第二章：物理学的普遍规律

科学格言

哲学家以及论述科学方法的作者们的一个常见错误是，他们误认为，系统地积累了资料，最后根据简单的逻辑作出结论和概括这样就作出了新发现。而事实上，可能只有个别的发现是这样作出的。－－贝弗里奇

绝不能用归纳法来发现物理学上的基本概念。十九世纪许多科学研究者不认识这一点，他们最基本的哲学错误就在与此。…我们现在特别清楚地认识到：那些相信归纳经验就能产生理论的理论家是多么的错误！

---爱因斯坦第二章：物理学的普遍定律正确把握科学的本质－创造

1901年，第一个诺贝尔物理奖授予德国的Roetgen(伦琴)。瑞典皇家科学院院长奥德纳的致词：“皇家科学院决定将诺贝尔物理学奖授予慕尼黑大学的W.C.Roetgen教授，以表彰他那常常与他的名字联系在一起的发现，即所谓伦琴射线－他自己称之为X－射线。

1902年，诺贝尔物理奖授予H.A.Lorentz(洛伦兹)和P.Zeeman(塞曼)，因研究磁力对辐射现象的影响取得优异成就。瑞典皇家科学院院长蒂尔教授致词：“皇家科学院决定将本年度的诺贝尔物理学奖授予莱顿大学的H.A.Lorentz和阿姆斯特丹大学的P.Zeeman教授，以表彰他们在研究光和电磁现象联系方面所作的开创性的工作。”

1998Theprizewasawardedjointlyto:

ROBERTB.LAUGHLIN,HORSTL.STORMERandDANIELC.TSUIfortheirdiscoveryofanewformofquantumfluidwithfractionallychargedexcitations.

1997Theprizewasawardedjointlyto:

STEVENCHU,CLAUDECOHEN-TANNOUDJIandWILLIAMD.PHILLIPSfordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight.

科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。一套完整的统一理论的发现可能对人类的存活无助，甚至也不会影响我们的生活方式。然而，自从文明开始，人们即不甘于将事件看做互不相关而且不可理解，他们渴求理解世界的根本秩序。今天我们仍然渴望知道，我们为何在此？我们从何而来？人类求知的最深切的意愿足以为我们所从事的不断探索提供正当的理由。而我们的目标恰恰是对我们生活其中的宇宙做出完整的描述。

------摘自《时间简史》物理学研究的尺度宇宙（观察宇宙）Howlarge?

我们今天所知道的宇宙大小，大概是130亿光年的距离为半径的球形空间。Howweight?1079

质子,1053Kg宇宙大爆炸示意图宇宙获得质量▼牛津科学家新发现可窥视宇宙大爆炸之前情景

这一发现并非是对大爆炸理论的否定，相反，它支持这样一种观点，即大爆炸可能发生过很多次。科学家们解释说，CMB中圆环结构的发现支持这样一种可能性，即我们生活于一个“循环”的宇宙中——当我们的宇宙终结，标志着一个“世代”的结束。但是它会立即引发一次大爆炸，从而产生一个新的“世代”，也就是一个新的宇宙，这样永恒循环。此次发现的圆环结构可能就是我们之前的一次那个宇宙中遗留下来的痕迹。（2011）另外一种宇宙诞生模型宏观宇宙太阳系绕银河系中心旋转一周需要2.23x108年7光年的光环关于时间和空间的思考经典物理学中，时间和空间是作为绝对的参考物存在，而在相对论中，时间和空间则不是一成不变，是作为物质的属性存在。

就我们这些物理学的信徒而言，对于过去、现在和将来的划分，其意义仅仅是一种永远的幻觉。

---爱因斯坦1955，写给韦罗·贝索宇宙莫非如此？霍金新著GrandDesignByStephenHawkingandLeonardMlodinowBantamBooks,NewYork,2010

书中对宇宙起源，生命起源有许多新的看法，例如，多重宇宙。

在《何为实在》篇章里，霍金讲述了金鱼缸里的物理学。众所周知，金鱼在弯曲、弧形的鱼缸里看到的实景是歪曲的。霍金就这一现象提出一系列的质疑，“我们何以得知我们拥有真正的被歪曲的实在图像？难道我们自己不也可能处于某个大鱼缸之内，一个巨大的透镜扭曲我们的美景？金鱼的实在图像和我们的不同，然而我们能肯定它比我们的更不真实吗？”AWorldfromMacrotoNano-scale高分辨电子显微镜下面的氧化物宇宙的尺度划分微观－介观－宏观Macroscopy-mesoscopy-microscopy物理学的定义和物理学中的基本量物理学是研究物质，能量以及它们之间相互作用的学科。－－－国际纯物理和应用物理大会1995年定义既然是物质就有大小和质量

（静止的光子没有质量，中微子可能有极微小的质量）既然是能量就有高低（下面表中给出了一些基本数据）

*数量级在物理学中有重要的意义，很多时候，我们并不需要知道某一事物的绝对数值，但需要知道它们大概的数量级以判断它们的属性。表1：某些长度的数量级长度m长度m质子的半径（强作用力程）电子的康普顿波长原子的半径病毒的半径，可见光波长巨型阿米巴的半径昆虫的长度人体的高度红杉树高度珠穆朗玛峰的高度10-1510-1210-1010-710-410-2100102104地球的半径太阳的半径地球轨道的半径（1AU）太阳系的半径到最近恒星的距离银河系的半径星系团的半径超星系团的半径可探测类星体的最远距离1071091011101310161021102310241026AU(astronomicunit

)：天文单位，au(arbitraryunit)：任意单位表2：某些质量的数量级质量kg质量kg电子质子氨基酸分子血红蛋白分子流感病毒烟草花叶病毒巨型阿米巴雨滴蚂蚁10-3010-2710-2510-2210-1910-1310-810-610-4人体土星5号火箭金字塔海洋中的水月球地球太阳银河系宇宙（现在知道的）1021061010102110231025103010411053表3：某些时间间隔的数量级时间间隔s时间间隔sZ0和W±的寿命Σ0超子的寿命π0介子的寿命可见光辐射的周期Λ超子的寿命π±介子的寿命μ子的寿命最高可听见声音的周期钟摆的周期10-2510-1910-1610-1510-1010-810-610-4100自由中子的寿命地球自转的周期（天）地球公转的周期（年）人类文明史古人类出现至今恐龙灭绝至今地球的年龄宇宙的年龄质子的寿命103105107101110141015101710181039磁共振：NMR/EMR→

红外光谱→拉曼光谱

→可见光谱

→紫外光谱

→X－射线衍射

→

穆斯堡尔谱

→太赫兹光谱→自然界能量的分布及波长，频率并非任意波长的光都可以得到自然界的四种基本相互作用表4：四种基本的相互作用类型媒介粒子强度（相对）作用距离强相互作用电磁相互作用弱相互作用引力相互作用胶子和介子光子中间玻色子引力子110-210-1310-38短（~10-15m）长短（~10-18m）长

4种相互作用力不过是为了满足局部理论而人为划分，并不具有深远意义。

----霍金，《时间简史》表5：国际单位制所用的词冠因数英文符号中文因数英文符号中文10-110-210-310-610-910-1210-1510-1810-2110-24decicentimillimicronanopicofemtoattozeptoyoctodcmμnpfazy分厘毫微纳[诺]皮[可]飞[母托]阿[托]仄[普托]幺[科托]1010210310610910121015101810211024decahectokilomegagigaterapetaexazettayottadahkMGTPEZY十百千兆吉[咖]太[拉]拍[它]艾[可萨]泽[它]尧[它]

物理学的结构1.力，热，光，电，磁（经典物理学，

20世纪以前）2.量子论（近代物理，20世纪以来）理论力学，量子力学，统计力学，电动力学（包括相对论）3.物理学前沿物质结构的揭示道尔顿的原子论（～1803）门捷列夫的元素周期表（～1869）卢瑟福的原子模型（～1900）夸克，轻子（～1964）物理学研究的启示无尽的探索！未解之迷，例如：宇宙起源，生命起源，反物质，暗物质（无电磁讯号，有引力作用）。。。（欧洲物理学家2010年造出反氢）凝聚态物理的问题。。。物理学的分支物理学一级学科二级学科：三级学科：物理学的普遍规律1.守恒定律2.质能转换定律3.四种相互作用4.对称性1.守恒定律

Lawofconservation物质不灭定律（质量守恒定律）能量守恒定律动量守恒定律（P=mv）角动量守恒定律（L＝r×mv）动量守恒定律（P=mv）

Lawofconservationofmomentum一个系统由两个质点组成，如果这两个质点只受到它们之间的相互作用，则这个系统的总动量保持恒定：P1+P2=常量注意，这个系统是封闭系统。角动量守恒定律（L＝r×mv）

Lawofconservationofangularmomentum一个系统由两个质点组成，如果这两个质点只受到它们之间的相互作用，则这个系统的总角动量保持恒定：L1+L2=常量注意，这个系统是封闭系统2.质能转化定律

Mass-Energy-relationE＝mc2(核反应和核武器的基础)物理学中，还有一个重要的能量公式：E=hν这里h是普朗克常数，ν是频率。它是一个量子的能量。3.四种相互作用

物理学家总是试图得到能够解释一切物理现象的基本规律类型媒介粒子强度（相对）作用距离强相互作用电磁相互作用弱相互作用引力相互作用胶子和介子光子中间玻色子引力子110-210-1310-38短（~10-15m）长短（~10-18m）长1967年，S.Weiberg,A.Salam,在S.L.Glashow的理论基础上，先后提出电磁相互作用和弱相互作用统一的规范理论,后来为实验证实，有了电弱相互作用（electro-weakunifiedtheory）的电弱统一理论。4.对称性

Symmetry自然界不论是宏观物体还是微观粒子，普遍存在着对称性。例如，雪花、花朵、蝴蝶都具有对称性，人体也具有对称性。地下的矿物，如水晶、钻石、闪锌矿……也都具有对称性。