徒弟太勤奮顯得師父有點(diǎn)懶 第231章 一根鐵鏈橋(明天修)

凝聚態(tài)物理——研究物質(zhì)宏觀性質(zhì)，這些物相內(nèi)包含極大數(shù)目的組元，且組元間相互作用極強(qiáng)。最熟悉的凝聚態(tài)相是固體和液體，它們由原子間的鍵和電磁力所形成。更多的凝聚態(tài)相包括超流和玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（在十分低溫時(shí)，某些原子系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)）；某些材料中導(dǎo)電電子呈現(xiàn)的超導(dǎo)相；原子點(diǎn)陣中出現(xiàn)的鐵磁和反鐵磁相。凝聚態(tài)物理一直是最大的的研究領(lǐng)域。歷史上，它由固體物理生長(zhǎng)出來(lái)。1967年由菲立普·安德森最早提出，采用此名。

原子、分子和光學(xué)物理——研究原子尺寸或幾個(gè)原子結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，物質(zhì)物質(zhì)和光物質(zhì)的相互作用。這三個(gè)領(lǐng)域是密切相關(guān)的。因?yàn)樗鼈兪褂妙愃频姆椒ê陀嘘P(guān)的能量標(biāo)度。它們都包括經(jīng)典和量子的處理方法；從微觀的角度處理問(wèn)題。原子物理處理原子的殼層，集中在原子和離子的量子控制；冷卻和誘捕；低溫碰撞動(dòng)力學(xué)；準(zhǔn)確測(cè)量基本常數(shù)；電子在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面的集體效應(yīng)。原子物理受核的影晌。但如核分裂、核合成等核內(nèi)部現(xiàn)象則屬高能物理。分子物理集中在多原子結(jié)構(gòu)以及它們，內(nèi)外部和物質(zhì)及光的相互作用，這里的光學(xué)物理只研究光的基本特性及光與物質(zhì)在微觀領(lǐng)域的相互作用。

高能/粒子物理——粒子物理研究物質(zhì)和能量的基本組元及它們間的相互作用；也可稱為高能物理。因?yàn)樵S多基本粒子在自然界原本并不存在，只在粒子加速器中與其它粒子高能碰撞下才出現(xiàn)。據(jù)基本粒子的相互作用標(biāo)準(zhǔn)模型描述，有12種已知物質(zhì)的基本粒子模型（夸克和輕粒子）。它們通過(guò)強(qiáng)、弱和電磁基本力相互作用。標(biāo)準(zhǔn)模型還預(yù)言一種希格斯玻色粒子存在?，F(xiàn)正尋找中。

天體物理——天體物理和現(xiàn)代天文學(xué)是將物理的理論和方法應(yīng)用于研究星體的結(jié)構(gòu)和演變、太陽(yáng)系的起源，以及宇宙的相關(guān)問(wèn)題。因?yàn)樘祗w物理的范圍寬，它利用了物理的許多原理，包括力學(xué)、電磁學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、熱力學(xué)和量子力學(xué)。1931年，卡爾發(fā)現(xiàn)了天體發(fā)出的無(wú)線電訊號(hào)，開(kāi)始了無(wú)線電天文學(xué)。天文學(xué)的前沿已被空間探索所擴(kuò)展。地球大氣的干擾使觀察空間需要用到紅外、超紫外、伽瑪射線和x射線。物理宇宙論研究在宇宙的大范圍內(nèi)宇宙的形成和演變。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論在現(xiàn)代宇宙理論中起了中心的作用。20世紀(jì)早期哈勃從圖中發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹，促進(jìn)了宇宙的穩(wěn)定狀態(tài)論和大爆炸之間的討論。1964年宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)，證明了大爆炸理論可能是正確的。大爆炸模型建立在二個(gè)理論框架上：愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和宇宙論原理。宇宙論已建立了acdm宇宙演變模型，它包括宇宙的膨脹、暗能量和暗物質(zhì)。從費(fèi)米伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡的新數(shù)據(jù)和現(xiàn)有宇宙模型的改進(jìn)，可期待出現(xiàn)許多可能性和發(fā)現(xiàn)。尤其是今后數(shù)年內(nèi)，圍繞暗物質(zhì)方面可能有許多發(fā)現(xiàn)。

著名物理學(xué)家費(fèi)曼說(shuō)：“科學(xué)是一種方法。它教導(dǎo)人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，了解到了什么程度，如何對(duì)待疑問(wèn)和不確定性，證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象？”著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦說(shuō)：“發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把專業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考和工作，他必定會(huì)找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來(lái)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化。

物理學(xué)是人們對(duì)自然界中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)變的知識(shí)做出規(guī)律性的總結(jié)，這種運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)變應(yīng)有兩種。一是早期人們通過(guò)感官視覺(jué)的延伸；二是近代人們通過(guò)發(fā)明創(chuàng)造供觀察測(cè)量用的科學(xué)儀器，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，間接認(rèn)識(shí)物質(zhì)內(nèi)部組成建立在的基礎(chǔ)上。物理學(xué)從研究角度及觀點(diǎn)不同，可大致分為微觀與宏觀兩部分：宏觀物理學(xué)不分析微粒群中的單個(gè)作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經(jīng)出現(xiàn)的；微觀物理學(xué)的誕生，起源于宏觀物理學(xué)無(wú)法很好地解釋黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。它是宏觀物理學(xué)的一個(gè)修正，并隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)與理論物理的發(fā)展而逐漸完善。

其次，物理又是一種智能。

誠(chéng)如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、德國(guó)科學(xué)家玻恩所言：“如其說(shuō)是因?yàn)槲野l(fā)表的工作里包含了一個(gè)自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說(shuō)是因?yàn)槟抢锇艘粋€(gè)關(guān)于自然現(xiàn)象的科學(xué)思想方法基礎(chǔ)?！蔽锢韺W(xué)之所以被人們公認(rèn)為一門重要的科學(xué)，不僅僅在于它對(duì)客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示，還因?yàn)樗诎l(fā)展、成長(zhǎng)的過(guò)程中，形成了一整套獨(dú)特而卓有成效的思想方法體系。正因?yàn)槿绱耍沟梦锢韺W(xué)當(dāng)之無(wú)愧地成了人類智能的結(jié)晶，文明的瑰寶。

大量事實(shí)表明，物理思想與方法不僅對(duì)物理學(xué)本身有價(jià)值，而且對(duì)整個(gè)自然科學(xué)，乃至社會(huì)科學(xué)的發(fā)展都有著重要的貢獻(xiàn)。有人統(tǒng)計(jì)過(guò)，自20世紀(jì)中葉以來(lái)，在諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)、生物及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)咧?，有一半以上的人具有物理學(xué)的背景——這意味著他們從物理學(xué)中汲取了智能，轉(zhuǎn)而在非物理領(lǐng)域里獲得了成功。反過(guò)來(lái)，卻從未發(fā)現(xiàn)有非物理專業(yè)出身的科學(xué)家問(wèn)鼎諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的事例。這就是物理智能的力量。難怪國(guó)外有專家十分尖銳地指出：沒(méi)有物理修養(yǎng)的民族是愚蠢的民族！

總之，物理學(xué)是對(duì)自然界概括規(guī)律性的總結(jié)，是概括經(jīng)驗(yàn)科學(xué)性的理論認(rèn)識(shí)。

原子是化學(xué)反應(yīng)不可再分的最小微粒。一個(gè)正原子包含有一個(gè)致密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負(fù)電的電子。而負(fù)原子的原子核帶負(fù)電，周圍的負(fù)電子帶正電。正原子的原子核由帶正電的質(zhì)子和電中性的中子組成。負(fù)原子原子核中的反質(zhì)子帶負(fù)電，從而使負(fù)原子的原子核帶負(fù)電。當(dāng)質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)相同時(shí)，這個(gè)原子就是電中性的；否則，就是帶有正電荷或者負(fù)電荷的離子。根據(jù)質(zhì)子和中子數(shù)量的不同，原子的類型也不同：質(zhì)子數(shù)決定了該原子屬于哪一種元素，而中子數(shù)則確定了該原子是此元素的哪一個(gè)同位素。[3]原子構(gòu)成分子而分子組成物質(zhì)中同種電荷相互排斥，不同種電荷相互吸引。

原子直徑的數(shù)量級(jí)大約是101m。原子的質(zhì)量極小，其數(shù)量級(jí)一般為1027kg，質(zhì)量主要集中在質(zhì)子和中子上。原子核外分布著電子，電子躍遷產(chǎn)生光譜，電子決定了一個(gè)元素的化學(xué)性質(zhì)，并且對(duì)原子的磁性有著很大的影響。所有質(zhì)子數(shù)相同的原子組成元素，每種元素大多有一種不穩(wěn)定的同位素，可以進(jìn)行放射性衰變。

關(guān)于物質(zhì)是由離散單元組成且能夠被任意分割的概念流傳了上千年，但這些想法只是基于抽象的、哲學(xué)的推理，而非實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)觀察。隨著時(shí)間的推移以及文化及學(xué)派的轉(zhuǎn)變，哲學(xué)上原子的性質(zhì)也有著很大的改變，而這種改變往往還帶有一些精神因素。

盡管如此，對(duì)于原子的基本概念在數(shù)千年后仍然被化學(xué)家們采用，因?yàn)樗軌蚝芎?jiǎn)明地闡述一些化學(xué)界的現(xiàn)象。

原子論是元素派學(xué)說(shuō)中最簡(jiǎn)明、最具科學(xué)性的一種理論形態(tài)。英國(guó)自然科學(xué)史家丹皮爾認(rèn)為，原子論在科學(xué)上“要比它以前或以后的任何學(xué)說(shuō)都更接近于現(xiàn)代觀點(diǎn)”。原子論的創(chuàng)始人是古希臘人留基伯（公元前500～約公元前440年），他是德謨克利特的老師。古代學(xué)者在論及原子論時(shí)，通常是把他們倆人的學(xué)說(shuō)混在一起的。留基伯的學(xué)說(shuō)由他的學(xué)生德謨克利特發(fā)展和完善，因此德謨克利特被公認(rèn)為原子論的主要代表。

德謨克利特認(rèn)為，萬(wàn)物的本原或根本元素是“原子”和“虛空”?！霸印痹谙ＥD文中是“不可分”的意思。德謨克利特用這一概念來(lái)指稱構(gòu)成具體事物的最基本的物質(zhì)微粒。原子的根本特性是“充滿和堅(jiān)實(shí)”，即原子內(nèi)部沒(méi)有空隙，是堅(jiān)固的、不可入的，因而是不可分的。德謨克利特認(rèn)為，原子是永恒的、不生不滅的；原子在數(shù)量上是無(wú)限的；原子處在不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，它的惟一的運(yùn)動(dòng)形式是“振動(dòng)”，原子的體積微小，是眼睛看不見(jiàn)的，即不能為感官所知覺(jué)，只能通過(guò)理性才能認(rèn)識(shí)。

經(jīng)過(guò)二十幾個(gè)世紀(jì)的探索，科學(xué)家在17世紀(jì)18世紀(jì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了原子的真實(shí)存在。19世紀(jì)初英國(guó)化學(xué)家j.道爾頓在進(jìn)一步總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了具有近代意義的原子學(xué)說(shuō)。這種原子學(xué)說(shuō)的提出開(kāi)創(chuàng)了化學(xué)的新時(shí)代，他解釋了很多物理、化學(xué)現(xiàn)象。

原子是一種元素能保持其化學(xué)性質(zhì)的最小單位。一個(gè)原子包含有一個(gè)致密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負(fù)電的電子。原子核由帶正電的質(zhì)子和電中性的中子組成。原子是化學(xué)變化的最小粒子，分子是由原子組成的，許多物質(zhì)是由原子直接構(gòu)成的。

原子的英文名是從希臘語(yǔ)轉(zhuǎn)化而來(lái)，原意為不可切分的。很早以前，希臘和印度的哲學(xué)家就提出了原子的不可切分的概念。17和18世紀(jì)時(shí)，化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)的根據(jù)：對(duì)于某些物質(zhì)，不能通過(guò)化學(xué)手段將其繼續(xù)的分解。19世紀(jì)晚期和20世紀(jì)早期，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了亞原子粒子以及原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由此證明原子并不是不能進(jìn)一步切分。量子力學(xué)原理能夠?yàn)樵犹峁┖芎玫哪?p/> 932年，約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)，這種射線能從石蠟中打出質(zhì)子；同年，盧瑟福的學(xué)生詹姆斯·查得威克（james

插dwick）認(rèn)定這就是中子[8]，而同位素則被重新定義為有著相同質(zhì)子數(shù)與不同中子數(shù)的元素。

1950年，隨著粒子加速器及粒子探測(cè)器的發(fā)展，科學(xué)家們可以研究高能粒子間的碰撞。他們發(fā)現(xiàn)中子和質(zhì)子是強(qiáng)子的一種，由更小的夸克微粒構(gòu)成。核物理的標(biāo)準(zhǔn)模型也隨之發(fā)展，能夠成功的在亞原子水平解釋整個(gè)原子核以及亞原子粒子之間的相互作用。

1985年，朱棣文及其同事在貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)，能夠使用激光來(lái)冷卻原子。威廉·丹尼爾·菲利普斯團(tuán)隊(duì)設(shè)法將納原子置于一個(gè)磁阱中。這兩個(gè)技術(shù)加上由克洛德·科昂唐努德日?qǐng)F(tuán)隊(duì)基于多普勒效應(yīng)開(kāi)發(fā)的一種方法，可以將少量的原子冷卻至微開(kāi)爾文的溫度范圍，這樣就可以對(duì)原子進(jìn)行很高精度的研究，為玻色愛(ài)因斯坦凝聚的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[11]。

歷史上，因?yàn)閱蝹€(gè)原子過(guò)于微小，被認(rèn)為不能夠進(jìn)行科學(xué)研究。2012年，科學(xué)家已經(jīng)成功使用一單個(gè)金屬原子與一個(gè)有機(jī)配體連接形成一個(gè)單電子晶體管。在一些實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)激光冷卻的方法將原子減速并捕獲，這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇?lái)對(duì)于物質(zhì)更好的理解。

薛定諤（erwin

sger）使用路易斯·德布羅意（llie）于1924年提出的波粒二象性的假說(shuō)，建立了一個(gè)原子的數(shù)學(xué)模型，用來(lái)將電子描述為一個(gè)三維波形。但是在數(shù)學(xué)上不能夠同時(shí)得到位置和動(dòng)量的精確值。沃納·海森堡（werner

heisenberg）提出了著名的測(cè)不準(zhǔn)原理。這個(gè)概念描述的是，對(duì)于測(cè)量的某個(gè)位置，只能得到一個(gè)不確定的動(dòng)量范圍，反之亦然。盡管這個(gè)模型很難想像，但它能夠解釋一些以前觀測(cè)到卻不能解釋的原子的性質(zhì)，例如比氫更大的原子的譜線。因此，人們不再使用玻爾的原子模型，而是將原子軌道視為電子高概率出現(xiàn)的區(qū)域（電子云）。