经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量：一个力学系统在某一时刻的状态，由它的某一个质点在这一时刻的空间坐标和动量表示。对于一个不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式(如热运动、电磁运动等)的力学系统来说，它的总机械能就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定。

在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的意义。物理学的发展表明，任何一个孤立的物理系统，无论怎样变化，其总能量和总动量数值是不变的。这种守恒性质的适用范围已经远远超出了经典力学的范围，现在还没有发现它们的局限性。

早在19世纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学科，它包含了丰富的内容。例如：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。经典力学的应用范围，涉及到能源、航空、航天、机械、建筑、水利、矿山建设直到安全防护等各个领域。当然，工程技术问题常常是综合性的问题，还需要许多学科进行综合研究，才能完全解决。

机械运纸锥扬声器的振动模式动中，很普遍的一种运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。人们通过声波传递信息，有许多物体不易为光波和电磁波透过，却能为声波透过；频率非常低的声波能在大气和海洋中传播到遥远的地方，因此能迅速传递地球上任何地方发生的地震、火山爆发或核爆炸的信息；频率很高的声波和声表面波已经用于固体的研究、微波技术、医疗诊断等领域；非常强的声波已经用于工业加工等。

热学、热力学和经典统计力学

热学是研究热的产生和传导，研究物质处于热状态下的性质及其变化的学科。人们很早就有冷热的概念。对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念(例如区分了温度和热量)，并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。到19世纪，热力学已趋于成熟。

物体有内部运动，因此就有内部能量。19世纪的系统实验研究证明：热是物体内部无序运动的表现，称为内能，以前称作热能。19世纪中期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律：宏观机械运动的能量与内能可以互相转化。就一个孤立的物理系统来说，不论能量形式怎样相互转化，总的能量的数值是不变的，因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。

在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。例如：一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同，那么热就从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达到各处温度都相同的状态，也就是热平衡的状态。相反的过程是不可能的，即这个孤立的、内部各处温度都相等的物体，不可能自动回到各处温度不相同的状态。应用熵的概念，还可以把热力学第二定律表达为：一个孤立的物理系统的熵不会着时间的流逝而减少，只能增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。

烛焰附近的气体对流情况深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。

非平衡统计力学所研究的问题复杂，直到20世纪中期以后才取得了比较大的进展。对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说，系统处于无序状态的几率超过了处于有序状态的几率。孤立物理系统总是从比较有序的状态趋向比较无序的状态，在热力学中，这就相应于熵的增加。

处于平衡状态附近的非平衡系统的主要趋向是向平衡状态过渡。平衡态附近的主要非平衡过程是弛豫、输运和涨落，这方面的理论逐步发展，已趋于成熟。近20～30年来人们对于远离平衡态的物理系统，如耗散结构等进行了广泛的研究，取得了很大的进展，但还有很多问题等待解决。

在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性的，认识到的只是相对的真理，经典力学和以经典力学为基础的经典统计力学也是这样。经典力学应用于原子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就显示出来，因而发展了量子力学。与之相应，经典统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。

经典电磁学、经典电动力学

经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科。人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。

19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。

在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另法拉第用过的线圈一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。

现在人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场，这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场，而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介，它弥漫于整个空间。

19世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速，这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。

由于电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力，洛伦茨把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦茨力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。

事实上，发电机无非是利用电动力学的规律，将机械能转化为电磁能：电动机无非是利用电动力学的规律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电、电灯也无一不是经典电磁学和经典电动力学发展的产物。经典电动力学对生产力的发展起着重要的推动作用，从而对社会产生普遍而重要的影响。

浮在水面的昆虫的偏振干涉图样光学和电磁波

光学研究光的性质及其和物质的各种相互作用，光是电磁波。虽然可见光的波长范围在电磁波中只占很窄的一个波段，但是早在人们认识到光是电磁波以前，人们就对光进行了研究。

17世纪对光的本质提出了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为光是一种波动。19世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证明光是电磁波。20世纪初又发现光具有粒子性，人们在深入入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二象性。

光可以为物质所发射、吸收、反射、折射和衍射。当所研究的物体或空间的大小远大于光波的波长时，光可以当作沿直线进行的光线来处理；但当研究深入到现象细节，其空间范围和光波波长差不多大小的时候，就必须要考虑光的波动性。而研究光和微观粒子的相互作用时，还要考虑光的粒子性。

光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构的非常有效的方法。利用光的干涉效应可以进行非常精密的测量。物质所放出来的光携带着关于物质内部结构的重要信息，例如：原子所放出来原子光谱的就和原子结构密切相关。

近年来利用受激辐射机制所产生的激光能够达到非常大的功率，且光束的张角非常小，其电场强度甚至可以超过原子内部的电场强度。利用激光已经开辟了非线性光学等重要研究方向，激光在工业技术和医学中已经有了很多重要的应用。

现在用人工方法产生的电磁波的波长，长的已经达几千米，短的不到一百万亿分之一厘米，覆盖了近20个数量级的波段。电磁波传播的速度大，波段又如此宽广已成为传递信息的非常有力的工具。

在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。在物理学其后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代物理学中．场的概念已经远远超出了电磁学的范围，成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。

狭义相对论和相对论力学

在经典力学取得很大成功以后，人们习惯于将一切现象都归结为由机械运动所引起的。在电磁场概念提出以后，人们假设存在一种名叫“以太”的媒质，它弥漫于整个宇宙，渗透到所有的物体中，绝对静止不动，没有质量，对物体的运动不产生任何阻力，也不受万有引力的影响。可以将以太作为一个绝对静止的参照系，因此相对于以太作匀速运动的参照系都是惯性参照系。

狭义相对论的论文首页在惯性参照系中观察，电磁波的传播速度应该随着波的传播方向而改变。但实验表明，在不同的、相对作匀速运动的惯性参照系中，测得的光速同传播方向无关。特别是迈克尔逊和莫雷进行的非常精确的实验，可靠地证明了这一点。这一实验事实显然同经典物理学中关于时间、空间和以太的概念相矛盾。爱因斯坦从这些实验事实出发，对空间、时间的概念进行了深刻的分析，提出了狭义相对论，从而建立了新的时空观念。

    狭义相对论的基本假设是：
    ①在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，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，在一切惯性参照系中测量其传播速率，结果都相等。

在狭义相对论中，空间和时间是彼此密切联系的统一体，空间距离是相对的，时间也是相对的。因此尺的长短，时间的长短都是相对的。但在狭义相对论中，并不是一切都是相对的。

相对论力学的另一个重要结论是：质量和能量是可以相互转化的。假使质量是物质的量的一种度量，能量是运动的量的一种度量，则上面的结论：物质和运动之间存在着不可分割的联系，不存在没有运动的物质，也不存在没有物质的运动，两者可以相互转化。这一规律己在核能的研究和实践中得到了证实。

当物体的速度远小于光速时，相对论力学定律就趋近于经典力学定律。固此在低速运动时，经典力学定律仍然是很好的相对真理，非常适合用来解决工程技术中的力学问题。

狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命性的变革，并且否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的恃殊形式。由于空间和时间是物质存在的普遍形式，因此狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。

爱因斯坦广义相对论和万有引力的基本理论

狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用，它的传递不需要时间，产生和到达是同时的。这同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛盾。因此，必须对牛顿的万有引力定律也要加以改造。

改造的关键来自厄缶的实验，它以很高的精确度证明：惯性质量和引力质量相等，固此不论行星的质量多大多小，只要在某一时刻它们的空间坐标和速度都相同，那末它们的运行轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想：万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现，从而提出了广义相对论。

根据广义相对论，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；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小情况下，广义相对论的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致；当引力较强，空间、时间弯曲较大的隋况下，就有区别。不过这种区别常常很小，难以在实验中观察到。从广义相对论提出到现在，还只有四种实验能检验出这种区别。

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、量子力学、量子电动力学

原子物理学研究原子的性质、内部结构、内部受激状态，以及原子和电磁场、电磁波的相互作用以及原子之间的相互作用。原子是一个很古老的概念。古代就有人认为：宇宙间万物都是由原子组成的，原子是不可分割的、永恒不变的物质最终单元。

1897年汤姆逊发现了电子，使人们认识到原子是具有内部结构的粒子。于是，经典物理学硅的大角度电子衍射图像的局限性进一步的暴露出来了。为此，德国科学家普朗克提出了同经典物理学相矛盾的假设：光是由一粒一粒光子组成的。这一假设导出的结论和黑体辐射及光电效应的实验结果符合。于是，19世纪初被否定了的光的微粒说又以新的形式出现了。

1911年，卢瑟福用粒子散射实验发现原子的绝大部分质量，以及内部的正电荷集中在原子中心一个很小的区域内，这个区域的半径只有原子半径的万分之一左右，因此称为原子核。这才使人们对原子的内部结构得到了一个定性的、符合实际的概念。在某些方面，原子类似一个极小的太阳系，只是太阳和行星之间的作用力是万有引力，而原子核和电子间的作用力是电磁力。

原子物理学的基本理论主要是由德布罗意、海森堡、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。

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；动量测的愈准，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原子物理学。量子力学是所有微观、低速现象所遵循的规律，固此不仅应用于原子物理，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

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、低温下的固体比热窖、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。

固体物理学

固体物理学是研究固体的性质、它的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。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。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。

固体中电子的运动状态服从量子力学和量子电动力学的规律。在晶体中，原子(离子、分子)有规则地排列，形成点阵。20世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了 X射线衍射法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后，又发展了中子衍射法，使晶体点阵结构的实验研究得到了进一步发展。

阴极射线激发下的人造金刚石晶体在晶体中，原子的外层电子可能具有的能量形成一段一段的能带。电子不可能具有能带以外的能量值。按电子在能带中不同的填充方式，可以把晶体区别为金属、绝缘体和半导体。能带理论结合半导体锗和硅的基础研究，高质量的半导体单晶生长和掺杂技术，为晶体管的产生准备了理论基础。

电子具有自旋和磁矩，它们和电子在晶体中的轨道运动一起，决定了晶体的磁学性质，晶体的许多性质(如力学性质、光学性质、电磁性质等)常常不是各向同性的。作为一个整体的点阵，有大量内部自由度，因此具有大量的集体运动方式，具有各式各样的元激发。

晶体的许多性质都和点阵的结构及其各种运动模式密切相关，晶体内部电子的运动和点阵的运动之间相耦合，也对固体的性质有重要的影响。例如1911年发现的低温超导现象；1960年发现的超导体的单电子隧道效应。这些效应都和这种不同运动模式之间的耦合相关。

晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵。处于不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相同，物理性质却可能不同。不同的点阵形式具有不同的能量：在低温时，点阵处于能量最低的形式；当晶体的内部能量增高，温度升高到一定数值，点阵就会转变到能量较高的形式。这种转变称为相变，相变会导致晶体物理性质的改变，相变是重要的物理现象，也是重要的研究课题。

点阵结构完好无缺的晶体是一种理想的物理状态。实际晶体内部的点阵结构总会有缺陷：化学成分不会绝对纯，内部会含有杂质。这些缺陷和杂质对固体的物理性质(包括力学、电学、碰学、发光学等)以及功能材料的技术性能，常常会产生重要的影响。大规模集成电路的制造工艺中，控制和利用杂质和缺陷是很重要的晶体的表面性质和界面性质，会对许多物理过程和化学过程产生重要的影响。所有这些都已成为固体物理研究中的重要领域。

非晶态固体内部结构的无序性使得对于它们的研究变得更加复杂。非晶态固体有一些特殊的物理性质，使得它有多方面的应用。这是一个正在发展中的新的研究领域。

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。

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，它的内部结构、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。

在原子核被发现以后，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，会裂变成为两个较轻的原子核，同时放出二十到三十中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成为一个较重的原子核，同时放出巨大的能量。这种原子核熔合过程叫作聚变。

世界上第一台回旋加速器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，已有的关于原子核结构，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。

一公斤铀裂变时所释放的能量，相当于约两万吨TNT炸药爆炸时所释放的能量，一公斤重氢原子核聚变所释放的能量还要大几倍。轻原子核聚变为较重的原子核并释放能量的过程，就是太阳几十亿年来的能量来源，也是热核爆炸的能量来源。如果能使重氢的聚变反应有控制地进行，那么能源问题就将得到较彻底的解决。由于放射性同位素所放出的射线能产生各种物理效应、化学效应和生物效应，因此放射性同位素在工业、农业、医学和科学研究中有广泛的应用。

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十非常复杂的问题。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，目前还很难用以准确预言等离子体的性质和行为。

粒子物理学

目前对所能探测到的物质结构最深层次的研究称为粒子物理学，又称为高能物理学。在20世纪20年代末，人们曾经认为电子和质子是基本粒子，后来又发现了中子。在宇宙射线研究和后来利用高能加速器进行的实验研究中，又发现了数以百计的不同种类的粒子。这些粒子的性质很有规律性，所以现在将基本两字去掉，统称为粒子。

研究这些粒子，发现它们都是配成对的。配成对的粒子称为正、反粒子。正、反粒子一部分性质完全相同，而另一部分性质完全相反。另一个重要发现是，所有粒子在一定条件下都能产生和消灭。例如：高能光子在原子核的电场中能转化为电子和正电子，电子和正电子相遇，就会同时湮没而转化为两个或三个光子。

在实验上把已经发现的粒子分为两大类。一类是不参与强相互作用的离子，统称为轻子。另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。实验发现，强子也具有内部结构。强子内部带点电荷的东西在外国称为夸克，中国的部分物理学家称之为层子。因为他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。

虽然层子在强子内部可以相当自由地运动，但即使用目前加速器所能产生的能量最高的粒子束轰击强子，也没有能将层子打出来，使它们成为处于自由状态的层子。将层子囚禁在强子内部是强相互作用所独有的性质，这种性质称为“囚禁”。

弱相互作用也有其独特的性质。它的基本规律对于左和右，正、反粒子，过去和未来都是不对称的。弱相互作用的不对称就是李政道和杨振宁在1956年所预言，不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱相互作用中的不守恒。

在量子场论中，各种粒子均用相应的量子场来反映。空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示，称为场算符。这些场算符满足一定的微分方程和对应关系或反对应关系。量子场的确既能反映披粒二象性，又能反映粒子的产生和消灭，还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。

对称性在物理学中占有很重要的地位。可以证明，假使物理基本规律具有某种对称性，与之相应就有某种守恒定律。例如：假使物理基本规律在任何时间都一样，与之相应就有能量守恒定律：假使物理基本规律对于相变换具有不变性，与之相应就有电荷守恒定律。

假使物理规律的某种对称性是定域的，那么与之相应一定存在某种基本相互作用。目前已经通过实验严格检验的广义相对论、量子电动力学和电弱统一理论都来源于定域对称性。也就是说：万有引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都来源于定域对称性。

物理学同其他自然科学和技术之间的关系

物质的各种存在形式和运动形式之间普遍存在着联系。随着学科的发展，这种联系逐步显示出来。物理学也和其他学科相互渗透，产生一系列交叉学科，如：化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等等。

数学对物理学的发展起了重要的作用，反过来物理学也促进数学的发展。在物理学的基础性研究过程中，形成和发展出来的基本概念、基本理论、基本实施手段和精密的测试方法，已成为其他许多学科的重要组成部分，并产生了良好的效果。这对于天文学、化学、生物学、地学、医学、农业科学都是如此。

物理学研究的重大突破导致生产技术的飞跃已经是历史事实。反过来，发展技术和生产力的要求，也有力地推动物理学研究的发展，固体物理、原子核物理、等离子体物理、激光研究、现代宇宙学等之所以迅速发展，是和技术及生产力发展的要求分不开的。

目前在物理学前沿进行研究工作，必须使用尖端技术，否则就无法使实验研究工作达到一定的深度，也很难开辟新的研究领域。因此理论和实践，基础理论和尖端技术的关系将日益密切、互相促进，并一日千里地向前推进。

光学

狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到 X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。

光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。

光学的发展简史

光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。

人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。约在公元前400多年(先秦的代)，中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。

自《墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。

牛顿环 1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。

牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。

牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。

惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。提出“光同声一样，是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点，都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。

肥皂薄膜的干涉图样 19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。

在进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质(以太)中传播的横波。为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。如此性质的以太是难以想象的。

1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。

1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。

然而，这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质，也不能解释光的色散现象。到了1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。

对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话，则可将不动的以太选作参照系，使人们能区别出绝对运动。而事实上，1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明到了洛伦兹电子论时期，人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。

1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。

量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。

1905年9月，德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理，文中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情况，而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征，根本放弃了以太的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。

这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。

1922年发现的康普顿效应，1928年发现的喇曼效应，以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。

此后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。其中最重要的成就，就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射，并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。

爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。1960年，梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年发现以来，得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。

三色分光镜光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论，和1906年波特为之完成的实验验证；1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖；1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理，为此，伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。

自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域——光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。

在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。

光学的研究内容

我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光赫兹用以验证麦克斯韦电磁波理论的实验装置的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学 1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。

这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。

光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。

应用光学光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。

力学

力学又称经典力学，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。

机械运动是物质运动的最基本的形式。机械运动亦即力学运动，是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。而平衡或静止，则是其中的特殊情况。物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。

力是物质间的一种相互作用，机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。静止和运动状态不变，则意味着各作用力在某种意义上的平衡。因此，力学可以说是力和(机械)运动的科学。

力学的起源

古埃及的桔槔汲水图力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。

古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。

伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。

此后，力学的研究对象由单个的自由质点，转向受约束的质点和受约束的质点系。这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力学。其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这看作是连续介质力学的开端。

运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世，在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人。弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。

流体中的圆柱绕流现象从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。在弹性和流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的方法解决。这使得19世纪后半叶，在材料力学、结构力学同弹性力学之间，水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。

20世纪初，随着新的数学理论和方法的出现，力学研究又蓬勃发展起来，创立了许多新的理论，同时也解决了工程技术中大量的关键性问题，如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题等。

这时的先导者是普朗特和卡门，他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。从20世纪60年代起，计算机的应用日益广泛，力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。

力学在中国的发展经历了一个特殊的过程。与古希腊几乎同时，中国古代对平衡和简单的运动形式就已具备相当水平的力学知识，所不同的是未建立起像阿基米德那样的理论系统。

在文艺复兴前的约一千年时间内，整个欧洲的科学技术进展缓慢，而中国科学技术的综合性成果堪称卓著，其中有些在当时世界居于领先地位。这些成果反映出丰富的力学知识，但终未形成系统的力学理论。到明末清初，中国科学技术已显著落后于欧洲。

学科性质

物理科学的建立是从力学开始的。在物理科学中，人们曾用纯粹力学理论解释机械运动以外的各种形式的运动，如热、电磁、光、分子和原子内的运动等。当物理学摆脱了这种机械(力学)的自然观而获得健康发展时，力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化，逐渐从物理学中独立出来。

20世纪初，相对论指出牛顿力学不适用于高速或宇宙尺度内的物体运动；20年代，量子论指出牛顿力学不适用于微观世界。这反映人们对力学认识的深化，即认识到物质在不同层次上的机械运动规律是不同的。所以通常理解的力学，是指以宏观的机械运动为研究内容的物理学分支学科。许多带“力学”名称的学科，如热力学、统计力学、相对论力学、电动力学、量子力学等，在习惯上被认为是物理学的其它分支，不属于力学的范围。

力学与数学在发展中始终相互推动，相互促进。一种力学理论往往和相应的一个数学分支相伴产生，如运动基本定律和微积分，运动方程的求解和常微分方程，弹性力学及流体力学和数学分析理论，天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等，因此有人甚至认为力学应该也是一门应用数学。但是力学和其它物理学分支一样，还有需要实验基础的一面，而数学寻求的是比力学更带普遍性的数学关系，两者有各自不同的研究对象。

短纤维复合材料拉伸断口放大图力学不仅是一门基础科学，同时也是一门技术科学，它是许多工程技术的理论基础，又在广泛的应用过程中不断得到发展。当工程学还只分民用工程学(即土木工程学)和军事工程学两大分支时，力学在这两个分支中就已经起着举足轻重的作用。工程学越分越细，各个分支中许多关键性的进展，都有赖于力学中有关运动规律、强度、刚度等问题的解决。

力学和工程学的结合，促使了工程力学各个分支的形成和发展。现在，无论是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等，还是后起的航空工程、航天工程、核技术工程、生物医学工程等，都或多或少有工程力学的活动场地。

力学既是基础科学又是技术科学这种二重性，有时难免会引起分别侧重基础研究和应用研究的力学家之间的不同看法。但这种二重性也使力学家感到自豪，它们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面作出了贡献。

力学的研究方法

力学研究方法遵循认识论的基本法则：实践——理论——实践。

力学家们根据对自然现象的观察，特别是定量观测的结果，根据生产过程中积累的经验和数据，或者根据为特定目的而设计的科学实验的结果，提炼出量与量之间的定性的或数量的关系。为了使这种关系反映事物的本质，力学家要善于抓住起主要作用的因素，屏弃或暂时屏弃一些次要因素。

力学中把这种过程称为建立模型。质点、质点系、刚体、弹性固体、粘性流体、连续介质等是各种不同的模型。在模型的基础上可以运用已知的力学或物理学的规律，以及合适的数学工具，进行理论上的演绎工作，导出新的结论。

依据所得理论建立的模型是否合理，有待于新的观测、工程实践或者科学实验等加以验证。在理论演绎中，为了使理论具有更高的概括性和更广泛的适用性，往往采用一些无量纲参数如雷诺数、马赫数、泊松比等。这些参数既反映物理本质，又是单纯的数字，不受尺寸、单位制、工程性质、实验装置类型的牵制。

因此，从局部看来，力学研究工作方式是多样的：有些只是纯数学的推理，甚至着眼于理论体系在逻辑上的完善化；有些着重数值方法和近似计算；有些着重实验技术等等。而更大量的则是着重在运用现有力学知识，解决工程技术中或探索自然界奥秘中提出的具体问题。

现代的力学实验设备，诸如大型的风洞、水洞，它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目，需要多工种、多学科的协作。应用研究更需要对应用对象的工艺过程、材料性质、技术关键等有清楚的了解。在力学研究中既有细致的、独立的分工，又有综合的、全面的协作。

学科分类

红血球在毛细血管中的流动力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。

力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支，流体包括液体和气体；固体力学和流体力学可统称为连续介质力学，它们通常都采用连续介质的模型。固体力学和流体力学从力学分出后，余下的部分组成一般力学。

一般力学通常是指以质点、质点系、刚体、刚体系为研究对象的力学，有时还把抽象的动力学系统也作为研究对象。一般力学除了研究离散系统的基本力学规律外，还研究某些与现代工程技术有关的新兴学科的理论。

一般力学、固体力学和流体力学这三个主要分支在发展过程中，又因对象或模型的不同出现了一些分支学科和研究领域。属于一般力学的有理论力学(狭义的)、分析力学、外弹道学、振动理论、刚体动力学、陀螺力学、运动稳定性等；属于固体力学的有材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等；流体力学是由早期的水力学和水动力学这两个风格迥异的分支汇合而成，现在则有空气动力学、气体动力学、多相流体力学、渗流力学、非牛顿流体力学等分支。各分支学科间的交叉结果又产生粘弹性理论、流变学、气动弹性力学等。

力学也可按研究时所采用的主要手段区分为三个方面：理论分析、实验研究和数值计算。实验力学包括实验应力分析、水动力学实验和空气动力实验等。着重用数值计算手段的计算力学，是广泛使用电子计算机后才出现的，其中有计算结构力学、计算流体力学等。对一个具体的力学课题或研究项目，往往需要理论、实验和计算这三方面的相互配合。

金属板爆炸焊接的瞬间图像力学在工程技术方面的应用结果形成工程力学或应用力学的各种分支，诸如土力学、岩石力学、爆炸力学复合材料力学、工业空气动力学、环境空气动力学等。

力学和其他基础科学的结合也产生一些交又性的分支，最早的是和天文学结合产生的天体力学。在20世纪特别是60年代以来，出现更多的这类交叉分支，其中有物理力学、化学流体动力学、等离子体动力学、电流体动力学、磁流体力学、热弹性力学、理性力学、生物力学、生物流变学、地质力学、地球动力学、地球构造动力学、地球流体力学等。

热学

热学是研究物质处于热状态时的有关性质和规律的物理学分支，它起源于人类对冷热现象的探索。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。

对中国山西芮城西侯度旧石器时代遗址的考古研究，说明大约180万年前人类已开始使用火；约在公元前二千年中国已有气温反常的记载；在公元前，东西方都出现了热学领域的早期学说。中国战国时代的邹衍创立了五行学说，他把水、火、木、金、土称为五行，认为这是万事万物的根本。古希腊时期，赫拉克利特提出：火、水、土、气是自然界的四种独立元素。这些都是人们对自然界的早期认识。

1714年，华伦海特改良水银温度计，定出华氏温标，建立了温度测量的一个共同的标准，使热学走上了实验科学的道路。经过许多科学家两百年的努力，到1912年，能斯脱提出热力学第三定律后，人们对热的本质才有了正确的认识，并逐步建立起热学的科学理论。

历史上对热的认识，出现过两种对立的观点。18世纪出现过热质说，把热看成是一种不生不灭的流质，一个物体含有的热质多，就具有较高的温度。与此相对立的是把热看成物质的一种运动的形式的观点，俄国科学家罗蒙诺索夫指出热是分子运动的表现。

针对热质说不能解释摩擦生热的困难，许多科学家进行了各种摩擦生热的实验，特别是朗福德的实验，他用钝钻头钻炮筒，因钻头与炮筒内壁摩擦，在几乎没产生碎屑的情况下使水沸腾；1840年以后，焦耳做了一系列的实验，证明热是同大量分子的无规则运动相联系的。

焦耳的实验以精确的数据证实了迈尔热功当量概念的正确性，使人们摈弃了热质说，并为能量守恒定律奠定了实验基础。与此同时，热学的两类实验技术——测温术和量热术也得到了发展。

热学理论有两个方面，一是宏观理论，即热力学；一是微观理论，即统计物理学。这两个方面相辅相成，构成了热学的理论基础。

热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。

热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。因此它是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。

热力学三定律是热力学的基本理论。热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数——内能。热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。

热学中一个重要的基本现象是趋向平衡态，这是一个不可逆过程。例如使温度不同的两个物体接触，最后到达平衡态，两物体便有相同的温度。但其逆过程，即具有相同温度的两个物体，不会自行回到温度不同的状态。

这说明，不可逆过程的初态和终态间，存在着某种物理性质上的差异，终态比初态具有某种优势。1854年克劳修斯引进一个函数来描述这两个状态的差别，1865年他给此函数定名为熵。

1850年，克劳修斯在总结了这类现象后指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，这就是热力学第二定律的克氏表述。几乎同时，开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容。

用熵的概念来表述热力学第二定律就是：在封闭系统中，热现象宏观过程总是向着熵增加的方向进行，当熵到达最大值时，系统到达平衡态。第二定律的数学表述是对过程方向性的简明表述。

1912年能斯脱提出一个关于低温现象的定律：用任何方法都不能使系统到达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。

热力学的这些基本定律是以大量实验事实为根据建立起来的，在此基础上，又引进了三个基本状态函数：温度、内能、熵，共同构成了一个完整的热力学理论体系。此后，为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性，又引进了一些辅助的状态函数，如焓、亥姆霍兹函数(自由能)、吉布斯函数等。这会带来运算上的方便，并增加对热力学状态某些特性的了解。

从热力学的基本定律出发，应用这些状态函数，利用数学推演得到系统平衡态各种特性的相互联系，是热力学方法的基本内容。

热力学理论是普遍性的理论，对一切物质都适用，这是它的优点，但它不能对某种特殊物质的具体性质作出推论。例如讨论理想气体时，需要给出理想气体的状态方程；讨论电磁物质时，需要补充电磁物质的极化强度和场强的关系等。这样才能从热力学的一般关系中，得出某种特定物质的具体知识。

平衡态热力学的理论已很完善，并有广泛的应用。但在自然界中，处于非平衡态的热力学系统(物理的、化学的、生物的)和不可逆的热力学过程是大量存在的。因此，这方面的研究工作十分重要，并已取得一些重要的进展。

目前，研究非平衡态热力学的一种理论是在一定条件下，把非平衡态看成是数目众多的局域平衡态的组合，借助原有的平衡态的概念描述非平衡态的热力学系统。并且根据“流”和“力”的函数关系，将非平衡态热力学划分为近平衡区(线性区)和远离平衡区(非线性区)热力学。这种理论称为广义热力学，另一种研究非平衡态热力学的理论是理性热力学。它是以热力学第二定律为前提，从一些公理出发，在连续媒质力学中加进热力学概念而建立起来的理论。它对某些具体问题加以论证，在特殊的弹性物质的应用中取得了一定成果。

非平衡态热力学领域提供了对不可逆过程宏观描述的一般纲要。对非平衡态热力学或者说对不可逆过程热力学的研究，涉及广泛存在于自然界中的重要现象，是正在探讨的一个领域。如平衡态的热力学和统计力学的关系一样，从微观运动的角度研究非平衡态现象的理论是非平衡态统计力学。

声学

声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。媒质包括各种状态的物质，可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质；机械波是指质点运动变化的传播现象。

声学发展简史

声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是经典物理学中历史最悠久，并且当前仍处在前沿地位的唯一的物理学分支学科。

从上古起直到19世纪，人们都是把声音理解为可听声的同义语。中国先秦时就说“情发于声，声成文谓之音”，“音和乃成乐”。声、音、乐三者不同，但都指可以听到的现象。同时又说“凡响曰声”，声引起的感觉(声觉)是响，但也称为声，这与现代对声的定义相同。西方国家也是如此，英文的的词源来源于希腊文，意思就是“听觉”。

汉朝的竹制十二音律管世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面。《吕氏春秋》记载，黄帝令伶伦取竹作律，增损长短成十二律；伏羲作琴，三分损益成十三音。三分损益法就是把管(笛、箫)加长三分之一或减短三分之一，这样听起来都很和谐，这是最早的声学定律。传说在古希腊时代，毕达哥拉斯也提出了相似的自然律，只不过是用弦作基础。

1957年在中国河南信阳出土了蟠螭文编钟，它是为纪念晋国于公元前525年与楚作战而铸的。其音阶完全符合自然律，音色清纯，可以用来演奏现代音乐。1584年，明朝朱载堉提出了平均律，与当代乐器制造中使用的乐律完全相同，但比西方早提出300年。

古代除了对声传播方式的认识外，对声本质的认识也与今天的完全相同。在东西方，都认为声音是由物体运动产生的，在空气中以某种方式传到人耳，引起人的听觉。这种认识现在看起来很简单，但是从古代人们的知识水平来看，却很了不起。

例如，很长时期内，古代人们对日常遇到的光和热就没有正确的认识，一直到牛顿的时代，人们对光的认识还有粒子说和波动说的争执，且粒子说占有优势。至于热学，“热质”说的影响时间则更长，直到19世纪后期，恩格斯还对它进行过批判。

对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。从那时起直到19世纪，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体的振动和声的产生原理作过贡献，而声的传播问题则更早就受到了注意，几乎2000年前，中国和西方就都有人把声的传播与水面波纹相类比。

1635年有人用远地枪声测声速，以后方法又不断改进，到1738年巴黎科学院利用炮声进行测量，测得结果折合为0℃时声速为332米/秒，与目前最准确的数值331.45米/秒只差0.15%，这在当时“声学仪器”只有停表和人耳和情况下，的确是了不起的成绩。

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质等等，经过复杂而难懂的推导，求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是据此算出的声速只有288米/秒，与实验值相差很大。

达朗贝尔于1747年首次导出弦的波动方程，并预言可用于声波。直到1816年，拉普拉斯指出只有在空气温度不变时，牛顿对声波传导的推导才正确，而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程。因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比(定压比热容与定容比热容的比)与密度之比，据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。

直到19世纪末，接收声波的“仪器”还只有人耳。人耳能听到的最低声强大约是10¯¹²瓦/米²，在1000Hz时，相应的空气质点振动位移大约是10pm(10¯¹¹米)，只有空气分子直径的十分之一，可见人耳对声的接收确实惊人。19世纪中就有不少人耳解剖的工作和对人耳功能的探讨，但至今还未能形成完整的听觉理论。目前对声刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层的过程有所了解，但这过程以后大脑皮层如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究。

音调与频率的关系明确后，对人耳听觉的频率范围和灵敏度也都有不少的研究。发现著名的电路定律的欧姆于1843年提出，人耳可把复杂的声音分解为谐波分量，并按分音大小判断音品的理论。在欧姆声学理论的启发下，人们开展了听觉的声学研究(以后称为生理声学和心理声学)，并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍兹的《音的感知》。

在封闭空间(如房间、教室、礼堂、剧院等)里面听语言、音乐，效果有的很好，有的很不好，这引起今天所谓建筑声学或室内音质的研究。但直到1900年赛宾得到他的混响公式，才使建筑声学成为真正的科学。

19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果的最后总结者是瑞利，他在1877年出版的两卷《声学原理》中集经典声学的大成，开创了现代声学的先河。至今，特别是在理论分析工作中，还常引用这两卷巨著。他开始讨论的电话理论，目前已发展为电声学。

妈、麻、马、骂的语音图 20世纪，由于电子学的发展，使用电声换能器和电子仪器设备，可以产生接收和利用任何频率、任何波形、几乎任何强度的声波，已使声学研究的范围远非昔日可比。现代声学中最初发展的分支就是建筑声学和电声学以及相应的电声测量。以后，随着频率范围的扩展，又发展了超声学和次声学；由于手段的改善，进一步研究听觉，发展了生理声学和心理声学；由于对语言和通信广播的研究，发展了语言声学。

在第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下探测，促使水声学得到很大的发展。20世纪初以来，特别是20世纪50年代以来，全世界由于工业、交通等事业的巨大发展出现了噪声环境污染问题，而促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲击研究的发展高速大功率机械应用日益广泛。非线性声学受到普遍重视。此外还有音乐声学、生物声学。这样，逐渐形成了完整的现代声学体系。

现代声学的内容

现代声学研究主要涉及声子的运动、声子和物质的相互作用，以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性。所以声学既有经典性质，也有量子性质。

声学的中心是基础物理声学，它是声学各分支的基础。声可以说是在物质媒质中的机械辐射，机械辐射的意思是机械扰动在物质中的传播。人类的活动几乎都与声学有关，从海洋学到语言音乐，从地球到人的大脑，从机械工程到医学，从微观到宏观，都是声学家活动的场所。

声学的边缘科学性质十分明显，边缘科学是科学的生长点，因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向。

声波在气体和液体中只有纵波。在固体中除了纵波以外，还可能有横波(质点振动的方向与声波传播的方向垂直)，有时还有纵横波。

声波场中质点每秒振动的周数称为频率，单位为赫(Hz)。现代声学研究的频率范围为万分之一赫兹到十亿赫兹，在空气中可听到声音的声波长为17毫米到17米，在固体中，声波波长的范围更大，比电磁波的波长范围至少大一千倍。声学频率的范围大致为：可听声的频率为20～20000赫，小于20赫为次声，大于20000赫为超声。

声波的传播与媒质的弹性模量，密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关。测量声波传播的特性可以研究媒质的力学性质和几何性质，声学之所以发展成拥有众多分支并且与许多科学、技术和文化艺术有密切关系的学科，原因就在于此。

声行波强度用单位面积内传播的功率(以瓦/米²为单位)表示，但是在声学测量中功率不易直接测量得，所以常用易于测量的声压表示。在声学中常见的声强范围或声压范围非常大，所以一般用对数表示。称为声强级或声压级，单位是分贝(dB)。

声学的研究方法与光学研究方法的比较

声学分析方法已成为物理学三个重要分析方法(声学方法、光学方法、粒子轰击方法)之一。声学方法与光学方法(包括电磁波方法)相比有相似处，也有不同处。

相似处是：声波和光波都是波动，使用两种方法时，都运用了波动过程所应服从的一般规律，包括量子概念(声的量子称为声子)。

不同处是：光波是横波，声波在气体中和液体中是纵波，而在固体中有纵波，有横波，还有纵横波、表面波等，情况更为复杂；声波比光波的传播速度小得多；一般物体和材料对光波吸收很大，但对声波却很小，声波在不同媒质的界面上几乎是完全反射。

这些传播性质有时造成结果上的极大差别，例如在普通实验室内很容易验证光波的平方反比定律(光的强度与到光源的距离平方成反比)。根据能量守恒定律，声波也应满足平方反比定律，但在室内则无法测出。因为室内各表面对声波来说都是很好的反射面，声速又比较小，声音发出后要反射很多次，在室内往返多次，经过很长时间(称为混响时间)才消失。任何点的声强都是这些直达声和反射声互相干涉的结果，与距离的关系很复杂。这就是为什么直到1900年赛宾提出混响理论以前，人们对很多声学现象不能理解的原因。

声学的分支学科

小提琴的全息振动模式图与光学相似，在不同的情况，依据其特点，需要运用不同的声学方法进行研究。

波动声学也称物理声学，它是使用波动理论研究声场的学科。在声波波长与空间或物体的尺度数量级相近时必须用波动声学分析。其主要内容是研究声的反射、折射、干涉、衍射、驻波、散射等现象。

在封闭空间(例如室内，周围有表面)或半关闭空间(例如在水下或大气中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振动(称为简正振动方式或简正波)。简正方式理论是引用量子力学中本征值的概念并加以发展而形成的。

射线声学或称几何声学，它与几何光学相似。主要是研究波长非常小时，能量沿直线的传播的规律。即忽略衍射现象，只考虑声线的反射、折射等问题。这是在许多情况下都很有效的方法。例如在研究室内反射面、在固体中作无损检测以及在液体中探测等时，都用声线概念。

统计声学主要研究波长非常小，在某一频率范围内简正振动方式很多，频率分布很密时，忽略相位关系，只考虑各简正方式的能量相加关系的问题。赛宾公式就可用统计声学方法推导。统计声学方法不限于在关闭或半关闭空间中使用。在声波传输中，统计能量技术解决很多问题，就是一例。

声学仪器

20世纪以前，声源仅限于人声、乐器、音义和哨子。频率限于可听声范围内，可控制的声强范围也有限。接收仪器主要是人耳，有时用歌弧、歌焰作定性比较，电话上的接收器和传声器还很简陋，难于用作测试仪器。

20世纪以后，人们把电路理论应用于换能器的设计，把晶体的压电性用于声信号和电信号之间的转换，以后又发展了压电陶瓷、驻极体等，并用电子线路放大和控制电信号，使声的产生和接收几乎不受频率和强度的限制。

近年用半导体薄膜产生超声，用激光轰击金属激发声波等，使声频超过了可听声高限的几亿倍。次声频率可达每小时一周以下，声强可超过人耳所能接收高强声音的几千万倍。声功率也可超过人发声的一千亿倍。声学测量分析仪器也达到了高度准确的程度，以计算机为中心的测试设备可完成多种测试要求，60年代需要几天才能完成的测试分析工作，用现代设备可能只要几秒钟就可以完成，这些手段给声学各分支的发展创造了很好的条件。

利用对声速和声衰减，测量研究物质特性已应用于很广的范围。目前测出在空气中，实际的吸收系数比19世纪斯托克斯和基尔霍夫根据粘性和热传导推出的经典理论值大得多，在液体中甚至大几千倍、几万倍。这个事实导致了人们对弛豫过程的研究，这在对液体以及它们结构的研究中起了很大作用。对于固体同样工作已形成从低频到起声频固体内耗的研究，并对诸如固体结构和晶体缺陷等方面的研究都有很大贡献。

表面波、声全息、声成像、非线性声学、热脉冲、声发射、超声显微镜、次声等以物质特性研究为基础的研究领域都有很大发展。

声全息和声成像是无损检测方法的重要发展。将声信号变成电信号，而电信号可经过电子计算机的存储和处理，用声全息或声成像给出的较多的信息充分反应枝检对象的情况，这就大大优于一般的超声检测方法。用热脉冲产生的超声频率可达到10¹²Hz以上，为凝聚态物理开辟了新的研究领域。

声波在固体和液体中的非线性特性可通过媒质中声速的微小变化来研究，应用声波的非线性特性可以实现和研究声与声的相互作用，它还用于高分辨率的参量声呐中。

声波可以透过所有物体：不论透明或不透明的，导电或非导电的。因此，从大气、地球内部、海洋等宏大物体直到人体组织、晶体点阵等微小部分都是声学的实验室。近年来在地震观测中，测定了固体地球的简正振动，找出了地球内部运动的准确模型，月球上放置的地声接收器对月球内部监测的结果，也同样令人满意。进一步监测地球内部的运动，最终必将实现对地震的准确预报从而避免大量伤亡和经济损失。

声学与生命科学

听觉过程涉及生理声学和心理声学。目前能定量地表示声音在人耳产生的主观量(音调和响度)，并求得与物理量(频率和强度)的函数关系，这是心理物理研究的重大成果。还建立了测听技术和耳鼓声阻抗测量技术，这是研究中耳和内耳病变的有效工具。

在听觉研究中，所用的设备很简单，但所得结果却惊人的丰富。1961年物理学家贝剀西曾由于在听觉方面的研究获得诺贝尔医学或生理学奖，这是物理学家在边缘学科中的工作受到了承认的例子。目前主要由于对神经系统和大脑的确切活动和作用机理不明，还未形成完整的听觉理论，但这方面已引起了很多声学工作者的重视。

在语言和听觉范围内，基础研究导致很多重要医疗设备的生产：整个装到耳听道内的助听器；保护听力的耳塞，为声带损伤病人用的人工喉，语言合成器，为全聋病人用的触觉感知器和人工耳蜗等等。

除了助听、助语设备外，声学在医学中还有很多可以应用的方面，但发展都很不够或根本未发展，特别是在治疗方面。有迹象说明低强度超声可加速伤口愈合，同时施用超声和 X射线可使对癌症的辐射治疗更加有效，超声辐射可治愈脑血栓等，但这些都未形成常规的治疗手段。

超声检查体内器官，并加以显示的方法有广泛的应用，声波可透过人体并对体内任何阻抗的变化灵敏(折射、反射)，因此超声透视颅内、心脏或腹内的某些功效远比 X射线优越，而且不存在辐射病，但使用时也有局限。超声全息用于体内无损检测的技术则尚待发展。

声学与环境

消声室内景当代重大环境问题之一是噪声污染，社会上对环境污染的意见(包括控告)有一半是噪声问题。除了长期在较强的噪声(90dB以上)中工作要造成耳聋外，不太强的噪声对人也会形成干扰。例如噪声级到70dB，对面谈话就有困难，50dB环境下睡眠休息已受到严重影响。近年来，对声源发声机理的研究受到注意，也取得了不少成绩。

噪声控制中常遇到的声源功率范围非常大，这也增加了噪声控制工作的复杂性。例如一个大型火箭发动机的噪声功率可开动一架大型客机，而大型客机的噪声功率可开动一辆卡车。噪声污染是工业化的后果，而降低噪声又是改善环境、提高人的工作效率、延长机器寿命的重要措施。

环境科学不但要克服环境污染，还要进一步研究造成适于人们生活和活动的环境。使在厅堂中听到的讲话清晰、音乐优美是建筑声学的任务。厅堂音质的主要问题是室内的混响，混响必须合适，有时还需要混响可变。实验证明，由声源到听者的直达声及其后50或100毫秒内到达的反射声对音质都有重要影响，反射声的方向分布也是很重要的因素，两侧传来的反射声似乎很重要，全面研究各种因素才能获得良好的音质。

音乐是声学研究最早注意的课题，今日则已开始进入新的境界。电子乐器和计算机音乐的问世，为作曲家和演奏艺术家开辟了新的创作天地。电子音乐合成器产生的乐音既可以模拟现有任何乐器的声音，也可以创造出从来未有过的新乐音。

除了次声外，声学对国防还有许多重要用途。海洋中除声以外的各种信号都很难传到几米之外，因此利用回声探测水下物体，如潜艇、海底、鱼群、沉船等是最有力的手段。

电磁学

电磁学是研究电、磁和电磁的相互作用现象，及其规律和应用的物理学分支学科。根据近代物理学的观点，磁的现象是由运动电荷所产生的，因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容。所以，电磁学和电学的内容很难截然划分，而“电学”有时也就作为“电磁学”的简称。

早期，由于磁现象曾被认为是与电现象独立无关的，同时也由于磁学本身的发展和应用，如近代磁性材料和磁学技术的发展，新的磁效应和磁现象的发现和应用等等，使得磁学的内容不断扩大，所以磁学在实际上也就作为一门和电学相平行的学科来研究了。

电磁学从原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和变化的磁场的电效应。这两个实验现象，加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。

麦克斯韦电磁理论的重大意义，不仅在于这个理论支配着一切宏观电磁现象(包括静电、稳恒磁场、电磁感应、电路、电磁波等等)，而且在于它将光学现象统一在这个理论框架之内，深刻地影响着人们认识物质世界的思想。

电子的发现，使电磁学和原子与物质结构的理论结合了起来，洛伦兹的电子论把物质的宏观电磁性质归结为原子中电子的效应，统一地解释了电、磁、光现象。

和电磁学密切相关的是经典电动力学，两者在内容上并没有原则的区别。一般说来，电磁学偏重于电磁现象的实验研究，从广泛的电磁现象研究中归纳出电磁学的基本规律；经典电动力学则偏重于理论方面，它以麦克斯韦方程组和洛伦兹力为基础，研究电磁场分布，电磁波的激发、辐射和传播，以及带电粒子与电磁场的相互作用等电磁问题，也可以说，广义的电磁学包含了经典电动力学。

核物理学

核物理学又称原子核物理学，是20世纪新建立的一个物理学分支。它研究原子核的结构和变化规律；射线束的产生、探测和分析技术；以及同核能、核技术应用有关的物理问题。它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。

核物理学的发展历史

初期 1896年，贝可勒尔发现天然放射性，这是人们第一次观察到的核变化。现在通常就把这一重大发现看成是核物理学的开端。此后的40多年，人们主要从事放射性衰变规律和射线性质的研究，并且利用放射性射线对原子核做了初步的探讨，这是核物理发展的初期阶段。

在这一时期，人们为了探测各种射线，鉴别其种类并测定其能量，初步创建了一系列探测方法和测量仪器。大多数的探测原理和方法在以后得到了发展和应用，有些基本设备，如计数器、电离室等，沿用至今。

探测、记录射线并测定其性质，一直是核物理研究和核技术应用的一个中心环节。放射性衰变研究证明了一种元素可以通过衰变而变成另一种元素，推翻了元素不可改变的观点，确立了衰变规律的统计性。统计性是微观世界物质运动的一个重要特点，同经典力学和电磁学规律有原则上的区别。

铍原子的行星模型放射性元素能发射出能量很大的射线，这为探索原子和原子核提供了一种前所未有的武器。1911年，卢瑟福等人利用α射线轰击各种原子，观测α射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构，提出了原子结构的行星模型，这一成就为原子结构的研究奠定了基础。此后不久，人们便初步弄清了原子的壳层结构和电子的运动规律，建立和发展了描述微观世界物质运动规律的量子力学。

1919年，卢瑟福等又发现用α粒子轰击氮核会放出质子，这是首次用人工实现的核蜕变(核反应)。此后用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。

在初期的核反应研究中，最主要的成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和质子组成的，中子的发现为核结构的研究提供了必要的前提。中子不带电荷，不受核电荷的排斥，容易进入原子核而引起核反应。因此，中子核反应成为研究原子核的重要手段。在30年代，人们还通过对宇宙线的研究发现了正电子和介子，这些发现是粒子物理学的先河。

20世纪20年代后期，人们已在探讨加速带电粒子的原理。到30年代初，静电、直线和回旋等类型的加速器已具雏形，人们在高压倍加器上进行了初步的核反应实验。利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束，从而大大扩展了核反应的研究工作。此后，加速器逐渐成为研究原子核和应用技术的必要设备。

在核物理发展的最初阶段人们就注意到它的可能的应用，并且很快就发现了放射性射线对某些疾病的治疗作用。这是它在当时就受到社会重视的重要原因，直到今天，核医学仍然是核技术应用的一个重要领域。

大发展时期 20世纪40年代前后，核物理进入一个大发展的阶段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象；1942年，费密建立了第一个链式裂变反应堆，这是人类掌握核能源的开端。

曾经发现了107、108号元素的德国重离子直线加速器在30年代，人们最多只能把质子加速到一百万电子伏特的数量级，而到70年代，人们已能把质子加速到四千亿电子伏特，并且可以根据工作需要产生各种能散度特别小、准直度特别高或者流强特别大的束流。

20世纪40年代以来，粒子探测技术也有了很大的发展。半导体探测器的应用大大提高了测定射线能量的分辨率。核电子学和计算技术的飞速发展从根本上改善了获取和处理实验数据的能力，同时也大大扩展了理论计算的范围。所有这一切，开拓了可观测的核现象的范围，提高了观测的精度和理论分析的能力，从而大大促进了核物理研究和核技术的应用。

通过大量的实验和理论研究，人们对原子核的基本结构和变化规律有了较深入的认识。基本弄清了核子(质子和中子的统称)之间的相互作用的各种性质，对稳定核素或寿命较长的放射性核素的基态和低激发态的性质已积累了较系统的实验数据。并通过理论分析，建立了各种适用的模型。

通过核反应，已经人工合成了17种原子序数大于92的超铀元素和上千种新的放射性核素。这种研究进一步表明，元素仅仅是在一定条件下相对稳定的物质结构单位，并不是永恒不变的。

天体物理的研究表明，核过程是天体演化中起关键作用的过程，核能就是天体能量的主要来源。人们还初步了解到在天体演化过程中各种原子核的形成和演变的过程。在自然界中，各种元素都有一个发展变化的过程，都处于永恒的变化之中。

通过高能和超高能射线束和原子核的相互作用，人们发现了上百种短寿命的粒子，即重子、介子、轻子和各种共振态粒子。庞大的粒子家族的发现，把人们对物质世界的研究推进到一个新的阶段，建立了一门新的学科——粒子物理学，有时也称为高能物理学。各种高能射线束也是研究原子核的新武器，它们能提供某些用其他方法不能获得的关于核结构的知识。

过去，通过对宏观物体的研究，人们知道物质之间有电磁相互作用和万有引力(引力相互作用)两种长程的相互作用；通过对原子核的深入研究，才发现物质之间还有两种短程的相互作用，即强相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇称不守恒现象的发现，是对传统的物理学时空观的一次重大突破。研究这四种相互作用的规律和它们之间可能的联系，探索可能存在的靳的相互作用，已成为粒子物理学的一个重要课题。毫无疑问，核物理研究还将在这一方面作出新的重要的贡献。

核物理的发展，不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据，从而提高了核能利用的效率和经济指标，并为更大规模的核能利用准备了条件。人工制备的各种同位素的应用已遍及理工农医各部门。新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之一。

完善和提高 20世纪70年代，由于粒子物理逐渐成为一门独立的学科，核物理已不再是研究物质结构的最前沿。核能利用方面也不像过去那样迫切，核物理进入了一个纵深发展和广泛应用的新的更成熟的阶段。

质子直线加速器的加速腔在现阶段，粒子加速技术已有了新的进展。由于重离子加速技术的发展，人们已能有效地加速从氢到铀所有元素的离子，其能量可达到十亿电子伏每核子。这就大大扩充了人们变革原子核的手段，使重离子核物理的研究得到全面发展。

随着高能物理的发展，人们已能建造强束流的中高能加速器。这类加速器不仅能提供直接加速的离子流，还可以提供次级粒子束。这些高能粒子流从另一方面扩充了人们研究原子核的手段，使高能核物理成为富有生气的研究方面。

从核物理基础研究看，主要目标在两个方面：一是通过核现象研究粒子的性质和相互作用，特别是核子间的相互作用；再者是核多体系的运动形态的研究。很明显，核运动形态的研究将在相当长的时期内占据着核物理基础研究的主要部分。

核物理学的应用

核物理研究之所以受到人们的重视得到社会的大力支持，是和它具有广泛而重要的应用价值密切相关的。目前，几乎没有一个核物理实验室不在从事核技术的应用研究。有些设备甚至主要从事核技术应用工作。

核技术应用主要为核能源的开发服务，如提供更精确的核数据和探索更有效地利用核能的途径等；另外，同位素的应用是核技术应用最广泛的领域。同位素示踪已应用于各个科学技术领域；同位素药剂应用于某些疾病的诊断或治疗；同位素仪表在各工业部门用作生产自动线监测或质量控制装置。

加速器及同位素辐射源已应用于工业的辐照加工、食品的保藏和医药的消毒、辐照育种、辐照探伤以及放射医疗等方面。为了研究辐射与物质的相互作用以及辐照技术，已经建立了辐射物理、辐射化学等边缘学科以及辐照工艺等技术部门。

由于中子束在物质结构、固体物理。高分子物理等方面的广泛应用，人们建立了专用的高中子通量的反应堆来提供强中子束。中子束也应用于辐照、分析、测井及探矿等方面。中子的生物效应是一个重要的研究方向，快中子治癌已取得一定的疗效。

离子束的应用是越来越受到注意的一个核技术部门。大量的小加速器是为了提供离子束而设计的，离子注入技术是研究半导体物理和制备半导体器件的重要手段。离子束已经广泛地应用于材料科学和固体物理的研究工作。离子束也是用来进行无损、快速、痕量分析的重要手段，特别是质子微米束，可用来对表面进行扫描分析。其精度是其他方法难以比拟的。

在原子核物理学诞生、壮大和巩固的全过程中，通过核技术的应用，核物理和其他学科及生产、医疗、军事等部分建立了广泛的联系，取得了有力的支持；核物理基础研究又为核技术的应用不断开辟新的途径。核基础研究和核技术应用的需要，推进了粒子加速技术和核物理实验技术的发展；而这两门技术的新发展，又有力地促进了核物理的基础和应用研究。

固体物理学

固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。

固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。简单地说，固体物理学的基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。

在相当长的时间里，人们研究的固体主要是晶体。早在18世纪，阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识。后来，布喇格在1850年导出14种点阵。费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到了基本的数学工具，影响深远。

硅的大角度电子衍射会聚图样 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。加上后来布喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析的基础。对于磁有序结构的晶体，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晶体的对称群理论。

第二次世界大战后发展的中子衍射技术，是磁性晶体结构分析的重要手段。70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，在于晶体结构的观察方面有所进步。60年代起，人们开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结构。20年代末发现的低能电子衍射技术在60年代经过改善，成为研究晶体表面的有力工具。近年来发展的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表面的原子结构。

晶体的结构以及它的物理、化学性质同晶体结合的基本形式有密切关系。通常晶体结合的基本形式可分成：高子键合、金属键合、共价键合、分子键合(范德瓦耳斯键合)和氢键合。根据 X射线衍射强度分析和晶体的物理、化学性质，或者依据晶体价电子的局域密度分布的自洽理论计算，人们可以准确地判定该晶体具有何种键合形式。

固体中电子的状态和行为是了解固体的物理、化学性质的基础。维德曼和夫兰兹于1853年由实验确定了金属导热性和导电性之间关系的经验定律；洛伦兹在1905年建立了自由电子的经典统计理论，能够解释上述经验定律，但无法说明常温下金属电子气对比热容贡献甚小的原因；泡利在1927年首先用量子统计成功地计算了自由电子气的顺磁性，索末菲在1928年用量子统计求得电子气的比热容和输运现象，解决了经典理论的困难。

布洛赫和布里渊分别从不同角度研究了周期场中电子运动的基本特点，为固体电子的能带理论奠定了基础。电子的本征能量，是在一定能量范围内准连续的能级组成的能带。相邻两个能带之间的能量范围是完整晶体中电子不许可具有的能量，称为禁带。利用能带的特征以及泡利不相容原理，威耳逊在1931年提出金属和绝缘体相区别的能带模型，并预言介于两者之间存在半导体，为尔后的半导体的发展提供理论基础。

贝尔实验室的科学家对晶体的能带进行了系统的实验和理论的基础研究，同时掌握了高质量半导体单晶生长和掺杂技术，导致巴丁、布喇顿以及肖克莱于1947～1948年发明晶体管。

用偏振干涉显微镜拍摄的铵钒晶体固体中每立方厘米内有10²²个粒子，它们靠电磁互作用联系起来。因此，固体物理学所面对的实际上是多体问题。在固体中，粒子之间种种各具特点的耦合方式，导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式，造成不同的固体有千差万别的物理性质。

汉密尔顿在1839年讨论了排成阵列的质点系的微振动；1907年，爱因斯坦首先用量子论处理固体中原子的振动。他的模型很简单，各个原子独立地作同一频率的振动；德拜在1912年采用连续介质模型重新讨论了这问题，得到固体低温比热容的正确的温度关系；玻恩和卡门同时开始建立点阵动力学的基础，在原子间的力是简谐力的情况下，晶体原子振动形成各种模式的点阵波，这种波的能量量子称为声子。它对固体的比热容、热导、电导、光学性质等都起重要作用。

派尼斯和玻姆在1953年提出：由于库仑作用的长程性质，固体中电子气的密度起伏形成纵向振荡，称为等离子体振荡。这种振荡的能量量子称为等离激元。实验证明，电子束通过金属薄膜的能量损耗来源于激发电子气的等离激元。考虑到电子间的互作用，能带理论的单电子状态变成准电子状态，但准电子的有效质量包含了多粒子相互作用的效应。同样，空穴也变成准粒子。在半导体中电子和空穴之间有屏蔽的库仑吸引作用，它们结合成激子，这是一种复合的准粒子。

在很低的温度，由于热扰动强度降低，在某些固体中出现宏观量子现象。其中最重要的是开默林-昂内斯在1911年发现金属汞在4.2K具有超导电性现象，迈斯纳和奥克森菲尔德在1933年又发现超导体具有完全的抗磁性。以这些现象为基础，30年代人们建立了超导体的电动力学和热力学的理论。

后来，伦敦在1946年敏锐地提出超导电性是宏观的量子现象，并预言磁通是量子化的。1961年果真在实验上发现了磁通量子，实验值为伦敦预计值的一半，正好验证了库珀提出的电子配对的概念。弗罗利希在1950年提出超导电性来源于金属中电子和点阵波的耦合，并预言存在同位素效应，同年得到实验证实。

1957年巴丁、库珀和施里弗成功地提出超导微观理论，即有名的BCS理论。50年代苏联学者京茨堡、朗道、阿布里考索夫、戈科夫建立并论证了超导态宏观波函数应满足的方程组，并由此导出第二类超导体的基本特性。继江崎玲於奈在1957年发现半导体中的隧道效应之后，加埃沃于1960年发现超导体的单电子隧道效应，由此效应可求得超导体的重要的信息。不久，约瑟夫森在1962年预言了库珀对也有隧道效应，几个月之后果然实验证实了。从此开拓了超导宏观量子干涉现象及其应用的新领域。

固体磁性是一个有很久历史的研究领域。抗磁性是物质的通性，来源于在磁场中电子的轨道运动的变化。从20世纪初至30年代，经过许多学者努力建立了抗磁性的基本理论。范扶累克在1932年证明在某些抗磁分子中会出现顺磁性；朗道在1930年证明导体中传导电子的非局域的轨道运动也产生抗磁性，这是量子的效应；居里在1895年测定了顺磁体磁化率的温度关系，朗之万在1905年给出顺磁性的经典统计理论，得出居里定律。顺磁性的量子理论连同大量的实验研究，导致顺磁盐绝热去磁致冷技术出现，电子顺磁共振技术和微波激射放大器的发明，以及固体波谱学的建立。

在固体物理学中相变占有重要地位。它涉及熔化、凝聚、凝固、晶体生长、蒸发、相干衡、相变动力学、临界现象等，19世纪吉布斯研究了相平衡的热力学。后来厄任费斯脱在1933年对各种相变作了分类。60年代以后，人们对发生相变点的临界现象做了大量研究，总结出标度律和普适性。卡达诺夫在1966年指出在临界点粒子之间的关联效应起重要作用。威耳逊在1971年采用量子场论中重正化群方法，论证了临界现象的标度律和普适性，并计算了临界指数，取得成功。

阴极射线下的金刚石发光形貌图晶体或多或少都存在各种杂质和缺陷，它们对固体的物性，以及功能材料的技术性能都起重要的作用。半导体的电学、发光学等性质依赖于其中的杂质和缺陷；大规模集成电路的工艺中控制和利用杂质及缺陷是极为重要的。贝特在1929年用群论方法分析晶体中杂质离子的电子能级的分裂，开辟了晶体场的新领域。数十年来在这领域积累了大量的研究成果，为顺磁共振技术、微波激射放大器、固体激光器的出现准备了基础。

硬铁磁体、硬超导体、高强度金属等材料的功能虽然很不同，但其技术性能之所以强或硬，却都依赖于材料中一种缺陷的运动。在硬铁磁体中这缺陷是磁畴壁，在超导体中它是量子磁通线，在高强度金属中它是位错线，采取适当工艺使这些缺陷在材料的微结构上被钉住不动，有益于提高其技术性能。

高分辨电子显微术正促使人们在更深的层次上来研究杂质、缺陷和它们的复合物。电子顺磁共振、穆斯堡尔效应、正电子堙没技术等已成为研究杂质和缺陷的有力手段。在理论上借助于拓扑学和非线性方程的解，正为缺陷的研究开辟新的方向。

从60年代起，人们开始在超高真空条件下研究晶体表面的本征特性，以及吸附过程等通过粒子束(光束、电子束、高子束或原子束)和外场(温度、电场或磁场)与表面的相互作用，获得有关表面的原子结构、吸附物特征、表面电子态以及表面元激发等信息，加上表面的理论研究，形成表面物理学。

同体内相比，晶体表面具有独特的结构和物理、化学性质。这是由于表面原子所处的环境同体内原子不一样，在表面几个原子层的范围，表面的组分和原子排列形成的二维结构都同体内与之平行的晶面不一样的缘故。表面微观粒子所处的势场同体内不一样，因而形成独具特征的表面粒子的运动状态，限制粒子只能在表面层内运动并具有相应的本征能量，它们的行为对表面的物理、化学性质起重要作用。

非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别，这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。从结构上来分，非晶态固体有两类。一类是成分无序，在具有周期性的点阵位置上随机分布着不同的原子或者不同的磁矩；另一类是结构无序，表征长程序的周期性完全破坏，点阵失去意义。但近邻原子有一定的配位关系，类似于晶体的情形，因而仍然有确定的短程序。

例如，金属玻璃是无规密积结构，而非晶硅是四面体键组成的无规网络。20年代发现，并在70年代得到发展的扩展 X射线吸收精细结构谱技术，成为研究非晶态固体原子结构的重要手段。

无序体系的电子态具有其独特的性质，安德森在他的富有开创性的工作中，探讨了无序体系中电子态局域化的条件，10年之后，莫脱在此基础上建立了非晶态半导体的能带模型，提出迁移率边的概念。

在无序体系中，电子态有局域态和扩展态之分。在局域态中的电子只有在声子的合作下才能参加导电，这使得非晶态半导体的输运性质具有新颖的特点。1974年人们掌握了在非晶硅中掺杂的技术，现在非晶硅已成为制备高效率太阳能电池的重要材料。

非晶态合金具有特殊的物理性质。例如，它们的电阻率较大而其温度系数小。有的材料有很大的拉伸强度，有的具有优异的抗腐蚀性，可与不锈钢相比。非晶态磁性合金具有随机变化的交换作用，可导致居里温度的改变(大多数材料居里温度变低)，同时在无序体系中，缺陷失去原有的意义。因而非晶态磁性固体可以在较低的外磁场下达到饱和，磁损耗减小。所以，非晶态合金具有多方面用途。

无序体系是一个复杂的新领域，非晶态固体实际上是一个亚稳态。目前对许多基本问题还存在着争论，有待进一步的探索和研究。

新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术、磁共振技术等现代化实验手段，使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。

由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。

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