理論物理學研究領域的結構和動態

侯家昊

(山東省濟南第三中學 250100)

理論物理學研究領域的結構和動態

侯家昊

(山東省濟南第三中學 250100)

本文從物理學發展史出發，結合一些具體的物理學理論，以相對論和量子力學這兩大現代物理的基本理論為例，闡明了物理學家如何構建物理學的經典理論.進一步地，通過對物理學前沿領域的一些簡單介紹，來研究當今物理學理論的結構和動態.

理論物理；相對論；量子力學；結構與動態

本文通過對相對論和量子力學兩大理論的分析，希望由此得知物理學家是怎樣構建物理學理論的；通過對高能物理領域的簡單考察，了解物理學前沿的特點和困難.最后，希望本文對理論物理學的機構與動態能得到一些有益的結論.

一、物理學的幾個重要特點

牛頓在《自然哲學之數學原理》中提出的四個“哲學中的推理規則”可謂是早起物理學研究的基本規范，在這里我們回放一下：

規則Ⅰ：尋求自然事物的原因，不得超出真實和足以解釋其現象者.

規則Ⅱ：因此對于相同的自然現象，必須盡可能地尋求相同的原因.

規則Ⅲ：物體的特性，若其程度既不能增加也不能減少，且在試驗所及范圍內為所有物體所共有，則應視為一切物體的普遍屬性.

規則Ⅳ：在實驗哲學中，我們必須將由現象所歸納出的命題視為完全正確的或基本正確的，直到出現了其他的或可排除這些命題、或可使之變得更加精確的現象之時.

結合后來物理學的發展情況，我們總結了以下幾個重要結論：

(1)物理學是一門實驗科學，必須尊重觀察和實驗的結論.

(2)理論不僅要能解釋舊理論已經很好解釋了的現象，還要能解釋舊理論不能解釋的現象；更進一步地，要提出預言，并為實驗所驗證.

(3)物理學是一門定量科學，理論要盡可能以數學方法準確描述現象.

(4)同等效力的理論，我們選擇最簡潔的那個.

(5)理論應盡可能具有普遍性，能解釋更多的現象，甚至一些極端情況下依然適用.

二、理論的構建

現代理論物理學前沿領域，將不可避免地要面對更復雜、更極端的對象，基本理論也在走向統一.那么，物理學家是怎樣構建理論的呢？讓我們從經典光學講起.

1.經典光學理論的成就和困難

十七世紀，幾何光學的一些基本原理已經建立，并發現了光譜等重要現象.牛頓提出了光的微粒說，但在解釋牛頓環等現象時卻遇到了困難.惠更斯創立了波動說，菲涅爾進一步假設光是橫波，還解釋了偏拆現象.但是，這一理論在“以太”的問題上遇到了困難.轉機出現在電磁學理論的發展中.由麥克斯韋方程組可以得到波動解，后來，由實驗證實光是電磁波.但是在這一理論中依然要假設具有位移電流和電磁場的連續介質以太.人們計算發現，在折射率接近的空氣中，應該能夠出現“以太風”.然而邁克爾遜——莫雷實驗發現，并不存在這種“以太風”.這樣，波動說的基礎“以太”就自相矛盾.

光的微粒說和波動說的爭論，以及以太的性質問題，在這些困難被克服的過程中，誕生了相對論和量子力學.

2.相對論和量子力學的建立和發展

1900年，普朗克假設黑體輻射的能量是以量子化形式發出和吸收的，并與輻射頻率有關.在此基礎上，他解釋了不久前由他提出的黑體輻射公式.1905年，愛因斯坦前量子論推廣到整個輻射場，并用以解釋光電效應等問題，并產生了初步的波粒二象性思想.1923年，德布羅意將波粒二象性的概念推廣到電子等實物粒子.到了1925年，海森伯等人通過將經典的力學量對應為算符，建立了量子力學.1926年初，薛定諤就建立了粒子的非相對論性波動方程.而到了1927年，電子的波動性更是得到了實驗證實.

量子力學創立后，狄拉克提出了相對論性的波動方程，試圖將兩大體系融合，卻存在許多明顯的不足.后來人們創立了量子場論,只是至今也沒能提出有限的量子引力理論.

三、關于物理學研究領域結構與動態的一些結論

物理學理論要走向統一，要面向更復雜、更極端的現象.但是，我們現今的技術尚不足以達到相應的能標.從物理學史，以及高能物理的前沿領域來看，理論物理學研究領域的結構與動態有以下幾個特點：

1.物理概念和圖像與經典理論有極大不同.

2.物理學理論逐漸普遍化，并面向了復雜、極端的現象.

3.實驗越來越難以達到驗證理論的能標，我們對一些領域缺乏認識.

4.一些領域對數學的要求日漸提高.

四、關于狹義相對論的一個小例子

那么，有沒有什么例子是由量子力學與相對論共同解釋的呢？也就是說，二者做為現代物理學的基礎，有什么聯系呢？拋開過于深奧的量子場論不談，讓我們回過頭來看看光電效應.

光電效應是指在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流.當然，今天我們已經認識到了光的波粒二象性；也由于量子場論的建立，我們把它看作電磁力的媒介子.但是要知道，當時的人可不知道這些.光在當時被認為是純粹的波動現象，這得到了經典光學實驗的支持.但是，光電效應卻無法用波動說來解釋.光電效應有幾個有意思的特點：一是只有超過一定頻率的電磁波照射才能產生光電流；二是不增加電磁波頻率的情況下，無論怎樣增加電磁波強度，都不能產生更強的電流.有沒有聯想到什么？很像經典粒子的碰撞對吧？當年愛因斯坦也是這么想的.

普朗克提出量子論，以解釋黑體輻射.但他只在輻射發出和吸收時使用了這一假設.而到了1905年，愛因斯坦將量子論推廣到整個輻射場，組成輻射的光子就像經典的理想氣體一樣，組成一團“光子氣”，光子能量當然滿足普朗克當年的方程：E=hv′

其中h是普朗克常量，v是光子頻率，而E則是相應的光子能量.現在，我們考慮相對論能量E=mc2，它與動量之間的關系是E=p/c，由此我們得：P=E/c=hv/c=h/λ

其中λ為光子的波長.現在我們知道了光子的能量和動量，可以著手解決光電效應問題了.設產生光電流的最小頻率為v0，這是物體的一個特征頻率，只與自身的性質有關.由此，有逸出功W=hv0，那光子能量須不低于逸出功才能產生光電流.因此有方程：E=hv-w=h(v-v0)

這就解釋了光電效應.后來在康普頓散射現象中發現，散射前后光子的波長發生改變，進一步證明了光的波粒二象性.有方程：λ′=λ+λc(1-cosθ)

式中，λ是入射波長；λ′是散射波長；θ是散射角，且λc=h/mc.λc叫所謂的(質量m)靶粒子康普頓波長.這就是量子論建立之初，人們探索波粒二象性的一些努力.其中，相對論的能量—動量關為解決問題提供了極大幫助.

大膽假設，小心求證，用數學方法嚴格描述，并結合其他理論，這就是物理學前沿領域的風采.

[1]黃志洵，姜榮．波科學理論的改進[J]．中國傳媒大學學報(自然科學版)，2016(12)．

[2]吳新忠.愛因斯坦與量子力學解釋[J].自然辯證法通訊，2017(5).

G632

A

1008-0333(2017)31-0069-02

2017-07-01

侯家昊(2000.11-),男,山東省濟南市人,濟南中學高三學生.

閆久毅]