Question

物理学的几个问题

Answer 1

1、 何谓物理定律的空间平移对称性、转动对称性和时间平移对称性？试分别指出它们对应着哪个守恒定律?

答：物理定律的对称性是指经过一定的操作后，物理定律的形式保持不变。

(1)物理定律的空间平移对称性。设想我们在空间某处做一个物理实验，然后将该套实验(连同影响该实验的一切外部因素)平移到另一处。如果给以同样的起始条件，实验将会以完全相同的方式进行。这说明物理定律没有因平移而发生变化。这就是物理定律的空间平移对称性。它表明空间各处对物理定律是一样的，所以又叫做空间的均匀性。

(2)物理定律的转动对称性。如果在空间某处做实验后，把整套仪器(连同影响实验的一切外部因素)转一个角度，则在相同的起始条件下，实验也会以完全相同的方式进行。这说明物理定律并没有因转动而发生变化。这就是物理定律的转动对称性。它表明空间的各个方向对物理定律是一样的，所以又叫做空间的各向同性。

(3)物理定律的时间平移对称性。如果我们用一套仪器做实验，该实验进行的方式或秩序是和此实验开始的时刻无关的。无论在什么时候开始做实验，我们得到完全一样的结果。这个事实表示了物理定律的时间平移的对称性。

关于物理定律的对称性有一条很重要的定律——对应于每一种对称性都有一条守恒定律。例如，对应于空间平移对称性有动量守恒定律，对应于空间的转动对称性有角动量守恒定律，对应于时间平移对称性有能量守恒定律。

2、 热力学四大定律的内涵，为什么说熵概念比能量更重要？

答：1) 热力学第零定律:　若有A、B、C三个处于任意确定的平衡态的系统，而系统A和系统B是互相绝热的。令A和 B同时与系统C相互热接触，经过足够长的时间后，A和B都将与C达到热平衡。

2) 热力学第一定律内容: 任一过程中，系统所吸收的热量在数值上等于该过程中系统内能的增量及对外界作功的总和。“第一类永动机是不可能造成的”是热力学第一定律的另一种表述方式。；

3) 热力学第二定律的两种表述；

①克劳修斯表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。也就是说，不可能有这样的机器，它完成一个循环后唯一的效果，是从一个物体吸热并放给高温的物体。热力学第二定律的克氏表述实质上说热传递过程是不可逆的。

②开尔文表述：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。又可表述为：第二类永动机是不可能造成的。热力学第二定律的开氏表述实质上说功转变为热的过程是不可逆的。

4) 热力学第三定律“不可能用有限手续使一物体冷却到绝对温度的零度”，这个原理叫做绝对零度不能达到原理。

5) 对熵概念表述、理解和认识，可举例在人文、管理等的应用：

熵指的是体系的混乱的程度，从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。能量和熵是物理学中最重要最基本的两个概念，能量概念早已被人们广泛地接受，成为人类社会生活中不可缺少的用语，熵是一个人们还是不太熟悉的概念，然而它已渗透到社会的各个方面，蕴含了极其丰富的内容。从这两个概念的建立到本世纪初，人们一直认为能的概念比熵的概念更重要，传统的看法是把能量比喻为宇宙的女主人，熵是她的影子，意思是能量主宰了宇宙中的一切，因为任何过程能量必须守恒，而熵不过是能量的附庸，是在能量守恒的前提下进一步指示过程进行的方向罢了。

随着时代的发展，熵概念的重要性越来越突出了，人们把它与无效能量、混乱、废物、污染、生态环境破坏、物质资源浪费甚至于政治腐败、社会腐败联系起来，把负熵与有序、结构、信息、生命甚至廉政、精神文明联系起来，于是就有了另一种比喻：“在自然过程的庞大工厂里，熵原理起着经理的作用，因为它规定整个企业的经营方式和方法，而能量仅仅充当簿记，平衡贷方和借方。”也就是说能量仅仅表达了宇宙中的一种守恒关系，而熵决定了宇宙向何处去。因此我们说熵概念比能量更重要。

熵在人文、管理等学科中的一些应用（略）

3、 学了《文科物理》后谈谈你对时空观的认识？

绝对时空观认为空间是绝对的，它的意思是空间的存在是永恒的，与空间里是否有物质存在毫无关系。因此，空间就像一个静止的空格，在这一空格里我们可放一些物体，而当物体在此空间内运动时，与空间并没有相互作用存在。在宇宙中每一物体都是在某一时刻占据空间内某一地方，当一个物体在运动时，其位置便随时间连续变化。空间内两点的距离可用标准米尺度量它，这些度量的结果与欧几里德几何大致相符合。例如空间内两点间最短的连线是直线，或者空间内任意三角形的内角之和为180o。因此，我们假设我们所处的空间是欧几里德空间。

绝对时空观认为时间也是绝对的。时间一直向前“流去”，与物体的存在以及物理现象的发生毫无关系。我们无法降低或加快时间流动的速度，并且在宇宙中任何一个地方时间流动的情形都是相同的。因此在我们地球上一秒钟的间隔和其他星球上一秒的间隔是完全相等的，不管这些星球间是否有相对速度的存在。也就是说，如果我们将两个经校正之同步时钟放在不同的地点，或者不同的星球上面，这些时钟的读数应当永远是相同的。

现代时空观认为绝对时空观只适用于远低于光速、宏观（非宇观）的情况。

对于高速（接近光速）则有狭义相对论时空观，它与绝对时空观的主要差别有三个方面：

（1）时间膨胀效应：就是从静系看来，动系的时钟变慢，反过来从动系看静系的时钟也变慢，变慢的程度为每秒慢(1 -  )秒，即速度v越大变慢得越厉害。时间膨胀效应又称“运动的时钟走慢了”。

（2）长度收缩效应：就是从静系看来，动系中的刚性球的直径沿着运动方向按一定比例收缩，反过来从动系看静系的刚性球也有这种效应。长度收缩的程度与运动速度有关，收缩比为 ，即速度v越大收缩越厉害。长度收缩效应通常又称为运动尺子缩短效应。

（3）同时性的相对性是指在S系中不同地点的两个事件A和B同时发生，而在S′系中观测，A和B并不是同时发生的。如果在S系中，A和 B既不同时，也不同地发生的两个事件，在S′系观测，倒可看到是同时发生的，这就说明了同时性的相对性。根据同时性的相对性，我们可以发现如下情景：在S系中观测，B事件迟于A事件发生，而在S′系中观测，B事件可能先于A事件发生。这就是说，两个事件发生的时间顺序在不同参考系中观测有可能颠倒 。不过应该注意这只限于两个互不相关的事件。对于有因果关系的两个事件，它们发生的顺序，在两个参考系中观测都是不应该颠倒的。

对于大尺度空间，例如天文宇宙尺度，空间是弯曲的，是非欧几里德空间。

4、 学了《文科物理》后谈谈你对宇宙观的认识？

答：20世纪以前的唯物主义宇宙观主要包括这样几层意思：宇宙是客观存在的，宇宙里到处是运动、变化着的物质，宇宙是无限大的、又是无始无终的；并受牛顿力学、牛顿自然哲学的影响，认为宇宙物质均存在于平直的绝对空间中、时间独自流逝也是单调、绝对的。宇宙既然无限，就谈不上整体的运动和演化；无演化史，也就谈不上演化进程的起始和终止。所以这样的宇宙观带有机械论色彩；况且它与绝对时空观相联系。

    现代宇宙观认为宇宙有限，这是对20世纪以前的宇宙观念的极大转变。人类的观测能力总是有限的，人类对客观物质世界的认识乃通过实验实践而获得，所以人们无法谈论观测所及范围以外的情况；因此，宇宙有限，无违于唯物主义认识论的基本精神。宇宙有限，除了有其内局部物质的运动、变化外，还可能有其整体的运动、变化。

再则，广义相对论赋予运动物质与弯曲时空以等同性，物质分布的对称性决定其时空结构的对称性。为满足宇宙空间呈现恒常曲率的黎曼型结构，整个宇宙就必定是闭合而有限的。因此，相对论宇宙观是相对论时空观引伸的结果，二者并非彼此独立；甚或可以说，相对论宇宙观等同于物质世界宇观层面上的相对论时空观。宇宙有限与黎曼型时空结构相协调，宇宙演化则进一步深化了对时间概念的理解。如此看来，相对论宇宙观伴随着相对论时空观而相偕确立，除去了20世纪以前人类自然观的某些机械论色彩，丰富了自然哲学之唯物辩证法的蕴含。

5、 学了《文科物理》后谈谈你对物质观的认识？

答：现代物质观要义简述如下：

（1）大质量的宏观、宇观物质体系激发的引力场导致时空弯曲，物质与时空结合为统一体，物质运动与时空结构相互关联。

（2）高速运动的物质体系，其基本动力学性质和时空量度均受到运动的显著影响，从而体现唯物辩证法关于物质与其运动的统一性。

（3）物质微观层面显示实物粒子与辐射场的统一性，这两类物质形态的任何体系都呈现波粒二重性的共同征状；集波动性和粒子性、连续性和分立性于一体的量子场是物质存在最基本的形式。

（4）微观层面与宏观、宇观层面的物质运动相比较，是前者以非连续性取代了后者的连续性；作用量子使微观物质体系运动显露种种量子化效应。

（5）物质结构层次渐趋深入，但似乎出现难于继续分割的“基底”粒子，各“基底”粒子与强作用、弱作用、电磁作用、引力作用等相互作用场，随着能量尺度的提高，表现出最终趋于同一物质形态的可能性。

（6）微观物质体系的运动不满足严格的因果律、不符合纯粹的决定论原则，其固有的统计性规律亦起因于作用量子的存在。

（7）物质客体当然不依赖于认识主体而独立存在，但认识主体的观察测量会对物质客体性状产生不可忽略、不可控制的干扰，从而使主体所认识到的物理实在不同于、也不可能同于物质客体的自在状态，亦即实在概念必然受制于“既为观众、又为演员”的认识主体所进行的观察测量。

按照传统思想，物质是无限可分。然而按现代物质微观结构层次观点，就目前理论上和实验上的研究成果而论，分割夸克便是不可能的。即出现“夸克禁闭”问题。

    既然“夸克禁闭”难于打破，未来可否将对物质结构的探索进一步深入下去呢？在新世纪里，总该对夸克、轻子是否有内部结构、是否有下一个物质结构层次？。我们认为，对夸克–轻子层次的探索还方兴未艾；在高能尺度上，粒子转化更易发生，质能转化这条基本原则和一些守恒定律等其他原则时时在促成新粒子对的产生和湮灭；只要实验条件允许，在夸克–轻子层次，还会有新现象、新粒子冒出来，这一个层次的内涵还有待充分地揭示。

    对夸克–轻子层次的认识有待扩展；对“夸克禁闭”的探究取决于对强相互作用的理论描述。但QCD是量子论与相对论结合的产物，禁闭概念亦是这两个理论之基本观念的逻辑推论，所以在当今这两个理论主宰的现代物质结构理论范畴里，夸克–轻子层次成了最深的结构层次；倘若未来高新技术出现出乎意料的跃进，以致使更深的结构层次露出端倪，那末理论描述也要发生变革，即现代物理的理论基础也要彻底改变。

现代物质观导致互补哲学思想在物质深层次探索中占据主导地位。这一种哲学的表述形式似乎把唯物辩证法的通常理解方式拓宽了；它剔除了原来理解中可能出现的机械自在论的色彩，对唯物主义给以更确切、更全面、也就更辩证的说明。

6、 何谓波粒二象性？如何理解波粒二象性？

答：1924年德布罗意提出物质波假设：自然界在许多方面是显著地对称的，我们可以观察到的宇宙全是有光和实物组成的，如果光既有波动性又有粒子性──具有波粒二象性，则实物或许也有这种二重性。

波粒二象性并不真的表明微观客体本来有此二重性质，其实是既非经典的粒子，又非经典的波；这两种形态只是微观客体运动在不同的实验安排下呈现于宏观仪器上的不同图象，人们不得不以经典概念——粒子性和波动性，才对其作出互为补充的全面描述。例如光波的干涉、衍射等效应呈现光的波动性，而康普顿散射、光电效应则呈现光的粒子性光。

微观客体的“波粒二象性”是用经典语言描述微观客体的结果。这两种图像既互相排斥，又必须同时用于对微观客体的统一性质的描述，所以它们又是互补的。这种互补的概念适用于整个物理学，甚至超越了物理学界而成为有普遍意义的一个哲学原理。

7、 何谓不确定性原理？试说明它的物理涵义。

答：不确定性原理：测量一个微观粒子的位置，如果不确定范围为△q，同时测量其动量也有不确定范围△p，则存在关系式： △p·△q ≥ h ，这就是所谓不确定关系。这个关系的意义表示：如果我们要根据经典力学的概念来描述微观粒子，则测量粒子在某一方向位置的不确定量和该方向动量的不确定量的乘积，必须大于或等于h ，也就是说，当我们决定粒子的坐标愈精确的 同时，决定其相应的动量的分量的准确度也就愈差，反之亦然。不确定关系表示了微观粒子运动时的一种规律。应当指出这“不确定”不是由于测量仪器或方法的缺陷，而完全是由于微观粒子运动的波动性引起的，无论怎样改善仪器和方法，测量精确度都不可能超过不确定关系给出的限度。

不可能同时测出微观粒子的位置和速度是因为光子、电子以及其他一切微观粒子都具有基本的量子特性。当我们试图利用一个量子客体去确定另一个量子客体的位置时，第二个客体的量子特性之一就变成完全不可能控制的了。为了把粒子A的位置测得很准确，我们不得不利用具有动量特别大的粒子B，而动量大的粒子B作用粒子A使其动量变化，因此粒子A的动量无法准确确定。