20世纪物理学概观.ppt

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1、 第一章第一章 代物理学的两大支柱代物理学的两大支柱第一节相对论和量子力学的产生背景 相对论和量子力学被认为是现代物理学的两大支柱。在这两种理论相结合的基础上，又产生了相对论量子力学以及量子场理论。我们将量子力学和量子场论通称为量子理论。该理论指引人们基本上认识和把握了分子、原子、原子核、基本粒子和夸克这五个层次上物理现象的基本规律，代表了人类关于自然界的最前沿知识。一、经典物理学及其不足 20世纪以前的200余年间，物理学在下列两大领域取得了巨大成功：由牛顿建立的经典力学(1687年)，包括热力学与经典统计力学；由麦克斯韦建立的经典电动力学(1864年)，包括光学。它们能够解释宏观的力学和电

2、磁学现象，并在历史上分别诱发了两次科技革命：18世纪以提高蒸汽机、内燃机效率及蒸汽机、内燃机的广泛应用为中心的工业革命，以及19世纪下半叶开始的以电和电磁波的应用为中心的“电气革命”.二、两朵乌云二、两朵乌云 19世纪末，与牛顿力学相比较，电磁学理论在当时属于新兴学科。尽管关于电磁场的观念与牛顿力学格格不入，但是长期来牛顿力学的成就使当时许多物理学家的观念不可能很快转变。他们仍然试图在牛顿力学的框架中解释涉及到电磁场运动及电磁场与微观物质相互作用的一些实验。然而自然法则是无情的，这样的尝试必然遇到矛盾，而这样的矛盾又必然为少数思想敏锐的物理学家首先注意到。英国物理学家开尔文就是这些物理学家的代

3、表。开尔文曾经发现了热力学第二定律，建立了热力学温标，领导了首次开通英吉利海峡的有线通信工程。他在20世纪前夕发表了一篇题为“19世纪的乌云笼罩着热和光的动力学理论”的报告。在这篇报告中，他提到了“两朵乌云两朵乌云”，指的是用牛顿力学，包括经典统计力学无法解释的两类实验现象：一是迈克耳孙一是迈克耳孙莫雷实验；另一是黑体辐射莫雷实验；另一是黑体辐射实验实验。三、经典物理学的适用范围我们应当注意的是经典观念以及由此建立的基本理论和基本方法的适用范围。非相对论理论和相对论的分界线是光速c(3.00108m/s)；经典理论与量子理论的分界线是普朗克常量h(6.6310-34Js)。以人类生活的宏观领域

4、的标准来衡量，c的值是如此之大，h的值是如此之小。但是这反映了自然界的特点。如果要问，为何如此?坦率地说，现今的物理学家无法回答这个问题。第二节第二节 光速不变和相对论光速不变和相对论一、一、什么是相对论什么是相对论相对论是研究不同惯性系的观察者所测到的物理量之间，以相对论是研究不同惯性系的观察者所测到的物理量之间，以及所发现的运动规律之间关系的一种理论。及所发现的运动规律之间关系的一种理论。所以相对论应包所以相对论应包括两方面内容：括两方面内容：(1)不同惯性系的物理量之间的不同惯性系的物理量之间的“变换关系变换关系”。(2)关于物理学定律的关于物理学定律的“相对性原理相对性原理”在所有惯性

5、系中任在所有惯性系中任一物理现象的运动规律保持不变。一物理现象的运动规律保持不变。二、伽利略二、伽利略牛顿相对论牛顿相对论三、电磁学向伽利略三、电磁学向伽利略牛顿相对论提出挑战牛顿相对论提出挑战 牛顿力学与伽利略一牛顿相对论构成了一个完善而自洽的牛顿力学与伽利略一牛顿相对论构成了一个完善而自洽的理论体系。利用它可以解释地面上的力学现象和天体的运理论体系。利用它可以解释地面上的力学现象和天体的运行规律。尤其在利用它成功地预言了天王星和海王星的存行规律。尤其在利用它成功地预言了天王星和海王星的存在后，人们对该理论体系更是深信不疑。然而，当人们试在后，人们对该理论体系更是深信不疑。然而，当人们试图将

6、伽利略一牛顿相对论向电磁学领域推进时，却遇到了图将伽利略一牛顿相对论向电磁学领域推进时，却遇到了麻烦。爱因斯坦相对论正是在这个背景下诞生的。麻烦。爱因斯坦相对论正是在这个背景下诞生的。“以太风以太风”19世纪下半叶，电磁学是当时的领头学科。麦世纪下半叶，电磁学是当时的领头学科。麦克斯韦发现，在电磁场的基本运动方程或由它导出的波动克斯韦发现，在电磁场的基本运动方程或由它导出的波动方程中包含了光速因子方程中包含了光速因子c。从这。从这点来看，电磁学定律与点来看，电磁学定律与牛顿定律截然不同，牛顿定律中不包含速度因子。因此，牛顿定律截然不同，牛顿定律中不包含速度因子。因此，在伽利略变换下不同惯性系中

7、电磁现象的基本定律不再保在伽利略变换下不同惯性系中电磁现象的基本定律不再保持不变。这也意味着，从电磁学实验可以发现一个特殊的持不变。这也意味着，从电磁学实验可以发现一个特殊的“绝对参考系绝对参考系”，当时称它为，当时称它为“以太系以太系”。在以太系中光的速度为在以太系中光的速度为c；在其他惯性系，如与地面相联系的；在其他惯性系，如与地面相联系的惯性系中光速不再是惯性系中光速不再是c，且其值与，且其值与c之差就是地球相对于以太系之差就是地球相对于以太系的速度，或者说就是地球感受到的的速度，或者说就是地球感受到的“以太风以太风”的速度。的速度。“迈克耳孙迈克耳孙莫雷实验及其莫雷实验及其“零结果零结

8、果”测量地球上以太风测量地球上以太风的关键的关键 性实验是在麦克斯韦的建议下做的。性实验是在麦克斯韦的建议下做的。1879年，麦克斯年，麦克斯韦在致美国天文年鉴局局长托德的韦在致美国天文年鉴局局长托德的封信中提出了测量太阳系封信中提出了测量太阳系在电磁以太中运动速度的一个想法。这封被当时正在那里工作在电磁以太中运动速度的一个想法。这封被当时正在那里工作的的26岁的年轻海军教官迈克耳孙读到了，迈克尔逊那时已经在岁的年轻海军教官迈克耳孙读到了，迈克尔逊那时已经在测量光速方面做了不少工作。他的这封信产生了重大的作用。测量光速方面做了不少工作。他的这封信产生了重大的作用。迈克耳孙于迈克耳孙于1881年

9、利用他发明的、后来以他的名字命名的年利用他发明的、后来以他的名字命名的干涉仪直接比较了沿地球公转运动方向与垂直方向上的光的速干涉仪直接比较了沿地球公转运动方向与垂直方向上的光的速度。其后于度。其后于1887年又和莫雷合作，以更高精度重复了这一实验。年又和莫雷合作，以更高精度重复了这一实验。按照当时的预想，假如存在以太风，不同方向上的光速应有差按照当时的预想，假如存在以太风，不同方向上的光速应有差别；从而干涉仪中的干涉条纹当整个仪器在水平方向上转过别；从而干涉仪中的干涉条纹当整个仪器在水平方向上转过90时将发生移动；然而，他们精心设计的实验所得到的唯一时将发生移动；然而，他们精心设计的实验所得到

10、的唯一结论是：干涉条纹并不移动。实验结果否定了预想的结果。结论是：干涉条纹并不移动。实验结果否定了预想的结果。爱因斯坦的两个基本假设爱因斯坦的两个基本假设：爱因斯坦爱因斯坦提出如下提出如下两个基本假设两个基本假设（简答题）（简答题）：光速不变原理和爱因斯坦相对性原理光速不变原理和爱因斯坦相对性原理(见本节开见本节开头关于头关于“什么是相对论什么是相对论”中的叙述中的叙述)，并在此基础上建立了他，并在此基础上建立了他的相对论。的相对论。相对性原理：所有物理规律在一切惯性系中都具有各自的同一相对性原理：所有物理规律在一切惯性系中都具有各自的同一形式，即惯性系改变时，同一物理规律的数学表达式不变，也

11、形式，即惯性系改变时，同一物理规律的数学表达式不变，也就是说不存在一个特殊的惯性系。就是说不存在一个特殊的惯性系。光速不变原理：在真空中，对任何惯性系而言，光在各方向的光速不变原理：在真空中，对任何惯性系而言，光在各方向的速度都是速度都是c(c=3108m/s)，与光源的运动无关。，与光源的运动无关。迈克耳孙一莫雷实验中，干涉条纹的移动，或者说迈克耳孙一莫雷实验中，干涉条纹的移动，或者说“以太风以太风”的存在，被认为是光速并非恒定的一种显示。在的存在，被认为是光速并非恒定的一种显示。在1887年的实年的实验中，由以太理论预言的条纹移动为验中，由以太理论预言的条纹移动为0.4条，但实验中观察到条

12、，但实验中观察到的至多只有的至多只有0.01条，由此推算出以太风的速率不会大于条，由此推算出以太风的速率不会大于5km/s。其后，全世界有许多物理学家不断地、数十次地重复了这类实其后，全世界有许多物理学家不断地、数十次地重复了这类实验。验。20世纪后半叶，他们又采用新技术做了实验。世纪后半叶，他们又采用新技术做了实验。四、光速不变四、光速不变一个需要思考才能理解的事实一个需要思考才能理解的事实1、同时的相对性同时的相对性：根据光速不变原理举例说明：根据光速不变原理举例说明同时的相对性（论述题）。同时的相对性（论述题）。例一例一 我们来考察如右图所示的问题。假设当我们来考察如右图所示的问题。假设

13、当两个以相对速度两个以相对速度v移动移动的惯性系的惯性系S系和系和S系系的原点的原点O和和O重合，从该点处发出一光脉冲。重合，从该点处发出一光脉冲。我们要问，其后该光脉冲将按怎样的形式传播我们要问，其后该光脉冲将按怎样的形式传播?对对S系系(可称为可称为“静系静系”)的观察者来说，它将以的观察者来说，它将以球面波的形式传播，球心在球面波的形式传播，球心在O点，传播速度为点，传播速度为c。此时此时O点只是在初始时刻与点只是在初始时刻与O点重合，其后就点重合，其后就以常速以常速v向右运动，所以在其后向右运动，所以在其后图1.1时刻它不再处于球面波的中心时刻它不再处于球面波的中心图图1.1(a)。而

14、对于。而对于S系的观察者来系的观察者来说，他又会得到怎样的结论呢说，他又会得到怎样的结论呢?他将会发现，光脉冲同样以球面波他将会发现，光脉冲同样以球面波的形式且仍然以速度的形式且仍然以速度c向四周传播，但该球面波波前的中心不是向四周传播，但该球面波波前的中心不是O点，而是点，而是O点，点，O点此时正以常速点此时正以常速v向左运动向左运动图图1.1(b)。这样的。这样的结果通常难于理解，但是按照爱因斯坦相对论的两个基本假设，结果通常难于理解，但是按照爱因斯坦相对论的两个基本假设，事实正是如此，这两位观察者的结论都是正确的。事实正是如此，这两位观察者的结论都是正确的。例二例二 我们仍以上图我们仍以

15、上图1.1为例。假设为例。假设S系是一列正在开行的系是一列正在开行的列车的一节车厢，列车的一节车厢，O处在该节车厢的中点处；处在该节车厢的中点处；S系是一月台，系是一月台，O点处于该月台的中央。现在列车内的观察者可通过光脉冲点处于该月台的中央。现在列车内的观察者可通过光脉冲传播的实验得到如下结论：该光脉冲将同时到达车厢的前壁传播的实验得到如下结论：该光脉冲将同时到达车厢的前壁和后壁和后壁图图11(b)。现在我们要问，这时对于月台上的观察。现在我们要问，这时对于月台上的观察者来说将会得到什么结论呢者来说将会得到什么结论呢?根据他的观点根据他的观点图图11(a)，当，当光信号发出后向前后方向按相同

16、速度传播时，车厢的后壁在光信号发出后向前后方向按相同速度传播时，车厢的后壁在接近光信号，而车厢的前壁在奔离光信号，因此信号到达前接近光信号，而车厢的前壁在奔离光信号，因此信号到达前壁要比到达后壁稍微迟些。由于列车速度远比光速小得多，壁要比到达后壁稍微迟些。由于列车速度远比光速小得多，这种时间差别非常小，但是绝不会同时达到车厢前后两壁。这种时间差别非常小，但是绝不会同时达到车厢前后两壁。这就是这就是“同时的相对性同时的相对性”。在一个参考系在一个参考系(S系系)中同时发中同时发生的两个事件生的两个事件(车厢前壁和后壁接收到光信号车厢前壁和后壁接收到光信号)，在另一参考，在另一参考系中可能不再同时

17、发生。系中可能不再同时发生。OSO Sv图1.2例三例三 如图，一作匀速直线运动的火车，如图，一作匀速直线运动的火车，其前、后两门皆用光信号控制其开、关。其前、后两门皆用光信号控制其开、关。在车厢中点在车厢中点O与与O相遇时，发一光信号，相遇时，发一光信号，在与车厢相对静止的在与车厢相对静止的S系中的观察者看系中的观察者看来，由光速不变原理，光信号必然同时来，由光速不变原理，光信号必然同时到达前、后门，所以看到前、后门是同到达前、后门，所以看到前、后门是同时开启。时开启。但从但从S系看来，因光往前、往后的传播速度都是系看来，因光往前、往后的传播速度都是c，而前、后，而前、后门又都以速度门又都以

18、速度v前进，所以从前进，所以从S系系(即与地面静止的观察者即与地面静止的观察者)看看来，光信号相对于后门的传播速度应是来，光信号相对于后门的传播速度应是(c+v)，而光信号对，而光信号对前门的速度则是前门的速度则是(cv)，所以从，所以从S系看来，后门先开，前门系看来，后门先开，前门后开。开门是一个事件，开前门与开后门则是两个事件，从后开。开门是一个事件，开前门与开后门则是两个事件，从S系看来，这两个事件是同时事件，从系看来，这两个事件是同时事件，从S系看来，这两个事系看来，这两个事件是不同时事件，这就是同时的相对性。件是不同时事件，这就是同时的相对性。运动尺度的缩短：运动尺度的缩短：AB是一

19、根运动的是一根运动的尺子尺子(取为取为S系系)，静系，静系(取为取为S系系)中中有一根坐标标尺，观察者有一根坐标标尺，观察者O位于该位于该标尺的标尺的A、B两点之间的中点处，为了测量运动尺子的长度两点之间的中点处，为了测量运动尺子的长度L，必须同时测量它的两端在必须同时测量它的两端在S系中的坐标。现设观察者系中的坐标。现设观察者O发现发现A与与A重合和重合和B与与B重合同时发生。这一判断可由如下最为所有惯重合同时发生。这一判断可由如下最为所有惯性系观察者认可的实验得到：他同时收到这两处发生两点重合性系观察者认可的实验得到：他同时收到这两处发生两点重合时发出的光脉冲。因此他认为运动尺子的长度就是

20、时发出的光脉冲。因此他认为运动尺子的长度就是L，即，即L=AB。但同时性是相对的，对于但同时性是相对的，对于S系同时发生的两个事件，系同时发生的两个事件，S系观察系观察者并不认可。他认为，者并不认可。他认为，O点处的观察者在上述实验过程中始终点处的观察者在上述实验过程中始终在向左运动，因而奔离自在向左运动，因而奔离自B点处发出的光信号，接近自点处发出的光信号，接近自A点处发点处发出的光信号，而现在这位观察者出的光信号，而现在这位观察者(S系系)同时收到这两处发来的光同时收到这两处发来的光信号，因此对于信号，因此对于S系的人来说，系的人来说，S系在测量时系在测量时B点处的重合时刻点处的重合时刻要

21、比要比A点处的早些，所以点处的早些，所以S系的测量结果要比相对于运动尺子静系的测量结果要比相对于运动尺子静止的他止的他(S系系)所测量的结果所测量的结果L0=AB 短些，即短些，即Lt，于是他得出了如下结论：运动的时钟变，于是他得出了如下结论：运动的时钟变慢了。慢了。从以上讨论可以看出，在关于同时性、物体长短及时钟快慢等从以上讨论可以看出，在关于同时性、物体长短及时钟快慢等涉及到时空间隔的测量过程中，都必须使用光或电磁波信号。涉及到时空间隔的测量过程中，都必须使用光或电磁波信号。于是光的性质必然介入我们的测量过程之中，而在我们的直觉于是光的性质必然介入我们的测量过程之中，而在我们的直觉经验中以

22、及在牛顿力学的基本观点中都没有注意到这一点。经验中以及在牛顿力学的基本观点中都没有注意到这一点。五、洛伦兹变换五、洛伦兹变换 从上述例子看出，光速不变性所导致的时空概念是和经典时从上述例子看出，光速不变性所导致的时空概念是和经典时空观有深刻矛盾的。所有最基本的时空概念，如同时性、距离、空观有深刻矛盾的。所有最基本的时空概念，如同时性、距离、时间、速度等都要根据新的实验事实重新加以探讨。相对论的时间、速度等都要根据新的实验事实重新加以探讨。相对论的一个主要内容就是关于时空的理论。一个主要内容就是关于时空的理论。时间和空间是运动着的物质存在的形式。时空概念是从物质运时间和空间是运动着的物质存在的形

23、式。时空概念是从物质运动中抽象出来的，而不是独立于物质运动之外的概念。离开物动中抽象出来的，而不是独立于物质运动之外的概念。离开物质及其运动，就没有所谓绝对的时空概念。在经典力学中，由质及其运动，就没有所谓绝对的时空概念。在经典力学中，由低速现象抽象出来的时空观带有一定局限性，当我们研究高速低速现象抽象出来的时空观带有一定局限性，当我们研究高速现象特别是电磁波传播现象时，发现旧时空观与实验事实相矛现象特别是电磁波传播现象时，发现旧时空观与实验事实相矛盾，这是完全可以理解的。人们对时空的认识和对一切事物的盾，这是完全可以理解的。人们对时空的认识和对一切事物的认识一样，都是在不断的实践中逐步发展和

24、加深的。认识一样，都是在不断的实践中逐步发展和加深的。1、间隔不变性间隔不变性 与旧时空观集中反映在伽利略变换式一样，与旧时空观集中反映在伽利略变换式一样，相对论时空观集中反映在从一惯性系到另一惯性系的时空坐标相对论时空观集中反映在从一惯性系到另一惯性系的时空坐标变换式。现在我们根据相对论基本原理导出相对论时空坐标变变换式。现在我们根据相对论基本原理导出相对论时空坐标变换式。换式。首先我们从物质运动中抽象出事件的概念。物质运动可以看作首先我们从物质运动中抽象出事件的概念。物质运动可以看作一连串事件的发展过程。事件可以有各种不同的具体内容，但一连串事件的发展过程。事件可以有各种不同的具体内容，但

25、是它总是在一定地点于一定时刻发生的。因此我们就用四个坐是它总是在一定地点于一定时刻发生的。因此我们就用四个坐标标(x,y,z,t)代表一个事件。相对论坐标变换是在不同参考系代表一个事件。相对论坐标变换是在不同参考系上观察同一事件的时空坐标变换关系。设同一事件在惯性系上观察同一事件的时空坐标变换关系。设同一事件在惯性系S上用上用(x,y,z,t)表示，在另一惯性系表示，在另一惯性系S上用上用(x,y,z,t)表示，表示，我们要导出这两组坐标的关系。我们要导出这两组坐标的关系。惯性系的概念本身要求从一惯性系到另一惯性系的时空坐标变惯性系的概念本身要求从一惯性系到另一惯性系的时空坐标变换必须是线性的

26、。设有一不受外力作用的物体相对于惯性系换必须是线性的。设有一不受外力作用的物体相对于惯性系S作匀速运动，它的运动方程由作匀速运动，它的运动方程由x和和t的线性关系描述。在另一惯的线性关系描述。在另一惯性系性系S上观察，这物体也是作匀速运动，因而用上观察，这物体也是作匀速运动，因而用x和和t 的线性的线性关系描述。由此可知，从关系描述。由此可知，从(x,t)到到(x,t)的变换式必须是线性的变换式必须是线性的。的。2、洛伦兹变换洛伦兹变换 时间和空间的性质在物理学中是通过坐标系时间和空间的性质在物理学中是通过坐标系变换来体现的。在力学中有伽利略变换，它是经典时空观的变换来体现的。在力学中有伽利略

27、变换，它是经典时空观的体现。而伽利略变换与爱因斯坦的两个假设相矛盾，因此需体现。而伽利略变换与爱因斯坦的两个假设相矛盾，因此需要由这两个基本假设出发导出一组关于时空坐标的新的变换要由这两个基本假设出发导出一组关于时空坐标的新的变换关系，以取代伽利略变换，这就是洛仑兹变换。关系，以取代伽利略变换，这就是洛仑兹变换。（正变换）（正变换）（逆变换）；其中（逆变换）；其中 洛仑兹变换是相对论时空观的具体体现。当洛仑兹变换是相对论时空观的具体体现。当v c时，时，0，则洛仑兹，则洛仑兹(正正)变换退化为伽利略变换时，可见，后者是变换退化为伽利略变换时，可见，后者是前者在低速前者在低速(v0，定态稳定；定

28、态稳定；xP 0，定态不稳定；，定态不稳定；=0，临界状，临界状 这就是这就是非线性非平衡区定态的热力学稳定性判据非线性非平衡区定态的热力学稳定性判据。7、耗散结构、耗散结构 对于远离平衡态的定态系统来说一旦失稳，该系统就可能越对于远离平衡态的定态系统来说一旦失稳，该系统就可能越来越偏离时空无序状态，并在系统内不可避免存在的某种涨来越偏离时空无序状态，并在系统内不可避免存在的某种涨落因素的触发下，从不稳定的无序状态跃入一种新的稳定状落因素的触发下，从不稳定的无序状态跃入一种新的稳定状态，且这种稳定状态可能具有某种时空有序结构态，且这种稳定状态可能具有某种时空有序结构。由于这种有由于这种有序结构

29、只可能出现在与外界存在能量和物质交换的远离平衡序结构只可能出现在与外界存在能量和物质交换的远离平衡的非平衡态开放系统中，因此被称为的非平衡态开放系统中，因此被称为“耗散结构耗散结构”。第二节非线性动力学和混沌现象1、什么是蝴蝶效应、什么是蝴蝶效应?什么是蝴蝶效应什么是蝴蝶效应 蝴蝶效应是对混沌现象特征的一种形象比蝴蝶效应是对混沌现象特征的一种形象比喻，在巴西一只蝴蝶翅膀的拍打是否能够在美国得克萨斯州喻，在巴西一只蝴蝶翅膀的拍打是否能够在美国得克萨斯州产生一个陆地龙卷风产生一个陆地龙卷风”。用稍微专门的术语来说，这个问题。用稍微专门的术语来说，这个问题就是：大气的行为对于微小的扰动是否会产生极大

30、的不稳定就是：大气的行为对于微小的扰动是否会产生极大的不稳定性性?2、混沌现象的基本特征是什么、混沌现象的基本特征是什么?它们的运动状态具有如下共同特征：它们的运动状态具有如下共同特征：(1)描述这些系统运动描述这些系统运动的动力学方程是非线性方程；的动力学方程是非线性方程；(2)这些非线性方程是这些非线性方程是“确定确定性的性的”方程，其中不包含任何随时间变化的随机项；方程，其中不包含任何随时间变化的随机项；(3)在在某些情况下，系统运动轨道的时间行为对初始条件具有敏感某些情况下，系统运动轨道的时间行为对初始条件具有敏感性，从而其长期行为可能变得性，从而其长期行为可能变得“貌似貌似”混乱，难

31、似预测；混乱，难似预测；(4)整个系统长期行为的全局特征整个系统长期行为的全局特征(例如奇怪吸引子例如奇怪吸引子)与初始与初始条件无关。以上几点目前就被概括为混沌现象的基本特征。条件无关。以上几点目前就被概括为混沌现象的基本特征。第三节第三节 分形和分维分形和分维1、分形几何学所研究的对象具有哪两个特点、分形几何学所研究的对象具有哪两个特点?(1)图形在整体上的不规则性与局部尺度上的不规则性具有图形在整体上的不规则性与局部尺度上的不规则性具有“相相似性似性”，这个特征称为分形的自相似性；，这个特征称为分形的自相似性；(2)自然界所产生的自然界所产生的分形体分形体“今天今天”的形状与同样环境下的

32、形状与同样环境下“明天明天”产生的分形体产生的分形体的形状不会完全相同，这个特征称为分形的的形状不会完全相同，这个特征称为分形的“不可重复性不可重复性”。2、列举自然界中的三种分形，并简要说明其含义。、列举自然界中的三种分形，并简要说明其含义。布朗运动布朗运动 布朗运动是悬浮在液体或气体中的微小颗粒由于受布朗运动是悬浮在液体或气体中的微小颗粒由于受到分子热运动碰撞而产生的一种无规运动。图到分子热运动碰撞而产生的一种无规运动。图5.20是在显微是在显微镜下每隔镜下每隔30s作一次记录所观测到的某种胶质微粒的布朗运作一次记录所观测到的某种胶质微粒的布朗运动的粗略轨迹。如果每隔动的粗略轨迹。如果每隔

33、10s、5s作出相应的记录，那作出相应的记录，那么微粒的布朗运动就会显得越来越复杂，轨迹总长度也会变么微粒的布朗运动就会显得越来越复杂，轨迹总长度也会变得越来越长。从理论上讲，当观测时间间隔趋于零时布朗运得越来越长。从理论上讲，当观测时间间隔趋于零时布朗运动的轨迹会布满整个平面。数学上已经证明，布朗运动轨迹动的轨迹会布满整个平面。数学上已经证明，布朗运动轨迹作为一种分形图形，其分形维数在这种情况下等于作为一种分形图形，其分形维数在这种情况下等于2。然而实。然而实际上观测时间间隔不可能等于零，因此布朗运动的分形维数际上观测时间间隔不可能等于零，因此布朗运动的分形维数通常小于通常小于2。大气湍流大

34、气湍流 湍流是气体或液体流动的一种形式，自然界中大部湍流是气体或液体流动的一种形式，自然界中大部分流体的流动为湍流。分流体的流动为湍流。点燃一支烟，在没有急剧气流影响点燃一支烟，在没有急剧气流影响时从烟头里冒出的烟雾就会袅袅上升，其后烟雾的形状会渐时从烟头里冒出的烟雾就会袅袅上升，其后烟雾的形状会渐渐地变得十分复杂，这正是空气中的湍流所造成的。在没有渐地变得十分复杂，这正是空气中的湍流所造成的。在没有能量耗散情况下，湍流也是一种分形，它的分形维数大约为能量耗散情况下，湍流也是一种分形，它的分形维数大约为2.6。海岸线和河流分支海岸线和河流分支 海岸线是自然力造成的遍布地球的实际海岸线是自然力造

35、成的遍布地球的实际分形。芒德布罗在一篇关于海岸线有多长的著名论文中列出分形。芒德布罗在一篇关于海岸线有多长的著名论文中列出了对许多国家海岸线长度的计算结果。从这些结果可以得出了对许多国家海岸线长度的计算结果。从这些结果可以得出海岸线的分形维数海岸线的分形维数d有一个取值范围，即有一个取值范围，即1d1.3，而且地形，而且地形越复杂，相应的维数也越大。越复杂，相应的维数也越大。一条大河可能具有许多支流，每一支流又会分岔产生更小一条大河可能具有许多支流，每一支流又会分岔产生更小的支流。从统计上看，整体上的支流的分布与局部区域的支的支流。从统计上看，整体上的支流的分布与局部区域的支流分布具有自相似性

36、，因此一条河流及其支流也构成一种自流分布具有自相似性，因此一条河流及其支流也构成一种自然界的分形。然界的分形。第四节 孤立子1、说明孤立子的物理特征。说明孤立子的物理特征。孤立子具有波动性，它是一种行波，可以在时空中传播，也孤立子具有波动性，它是一种行波，可以在时空中传播，也可以使空间中处于静止状态，后者称为非传播孤立子。孤立可以使空间中处于静止状态，后者称为非传播孤立子。孤立子还具有粒子性，它具有一切粒子的基本特性，如能量、动子还具有粒子性，它具有一切粒子的基本特性，如能量、动量、质量、电荷、自旋等。同时，它们在相互作用过程中遵量、质量、电荷、自旋等。同时，它们在相互作用过程中遵循自然界的各

37、种守恒定律，如能量、动量、质量守恒定律等。循自然界的各种守恒定律，如能量、动量、质量守恒定律等。因此从上述意义上说，与量子力学的情况类似，孤立子也具因此从上述意义上说，与量子力学的情况类似，孤立子也具有波粒二象性。但是应当指出，这里所说的孤立于完全属于有波粒二象性。但是应当指出，这里所说的孤立于完全属于经典物理学范畴，它们遵循经典运动规律。经典物理学范畴，它们遵循经典运动规律。第六章第六章 物理学在生命科学物理学在生命科学发展中的作用发展中的作用第一节第一节 物理学与生命科学物理学与生命科学1、生命科学生命科学:它是自然科学的一个部门，研究包括从最简单它是自然科学的一个部门，研究包括从最简单的

38、生命体的生命体(如病毒如病毒)到最复杂的生命体到最复杂的生命体(如人类如人类)在内的各种动在内的各种动物、植物和微生物的生命现象，生命物质的结构和功能，它物、植物和微生物的生命现象，生命物质的结构和功能，它们各自发生和发展的规律，以及生物之间和生物与环境之间们各自发生和发展的规律，以及生物之间和生物与环境之间的相互关系等。其最终目的在于阐明生命的本质，有效地控的相互关系等。其最终目的在于阐明生命的本质，有效地控制，能动地改造和利用生命活动。制，能动地改造和利用生命活动。2、耗散结构耗散结构和生物有序和生物有序:耗散结构是指一个系统在非平衡和耗散结构是指一个系统在非平衡和开放的条件下，在与外界交

39、换物质和能量的过程中通过系统开放的条件下，在与外界交换物质和能量的过程中通过系统内部的能量耗散过程所产生并能保持的一种宏观有序结构，内部的能量耗散过程所产生并能保持的一种宏观有序结构，而这种宏观时空有序结构中的有序性正是生命现象的一个基而这种宏观时空有序结构中的有序性正是生命现象的一个基本特征本特征生物有序。生物有序是通过生物体内的新陈代谢生物有序。生物有序是通过生物体内的新陈代谢过程过程(它是典型的能量耗散过程它是典型的能量耗散过程)得以产生和维持的。得以产生和维持的。试论非平衡条件下的能量耗散过程是生物有序的根源试论非平衡条件下的能量耗散过程是生物有序的根源 非平衡态热力学的稳定性理论表明

40、，在系统对平衡态的偏非平衡态热力学的稳定性理论表明，在系统对平衡态的偏离足够强的情况下，无序非平衡定态有可能失去稳定性，而围离足够强的情况下，无序非平衡定态有可能失去稳定性，而围绕这种定态的某些涨落可能随时间增长，最终有可能发展到某绕这种定态的某些涨落可能随时间增长，最终有可能发展到某种宏观水平上的有序状态。这就是说非平衡是有序之源。所以种宏观水平上的有序状态。这就是说非平衡是有序之源。所以生物系统不仅是开放系统，而且是非平衡系统。反之，平衡则生物系统不仅是开放系统，而且是非平衡系统。反之，平衡则意味着死亡。进一步研究发现，非平衡也只是形成和维持宏观意味着死亡。进一步研究发现，非平衡也只是形成

41、和维持宏观有序结构的必要条件，而不是充分条件。有序结构的产生和维有序结构的必要条件，而不是充分条件。有序结构的产生和维持离不开系统内部的动力学过程，如新陈代谢过程。在非平衡持离不开系统内部的动力学过程，如新陈代谢过程。在非平衡条件下自动发生的宏观过程都是不可逆的，而所有不可逆过程条件下自动发生的宏观过程都是不可逆的，而所有不可逆过程都是能量耗散的过程。因此非平衡条件下的能量耗散过程才是都是能量耗散的过程。因此非平衡条件下的能量耗散过程才是生物有序的真正根源。生物有序的真正根源。3、生命的产生过程分为哪生命的产生过程分为哪3个阶段个阶段:(1)从简单的无机化合物形从简单的无机化合物形成最简单的有

42、机物质成最简单的有机物质碳氢化合物及其最简单的衍生物；碳氢化合物及其最简单的衍生物；(2)由此再逐步发展为复杂的有机化合物由此再逐步发展为复杂的有机化合物核苷酸、氨基酸、糖和核苷酸、氨基酸、糖和它们的聚合物核酸、蛋白质、多糖和其他有机物质；它们的聚合物核酸、蛋白质、多糖和其他有机物质；(3)这些物这些物质进行复杂的相互作用，最后产生出具有新陈代谢和自我复制特质进行复杂的相互作用，最后产生出具有新陈代谢和自我复制特征的，能生长、繁殖、遗传、变异的原始的有生命物质。征的，能生长、繁殖、遗传、变异的原始的有生命物质。第二节第二节 生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能1、量子生物学研究的内容包

43、括哪些方面量子生物学研究的内容包括哪些方面:(1)分子间相互作用力分子间相互作用力的研究；的研究；(2)生物分子的电子结构与反应活性的研究；生物分子的电子结构与反应活性的研究；(3)生物大生物大分子的构象与功能的研究；分子的构象与功能的研究；(4)特异作用与识别机制的研究。特异作用与识别机制的研究。2、基因工程基因工程:利用某种天然的或经人工修饰、人工合成的核酸片利用某种天然的或经人工修饰、人工合成的核酸片段，通过转化、转导或段，通过转化、转导或DNA体外重组等手段，掺人到另一种生物体外重组等手段，掺人到另一种生物细胞中，使其子代表现出新掺人的核酸片段所携带的遗传信息的细胞中，使其子代表现出新

44、掺人的核酸片段所携带的遗传信息的特征。这种人为地改变细胞特征。这种人为地改变细胞DNA的化学结构从而按照人们的需要的化学结构从而按照人们的需要创造和改变生物遗传特性的技术，称为基因工程。创造和改变生物遗传特性的技术，称为基因工程。第三节第三节 细胞的结构与功能细胞的结构与功能第四节第四节 生命与信息生命与信息1、生命系统中的正反馈生命系统中的正反馈生命系统是有反馈环的控制系统，凭借信息的接收和处理过程生命系统是有反馈环的控制系统，凭借信息的接收和处理过程将系统的各个组分连接成一个整体，执行统一性功能。当反馈将系统的各个组分连接成一个整体，执行统一性功能。当反馈的结果增强了输入对输出的影响时，为正反馈的结果增强了输入对输出的影响时，为正反馈。反之，若反馈。反之，若反馈减弱了这种影响，则称为负反馈。在生物控制系统中几乎都存减弱了这种影响，则称为负反馈。在生物控制系统中几乎都存在着这两种形式的反馈。在着这两种形式的反馈。