《人类科学技术史-377》物理学其他一些领域的研究进展

物理学其他一些领域的研究进展

世纪之交的物理学革命给物理学中的许多研究领域都带来了深刻的影响。这里，我们只简略列举其中的几个方面。

1.物性物理学的形成

基于量子力学、量子统计力学和普通力学的物性物理学，在20世纪30年代成为物理学中一个独特的涉及范围很广的研究领域。

（1）磁性与低温物理特性

磁性是物质最普遍的属性之一。1928年，德国人海森堡发现，在铁、钴等强磁性物质中，由于电子相互作用，相邻两个原子的自旋是平行的，他进而从量子力学的理论出发来说明磁性的本质，解开了长期以来关于磁性的许多不解之谜。磁学的研究从此开始受到各方面的重视。

低温物理是研究低温下物质的性质。这一时期，有两个方面的发现特别引人瞩目。其一是关于液态氦的。1927年，人们发现了低温下试管中的液体氦有不可思议的自逸出现象。1937年，苏联的卡皮查(1894-1984)验证了液态氦的超流动性。他发现，当温度低于2.17K时，流过狭缝的液态氦的流速与压差无关，也就是说，液体内部以及液体与器壁之间无摩擦力。1941年，他还发现了卡皮查热阻现象，即热流经过固体和超流氦的界面时，温度在界面上有一跃变。1941年，苏联物理学家朗道(1908-1968)利用量子力学解释低温液态氦的这种奇妙现象，并取得成功。该理论被称为第二种液体氦的量子力学理论，也称作"二流体模型"理论。其二是，1933年，迈斯纳发现超导体有非常理想的抗磁作用。

（3）金属学与结晶学

1928年，德国物理学家索末菲应用费米和狄拉克的量子统计力学方法发展了金属的自由电子理论，创立了新的、量子机制的金属电子论，说明了古典统计力学所不能解释的种种现象，成为量子统计最早的应用成果。

同年，美籍瑞士人布洛克(1905-）发表了固体"能带理论"。他认为，晶体中原子的周期性排列，形成对自由电子运动发生影响的周期性势场。在周期性势场中，电子占据的可能能级形成能带，能带间有一定间隙。

这种能带理论可说明导体、半导体和绝缘体产生的原因，可说明为什么金属是导体，而其他一些物质却不能导电。建立在量子力学基础上的物性物理学可解释物质的光学性质、热传导性质以及物质的电、磁等许多性质形成的根源。

20年代末到30年代前期，人们应用量子力学，对完整结晶的本质以及不完整结晶(结晶的缺陷）问题也开展了研究，根据结晶的位错或晶格扭曲程度来确定物质的强度或性质。研究表明，任何具体的现实的物质都不是完全结晶体。

2.粒子物理学的兴起

20世纪前半叶，诞生了许多物理分支学科，例如原子核物理学、粒子物理学和宇宙射线研究等。

原子核物理学源于原子核反应的研究，开始于1919年，卢瑟福利用α粒子从氦原子核中打出质子，首次实现了人工原子核反应。这方面研究的深入与发展导致了量子力学的发展和后来放射性物理和放射性化学的发展以及原子能科学的诞生。本书的第二部分和第六部分均有述及。

粒子物理学也称为基本粒子物理学。物理学的这一个分支学科同样源于对原子核反应的研究。1897年至1937年，被认为是粒子物理学发展的第一阶段。1897年，J.J.汤姆逊发现了电子；1909年至1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手用高速飞行的α粒子做炮弹去轰击原子时，发现了原子核；1932年，英国物理学家查德威克用放射源钋发射的α粒子来轰击铍金属，发现了中子。于是，物质由中子、质子和电子这些基本结构单元构成的统一世界图象形成了，同时也形成了基本粒子的概念。

这一期间，康普顿于1922年证实了爱因斯坦预言的光子的存在；泡利从理论上预言了一种无静止质量的粒子——中微子；相对论量子力学又预言了电子、中子、质子等粒子的反粒子的存在。电子的反粒子——正电子，是第一个被发现的反粒子。1932年，安德森(1905-　）利用放在强磁场中的云室，记录宇宙线粒子时发现了正电子。以后又陆续发现了其他反粒子。

1934年，日本物理学家汤川秀树(1907-1981)为解释粒子之间的强作用短程力，提出这种力是由质子和(或）中子之间交换一种质量为电子的200至300倍的基本粒子——介子而引起的。介子、电子和中微子等后来统称为轻子。1936年至1937年，安德森和尼德迈耶(1907-）发现了后来被称为μ子的新粒子，这种不稳定粒子衰变后生成电子、中微子和反中微子。40年代，证实了具有强相互作用的介子的存在。μ子和介子的发现，分别证实了泡利和汤川秀树的预言。刺激了基本粒子的研究，粒子物理学进入了第二个发展阶段，"基本粒子理论"正式成为一门学问而得到迅速发展。

历史上的概念，基本粒子是指构成物质的最基本的组成部分。在这一个世纪中，这一概念经历了几次重大的变化。人们先是认为原子是物质的基本组成部分；之后，中子、质子和电子被视为基本粒子；再后来，新发现的中微子、介子和共振态粒子等也加入了基本粒子的行列。随着基本粒子队伍的日益壮大，人们认识到，它们也不可能是物质的最基本组成部分，后来的"夸克"粒子也证明了这一点。

后来，物理学界将称为基本粒子的物质，统称为粒子或亚原子粒子。粒子物理学的研究使人们认识到，物质结构在不同的能量尺度上有不同的层次，最终的层次可能不存在。

3.宇宙射线的研究

在高能粒子加速器问世之前，研究基本粒子的产生及其相互作用主要是靠对宇宙射线的研究。

宇宙射线是在研究大气电导率时偶然发现的，这和许多新现象的发现有相同之处。人们在屏蔽良好的静电计中，发现一种未知的辐射源导致了其中空气的电离，而且这种辐射源比当时熟悉的放射性具有更大的穿透本领。

1911年至1912年，奥地利人赫斯(1883-1964)为了证实射线的来源，便利用气球把高压电离室带到5000米以上高空。发现在700米左右的地方，电离度因某种原因有所下降；但随着气球的继续上升，电离度却持续增加，而且白天和黑夜都如此赫斯断定，这种辐射源来自宇宙空间。

1922年至1926年，R.A.密立根进一步证实，这种未知辐射源不在大气层中。1927年，"云室"观察到了未知辐射线中带电粒子的径迹。由于这种射线来自宇宙空间，因此便得名"宇宙射线"。之后的10年中，人们广泛研究了宇宙射线的性质。

30年代，人们从宇宙射线中发现了正电子、μ子，以后又发现了更多的高能粒子。宇宙射线成为发现新的基本粒子的来源和研究基本粒子的重要手段。40年代，证实了具有强相互作用的介子的存在；1942年，日本人坂田昌一(1911-1970）提出二介子论，宇宙射线的研究工作进一步深入。

第二次世界大战中，有关的实验技术和仪器得到迅速发展，更精密的云室，升得更高的气球，新型计算器，新的电子仪器纷纷出现，也进一步推动了宇宙射线的研究。

4.天文学的新成就

这一时期，天文学的发展一方面是运用爱因斯坦的广义相对论考察宇宙，并提出宇宙的模型；另一方面是利用天文观测来验证广义相对论。

天文学在这一时期的发展还体现在射电天文学方面。1931年至1932年，美国青年杨斯基(1905-1950)在研究引起高频无线电干扰因素时，观测到波长为14.6米处有来历不明的电波信号。这种信号每天出现的时间有规律地提早4分钟。他推断这一信号来自地球以外的天体。杨斯基的这一发现导致了射电天文学这一新兴学科的诞生。在这以前，天文学是用光来观测、研究天体，所以又称为光学天文学；现在，可以用电波来观测、研究天体，即用接受天体无线电辐射的射电望远镜来观测和研究天体，因此，也称为射电天文学。

1937年，美国人雷勃(1912-）制成世界上第一架射电望远镜，其抛物面天线的直径为9.5米，用它来接受来自空间的无线电信号，研究银河系和宇宙无线电波的强度分布。1944年，用1.87米波长绘成第一张银河射电图，证实了银河系中心有很强的射电辐射。不久，他又发现白虎星座附近有发出无线电波的星体。1942年，英国学者研究发现，来自太阳的射电比太阳表面的黑体辐射还要强烈，而且与日面黑子、耀斑等的活动密切相关。

30年代，天文学方面还有不少重要发现，如冥王星的发现、超新星的发现等。所谓超新星就是恒星爆炸后形成的光度突增1000万倍以上的新星。

星体核反应也是一重要发现。1940年，人们开始将星体分成两大类，并在第二次世界大战后发展为"星体和宇宙的进化理论"。