光得到统一，这在技术上有重要意义：发电机、电动机几乎都建立在电磁感应基础上，电磁波的传播导致现代无线电技术，电磁学至今在技术上起着主导作用。
早期光学研究的成果也很有价值。对光的传播、反射、折射等现象的研究导致几何光学的建立。有关光的干涉、衍射和偏振等现象的研究则导致物理光学的建立。光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子极其有效的方法，光谱研究则取得了有关原子与分子结构的信息，为随后发展起来的原子与分子物理奠定了坚实的基础。到20世纪，电磁波的频谱范围又进一步
经典热学
热现象的研究导致热学的建立，它涉及宏观与微观两个层次。根据热力学两大基本定律（第一定律，即能量守恒律；第二定律即熵恒增律），可推导出热力学的各种关系式，制约宏观的热力学过程。但科学家仍不满足，还企图从分子和原子的微观层次上阐明物理规律（当然，由于分子数量极其巨大，不可能求出每个分子的速度和位置）。气体分子动理学便应运而生，用以阐述气体物态方程、气体导热性与黏滞性等物性参量的微观基础。进一步就是麦克斯韦、玻尔兹曼与吉布斯所发展的经典统计力学。热力学与统计物理的发展，促使物理学家接触到具体的物性问题，加强了物理学与化学的联系，建立了物理化学这门交叉学科。传统的热力学与统计物理只探讨平衡态之间的可逆过程，到20世纪被推广到不可逆过程和非平衡态，与之相应的是涉及凝聚态物质的物理动理学也得到了发展。
向现代物理学的转折
相对论
19世纪的科学家不满足用麦克斯韦方程组来解释电磁现象，热衷于采用机械模型说明问题，即使是大师麦克斯韦本人也不例外。以太被引入作为真空中传播电磁波的媒质。迈克耳孙与莫雷设计了精巧的实验来验证物体和以太的相对运动，取得了零的结果。另外，在经典力学中，不同惯性系之间的变换关系为伽利略变换，这与经典电磁学矛盾。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，其物理洞见在于摒弃不必要的以太假设，并肯定了经典电磁学，否定牛顿的绝对时空观，认为空间、时间与运动有关。具体说是：真空中光速不变，不同惯性系之间的变换关系为洛伦兹变换，并首创性地提出了质量与能量的对等关系。相对论将经典力学修正后成功地用于高速运动情形。
牛顿力学的另一局限性，表现在它不能圆满地解释强引力场中物体的运动，这从它无法定量解释水星轨道近日点进动问题而初露端倪；另一带根本性的问题是它对引力的存在没有任何理论解释。1916年，爱因斯坦的广义相对论应运而生。其出发点在于肯定惯性质量与引力质量等同的等效原理（已为实验证实），进而提出一切参考系均有相同的物理规律这一广义相对性原理，而引力被理解为空间弯曲的必然后果。广义相对论成功地预言了一些效应，如强引力场中光线的弯曲，引力场与光谱线频移的关系。由于广义相对论是针对强引力场和大质量物体而提出的，因而广泛应用于天体物理学，也构成现代宇宙论的基础。
量子物理学
如果说相对论消除了经典物理学的内在矛盾并推广其应用范围，那么量子论就开启了微观物理学的新天地。19世纪，化学家道尔顿提出原子论，物理学家也提出原子-分子微观运动的概念来构筑分子动理学和统计物理学，其中玻尔兹曼贡献尤大。爱因斯坦于1905年提出布朗运动理论，为分子运动的图像提供有力旁证。随后，佩兰（J.B.Perrin）的实验观测得到更确凿的证据。
在明确存在微观世界后，进一步的问题在于探索其物理规律。1895年，伦琴发现X射线，后X射线成为揭示物质微观结构的重要工具；1896年贝克勒尔发现放射性，随后居里夫妇发现强放射性元素镭，卢瑟福确认了α，β，γ射线的本质，这些工作揭开了原子核科学研究的序幕。1897年，汤姆孙发现电子，这是最早发现的一种基本粒子，后也被作为重要工具用于研究物质的微观结构，而操纵电子的器件成为现代信息技术的基础。这些重大发现都获得了诺贝尔奖。
如果说，原子与分子的存在意味着揭示物质结构在微小尺度上具有不连续性，那么早期量子论则揭示了能量在微小尺度上的不连续性。1900年，普朗克为拟合黑体能量分布的实验数据，在经典物理学解释无效之后“铤而走险”，提出包括作用量子h的量子论。1905年，爱因斯坦根据光电效应存在能量阈值的规律，更明确地提出了具有能量为hv的光子这种基本粒子。1911年，卢瑟福根据金箔对α粒子的散射实验结果，提出了有核原子模型：正电荷集中在原子核这一微小区域内，而外围则为电子环绕。1913年，玻尔提出量子论的原子模型，认为原子中的电子处于确定的轨道上，是为定态，定态之间的量子跃迁则导致发光。玻尔用这种半经典的量子理论相当圆满地解释了氢原子的线系光谱，面对更复杂的原子光谱问题就遇到了困难。科学家需要改弦易辙，发展更全面的量子理论。
1924年，德布罗意正确地指出，正如电磁波也具有粒子性质（光子），具有粒子性质的电子等也将具有波动性。1925—1926年，海森伯与薛定谔分别完成了量子力学的两种表述：矩阵力学与波动力学，强调了波动与粒子的二像性。电子衍射的实验结果证实了电子具有波动性，而量子力学的理论全面地解读了纷纭繁复的原子光谱实验结果，一举解决了原子结构问题，并为化学元素周期表奠定了理论基础。随后狄拉克将非相对论的薛定谔方程推广到（狭义）相对论情形，建立了狄拉克方程，为量子力学作了重要的补充。这样，微观世界的物理规律终于确立。
处理多粒子的量子统计力学也在这段时间内建立起来。由于微观粒子具有不可分辨性，而且粒子具有自旋，自旋为h/2π的半整数倍的粒子（费米子）服从费米-狄拉克统计；自旋为h/2π整数倍的粒子（玻色子）则服从玻色-爱因斯坦统计。
现代物理学
物理学在量子力学确立后进入了全新时期。这里就以实验和理论这两条主线，对此做一粗略介绍。
实验技术
20世纪是实验技术突飞猛进的时期。早期卢瑟福的α粒子散射实验，为随后的核物理与粒子物理研究树立了样版。但技术上的改进是多方面的，轰击的粒子束有质子、中子、电子和各种离子等。1930年代初，中子被发现后，由于其散射截面大，容易引起核反应，受到学术界的重视。费米及其合作者系统地用中子来轰击周期表中不同元素，发现了一系列的核反应和新的放射性元素。1938年，哈恩与迈特纳终于发现和确认铀的裂变。随后原子核裂变的链式反应得到实现，导致了裂变反应堆的问世。它为实验技术提供了新的手段，又为裂变能的军事与和平利用鸣锣开道。随后，轻元素的聚变提供了另一种核能源。
由于天然放射性元素发射的粒子能量太低，束流也不够强，不能适应实验物理的要求，1930年代，加速器技术应运而生。早期有高压倍加器和静电加速器，主流是劳伦斯开创的回旋加速器及其变型。以后加速器的能量愈估愈高，已从早期的兆电子伏量级升高到如今的太电子伏。一代代加速器为核物理和粒子物理研究立下汗马功劳，发现了几百种粒子。与之并行发展的还有粒子检测技术，从早期的盖革计数器、云雾室，到照相乳胶、气泡室、火花室和闪烁晶体列阵等。虽然技术的进展引人注目，但许多实验的基本思路，如通过质子对高能电子的深度非弹性散射来论证质子具有夸克结构，仍和卢瑟福的原型实验十分相似。值得注意的是，加速器与反应堆也被用于非核物理学及其他科学研究，同步辐射和高通量中子源就是例证。
四种基本力的主要特征
另一高速发展的基于物理的观测技术是天文望远术。光学望远镜愈做愈大；射电望远镜在二战中由雷达技术推动而发展起来，也朝向巨型发展；而依据射电望远镜发展起来的综合孔径技术也反馈到光学望远镜的技术中去。新波段，如红外、X线和γ射线的望远技术得到了发展，还有新的检测技术如CCD列阵。为超越大气层的吸收和干扰，人们将以哈勃、爱因斯坦、康普顿等命名的望远镜放入太空。可以说当代也是天体物理学的黄金时代。大量天体谱线红移数据、3K微波背景、脉冲星、类星体及γ射线暴等重大发现，为理论天体物理和膨胀宇宙论提供了大量数据。
20世纪二三十年代，光谱学研究为原子物理的奠基立下汗马功劳。二战中雷达技术的发展又为微波波谱及磁共振的研究提供机遇。1950年代初，首先在微波频段实现了受激发射，随后转移到光学频段，导致激光器的问世。激光技术引起了光学和光谱学的一场革命，量子光学因此诞生。应指出，早在1917年，爱因斯坦就提出了受激发射理论，而实验室中的实现却延迟到40年后。激光技术为小型精巧的实验研究提供了机会。
X射线衍射和由之衍生的电子衍射与中子衍射，导致了晶体结构分析的发展。它为凝聚态物理和材料科学奠定基础，而且大大促进化学、生物学和矿物学研究。这一领域的科学家获诺贝尔奖达二十多次。电子显微术超越光学显微术的分辨极限，并实现原子尺度成像。1980年代后，扫描隧道显微术发展成为花样繁多的显微探针技术，不仅实现了原子尺度的成像，还实现了多种原子尺度的测量和操纵技术，充分显示了小规模精巧创新的实验技术仍富有生命力。
为消除热运动对凝聚态物质中许多现象的干扰，将试样冷却到低温下进行研究成为重要手段。现代低温技术始于氦的液化（4.2开），进一步采取稀释致冷机可达毫开的温度，再进行核退磁致冷，可达微开量级。近年来发展起来的激光冷却，再加上蒸发致冷，可使原子气体达到微开以下的温度。低温物性的研究取得许多重要成果：金属与合金的超导电性，[4]He液体和[3]He液体的超流动性，多种非常规的超导性（如有机化合物、重费米子、铜氧化物超导电性，最后一种已超出低温范围）。1995年起，又在微开温度以下观测到碱金属气体的玻色-爱因斯坦凝聚，随后，相位相干的原子束得到了实验演示，即所谓原子波激射（atom laser）。
其他一些极端条件也受到科学界的重视。高压技术即为一例。利用压砧-圆筒装置可获得高达8吉帕的静态高压，可用来人造金刚石。金刚石钻室技术可以微区内产生直到260吉帕的静态高压，成为高压物理学研究的主要工具。利用爆炸可获得数百到数千吉帕的动态高压。1996年，科学家利用高温下的动态高压技术观测到液态氢从绝缘体到金属的转变，成为实测到金属氢的首例。高压技术可以模拟地层深处与行星内部的条件，对于地球科学和行星科学颇有意义。
强磁场技术也为物性研究的重要手段。恒定的强磁场可以介质冷却的电磁铁或超导线圈产生，单独使用可达10～20特的量级，混合使用最高可达30特。可以用脉冲电产生50～200特脉冲强场，而爆炸法则可高达1300特。
激光超短脉冲技术则提供瞬态过程的物理和化学信息，时间间隔可压缩到飞（10[-15]）秒的量级。也可以利用超短脉冲的光场产生瞬态的强电场与强磁场来模拟天体物理的一些条件。
晶体纯度和完整性对物性有重要影响，促使固体制备技术有较大发展：单晶拉制、区熔提纯、控制掺杂等技术成功用于半导体制备。1947年晶体管的发明，也许是20世纪中物理学家所做出的取得最大经济与社会效益的一项成就。1970年代后，超高真空技术成为实验室中的常规手段，在超高真空下的结构与能谱测试手段相继问世，开拓了表面物理的新领域。以分子束外延为代表的当代薄膜与异质结制备技术的开发，引起量子纳米结构（量子阱、量子线与量子点等）的热潮，并向磁性材料（巨磁阻效应）和超导电体方面延伸。整数与分数量子霍尔效应、介观量子输运等新效应的发现，显示了凝聚态物理尚大有可为。
理论与计算
在量子力学建立之后，理论发展就分道扬镳，其中一条道路是深入到更加微小尺度的世界中去。首先发展的是原子核结构和动力学理论。虽然核子之间存在强相互作用，但基于平均势场中作有效单粒子运动的壳模型也取得成功。还有强调核的集体行为的液滴模型和复合核模型，也有将单粒子运动和集体运动结合起来的综合模型，核子配对的相互作用玻色子模型等颇成功地说明原子核的某些性质。
进入更深层的物质结构就到达了粒子物理学的研究领域。1950和1960年代，除核子以外，又发现大量的强子（具有强相互作用的粒子），其中多数不稳定。1964年，盖尔曼等提出强子的夸克模型，认为强子并非基本粒子，而是由具分数电荷（1/3或2/3电子电荷）、还具有色荷（红、蓝、绿三种颜色之一）的夸克所构成。质子的夸克结构已为实验证实。理论预言三色六味的各种夸克一一被实验揭示，最后一种顶夸克是1995年才发现的。独立存在的自由夸克一直未观测到，科学家又提出夸克禁闭模型来说明这一事实。
到20世纪中叶，已明确自然界只有四种基本相互作用，即引力、电磁力、弱力与强力。其中引力和电磁力是长程的，而弱力与强力是短程的，限于原子核范围内。爱因斯坦晚年致力于统一场论，试图将引力和电磁力统一起来，未获成功。量子力学建立后，处理量子体系与相互作用场的理论（量子场论）得到了发展。首先是处理电磁相互作用的量子场论，即量子电动力学。在1940年代末，利用重正化消除发散困难，使量子电动力学的理论预言得到了高精确度的实验证实（有效数字高达十几位）。杨振宁等提出规范场理论，为量子场论的进一步发展铺平了道路。随后，处理强相互作用的量子场论、量子色动力学得到发展。弱相互作用的理论始于费米的β衰变理论。1950年代中，杨振宁、李政道与吴健雄的工作确证了在弱相互作用中宇称不守恒；1960年代末，格拉肖、温伯格与萨拉姆成功地将电磁相互作用与弱相互作用统一起来。在量子场论中，一些粒子被理解为场的激发态，而另一些粒子则成为传递相互作用的玻色子。进一步探索各种相互作用的统一理论尚在进行中。大统一理论企图将统一的范围包括强相互作用，尚有待实验证实。进而将引力包括在内的超大统一理论的设想也被提出。
三代夸克与轻子的粒子模型，量子色动力学与电-弱统一理论，被统称为粒子物理学的标准模型，在概括和预言实验事实方面取得了非凡成功。它预言了62种基本粒子，其中60种已被发现（只剩下希格斯玻色子与引力子尚待发现）。但标准模型仍带有唯像性质，它包含十几个参量，且对粒子质量不提供理论解释。如何超越标准模型，从更根本的微观模型来解释粒子物理，并将量子力学与广义相对论融合起来，自然成为对理论物理学家的重大挑战。这方面努力以超弦理论最引人注目。这一理论极其精巧，也推动了相关数学问题的研究，但最终如何评价尚有待于实践检验。
当代天文学研究总结出来的大爆炸理论被称为宇宙论的标准模型。按此理论设想，宇宙起源于100多亿年前的一次大爆炸：原先是时空奇点（密度和曲率却无限大），各种相互作用统一在一起。到10[-44]秒，发生了引力与其他相互作用分离的对称破缺，到10[-36]秒发生强力与其他相互作用分离，到10[-10]秒又发生弱力与电磁力的分离，成为如今四种相互作用并存的世界。到10[-6]秒时，开始合成强子，到3分钟后形成原子核，再逐步形成各种原子及星体与星系，大爆炸宇宙论是建立在若干天文学观测的结果上的：如哈勃定律所描述的宇宙膨胀，3K宇宙背景辐射的发现，星体一些元素的丰度数据。当然许多问题尚有待澄清。
量子力学建立之后，另一条发展道路在于进入较大尺寸的物质体系。将量子力学应用于分子，建立了量子化学；将量子力学与统计物理学应用于固体，建立了固体物理学，随后发展为凝聚态物理学。涉及这些问题，需明确区分量子力学和经典物理学的各自适用范围。通常提法是量子力学适用于微观体系，而经典物理学适用于宏观体系，这显然不够精确，因为也存在宏观量子体系。对于特定粒子构成的系统，可采用量子简并温度（即粒子的德布罗意波长等于粒
级（A为原子质量数）；对于轻元素（如氦与氢），在低温下要考虑量子力学效应。因而在通常情况下对于大量原子核（或离子）与电子的混合体系，可采用量子力学和经典物理学的理论方法分别处理电子与原子核两种子系统，凝聚态物理学和量子化学由于大量采用这种混合处理方案而取得成效。应指出，这类理论涉及相互作用粒子的多体问题。基于有效场单电子近似的固体能带理论显然很有成效；引入适度的相互作用发展起来的费米液体理论、巡游电子铁磁性理论和BCS超导理论也成绩斐然；但强关联电子体系（包括高温超导体）仍是一根硬骨头。
如果仅关注原子（或离子）与分子常温下的位形与动力学问题，那么采用经典物理学方法是无可非议的，正如当代液体物理学和软凝聚态物理学所做的那样。当然，如果涉及键合的细节和电子的跃迁，还是需要量子力学。低温下的量子流体
突出体现了量子力学效应。在气体中要体现这种效应，由于原子间距，简并温度要压得很低。进入1990年代后，方始观测到预期效应，原子束光学和玻色-爱因斯坦凝聚都是例证。特高密度物质，如中子星，简并温度高达10[10]开，可能使其内部呈现超流性等量子力学效应。
应该指出，当代也是经典物理学复兴的时代。在相变与临界现象领域，研究了具有长程涨落的经典统计体系，呈现了普适性和标度律，发展了重正化群理论。混沌、分形、孤子等概念，在交叉科学中获得广泛应用，成为理解复杂性的钥匙，也为解决湍流这个长期悬而未决的难题提供了有意义的线索。
电子计算机突飞猛进的发展，对物理学产生了异乎寻常的影响。量子化学与凝聚态电子理论的从头（ab initio）计算方案变得切实可行，促进了计算材料科学这门新的交叉学科的发展。分子动理学、蒙特卡罗方法乃至元胞自动机，提供了鲜明生动的物理图像和信息。以至于有些科学家认为，计算和计算机模拟已成为可与实验和理论并立的科学研究的第三根支柱。
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