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20世纪物理学发展的现状和展望

20世纪，物理学在众多领域得到了长足的发展，老的学科新芽满枝，新的学科蓬勃发展；并且开拓出

广阔的应用领域。下面就这几个分支：即统计物理学、低温物理学、生物物理、原子分子和光物理学、受

控热核聚变、宇宙线物理学、引力物理学等领域的进展作一些综述和展望。

1、统计物理学的发展

统计物理学的概念已有一百多年历史，它可以追溯到19与20世纪转折时期的玻尔兹曼，吉布斯以及

许多其他现代物理学家的贡献。统计物理学它把原子尺度（埃的尺度）的物理性质与宏观尺度的物理性质，

以及所有有关的介观与宏观现象联系起来。如果知道了原子之间的相互作用力，要计算所有感兴趣的宏观

物理量，就需要处理涉及大数量的相互作用的问题。倘若这一任务能够完成，我们不仅理解了热力学的原

理，而且具备了应用于许多其他领域，如工程、材料科学以及物理化学等的理论基础。

我们知道，在基本粒子和原子尺度描述系统随时间演化的基本方程已是熟知的了。在经典极限情况下，

量子力学的运动方程还原为经典力学的牛顿方程，它们描述系统的态随时间的演化。因此，很自然的是把

宏观系统的任何可观察量看成是相应的微观量沿着相空间中系统的相轨道的时间平均。根据统计力学的遍

历性假设，时间平均可以代之以适当的统计系综的平均。例如，完全与其环境隔绝的孤立系统的能量是守

恒的，因此系统的相轨道必定落在相空间的能量超曲面上。按照统计力学的微正则系综，在此能量超曲面

上的所有区域是等几率的。由此可以建立统计力学定义的摘，并由熵极大原理导出相应的可观察量的系综

平均值。当然，沿相轨道的时间平均与在能量超曲面上的系综平均的等价性，是高度非平庸的。因为它意

味着能量超曲面上的相轨道是充分的混饨，以致于它能在足够短的时间内充分接近超曲面上的任意点。要

使这些条件尽可能精确地实现，并认识到系统的哪些性质保证了遍历性假设得以满足，以及对少数几个相

当特殊的反例，为什么遍历性假设不满足，这些都是长期以来具有挑战性的问题。

当我们处理平衡态统计力学问题时，各种统计系综（微正则、正则、巨正则）原则上均可提供描述原

子及它们的相互作用的微观哈密顿量与平衡态物质的宏观性质之间的精确联系。然而要实际完成这一计

算，只能对相当简单的系统（理想气体，稀溶液，谐振子集合，以及能用它们描述的系统，如低温下的晶

体，理想顺磁体，等等）。而所有其他的系统，仍然是活跃的研究课题。熟知的一个例子是经历气－液凝

聚的稠密流体：虽然早在一百年前就可以用范德瓦尔斯理论定性描述，但该理论却不能正确描述临界点邻

域的行为，这一点五十多年前已从实验上知道了，但定量精确描述气－液相变的临界行为的理论直到60

年代才出现。理论进展中非常重要的一步是对临界现象一些普遍性质的认识，它们包括：（l）趋近临界点

时，序参量（上例中为液、气密度之差）可任意地小，然而自由能却不能按朗道理论所假定的那样展成泰

勒级数，为什么会这样？（2）各种物理量的临界奇异性是如何相互联系的？什么是表征临界指数相互关

系的标度律？（3）如何理解临界现象的普适性的物理基础？例如，为什么气－液临界点的临界指数与二

元混合流体，各向异性磁体，以及某些二元合金的有序－无序转变的临界指数相同？

在过去40年中，统计物理理论最大的成功之一就是临界现象的上述问题得到了阐明。为此，玻尔兹

曼奖颁发给了费希尔（M．E．Fisher，1983）、卡达诺夫（L．Kadanoff，1989）与威多姆（B．Widom，

1988），以表彰他们在发展标度律和普适性等方面所做出的特殊贡献。尤其重要的成就是重正化群理论的

建立，威尔逊（K．Wilson，1936～）因在这方面开拓性的工作而获得1977年玻尔兹曼奖与1982年诺贝

尔物理奖。重正化群理论使我们能够理解哪些性质决定了普适类，临界指数及相关的普适量究竟与哪些性

质有关，与哪些性质无关。

除了相当简单的“球模型”可以在任意空间维数严格求解外，我们还不知道有任何其他模型可以在三

维空间严格求解，并具有临界点。因此，为了研究三维空间的临界现象与相图，发展数值方法非常有价值。

例如蒙特卡罗方法（Metropolis等，1953年）以及分子动力学摸拟方法。这些方法仅在最近几十年才变成

统计力学的最重要的工具之一。值得注意的是，尽管重正化群方法可以精确计算临界指数等普适量，但该

方法不能预言非普适量，如临界温度和流体的临界密度，或临界振幅的绝对大小。现在这些任务可以用蒙

特卡罗方法，借助于对有限大小的系统的计算机模拟结果的恰当的分析，并根