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物理学领域（第2页）

广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研究有重要意义，对于研究宇宙的结构和演化也有重要意义。

◆原子物理学

现代原子物理学的基本理论主要是由德布罗意、海森伯、薛定谔、狄里克莱等所创建的量子力学和量子电动力学。它们与经典力学和经典电动力学的主要区别是：物理量所能取的数值是不连续的；它们所反映的规律不是确定性的规律，而是统计规律。

应用量子力学和量子电动力学研究原子结构、原子光谱、原子发射、吸收、散射光的过程，以及电子、光子和电磁场的相互作用和相互转化过程非常成功，理论结果同最精密的实验结果相符合。

微观客体的一个基本性质是波粒二象性。粒子和波是人在宏观世界的实践中形成的概念，它们各自描述了迥然不同的客体。但从宏观世界实践中形成的概念未必恰巧适合于描述微观世界的现象。

◎早期的原子弹设计蓝图。

现在看来，需要粒子和波动两种概念互相补充，才能全面地反映微观客体在各种不同的条件下所表现的性质。这一基本特点的另一种表现方式是海森伯的测不准原理：不可能同时测准一个粒子的位置和动量，位置测得愈准，动量必然测得愈不准；动量测得愈准，位置必然测得愈不准。

量子力学和量子电动力学产生于原子物理学的研究，但是它们起作用的范围远远超出了原子物理学。量子力学是所有微观、低速现象所遵循的规律，因此不仅应用于原子物理学，也应用于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体的微观结构的研究。量子电动力学则是所有微观电磁现象所必须遵循的规律。直到现在，还没有发现量子电动力学的局限性。

◆量子统计力学

以量子力学为基础的统计力学，称为量子统计力学。经典统计力学以经典力学为基础，因而经典统计力学也具有局限性。例如，随着温度趋于绝对零度，固体的热也趋于零的实验现象，就无法用经典统计力学来解释。

在宏观世界中，看起来相同的物体总是可以区别的，在微观世界中，同一类粒子却无法区分。例如，所有的电子的一切性质都完全一样。在宏观物理现象中，将两个宏观物体交换，就得到一个和原来状态不同的状态，进行统计时必须将交换前和交换后的状态当作两个不同的状态处理；但是在一个物理系统中，交换两个电子后，得到的还是原来的状态。因此进行统计时，必须将交换前和交换后的状态当作同一个状态来处理。

根据微观世界的这些规律改造经典统计力学，就得到量子统计力学。应用量子统计力学就能使一系列经典统计力学无法解释的现象，如黑体辐射、低温下的固体比热容、固体中的电子为什么对比热的贡献如此小等等，都得到了合理的解释。

◆原子核物理学

原子核是比原子更深一个层次的物质结构。原子核物理学是研究原子核的性质、内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反应过程的学科。

◎原子的核裂变示意图。

在原子核被发现以后，科学家们曾经以为原子核是由质子和电子组成的。1932年，英国科学家查德威克发现了中子，这才使人们认识到原子核可能具有更复杂的结构。

质子和中子统称为核子，中子不带电，质子带正电荷，因此质子间存在着静电排斥力。万有引力虽然使各核子相互吸引，但在两个质子之间的静电排斥力比它们之间的万有引力要大万亿亿倍以上。所以，一定存在第三种基本相互作用——强相互作用力。人们将核子结合成为原子核的力称为核力，核力来源于强相互作用。从原子核的大小以及核子和核子碰撞时的截面估计，核力的有效作用距离力程约为一千万亿分之一米。

原子核主要由强相互作用力将核子结合而成，当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核（如铀原子核）在吸收一个中子以后，会裂变成两个较轻的原子核，同时放出20～30个中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成一个较重的原子核，同时放出巨大的能量。这种原子核的熔合过程叫作聚变。

粒子加速器的发明和裂变反应堆的建成，使人们能够获得大量能量较高的质子、电子、光子、原子核和大量中子。可以用来轰击原子核，系统地开展关于原子核的性质及其运动、转化和相互作用过程的研究。

高能物理研究发现，核子还有内部结构。原子核结构是一个比原子结构更为复杂的研究领域。目前，关于原子核结构，原子核反应和衰变的理论都是模型理论，其中一部分相当成功地反映了原子核的客观规律。

◆固体物理学

固体物理学是研究固体性质、微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。

◎固体物理学为集成电路技术迅速发展奠定了基础。

固体的内部结构和运动形式很复杂，这方面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究。1912年劳厄等发现X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析基础。对于磁有序的结构的晶体，增加了自旋磁矩有序排列的对称性，直到20世纪50年代舒布尼科夫才建立了磁有序的对称理论。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。

◎低温高压空气等离子体发生仪。

◎固体物理学是从研究晶体开始的。

固体物理对于技术的发展有很多重要的应用。晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学的基础。

◆等离子体物理学

等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如：太阳中心区的温度超过一千万度，太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究，推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起，为了利用轻核聚变反应解决能源问题，促使等离子体物理学研究蓬勃发展。

等离子体内部存在着很多种运动形式，并且相互转化着。高温等离子体还有多种不稳定性，因此等离子体研究是个非常复杂的问题。虽然知道了描述等离子体的基本数学方程，但这组方程非常难解，目前还很难准确预言等离子体的性质和行为。