人类文明课件

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1、20世纪物理学遗留的问题及其展望物理102–19–李姚说过,现代数学的书可以分成两种，一种是看了一页看不下去的，另一种是看了一行看不下去的。杨振宁物理又何尝不是呢？以下内容，纯属网络收集，道听途说，如有任何错误。。。。。。欢迎同学交流指正。距1905年爱因斯坦建立狭义相对论已百年有余.这一百多年是人类社会发展和科学技术发展最迅速的一个百年,也是物理学发展最迅速的一个百年.在这一百年中发生了物理学革命,建立了相对论和量子力学,完成了从经典物理学到现代物理学的转变.在20世纪二三十年代以后,现代物理学在深度和广度上有了蓬勃的发展,产生了一系列的新学科、交叉学科和边缘学科

2、,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.回顾上一个世纪之交物理学发展的情况,思考其发展规律,对我们今天的教育,特别是科学教育具有重要意义.成就19、20世纪之交物理学的三大发现:电子X射线放射性现象的发现成就20世纪物理学取得了巨大成就，在某些领域，理论与实验的符合程度虽达到了惊人程度，如：电子的反常磁矩，1979年的实验值为1．001159652410(200)，而1981年的量子电动力学理论值为1．001159652460(148)成就还有课本中谈及的19世纪末，经典物理学发展得已经相当完善，当德国著名的年轻物理学家普朗克向他的老师开

3、尔文求教，是选择音乐还是物理学作为自己终身的职业时，得到的答复是：“物理学基本是一门已经完成了的科学，因此，物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”当时许多物理学家认为：物理学的大厦已经落成，人类对自然界的认识已经到了尽头。典故问题来了经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”:“以太漂移”的“零结果”黑体辐射的“紫外灾难”.牛顿——经典物理爱因斯坦、普朗克、开尔文等相对论量子力学由于相关理论过于复杂，下面主要围绕课本简单了解一下其中所涉及内容，另外考虑时间问题，具体细节也不再展开讲述，感兴趣的同学不妨课后查阅资料，搞明白了，你就是21世

4、界的物理学家了。你以为我会告诉你其实我也不懂吗？相对论和量子论各自都非常成功，而且将相对论应用于量子论而建立起来的量子电动力学、量子场论也同样非常成功，但当将量子论应用于由广义相对论描述的引力理论之中时，在引力的量子化问题上却碰到了巨大的困难——在这两个非常基础、关键的理论之间存在着一定的不自洽性。引力量子化与大统一理论虽然引力的相互作用强度极弱，比弱作用还要弱几十个数量级，但它在构造物质世界方面起着极为重要的作用，在宇宙学中更是主要角色，因此没有包含引力的标准模型显然不能算是一个终极理论。再是标准模型包含了多达61个基本组分，其中物质粒子和反粒子48个，规范粒子1

5、2个，还有一个到目前还未找到的希格斯粒子(希格斯粒子的引入使得规范理论的对称性自发破缺，从而使规范粒子获得了质量)。综上所述，我们有必要建立起一个更基本的能统一描述强、弱、电及引力四种基本相互作用的，不包含至少是很少包含人为参数的理论。于是，超弦理论，应运而生。弦理论不同于传统的量子场论，它假定物质的基本结构不是点粒子而是弦——一条曲线。这样就可自然地避免产生无法重整化的发散。因为在传统的量子场论中，两个相互无限靠近的点粒子产生的引力会产生奇异的量子行为，当尺寸小于米时，粒子的引力半径与康普顿(Compton)半径相当。真空中充满了虚的黑洞，也就是说量子涨落效应可以

6、导致相互靠得非常近的粒子变成黑洞，时空本身在此尺度下将开始塌陷——出现奇异性。而在弦理论中，两条闭弦碰撞在一起时，只有二者各自的无穷小的一部分相碰。如图所示，表示两条分离的闭合弦随着时间的演化而逐渐靠近，以至形成一条新的闭合弦，然后又分开去。这样就在弦理论中避免了无法重整化的发散问题。但是，为了追求统一、简洁而建立起来的10维超弦理论却有五种不同的框架现在人们发现，五种不同的超弦理论实际上是一个更大的理论的五个不同侧面而已，它们相互间可以通过对偶对称性(Duality)联系起来。现在世界各国都投入了较大的力量对超弦理论进行深入研究，以期建立起统一的、简洁的包罗万象的

7、理论超高能物理及宇宙起源物质具有不同层次的结构，为了窥探深层次的物质结构，所需要出能量越来越高。例如要了解原子、分子的结构，人们只需要几个电子伏或更少能量的探测粒子；而要探测核子乃至夸克的结构，则需要电子伏以上能量的探测粒子。因此，为了探索物质更深层次的结构，需要超高能量的加速器。除了希格斯粒子，粒子物理学还有许多根本性的问题需要解决，如真空的性质、失踪的对称性、夸克禁闭及基本相互作用的统一等等，所有这些无一不需要超高能物理的实验检验，更何况在实验过程中还会提出新的问题。因此，在2l世纪，需要建造更高能量的加速器，并在设计思想上需要大的突破。一方面可以充分利用宇