20世紀(jì)物理學(xué)（第1卷）

第1 卷
第1章1900年的物理學(xué)...................................................... 1
1.1 科學(xué)家社團(tuán).............................................................3
1.2 物理學(xué)家的培養(yǎng)........................................................ 6
1.3 從事研究的物理學(xué)家.................................................. 13
1.4 對(duì)研究工作的資助.................................................... 15
1.5 黑體輻射.............................................................. 18
1.6 實(shí)驗(yàn)設(shè)備.............................................................. 19
1.7 物理世界的圖景.......................................................23
1.8 現(xiàn)代物理學(xué)的萌芽.................................................... 29
參考文獻(xiàn)................................................................... 30
第2 章引進(jìn)原子和原子核.................................................... 36
2.1 前言...................................................................36
2.2轉(zhuǎn)變的10年：1895～1905 ............................................. 43
2.3放射性：1896～1905 ................................................... 46
2.4原子的結(jié)構(gòu)：1897～1906...............................................52
2.5 量子物理學(xué)的誕生.................................................... 54
2.6 Niels Bohr—— 量子動(dòng)力學(xué)之父....................................... 59
2.6.1NielsBohr的個(gè)人背景和早年經(jīng)歷...................................59
2.6.2迄至1913年的光譜學(xué)..............................................61
2.6.3NielsBohr在1913年3月前;先驅(qū)者們..............................64
2.6.4NielsBohr的氫原子................................................67
2.6.5NielsBohr思想的沖擊..............................................71
2.7先是喜報(bào)——舊量子論的更多成就.................................. 73
2.7.1Stark效應(yīng).........................................................73
2.7.2Franck-Hertz實(shí)驗(yàn)..................................................73
2.7.3Sommerfeld引進(jìn)兩個(gè)新的量子數(shù),氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)..................74
2.7.4Ehrenfest的浸漸原理...............................................75
2.7.5Einstein將概率引入量子物理學(xué).....................................76
2.7.6選擇定則和偏振規(guī)則................................................77
2.7.7元素周期表........................................................78
2.7.8Pauli不相容原理...................................................80
2.7.9鉿的發(fā)現(xiàn)..........................................................82
2.7.10第四個(gè)量子數(shù);自旋...............................................82
2.8后是噩耗——舊量子論的危機(jī)....................................... 83
2.8.1氦................................................................83
2.8.2反常Zeeman效應(yīng)..................................................84
2.8.3收獲..............................................................85
2.9β射線(xiàn)譜學(xué)：1906～1914 ............................................... 85
2.10 核模型, 肇始......................................................... 89
2.10.1質(zhì)子–電子(P-E)模型.............................................89
2.10.2結(jié)合能...........................................................91
2.10.31919：首次元素嬗變...............................................93
2.10.4一種新的力——核力的首次暗示...................................93
2.11 1926～1932：核悖論的年代........................................... 94
2.11.1α衰變得到解釋...................................................95
2.11.2原子核的大小.....................................................95
2.11.3核磁矩...........................................................96
2.11.4核自旋...........................................................96
2.11.5核統(tǒng)計(jì)...........................................................96
2.11.6β譜：1914～1930 .................................................. 97
2.12 中子................................................................. 98
2.12.1 Chadwick ........................................................ 98
2.12.2感生放射性：Joliot-Curie夫婦......................................99
2.12.3中子是什么？....................................................100
2.12.4第一個(gè)核力理論：Heisenberg......................................101
2.12.5第一個(gè)核反應(yīng)理論：Bohr.........................................102
2.13 β 譜：開(kāi)端的終結(jié)................................................... 104
2.13.1 Bohr ............................................................ 104
2.13.2Pauli............................................................105
2.13.3Fermi...........................................................106
2.14 裂變................................................................ 107
2.14.1裂變的發(fā)現(xiàn)......................................................107
2.14.2Bohr論鈾235...................................................108
2.14.3附言：戰(zhàn)前關(guān)于從裂變得到原子能的想法...........................109
參考文獻(xiàn).................................................................. 110
第3 章量子和量子力學(xué)..................................................... 122
3.1 引言................................................................. 122
3.2量子——實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)(1900～1928) .................................... 124
3.2.1輻射和量子(1900～1913)...........................................124
3.2.2原子結(jié)構(gòu)和光譜線(xiàn)(1913～1921) .................................... 132
3.2.3量子力學(xué)效應(yīng)(1922～1928) ........................................ 137
3.3量子力學(xué)的起源和完成(1913～1929)................................. 145
3.3.1“舊量子理論”的原理和失敗(1913～1924) ........................... 147
3.3.2哥廷根的量子力學(xué)和Schr¨odinger的波動(dòng)力學(xué)(1925～1926) ........... 154
3.3.3物理詮釋和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)(1926～1933) .................................. 164
3.4微觀物理世界(1925～1935)...........................................175
3.4.1量子力學(xué)的應(yīng)用(1925～1932) ...................................... 176
3.4.2量子力學(xué)中的因果性、互補(bǔ)性和實(shí)在性(1926～1935) .................. 182
3.4.3超越量子力學(xué)(1932年～ 現(xiàn)在)....................................189
參考文獻(xiàn).................................................................. 192
第4 章相對(duì)論的歷史....................................................... 211
4.1 引言................................................................. 211
4.2 狹義相對(duì)論.......................................................... 214
4.2.1理論的起源：力學(xué).................................................214
4.2.2狹義相對(duì)論的起源：光學(xué)和電動(dòng)力學(xué)................................217
4.2.3狹義相對(duì)論的表述.................................................222
4.2.4相對(duì)論后來(lái)的發(fā)展.................................................229
4.2.5其他的表述方式和形式體系........................................229
4.2.6相對(duì)論性速度空間(運(yùn)動(dòng)學(xué)空間)....................................232
4.2.7粒子動(dòng)力學(xué).......................................................233
4.2.8剛性運(yùn)動(dòng)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)..........................................233
4.2.9電動(dòng)力學(xué).........................................................234
4.2.10相對(duì)論熱力學(xué)....................................................235
4.2.11相對(duì)論統(tǒng)計(jì)力學(xué)..................................................235
4.2.12量子理論和基本粒子.............................................236
4.2.13引力理論........................................................236
4.2.14實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和應(yīng)用..................................................237
4.3 廣義相對(duì)論.......................................................... 238
4.3.1等效原理.........................................................239
4.3.2度規(guī)張量場(chǎng).......................................................241
4.3.3場(chǎng)方程...........................................................243
4.3.4別種方案.........................................................245
4.3.5關(guān)于廣義相對(duì)論后來(lái)的工作........................................246
4.3.6別種表述和基礎(chǔ)...................................................247
4.3.7引力能量的問(wèn)題...................................................249
4.3.8廣義相對(duì)論的物理解釋............................................249
4.3.9精確解和近似方法.................................................250
4.3.10運(yùn)動(dòng)方程........................................................251
4.3.11Schwarzschild解和經(jīng)典檢驗(yàn)......................................251
4.3.12黑洞、引力塌縮和奇點(diǎn)............................................254
4.3.13引力輻射........................................................257
4.3.14近期的天文學(xué)和天體物理學(xué)應(yīng)用和檢驗(yàn).............................260
4.3.15量子引力........................................................261
4.3.16相對(duì)論的哲學(xué)地位和公眾反應(yīng).....................................263
4.4 統(tǒng)一場(chǎng)論.............................................................264
參考文獻(xiàn).................................................................. 266
第5 章核力、介子和同位旋對(duì)稱(chēng)性..........................................307
5.1 1930 年前后的物理學(xué)................................................ 307
5.1.1物質(zhì)的構(gòu)成.......................................................307
5.1.21930年的原子物理學(xué)和分子物理學(xué)(能量為eV的物理學(xué))............308
5.1.3X射線(xiàn)與Compton效應(yīng)(能量為keV的物理學(xué)).....................310
5.1.4α衰變、β衰變及原子核的分類(lèi)(能量為MeV的物理學(xué))..............314
5.1.5宇宙射線(xiàn)與Heisenberg1932年的分析..............................315
5.2奇跡年——1932年的新物理學(xué)...................................... 317
5.2.1新粒子的發(fā)現(xiàn).....................................................317
5.2.2Heisenberg的原子核中子–質(zhì)子模型.................................318
5.2.3Fermi的β衰變理論..............................................320
5.3 兩個(gè)基本的核力理論................................................. 321
5.3.1Fermi場(chǎng)理論.....................................................321
5.3.2湯川介子理論.....................................................324
5.420世紀(jì)30年代的宇宙線(xiàn)：QED,簇射和重電子......................327
5.4.1軟成分和硬成分...................................................327
5.4.2日本和英國(guó)的新介子理論..........................................332
5.5 重電子, 介子及粒子物理學(xué)的誕生................................... 337
5.5.1宇宙線(xiàn)重電子.....................................................337
5.5.2重電子衰變與β衰變..............................................340
5.5.3介子與核力.......................................................342
5.5.4穿透輻射.........................................................344
5.6 第二次世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后的發(fā)現(xiàn).................................. 344
5.6.1對(duì)重電子的更多懷疑：衰變與俘獲..................................344
5.6.2π子的發(fā)現(xiàn).......................................................346
5.6.3更多的粒子發(fā)現(xiàn)...................................................347
5.7 結(jié)論................................................................. 348
參考文獻(xiàn).................................................................. 348
第6 章固體結(jié)構(gòu)分析....................................................... 360
6.1 1912 年以前的晶體學(xué)和X 射線(xiàn)...................................... 360
6.2 晶體X 射線(xiàn)衍射的發(fā)現(xiàn)..............................................362
6.3 實(shí)驗(yàn)技術(shù).............................................................368
6.4 結(jié)構(gòu)測(cè)定的方法......................................................373
6.5 精確結(jié)構(gòu)分析........................................................ 383
6.6 中子衍射.............................................................387
6.7 電子衍射.............................................................393
6.8 表面晶體學(xué).......................................................... 395
6.9 不完美晶體和非晶體................................................. 400
6.9.1線(xiàn)度增寬.........................................................400
6.9.2層狀結(jié)構(gòu)的錯(cuò)排...................................................401
6.9.3有序—無(wú)序轉(zhuǎn)變...................................................401
6.9.4冰的結(jié)構(gòu).........................................................402
6.9.5晶體位錯(cuò).........................................................403
6.9.6非晶態(tài)結(jié)構(gòu).......................................................405
6.9.7準(zhǔn)晶.............................................................408
6.10 晶體結(jié)構(gòu)分析的影響................................................410
6.10.1內(nèi)聚能和彈性....................................................410
6.10.2光學(xué)和介電性質(zhì)..................................................410
6.10.3鐵電性..........................................................411
6.10.4超導(dǎo)性..........................................................414
6.10.5無(wú)機(jī)化學(xué)........................................................415
6.10.6有機(jī)化學(xué)........................................................417
6.11 生物分子結(jié)構(gòu)....................................................... 419
6.12 國(guó)際晶體學(xué)聯(lián)合會(huì)及相關(guān)機(jī)構(gòu)...................................... 430
參考文獻(xiàn).................................................................. 432
第7 章熱力學(xué)與平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué).............................................. 442
7.1引言——19世紀(jì)背景............................................... 442
7.2 量子理論的影響......................................................444
7.2.1黑體輻射.........................................................444
7.2.2固體的振動(dòng)比熱...................................................445
7.2.3經(jīng)典和量子統(tǒng)計(jì)...................................................445
7.2.4氣體比熱.........................................................447
7.2.5Bose-Einstein凝聚................................................449
7.2.6Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)的應(yīng)用...........................................449
7.3 理論形式的發(fā)展......................................................450
7.3.1Gibbs系綜.......................................................450
7.3.2Einstein的漲落處理...............................................451
7.3.3第二定律的數(shù)學(xué)背景：Carath′eodory方法...........................452
7.3.4統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的平均值方法(Darwin-Fowler方法)......................452
7.4 熱力學(xué)第三定律......................................................453
7.4.1歷史回顧.........................................................453
7.4.2 T → 0時(shí)的相平衡................................................454
7.4.3熵的量熱估計(jì)和統(tǒng)計(jì)估計(jì)..........................................456
7.4.4甚低溫的獲得.....................................................456
7.4.5負(fù)溫度...........................................................457
7.5 相變和臨界現(xiàn)象......................................................458
7.5.1引言.............................................................458
7.5.2液–氣臨界點(diǎn)......................................................458
7.5.3鐵磁的Curie點(diǎn)...................................................460
7.5.4流體的微觀臨界行為：臨界乳光....................................460
7.5.5二元合金的臨界行為...............................................462
7.5.6二級(jí)相變的Landau理論：普適性..................................463
7.5.7氣體凝聚的統(tǒng)計(jì)力學(xué)：Mayer-Yvon理論.............................465
7.5.8Ising模型：Onsager的革命........................................466
7.5.9調(diào)和：標(biāo)度和普適性的經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)....................................472
7.5.10至尊的重正化群(RG)............................................475
7.5.11自避行走及聚合物構(gòu)象...........................................478
7.5.12具有其他有趣特征的模型.........................................479
7.5.13滲流過(guò)程........................................................479
7.5.14自相似性與分形..................................................481
7.6 其他論題.............................................................482
參考文獻(xiàn).................................................................. 484
第8 章非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)：變幻莫測(cè)的時(shí)間演化..............................493
8.1 變遷與鞏固的階段................................................... 493
8.1.1不可思議的最初十年...............................................493
8.1.219世紀(jì)的遺產(chǎn)....................................................494
8.1.3正在形成中的學(xué)科定義............................................497
8.2 三個(gè)時(shí)期的歷史......................................................498
8.2.1第一期：從Boltzmann方程到主方程...............................500
8.2.2第二期：從主方程到混沌肇端(1940～1975) .......................... 508
8.2.3第三期：1975年～20世紀(jì)90年代.................................521
參考文獻(xiàn).................................................................. 528
圖片來(lái)源確認(rèn)與致謝...........................................................531