物理学的现代进展

高崇寿

(北京大学物理学院，北京　100871)

特约稿件

物理学的现代进展

高崇寿

(北京大学物理学院，北京100871)

摘要文章阐述了物理学是整个自然科学的基础，是高等理科教育中的重要组成部分，着重说明了20世纪以来物理学在探索物质微观结构基本规律方面所取得的重大突破性进展：一是强子结构理论的确立，另一是电磁相互作用和弱相互作用统一理论的成功.文章内容包括粒子物理学的近代发展，波粒二相性和其运动状态的描述，以及粒子之间的基本相互作用等；此外，文章配合2015国际光年，特别阐述光学是物理学中最早探知微观粒子波粒二相性的部分.

关键词自然科学的基础；波粒二相性；微观粒子；电弱统一理论；标准模型；Higgs 粒子；电磁波；可见光

THE MODERN PROGRESS OF PHYSICS

Gao Chongshou

(College of Physics, Peking University, Beijing 100871)

AbstractThis paper explains that physics is the foundation of the whole natural science and an important part of the higher education of science, with emphasis on the major breakthroughs in exploring the basic laws of material microstructure since the 20th century. One of the breakthroughs is the establishment of hadron structure theory, the other is the success of unified theory of electromagnetic interaction and the weak interaction. This paper describes the modern development of particle physics, the wave-particle duality and a description of its motion state, the basic interaction between particles, and etc. in detail. Furthermore, in occasion of the 2015 international light year, this article especially explains that optics is the earliest part of physics for the discovery of wave-particle duality of microscopic particles.

Key wordsbase of natural science; wave-particle duality; microscopic particle; electro-weak unified theory; the standard model; Higgs particle; electromagnetic wave; visible light

1物理学是整个自然科学的基础

物理学是整个自然科学的基础，是高等理科教育中的重要组成部分.基础物理课是理科各学科的重要基础课，是培养和提高学生科学素质、科学思维方法和科学研究能力的重要基础课程.基础物理课教学要使学生系统地了解和掌握物理学的基本知识、基本概念、基本规律和基本方法；因此基础物理课的主线应该是物理学，并且不应该只是物理学的许多具体知识的堆积，而应该系统地完整地介绍物理学的基本规律和基本方法，提高学生的物理学科学素质.基础物理课的内容是系统介绍物理学的最基本的部分.基础物理课的内容不仅要包含经典物理学的基本内容，而且也要包含理论物理学和近代物理学的重要基本部分.在物理课程中要系统地讲授物理学的知识和规律本身，“物理还是物理”；但是物理课程的内容不应该贪大求全，变成物理学的“百科全书”.物理学课程应该“以物理学知识为基础，以物理学规律为线索，以提高物理学科学素质为核心”.物理学的科学素质反映在“探索、研究、创新”的能力上.这是物理学科学素质的特点和优势.

物理学是在人类探索自然的奥秘中形成的学科，物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物质的性质、物质的运动规律、物质之间如何相互作用、相互转化以及各种物质形态内部结构的基本规律.

作为自然科学的基础，作为研究物质结构和运动的基本规律的物理学，总是生机勃勃，不断地开辟自己前进的道路的.在 20 世纪，物理学的基本概念和技术已被应用到所有的自然科学领域.物理学与其他自然科学学科之间的边缘领域，一定意义上是当代自然科学中最富于获得丰硕成果的机遇的领域.21 世纪物理学毫无疑问仍是技术进步的主要源泉.20 世纪物理学的发展显示：物理学是自然科学的基础；物理学是现代高、新技术的基础.

早期物理学有几个部分：力学、热学、电磁学、声学、光学等.随着科学的发展，近代物理学中不断地生长和发展出新的分支学科，如理论物理学、粒子物理学、原子核物理学、原子和分子物理学、天体物理学、凝聚态物理学、光物理学、激光物理学、非线性光学、低温物理学、磁性物理学、金属物理学、半导体物理学、材料物理学、表面物理学、介观物理学、电真空物理学、电子物理学、无线电物理学、固体微电子学、等离子体物理学、声学、固态物理学、液态物理学、高压物理学、非线性物理学、计算物理学等.近几十年来，物理学的各分支学科有着突飞猛进的迅速发展，对物理现象和物理学规律的探索研究不断取得新的进展，丰富了人们对物质世界物理运动基本规律的认识和掌握，促进了许多和物理学紧密相关的交叉学科和技术学科的发展.

2粒子的波粒二相性和运动状态的描述

任何物体都是由微粒集合组成，任何微粒在空间中总存在于某一确定的位置，因此微粒的运动状态由微粒在空间的位置的运动来描写.换句话说，微粒的运动状态完全地由x(t),y(t),z(t) 来描写.

如果微粒运动的x(t),y(t),z(t) 已知，就知道在任何时间微粒运动的位置，还知道微粒运动的速度vx(t),vy(t),vz(t)，动量px=mvx(t),py=mvy(t),pz=mvz(t)，动能等全部运动性质.

运动的基本规律是牛顿第二定律，它给出微粒的运动状态在外力作用下的演化规律.由微粒集合组成的物体运动的基本规律也是牛顿第二定律：

(1)

微观粒子普遍具有的共同特性是波粒二相性.粒子不简单是一个微粒，同时它还显现出有波动性.按照微粒性，一个粒子应该位于空间中的某个确定的位置，但微观粒子波动性的表现之一是任何时刻一个粒子在空间中不同位置都有一定的概率存在.

因此一个粒子的运动状态不能简单地用这个粒子的空间位置来描写，需要用能描写粒子的波粒二相性的波函数ψ(x,y,z,t) 来描写.一个粒子在波函数ψ(x,y,z,t) 描写的运动状态下在空间 (x,y,z) 点存在的概率密度为 |ψ(x,y,z,t)|2.

运动的基本规律是薛定谔方程，它给出微观粒子的运动状态在外力作用下的演化规律:

(2)

宏观物体受的外力是各式各样的，非常复杂;但是探究其来源，只有万有引力和电磁相互作用这两种.观察到的各式各样的复杂的力都是这两种力的复杂的综合的表现.

万有引力：

(3)

库仑定律：

(4)

带电粒子所受电磁力：

(5)

微观粒子运动状态的变化与微观粒子所受的“外力”有关；但“力”是宏观物理学中采用的观念，是物体之间的相互作用的形象化的描述.按照牛顿第二定律，微粒运动状态的变化直接由“外力”所决定.

但是微观粒子具有波粒二相性，微观粒子相互作用的基本形式是粒子的转化.宏观物理学中所说的“力”实际是大量微观相互作用过程的合效果.

一个粒子如果带有电荷，它就具有放出和吸收光子的能力.带电粒子不断地放出和吸收光子，就使带电粒子的周围经常存在“虚光子”，表现为带电粒子周围形成电场.

如果在附近再有一个带电粒子，它也会不断地放出和吸收光子.它放出的光子也可能被另一个粒子吸收，同时，它也能吸收另一个带电粒子放出的光子.这种两个带电粒子之间不断交换光子的过程就是这两个带电粒子之间的库仑相互作用过程.

带电粒子的原始电磁相互作用过程是放出和吸收光子，两个带电粒子之间的基本电磁相互作用过程是交换光子.

可以用图1和图2描述这两个电磁相互作用过程.

图1 带电粒子周围的电场图2 两个带电粒子的库仑力

电磁相互作用的基本形式是带电粒子放出和吸收光子，光子是电磁相互作用的媒介粒子.

微观粒子参与的各种相互作用都表现为放出、吸收以及交换该种相互作用的媒介粒子.各种相互作用都有相应的媒介粒子，电磁相互作用只有一种媒介粒子——光子；其他的相互作用可以有多种媒介粒子，这和相互作用的性质类型有关.

微观粒子的运动状态的演化决定于微观粒子所参与的相互作用;因此研究微观物质运动的基本规律的基本问题是确定微观物质世界由哪些粒子组成，它们参与的相互作用有哪些.

人类在探索自然奥秘的过程中，一个重要的基本问题是探索物质微观结构的基本规律.

在19世纪，物性学和物理化学就成为当时人类探索物质微观结构规律的前沿学科.20世纪以来，物理学在探索物质微观结构基本规律方面不断地取得进展.

20世纪初，研究原子的相互作用和原子的内部结构，产生了原子物理学.

从20世纪初到20世纪30年代，探索物质微观结构的前沿学科是原子物理学；20世纪30年代到20世纪40年代是原子核物理学；20世纪50年代到现在是粒子物理学.

3粒子物理学的发展

粒子物理学是研究场和粒子的性质、运动、相互作用、相互转化规律的学科，是研究粒子内部结构规律的学科.

20 世纪初在研究原子结构规律时，就已经认识了最初的几个基本粒子——质子、电子、光子.这3种粒子都是稳定的粒子，质子带单位正电荷，电子带单位负电荷，光子不带电，质子和电子有放出和吸收光子的能力，它们通过电磁相互作用互相联系起来.

当时实验上还显示不出它们的体积大小，看不到它们有内部结构，可以认为是“点”粒子.

人们认为这些粒子是物质结构的最小的单元，把它们统称为基本粒子.

质子和电子之间既有电磁相互作用，又有引力相互作用；但质子和电子之间的引力相互作用比电磁相互作用要弱得多，其比值为 4.40676×10-40.

英国天文学家和理论物理学家爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)曾认为基本粒子就是质子、电子、光子3种，而宇宙就是由总数约 1079个质子和电子构成，是一个有限无边的正在膨胀的宇宙.

从这种理论出发，也就提出了一系列需要研究解答的基本问题：

为什么电荷有最小单位？

为什么电荷最小单位所决定的精细结构常数值约为 1/137.036？

为什么正电荷的最小单位比负电荷的最小单位质量重 1836.15 倍？

为什么宏观上正负电是对称的，但正负电荷的最小单元质子和电子又非常不对称？

3.1　狄拉克的理论和正电子的发现

1928 年英国物理学家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程：

(6)

式中，p是电子的动量.p= 0 给出正能的最低值和负能的最高值.这两个能级之间的能量差为 2mc2.

利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好.

利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质，这些结果都与实验符合得很好.

这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性量子力学方程.

既然实验已充分验证了狄拉克方程的正确，人们自然期望利用狄拉克方程预言新的物理现象.按照狄拉克方程给出的结果，电子除了有能量取正值的状态外，还有能量取负值的状态，并且所有正能状态和负能状态的分布对能量为零的点是完全对称的，见图3.

图3　电子的正能状态与负能状态的对称性示意

自由电子最低的正能态是一个静止电子的状态，其能量值是一个电子的静止能量，其他的正能态的能量比一个电子的静止能量要高，并且可以连续地增加到无穷.

与此同时，自由电子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的负值，其他的负能态的能量比这个能量要低，并且可以连续地降低到负无穷.

这个结果表明：如果有一个电子处于某个正能状态，则任意小的外来扰动都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出能量.

同时由于负能状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱，这个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断地继续下去，这样任何一个电子都可以不断地释放能量，成为永动机，这是完全不合理的.

针对这个矛盾，1930 年狄拉克提出一个理论，被称为空穴理论，示意图见图4.这个理论认为由于电子是费米子，满足泡利不相容原理，每一个状态最多只能容纳一个电子.物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子，同时正能态中没有电子的状态.

图4　狄拉克的空穴理论示意

因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态.也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量，也就是说不能输出任何信号，这正是真空所具有的物理性质.

因此真空并不是真正的“空”，不是真正的一无所有.真空中充满了处于负能态的电子，但这些电子并不会直接给出显示其存在的直接的信号.

按照这个理论，如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去，需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量.这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴.这个正能状态的电子带电荷-e，所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量.

按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求，这个负能状态的空穴应该表现为一个带电荷为 +e的粒子，这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量. 这个粒子的运动行为是一个带正电荷的“电子”，即正电子. 狄拉克的理论预言了正电子的存在.

1932 年美国物理学家安德森(Carl David Anderson)在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子，从而发现了正电子，狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实. 正电子的发现表明对于电子来说，正负电荷还是具有对称性的. 狄拉克的空穴理论给出了反粒子的概念，正电子是电子的反粒子.

3.2　反粒子

这样自然提出了一个新问题：究竟反粒子的存在是电子所特有的性质，还是所有的粒子都具有的普遍的性质. 如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先的检验是应该存在质子的反粒子、中子的反粒子.

这个问题在 24 年之后解决了，1956 年美国物理学家张伯伦(Owen Chamberlain)等在加速器的实验中发现了反质子，即质量与质子相同，自旋量子数也是 1/2，带一个单位负电荷的粒子.接着又发现了反中子.

后来发现，各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是普遍的.有些粒子的反粒子就是它自己，这种粒子称为纯中性粒子.光子就是一种纯中性粒子，光子的反粒子就是光子自己.

在粒子物理学中，已不再采用狄拉克的空穴理论来认识正反粒子之间的关系，而是从正反粒子完全对称的场论观点来认识. 一切粒子都有与之相应的反粒子，这个普遍结论被几十年的粒子物理的发展不断印证. “反粒子”已成为粒子物理学中一个重要的基本概念，并且其本身的含义也在不断地发展和充实.

3.3　汤川的介子场理论

1935 年日本科学家汤川秀树提出了核力的介子场理论.按照汤川理论，正如带电粒子之间的电磁相互作用是通过交换静止质量为零的光子来实现的一样，质子和中子之间、质子和质子之间以及中子和中子之间的核力相互作用都是通过交换一种有静止质量的媒介粒子来实现的.

媒介粒子有静止质量决定了这种相互作用是短程的，也就是说，当距离超过某一称为“力程”的长度时，相互作用的强度就迅速减少到可以忽略的地步. 决定质子、中子放出和吸收媒介粒子能力的耦合常数很大，这就决定了在近距离时这种核力远比电磁相互作用要强.至少要强 10 倍以上.

媒介粒子的静止质量m和核力相互作用的力程L满足如下的关系：

(7)

根据实验观察到的核力力程的数量级约为 1.3～1.9飞米，估计出这种媒介粒子的静止质量应该约是电子的 200～300 倍，介于电子和质子之间. 汤川把这种媒介粒子称为介子.

3.4　π介子

1947 年英国物理学家鲍威尔(Cecil Frank Powell)在宇宙线实验中发现了一种质量约为电子质量 273 倍的带正或负单位电荷的粒子，它与原子核之间有很强的相互作用，称为π介子.

π介子是不稳定粒子，平均寿命是 26.033ns，也就是一亿分之 2.6033s.π 介子衰变时，绝大多数转化为一个μ 子和一个中微子或一个反中微子；有一万分之 1.230 的 π 介子衰变时转化为一个电子和一个中微子或一个反中微子.

π 介子是汤川理论所预言的粒子，汤川理论经过 12 年得到了实验的证实.

1949 年汤川秀树获诺贝尔物理学奖.1950 年鲍威尔获诺贝尔物理学奖.1950 年发现中性的 π 介子，比带电 π 介子质量轻一些，平均寿命是一亿亿分之 0.852s. 中性的π介子的平均寿命是带电π介子的平均寿命的一亿分之 0.33. 中性的π介子衰变时，98.623%转化为 两个光子；有1.174%的中性π介子衰变时转化为一个电子、一个正电子和一个光子.

3.5　20世纪60年代的两大突破性进展

粒子物理学是20世纪40年代开始从原子核物理学中分出来的，前期的发展大体上到20世纪50年代.

粒子物理学在20世纪60年代取得了两个重大的突破性进展. 一个重大的突破性进展是强子结构理论的确立.

20世纪60年代以前，粒子物理学中并没有得到显示粒子有内部结构的直接实验证据，理论上对粒子的处理是把粒子看作一个“点”来处理的，并且取得很大的成功. 这样粒子物理学在当时研究的主要是场和粒子的性质、运动、相互作用、相互转化规律.

20世纪60年代中，高能物理实验的进展给出了能够直接参与强相互作用的粒子即强子是有内部结构的直接证据；理论上建立了强子结构理论，并且得到实验的验证.

在已发现的粒子中有一类粒子，统称为强子——可以直接参与强相互作用的粒子统称为强子，它们又按自旋量子数和重子数分为两类：

介子：自旋量子数为 0, 1, 2, 3, …，重子数为零的强子.

重子：自旋量子数为 0, 1, 2, 3, …+1/2，重子数为 1 或-1 的强子.

到 2004 年 1 月已发现粒子中介子共173 种.重子数为 1 的 145 种重子和它们的反粒子(重子数为-1，通常称为反重子)共 290 种.

现在已经发现的粒子总数为 479 种，其中 463 是强子，占了其中的绝大多数.

在对大量强子及其运动性质分析的基础上，1964 年美国物理学家盖耳曼(Murray Gell-Mann)和兹韦格(George Zweig)相互独立地提出了强子的结构模型，认为所有的强子都是由更深层次的粒子所组成.现在称这个强子的结构理论为夸克模型.

很快地强子的结构理论得到了高能物理实验的充分验证和确立.

另一个重大的突破性进展是电磁相互作用和弱相互作用统一理论的成功.

在物理学的发展过程中，一直在探讨从实验的研究中认识的各种相互作用之间的联系，是否可以把它们统一起来.

在这个方向上的第一次突破是在经典物理范围内实现的，把电相互作用和磁相互作用统一起来成为电磁相互作用.

微观粒子之间存在着4种相互作用，这4种相互作用之间存在什么联系，它们是否可以从更深刻的角度统一起来，一直是粒子物理学家关心的问题.

爱因斯坦在建立广义相对论后，花了很长的时间致力于统一场论的研究，他希望能建立一个把电磁相互作用和引力相互作用统一起来的理论.

然而，他的这个研究并没能取得成功，归根结底，是因为物理学的发展在当时条件下还不成熟.当时人们对电磁相互作用和引力相互作用的宏观规律已经认识得相当清楚，但是对于弱相互作用和强相互作用这两种只在微观范围内才明显显现出来的短程相互作用的规律还认识得很少. 因此，在当时的条件下，爱因斯坦只能在电磁相互作用和引力相互作用的基础上探索相互作用的统一理论.

粒子物理学30多年来的发展表明，首先成功地统一起来的是弱相互作用和电磁相互作用.

1961年，格拉肖(Glashow)提出了一个电弱统一模型，1967 年和 1968 年温伯格(Weinberg)和萨拉姆(Salam)把这个理论建立在规范场理论的基础上，并引入对称性自发破缺的机理，使这个理论发展完善.

1971 年和 1972 年特霍夫(’t Hooft)和威特曼(Veltman)等人证明了这个理论是可重正化的，从而使这个理论完善了.

格拉肖、温伯格和萨拉姆提出的电弱统一理论认为：弱相互作用和电磁相互作用本来属于具有同一种对称性的统一的相互作用，这种相互作用通过传递4种体现这种对称性的粒子来实现. 在能量较低的范围，这种对称性自发地破缺了，统一的电弱相互作用分解成为现在所观察到的电磁相互作用和弱相互作用.后来，从20世纪70 年代到 80 年代，电弱统一理论得到实验的判定性检验.经过多年的实验和理论的研究证明，电弱统一理论取得了极大的成功.

1979 年格拉肖、温伯格和萨拉姆被授予诺贝尔物理学奖.1999 年特霍夫和威特曼被授予诺贝尔物理学奖.

20世纪60年代中实现了第二次突破，实现了把电磁相互作用和弱相互作用统一起来成为电弱相互作用.

由于电磁相互作用和弱相互作用的强度不同，力程不同，实验行为不同，把它们统一起来所遇到的困难和问题要比把电相互作用和磁相互作用统一起来成为电磁相互作用复杂得多.

这两个重大的突破性进展标志着粒子物理学的发展成熟.

4构成物质世界的微观粒子

人们一直在探索物质世界微观结构的基本规律和相互作用的基本规律.粒子物理是这个领域的前沿.

从20世纪60 年代到 90 年代实验和理论的重大进展是确立了粒子物理的标准模型. 标准模型概括了以下的内容：

物质世界是由 61 种(或 62 种)粒子构成.

(1) 规范玻色子: 表1简要给出相互作用的媒介粒子.

表1　相互作用的媒介粒子

如果物质之间普遍存在的引力相互作用也是通过交换媒介粒子来实现的，则自然界应该存在引力相互作用的媒介粒子——引力子.

(2) 费米子: 自旋为1/2 的粒子.

费米子又分为轻子和夸克两类，见表2.

表2　费米子

3代共 24 种，加上反粒子 24 种，共 48 种.

(3) Higgs 粒子： 自旋为零的粒子，不带电，共 1 种.

这 62 种粒子中，能独立存活的粒子共 10 种. 这 10 种粒子是电子 e-，3种中微子 νe、 νμ、ντ和这 4 种粒子的反粒子，再加上光子 γ 和引力子.

电子和正电子的质量大于零，中微子和反中微子的质量可能为零也有可能不等于零但质量很小.光子和引力子的质量为零.

复合粒子中，能独立存活的粒子共 2 种：质子和反质子.

到 2012 年，这 62 种粒子中，实验上还没得到存在的直接证据的粒子有 2 种：

Higgs 粒子:m> 115.5GeV,CL= 95%

引力子：作用太弱，不能直接观测.

唯一的应能找到还未找到的粒子——Higgs 粒子.

从高能物理的实验给出: Higgs 粒子的质量有 95 % 的概率是重于 115.5 GeV/c2，即重于 123 个质子的质量.

5粒子之间的基本相互作用

粒子之间的基本相互作用有 4 种

(1) 色相互作用： 媒介粒子为胶子 g. 短程，耦合常数为色荷, αs有普适性.

(2) 电弱相互作用： 媒介粒子为 γ,W+, W-, Z0能量低于 250GeV 时分解为性质和行为很不相同的两种相互作用为

电磁相互作用： 媒介粒子为γ光子, 长程，耦合常数为电荷e, 有普适性.

弱相互作用： 媒介粒子为 W+, W-, Z0，短程，耦合常数g2，g2/cosθw有普适性.

(3) 引力相互作用： 媒介粒子为引力子，长程，耦合常数正比于能量(质量)，GN有普适性.

(4) Higgs 粒子汤川相互作用： 媒介粒子为 Higgs 粒子，短程，耦合常数正比于质量(静止质量)，有普适性.

只有 Higgs 粒子汤川相互作用还没有直接观察到.

5.1　Higgs 粒子的性质和作用

· 实现对称性自发破缺

电弱相互作用→电磁相互作用+弱相互作用

· 使 W+, W-, Z0粒子获得很重质量.

· 使带电轻子和夸克获得质量.

· Higgs 粒子与各种粒子相互作用性质全部清楚.

· Higgs 粒子的质量不能预言.

理论上给出如果存在 Higgs 粒子，粒子之间就有Higgs 粒子汤川相互作用.由于它的媒介粒子是质量很重的 Higgs 粒子，需要在能量很高的实验中才能观察到这种相互作用的直接表现，现在实验的能量还没有达到这个要求.

5.2　2012 年的重大实验进展

2012 年欧洲CERN(欧洲核子研究委员会)发现了一个重的 0+粒子，质量为126 GeV，置信度为5个标准差.符合 Higgs 粒子的一般要求，但它是否就是标准模型中要求的 Higgs 粒子，则还需要进一步的实验判定.

如果进一步的实验判定它就是标准模型中要求的 Higgs 粒子，则标准模型概括的构成物质世界的 61 种粒子都已找到.

6　光学是物理学中最早探知微观粒子波粒二相性的部分

早期物理学的几个部分：力学、热学、电磁学、声学、光学中，只有光学是最早探知微观粒子的波粒二相性的.光学是研究可见光的光子产生、传播、运动规律的学科：光子的直线传播、反射、折射反映了它的粒子性；光的衍射、干涉、折射又反映了它的波动性；而光的折射既反映了粒子性又反映了波动性.

光是电磁波，可见光是从380～780nm之间的电磁波.光子是静止质量为零、自旋角动量为 1 的粒子，它由带电粒子通过电磁作用产生，永远以真空光速直线运动，然后被带电粒子通过电磁作用吸收.每一个光子带有的能量不同，正比于电磁波的频率，因此紫光的光子带有的能量大约是红光的光子带有的能量的 2 倍.波长在从380～780nm范围之外的电磁波就不是可见光了，比红光波长更长的是红外线，通常叫热线，比紫光波长更短的是紫外线.在空间传播着的交变电磁场，即电磁波.它在真空中的传播速度约为30万km/s.电磁波包括的范围很广.实验证明，无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波.光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短.为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率、波数、能量的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁波谱.

依照波长的长短以及波源的不同，电磁波谱可大致分为：

无线电波——波长从3000~10-3m，一般的电视和无线电广播、手机等的波段就是用这种波.

微波——波长从1m~0.1cm，这些波多用在雷达或其他通信系统.

红外线——波长从10-3~7.8×10-7m；红外线的热效应特别显著.

可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段.可见光的波长范围很窄，大约在7600～4000Å(在光谱学中常采用Å作长度单位来表示波长，1Å=10-10m).从可见光向两边扩展，波长比它长的称为红外线，波长大约从7600Å直到十分之几毫米.光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波.由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分，波长从(7.8～3.8)×10-8m.

紫外线——波长比可见光短的称为紫外线，它的波长从(380～10)×10-9m，它有显著的化学效应和荧光效应.这种波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出.由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强.

红外线和紫外线都是人类看不见的，只能利用特殊的仪器来探测.无论是可见光、红外线或紫外线，它们都是由原子或分子等微观客体激发的.一方面由于超短波无线电技术的发展，无线电波的范围不断朝波长更短的方向发展；另一方面由于红外技术的发展，红外线的范围不断朝长波长的方向扩展.日前超短波和红外线的分界已不存在，其范围有一定的重叠.

伦琴射线——这部分电磁波谱，波长从10×10-9～0.01×10-9m.伦琴射线(X射线)是原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的.随着X射线技术的发展，它的波长范围也不断朝着两个方向扩展.在长波段已与紫外线有所重叠，短波段已进入γ 射线领域.

γ射线(伽马射线)——是波长从10-10～10-14m的电磁波.这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出. γ射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大.

由于辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此波长为几百千米的低频电磁波强度很弱，通常不为人们注意.实际中用的无线电波是从波长约几千米(频率为几百千赫)开始.波长3000～50m(频率100kHz～6MHz)的属于中波段；波长50～10m(频率6～30MHz)的为短波；波长10m～1cm(频率30～3×104MHz)甚至达到1mm(频率为3×105MHz)以下的为超短波(或微波).有时按照波长的数量级大小也常出现米波，分米波，厘米波，毫米波等名称.中波和短波用于无线电广播和通信，微波用于电视和无线电定位技术(雷达).

电磁波谱中上述各波段主要是按照得到和探测它们的方式不同来划分的.随着科学技术的发展，各波段都已冲破界限与其他相邻波段重叠起来.在电磁波谱中除了波长极短(10-4～10-5Å以下)的一端外，不再留有任何未知的空白了.

光学研究的不仅是可见光的产生与传播，而是各种类型电磁波的产生与传播.虽然各种类型电磁波都是电磁波，都是各种不同类型的光子，但是它们产生的机理不同，有各自的特点.按照各种电磁波产生的方式，可将其划分成3个组成部分：高频区(高频辐射区)——其中包括X射线、γ射线和宇宙射线.它们是利用带电粒子轰击某些物质而产生的.这些辐射的特点是它们的量子能量高，当它们与物质相互作用中，波动性弱而粒子性强.长波区(低能辐射区)——其中包括长电振荡、无线电波和微波等最低频率的辐射.它们是由电子束管 配合电容、电感的共振结构来产生和接收的，也就是能量在电容和电感之间振荡而形成.它们与物质间的相互作用更多地表现为波动性.中间区(中能辐射区)——其中包括红外辐射、可见光和紫外辐射.这部分辐射产生于原子和分子的运动，在红外区辐射主要产生于分子的转动和振动；而在可见与紫外区辐射主要产生于电子在原子场中的跃迁.这部分辐射统称为光辐射，这些辐射在与物质的相互作用中显示出波动和粒子双重性.

这样光学也就发展形成多种与光学有关的物理学分支，其中包括光物理学、激光物理学、非线性光学、电子光学、量子光学、无线电物理学、原子分子光学等.

随着科学的发展，近代物理学中不断地生长和发展出新的分支学科，如理论物理学、粒子物理学、原子核物理学、原子和分子物理学、天体物理学、凝聚态物理学、光物理学、激光物理学、非线性光学、低温物理学、磁性物理学、金属物理学、半导体物理学、材料物理学、表面物理学、介观物理学、电真空物理学、电子物理学、无线电物理学、固体微电子学、等离子体物理学、声学、固态物理学、液态物理学、高压物理学、非线性物理学、计算物理学等.近几十年来，物理学的各分支学科有着突飞猛进的迅速发展，对物理现象和物理学规律的探索研究不断取得新的进展，丰富了人们对物质世界物理运动基本规律的认识和掌握，促进了许多和物理学紧密相关的交叉学科和技术学科的发展.

7结语

物理学作为一门最基础的自然科学，它的发展动力是深深地植根于人类对真理的非功利的追求.但是，历史的发展将越来越有力地证明，正是这种非功利的追求给人类带来最大的收益.当代技术进步的主要推动力来自纯学科性的基础研究.研究室和实验室中纯学科性的研究转变为重要的应用技术，实际生产和社会发展中遇到的问题转化为有基础学科意义的研究课题，两者关系越来越密切，周期越来越短.与之相应，在现代，杰出的基础科学研究人才和优秀的应用技术开发人才在科学素质上的要求变得更加一致了.进入 21 世纪之际，无论是制造业还是服务业，也无论是材料、信息、能源、交通、环境等技术部门，都在呼唤着新的技术变革.认真考察就会发现，多数这些变革都主要基于物理学近年的进展.21 世纪物理学毫无疑问仍是技术进步的主要源泉.

20 世纪以来，随着近代物理学的迅猛发展，陆续发展了近代原子分子物理学、原子核物理学与核技术、原子核能的利用、激光物理和激光技术、半导体物理和器件、固体组件、超导电物理与技术、光电子学技术、X光技术、粒子物理，以此又推动了计算机科学技术和信息与通信科学技术的发展，并且形成了各种有关的新科学技术产业. 它

们大大推动了现代社会的发展.

随着科学的发展，不同学科相互渗透，出现了物理学与这些学科之间的一系列交叉学科，如数学物理学、天体物理学、化学物理学、生物物理学、大气物理学、海洋物理学、地球物理学等.

物理学是整个自然科学的基础.

物理学是现代高、新技术的基础.

参考文献

[1]高崇寿. 20世纪物理学的变革与发展[M]. 济南：山东教育出版社，2001.

[2]Gao Chong-Shou. Search for exotic strange dibaryon in relativistic heavy ion collisions[J]. Communications in Theoretical Physics, 2003, 40(2):188-190.

[3]MA Zhong-Biao, Miao Hong, Gao Chong-Shou. Baryon ratios in quark-gluon plasma[J]. Communications in Theoretical Physics, 2003, 40(5):547-550.

[4]Miao Hong, Gao Chong-Shou. Estimations of at RHIC from a QGP model with diquarks[J]. Journal of Physics G Nuclear & Particle Physics, 2004, (3):179-184.

[5]教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会. 解放思想，力争超越 进一步推进基础物理教学改革创新的倡议[J]. 物理与工程，2014,24(6)：封2.

[6]王青. 2013年诺贝尔物理学奖介绍：规范粒子质量起源[J]. 物理与工程，2014,24(1)：3-8.

■

作者简介：高崇寿，男，教授，曾任国家教委高等学校物理学与天文学教学指导委员会主任委员，主要从事物理教育和理论物理研究工作.gaochsh@pku.edu.cn

收稿日期:2015-02-14