物理学导论.ppt

大学物理导论 ——凝聚态物理前沿
周剑平
陕西师范大学物理学与信息技术学院
******@snnu.

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College of Physics and Information Technology, SNNU
什么是物理学?
物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。
——没有物理学,便不会有当今的科学技术!
只有通过精心组织,才能汇聚起如此浩瀚庞大又扎实有据的真理,也和表述才能一样,将杂乱无章整理得井然有序的才能是一种富有创造性的才能,也许简直就是同一才能的不同侧面。从原先无数孤立现象的真理之中涌现了存在于它们之间关系的真理:用这种方式一个世界就创造出来了。
———Hugo von Hoffmannstahl
参考书目
冯端金国钧凝聚态物理学(上卷)高等教育出版社 2003
张礼近代物理学进展(第2版)清华大学出版社 2009
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什么是物理学?
处在这日益专业化的时代之中,得以认识到基本物理概念可能应用于一大批看起来五花八门的问题,是令人欣慰的。在理解某一领域所获得的进展常常可以应用于其它领域,这不仅对材料科学的众多领域是确实的,对广义而言的物质结构亦复如此。作为阐述的例证,为理解磁性、超流动性与超导电性所发展的概念也被推广和应用于多样的领域,如核物质,弱与电磁相互作用,高能物理学中的夸克结构与众多的液晶相。
———John Bardeen
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物质结构的不同层次
从原子物理学到原子核物理学,最终进入粒子物理学,处处可见还原论的踪迹。
气体、液体与固体都被分解为分子或原子的聚集体;原子又被分解为原子核与电子;原子核被分解为质子和中子;这些再被分解为夸克、胶子。在每个还原阶段中呈现为准稳态的粒子,曾被误认为‘基本’粒子。在每一还原阶段,长度的尺寸急剧缩短而能量的尺度急剧上升。
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物质结构的不同层次
理论方法:
量子物理、统计物理与经典物理
凝聚现象:
有序化,对称性降低
白纸称为无极,画上一个圆圈,称为无极生太极(宇宙),中间一条曲线分成黑白两个部分,称为太极生两仪,
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物质结构的不同层次
宇宙学、粒子物理的奇妙衔接
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物质世界的时间尺度
大爆炸
宇宙年龄:130 ~200亿年~1018 s
星系形成:50亿年
地球年龄:×109 年= 1017 s
大气形成:8×108 年= 1016 s
生命的诞生:约40亿年
脊椎动物: 约6亿年
人类出现: 约500万年
地球
地球公转 3×107 s
地球自转 ×106 s
百米跑 10 s
市电周期 10-2 s
中子寿命 10-3 s
介子寿命 10-8 ~ 10-17 s
中间玻色子寿命~ 10-24 s
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物质世界的质量层次
1050 s ~ 10-30 , 共计跨越了80个数量级
科学的基本原理之一:万物都是由难以观察到的微小粒子组成的。
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自然界的基本相互作用
种类
引力
弱力
电磁力
强力
作用对象
所有粒子
大多数粒子
带电粒子
强子
作用距离
(cm)
<10-10
<10-13
相对强度
(10-13 cm)
传递作用的
基本粒子
引力子?
中间玻色子
光子(γ)
胶子(g)
1
∞
∞
<10-38
<10-13
<10-2
迄今为止,人类了解得最多的是电磁力,了解得最早但最少的是引力。
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物理理论的发展趋势
地球引力 Newton 经典力学(万有引力)
天体引力 Einstein 相对论力学
电
磁 Maxwell
光电动力学 Glashow Salam Weinberg
弱相互作用规范场弱电统一理论
大统一理论?
强相互作用
设想的超对称大统一理论?