軟物質(zhì)物理學導論

●伽利略·伽利雷（1564~1642），人類現(xiàn)代物理學的創(chuàng)始人，奠定了人類現(xiàn)代物理科學的發(fā)展基礎(chǔ)。

● 1900~1926年 建立了量子力學。

● 1926年 建立了費米-狄拉克統(tǒng)計。

● 1927年 建立了布洛赫波的理論。

● 1928年 索末菲提出能帶的猜想。

● 1929年 派爾斯提出禁帶、空穴的概念，同年貝特提出了費米面的概念。

● 1947年 貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊發(fā)明了晶體管，標志著信息時代的開始。

● 1957年 皮帕得測量了第一個費米面超晶格材料納米材料光子。

● 1958年 杰克·基爾比發(fā)明了集成電路。

● 20世紀70年代出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路。

物理與物理技術(shù)的關(guān)系：

● 熱機的發(fā)明和使用，提供了第一種模式：技術(shù) —— 物理 —— 技術(shù)

● 電氣化的進程，提供了第二種模式：物理 —— 技術(shù) —— 物理

當今物理學和科學技術(shù)的關(guān)系兩種模式并存，相互交叉，相互促進?！皼]有昨日的基礎(chǔ)科學，就沒有今日的技術(shù)革命”。例如：核能的利用、激光器的產(chǎn)生、層析成像技術(shù)（CT）、超導電子技術(shù)、粒子散射實驗、X 射線的發(fā)現(xiàn)、受激輻射理論、低溫超導微觀理論、電子計算機的誕生。幾乎所有的重大新（高）技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立，事先都在物理學中經(jīng)過長期的醞釀。

物理學基本性質(zhì)

物理學是人們對自然界中物質(zhì)的運動和轉(zhuǎn)變的知識做出規(guī)律性的總結(jié)，這種運動和轉(zhuǎn)變應(yīng)有兩種。一是早期人們通過感官視覺的延伸；二是近代人們通過發(fā)明創(chuàng)造供觀察測量用的科學儀器，實驗得出的結(jié)果，間接認識物質(zhì)內(nèi)部組成建立在的基礎(chǔ)上。物理學從研究角度及觀點不同，可大致分為微觀與宏觀兩部分：宏觀物理學不分析微粒群中的單個作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經(jīng)出現(xiàn)的；微觀物理學的誕生，起源于宏觀物理學無法很好地解釋黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等新的實驗現(xiàn)象。它是宏觀物理學的一個修正，并隨著實驗技術(shù)與理論物理的發(fā)展而逐漸完善。

其次，物理又是一種智能。

誠如諾貝爾物理學獎得主、德國科學家玻恩所言：“如其說是因為我發(fā)表的工作里包含了一個自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說是因為那里包含了一個關(guān)于自然現(xiàn)象的科學思想方法基礎(chǔ)?！蔽锢韺W之所以被人們公認為一門重要的科學，不僅僅在于它對客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示，還因為它在發(fā)展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此，使得物理學當之無愧地成了人類智能的結(jié)晶，文明的瑰寶。

大量事實表明，物理思想與方法不僅對物理學本身有價值，而且對整個自然科學，乃至社會科學的發(fā)展都有著重要的貢獻。有人統(tǒng)計過，自20世紀中葉以來，在諾貝爾化學獎、生物及醫(yī)學獎，甚至經(jīng)濟學獎的獲獎?wù)咧校幸话胍陨系娜司哂形锢韺W的背景——這意味著他們從物理學中汲取了智能，轉(zhuǎn)而在非物理領(lǐng)域里獲得了成功。反過來，卻從未發(fā)現(xiàn)有非物理專業(yè)出身的科學家問鼎諾貝爾物理學獎的事例。這就是物理智能的力量。難怪國外有專家十分尖銳地指出：沒有物理修養(yǎng)的民族是愚蠢的民族！

總之，物理學是對自然界概括規(guī)律性的總結(jié)，是概括經(jīng)驗科學性的理論認識。

物理學六大性質(zhì)

1. 真理性：物理學的理論和實驗揭示了自然界的奧秘，反映出物質(zhì)運動的客觀規(guī)律。

2. 和諧統(tǒng)一性：神秘的太空中天體的運動，在開普勒三定律的描繪下，顯出多么的和諧有序。物理學上的幾次大統(tǒng)一，也顯示出美的感覺。牛頓用三大定律和萬有引力定律把天上和地上所有宏觀物體統(tǒng)一了。麥克斯韋電磁理論的建立，又使電和磁實現(xiàn)了統(tǒng)一。愛因斯坦質(zhì)能方程又把質(zhì)量和能量建立了統(tǒng)一。光的波粒二象性理論把粒子性、波動性實現(xiàn)了統(tǒng)一。愛因斯坦的相對論又把時間、空間統(tǒng)一了。

3. 簡潔性：物理規(guī)律的數(shù)學語言，體現(xiàn)了物理的簡潔特性。例如：牛頓第二定律、愛因斯坦的質(zhì)能方程、法拉第電磁感應(yīng)定律。

4. 對稱性：對稱一般指物體形狀的對稱性，深層次的對稱表現(xiàn)為事物發(fā)展變化或客觀規(guī)律的對稱性。例如：物理學中各種晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)具有高度的對稱性。豎直上拋運動、簡諧運動、波動鏡像對稱、磁電對稱、作用力與反作用力對稱、正粒子和反粒子、正物質(zhì)和反物質(zhì)、正電和負電等。

5. 預(yù)測性：正確的物理理論，不僅能解釋當時已發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象，更能預(yù)測當時無法探測到的物理現(xiàn)象。例如：麥克斯韋電磁理論預(yù)測電磁波存在、盧瑟福預(yù)言中子的存在、菲涅爾的衍射理論預(yù)言圓盤衍射中央有泊松亮斑、狄拉克預(yù)言電子的存在。

6. 精巧性：物理實驗具有精巧性。設(shè)計方法的巧妙，使得物理現(xiàn)象更加明顯。

物理學是一門自然科學，注重于研究物質(zhì)、能量、空間、時間，尤其是它們各自的性質(zhì)與彼此之間的相互關(guān)系。物理學是關(guān)于大自然規(guī)律的知識；更廣義地說，物理學探索并分析大自然所發(fā)生的現(xiàn)象，以了解其規(guī)則。

物理學（physics）的研究對象：物理現(xiàn)象、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用、物質(zhì)運動規(guī)律。

物理學研究的尺度——物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級

空間尺度：

原子、原子核、基本粒子、DNA長度、最小的細胞、星系團、銀河系、恒星的距離、太陽系、超星系團，哈勃半徑等。人蛇吞尾圖形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次。

微觀粒子（microscopic）：質(zhì)子

介觀物質(zhì)（mesoscopic）

宏觀物質(zhì)（macroscopic）

宇觀物質(zhì)（cosmological）類星體

時間尺度：

基本粒子壽命 10^-25s

宇宙壽命 10¹⁸s

按空間尺度劃分：量子力學、經(jīng)典物理學、宇宙物理學。

按速率大小劃分： 相對論物理學、非相對論物理學。

按客體大小劃分：微觀、介觀、宏觀、宇觀。

按運動速度劃分：低速、中速、高速。

按研究方法劃分：實驗物理學、理論物理學、計算物理學。