从牛顿定律到现代物理学.ppt

石兢,从牛顿定律到现代物理学,武汉大学物理系,孝感学院2010,目录,Motivation,钱学深之问：,为什么自49年后，我们没有培养出一流的人才?,1977年前：政治运动1978年后：.,Motivation,中国物理教育之问：,Advantage：,Disadvantage：,知识点深、广，体系完备做题能力强,Formalization物理学的质朴性、实在性：起源、过程、图像、结果和目的Insight、贯通性（知识点间的关联）前沿发展动手能力好奇心、想象力、批判精神历史、文化、科学综合素养,牛顿定理-做题Why3个定律，3个定理，二阶导数？,Weknewthelibretto,butIhavetolearnmusicI.I.Rabi,Comparing,中国家长：今天在学校学到什么新东西？,犹太家长：今天在学校问了什么好问题？,NewYork；BronxHighSchoolofScience-7个Nobel奖获得者,犹太人：Nobel奖获得者总共192人，占获奖人数26%，总人口2000万,中国人：Nobel奖获得者8人，人口13亿,在世界通用中学和大学的科技教科书中几乎找不到中国人的名字?!,-朱邦芬,LeonCooper,SheldonGlashow,RoyGlauber,RussellHulse,DavidPolitzer,MelvinSchwartz,andStevenWeinberg,(摘自金晓峰报告)“美国科学只存在未来，并没有今天和过去。在我这个位置上的人应该思考的问题是：我们必须做什么才能够创造出美国的物理学；而不是把电报、电灯及其它令人方便的产品称之为“科学”。我并不是低估这些时尚产品的价值，整个世界的进步需要依靠它们；成功发明这些高技术产品的人应该受到世界的尊重。但是，虽然一位厨师发明了餐桌上的一道美味佳肴，使世人享受到口福，但是我们不会尊称他为“化学家”。”,美国第一任物理学会会长亨利奥古斯特罗兰（1883年8月15日在美国国家科学促进会的讲话),“我常常被问及这样的问题：纯科学和应用科学究竟哪个对世界更重要？为了应用科学，纯科学本身必须存在！假如我们停止纯科学的进步而只留意科学的应用，我们很快就会退化成为中国人那样！多少代以来中国人没有什么进步，因为他们只满足于科学的应用，却从来没有追问过他们祖先所做事情中的原理。这些原理就构成了纯科学！中国人很早就知道火药的应用，如果他们能用正确的方法来探索“火药应用”的原理，中国人就能够在实现众多应用的同时还能够发展出化学，甚至物理学！因为只满足于火药爆炸的事实和应用，而没有寻根问底，中国人已经远远落后于世界进步；以至于我们现在只将世界上所有众多民族中这个最古老、人口最多的民族视为野蛮人！”,Whatdowefeel?,Whatshouldwedo?,物理学的质朴性、整体性,目录,牛顿定律的成就,动力学：,惯性,作用力与反作用力,万有引力：,ThetaskofdeducingKeplerslawsfromNewtonslawsiscalledtheKeplerProblem.ItssolutionisoneofthecrowningachievementsonWesternthought.ItispartofourculturalheritagejustasBeethovenssymphoniesorShakespearesplaysortheceilingoftheSistineChapelarepartofourheritage.,牛顿定律的成就,天地合一：Why苹果落地，而月球dont?,几乎完满的解决了太阳系内所有天、地间机械运动问题,人类历史第一个完整的科学体系,理清了概念，建立了联系：速度、加速度、质量、动量、动量矩、动能、力、力矩、功、冲量,第一次将数学引入，定性定量,WhatsScience?,概念及其相互间的关联！,WhatstrueScience?,马克思：一门科学只有当它可以用数学描述是才能真正称其为“科学”,AlexanderPope:Nature,andNaturesLawslayhidinnight:Godsaid,letNewtonbe!Andallwaslight.自然和自然律隐没在黑暗中：神说，让牛顿去吧！万物遂成光明。,牛顿定律的Puzzle,质疑：从Lorentz到Einstein?,FrankWilczek:2004NobelLaureate,aMITProfessor.,2004-2005threeIssues:,“WhencetheforceofF=ma?”,“WhenIwasastudent,thesubjectthatgavemethemosttroublewasclassicalmechanics.Thatalwaysstruckmeaspeculiar.”,“NowIthinkIvefigureditout.Itwasacaseofcultureshock.”,“AnoverarchingthemeofthisserieshasbeenthattheLawF=ma,whichissometimespresentedastheepitomeofanalgorithmdescribingnature,beactuallynotanalgorithmthatcanbeappliedmechanically.Itismorelikealanguageinwhichwecaneasilyexpressimportantfactsaboutworld”,“AnotherthemehasbeenthatF=maisnotinanysenseanultimatetruth.Wecanunderstand,frommodernfoundationalphysics,howitariseasanapproximationunderwidebutlimitedcircumstances.“,牛顿定律的Puzzle,牛顿定律的Puzzle,Whatspuzzle?,m,critiqueoftheZerothLaw:“Ironically,itsthemostprimitiveelementofcultureofNewtonLaw-conservationofmass-thatbearsubtlestrelationshiptomodernphysics”,Suchasfusion:2H+3H4He+n,Onlymass+energyconservation:E=mc2,牛顿定律的Puzzle,Thecultureof,Inquantummechanics:bodiesdonthavedefinitespaceposition,“Inquantumfieldtheory,theypopinandoutofexistence”,“Inquantumgravity,spaceisfluctuationandtimeishardtodefine.”,waveextendinginwholespace:,牛顿定律的Puzzle,Cultureofforce:,ThirdLawisnotquirttrue,forexample,theyfailformagneticforcesbetweenchargedparticles.,“Whenmosttextbookscometodiscussangularmomentum,theyintroduceafourthlaw,thatforcesbetweenbodiesaredirectedalonghelinethatconnectedthem.”“But,itsalsonottrueatallformolecularforces.”,Infact,theconceptofforceisconspicuouslyabsentfromourmodernphysics:Schrodingersequation,quantumfieldtheory,quantumgravity.Eveninclassicalanalysismechanics:theforceisnotnecessary.,Whatsmodernphysics?,它的现状和发展？,Overviewonphysics,OverviewonPhysics,Concept,Contents,Developing,Relationto,Physics,中国：“格物致至”“物含妙理总堪寻”-四大发明,物理学的起源-,西方：古希腊only统一的自然哲学学科的分化文艺复兴物理学肇始16-17世纪：伽利略、牛顿,自在,自为！,是研究物质的基本结构，基本相互作用基本运动规律的科学。,物理学,Concept,Feynman名言,“物理学家具有这样的习惯，对于任一类现象，研究它们的最简单例子，把这称为物理，而把更复杂的情况，看作其它领域的事。”R.P.Feynman,OverviewonPhysics,Concept,Contents,Developing,Relationto,Physics,A结构：物质是由哪些基本单元组成空间形式时间序列三(四）个层次：介观（10-7-109mnanoscale)微观h常数宏观H常数宇观10-35m10-6m10？m1026m奇点：10-44秒1017秒(150亿年)？极限：小于此尺度，不存在时空概念。可能：多联通拓扑结构？宇观：宇宙的整体性，不能由部分之和给出的哪些宇宙整体特征，以及与之相关的现象（如：微观背景辐射、磁单极）,作业：不同层次物质(夸克、电子、质子与中子、原子核、原子、分子、头发丝、地球、太阳系、银河系、宇宙)特征尺度、特征时间、特征质量。,10-15-10-10,内容三要素,*,基本：引力摩擦力、弹性力电磁派生：推力、拉力弱相互作用范德瓦尔斯力强相互作用,B.相互作用,Comparative：,DavidJ.Gross,H.DavidPolitzer,FrankWilczek,TheNobelPrizeinPhysics2004wasawardedjointlytoDavidJ.Gross,H.DavidPolitzerandFrankWilczekforthediscoveryofasymptoticfreedominthetheoryofthestronginteraction.,UCSB,Cal.Tech.,MIT,Amazedly!,C.运动规律,宏观机械运动：F(t,r,p)=dp/dt=md2r/dt2F(r)=GmM/r2,热运动：T:P(T,V)=0U:dU=pdV+TdsS:ds0T:T0,微观：id(r,t)/dt=HH=-h22/2+V(r),电磁运动:E=-B/tB=0J+00E/tE=/0B=0f=eE+eVB,Differentialequations解：integral诗意般的对称美,马克思：一门科学只有当它可以用数学描述是才能真正称其为“科学”,宇观：R=-8GT-(1/2)gT,各个学科三者的基本特征如力学、电磁学（含光学）、量子力学、热学与统计物理学(同学自己思考),结构决定相互作用的形式；相互作用的形式决定运动规律的特征,D.三者关系,why质点、刚体、弹性力学？chips:元件间限度10-810-9m单电子元件钠米电子学，量子计算，bio-chips,Polymorphisms:Carbon,Diamond,Graphite,NanoCarbonTube,Fullerene,Graphene!,Bignewsfromnano-worldofgrapheneMeansnewlifeforMooreslaw,2D:Diracpionts:Eg=0,Me=0,me,小热振动nearzeronuclearmomnents,IdealmaterialsforspintronicsforinstantofSiinFETinintegratedcircuits,Graphene!,OverviewonPhysics,Concept,Contents,Developing,Relationto,Physics,发展方向之一纵向：越来越小,粒子物理标准模型,三类：14+1种,构成物质世界最“基本”的粒子：,三代、三类,u,d,c,s,t,b,e,m,t,ne,nm,nt,电荷,+2/3,-1/3,0,-1,夸克(q),轻子(l),从轻到重,Therelationshipoftheparticles,?,1963年,根据大量的实验数据,盖尔曼等猜测这些粒子具有内部结构,并给出了计算这些粒子质量的公式,介子由（qq）构成重子由（qqq）构成,+(ud),质子(uud),M.Gell-Mann1969Nobelprize,强子的结构与组成,盖尔曼的夸克模型：共有三种夸克u,d,s,建立夸克模型的关键实验:,1972年电子轰击质子实验:质子内部分布着大量的点电荷,并不是一个几何点。其半径10-13cm，定量分析表明,质子是由三个夸克组成1974年丁肇中，B.Richter发现J/粒子:(cc),mc1.5GeV1977年L.Lederman发现(9.5GeV):(bb),mb5GeV1994年Fermilab.CDF组发现Top夸克(t),强子：直接参与强相互作用的粒子,结构：介子=2个夸克(qq)重子=3个夸克（qqq）,分类：,+(ud),质子(uud),qp:Q=2/3e,s=1/2qn:Q=-1/3e,s=1/2q:Q=-1/3e,s=1/2,I:同位旋Y:超荷(=A+S)A:重荷S:奇异数,粒子物理标准模型,M.Gell-Mann1969Nobelprize,Antimatter,Antiparticles:,1928:firstly,Diracpredictedthepossibilityofantielectrons1933NobelPrize,1932:positronsdiscoveredbyCarlD.Anderson1936NobelPrize,1929:AcompleteperiodictableofantimatterwasenvisagedbyCharlesJanet,1955:Theantiproton(uud)wasexperimentallyconfirmedbyUniversityofCalifornia,BerkeleyphysicistsEmilioSegrandOwenChamberlain,1959NobelPrizeinPhysics,1956,theantineutronwasdiscoveredinprotonprotoncollisionsattheBevatron(LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)byBruceCorkandcolleagues.Also,otherantibaryons,1965,productionofnucleiofantideuterium,anti-nucleiconsistingofmultipleboundantiprotonsandantineutronshavebeencreated,2010,11,17:,欧洲核子研究中心（CERN）的科学家成功制造出多个反氢原子(positron+antiproton)，并利用磁场使其存在了“较长时间”0.17s。这是科学家首次成功“抓住”反物质原子。,GBAndresenetal.Nature000,1-4(2010)doi:10.1038/nature09610,Distributionsofreleasedantihydrogenatomsandantiprotons,Antimatter-antiatoms!,强子,质子，中子,nuclear,atoms,molecular,Feymann的话：,如果在某一次大的灾难中，所有的科学知识都将被毁灭，只有一句话可以传给下一代，那么，怎样的说法能够以最少的词汇包含最多的信息呢？,我相信那就是：原子假说即：万物都有原子构成，原子是一些小粒子，它们永不停地四下运动，当它们分开一个小距离时彼此吸引，而被挤到一堆时则相互排斥,多姿多彩的世界威武雄壮的舞台,OverviewonPhysics,Concept,Contents,Developing,Relationto,Physics,发展方向之二纵向：越来越小，越来越大,两极相通,Fourearsandeightstages:,t,t0,w不可能是负,=M/R3,a0:收缩！,不能膨胀！,距离减小！,空间,物质,Einstein场方程,Eq.-1：,Eq.-0,常数项,不能给出膨胀！,爱因斯坦的宇宙常数,Einstein方程：存在相当于作如下变换：提供了正密度(c2/8G)，负压强(c4/8G)。,正密度,负压强,暗能量,代表一种“新物质”,暗能量,Einstein方程显然，物质（）产生引力，导致减速；而产生斥力，导致加速。上面“c2/4G”项实际包括两项，即“3P/c2”，其中=c2/8G，P=c4/8G。,Only这一项才能产生正加速度！,ExperimentalevidenceforBigBananddarkmatteranddarkenergy,TheNobelPrizeinPhysics2006wasawardedjointlytoJohnC.MatherandGeorgeF.Smootfortheirdiscoveryoftheblackbodyformandanisotropyofthecosmicmicrowavebackgroundradiation,ThesatelliteCOBE,微波背景辐射的各向异性：COBE（上）；WMAP（下）全天图。WMAP的分辨率和灵敏度远高于COBE。FreedmanMills,R.(1954),ConservationofIsotopicSpinandIsotopicGaugeInvariance,PhysicalReview96(1):191195,科学家的“伟大”,牛顿:万有引力天地统一,麦克斯韦:电动力学电磁光统一(场、波),波尔兹曼:统计力学宏观与微观关联,爱因斯坦:光量子论波与粒子统一侠义相对论时间与空间的统一广义相对论时间、空间与物质的统一E=2物质与能量的统一四种相互作用的统一,E=mc2,Comefromspecialrelativity,afterthreemonths:,懒惰=惯性活泼=能量,物体的惰性就是物体的活泼性的度量！,静止质量m0,如果说世界上有哪一条真理能将那样多的哲学沉思、物理洞察和技术应用全部融汇于一身，充分显示出人类智慧的巨大潜力，那么，到目前为止，E=mc2可能就是最好的一个了。-方励之（从牛顿定律到爱因斯坦相对论),核裂变、核聚变,GeneralRelativity,引力质量=惯性质量,物质的物理量=时空几何量,引力的本性就是-“没有”引力！,-InParticleandUniverse,Puzzle：,StandardModel:Higgs,Godparticle-originfrommass,BeyondStandardModel?SUSY,Extra-dimensions.Compositeness,belowQuarks,DetailsofSM(EW4inOctoberofthesameyearbyPeterHiggs,5workingfromtheideasofPhilipAnderson;andindependentlybyGeraldGuralnik,C.R.Hagen,andTomKibble,6whoworkedouttheresultsbythespringof1963.7ThethreepaperswrittenonthisdiscoverybyGuralnik,Hagen,Kibble,Higgs,Brout,andEnglertwereeachrecognizedasmilestonepapersduringPhysicalReviewLetters50thanniversarycelebration.8Whileeachofthesefamouspaperstooksimilarapproaches,thecontributionsanddifferencesbetweenthe1964PRLSymmetryBreakingpapersarenoteworthy.9,StevenWeinbergandAbdusSalamwerethefirsttoapplytheHiggsmechanismtotheelectroweaksymmetrybreaking.TheelectroweaktheorypredictsaneutralparticlewhosemassisnotfarfromthatoftheWandZbosons,Thesesixphysicistswerealsoawardedthe2010J.J.SakuraiPrizeforTheoreticalParticlePhysicsforthiswork,北京正负电子对撞机(BEPC)由电子直线注入器、储存环、北京谱仪（BES）和北京同步辐射装置（BSRF）组成84年动工，88年如期建成，并迅速达到设计指标。,BEPCIIupgrade:anewdoubleringmachine,RF,RF,SR,IP,Beamenergy:1.0-2.3GeVLuminosity:11033cm-2s-1No.ofbunches:93Totalcurrent:0.91ASRmode:0.25A2.5GeV,Construction:2003-2008,大亚湾反应堆中微子实验,用大亚湾反应堆测量q13是我国粒子物理发展的一个重大机遇：功率高（世界第二）周围有山，便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底造价较低，没有根本的技术困难世界各国共有8个实验建议，三个正在进行中难点：精度较过去提高一个量级我们的突破：独特设计+环境优势达到精度要求,实验方案,通过远近点之间的相对测量提高精度2个近点+1个远点同一点的多模块中微子测量以降低系统误差并相互校验基于掺钆的液体闪烁体钢罐+2层有机玻璃罐+上下反射板多