现代物理学简史 9787547854839

20世纪是一个学术、艺术和政治出现大变动的时代。它也是一个出现了许多不可思议的科学大发现的时代。这些科学发现的新思路改变了我们对自己和宇宙进行思考的方式;而伴随这些科学发现所涌现的新技术则使我们工作、相互交往和休闲的方式发生了革命性的变化。未来的历史学家或许会把这一世纪看作是物理学的黄金时代。的确;这一世纪中出现的狭义相对论改变了我们对于空间、时间和物质的观念，而量子论则更新了我们对于客观实在的观念。更有甚者，广义相对论则在尺度上表明，引力不是什么别的东西，它就是几何学，空间和时间的畸变只不过是由物质的存在引起的而已。用这样的思想来处理宇宙，我们人类自己所在的银河系只不过是亿万星系中的一个，而这些星系自某个难以置信的暴烈的开端——宇宙大爆炸——起一直在飞奔着，相互离得越来越远。
我们业已建立了横跨两国的足够大的装置，旨在击碎微小的肉眼看不见的粒子，然后产生新物质。借助它我们可以探索基本粒子之间的精妙联系，并模拟宇宙大爆炸之后只存在了几分之—秒的条件。现在我们可以把一颗卫星放入空间，用它来观察 100亿年前宇宙中发生的事件，也可以用原子写下我们的名字。我们还在考虑建造一种计算机，它能够在堆积如山的平行世界里进行计算。有声望的物理学家发表论文说，他们严肃地提出了用于各种隐形传态的装置和时间机器的设计。比在自然界中存在过的任何温度更低的温度可以在实验室中作为常规任务而产生出来，并借以探索奇异的物质新状态。接近于零度时奇异的现象发生了——超流体会从盛着它们的容器中逃逸，电流能在超导电线中毫无阻尼地流动，磁铁能够飘浮起来，成群的原子能够聚集在一起形成称之为玻色-爱因斯坦凝聚体的量子液滴。可以说，没有一个人能够想象到在过夫的一百年间所出现的奇异而又貌似荒谬的各种发现。
20世纪还出现了一些前所未有的伟大的物理学家。其中阿尔伯特·爱因斯坦尤为突出，他既是革命的，又是十分谨慎甚至可以说是保守的，他帮助创立了量子论（他本人就像量子论一样神秘），却从未承认它。 由于两个相对论。他的知名度变得比谁都高。他毕其一生孜孜不倦地探索统一场论——在 20世纪末诸如爱德华·威滕（Ed.Witten）那样的弦理论物理学家又在着手从事这样一个历时弥久的探索。那时爱因斯坦有一个量子论方面的对手——玻尔（N. Bohr），后来他成了量子论哥本哈根学派诠释的缔造者。20 世纪 20年代，由于海森伯（W.Heisenberg）、薛定谔（E. Schrödinger）、玻恩（M. Born）以及其他一些人的工作，所有物理理论的重要的方面都呈现到了世人面前。是玻尔把一切东西都汇合起来。当理论物理学家正在努力建立原子的数学模型时，伟大的实验物理学家卢瑟福（E. Butherford）正在根据汤姆孙（J.J.Thomson）、贝克勒尔（H.Becquerel）和居里的工作，将原子击碎。以期搞清楚组成原子的更基本的东西是什么。高能物理学的许多工作则是卢瑟福的工作的直接延伸。狄拉克（P.Dirac）、费曼（R.Feynman）、戴森（F. Dyson）、施温格（J.Schwinger）、朝永振一郎（Tomonoga）、惠勒（J.Wheeler）以及其他许多人则把量子论的原理推广到了量子场论，为粒子物理学的统一模型铺平了道路，日后它形成了标准模型的理论构架。人们又把人类所特具的心灵手巧用到了探测器的研制上，所研制出的这些探测器具有空前巨大的复杂性和极高的精密度，以便能在巨大的加速器中所发生的剧烈碰撞中拣选出重要的事件。物质结构的越来越深的层次被揭示出来了，尽管每个层次在刚刚被揭示时颇令人困惑.但是当其内部对称性和结构图像被发现后。它们也就渐渐能被人们更深刻地理解了。初出现的是原子，其次是电子和核、核子，以及所有重子、轻子和夸克，而现在我们仍然在寻找更多的粒子。新的奇异粒子也许会决定宇宙是否终会坍缩，或者是否所有的物质终是不稳定的。
哈勃发现宇宙正在膨胀，这一发现使爱因斯坦感到震惊。四分之三个世纪之后哈勃空间望远镜则发回了我们所曾见过的遥远而又古老的天体的图像，这些图像有助于我们去检验字审膨胀的速率。减少我们在估算哈勃常数和字审年龄时所产生的误差。 当爱丁顿（M.Eddington）、贝特（H.Bethe）、福勒（W.Fowler）在搞清恒星上的核合成机理时，理论天文学和观测天文学则把更令人感兴趣的奇特的东西——白矮星、红巨星、中子星、脉冲星，还有令人犯愁的黑洞——加到我们的天体目录上。
许多年以前我就被物理学深深地吸引住了，因为它提出并试图解答诸如以下的一些重大问题-—物质的本质、宇宙的起源和终结、时间与空间的问题以及客观实在的本质。在本书中我力图给出 20世纪物理学的主要理论脉络的入门知识，叙述一些对塑造我们现在的世界观的论点和思想的感受。书中描述和讨论了许多诺贝尔奖获得者的工作，也引用了许多他们的论述。然而，我略去了大多数的技术问题。只有粒子物理学中的加速器和探测器以及各种各样的望远镜是例外，因为它们大大增强了我们在和小尺度上探索这些重大问题的能力。我力图把物理问题解释清楚，但也避免把它搞成像教科书的样子。涉及得比较多的数学问题一般我把它放到数学箱或附录中。但即便没有它们，整个故事还是前后连贯，并且能为读者所理解。书中的插图、照片和手绘人物肖像是我兄弟尼克（Nick）的作品，对此我再次表示深深的谢意。威斯敏斯特学校物理系的前同事们对物理学的热爱以及对某些物理思想的热心讨论也有助于搞清楚许多问题，在此我对他们表示衷心的感谢。多年来我的学生们也使我注意到了物理学的许多文章和新进展，并问了我许多难题，而正是这些难题使得物理学成为令人十分兴奋的话题。我从研究和本书的写作中获得了极大的乐趣，也希望你们在阅读本书时享受到这种乐趣。

史蒂夫·亚当斯

    20世纪的物理学革命大大改变了我们对于空间、时间和物质以及我们自己在宇宙中的存在等问题的思考方式。它对许多诸如事物的终极本质、宇宙如何起源等一些重大问题做出了解答。它动摇了我们关于牛顿宇宙和宿命论的观念，并提出了有关平行宇宙、时间旅行和万物起源的问题。同时，我们也目睹了物理学家追求统一理论的令人惊叹的努力。有了这样一个理论，众多物体、所有粒子的类型以及它们的相互作用都可由之推得。本书讲述的就是有关这些发现以及做出这些发现的人们的故事，很大程度上是通过讲述得诺贝尔奖的物理学家们的工作展开的。                 
    该书生动地介绍了20世纪物理学的主要脉络，旨在激起中学高年级学生、大学生和教师们的兴趣，它也会引起对科学真正有兴趣的广大普通读者的注意。书中也放入了必不可少的数学细节，但对它们的解释和处理颇具匠心，使得读者略过它们也能连贯地读完本书。

[美]史蒂夫·亚当斯（Steve Adams）是什鲁斯伯里学校科学和物理学教研室主任，曾任威斯敏斯特学校物理教研室主任。先前曾在曼彻斯特文法学校、瓦特福特文法学校执教，也曾在澳大利亚和加拿大两国执过教鞭。著有《相对论》（Relativity: An Introduction to Spacetime Physics）等。

周福新，中科院上海光机所编审，毕业于北京大学，在《物理学报》《量子电子学报》《光学学报》等杂志上发表多篇论文。
轩植华，中国科学技术大学理学院教授，与人合作出版《大学物理实验》，与郭光灿等合编《物理学大题典》。
单振国，中科院上海光机所研究员，在《光学学报》《电子技术应用》《中国激光》等杂志上发表多篇论文。与干福熹等合作出版《新型光学材料》。提出的GaAlAs/GaAs DH激光器发光器红外透射/发光观察法获上海市重大科研成果三等奖，中科院重大科研成果二等奖。

译者序 ００１ 
前言 ００１ 
篇量子革命  ００１ 
第１章前期量子论  ００６ 
第２章新量子论（１９２５～１９３０） ０３０ 
第３章第３章 量子谜团  ０５７ 
第４章量子电动力学  ０９４ 
第二篇解释物质  １１１ 
第５章原子和核  １１４ 
第６章标准模型  １４３ 
第７章粒子探测器  １６２ 
第８章粒子加速器  １７７ 
第９章对万物论的追求  １９３ 
第三篇空间与时间  ２１１ 
第１０章光速  ２１４ 
第１１章狭义相对论  ２２５ 
第１２章广义相对论  ２５０
第四篇天体物理和宇宙学  ２６９ 
第１３章天文观测  ２７２ 
第１４章恒星与天体距离  ２８７ 
第１５章宇宙学  ３１０ 
第五篇热力学与时间箭头  ３３３ 
第１６章时间、温度和概率 ３３６ 
第１７章向零度进军  ３６１ 
第１８章正反共轭（Ｃ）、空间反射（Ｐ）和时间反演（Ｔ） ３７６ 
附录  ３９３ 
附录１ 黑体辐射谱  ３９５ 
附录２ 薛定谔方程  ３９８ 
附录３ 氢原子  ４０１ 
附录４ 洛伦兹变换方程  ４０３ 
附录５ 电磁波的速度  ４０５ 
附录６ 诺贝尔物理学奖  ４０６ 
附录７ 重要的物理概念小辞典  ４１９ 
附录８ 重要的物理思想年表  ４３０ 
附录９ 进一步的读物  ４３４ 
索引 ４３

    20世纪的物理学革命大大改变了我们对于空间、时间和物质以及我们自己在宇宙中的存在等问题的思考方式。它对许多诸如事物的终极本质、宇宙如何起源等一些重大问题做出了解答。它动摇了我们关于牛顿宇宙和宿命论的观念，并提出了有关平行宇宙、时间旅行和万物起源的问题。同时，我们也目睹了物理学家追求统一理论的令人惊叹的努力。有了这样一个理论，众多物体、所有粒子的类型以及它们的相互作用都可由之推得。本书讲述的就是有关这些发现以及做出这些发现的人们的故事，很大程度上是通过讲述得诺贝尔奖的物理学家们的工作展开的。                 
    该书生动地介绍了20世纪物理学的主要脉络，旨在激起中学高年级学生、大学生和教师们的兴趣，它也会引起对科学真正有兴趣的广大普通读者的注意。书中也放入了必不可少的数学细节，但对它们的解释和处理颇具匠心，使得读者略过它们也能连贯地读完本书。

[美]史蒂夫·亚当斯（Steve Adams）是什鲁斯伯里学校科学和物理学教研室主任，曾任威斯敏斯特学校物理教研室主任。先前曾在曼彻斯特文法学校、瓦特福特文法学校执教，也曾在澳大利亚和加拿大两国执过教鞭。著有《相对论》（Relativity: An Introduction to Spacetime Physics）等。

周福新，中科院上海光机所编审，毕业于北京大学，在《物理学报》《量子电子学报》《光学学报》等杂志上发表多篇论文。
轩植华，中国科学技术大学理学院教授，与人合作出版《大学物理实验》，与郭光灿等合编《物理学大题典》。
单振国，中科院上海光机所研究员，在《光学学报》《电子技术应用》《中国激光》等杂志上发表多篇论文。与干福熹等合作出版《新型光学材料》。提出的GaAlAs/GaAs DH激光器发光器红外透射/发光观察法获上海市重大科研成果三等奖，中科院重大科研成果二等奖。