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第232章 一根铁链桥已修（第1页）

凝聚态物理——研究物质宏观性质，这些物相内包含极大数目的组元，且组元间相互作用极强。最熟悉的凝聚态相是固体和液体，它们由原子间的键和电磁力所形成。更多的凝聚态相包括超流和玻色-爱因斯坦凝聚态（在十分低温时，某些原子系统内发现）；某些材料中导电电子呈现的超导相；原子点阵中出现的铁磁和反铁磁相。凝聚态物理一直是最大的的研究领域。历史上，它由固体物理生长出来。1967年由菲立普·安德森最早提出，采用此名。

原子、分子和光学物理——研究原子尺寸或几个原子结构范围内，物质-物质和光-物质的相互作用。这三个领域是密切相关的。因为它们使用类似的方法和有关的能量标度。它们都包括经典和量子的处理方法；从微观的角度处理问题。原子物理处理原子的壳层，集中在原子和离子的量子控制；冷却和诱捕；低温碰撞动力学；准确测量基本常数；电子在结构动力学方面的集体效应。原子物理受核的影晌。但如核分裂、核合成等核内部现象则属高能物理。分子物理集中在多原子结构以及它们，内外部和物质及光的相互作用，这里的光学物理只研究光的基本特性及光与物质在微观领域的相互作用。

高能粒子物理——粒子物理研究物质和能量的基本组元及它们间的相互作用；也可称为高能物理。因为许多基本粒子在自然界原本并不存在，只在粒子加速器中与其它粒子高能碰撞下才出现。据基本粒子的相互作用标准模型描述，有12种已知物质的基本粒子模型（夸克和轻粒子）。它们通过强、弱和电磁基本力相互作用。标准模型还预言一种希格斯-玻色粒子存在。现正寻找中。

天体物理——天体物理和现代天文学是将物理的理论和方法应用于研究星体的结构和演变、太阳系的起源，以及宇宙的相关问题。因为天体物理的范围宽，它利用了物理的许多原理，包括力学、电磁学、统计力学、热力学和量子力学。1931年，卡尔发现了天体发出的无线电讯号，开始了无线电天文学。天文学的前沿已被空间探索所扩展。地球大气的干扰使观察空间需要用到红外、超紫外、伽玛射线和x射线。物理宇宙论研究在宇宙的大范围内宇宙的形成和演变。爱因斯坦的相对论在现代宇宙理论中起了中心的作用。20世纪早期哈勃从图中发现了宇宙在膨胀，促进了宇宙的稳定状态论和大爆炸之间的讨论。1964年宇宙微波背景的发现，证明了大爆炸理论可能是正确的。大爆炸模型建立在二个理论框架上：爱因斯坦的广义相对论和宇宙论原理。宇宙论已建立了acdm宇宙演变模型，它包括宇宙的膨胀、暗能量和暗物质。从费米伽玛-射线望远镜的新数据和现有宇宙模型的改进，可期待出现许多可能性和发现。尤其是今后数年内，围绕暗物质方面可能有许多发现。

著名物理学家费曼说：“科学是一种方法。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象？”著名物理学家爱因斯坦说：“发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。

物理学是人们对自然界中物质的运动和转变的知识做出规律性的总结，这种运动和转变应有两种。一是早期人们通过感官视觉的延伸；二是近代人们通过发明创造供观察测量用的科学仪器，实验得出的结果，间接认识物质内部组成建立在的基础上。物理学从研究角度及观点不同，可大致分为微观与宏观两部分：宏观物理学不分析微粒群中的单个作用效果而直接考虑整体效果，是最早期就已经出现的；微观物理学的诞生，起源于宏观物理学无法很好地解释黑体辐射、光电效应、原子光谱等新的实验现象。它是宏观物理学的一个修正，并随着实验技术与理论物理的发展而逐渐完善。

其次，物理又是一种智能。

诚如诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩所言：“如其说是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础。”物理学之所以被人们公认为一门重要的科学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。正因为如此，使得物理学当之无愧地成了人类智能的结晶，文明的瑰宝。

大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景——这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域里获得了成功。反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族！

总之，物理学是对自然界概括规律性的总结，是概括经验科学性的理论认识。

原子是化学反应不可再分的最小微粒。一个正原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。而负原子的原子核带负电，周围的负电子带正电。正原子的原子核由带正电的质子和电中性的中子组成。负原子原子核中的反质子带负电，从而使负原子的原子核带负电。当质子数与电子数相同时，这个原子就是电中性的；否则，就是带有正电荷或者负电荷的离子。根据质子和中子数量的不同，原子的类型也不同：质子数决定了该原子属于哪一种元素，而中子数则确定了该原子是此元素的哪一个同位素。[3]原子构成分子而分子组成物质中同种电荷相互排斥，不同种电荷相互吸引。

原子直径的数量级大约是10?1?m。原子的质量极小，其数量级一般为10-27kg，质量主要集中在质子和中子上。原子核外分布着电子，电子跃迁产生光谱，电子决定了一个元素的化学性质，并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素，每种元素大多有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。

关于物质是由离散单元组成且能够被任意分割的概念流传了上千年，但这些想法只是基于抽象的、哲学的推理，而非实验和实验观察。随着时间的推移以及文化及学派的转变，哲学上原子的性质也有着很大的改变，而这种改变往往还带有一些精神因素。

尽管如此，对于原子的基本概念在数千年后仍然被化学家们采用，因为它能够很简明地阐述一些化学界的现象。

原子论是元素派学说中最简明、最具科学性的一种理论形态。英国自然科学史家丹皮尔认为，原子论在科学上“要比它以前或以后的任何学说都更接近于现代观点”。原子论的创始人是古希腊人留基伯（公元前500～约公元前440年），他是德谟克利特的老师。古代学者在论及原子论时，通常是把他们俩人的学说混在一起的。留基伯的学说由他的学生德谟克利特发展和完善，因此德谟克利特被公认为原子论的主要代表。

德谟克利特认为，万物的本原或根本元素是“原子”和“虚空”。“原子”在希腊文中是“不可分”的意思。德谟克利特用这一概念来指称构成具体事物的最基本的物质微粒。原子的根本特性是“充满和坚实”，即原子内部没有空隙，是坚固的、不可入的，因而是不可分的。德谟克利特认为，原子是永恒的、不生不灭的；原子在数量上是无限的；原子处在不断的运动状态中，它的惟一的运动形式是“振动”，原子的体积微小，是眼睛看不见的，即不能为感官所知觉，只能通过理性才能认识。

经过二十几个世纪的探索，科学家在17世纪~18世纪通过实验，证实了原子的真实存在。19世纪初英国化学家j.道尔顿在进一步总结前人经验的基础上，提出了具有近代意义的原子学说。这种原子学说的提出开创了化学的新时代，他解释了很多物理、化学现象。

原子是一种元素能保持其化学性质的最小单位。一个原子包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子。原子核由带正电的质子和电中性的中子组成。原子是化学变化的最小粒子，分子是由原子组成的，许多物质是由原子直接构成的。

原子的英文名是从希腊语转化而来，原意为不可切分的。很早以前，希腊和印度的哲学家就提出了原子的不可切分的概念。17和18世纪时，化学家发现了物理学的根据：对于某些物质，不能通过化学手段将其继续的分解。19世纪晚期和20世纪早期，物理学家发现了亚原子粒子以及原子的内部结构，由此证明原子并不是不能进一步切分。量子力学原理能够为原子提供很好的模

932年，约里奥·居里夫妇发现，这种射线能从石蜡中打出质子；同年，卢瑟福的学生詹姆斯·查得威克（jameschadwick）认定这就是中子[8]，而同位素则被重新定义为有着相同质子数与不同中子数的元素。

1950年，随着粒子加速器及粒子探测器的发展，科学家们可以研究高能粒子间的碰撞。他们发现中子和质子是强子的一种，由更小的夸克微粒构成。核物理的标准模型也随之发展，能够成功的在亚原子水平解释整个原子核以及亚原子粒子之间的相互作用。

1985年，朱棣文及其同事在贝尔实验室开发了一种新技术，能够使用激光来冷却原子。威廉·丹尼尔·菲利普斯团队设法将纳原子置于一个磁阱中。这两个技术加上由克洛德·科昂-唐努德日团队基于多普勒效应开发的一种方法，可以将少量的原子冷却至微开尔文的温度范围，这样就可以对原子进行很高精度的研究，为玻色-爱因斯坦凝聚的发现奠定了基础[11]。

历史上，因为单个原子过于微小，被认为不能够进行科学研究。2012年，科学家已经成功使用一单个金属原子与一个有机配体连接形成一个单电子晶体管。在一些实验中，通过激光冷却的方法将原子减速并捕获，这些实验能够带来对于物质更好的理解。

薛定谔（erwinschr?dinger）使用路易斯·德布罗意（louisdebroglie）于1924年提出的波粒二象性的假说，建立了一个原子的数学模型，用来将电子描述为一个三维波形。但是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值。沃纳·海森堡（wernerheisenberg）提出了著名的测不准原理。这个概念描述的是，对于测量的某个位置，只能得到一个不确定的动量范围，反之亦然。尽管这个模型很难想像，但它能够解释一些以前观测到却不能解释的原子的性质，例如比氢更大的原子的谱线。因此，人们不再使用玻尔的原子模型，而是将原子轨道视为电子高概率出现的区域（电子云）。

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