理论物理学研究领域的结构和动态

侯家昊

(山东省济南第三中学 250100)

理论物理学研究领域的结构和动态

侯家昊

(山东省济南第三中学 250100)

本文从物理学发展史出发，结合一些具体的物理学理论，以相对论和量子力学这两大现代物理的基本理论为例，阐明了物理学家如何构建物理学的经典理论.进一步地，通过对物理学前沿领域的一些简单介绍，来研究当今物理学理论的结构和动态.

理论物理；相对论；量子力学；结构与动态

本文通过对相对论和量子力学两大理论的分析，希望由此得知物理学家是怎样构建物理学理论的；通过对高能物理领域的简单考察，了解物理学前沿的特点和困难.最后，希望本文对理论物理学的机构与动态能得到一些有益的结论.

一、物理学的几个重要特点

牛顿在《自然哲学之数学原理》中提出的四个“哲学中的推理规则”可谓是早起物理学研究的基本规范，在这里我们回放一下：

规则Ⅰ：寻求自然事物的原因，不得超出真实和足以解释其现象者.

规则Ⅱ：因此对于相同的自然现象，必须尽可能地寻求相同的原因.

规则Ⅲ：物体的特性，若其程度既不能增加也不能减少，且在试验所及范围内为所有物体所共有，则应视为一切物体的普遍属性.

规则Ⅳ：在实验哲学中，我们必须将由现象所归纳出的命题视为完全正确的或基本正确的，直到出现了其他的或可排除这些命题、或可使之变得更加精确的现象之时.

结合后来物理学的发展情况，我们总结了以下几个重要结论：

(1)物理学是一门实验科学，必须尊重观察和实验的结论.

(2)理论不仅要能解释旧理论已经很好解释了的现象，还要能解释旧理论不能解释的现象；更进一步地，要提出预言，并为实验所验证.

(3)物理学是一门定量科学，理论要尽可能以数学方法准确描述现象.

(4)同等效力的理论，我们选择最简洁的那个.

(5)理论应尽可能具有普遍性，能解释更多的现象，甚至一些极端情况下依然适用.

二、理论的构建

现代理论物理学前沿领域，将不可避免地要面对更复杂、更极端的对象，基本理论也在走向统一.那么，物理学家是怎样构建理论的呢？让我们从经典光学讲起.

1.经典光学理论的成就和困难

十七世纪，几何光学的一些基本原理已经建立，并发现了光谱等重要现象.牛顿提出了光的微粒说，但在解释牛顿环等现象时却遇到了困难.惠更斯创立了波动说，菲涅尔进一步假设光是横波，还解释了偏拆现象.但是，这一理论在“以太”的问题上遇到了困难.转机出现在电磁学理论的发展中.由麦克斯韦方程组可以得到波动解，后来，由实验证实光是电磁波.但是在这一理论中依然要假设具有位移电流和电磁场的连续介质以太.人们计算发现，在折射率接近的空气中，应该能够出现“以太风”.然而迈克尔逊——莫雷实验发现，并不存在这种“以太风”.这样，波动说的基础“以太”就自相矛盾.

光的微粒说和波动说的争论，以及以太的性质问题，在这些困难被克服的过程中，诞生了相对论和量子力学.

2.相对论和量子力学的建立和发展

1900年，普朗克假设黑体辐射的能量是以量子化形式发出和吸收的，并与辐射频率有关.在此基础上，他解释了不久前由他提出的黑体辐射公式.1905年，爱因斯坦前量子论推广到整个辐射场，并用以解释光电效应等问题，并产生了初步的波粒二象性思想.1923年，德布罗意将波粒二象性的概念推广到电子等实物粒子.到了1925年，海森伯等人通过将经典的力学量对应为算符，建立了量子力学.1926年初，薛定谔就建立了粒子的非相对论性波动方程.而到了1927年，电子的波动性更是得到了实验证实.

量子力学创立后，狄拉克提出了相对论性的波动方程，试图将两大体系融合，却存在许多明显的不足.后来人们创立了量子场论,只是至今也没能提出有限的量子引力理论.

三、关于物理学研究领域结构与动态的一些结论

物理学理论要走向统一，要面向更复杂、更极端的现象.但是，我们现今的技术尚不足以达到相应的能标.从物理学史，以及高能物理的前沿领域来看，理论物理学研究领域的结构与动态有以下几个特点：

1.物理概念和图像与经典理论有极大不同.

2.物理学理论逐渐普遍化，并面向了复杂、极端的现象.

3.实验越来越难以达到验证理论的能标，我们对一些领域缺乏认识.

4.一些领域对数学的要求日渐提高.

四、关于狭义相对论的一个小例子

那么，有没有什么例子是由量子力学与相对论共同解释的呢？也就是说，二者做为现代物理学的基础，有什么联系呢？抛开过于深奥的量子场论不谈，让我们回过头来看看光电效应.

光电效应是指在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流.当然，今天我们已经认识到了光的波粒二象性；也由于量子场论的建立，我们把它看作电磁力的媒介子.但是要知道，当时的人可不知道这些.光在当时被认为是纯粹的波动现象，这得到了经典光学实验的支持.但是，光电效应却无法用波动说来解释.光电效应有几个有意思的特点：一是只有超过一定频率的电磁波照射才能产生光电流；二是不增加电磁波频率的情况下，无论怎样增加电磁波强度，都不能产生更强的电流.有没有联想到什么？很像经典粒子的碰撞对吧？当年爱因斯坦也是这么想的.

普朗克提出量子论，以解释黑体辐射.但他只在辐射发出和吸收时使用了这一假设.而到了1905年，爱因斯坦将量子论推广到整个辐射场，组成辐射的光子就像经典的理想气体一样，组成一团“光子气”，光子能量当然满足普朗克当年的方程：E=hv′

其中h是普朗克常量，v是光子频率，而E则是相应的光子能量.现在，我们考虑相对论能量E=mc2，它与动量之间的关系是E=p/c，由此我们得：P=E/c=hv/c=h/λ

其中λ为光子的波长.现在我们知道了光子的能量和动量，可以着手解决光电效应问题了.设产生光电流的最小频率为v0，这是物体的一个特征频率，只与自身的性质有关.由此，有逸出功W=hv0，那光子能量须不低于逸出功才能产生光电流.因此有方程：E=hv-w=h(v-v0)

这就解释了光电效应.后来在康普顿散射现象中发现，散射前后光子的波长发生改变，进一步证明了光的波粒二象性.有方程：λ′=λ+λc(1-cosθ)

式中，λ是入射波长；λ′是散射波长；θ是散射角，且λc=h/mc.λc叫所谓的(质量m)靶粒子康普顿波长.这就是量子论建立之初，人们探索波粒二象性的一些努力.其中，相对论的能量—动量关为解决问题提供了极大帮助.

大胆假设，小心求证，用数学方法严格描述，并结合其他理论，这就是物理学前沿领域的风采.

[1]黄志洵，姜荣．波科学理论的改进[J]．中国传媒大学学报(自然科学版)，2016(12)．

[2]吴新忠.爱因斯坦与量子力学解释[J].自然辩证法通讯，2017(5).

G632

A

1008-0333(2017)31-0069-02

2017-07-01

侯家昊(2000.11-),男,山东省济南市人,济南中学高三学生.

闫久毅]