三、20世纪物理学主要的成就　　
　　　　　　　　　　　　　
　　人类已经告别了20世纪，回顾这100年来的历程，我们不可能用简短的篇幅把它的成就一一罗列出来。但根据它所研究的对象和所获得的基本规律，可归纳为以下三个方面：

　　（一）两大基础理论：发现了支配物质运动的两大基础理论，它们是：量子力学和相对论（下面专门讨论。之所以这样安排，是想为以后各专题提供大的背景知识）。

　　（二）四种相互作用：发现和研究了物质内部最基本的四种相互作用，它们是：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。这些相互作用都是随着作用距离的增加而减弱的，引力相互作用力和电磁相互作用力随距离的平方成反比变化，属于长程力；弱相互作用力和强相互作用力随着距离的增加更快的减弱，属于短程力。虽然前面两种相互作用力在20世纪以前就有所发现，但上一世纪对它们提供了最基本的解释。例如，广义相对论中提出的“时空”弯曲现象（下面要讲的）就对万有引力提供了最深刻的解释。因为时空是一切物质存在的形式，它的性质无例外地会影响一切物质而又与一切物质相关，所以引力现象是“万有”的。又例如，关于电磁相互作用是通过交换光子来传递的，光的“粒子性”（光子的概念）是在20世纪提出的。

　[案例1]四种相互作用比较：         　　　　  返回

　　由于电磁作用人们了解得最为清楚，所以首先我们以电磁作用与引力作用进行比较。让我们以两个质子之间的作用来比较引力与电磁力。两个质子之间的电磁力（这里是库仑力）为：

   　　　　　

　　它们间万有引力为：

         　　
　　　　　　　　
   二者之比为：

        　　

　　这与距离无关，就是说，引力在任何距离上都比电磁力弱很多。实际上在粒子物理中，引力几乎可以完全忽略不计，只有在天体和宇宙物理中，由于涉及的质量很大，而正、负电荷又几乎相消，所以引力才引起了主宰的作用。

　　 同样的，用两个质子相距R=2.5*10^-15m（这是原子核内相邻两个核子的典型距离），来计算强相互作用和弱相互作用的强度，这样计算的强度是相对的，是以强相互作用为基准的相对值。一般文献上记为：

　　     1 ：10^-2：10^-13：10^-39
　　    强 ： 电 ：  弱 ：  引
　　有关相互作用的问题下面还要进一步讨论。

　　（三）五个层次：发现和研究了物质结构的五个层次，如图1.5和图1.6，它们是：粒子物理 ，原子核物理，原子和分子物理，凝聚态物理，天文学和天体物理学等。

　　１.粒子物理学

　　它研究最微观层次的的物质的存在形式，性质，转化和运动规律。为了研究这一层次。需要把粒子加速到很高的能量，因此也称高能物理学。

[案例2]（１）粒子和粒子的基本特征及其分类 　　　　　　　返回

　　基本粒子本意是指组成物质的基本单元，本身不再有内部结构的最简单的离子的统称，到目前为止，已被发现的基本粒子已达几百种之多，其中有的是稳定的或比较稳定的，有的则是很不稳定，其寿命很短，会很快地衰变成其他粒子．应当强调的是，基本粒子这一名称已失去了它的本来意义。根据物质无限可分的哲学思想，“基本”只有相对意义，所以不存在绝对“基本”的粒子。事实上，实验已经发现有些基本粒子还有复杂的内部结构。因此，现在许多文献中已把“基本”去掉，而只称粒子。

　　将已发现的粒子按它们参与各种相互作用的性质可以分为以下三种：

　　（1）强子：直接参与强相互作用的粒子，它们有可分成两类：

　　　介子：自旋为整数，重子数为0的强子；

　　　重子：自旋为半整数，重子数为1的强子（包括质子和中子）。

　　现已发现的粒子绝大多数为强子（几百种），它们都是由夸克组成的，因此最基本的是夸克。

　　夸克家族：夸克也可分为三代，每一代有两种。第一代是u、d跨夸克；第二代是c、s夸克；第三代是t、b夸克。这六种夸克有三种颜色，称六味三色。这样，夸克有6*3=18种，加上他们的反夸克共有36种，这是现代基本粒子队伍中的第一大家族。表(1.1)列出了u、d、s、c、b、t六种夸克的性质。

（2）媒介子家族：媒介子是传递相互作用的粒子，也称为规范粒子。光子 γ 传递电磁相互作用，中间玻色子W⁺ 、 W^-、Z°传递弱相互作用，胶子传递强相互作用(夸克之间是通过交换胶子而相互吸引的)。许多迹象表明，胶子是存在的，但没有发现过自由的胶子，以上三种媒介子共有12种。此外，理论上认为应存在传递引力相互作用的引力子，但是实验上尚未发现，表（1.2）列出了规范子的主要性质。

　　（3）轻子家族：轻子只参与弱作用，不参与强作用。目前发现的轻子有六种：电子e、μ子、τ轻子各带一个电子电荷，三种类型的中微子都不带电。电子e、μ子、τ轻子的质量之比为1：207：3492，其间差别特大。轻子是基本粒子，目前还没有找到它们有内部结构的证据。现在认为它们可分为三代，每代是两种。第一代是电子（e）和电子型中微子(Ve)，第二代是μ子和μ子型中微子(Ve)，第三代是τ 轻子τ 轻子型中微子，轻子连同反轻子（电荷相反）共有12种。表1.3列出轻子的主要性质。

表（1.1）夸克及其性质

表（1.2）规范子及其性质

表（1.3）轻子家族

　　综上所述，当代构成物质的最基本的粒子是：1.媒介子共有12种（暂不计引力子）。2.轻子和反轻子共有12种。3.夸克和反夸克共有36种。三大类基本粒子共有60种。这就是当今世界基本粒子队伍中的成员。

[案例3]（2）粒子物理的标准模型               返回

　　现在人们通常把关于微观世界的认识，包括关于相互作用的理论和已在前面介绍的基本粒子体系统称为粒子物理的标准模型，或简称标准模型。

　　量子电动力学是关于电磁相互作用的理论，理论与实践符合的非常好。60年代，科学家提出统一的描绘电磁相互作用和弱相互作用的理论，称为电弱相互作用统一理论，这一理论预言了中间玻色子的存在和它们的质量。1983年实验证实了w+、w－、Z°的存在，测出了它们的质量，在实验误差范围内跟理论预言符合得非常好，电弱统一理论的建立，是物理发展的一大里程碑，它的重要性跟当初麦克斯韦建立的把电和磁作用统起来的电磁理论一样。

　　关于强相互作用，现在公认的理论是量子色动力学，这一理论认为，将夸克，反夸克结合成为强子的强相互作用是由胶子所带的电荷产生的，由相应的8种胶子场的8种胶子所传递的，量子色动力学成功的反映了强相互作用的重要特性。

　　现在把以夸克，轻子作为基本粒子，以电弱统一理论量子色动力学一起统一起来称为标准模型理论。直到今天，实验上还没有发现与标准模型理论有矛盾之处，可以说，标准模型理论是十分成功的。

　　但是，自然界的奥妙是无穷无尽的，例如，为什么传播电磁作用的光子质量为零，而传播弱作用的中间玻色子质量却很重（约是质子的90倍）。对轻子和夸克许多性质也不了解。特别是一个最有名的问题就是所谓的“夸克囚禁”，这上一世纪遗留的两大困惑之一，人们直到今天还没有发现处在自由状态的夸克，它是否总是以束缚态的形式出现。例如质子是由两个u（上）夸克和一个d（下）夸克组成，中子是由一个u夸克和两个d夸克组成的这是从间接证明的，人们还没有发现一种夸克（u或d）单独出现，如果这种粒子出现的话，这应当带有分数电荷，是很容易是别的另外，从理论上看，夸克还应当具有三种不同的颜色。而自然界和实验室始终不能发现具有单一颜色的夸克束缚，三种不同颜色总是均匀的糅合在一起，构成“无色”的状态，这些都是留给本世纪的难题。正像19世纪“两朵乌云”带来20世纪初两大基础理论，（指量子力学和相对论）的产生一样，它带给本世纪的必然会有像两大基础理论一样的重大突破。

　　2，原子核物理

　自从1932年查德威克发现了中子，使人们认识到了原子核有原子和中子组成（统称为核子），并开创了原子核物理，它是研究核结构，运动和变化的规律。

　　核子之间的万有引力比质子之间的静电引力弱10³⁶倍，不足以形成原子核，使核子结合为原子核的力叫核力。是有强相互作用引起的，这种力作用的范围为10^-13cm，称为短程力，在宏观现象中观察不到。

　　人们在研究原子核的β 衰变（放出一个电子和反中微子，同时一个中子变成一个质子）中发现了第四种相互作用：弱相互作用，它的力程最短，只在10-16cm内发生作。弱相互作用中一个最重要的发现，就是1956年李政道和杨振宁从“τ--θ 凝难”中的理论上提出的：在弱相互作用中宇称（空间反演）不守恒，随后，1957年1月，吴健雄等人用弱相互作用实验证实了李—杨的理论。

　　对这一层次的研究虽没有发现新的力学规律，却使人们获得两种新的能源：原子核的巨变和裂变，原子弹，轻弹的制成，反应堆的出现以及原子能和平利用的成功，使人类在运用自然规律方面达到了一个新的水平。特别是聚变，如果这种聚变能够在可控热核反应的条件下得到实现的话，则人类将一劳永逸地解决了能源问题,因为海水中有用不完的氘和氚。特别是这种能源很干净，不带来污染，目前这方面的研究虽已有很大的进展，但离实用价值阶段还有较大的差距，留待本世纪来解决。

　　通过人工核反应，合成了许多超铀元素和上千种放射性同位素。这些人工放射性同位素的出现，在医学。在农业，生物科学，地质工作和考古工作中得到了广泛的应用，取得了惊人的成就。

　　在理论研究上，如核子之间相互作用，核结构和核反应的机制，以及中、高能核物理方面都取得了很大的成就。

　　3.原子、分子物理

　　原子、分子物理是研究和分子的结构、运动和相互作用的规律。上世纪50年代以前，以量子力学为工具，主要是通过原子分子光谱分析，对原子分子的基态和低基态有了相当丰富的了解。现代原子分子的研究，从方法上看，由于激光的出现大大的提高了实验精度，由于采用电子和粒子碰撞，扩大了能量范围。从需要上看是由于空间技术和核技术的发展，要求了解原子分子再高激发态下的结构，强场效应和稠密效应，是现代原子分子物理研究的主要内容。

　　原子分子物理的研究成绩，主要表现为实验方法和理论方法的发展和使用。这些方法给出了一些精确数据，才可能计算出高温，高压等极端条件下，原子分子中通过震动，转动和电子跃迁产生的能量吸收或辐射的波长和空间、分布，这对于环境监测（通过激光吸收），飞行器探测（红外探测），聚变反应的设计和诊断（高温、稠密区恶毒能量吸收和辐射）、强激光源的设计（强场下的辐射和吸收）等技术发展是必要的基础。正在这些研究基础上，发明和发展许多新技术，如高精度的频率时间（原子钟，分子钟）和长度的计量标准，原子，分子和准分子的激光器等。

　　原子分子理论的应用，给化学，生物学，电子学带来革命性的影响。人工合成各种有用的物质，从工业到农业，从医药到通讯，处处都展现了原子分子理论应用前景。

　　4.凝聚态物理

　　凝聚态物理是研究由液体到固体整个物质段的物质结构，性质，物相，相变和演化规律的学科，是固体和液体材料科学的基础，是当代高科技发展的基础性支撑学科。

　　现代的凝聚态物理研究，在三方面具有以往不可比拟的优势。首先，它的理论思想是建立了以原激发的概念去描述凝聚态物质中的集体运动，从而成功地解释了超导性发生的原因以及局限在一个平面运动的电子，在强磁场中运动是发生的宏观量子现象，即量子霍耳效应。其次，自40年代末期以来，发展了各种共振（核磁共振，顺磁共振，穆斯堡尔效应），隧道效应（单电子隧道，约瑟夫森效应）和能谱（如光电子谱）方法以及它们在能量、空间和时间分辨本领上的提高，使得对于凝聚态物质的研究深入到电子状态的水平。第三，以各种外延方法，如金属有机化合物汽相外延（MOCVD），分子束外延（MBE）等为代表，加上高分辨电镜等分辨达到原子级别的测定工具，因此对于凝聚态物质的结构可以在原子级别上加以鉴定和控制，并按照人们的要求，设计制造了新的“人工”物质。例如用两种薄到仅几个原子层的半导体交叠形成的超晶格，可以具有极其特殊的电学和光学性质。现代凝聚态物理作为基础，它直接支撑着材料科学和工程技术学科的发展，同时材料科学和工程技术学科又不断向凝聚态物理反馈新信息推动凝聚态物理的发展。

　　当前，凝聚态物理在材料工程技术应用上正在以物质微结构理论和设计研究生为主，以便获得高效，优质的功能和结构材料；在基础研究方面，则以低维（1，2维），无序，非线性，小尺寸等材料的微结构研究为重点内容，同时更注意极端条件下的物性的研究。

　　综上所述，可以看出：凝聚态物理是物理学中发展最迅速的学科；同时又是新现象、新效应、新思想、新概念、新方法和新理论出产率最高的学科。