走向统一的自然力——天上力与地上力的统一(Ⅲ)

在前人工作的基础上, 牛顿对天上星星运动和地上物体运动的规律进行了总结, 提出了运动三定律, 建立了经典力学, 并在开普勒三定律的启发下发现了万有引力定律, 指出星星的圆周运动起因于相互吸引;物体自由下落也是因为物体与地球相互吸引, 从而统一了天上力和地上力。     

走向统一的自然力天上力与地上力的统一(Ⅱ)

地上运动,主要是物体的运动,例如,人抛物、马拉车、石下落、弦振动等.现在我们知道,人抛物的力、马拉车的力、绳子和弦的张力等,都是分子间力,也就是有效电磁力,只有导致物体垂直下落的地心吸引力才是我们所要讨论的与天上力对应的地上力,因此,本节主要讨论与物体垂直下落有关的自由落体运动和平抛运动.     

天上力与地上力的统一(Ⅰ)

人类对力的认识经历了漫长的历史过程。力的概念,起先可能是从原始人类在狩猎活动中需要用力投掷石块等以击倒野兽的体验中得来的。公元前4世纪,我国思想家墨翟就对"力"做出了正确的表述,他在《墨     

走向统一的自然力——电力与磁力的统一(I)

电闪雷鸣,是人类早在远古时期就注意到的自然现象,因此,电磁相互作用,可以说是人类最先接触到的自然力.开始人们对电和磁是分开认识的,后来经过奥斯特发现“电动生磁”和法拉第发现“电磁感应”, 人们才将“电”和“磁”联系起来,最终导致麦克斯韦提出电磁理论,统一了“电力”和“磁力”.本讲座,将详细介绍“电力”和“磁力”走向统一的研究历程.     

走向统一的自然力

所谓"自然力",就是主宰宇宙间物质运动的四种基本相互作用,即作用在一切物体(包括星体)之间的引力;作用在带电(磁)物体之间的电磁力;以及作用在微观粒子之间的强力和弱力。表1给出了这四种自然力的主要特性。     

走向统一的自然力电力与磁力的统一(Ⅱ)

将电和磁联系起来认识, 首先应该归功于奥斯特, 是他在1820 年发现了电流的磁效应;随后, 安培发现了电流与电流之间存在相互作用, 并提出安培定律来定量描述这一作;最后, 法拉第发现了电磁感应现象, 进一步揭示了电与磁的内在联系。     

走向统一的自然力电力与磁力的统一(Ⅲ)

19 世纪60 年代中期, 麦克斯韦在总结前人工作的基础上, 连续发表了3 篇论文:《论法拉第力线》、《论物理力线》和《电磁场的动力学理论》。一方面, 他在法拉第发现的电磁感应现象的基础上提出了“变化的磁场产生涡旋电场”;另一方面, 他创造性地引入“位移电流”代替安培环路定理中的稳恒“传导电流”来描述“变化的电场产生涡旋磁场”, 从而建立了完整的电磁场理论。1887 年, 赫兹通过一系列实验发现了麦克斯韦预言存在的电磁波, 并证实了光与电磁波的同一性, 为麦克斯韦电磁场理论提供了有力的实验验证。     

走向统一的自然力强力、弱力和电磁力的大统一(Ⅵ)

标准模型,准确地讲,应是粒子物理标准模型。粒子物理是研究亚原子粒子的性质、结构及其在很高能量下相互转化的物理学分支学科。夸克模型的提出使人们认识到物质结构的基本组分是夸克和轻子,作用在它们之间的强力和弱电力可以分别用SU(3)规范场和SU(2)×U(1)规范场——相应的动力学分别是量子色动力学和弱电统一理论(或称量子味动力学)——来描述,分别通过胶子、中间玻色子(W^±和Z⁰)和光子来传递,于是SU(3)和SU(2)×U(1)规范场理论便构成了粒子物理标准模型。     

走向统一的自然力 强力、弱力和电磁力的大统一(Ⅲ)

<正>(3)量子电动力学量子电动力学是在量子力学和相对论的基础上发展起来的描述电磁力的基本理论。如果说电动力学是描述电磁力的经典场论,那么量子电动力学就是描述电磁力的量子场论。场是连续分布的、具有无穷维自由度的系统;场论是关于场的性质、相互作用和运动     

走向统一的自然力 强力、弱力和电磁力的大统一(Ⅰ)

<正>杨-密尔斯规范场、弱电统一理论和粒子物理夸克模型的发现,使人们认识到,不仅电磁力可用U(1)规范场来描述,而且弱电力和强力也可分别用U(1)SU(2)和SU(3)规范场来描述。于是,用U(1)SU(2)SU(3)规范场来统一描述强力、弱力和电磁力便成为粒子物理的标准模型。本讲第一部分通过引入量子概念、建立量子力学,进而介绍能够完     

走向统一的自然力 强力、弱力和电磁力的大统一(Ⅱ)

<正>(2)量子力学1923年,德布罗意提出物质波假说,随后,人们通过实验发现:一束粒子流穿过晶体后能像光一样产生干涉和衍射现象,从而认识到一切微观客体(包括光子在内)都同时具有粒子性和波动性,即所谓"波粒二象性",在此基础上,薛定谔于1926年建立了波动力学;稍前,海森伯从玻尔的对应原理出发提出了矩阵力学的概念,之后,薛定谔证明波动力学和矩阵力学在数学上是等价的;1926年,玻恩对德布罗意物质波提出了统计解释,这样,描述微观客体运动规律的量子力学便在量子论的基础上完善地建立起来了。     

走向统一的自然力 强力、弱力和电磁力的大统一(Ⅴ)

<正>3.夸克·标准模型·强弱电大统一(1)夸克亚原子粒子及其分类天然放射性的发现打破原子"永恒不变"的神话之后,比原子-分子尺度要小得多的亚原子粒子陆续发现:1897年,J.J.汤姆生通过测定阴极射线的荷质比发现了第一个亚原子粒子,称其为"微粒",并将其所带电荷称为"电子",1901年洛伦兹进一步将其命名为电子;1905年,爱因斯坦发现光量子,后来人们将其称为光子;1911年,卢瑟福     

走向统一的自然力 强力、弱力和电磁力的大统一(Ⅳ)

<正>2.相位·杨-米尔斯场·弱电统一理论(1)相位在纪念中国科学院成立50周年所举行的学术报告会上,杨振宁教授作了题为《量子化、对称和相位因子——20世纪物理学的主旋律》的学术报告;2002年,在巴黎国际理论物理讨论会上,他又作了类似题目:Thematic Melodies of Twentieth Centure Theoretical Physics:Quantization,Symmetry and Phase Factor的报告,一再强调"量子化、对称和相位因子是20世纪物理学的主旋律"。量子化和对称在20世纪物理学     

走向统一的自然力 超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试(Ⅳ)

正(5)进一步发展超弦/M理论,既然作为认识宇宙的终极理论,就应当能够解释宇宙学中的诸多问题,例如黑洞,因此,在超弦理论第二次革命以后,超弦/M理论的一个重要发展就是黑洞物理的研究。从超弦/M理论看黑洞20世纪60年代末、70年代初,许多物理学家,包括克里斯托多罗(D.Christodoulou,1951~)、伊思雷尔(W.Israel,1931~)、普赖斯(R.Price)、卡特尔(B.Carter,1942~)、克尔(R.Kerr,1934~)、罗宾森(D.Robinson)、霍金和彭罗斯,都发现黑洞和基本粒子     

走向统一的自然力 超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试(Ⅱ)

正三、超弦理论的两次革命南部等人提出的弦模型,通过超对称和超引力的介入,施瓦兹和格林等创建了超弦理论,使包括引力在内的四种自然力的统一有了实现的可能,这一度激发了物理学家的热情,涌现出了数以千计的模型。那么,哪一个是真正主宰现实物理世界的"上帝"呢?或者说,谁能导出粒子物理标准模型并解释夸克和轻子为何分代而且只有三代,以及电子和其他粒子的质量为何是那样,等等,粒子物理标准模型无法回答的     

走向统一的自然力 超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试(Ⅴ)

正4.自然力实现统一了吗?首先,让我们回顾一下"自然力走向统一"的认识历程。在自然力"走向"统一的过程中,对力的认识,经历了三次飞跃:第一次,从"定性"到"定量",即从墨翟的"力,形之所以奋也"到牛顿的"力与运动的改变成正比",也就是说,从对自然现象的观察、描述到实验、理论研究,其间,伽利略通过斜面实验来研究落体运动并第一次用数学公式来表述物体的运动规律,随后开普勒借助第谷的观测资料发现了行星绕日运动三定律,为牛顿发现力学三定律和万有引力     

走向统一的自然力爱因斯坦：试图统一电磁力和引力未能如愿(Ⅱ)

19 世纪末,以牛顿力学和麦克斯韦电磁理论为代表的经典物理学渐趋完善,著名英国物理学家汤姆孙(W. Thomson,1824～1907)甚至认为:“未来物理学将不得不在小数点后第六位去寻求真理。” 他在1900 年末为展望20世纪物理学而写的一篇文章中说:“在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”     

走向统一的自然力爱因斯坦：试图统一电磁力和引力未能如愿(Ⅲ)

狭义相对论具有两个局限性:一是,它只对那些以恒定速度相对运动的惯性坐标系有效;另一是,尽管这个理论与描述电磁场的麦克斯韦方程组是兼容的,但它与牛顿万有引力定律并不兼容。     

走向统一的自然力 超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试Ⅲ

超弦理论的第二次革命发生在1994~1998年间,于1995年达到高潮,其持续时间比第一次革命要长,影响也更为深远。     

超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试(Ⅳ)

超弦/M理论,既然作为认识宇宙的“终极理论”,就应当能够解释宇宙学中的诸多问题,例如黑洞,因此,在超弦理论第二次革命以后,超弦/M理论的一个重要发展就是黑洞物理的研究。