現代物理學前沿選講(第二版)（簡體書）

《現代物理學前沿選講（第2版）》從宇觀、微觀和宏觀三方面分別介紹一些關於現代物理學前沿發展的概況。大到宇宙的結構，其過去發展的歷史和未來發展的趨勢；小到組成物質的原子和亞原子結構：中間涉及極端條件（低溫、高壓、強電磁場）下物質所表現出的各種新現象和新規律．既試圖扼要地講述相關的物理內容，也盡可能介紹一些現代物理學發展過程中的故事。希望引起讀者瞭解和學習物理的興趣，認識物理對於發展社會物質文明和精神文明的意義，體會研究物理學的方法。現在的這本小書是以授課講義為基礎，經過修改、補充、整理出來的。書中所介紹內容涉及51個諾貝爾獎（包括近12年的諾貝爾物理學獎）的有關內容。本書可供大學低年級學生或講授有關課程的大、中學教師參考，也可供對現代物理學前沿發展有興趣的讀者作為高級科普讀物來閱讀。

黃祖洽編著的《現代物理學前沿選講(第2版)》從宇觀、微觀和宏觀三方面分別介紹一些關于現代物理學前沿發展的概況。本書可供大學低年級學生或講授有關課程的大、中學教師參考，也可供對現代物理學前沿發展有興趣的讀者作為高級科普讀物來閱讀。

第1講 前言1．1 大家都可以來瞭解現代物理學前沿1．2 為什麼要選修物理學1．3 現代物理學中的不同專業1．4 現代物理學的前沿1．5 關於參考書第2講 時空觀念的變化——從牛頓到愛因斯坦2．1 引言2．2 牛頓的時空觀和決定論2．3 宇宙學原理2．4 白夜佯謬2．5 愛因斯坦的貢獻第3講 相對論淺釋3．1 歷史背景3．2 狹義相對論3．3 動尺縮短和動鐘變慢3．4 速度的合成3．5 質能（質量和能量的）等價關係3．6 愛因斯坦的引力理論（廣義相對論）3．7 廣義相對論的三個關鍵性檢驗及其他第4講 我們的宇宙一膨脹的宇宙4．1 愛因斯坦方程的宇宙解4．2 哈勃定律4．3 熱大爆炸宇宙論4．4 宇宙殘餘的背景輻射4．5 暗物質和暗能量4．6 天體物理觀測衛星的應用4．7 宇宙學的自然單位制和普朗克尺度第5講 我們的宇宙——宇宙演化簡史5．1 宇宙的創生時期（0〈t〈10-43s）5．2 普朗克時期（t-10-43s）5．3 大統一時期（tpl〈t〈10-35及暴脹時期（10-35s〈t〈10-32s）5．4 誇克-輕子時期（10-32s〈t〈10-6s）5．5 強子-輕子時期（10-6s〈t〈1S）5．6 輻射時期和核合成時期（1s〈t〈2×l0年）5．7 星系時期（2×lO年〈t〈10年）5．8 恒星時期（t〉10年）5．9 關於人擇原理第6講 量子物理學的發展6．1 宇觀物理學中的微觀粒子6．2 經典物理學在微觀世界出了問題6．3 量子觀念的提出6．4 原子結構和光譜的研究引到舊量子論6．5 新量子力學的第一個方案——矩陣力學的產生6．6 新量子力學的第二個方案——波動力學的產生6．7 波函數的統計詮釋6．8 海森伯的不確定關係6．9 相對論性量子力學的提出6．10 2012年的諾貝爾物理獎——量子世界裡的粒子控制第7講 微觀世界的層次7．1 中子的發現和原子核組成的確定7．2 大量強子的發現……第8講 基本粒子的標準模型第9講 對稱性和守恆量第10講 微觀物理學和宇觀物理學的聯繫第11講 宏觀物質世界的複雜性第12講 量子流體和量子光學第13講 激光冷卻和捕獲原子第14講 數量子堆爾效應第15講 高壓物理學習題數學附注外國人名及專用名索引書中出現的諾貝爾獎索引

第1講 前 言
1.1 大家都可以來了解現代物理學前沿
我們今天開始上這個課。這個課的名字很大：現代物理學前沿選講。其實，這個課可以在任何水平上來講。比如說，如果給研究生開這個課，給他們介紹一些可能的研究方向，我想是很合適的；如果在你們上大學三年級或四年級時講，給你們進一步選擇專業做參考，也是可以的。我們現在就和剛進大學的同學們討論這方面的問題，是不是太早一點呢？我想也未必。記得在大概1947、1948年的時候，我還在清華大學念書，課余曾經給工人夜校的青年工人們講過一點科學知識，有幾次我就試著跟他們談了一些關于物質的組成和運動的問題。工人們知道我是物理系的，跟我提出了許多他們聽到和想到的物理問題。我看他們的興趣還挺廣，就跟他們談了一些有關相對論和宇宙起源的當時還算相當前沿的物理知識，他們好像也可以理解。事實上，對于希望了解物理學的青年人來說，重要的不是知道許多描寫現代物理學前沿問題細節的高等數學公式和推導這些公式的數學技巧，而是了解：有關這些問題，我們今天已經從物理上解答了多少？還有些什么問題需要我們繼續努力去尋求解答？也就是說，當你們面臨物理學這一大片原野時，盡早鳥瞰一下這片原野開墾的大致情況和前沿在哪里，還是很有必要的。所以我說這種問題可以在任何水平上來討論。當然，隨著學習的深入，會要求大家從定性的鳥瞰進入定量的描述。所以，隨著對象的不同，講這個課的方式也不一樣。如果是跟高年級同學來講或跟研究生同學來討論這方面的問題，那么就會有許多數學牽涉進來，像線性代數、微積分、高等代數、高等幾何等一些中學沒有教過的數學。對于還沒有學過這些數學的同學，開始的時候可以對有關公式的推導跳過去，但是把問題記下來，等到你們在數學課上或自己看數學參考書學到有關知識時，再聯系起來加以解決。
這時，你們就會像遇到久已向往的人那樣，感到由衷的喜悅。不過，考慮到大多數同學的學習進度，在開始的半個學期，我還是盡量只用中學已經學過的那些數學知識。實在要用到一些高等數學的觀念時，簡單的我就在黑板上臨時說明，復雜的就在書末以數學附注的形式從頭開始加以介紹。寫這些附注的目的，完全是為了同學們現在和將來學習時參閱方便，既不試圖代替專門的數學課程，也不追求系統完備。另外，我假設同學們都掌握了中學時代應當掌握的那些基礎物理知識。不過，如果有同學聽講的時候感到有問題不太清楚，請隨時舉手示意向我提問，或者先記下來，等到課間休息時或課后再來和我討論。要是時間來不及， 自己下課后再去查書也是可以的。
1.2 為什么要選修物理學
我不知道我們同學選學物理這個學科都經過了一些什么考慮。我只回想起當初我是為什么要選修物理的。我記得初中時候教物理的老師很好。他上課的時候，我聽不懂時向他提一些問題，有的問題他當時就解釋了，有些問題一時解釋不了的，他就讓我課后上他的休息室去，并且把他大學時的教科書翻出來。我還記得就是《Duff 物理學》。他借給我，讓我自己看。我看后經過自己的思考，并且自己動手做了些計算，搞清楚了原來不懂的問題，感到很高興。從那個時候開始我就對物理有了興趣。后來上高中時，我也常找這位老師或到校圖書館借物理方面的書自學。越學興趣越大，后來考西南聯大時就選擇了物理系。我想同學們選修物理多半也是因為你們對物理有了興趣。
物理學家運用實驗方法和數學方法，盡可能嚴格地揭示自然規律，這些實驗方法和數學方法對其他自然科學也是適用的。物理學的實驗設備、實驗的及理論的方法的發展成為眾多別的學科及其持續發展的基礎。
科學的嚴格數學化表述也是從物理學開始的。物理學一方面是基礎科學，以研究自然界中物質結構和運動的基本規律為目的，富有成果而且幾乎包羅萬象；另外一方面物理學又是對許多其他學科起帶頭作用的一門學科，對其他學科有著深遠的有時甚至是決定性的影響，物理學研究因而成為自然科學和工程科學各學科不可或缺的組成部分。它曾經是并且仍將是基于現代技術之上的經濟發展的必要根基。所以，盡管生物工程、信息科學和材料工程等新興學科，在進入21 世紀以來已經吸引了很多人的注意，但是聯合國教科文組織仍然把2005 年確定為“世界物理年”，用來紀念20 世紀的偉大物理學家愛因斯坦（圖1.1），同時也提醒大家：不要忘了物理學在認識世界和知識創新方面的基礎作用。從歷史上看，物理學的發展對全世界三次大的技術革命起到了最為關鍵的主導作用。因此，可以毫不夸張地說，很難舉出人類哪一方面的知識領域是和物理學無關的。物理現象存在于生活的每一個角落，發生在宇宙的每一個地方。物理學的研究成果源源不斷地得到應用，而社會又對物理學不斷提出新的研究課題。在科學以空前的規模和速度突飛猛進的今天，尤其需要從各種角度、各種層次來考察和探討：物理學將給人們提供什么新的觀念？物理學怎樣推動社會前進？社會又將如何有效地發揮物理學的作用并促進物理學的發展？但是，近年來，社會公眾的物理意識在削弱、淡薄，長此下去，物理學的發展勢必受到影響。
全球舉行“2005 世界物理年” 活動，其主題是“物理學與社會”，它的宗旨是一方面鼓勵和推動物理學工作者繼續為人類社會的進步與文明做出新的貢獻，同時，通過展示物理學在社會、經濟、技術、文化等方面的重要作用，在全球范圍內爭取公眾對物理學的理解與支持，堅定公眾對物理學的信念，推動物理教育，培育物理人才，使物理學在21 世紀得到新的發展。事實上，物理學本身確實是非常奇妙、非常有趣的一門學問，學起來其樂無窮！它幫助我們深入地了解到自然界許多奧妙現象的本質。
物理學最講究實證，以觀測和實驗為基礎；最推崇理性，不滿足于觀測和實驗所揭示的現象，而要尋求現象背后隱藏的規律；既善于根據對現象的概括和抽象，做出大膽的假設，對現象做出理論解釋；又敢于大膽懷疑尋根問底，考究已有的假設和理論是否真能符合實際。物理學研究令人振奮，使人陶醉。正如藝術創造力一樣，理解和發現新事物是人類前進的基本動力。它不能被壓抑、限制或禁止。在物理學研究中充滿好奇和快樂、失敗與成功，這種強烈的情感令研究者入迷。他們的動機是從新的認識中獲得可能的新創造，從而服務人民，造福社會。物理學研究使人們有可能更好地了解這個世界，發展有關這個世界的新思想，還能發展新技術。新技術又使人們的日常工作更為便利，更能夠持久地享受生活。但我們必須意識到，技術有可能用于并曾經被用于破壞和濫殺無辜。
科學家、包括物理學家在內的自然科學家，對人類生活的諸多方面有著特殊的責任，因為他們擁有知識和洞察力。為了我們的后代，在保護自然和環境方面，他們的責任更為重大。他們應該在科學中倡導寬容、誠實和尊嚴，反對蓄意濫用科學。學術自由和民主是社會的財富，也是獲取新知識的重要前提條件。物理學家應該同所有的科學家一樣，發揚學術自由，提倡民主討論。在科學上，無論是對自己還是對別人都必須誠實和正直。拒絕科學中的不端行為，譴責造假、剽竊和篡改數據。
參與批評并接受監督和檢查。科學家之間也會有不同意見甚至利益沖突。在基礎研究方面，固然經常有不同學派之間的論戰；在應用型研究中，當其中的某些人負有政治責任或需要堅持原則時，這種沖突也是在所難免的。公平、公開、公正的，以實踐檢驗為歸依的學術爭論，對科學的發展是有益無害的。解決矛盾的方法應該是平心靜氣的商討和對不同意見的耐心考慮、寬容和尊重。科學家應該時刻反省自己的研究是否遵守法律和公德，物理學家也應如此。物理學帶來的技術發展可能被濫用，甚至用于戰爭和恐怖活動。歷史上，物理學家也曾多次公開明確地對技術本身的潛在危險和自然科學研究成果的軍事應用提出警告。
我們學了物理學以后，對于自然界許多現象和規律固然會有所了解，可以加以運用，同時更會激發我們的好奇心，對不了解的現象和規律去進一步研究；會引導我們去探索去思考。從學習物理學得到的訓練，會增加我們看待和處理事物時的理性成分。真正學懂物理學中認真求實和創新的精神，對一個人一生都是有好處的。即使他以后轉行，不再從事物理工作，物理學精神的熏陶，也會使他更容易判別什么是真的，什么是假的，什么是合理的，什么是不合理的，什么是可信的，什么是不可信的。換言之，會提高他理性判斷和創新思維的能力。
剛剛過去的20 世紀曾經是物理學的世紀。20 世紀純粹物理學研究的成就增進了人類對自然界基本規律的了解，其深度和廣度都是在此以前無法想象的。在物理學中純粹的研究及其應用是密不可分的。沒有純粹研究，就沒有新知識產生；沒有新的知識，文化和文明之花將凋謝。只有當一個國家的國民受到廣泛的教育時，他們才可以判斷某種新知識究竟是造福人類還是會給人類帶來災難。將來，這種教育必定會日益建立在數學和科學教育（其中物理學教育是重要的一部分）的寬廣基礎上。
1.3 現代物理學中的不同專業
過去有很多著名的物理學家是多才多藝的多面手。像杰出的意大利物理學家伽利略（G.Galileo）同時又是天文學家，還創造出自己的第一臺望遠鏡。像也是意大利出生的著名物理學家費米（E.Fermi），不但同時是杰出的實驗和理論物理學家，而且還主持創建了世界上第一個核裂變反應堆（圖1.2）。隨著時代的進步，現代物理學已經成為一個大的科學，所以雖然還是有人具備多方面的才能，但學物理的人也不得不進行分工。比如說有些學物理的同學將來可能會專門從事創造新的、具有超越性能的儀器，或者去做一些組裝大型設備，像加速器和有關探測器的工作。現代實驗要求十分高的探測精度和非常快的數據處理速度，沒有信息技術的高度發展，許多重要的實驗都將無法進行。2000年的諾貝爾物理學獎授予阿爾費羅夫
（Z.I.Alferov） 、克雷默（H.Kroemer） 和基爾比（J.S.Kibly）等三位科學家，正是為了表彰他們發明快速晶體管、激光二極管和集成電路（芯片），從而奠定了現代信息技術基礎的貢獻。2009 年諾貝爾物理學獎的一半被授予英國華裔科學家高錕（圖1.3）以及兩位美國科學家。高錕獲獎，是因為他在“有關光在纖維中的傳輸并用于光學通信方面”做出了突破性成就。在大型設備方面，研究粒子物理的高能加速器規模越來越大，就拿北京正負電子對撞機和測量對撞中所產生粒子束的大型譜儀來說，設計、制造和運轉這些裝置的人在一千人以上，他們都是很好的物理學家，有很高的成就。另一部分物理學家是利用儀器設備做實驗，希望在實驗中揭示或發現新現象的人。做一個大型實驗，往往需要幾十到幾百個實驗物理學家分工合作，夜以繼日、專心致志地辛勤工作，才能在浩瀚的數據中有所發現。還有一部分理論物理學家，他們著重對實驗結果進行理論分析，對所發現的新現象提出理論見解，同時根據這些分析和見解，提出他們認為應當進一步進行的實驗研究。此外也還有一些專家配合工作，比如說搞計算機、計算數學和信息處理的專家。所以，現在作為一個大科學的物理學，不像17、18 和19 世紀那樣依靠個別人就能夠做出許多很好的成就，因為我們對物質的探索已經越來越深入，規模也越來越大了。
隨著物理學向其他學科的滲透和交叉，現代物理學中所發展的儀器設備實驗技術和理論觀念已經促使生物物理學材料科學和信息科學等新興學科迅速發展，并已成為它們不可缺少的組成部分。1960年發明的激光是光盤（CD）技術、激光焊接技術、激光眼科學和其他所有激光光學技術的基礎。1947年發明的晶體管對我們所有的電子設備發展曾經起到了決定性作用。沒有晶體管和其他半導體器件及其在大規模集成電路中的超小型化，就不會有計算技術，也不會有控制電子設備技術……