第一讲物理学的概念范畴.ppt

2020/6/13,1,第一讲物理学的基本概念范畴,大学物理专题讲座,主讲人冯杰,2020/6/13,2,第一讲物理学的基本概念范畴,一、物理学的概念范畴,1、总范畴,物质存在的基本形态：实物与场（粒子与场）,物质的根本属性：运动的绝对性、运动描述的相对性、各种低级运动形式的特殊性,物质存在的基本形式：时间和空间广延性,2、具体学科的范畴构成概念体系,比如，力学：力、质量、惯性、碰撞、参照系,二、物理学的研究对象,物质的结构以及各种低级的运动形式！,比如，电磁学：电场强度、电势差、位移电流、涡旋电场,比如，热学：温度、内能、理想气体、熵、,比如，光学：光线、点光源、干涉、衍射、偏振、双折射,基本概念导出概念,比如，原子物理学：原子核、能级、磁矩、量子数、放射性,什么是概念,2020/6/13,3,1、实物与场,三、大学物理学基本概念范畴的简单讨论,物质的定义：客观实在性无论实物还是场,实物的（到目前）十种形态,日常条件固、液、气、非晶态、液晶态,超高温等离子态：恒星内部,超高压超固态：恒星后期的“白矮星”，原子被压碎中子态：恒星后期的“中子星”，原子核被压碎黑洞,超低温超导态：比如，水银的温度将到4.173K，即269时,超流态：比如，液态氦的温度将到2.17K，出现超流动态,描述实物运动规律的理论：,关于实物,成熟的经典力学、热力学、电动力学、光学、不完备的原子物理学；不完全成熟的量子力学、不成熟现代宇宙学；,2020/6/13,4,量子力学的不足,主要侧重于实物粒子的波粒二象性，甚至没有把光当作粒子处理；,在粒子的基础上谈其波动性概率波波、粒二象性地位不平等；,实物粒子的波动性概率波不是真正物理波场；,不能描述粒子的产生与消失微观粒子的转化；,传递实物间相互作用的一种形态；场是物质存在的基本形态；场可以量子化波粒二象性:场与实物并无定性区别质能守恒:,目前对场的认识,描述场运动规律的理论：成熟的电动力学、不完全成熟的量子场论！,关于场,2020/6/13,5,实物与场的统一：量子场论关于物质存在形式的观点：场是物质存在更基本的形态:场处于基态时无能量、信号释放所谓“真空”；实物粒子是场量子的激发态；两种场:实物粒子场场量子是实物粒子：电子场、中子场相互作用场场量子是媒介粒子：引力场、电磁场真空是各种量子场的基态零点振动和虚粒子实物粒子之间的相互作用表现为场之间的相互作用；,实物粒子场相互作用场,引力相互作用电磁相互作用弱相互作用强相互作用,量子几何动力学(引力场、实物粒子场),量子电动力学(电磁场、电子场),量子色动力学(胶子场、夸克场),统一场论（引力场与电磁场的统一）,大统一理论四种相互作用,超统一理论，超对称理论实物粒子场与相互作用场两种量子场的统一,量子味动力学(电磁场、电子场),2020/6/13,6,狄拉克方程,引力场电磁场弱相互作用场强相互作用场,引力场方程,麦克斯韦方程组,量子色动力学,相对论粒子方程,普罗卡方程,实物与场的描述：量子场论关于场和实物粒子的特性一切微观粒子(实物粒子和媒介粒子)都对应其量子场(实物粒子场和媒介粒子场)实物粒子场(电子场)没有经典场概念与其对应量;相互作用场(电磁场、引力场)有经典场概念与其对应量，是相互量子场的极限；任何量子场都是真实的物理波场，可以用波动方程描述场的运动规律；用算符及其对易关系进行描述其粒子性运动规律量子场的基态：“真空态”，彻底否定了脱离物质的绝对时空观；,实物粒子场,2020/6/13,7,大学物理学概念体系的尝试1“实物与场”的角度,第一篇宏观力学质点与刚体第1章低速范围的宏观力学牛顿力学第2章高速范围的宏观力学狭义相对论第3章万有引力场与天体力学第4章广义相对论与宇宙学基础,第二篇电磁场场第5章电荷与电场第6章电流与磁场第7章电磁感应第8章麦克斯韦方程组与电磁辐射附录高速运动的电荷与电场的磁场统一性,2020/6/13,8,两类粒子,两类波,微观粒子（正、反粒子）,实物粒子,媒介粒子,质子、中子、轻子（电子、中微子）夸克,引力子？（传递引力作用）光子（传递电磁作用）希格斯玻色子W玻色子（传递弱作用）胶子（传递强作用）,介质波概率波,机械波：声波、水波,波粒二象性：光波、物质波（德布罗意波）,介质波：需要介质（媒质），介质粒子的振动能量的传播，介质粒子没有迁移是一种经典的机械波；,概率波：无需介质（媒质），波动场粒子可以脱离波源独立的传播能量的传播；波强弱并非是波动场粒子的真实行为，只是波动场粒子的可能出现的时空几率是一种不完备的量子观点、波粒二象性的描述；,2、粒子与波,2020/6/13,9,介质波（机械波）波动方程,平面简谐波的波函数,对波函数求时间t的偏导数，得,对波函数求传播空间x的偏导数，得,综合，得波动方程,物理学的典型方程之一；麦克斯韦据此推断出光的电磁说,设原点的扰动函数简谐振动,2020/6/13,10,概率波（波粒二象性）的薛定谔方程,将该波函数对时间求导，得,自由粒子的波函数平面波,平面波,自由粒子的波函数,2020/6/13,11,将该波函数对时间求导，得,将波函数求空间x的偏导数，得,自由粒子的波函数平面波,同理可得,自由粒子的能量和动量的关系,三式相加得,2020/6/13,12,算符,设力场的势能函数为，则,薛定谔方程,改写（1）（2）式,近代物理学的典型方程之一；波恩解释概率波,2020/6/13,13,目前大学物理（普通物理学）的概念体系,力学；热学；电磁学；波动与光学概念体系的错误；量子物理伯克利物理教程张三惠分科的,高中物理新课程标准体系3-4,（一）机械振动与机械波；（二）电磁振荡与电磁波；（三）光干涉、衍射和偏振；（四）相对论,关于两类波(介质波与概率波)科学思维,关于两类波(介质波与概率波)研究方法,虽然宏观电磁波与机械波所遵从的数学规律是相同的，但是其本质完全不同；,表面上降低了高中甚至大学生的学习难度，实际上可能殆误了这些人才的终身创造力。,2020/6/13,14,大学物理学概念体系的尝试2“粒子与波”的角度,第三篇振动与波第9章振动机械振动与电磁振荡第10章波动机械波与电磁波第11章光的波动性（干涉、衍射和偏振）,第四篇物质的波粒二象性第12章光的二象性第13章物质波量子力学基础第14章原子及原子核物理学,第五篇大量粒子运动的宏观规律第15章热力学第16章统计物理学基础,2020/6/13,15,单位,秒：一个“平太阳日”的1/86400为1秒；1967年，铯-133原子基态，在零磁场跃迁周期：1秒=9192631770T。米：经过巴黎子午线1/4千万为1米；1米=光在真空中经历1/299792458秒所经过的距离。（在真空中的光速为普适常数）,物理学的旧时空观中世纪以前,盖天说地心说：,唯物地解释自然、生产实践、时间的无限性；,绝对静止的存在、被宗教神学利用（托马斯阿奎那TAguinas）,代表人物：托勒密应当指出,旧时空模型,主要观点,承认时间、空间是客观存在的；,空间的“上”、“下”观念是相对的；宇宙空间有限有中心；,承认时间的无限性；,意义,没有说明时间与空间、时空与物质、时空与物质运动之关系。,3、时间与空间,至今难以揭开的科学之谜之一!,2020/6/13,16,物理学的经典时空观牛顿时代,哥白尼日心说：,伽利略的主要贡献,伽利略变换；,牛顿的主要贡献,承认时间、空间的客观实在性；,将实验方法、数学方法引入物理学的研究；,惯性定律；,低速宏观,伽利略相对性原理；,经典时空模型,代表人物：哥白尼、伽利略、牛顿,哥白尼的主要贡献,“太阳中心说”取代“地球中心说”；,数学表达越简单越接近自然；,建立了绝对的时空观：,()时间、空间彼此无关，各自独立；()时间一维单向有始无终，()空间三维的均匀性、各向同性和无限性;超距、质点。,发明了微积分；发现了万有引力定律；建立了动力学三定律；,2020/6/13,17,绝对时空观的功过是非,功,时间的均匀性能量守恒定律；空间的均匀性动量守恒定律；空间的各向同性角动量守恒定律；,过,时间与空间彼此无关；时间与空间与物质的运动状态无关；同时性的绝对性超距作用；,抛弃了旧的时空观；证明惯性系是等价的；,绝对静止的空间；需要特殊的惯性系以太,非,时间、空间无关超距哲学观！,2020/6/13,18,狭义相对论的时空观爱因斯坦（高速、宏观、惯性系等价）,时间的一维、均匀、无限；空间的三维、均匀、无限；,发展了“宇宙无中心”的观点时空对称原理；,提出两条基本假设（公设、公理）,建立四维时空坐标闵可夫斯基空间：,所有的物理规律对于所有的惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊（绝对静止）的惯性系。,在任何惯性系中，光在真空中的速率都相等。,继承绝对时空观：,狭义相对性原理：,光速不变原理：,2020/6/13,19,抛弃了绝对时时空观建立了相对时空观,洛仑兹变换,时间与空间皆与物质的运动状态有关,空间间隔是相对的,时间间隔是相对的,同时性是相对的,光速不变原理,爱因斯坦火车理想实验,测运动的时间变慢!,测运动尺子收缩！,2020/6/13,20,由得,当时，有,同时性不同时的简单理论证明,同时性不同时的理想实验证明：爱因斯坦火车理想实验,2020/6/13,21,四维时空间隔不变性,时空相对、赝欧几何、惯性系等价,注1：狭义相对论的两条基本假定,光速不变原理,相对性原理,注2：狭义相对论的实验基础,迈克尔逊莫雷实验,实验第一步,实验第二步,时间差,附加光程差,两步实验的条纹应当移动N=0.37个条纹，但是实验结果N=0！,2020/6/13,22,第一束光在以太参照系的时间t1（光程）,光束由分光板P射向M2需时间1追光,光束由M2返回分光板P需时间2迎光,迈克尔逊莫雷实验的原理及其结果证明,迈克尔逊干涉仪,2020/6/13,23,第二束光在以太参照系的的时间t2（光程）,所以,2020/6/13,24,所以得实验结果1,将实验装置旋转90同理得实验结果2,因为两步实验有时间差,其对应附加光程差,两步实验的条纹位置，应当移动N=0.37个条纹，相当于明暗条纹互换位置，但是，实验结果N=0!,此时，会有一个稳定的条纹分布,此时，亦会有一个稳定的条纹分布,2020/6/13,25,广义相对论的时空观（非惯性系与引力场等价）,进一步发展了“宇宙无中心”的观点等效原理,补充了时空观念依赖于物质分布的相对性引力场方程,广义相对性原理：一切物理规律在任意参考系间等价。运动的绝对性,补充了时空结构与物质分布的关系空间弯曲,物质密度越大的地方统一时空弯曲的曲率越大,空间越弯曲;,时间流逝越慢,引力张量；黎蔓曲率张量；时空度规张量；宇宙半径,关于非惯性系,等效原理：加速场与引力场等效；无法区分,2020/6/13,26,广义相对论的近代引力理论,宇宙空间是有限的还是无限的有限无边爱因斯坦提出的；,小尺度宇宙：渺观轻子、光子、夸克以下的层次微观光子、质子、中子、原子核、原子、分子、有机物,时间有始有终，还是无始无终？,物理学“宇宙”的“生死”交替，构成了哲学“宇宙”的时间的无限性,大尺度宇宙：宏观行星、恒星、恒星系统（太阳系）宇观银河系、星系群、星系团之间的暗物质胀观超星系团、总星系,无限宇宙,大爆炸宇宙模型,无限膨胀，直至消亡；,无限膨胀；,膨胀一定阶段，转化为收缩。,3K宇宙辐射背景；氦丰度；哈勃红移；天体年龄,物理学的，？哲学的，？宗教：人类理性思维和信仰的迷茫和归宿?,现代宇宙学的理论基础,2020/6/13,27,时间和空间可能存在着一个最小限度时间、空间量子化,普朗克时间,普朗克长度,美国物理学家古斯（guth）的暴胀宇宙模型：,宇宙起源于物理点，而非数学点超过以上范围，现今物理学理论已不适用,假真空态黑格斯场，其能量密度是原子核密度的倍。,宇宙并非起源于时间、空间和没有物质的“虚无”假真空态,真空也有复杂的结构,真空各种基态量子场。,*量子理论的时空观及其现代宇宙学的时空观,量子理论的时空观在处理渺观和胀观物质领域遇到了困难，,2020/6/13,28,运动是绝对的,哲学上的意义：物质与运动是不可分割的,相对性原理：一切动力学规律的形式都不因参照系的选择而改变。,运动描述的相对性,运动学规律的形式会因不同参照系的选择而不同。,物理学只研究物质低级运动的形式(物质运动的五种形式),低级运动形式的含义：机械运动和物理运动最基本、最直接的,低级运动形式的具体学科：力学、热学、电磁学、光学原子物理学、原子核物理学粒子物理学量子物理学,大学物理学（普通物理学）,质能守恒,广义的运动,狭义的运动,参照系的本质特征是什么？,4、运动与静止,2020/6/13,29,2002年诺贝尔物理学奖三科学家1、美国2人：雷蒙德-戴维斯，里卡多-贾科尼2、日本1人：小柴昌俊(MasatoshiKoshiba)小雷蒙德戴维斯来自于美国宾夕法尼亚大学物理天文学系，小柴是日本东京大学初级粒子物理国际研究中心已经东京大学的科学家，瑞典皇家科学院认为他们“在天体物理学领域做出卓越贡献，尤其是他们发现了宇宙中的微中子”。里卡多-贾科尼是另一位获奖的美国华盛顿特区联合大学的科学家，表彰他“在天体物理学领域取得的卓越成就，尤其是他的研究引导发现了宇宙X射线源”。3、瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。4、诺贝尔的遗嘱：给人类带来最大的利益，在物理学领域中取得过最重要的发现或发明。,2020/6/13,30,维尔泽克,格罗斯,格罗斯,2004年诺贝尔物理学奖三科学家分享共约136万美元美国人：戴维格罗斯，戴维波利泽和弗兰克维尔泽克表彰他们“对夸克的研究使科学更接近于实现它为“所有的事情构建理论”的梦想”。瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。诺贝尔的遗嘱：给人类带来最大的利益，在物理学领域中取得过最重要的发现或发明。,2020/6/13,31,2005年诺贝尔物理学奖由美、德三个科学家共同获得，分享共约130万美元1、美国人：约翰霍尔，罗伊格劳伯2、德国人：特奥多尔亨施罗伊格劳伯得一半，成就是对“光粒子的特性进行了理论描述光学相干的量子理论”约翰霍尔，特奥多尔亨施得另外一半，成就是对“开发了基于激光的高精度光谱技术，即以极高的精度确定原子和分子的光线颜色光频梳技术，其以15位的精确度来衡量光频率成为可能；”他们成就“可以构建非常鲜艳色彩（单色）的激光，可以开发高精度的时钟，可以改进全球定位系统”。3、瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。4、诺贝尔的遗嘱：给人类带来最大的利益，在物理学领域中取得过最重要的发现或发明。,2020/6/13,32,约翰马瑟,乔治斯穆特,2006年诺贝尔物理学奖由两个美国科学家共同获得，分享共约140万美元美国人：约翰马瑟：激动和吃惊乔治斯穆特：我很惊讶他们成就：“发现了宇宙背景辐射的黑体形式和各向异性”：有助于研究早期宇宙,并能帮助人们更多地了解星系和恒星的起源。瑞典国王于10月10日在斯德哥尔摩颁奖。诺贝尔的遗嘱：给人类带来最大的利益，在物理学领域中取得过最重要的发现或发明。,诺贝尔,2020/6/13,33,艾尔伯-费尔（1938）,皮特-克鲁伯格（1939）,2007年诺贝尔物理学奖他们于1988年独立作出的发现极大地提高了电脑硬盘的数据存储量。Fert和Grnberg将分享总金额为一千万瑞士法郎的奖金，大概相当于一百五十万美元。隧穿磁阻效应会在比巨磁阻效应中更弱的磁场下就获得显著的电阻改变。法国科学家：艾尔伯-费尔德国科学家：皮特-克鲁伯格他们成就：以表彰他们发现“巨磁电阻效应”的贡献。,2020/6/13,34,2008年诺贝尔物理学奖美日三科学家因亚原子物理学自发破缺对称机制和破缺对称起源获奖：瑞典皇家科学院10月7日宣布，美国籍科学家南部阳一郎和日本科学家小林诚、益川敏英获得2008年的诺贝尔物理学奖。南部阳一郎因为发现了亚原子物理学中的自发对称性破缺机制而获奖。小林诚、益川敏英则因有关对称性破缺起源的发现而获奖。,2020/6/13,35,2009年诺贝尔物理学奖英美科学家分享2009年诺贝尔物理学奖：2009年10月6日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯。典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年