理論物理學研究領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)和動態(tài)

侯家昊

(山東省濟南第三中學 250100)

理論物理學研究領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)和動態(tài)

侯家昊

(山東省濟南第三中學 250100)

本文從物理學發(fā)展史出發(fā)，結(jié)合一些具體的物理學理論，以相對論和量子力學這兩大現(xiàn)代物理的基本理論為例，闡明了物理學家如何構(gòu)建物理學的經(jīng)典理論.進一步地，通過對物理學前沿領(lǐng)域的一些簡單介紹，來研究當今物理學理論的結(jié)構(gòu)和動態(tài).

理論物理；相對論；量子力學；結(jié)構(gòu)與動態(tài)

本文通過對相對論和量子力學兩大理論的分析，希望由此得知物理學家是怎樣構(gòu)建物理學理論的；通過對高能物理領(lǐng)域的簡單考察，了解物理學前沿的特點和困難.最后，希望本文對理論物理學的機構(gòu)與動態(tài)能得到一些有益的結(jié)論.

一、物理學的幾個重要特點

牛頓在《自然哲學之數(shù)學原理》中提出的四個“哲學中的推理規(guī)則”可謂是早起物理學研究的基本規(guī)范，在這里我們回放一下：

規(guī)則Ⅰ：尋求自然事物的原因，不得超出真實和足以解釋其現(xiàn)象者.

規(guī)則Ⅱ：因此對于相同的自然現(xiàn)象，必須盡可能地尋求相同的原因.

規(guī)則Ⅲ：物體的特性，若其程度既不能增加也不能減少，且在試驗所及范圍內(nèi)為所有物體所共有，則應視為一切物體的普遍屬性.

規(guī)則Ⅳ：在實驗哲學中，我們必須將由現(xiàn)象所歸納出的命題視為完全正確的或基本正確的，直到出現(xiàn)了其他的或可排除這些命題、或可使之變得更加精確的現(xiàn)象之時.

結(jié)合后來物理學的發(fā)展情況，我們總結(jié)了以下幾個重要結(jié)論：

(1)物理學是一門實驗科學，必須尊重觀察和實驗的結(jié)論.

(2)理論不僅要能解釋舊理論已經(jīng)很好解釋了的現(xiàn)象，還要能解釋舊理論不能解釋的現(xiàn)象；更進一步地，要提出預言，并為實驗所驗證.

(3)物理學是一門定量科學，理論要盡可能以數(shù)學方法準確描述現(xiàn)象.

(4)同等效力的理論，我們選擇最簡潔的那個.

(5)理論應盡可能具有普遍性，能解釋更多的現(xiàn)象，甚至一些極端情況下依然適用.

二、理論的構(gòu)建

現(xiàn)代理論物理學前沿領(lǐng)域，將不可避免地要面對更復雜、更極端的對象，基本理論也在走向統(tǒng)一.那么，物理學家是怎樣構(gòu)建理論的呢？讓我們從經(jīng)典光學講起.

1.經(jīng)典光學理論的成就和困難

十七世紀，幾何光學的一些基本原理已經(jīng)建立，并發(fā)現(xiàn)了光譜等重要現(xiàn)象.牛頓提出了光的微粒說，但在解釋牛頓環(huán)等現(xiàn)象時卻遇到了困難.惠更斯創(chuàng)立了波動說，菲涅爾進一步假設(shè)光是橫波，還解釋了偏拆現(xiàn)象.但是，這一理論在“以太”的問題上遇到了困難.轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在電磁學理論的發(fā)展中.由麥克斯韋方程組可以得到波動解，后來，由實驗證實光是電磁波.但是在這一理論中依然要假設(shè)具有位移電流和電磁場的連續(xù)介質(zhì)以太.人們計算發(fā)現(xiàn)，在折射率接近的空氣中，應該能夠出現(xiàn)“以太風”.然而邁克爾遜——莫雷實驗發(fā)現(xiàn)，并不存在這種“以太風”.這樣，波動說的基礎(chǔ)“以太”就自相矛盾.

光的微粒說和波動說的爭論，以及以太的性質(zhì)問題，在這些困難被克服的過程中，誕生了相對論和量子力學.

2.相對論和量子力學的建立和發(fā)展

1900年，普朗克假設(shè)黑體輻射的能量是以量子化形式發(fā)出和吸收的，并與輻射頻率有關(guān).在此基礎(chǔ)上，他解釋了不久前由他提出的黑體輻射公式.1905年，愛因斯坦前量子論推廣到整個輻射場，并用以解釋光電效應等問題，并產(chǎn)生了初步的波粒二象性思想.1923年，德布羅意將波粒二象性的概念推廣到電子等實物粒子.到了1925年，海森伯等人通過將經(jīng)典的力學量對應為算符，建立了量子力學.1926年初，薛定諤就建立了粒子的非相對論性波動方程.而到了1927年，電子的波動性更是得到了實驗證實.

量子力學創(chuàng)立后，狄拉克提出了相對論性的波動方程，試圖將兩大體系融合，卻存在許多明顯的不足.后來人們創(chuàng)立了量子場論,只是至今也沒能提出有限的量子引力理論.

三、關(guān)于物理學研究領(lǐng)域結(jié)構(gòu)與動態(tài)的一些結(jié)論

物理學理論要走向統(tǒng)一，要面向更復雜、更極端的現(xiàn)象.但是，我們現(xiàn)今的技術(shù)尚不足以達到相應的能標.從物理學史，以及高能物理的前沿領(lǐng)域來看，理論物理學研究領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)與動態(tài)有以下幾個特點：

1.物理概念和圖像與經(jīng)典理論有極大不同.

2.物理學理論逐漸普遍化，并面向了復雜、極端的現(xiàn)象.

3.實驗越來越難以達到驗證理論的能標，我們對一些領(lǐng)域缺乏認識.

4.一些領(lǐng)域?qū)?shù)學的要求日漸提高.

四、關(guān)于狹義相對論的一個小例子

那么，有沒有什么例子是由量子力學與相對論共同解釋的呢？也就是說，二者做為現(xiàn)代物理學的基礎(chǔ)，有什么聯(lián)系呢？拋開過于深奧的量子場論不談，讓我們回過頭來看看光電效應.

光電效應是指在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會被光子激發(fā)出來而形成電流.當然，今天我們已經(jīng)認識到了光的波粒二象性；也由于量子場論的建立，我們把它看作電磁力的媒介子.但是要知道，當時的人可不知道這些.光在當時被認為是純粹的波動現(xiàn)象，這得到了經(jīng)典光學實驗的支持.但是，光電效應卻無法用波動說來解釋.光電效應有幾個有意思的特點：一是只有超過一定頻率的電磁波照射才能產(chǎn)生光電流；二是不增加電磁波頻率的情況下，無論怎樣增加電磁波強度，都不能產(chǎn)生更強的電流.有沒有聯(lián)想到什么？很像經(jīng)典粒子的碰撞對吧？當年愛因斯坦也是這么想的.

普朗克提出量子論，以解釋黑體輻射.但他只在輻射發(fā)出和吸收時使用了這一假設(shè).而到了1905年，愛因斯坦將量子論推廣到整個輻射場，組成輻射的光子就像經(jīng)典的理想氣體一樣，組成一團“光子氣”，光子能量當然滿足普朗克當年的方程：E=hv′

其中h是普朗克常量，v是光子頻率，而E則是相應的光子能量.現(xiàn)在，我們考慮相對論能量E=mc2，它與動量之間的關(guān)系是E=p/c，由此我們得：P=E/c=hv/c=h/λ

其中λ為光子的波長.現(xiàn)在我們知道了光子的能量和動量，可以著手解決光電效應問題了.設(shè)產(chǎn)生光電流的最小頻率為v0，這是物體的一個特征頻率，只與自身的性質(zhì)有關(guān).由此，有逸出功W=hv0，那光子能量須不低于逸出功才能產(chǎn)生光電流.因此有方程：E=hv-w=h(v-v0)

這就解釋了光電效應.后來在康普頓散射現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)，散射前后光子的波長發(fā)生改變，進一步證明了光的波粒二象性.有方程：λ′=λ+λc(1-cosθ)

式中，λ是入射波長；λ′是散射波長；θ是散射角，且λc=h/mc.λc叫所謂的(質(zhì)量m)靶粒子康普頓波長.這就是量子論建立之初，人們探索波粒二象性的一些努力.其中，相對論的能量—動量關(guān)為解決問題提供了極大幫助.

大膽假設(shè)，小心求證，用數(shù)學方法嚴格描述，并結(jié)合其他理論，這就是物理學前沿領(lǐng)域的風采.

[1]黃志洵，姜榮．波科學理論的改進[J]．中國傳媒大學學報(自然科學版)，2016(12)．

[2]吳新忠.愛因斯坦與量子力學解釋[J].自然辯證法通訊，2017(5).

G632

A

1008-0333(2017)31-0069-02

2017-07-01

侯家昊(2000.11-),男,山東省濟南市人,濟南中學高三學生.

閆久毅]