1、l该课程是一门面向物理专业教育硕士研究该课程是一门面向物理专业教育硕士研究生的专业必修课程。生的专业必修课程。l课程旨在让研究生同学熟悉课程旨在让研究生同学熟悉2020世纪物理学世纪物理学的发展历程，展望的发展历程，展望2121世纪物理学发展前景，世纪物理学发展前景，了解物理学主要分支学科的研究现状、前了解物理学主要分支学科的研究现状、前沿问题和发展趋势。沿问题和发展趋势。l通过该课程的学习，使得大家在中学物理教学通过该课程的学习，使得大家在中学物理教学过程中，在对中学生进行知识传授的同时，适过程中，在对中学生进行知识传授的同时，适当地加入物理学发展的内容，更好的进行过程当地加入物理学发展的内
2、容，更好的进行过程与方法，以及情感态度与价值观的教育，努力与方法，以及情感态度与价值观的教育，努力实现教学的三维目标；实现教学的三维目标；l而且也可以帮助大家在中学物理教学过程中，而且也可以帮助大家在中学物理教学过程中，适当融入现代物理和高科技的元素，不断激发适当融入现代物理和高科技的元素，不断激发中学生的好奇心和求知欲，努力培养学生的创中学生的好奇心和求知欲，努力培养学生的创新意识和创造能力。新意识和创造能力。专题一、物理学的发展及其展望专题一、物理学的发展及其展望 专题二、物理学与现代高科技专题二、物理学与现代高科技 专题三、天体物理学及宇宙学专题三、天体物理学及宇宙学 专题四、粒子物理学
3、专题四、粒子物理学专题五、高能核物理专题五、高能核物理 专题六、半导体物理与技术专题六、半导体物理与技术 专题七、纳米材料及其应用专题七、纳米材料及其应用 专题八、超导物理与技术专题八、超导物理与技术 专题九、原子、分子物理专题九、原子、分子物理 专题十、激光物理专题十、激光物理专题十一、光与物质相互作用专题十一、光与物质相互作用专题十二、生物物理与技术专题十二、生物物理与技术 一、物理学及其发展与分类一、物理学及其发展与分类二、物理学的作用和地位二、物理学的作用和地位三、三、2020世纪物理学的转折和突破世纪物理学的转折和突破四、四、2020世纪物理学的研究特点和成就世纪物理学的研究特点和成
4、就五、物理学的研究方法五、物理学的研究方法六、六、2020世纪物理学主要分支学科的发展世纪物理学主要分支学科的发展七、物理学对其他学科的影响七、物理学对其他学科的影响八、八、2121世纪物理学发展趋势世纪物理学发展趋势 判天地之美判天地之美,析万物之理。析万物之理。庄子庄子 但何谓真正科学意义上的物理学？但何谓真正科学意义上的物理学？物理学研究宇宙间物质存在物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物质的性质、运动、相的基本形式，物质的性质、运动、相互作用、相互转化以及内部结构的基互作用、相互转化以及内部结构的基本规律本规律。物理学是探讨物质结构和运动基本规律物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿
5、学科的前沿学科。可以说：可以说：物理学的研究物理学的研究对象对象是是普遍的普遍的物理学所研究的物理学所研究的规律规律是是基本的基本的物理学研究的对象物理学研究的对象物物理理学学研研究究什什么么l随着人类社会的发展，物理学研究的随着人类社会的发展，物理学研究的内容和范围也不断扩大和深化。在古内容和范围也不断扩大和深化。在古代，物理学只是自然哲学的一部分，代，物理学只是自然哲学的一部分，1616世纪以后才从哲学中分离出来。以世纪以后才从哲学中分离出来。以后又逐步建立了力学、热学、电磁学、后又逐步建立了力学、热学、电磁学、光学、相对论、量子力学、粒子物理光学、相对论、量子力学、粒子物理等分支学科。等
6、分支学科。时间：时间：从远古到从远古到1616世纪中叶。世纪中叶。特点：特点：主要是对自然现象的观察和记载。主要是对自然现象的观察和记载。这一时期，自然科学与哲学融合在一起，这一时期，自然科学与哲学融合在一起，对自然现象的解释往往是哲理性的。对自然现象的解释往往是哲理性的。文化中心：文化中心：古希腊和古代中国。古希腊和古代中国。时间时间：从从1616世纪中叶到世纪中叶到1919世纪末。世纪末。1515世纪世纪末，资本主义开始萌芽，社会生产力得到末，资本主义开始萌芽，社会生产力得到发展，有力地推动了科学的进程。发展，有力地推动了科学的进程。1616世纪世纪中叶，哥白尼提出中叶，哥白尼提出“日心说
7、日心说”。1717世纪晚世纪晚期，期，牛顿建立了经典力学体系，标志着近牛顿建立了经典力学体系，标志着近代物理学的诞生。代物理学的诞生。之后，经典热力学、电之后，经典热力学、电磁学相继建立。到磁学相继建立。到1919世纪末，形成了比较世纪末，形成了比较完整的经典物理学体系。完整的经典物理学体系。l时间：时间：从从1919世纪末到现在是现代物理学时世纪末到现在是现代物理学时期。期。1919世纪末一系列实验新事实的发现，世纪末一系列实验新事实的发现，使经典物理学理论出现了不可克服的危机，使经典物理学理论出现了不可克服的危机，从而导致了物理学革命；从而导致了物理学革命；l标志：标志：相对论、量子力学的
8、相继建立，标相对论、量子力学的相继建立，标志着现代物理学的诞生。志着现代物理学的诞生。l2020世纪世纪5050年代以后，物理学已经发展成为一个年代以后，物理学已经发展成为一个相当庞大的学科群相当庞大的学科群 1.1.一级学科：一级学科：物理学物理学 2.2.二级学科：二级学科：（1 1）理论物理）理论物理 （2 2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3 3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4 4）等离子体物理）等离子体物理 （5 5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6 6）声学）声学 （7 7）光学）光学 （8 8）无线电物理）无线电物理相对论和量子力学相对论和量子力学天体物理天体物
9、理新的时空观新的时空观 宇宙爆炸理论宇宙爆炸理论 物理学科的分类物理学科的分类 1.1.一级学科：一级学科：物理学物理学 2.2.二级学科：二级学科：（1 1）理论物理）理论物理 （2 2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3 3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4 4）等离子体物理）等离子体物理 （5 5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6 6）声学）声学 （7 7）光学）光学 （8 8）无线电物理）无线电物理高能粒子加速器高能粒子加速器发现新的粒子发现新的粒子发现新的核素发现新的核素 1.1.一级学科：一级学科：物理学物理学 2.2.二级学科：二级学科：（1 1）理论物理）理论物理
10、 （2 2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3 3）原子原子与分子物理与分子物理 （4 4）等离子体物理）等离子体物理 （5 5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6 6）声学）声学 （7 7）光学）光学 （8 8）无线电物理）无线电物理研究物质的基本结构及研究物质的基本结构及运动规律运动规律原子原子生物分子生物分子新的实验手段的结合新的实验手段的结合 物理学科的分类物理学科的分类 1.1.一级学科：一级学科：物理学物理学 2.2.二级学科：二级学科：（1 1）理论物理）理论物理 （2 2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3 3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4 4）等
11、离子体物理）等离子体物理 （5 5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6 6）声学）声学 （7 7）光学）光学 （8 8）无线电物理）无线电物理离子化气体状物质离子化气体状物质 物质的第四形态物质的第四形态认识宇宙、环境变化、认识宇宙、环境变化、能源问题，新应用能源问题，新应用 物理学科的分类物理学科的分类 1.1.一级学科：一级学科：物理学物理学 2.2.二级学科：二级学科：（1 1）理论物理）理论物理 （2 2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3 3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4 4）等离子体物理）等离子体物理 （5 5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6 6）声学）声学 （7 7
12、）光学）光学 （8 8）无线电物理）无线电物理由很强相互作用的大由很强相互作用的大量粒子组成的系统。量粒子组成的系统。最活跃、最能激发人的最活跃、最能激发人的创造智力的研究领域创造智力的研究领域 前沿研究此起彼伏，前沿研究此起彼伏，使人目不暇接使人目不暇接 物理学科的分类物理学科的分类 1.1.一级学科：一级学科：物理学物理学 2.2.二级学科：二级学科：（1 1）理论物理）理论物理 （2 2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3 3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4 4）等离子体物理）等离子体物理 （5 5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6 6）声学）声学 （7 7）光学）光学
13、（8 8）无线电物理）无线电物理从建筑声学、电声学到从建筑声学、电声学到分子分子量子声学、等离子量子声学、等离子体声学、地声学等等体声学、地声学等等 研究媒质中机械波的产生、研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理传播、接收和效应的物理学分支学科学分支学科 生命探测仪生命探测仪 物理学科的分类物理学科的分类 1.1.一级学科：一级学科：物理学物理学 2.2.二级学科：二级学科：（1 1）理论物理）理论物理 （2 2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3 3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4 4）等离子体物理）等离子体物理 （5 5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6 6）声学）
14、声学 （7 7）光学）光学 （8 8）无线电物理）无线电物理几何光学、物理光学和量几何光学、物理光学和量子光学子光学 研究光的行为和性质以及研究光的行为和性质以及光和物质相互作用的学科光和物质相互作用的学科 光物理研究在光物理研究在21世纪将会世纪将会有若干突破性的进展有若干突破性的进展 物理学科的分类物理学科的分类 1.1.一级学科：一级学科：物理学物理学 2.2.二级学科：二级学科：（1 1）理论物理）理论物理 （2 2）粒子物理与原子核物理）粒子物理与原子核物理 （3 3）原子与分子物理）原子与分子物理 （4 4）等离子体物理）等离子体物理 （5 5）凝聚态物理）凝聚态物理 （6 6）声
15、学）声学 （7 7）光学）光学 （8 8）无线电物理）无线电物理无线通讯、无线通讯、雷达与天线技雷达与天线技术、广播与电视、空间全术、广播与电视、空间全球遥球遥 感、地球物理能源资感、地球物理能源资源探测、射电天文等等源探测、射电天文等等 研究电磁场和波与物质相研究电磁场和波与物质相互作用和信息传输的理论、互作用和信息传输的理论、方法及技术方法及技术 物理学科的分类物理学科的分类l 物理学是自然科学的带头学科物理学是自然科学的带头学科 l 物理学是现代技术革命的先导物理学是现代技术革命的先导 l 物理学是科学的世界观和方法物理学是科学的世界观和方法 论的基础论的基础 l物理学是一门建立在实验基
16、础上的科学，物理学是一门建立在实验基础上的科学，采用实证的科学研究方法。采用实证的科学研究方法。l物理学是一门采用数学表示客观规律的科物理学是一门采用数学表示客观规律的科学，建立了完整的科学理论体系。学，建立了完整的科学理论体系。l物理学与其他科学交叉，发挥了巨大推动物理学与其他科学交叉，发挥了巨大推动作用。例如：作用。例如：数学物理学、天体物理学、数学物理学、天体物理学、化学物理学、生物物理学、大气物理学、化学物理学、生物物理学、大气物理学、海洋物理学、地球物理学等海洋物理学、地球物理学等物理学是一门理论和实验高度结合的科学物理学是一门理论和实验高度结合的科学定律一：没有实定律一：没有实验家
17、，理论家就验家，理论家就会迷失方向会迷失方向定律二：没有理定律二：没有理论家，实验家就论家，实验家就会迟疑不决会迟疑不决理论与实验理论与实验“李政道定律李政道定律”物理学描绘了物质世界的一幅完整图物理学描绘了物质世界的一幅完整图象象,它揭示出各种运动形式的相互联系与相它揭示出各种运动形式的相互联系与相互转化互转化,充分体现了世界的物质性与物质的充分体现了世界的物质性与物质的统一性统一性.l经典物理经典物理机械唯物论机械唯物论因果决定论。因果决定论。l热力学热力学个体与系统；统计和进化。个体与系统；统计和进化。l量子力学量子力学粒子性粒子性+波动性波动性几率不几率不确定性。确定性。l相对论相对论
18、时空统一时空统一同时的相对性。同时的相对性。l非线性物理非线性物理随机性与确定性的相互包随机性与确定性的相互包容容。l为辨证自然观提供了可靠的基础为辨证自然观提供了可靠的基础世界是事物具有普遍联系的整体世界是事物具有普遍联系的整体物质是具有多样性的统一物质是具有多样性的统一自然界发展演化是永恒变化多层次的自然界发展演化是永恒变化多层次的l现代物理学引发思想方法的突破现代物理学引发思想方法的突破 时空观和物质观的突破时空观和物质观的突破 对经典决定论的冲击对经典决定论的冲击对测量中主客体相互作用的揭示对测量中主客体相互作用的揭示唯理论与经验论的结合唯理论与经验论的结合 互补原理和互补方法论互补原
19、理和互补方法论 l人类三次技术革命均由物理学引发人类三次技术革命均由物理学引发1.1.蒸汽机蒸汽机 热机热机热学；热学；2.2.电磁学电磁学 电机与电气化电机与电气化3.3.半导体半导体 电子学电子学+激光激光信息化信息化 可以说没有物理学的发展人类就不可能进入信可以说没有物理学的发展人类就不可能进入信息化社会！息化社会！l量子论和相对论两大理论的建立，成为现代技术的理量子论和相对论两大理论的建立，成为现代技术的理论基础。论基础。l物理学为其它高新科技发展提供了技术、设备和方法。物理学为其它高新科技发展提供了技术、设备和方法。l经典物理学的经典物理学的“胜利胜利”l经典物理学天空中的经典物理学
20、天空中的“两朵乌云两朵乌云”l1919世纪末物理学世纪末物理学“三大发现三大发现”l现代物理学的现代物理学的“两大支柱两大支柱”（力学、热学、声学、光学、电磁学）（力学、热学、声学、光学、电磁学）19001900年元旦，著名的英国物理学家威年元旦，著名的英国物理学家威廉廉汤姆逊、即开尔文勋爵在新年献辞中十分汤姆逊、即开尔文勋爵在新年献辞中十分满意地宣布：满意地宣布：在已经基本建成的科学大厦中，在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了了。但。但“动力学理论断言热和光都是运动的方动力学理论断言热和光都是运动的方式，现在这一理论的
21、优美性和明晰性式，现在这一理论的优美性和明晰性被被“两朵两朵乌云乌云”遮蔽得黯然失色了遮蔽得黯然失色了。”l“以太漂移以太漂移”实验的实验的“零零”结果结果 依据依据：对沿地球运动方向和相垂直方向的光对沿地球运动方向和相垂直方向的光速加以比较，可以测出地球相对于以太的运动，速加以比较，可以测出地球相对于以太的运动，但实验结果是否定的但实验结果是否定的。l黑体辐射中的黑体辐射中的“紫外灾难紫外灾难”依据经典理论依据经典理论推导出的推导出的黑体辐射公式黑体辐射公式，在高，在高频部分，即频部分，即紫外一端趋于无穷大紫外一端趋于无穷大。l在关于黑体辐射强度的频率分布的研究中，在关于黑体辐射强度的频率分
22、布的研究中，18961896年，年，维恩假设电磁辐射可以看作是服从麦克斯韦分布的维恩假设电磁辐射可以看作是服从麦克斯韦分布的气体，从而推出了辐射能密度的频率分布。气体，从而推出了辐射能密度的频率分布。该公式在短波区和实验符合的很好该公式在短波区和实验符合的很好，但在长波区和，但在长波区和实验值有明显的偏离。实验值有明显的偏离。l瑞利和金斯于瑞利和金斯于19001900年得出年得出 这一公式在长波区和实验值符合的很好这一公式在长波区和实验值符合的很好，但在短波，但在短波紫外区和实验值完全不符，且在波长趋近零时，辐紫外区和实验值完全不符，且在波长趋近零时，辐射能密度趋近无穷，这就是所谓的射能密度趋
23、近无穷，这就是所谓的“紫外灾难紫外灾难”。Tae/3kTc328 1900 1900年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞利年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞利-金斯公式之间用内插法建立一个普遍公式：金斯公式之间用内插法建立一个普遍公式：式中：式中：k k为玻尔兹曼常数，为玻尔兹曼常数，12),(/220kThehcTe普朗克公式普朗克公式112),(/520kThcehcTe这个公式与实验结果相符合。这个公式与实验结果相符合。),(0TM实验实验瑞利瑞利-琼斯琼斯维恩理论值维恩理论值T=1646k瑞利瑞利-琼斯琼斯普朗克理论值普朗克理论值写成波长形式：写成波长形式：h h称为普朗克常数。
24、称为普朗克常数。l X X射线的发现射线的发现导致放射性的发现导致放射性的发现l 放射性的发现放射性的发现原子有能量？原子有能量？l 电子的发现电子的发现原子有结构原子有结构 三大发现之间有一定的联系三大发现之间有一定的联系!为什么这样说三大发现也动摇了经典物理学的基础为什么这样说三大发现也动摇了经典物理学的基础!人类最伟大的创举是什么？人类最伟大的创举是什么？l普朗克提出普朗克提出量子概念量子概念：在辐射和吸收的过程：在辐射和吸收的过程中，能量有一个最小单元，称为中，能量有一个最小单元，称为“能量子能量子”或或“量子量子”，它的整数值为，它的整数值为=h=h。l爱因斯坦爱因斯坦光量子假说光量
25、子假说：光产生和转化瞬间只：光产生和转化瞬间只能假设光是由能量子组成的；对于频率为能假设光是由能量子组成的；对于频率为的辐射光子的能量是的辐射光子的能量是=h=h。l玻尔的玻尔的原子结构理论原子结构理论：原子只能有一系列不原子只能有一系列不连续的特定状态是稳定的，这些稳定状态的连续的特定状态是稳定的，这些稳定状态的能量是一系列分立值，其条件是电于的角动能量是一系列分立值，其条件是电于的角动量是量是1 12h2h的整数倍。的整数倍。l德布罗意的物质波假说德布罗意的物质波假说 粒子同时具有波动性，粒子同时具有波动性，它的能量它的能量E E、动量、动量p p与相应波的的频率与相应波的的频率、波长、波
26、长之间有如下关系：之间有如下关系：E=hE=h；p=hp=hl海森伯创立矩阵力学海森伯创立矩阵力学 原子理论应该建立在可原子理论应该建立在可观的原子发出光的频率和谱线强度等测量的基观的原子发出光的频率和谱线强度等测量的基础之上础之上 。l薛定谔创立波动力学薛定谔创立波动力学 从经典力学和几何光学从经典力学和几何光学间的间的类比类比，提出了对应于波动光学的波动力学，提出了对应于波动光学的波动力学方程，建立了用波函数描写微观粒子波动性的方程，建立了用波函数描写微观粒子波动性的波动力学：波动力学：ih/t=H ih/t=H 1、在一切惯性参照系中，基本物理规律都、在一切惯性参照系中，基本物理规律都一
27、样，都可用同一组数学方程来表达；一样，都可用同一组数学方程来表达；2、对于任何一个光源发出来的光，在一切对于任何一个光源发出来的光，在一切惯性参照系中测量其传播速率，结果都相惯性参照系中测量其传播速率，结果都相等。等。1 1、否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式。物质存在的特殊形式。2 2、空间和时间是彼此密切联系的统一体，两者都是相、空间和时间是彼此密切联系的统一体，两者都是相对的。在相对于尺和时钟作匀速运动的惯性参照系中的对的。在相对于尺和时钟作匀速运动的惯性参照系中的观察者看来，尺变短了观察者看来，尺变短了,钟变慢了。
28、钟变慢了。3 3、光速是机械运动速度的极限。当物体速度无限地趋、光速是机械运动速度的极限。当物体速度无限地趋近光速时，它的动量、能量、惯性质量均将趋于无穷大。近光速时，它的动量、能量、惯性质量均将趋于无穷大。4 4、具有质量、具有质量M M的物体一定具有能量的物体一定具有能量 E E MCMC2 2 1 1、等效原理：在一个相当小的时空范围内，、等效原理：在一个相当小的时空范围内，不可能通过实验来区分引力与惯性力，它们不可能通过实验来区分引力与惯性力，它们是等效的。是等效的。2 2、广义协变原理：在任何参照系中，自然定、广义协变原理：在任何参照系中，自然定律的表述都应该相同。律的表述都应该相同
29、。1 1、空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密、空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。时间、空间、物质不仅与运动有关，行轨道。时间、空间、物质不仅与运动有关，而且与物质及其分布密切相关而且与物质及其分布密切相关 。2 2、得出了三个验证它正确性的效应：水星近日、得出了三个验证它正确性的效应：水星近日点的进动、光线在引力场中弯曲和光谱线频点的进动、光线在引力场中弯曲和光谱线频率的引力红移。率的引力红移。l(1)(1)从现象研究深入到本质
30、研究从现象研究深入到本质研究.l(2)(2)从研究宏观系统到微观系统从研究宏观系统到微观系统 宇观系统宇观系统 介关介关系统系统.l l人类最伟大的发明创造是什么？人类最伟大的发明创造是什么？l(3)(3)从单一的物理学拓展为多分支学科和交叉学从单一的物理学拓展为多分支学科和交叉学科科.l逻辑思维是科学抽象的重要形式逻辑思维是科学抽象的重要形式 常使用的有两种思维方法：分析常使用的有两种思维方法：分析综合法，归纳综合法，归纳演演绎法。在热力学中还常使用反证法。绎法。在热力学中还常使用反证法。l与基本原理相联系的基本方法与基本原理相联系的基本方法 泡利在分析泡利在分析射线能谱时，为了坚持能量守恒
31、，预言射线能谱时，为了坚持能量守恒，预言了中微子的存在。了中微子的存在。l科学发现中创造性的思维方法科学发现中创造性的思维方法 “认识一位巨人的研究方法，对于科学的进步认识一位巨人的研究方法，对于科学的进步并不并不比发现本身更少用处，科学研究的方法通常是极富兴趣的比发现本身更少用处，科学研究的方法通常是极富兴趣的部分部分 。”拉普拉斯拉普拉斯 l物理模型物理模型 理想气体模型、理想热机模型和理想理想气体模型、理想热机模型和理想循环过程、质点、刚体、单摆、点电荷、绝对黑体和循环过程、质点、刚体、单摆、点电荷、绝对黑体和各种原子模型。各种原子模型。l理想实验理想实验 重大概念产生的过程中，或者新旧
32、理重大概念产生的过程中，或者新旧理论交替的重要时刻，理想实验都起着重要作用。论交替的重要时刻，理想实验都起着重要作用。l物理类比物理类比 德布罗意通过力学和光学类比，引进德布罗意通过力学和光学类比，引进了波粒二象性概念，提出了波粒二象性概念，提出“物质波物质波”；薛定谔通过力；薛定谔通过力学与光学类比，创立了波动力学。学与光学类比，创立了波动力学。l物理假说物理假说 假说既是科学研究的主要方法，又是假说既是科学研究的主要方法，又是科学认识发展的必要环节。科学认识发展的必要环节。还有还有佯谬法、科学想象、试探猜测佯谬法、科学想象、试探猜测以及以及科学直觉科学直觉等等。等等。l理论物理学理论物理学
33、 (1)TWO PILLARS(1)TWO PILLARS 宏观宏观-宇观宇观(高速运动现象高速运动现象)-)-相对论相对论 宏观宏观-微观微观(能量不连续能量不连续)-)-量子理论量子理论 (2)(2)建立了量子场论建立了量子场论-(-(高速微观领域高速微观领域 粒子的粒子的产生和湮灭产生和湮灭)(3)(3)建立了粒子物理学和宇宙论的理论模型建立了粒子物理学和宇宙论的理论模型原子和分子物理学原子和分子物理学 (1)原子物理学 物理学基本定律的验证 原子结构 原子动力学 (2)分子物理学 分子结构 分子碰撞和反应动力学原子核物理学原子核物理学(1)核物理研究的三个层次(2)核物理研究领域的扩充
34、(3)核技术的广泛应用粒子物理学粒子物理学(1)发现了大量粒子(2)发现绝大多数粒子存在内部结构(3)发现和研究了4种基本相互作用(4)建立了粒子物理的三个标准模型(5)发现了一些深层次的基本规律凝聚态物理学凝聚态物理学凝聚态是粒子数凝聚态是粒子数N1.0N1.0E E2323的原子的原子 分子分子 离离子集合体的总称子集合体的总称.金属电子论金属电子论 磁学磁学 半导体物理半导体物理 液晶物理学液晶物理学 高分子物理高分子物理 等离子物理等离子物理 物理学极大地促进了其他学科的发展物理学极大地促进了其他学科的发展（1 1）物理学与宇宙学）物理学与宇宙学（2 2）物理学与化学）物理学与化学（3
35、 3）物理学与生物学）物理学与生物学（4 4）物理学与地球科学）物理学与地球科学（5 5）物理学与气象学）物理学与气象学（6 6）物理学与海洋学）物理学与海洋学l在原子光谱研究的基础上，在原子光谱研究的基础上，2020年代发现天体的年代发现天体的谱线红移，促使宇宙膨胀理论的建立；谱线红移，促使宇宙膨胀理论的建立；6060年代年代借助射电望远镜发现宇宙的借助射电望远镜发现宇宙的2.7K2.7K辐射背景，导辐射背景，导致大爆炸宇宙论的诞生，现代宇宙模型致大爆炸宇宙论的诞生，现代宇宙模型大爆大爆炸理论是建立在粒子物理理论的基础上，物理炸理论是建立在粒子物理理论的基础上，物理与天文、宇宙学结合形成交叉
36、学科天体物理学。与天文、宇宙学结合形成交叉学科天体物理学。l物理学与化学联系密切，热力学、统计物理和量子力物理学与化学联系密切，热力学、统计物理和量子力学在化学中获得重要应用，如量子力学应用于化学形学在化学中获得重要应用，如量子力学应用于化学形成化学键概念；分子束、激光束技术和量子学、统计成化学键概念；分子束、激光束技术和量子学、统计物理结合形成化学反应动力学。物理结合形成化学反应动力学。l在分子、原子和大块凝聚态物质之间的新研究领域在分子、原子和大块凝聚态物质之间的新研究领域团簇就是物理学与化学结合的结晶；量子力学与化学团簇就是物理学与化学结合的结晶；量子力学与化学结合已经形成了一门新的交叉
37、学科结合已经形成了一门新的交叉学科量子化学，物理量子化学，物理学与化学结合形成交叉学科学与化学结合形成交叉学科物理化学。物理化学。l2020世纪，物理学进入了原子、分子层次，促使生物学世纪，物理学进入了原子、分子层次，促使生物学也进入分子层次，也进入分子层次，X X射线衍射、电子衍射、核磁共振、射线衍射、电子衍射、核磁共振、电子显微镜的应用导致一系列生物学研究成果，例如，电子显微镜的应用导致一系列生物学研究成果，例如，可以观测蛋白质的分子结构、观察脱氧核糖核酸（可以观测蛋白质的分子结构、观察脱氧核糖核酸（DNADNA）的复制过程，使生物进入分子生物学的层次；的复制过程，使生物进入分子生物学的层
38、次；4040年代年代物理学家德布吕克和薛定谔提出遗传密码存储于非周物理学家德布吕克和薛定谔提出遗传密码存储于非周期晶体的观点，现在已发现了遗传的物质基础期晶体的观点，现在已发现了遗传的物质基础DNADNA的的分子晶体结构，揭示了遗传密码的本质，这是分子晶体结构，揭示了遗传密码的本质，这是2020世纪世纪生物学的重大突破；现在已建立起物理学与生物学的生物学的重大突破；现在已建立起物理学与生物学的交叉学科交叉学科生物物理学。生物物理学。l2020年代在对电磁波传播机制的研究中，发现地年代在对电磁波传播机制的研究中，发现地球大气层中存在电离层；球大气层中存在电离层；5050年代探测高空宇宙年代探测高
39、空宇宙射线时发现地球内辐射带而导致发现太阳风；射线时发现地球内辐射带而导致发现太阳风；同时对洋底岩石磁性的研究对板块结构学说的同时对洋底岩石磁性的研究对板块结构学说的建立起重要作用，这是地球科学的突破性进展；建立起重要作用，这是地球科学的突破性进展；现在已形成一门交叉学科现在已形成一门交叉学科地球物理学。地球物理学。l人们对大气中的许多物理现象，如虹、晕、华、人们对大气中的许多物理现象，如虹、晕、华、雷、闪电等早巳注意，并进行过研究。人们将雷、闪电等早巳注意，并进行过研究。人们将物理学中的各种基本规律应用到大气中，用以物理学中的各种基本规律应用到大气中，用以解释大气中发生的各种过程的物理本质，
40、而大解释大气中发生的各种过程的物理本质，而大气中的各种现象又丰富和促进了物理学的发展，气中的各种现象又丰富和促进了物理学的发展，从而形成了交叉学科从而形成了交叉学科大气物理学。大气物理学。l将物理规律应用到海洋物理现象和过程的研究，将物理规律应用到海洋物理现象和过程的研究，尤其是海洋水体物理过程及其与大气关系的变尤其是海洋水体物理过程及其与大气关系的变化规律就形成了海洋物理学。研究内容主要包化规律就形成了海洋物理学。研究内容主要包括：海洋物理特性、海洋水体的运动形式和过括：海洋物理特性、海洋水体的运动形式和过程、海洋与大气的相互作用。程、海洋与大气的相互作用。（一）研究层次的深入研究层次的深入
41、 （1 1）无限小系统的研究）无限小系统的研究 （2 2）无限大系统的研究）无限大系统的研究 （3 3）介观系统的研究）介观系统的研究 （4 4）复杂物质与系统的研究）复杂物质与系统的研究 科学研究的两个相反方向：科学研究的两个相反方向：物理参数越小越美！物理参数越小越美！时间时间飞秒，阿秒飞秒，阿秒距离距离纳米，埃纳米，埃温度温度纳开纳开数目数目单分子单分子单分子操控单分子操控光镍操控烟草细胞光镍操控烟草细胞物理参数越大越壮观！物理参数越大越壮观！浩瀚的宇宙浩瀚的宇宙“嫦娥飞天嫦娥飞天”没有隐私的地球没有隐私的地球“大爆炸理论大爆炸理论”最近，英国科学家霍金用量子理论、引力理论和广最近，英国
42、科学家霍金用量子理论、引力理论和广义相对论解释了宇宙膨胀理论。下一步是找出能进义相对论解释了宇宙膨胀理论。下一步是找出能进行实验的特殊预测结果。行实验的特殊预测结果。科学理论的标准科学理论的标准能预测结果并为实验所证实能预测结果并为实验所证实能解释已有的现象能解释已有的现象理论本身自洽理论本身自洽近近3030年来，观测事实和天体现象的理论分析表年来，观测事实和天体现象的理论分析表明，宇宙中普遍存在有暗物质和暗能量明，宇宙中普遍存在有暗物质和暗能量这些暗物质和暗能量是什么这些暗物质和暗能量是什么，科学家们提出了多种猜测，科学家们提出了多种猜测（二）研究内容及方法的发展趋势（二）研究内容及方法的发
43、展趋势（1 1）基础研究仍然扮演重要角色）基础研究仍然扮演重要角色（2 2）交叉学科的进一步发展）交叉学科的进一步发展（3 3）理论、实验、计算机模拟相结合的）理论、实验、计算机模拟相结合的 研究方法。研究方法。（4 4）极端条件下的研究）极端条件下的研究（三）几个活跃的领域（三）几个活跃的领域（1 1）天体物理、宇宙学及粒子物理学和高能核物）天体物理、宇宙学及粒子物理学和高能核物理，共同揭秘宇宙的形成与演化理，共同揭秘宇宙的形成与演化（2 2）凝聚态物理与材料科学技术）凝聚态物理与材料科学技术（3 3）等离子体物理与核聚变）等离子体物理与核聚变（4 4）纳米技术）纳米技术 要特别关注要特别关
44、注3T3T技术技术 ITIT、BTBT、NTNT成熟的成熟的发展中的发展中的 趋势趋势 相对论相对论超引力超引力量子引力，超弦？量子引力，超弦？量子力学量子力学人造系统的量子力学人造系统的量子力学量子场论与粒子物理量子场论与粒子物理（标准模型）（标准模型）量子信息与量子计算量子信息与量子计算大统一理论大统一理论四种力的统一（超四种力的统一（超弦？）弦？）常规核物理常规核物理极端条件下的核物理极端条件下的核物理基于基于QCDQCD的核物理的核物理常规凝聚态物理常规凝聚态物理极端条件下的凝聚态物极端条件下的凝聚态物理、理、介观物理、团簇物理介观物理、团簇物理基于基于QEDQED凝聚态物理、凝聚态物理、介观物理、团簇物介观物理、团簇物理理常规原子、分子物理常规原子、分子物理 极端条件下的原子分子极端条件下的原子分子物理物理基于基于基于基于QEDQED的原子的原子分子物理分子物理大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学 标准宇宙学模型的发展标准宇宙学模型的发展 量子宇宙学（超量子宇宙学（超弦？）弦？）
