物理研究史

三、现代物理学

经典物理这座辉煌的大厦，对物质的研究和人类文明的发展，及其人们生活都起到了无可替代的伟大作用，说它是人类科学大地上的一座金碧辉煌的宝塔，一点也不过分。但是随着人类科学的不断发展，这座大厦逐渐出现了裂缝，并且裂缝且行且裂而无法弥补，从而导致了现代物理学的形成。现代物理学的两大杰出开路先锋就是：爱因斯坦的相对论和以普朗克为量子之父的量子理论。

爱因斯坦相对论，包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对论基于两个假设：其一，相对性原理，即物理学的定律在所有惯性系中具有不变的形式；其二，光速不变原理，即在自由空间中，光的传播速度是一个常数。

以这两个假设为基础的狭义相对论，得出了许多革命性的论断，打破了人类对经典物理框架下的，好多旧的认识观点。比如时间、空间的相对性，即时间和空间随着物质的运动而改变；比如物体的质量，随物体运动速度的增大而增大；再比如物体运动的速度上限为光速，即所有物体的运动速度，不可能大于光在真空中的速度C；等等。

广义相对论，是在狭义相对论的基础上发展起来的，因为绝对的惯性系难以找到；所以爱因斯坦，把狭义相对论中的相对性原理，从惯性系推广到任意参考系，从而得到了广义相对性原理。广义相对论认为，物理定律在一切参考系中都具有相同的形式，或者说物理定律在任意坐标变换下都具有协变性，这条原理也称作广义协变性原理。

除此之外，广义相对论还有一个重要的理论，它就是著名的等效原理；即相对固定物体做恒定加速运动的参考系，与在均匀引力场中静止的惯性系是等效的。

举个等效原理的例子：在你睡着的时候，把你装在一个黑箱子里面，然后把装你的黑箱子放在地球的某个地方，或放在以加速度g飞行的宇宙飞船上；当你醒来后，黑箱子里面的你，根本不知道自己是在地球上，还是在加速飞行的飞船上。实际上等效原理的通俗理解就是，加速度和引力是等效的。

在以广义相对性原理和等效原理，为基础的广义相对论认为引力弯曲时空，即引力曲率效应。

狭义相对论的核心是时空观念，它认为时空具有相对性；广义相对论的关键是等效思想。相对论揭示了时间、空间、物质，三者的相互关系，以及物质性能与运动的关系。而在相对论框架下得出的尺缩时延效应、质能关系——质能方程式、时空扭曲效应等等，都是一个个惊人的天才凸现。

与相对论比翼的是量子力学。量子力学是研究微观世界的规律；它从根本上揭示了物质结构，及其相互作用的原理；它是可以描述除了引力之外，几乎所有基本相互作用的理论；它是由普朗克、爱因斯坦、薛定谔、海森堡、费米等许多科学家共同努力，并完成的理论。

随着现代物理学的发展，和人类科学研究的不断拓展，科学家们睿智的卓绝，闪烁着许多奇丽的光芒。

宇宙学。宇宙学包括，宇宙大爆炸理论和时空膨胀理论，以及平行宇宙、多重宇宙等等。

宇宙大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于一个体积无限小、能量密度无限大的奇点。奇点在某种情况下突然爆炸，继而向外扩展成我们的初期宇宙；然后我们的宇宙，在斥力作用下不断膨胀、在物质耦合作用下形成粒子，引力作用下形成各种天体星系。这样逐渐发展、不断演化，形成了我们如今的宇宙万物；现在我们的宇宙空间，还在继续向外膨胀，还在不断的演化之中。

人们刚开始认为，宇宙的膨胀仅仅只是，天体星系的向外运行；后来才慢慢地发现，我们的宇宙膨胀，不仅仅是天体星系的退行，而是宇宙空间自身在膨胀，这就是时空膨胀理论的观点。

另外许多科学家认为，我们的宇宙外面有空间，要不然宇宙不可能向外膨胀。所以有人提出了多元宇宙，其中最有名的两个猜想是：其一，平行宇宙，其认为我们的宇宙，只是许多宇宙中的一个，许多宇宙在一起，就像一盆吹起的肥皂泡泡一样；其二，多重宇宙，其认为宇宙分不同等级，高级宇宙包含低级宇宙，而我们的宇宙只是其中的某一级。

在天体的研究中，霍金对黑洞的研究颇有建树。霍金和一些科学家，在黑洞的研究方面得出了，奇点定理、黑洞无毛定理、黑洞面积定理、霍金辐射等等。其中以霍金最为突出，所以霍金被认为是继爱因斯坦之后，又一个伟大的物理学家。当然，除黑洞的研究之外，霍金还研究了其它方面的领域。

统一理论。现在科学家都认为，自然界存在四大基本作用，即万有引力、电磁力、弱相互作用和强相互作用。麦克斯韦方程统一了电、磁、光，此三者统一于电磁场及其电磁力；弱电理论统一了电磁力和弱相互作用。除此之外，统一理论的研究中，还有两种主要的理论，它们就是弦理论和杨-米尔斯理论。

弦理论。弦理论认为，宇宙万物的最基本单元不是点状粒子，而是非常微小的线状弦，就像小提琴的琴弦一样，或是有端点的开弦，或是弯成圈状的闭弦；弦的振动和运动产生了各种粒子，进而形成宇宙万物。

杨-米尔斯理论，又称规范场理论，是由物理学家杨振宁和米尔斯首先提出来的。这一理论起源于对电磁相互作用的研究，用它建立的弱电磁统一论已被证实，它又是研究强相互作用的有力工具，也是引力作用的备用理论。故此理论在物理学中，有着极其重要的作用。

杨振宁除了建立了规范场理论之外，他还和李政道提出了宇称不守恒定律。宇称是描述，微观粒子在空间反演下，变换性质的相乘性量子数；宇称守恒定律，即宇称对称，通俗地讲就是左右对称，或镜像与原物对称。举个例子：8或6翻转，使其左右对换，则8依然是8，然6就不是6了；所以8具有左右对称性，6不具有左右对称性。

另外，杨振宁在许多领域内也做出了好多贡献，如统计力学方面的相变理论等。所以杨振宁当之无愧，为当今世界最伟大的科学家。

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