现代物理学的新进展

第四节　现代物理学的新进展

人只有献身社会，才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义。

——爱因斯坦（美国）

20世纪30年代以来，继相对论和量子力学的创立之后，现代物理学取得了一系列新的成就。原子核物理学、粒子物理学、凝聚态物理学等学科学先后发展起来，形成了现代物理学空前发展的新局面。

（一）原子核物理学

原子核物理学是研究原子核的结构性质和变化规律的学科。

19世纪末，电子和元素天然放射性的发射，打破了原子核不可分的经典物理学观念，它使人们认识到原子核还是有内部结构的。20世纪开始，人们就不断探索原子核内部结构，提出了各种原子结构模型。1934年，美籍意大利物理学家费米（E.Fermi，1847～1897年）等人首先发现了重核裂变现象。核裂变又使科学家们找到了实现链式反应的可能性。所谓链式反应就是当中子轰击铀核使核发生分裂时，又有新的中子产生从而再轰击别的铀核，使这一反应像链条一样一环扣一环持续下去。随着规模的越来越大，出现雪崩式的核爆炸，它会产生几百万度高温，几十万个大气压的压力。原子弹便是基于这一原理制成的。

图3-11　费米

铀核裂变的发现和链式反应的实现，揭开了原子能时代的序幕，标志着原子核物理学进入了一个新的发展阶段。后来科学家们又发现比重核裂变释放大几十倍的轻核聚变，使人类获得了利用核能的一条更远大前景的途径。

（二）物质的微观探索

在宇宙线研究和高能加速器实验研究中，科学家发现了数以百计的不同种类的粒子。除质子、中子、电子之外，还有中微子、正电子，其他粒子的反粒子以及介子、超子等等。现代物理学把比原子核更小的粒子统称为基本粒子。其中“基本”只是相对而言的，并不是指不可分的物质的最后组合。基本粒子按照其质量、寿命、自旋以及参与的相互作用等性质，可分为轻子、强子，以及相互作用的传递子等。这些基本粒子所组成的基本粒子的世界中存在着四种相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力作用在微观世界中太弱因此可以不考虑。

①引力相互作用——媒介粒子：引力子/强度：最弱/作用距离：长

②电磁相互作用——媒介粒子：光子/强度：强/作用距离：长

③强相互作用——媒介粒子：胶子和介子/强度：最强/作用距离：短

④弱相互作用——媒介粒子：中间玻色子/强度：较弱/作用距离：短

基本粒子如此之多，难道它们真的都是最基本、不可分的吗？近40年来大量实验事实表明至少强子是有内部结构的。

图3-12　盖尔曼

1964年美国物理学家盖尔曼（Gellmann，1929～）提出了“夸克模型”。认为所有强子都是由带分数电荷且具有一定对称性质的上夸克、下夸克、奇异夸克和它们的反夸克所组成。原子是由原子核和电子构成的，原子核是由质子和中子构成的，质子和中子是由什么构成的呢？这的确是轮中之轮！“夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而它就用了这个幽默的词。强子是由夸克构成的。古希腊人认为，一切物质都是由为数不多的基本粒子（即他们所谓的“原子”）构成。这一思想在现在已被证明是错误的。基本粒子是否就是夸克？它们还能继续再分下去吗？

随着粒子物理学的发展，人们对物质结构的认识不断深入。20世纪70年代末80年代初，在粒子物理的理论探索中，有许多工作者探讨夸克和轻子的内部结构，并提出了各种可能的“亚夸克”模型。目前，人们对基本粒子的研究仍在继续。

（三）凝聚态物理学

凝聚态通常指固态和液态，这两种物质中的原子（或分子）之间有很强的内聚力。凝聚态物理学是研究凝聚态物质的微观结构、微观运动及其物理性质的学科。凝聚态物理学目前已形成的分支有金属物理学、半导体物理学、电介质物理学、磁学、低温物理学、高压物理学、发光学、晶体学、红外线物理学等。此外还有一些新兴的活跃领域，如表层物理学，液晶、有机固体和高分子物理学，矿物物理学等。

（四）当代的场理论

从物质间的相互作用是由场（场或量子）来传递的观念出发，统一地描述和揭示基本相互作用的共同本质和内在联系，以建立相应的统一场理论，也是物理学研究的一个重要课题。

迄今为止，科学家将人类所认识到的各种物理现象所表现的相互作用归结为前面所说的四种基本相互作用。当代的场理论主要包括电弱统一理论、大统一理论和超弦理论。

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【思考题】

1基本粒子之间存在着哪四种相互作用？

2.夸克理论的基本观点是什么？

3.什么为凝聚态物理学？

【注释】

[1]《纪念爱因斯坦文集》，上海：上海科技出版社，1979年版，第21页。

[2]转引自李思孟、宋子良主编《科学技术史》，武汉：华中科技大学出版社，2000年版，第282页。