物理研究史

三、現代物理學

經典物理這座輝煌的大廈，對物質的研究和人類文明的發展，及其人們生活都起到了無可替代的偉大作用，說它是人類科學大地上的一座金碧輝煌的寶塔，一點也不過分。但是隨著人類科學的不斷發展，這座大廈逐漸出現了裂縫，并且裂縫且行且裂而無法彌補，從而導致了現代物理學的形成。現代物理學的兩大杰出開路先鋒就是：愛因斯坦的相對論和以普朗克為量子之父的量子理論。

愛因斯坦相對論，包括狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論基于兩個假設：其一，相對性原理，即物理學的定律在所有慣性系中具有不變的形式；其二，光速不變原理，即在自由空間中，光的傳播速度是一個常數。

以這兩個假設為基礎的狹義相對論，得出了許多革命性的論斷，打破了人類對經典物理框架下的，好多舊的認識觀點。比如時間、空間的相對性，即時間和空間隨著物質的運動而改變；比如物體的質量，隨物體運動速度的增大而增大；再比如物體運動的速度上限為光速，即所有物體的運動速度，不可能大于光在真空中的速度C；等等。

廣義相對論，是在狹義相對論的基礎上發展起來的，因為絕對的慣性系難以找到；所以愛因斯坦，把狹義相對論中的相對性原理，從慣性系推廣到任意參考系，從而得到了廣義相對性原理。廣義相對論認為，物理定律在一切參考系中都具有相同的形式，或者說物理定律在任意坐標變換下都具有協變性，這條原理也稱作廣義協變性原理。

除此之外，廣義相對論還有一個重要的理論，它就是著名的等效原理；即相對固定物體做恒定加速運動的參考系，與在均勻引力場中靜止的慣性系是等效的。

舉個等效原理的例子：在你睡著的時候，把你裝在一個黑箱子里面，然后把裝你的黑箱子放在地球的某個地方，或放在以加速度g飛行的宇宙飛船上；當你醒來后，黑箱子里面的你，根本不知道自己是在地球上，還是在加速飛行的飛船上。實際上等效原理的通俗理解就是，加速度和引力是等效的。

在以廣義相對性原理和等效原理，為基礎的廣義相對論認為引力彎曲時空，即引力曲率效應。

狹義相對論的核心是時空觀念，它認為時空具有相對性；廣義相對論的關鍵是等效思想。相對論揭示了時間、空間、物質，三者的相互關系，以及物質性能與運動的關系。而在相對論框架下得出的尺縮時延效應、質能關系——質能方程式、時空扭曲效應等等，都是一個個驚人的天才凸現。

與相對論比翼的是量子力學。量子力學是研究微觀世界的規律；它從根本上揭示了物質結構，及其相互作用的原理；它是可以描述除了引力之外，幾乎所有基本相互作用的理論；它是由普朗克、愛因斯坦、薛定諤、海森堡、費米等許多科學家共同努力，并完成的理論。

隨著現代物理學的發展，和人類科學研究的不斷拓展，科學家們睿智的卓絕，閃爍著許多奇麗的光芒。

宇宙學。宇宙學包括，宇宙大爆炸理論和時空膨脹理論，以及平行宇宙、多重宇宙等等。

宇宙大爆炸理論認為，我們的宇宙起源于一個體積無限小、能量密度無限大的奇點。奇點在某種情況下突然爆炸，繼而向外擴展成我們的初期宇宙；然后我們的宇宙，在斥力作用下不斷膨脹、在物質耦合作用下形成粒子，引力作用下形成各種天體星系。這樣逐漸發展、不斷演化，形成了我們如今的宇宙萬物；現在我們的宇宙空間，還在繼續向外膨脹，還在不斷的演化之中。

人們剛開始認為，宇宙的膨脹僅僅只是，天體星系的向外運行；后來才慢慢地發現，我們的宇宙膨脹，不僅僅是天體星系的退行，而是宇宙空間自身在膨脹，這就是時空膨脹理論的觀點。

另外許多科學家認為，我們的宇宙外面有空間，要不然宇宙不可能向外膨脹。所以有人提出了多元宇宙，其中最有名的兩個猜想是：其一，平行宇宙，其認為我們的宇宙，只是許多宇宙中的一個，許多宇宙在一起，就像一盆吹起的肥皂泡泡一樣；其二，多重宇宙，其認為宇宙分不同等級，高級宇宙包含低級宇宙，而我們的宇宙只是其中的某一級。

在天體的研究中，霍金對黑洞的研究頗有建樹。霍金和一些科學家，在黑洞的研究方面得出了，奇點定理、黑洞無毛定理、黑洞面積定理、霍金輻射等等。其中以霍金最為突出，所以霍金被認為是繼愛因斯坦之后，又一個偉大的物理學家。當然，除黑洞的研究之外，霍金還研究了其它方面的領域。

統一理論。現在科學家都認為，自然界存在四大基本作用，即萬有引力、電磁力、弱相互作用和強相互作用。麥克斯韋方程統一了電、磁、光，此三者統一于電磁場及其電磁力；弱電理論統一了電磁力和弱相互作用。除此之外，統一理論的研究中，還有兩種主要的理論，它們就是弦理論和楊-米爾斯理論。

弦理論。弦理論認為，宇宙萬物的最基本單元不是點狀粒子，而是非常微小的線狀弦，就像小提琴的琴弦一樣，或是有端點的開弦，或是彎成圈狀的閉弦；弦的振動和運動產生了各種粒子，進而形成宇宙萬物。

楊-米爾斯理論，又稱規范場理論，是由物理學家楊振寧和米爾斯首先提出來的。這一理論起源于對電磁相互作用的研究，用它建立的弱電磁統一論已被證實，它又是研究強相互作用的有力工具，也是引力作用的備用理論。故此理論在物理學中，有著極其重要的作用。

楊振寧除了建立了規范場理論之外，他還和李政道提出了宇稱不守恒定律。宇稱是描述，微觀粒子在空間反演下，變換性質的相乘性量子數；宇稱守恒定律，即宇稱對稱，通俗地講就是左右對稱，或鏡像與原物對稱。舉個例子：8或6翻轉，使其左右對換，則8依然是8，然6就不是6了；所以8具有左右對稱性，6不具有左右對稱性。

另外，楊振寧在許多領域內也做出了好多貢獻，如統計力學方面的相變理論等。所以楊振寧當之無愧，為當今世界最偉大的科學家。

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來源: 能子源