物理学基本概念范畴教学讲义

物理学基本概念范畴教学讲义2023/3/202第一讲物理学的基本概念范畴一、物理学的概念范畴1、总范畴物质存在的基本形态：实物与场（粒子与场）物质的根本属性：运动的绝对性、运动描述的相对性、各种低级的运动形式物质存在的基本形式：时间和空间←光延性2、具体学科的范畴比如，力学：力、质量、惯性、碰撞、参照系…二、物理学的研究对象物质的结构以及各种低级的运动形式比如，电磁学：电场强度、电势差、位移电流、涡旋电场…比如，热学：温度、内能、理想气体、熵、…比如，光学：干涉、衍射、偏振、双折射…基本概念——导出概念2023/3/2031、实物与场三、大学物理学基本概念范畴的简单讨论物质的定义：客观实在性……——无论实物还是场……

实物的（到目前）十种形态日常条件固、液、气、非晶态、液晶态超高温等离子态：恒星内部…超高压超固态：恒星后期的“白矮星”，原子被压碎中子态：恒星后期的“中子星”，原子核被压碎黑洞……超低温超导态：比如，水银的温度将到4.173K，即

—269℃时…

超流态：比如，液态氦的温度将到2.17K，出现超流动态…描述实物运动规律的理论：成熟的经典力学、热力学、电动力学；不完全成熟的量子力学、不成熟现代宇宙学⑴关于实物2023/3/204量子力学的不足①主要侧重于实物粒子的波粒二象性，甚至没有把光当作粒子处理；②在粒子的基础上谈其波动性——概率波——波、粒二象性地位不平等；③实物粒子的波动性——概率波——不是真正物理波场；④不能描述粒子的产生与消失——微观粒子的转化；①传递实物间相互作用的一种形态；②场是物质存在的基本形态；③场可以量子化——波粒二象性④场与实物并无定性区别：——质能守恒目前对场的认识描述场运动规律的理论：成熟的电动力学、不完全成熟的量子场论⑵关于场2023/3/205⑶实物与场的统一：量子场论关于物质存在形式的基本观点：①场是物质存在更基本的形态:

场处于基态时——无能量、信号释放；实物粒子——是场量子的激发态；②两种场:

实物粒子场——场量子是实物粒子：电子场、中子场……

相互作用场——场量子是媒介粒子：引力场、电磁场……③真空是各种量子场的基态——零点振动和虚粒子……

④实物粒子之间的相互作用表现为场之间的相互作用；实物粒子场相互作用场引力相互作用电磁相互作用弱相互作用强相互作用

量子几何动力学(引力场、实物粒子场)

量子电动力学(电磁场、电子场)

量子色动力学(胶子场、夸克场)

统一场论（引力场与电磁场的统一）

大统一理论四种相互作用超统一理论，超对称理论实物粒子场与相互作用场两种量子场的统一

量子味动力学(电磁场、电子场)2023/3/206狄拉克方程

引力场电磁场弱相互作用场强相互作用场

引力场方程

麦克斯韦方程组

量子色动力学

相对论粒子方程

普罗卡方程⑶实物与场的统一：量子场论关于场的特性和实物粒子的特性①一切微观粒子(实物粒子和媒介粒子)都对应其量子场(实物粒子场和媒介粒子场)

②实物粒子场(电子场……)——

没有经典场概念与其对应量;③相互作用场(电磁场、引力场……)——有经典场概念与其对应量，是相互量子场的极限；

④任何量子场都是真实的物理波场，可以用波动方程描述；用算符进行描述其运动规律

⑤量子场的基态：“真空态”，彻底否定了脱离物质的绝对时空观；实物粒子场2023/3/207⑷大学物理学概念体系的尝试1——“实物与场”的角度第一篇宏观力学第1章低速范围的宏观力学——牛顿力学第2章高速范围的宏观力学——狭义相对论第3章万有引力场与天体力学第4章广义相对论与宇宙学基础第二篇电磁场第5章电荷与电场第6章电流与磁场第7章电磁感应第8章麦克斯韦方程组与电磁辐射附录高速运动的电荷与电场的磁场统一性2023/3/208⑴两类粒子⑵两类波

微观粒子（正、反粒子）实物粒子媒介粒子质子、中子、轻子（电子、中微子）夸克…引力子？光子中间玻色子…

介质波概率波机械波：声波、水波…

波粒二象性：光波、物质波（德布罗意波）…●介质波：需要介质（媒质），介质粒子的振动——能量的传播，介质粒子没有迁移……是一种经典的机械波；●概率波：无需介质（媒质），波动场粒子可以脱离波源独立的传播——能量的传播；波强弱并非是波动场粒子的真实行为，只是波动场粒子的可能出现的时空几率……是一种不完备的量子观点、波粒二象性的描述；2、粒子与波2023/3/209●介质波（机械波）波动方程★平面简谐波的波函数●对波函数求时间t的偏导数，得●对波函数求传播空间x的偏导数，得●综合，得←波动方程

物理学的典型方程之一；麦克斯韦据此推断出光的电磁说★设原点的扰动函数——简谐运动2023/3/2010●概率波（波粒二象性）的薛定谔方程●将该波函数对时间求导，得●将波函数求空间x的偏导数，得★自由粒子的波函数——平面波同理可得★自由粒子的能量和动量的关系三式相加得2023/3/2011★算符●设力场的势能函数为，则●薛定谔方程★改写（1）（2）式

近代物理学的典型方程之一；波恩解释——概率波2023/3/2012●目前大学物理（普通物理学）的概念体系力学；热学；电磁学；波动与光学——概念体系的错误；量子物理——伯克利物理教程——张三惠——分科的……●高中物理新课程标准体系3-4

（一）机械振动与机械波；（二）电磁振荡与电磁波；（三）光——干涉、衍射和偏振；（四）相对论⑶

关于两类波(介质波与概率波)科学思维⑷关于两类波(介质波与概率波)研究方法●虽然宏观电磁波与机械波所遵从的数学规律是相同的，但是其本质完全不同；●表面上降低了高中甚至大学生的学习难度，实际上可能殆误了这些人才的终身创造力。2023/3/2013⑸大学物理学概念体系的尝试2——“粒子与波”的角度第三篇振动与波第9章振动——机械振动与电磁振荡第10章波动——机械波与电磁波第11章光的波动性第四篇物质的波粒二象性第12章光的二象性第13章物质波——量子力学基础第14章原子物理学第五篇大量粒子运动的宏观规律第15章热力学第16章统计物理学基础2023/3/2014⑴单位秒：①一个“平太阳日”的1/86400为1秒；1967年，铯-133

原子基态，在零磁场跃迁周期：1秒=9192631770T。米：②经过巴黎子午线1/4千万为1米；1米=光在真空中经历

1/299792458秒所经过的距离。（在真空中的光速为普适常数）⑵物理学的旧时空观盖天说—地心说：①唯物地解释自然、生产实践、时间的无限性；②绝对静止的存在、被宗教神学利用（托马斯·阿奎那[TAguinas]）代表人物：托勒密应当指出……旧时空模型主要观点①承认时间、空间是客观存在的②空间的“上”、“下”观念是相对的；宇宙空间有限有中心，③承认时间的无限性；意义③没有说明时间与空间、时空与物质、时空与物质运动之关系。3、时间与空间2023/3/2015⑶物理学的经典时空观哥白尼—日心说：伽利略的主要贡献伽利略变换牛顿的主要贡献①承认时间、空间的客观实在性将实验方法、数学方法引入物理学的研究惯性定律低速宏观伽利略相对性原理经典时空模型代表人物：哥白尼、伽利略、牛顿哥白尼的主要贡献“太阳中心说”取代“地球中心说”数学表达越简单越接近自然；②建立了绝对的时空观(ⅰ)时间、空间彼此无关，各自独立；(ⅱ)时间一维单向——有始无终，(ⅲ)空间三维的均匀性、各向同性和无限性;超距、质点……③发明了微积分；发现了万有引力定律；建立了动力学三定律；2023/3/2016绝对时空观的功过是非功时间的均匀性——能量守恒定律空间的均匀性——动量守恒定律空间的各向同性——角动量守恒定律过时间与空间——彼此无关时间与空间——与物质的运动状态无关同时性的绝对性——超距作用抛弃了旧的时空观；惯性系是等价的绝对静止的空间；特殊的惯性系——以太⑷狭义相对论的时空观（高速、宏观、惯性系等价）①继承绝对时空观：时间的一维、均匀、无限；空间的三维、均匀、无限；②发展了“宇宙无中心”的观点——时空对称原理③

建立四维时空坐标——2023/3/2017④抛弃了绝对时时空观——相对时空观洛仑兹变换时间与空间皆与物质的运动状态有关空间间隔是相对的时间间隔是相对的同时性是相对的光速不变原理爱因斯坦火车理想实验←运动的时间变慢←运动尺子收缩2023/3/2018由得当时，有⑥

同时性不同时的简单理论证明⑤同时性不同时的理想实验证明：爱因斯坦火车理想实验2023/3/2019⑦

四维时空间隔不变性时空相对、赝欧几何、惯性系等价注1：狭义相对论的两条基本假定光速不变原理相对性原理注2：狭义相对论的实验基础迈克尔逊—莫雷实验实验第一步实验第二步时间差附加光程差两步实验的条纹应当移动N=0.37个条纹，但是实验结果N=02023/3/2020第一束光在以太参照系的时间t1（光程）光束由分光板P射向M2需时间1光束由M2返回分光板P需时间2⑦

迈克尔逊—莫雷实验的原理及其结果证明

迈克尔逊干涉仪2023/3/2021第二束光在以太参照系的的时间t2（光程）所以2023/3/2022所以得实验第一步同理得实验第二步时间差对应附加光程差两步实验的条纹位置，应当移动N=0.37个条纹，相当于明暗条纹互换位置，但是实验结果N=0此时，会有一个稳定的条纹分布此时，亦会有一个稳定的条纹分布2023/3/2023⑸广义相对论的时空观（非惯性系与引力场等价）①进一步发展了“宇宙无中心”的观点——等效原理②补充了时空观念依赖于物质分布的相对性——引力场方程广义相对性原理：一切物理规律在任意参考系间等价。——运动的绝对性③补充了时空结构与物质分布的关系——空间弯曲物质密度越大的地方——统一时空弯曲的曲率越大空间越弯曲时间流逝越慢引力张量；黎蔓曲率张量；时空度规张量；宇宙半径关于非惯性系等效原理：加速场与引力场等效；——无法区分2023/3/2024⑹广义相对论的近代引力理论——②宇宙空间是有限的还是无限的——有限无边小尺度宇宙：渺观——轻子、光子、夸克以下的层次微观——光子、质子、中子、原子核、原子、分子、有机物③时间有始有终，还是无始无终？物理学“宇宙”的“生死”交替，构成了哲学“宇宙”的时间的无限性……大尺度宇宙：宏观——行星、恒星、恒星系统（太阳系）宇观——银河系、星系群、星系团之间的暗物质胀观——超星系团、总星系……无限宇宙…①大爆炸宇宙模型——无限膨胀，直至消亡；无限膨胀；膨胀一定阶段，转化为收缩。宇宙辐射背景；氦丰度天体年龄物理学的，…？哲学的，？……现代宇宙学的理论基础2023/3/2025①时间和空间可能存在着一个最小限度——时间、空间量子化普朗克时间普朗克长度美国物理学家古斯（guth）的暴胀宇宙模型：宇宙起源于物理点，而非数学点——超过以上范围，现今物理学理论已不适用假真空态——黑格斯场，其能量密度是原子核密度的倍。②宇宙并非起源于时间、空间和没有物质的“虚无”——假真空态③真空也有复杂的结构真空——各种基态量子场……。⑺量子理论的时空观及其现代宇宙学的时空观秒④量子理论的时空观在处理渺观和胀观物质领域遇到了困难，……米2023/3/2026⑴运动是绝对的①哲学上的意义：物质与运动是不可分割的③相对性原理：一切动力学规律的形式都不因参照系的选择而改变。⑵运动描述的相对性运动学规律的形式会因不同参照系的选择而不同。⑶

物理学只研究物质低级运动的形式①低级运动形式的含义：机械运动和物理运动——最基本的②低级运动形式的具体学科：力学、热学、电磁学、光学原子物理学、原子核物理学粒子物理学——量子物理学大学物理学（普通物理学）②质能守恒——广义的运动狭义的运动参照系的本质特征是什么？4、运动与静止2023/3/2027

2004年诺贝尔物理学奖三科学家分享共约136万美元美国人：戴维·格罗斯

，戴维·波利泽和弗兰克·维尔泽克

●表彰他们“对夸克的研究使科学更接近于实现它为“所有的事情构建理论”的梦想

”。瑞典国王于10月10日