近代物理学

　　 本书是北京大学技术物理系普通物理课程在虞福春教授指导下从1986年开始进行改革的一个成果．主题是讲述相对论和量子力学的基本概念和物理图象，以及支配物质运动和变化的基本相互作用，并在此基础上讨论物质结构的粒子、原子核、原子、分子、固体、量子液体直到天体和宇宙各个层次的性质、特点和规律，其中讨论了阿哈罗诺夫-玻姆效应、光子和中子在引力场中的效应、超流、超导与超导量子干涉器件、核物质与致密星体结构等当前研究的前沿和热点问题，而对许多传统问题也都采取了新颖的讲法．本书起点不高，讨论深入，叙述简洁，信息量大，读者对象是大学低年级学生，可以作为理工科大学和师范院校有关专业近代物理、量子物理、原子物理等基础课的教材或教学参考书．
　　

序
1 引言
1．1 从经典物理到近代物理
1．2 近代物理学的基本问题
1．3 单位和常数
2 狭义相对论时空性质
2．1 迈克耳孙-莫雷实验
2．2 爱因斯坦相对性原理
2．3 时间的相对性
2．4 长度的相对性
2．5 洛伦兹变换和速度叠加
2．6 支持洛伦兹变换的实验
2．7 四维时空间隔
2．8 闵可夫斯基空间
3 狭义相对论质点力学
3．1 粒子的运动学描述
3．2 粒子的动力学关系
3．3 能量动量关系的讨论
3、4 相互作用多粒子体系
3．5 粒子的衰变

　　 北京大学技术物理系核物理专业的普通物理课，1986年开始在虞福春教授指导下进行改革，至今已有8年．我们尝试把普通物理的教学由以传授物理知识、训练解题技巧为主，转变为以启发学生思考、培养学生提出、分析和解决问题的能力为主．为此我们修订了教学计划，把原来的力学、热学、电磁学、光学和原子物理学五门课合并成一门周期为两年的普通物理课，以突出物理学的整体性，强调物理学各部分之间的联系．在此基础上，我们把原来的原子物理学扩展为现在的近代物理学。这本《近代物理学》，就是这种尝试的一个结果．
　　 我们为《近代物理学》这门课程设定的主题，是用普通物理的风格来讲述相对论和量子力学的基本概念和物理图象，以及支配物质运动和变化的基本相互作用，并在此基础上讨论物质结构从粒子、原子核、原子、分子、固体、气体和凝聚态直到天体和宇宙各个层次的性质、特点和规律，而把原子结构作为重点．在讲述时，我们避免把每一部分讲成近代物理中自成体系的独立分支，而是力图让学生对近代物理学基础从整体上有一基本、具体和定量的了解．
　　 本书普通物理的风格，我们主要是指现象描述与理论分析并重，从物理现象和实验的分析来形成物理图象和概念，提出物理定律和公式，建立物理模型和理论，并在进一步的实验中求得支持和发展．典型的做法，就是从简单具体的实例中得出结论，然后指出这个结论的适用范围．此外，定量分析只用简单的数学，即代数运算和微积分，至多是简单的常微分方程．
　　 对于狭义相对论，已有许多成功的做法可供参考．困难在于如何找到一种方法，像电磁学中讲高斯定律那样，用普通物理的风格和程度来定量地讲授量子力学和广义相对论的基本内容．我们采用的一种做法，就像在波动光学中引入惠更斯-菲涅耳原理和菲涅耳-基尔霍夫积分那样，是适当地引入一些第二性的原理和公式，从而避开从第一原理出发会遇到的数学困难．例如避开薛定谔方程的微扰论求解，通过适当的物理考虑给出散射波的玻恩近似公式和跃迁概率的费米公式，直接从它们出发来推导卢瑟福散射公式和讨论各种粒子物理过程；又如绕过爱因斯坦引力场方程的求解，直接从施瓦西度规和能量角动量守恒出发来讨论广义相对论的可观测效应，等等．
　　 我们不是像通常那样沿历史的线索，而是按逻辑的线索来安排内容．比如先讲光电效应和康普顿效应等光量子的动力学性质，再讲其统计性质普朗克黑体辐射定律；先讲电子的波动性，再讲氢原子结构的玻尔理论，等等．一个合乎逻辑的知识结构可以使学生长期受益，有利于他们将来进一步扩充知识范围，处理新吸收的信息．不过我们无意追求理论的系统与完整，因为这是普通物理．普通物理最重要的是使学生掌握一些典型和具体的实例．
　　 本书并没有专门安排一章统计物理，但是讲了光子气体、声子气体、自由电子气体和玻色-爱因斯坦凝聚．只要学生掌握了这几个具体例子，他不难自己归纳出量子统计的基本特征和规律．
　　 本书这种论述方式是与传统学习方式迥然不同的另一种学习方式：让学生在学习一些具体知识时，不知不觉地学到了重要的物理原理和规律．我想这在一定意义上就是杨振宁先生多次强调的渗透式的学习．实际现象和事实是物理学的基础和出发点．学物理最重要的是各种具体物理现象，它们是物理概念和理论的源泉．新的物理现象，一定孕育着新的物理．我希望把学生的兴趣和注意力从公式演算和解题技巧引导到了解和熟悉具体物理现象上来．本书的行文，常常是直接把学生领进物理现象和推理的情景之中，让他自己去感觉、去体验、去发现、去思索，从而获得对它们具体和实在的了解．
　　 在内容选择上，除了近代物理中成熟、定型、已有定论的基本内容外，还适当涉及到一些正在研究、尚未定型、可以争辩的open problem，比如中微子有没有质量?质子会不会衰变?我们的宇宙是封闭的还是开放的?核物质的压缩和相变，等等．涉及这些问题，是为了让学生接触近代物理正在发展的活跃前沿，只要求学生知道和了解，不必也不可能要求学生深入理解．其次，本书选入了一些传统课程的较深题材，例如穆斯堡尔效应，超流与超导，几个广义相对论效应的定量分析，基本相互作用和弱电相互作用的统一，等等．选入这些内容，是为了使学生扩大视野和提高视角，以加深对近代物理学基础的理解；在讲法上尽量深入浅出，着重讲清物理图象和概念，只要求学生能够理解而不二定完全掌握．最后，对于占全书70％以上的近代物理学基本内容，则讲清讲透，要求学生完全掌握并能运用．把课程的内容和对学生的要求区分成上述三个层次，是我们对这门课程改革的主要指导思想之一．
　　 最难处理的是第二类内容．例如如何用简单初浅的办法来估计一个粒子物理过程发生概率的数量级，1950年E．费米在耶鲁大学西里曼讲座中就做过尝试，而直到最近国外出版的粒子物理教材中这种尝试还在继续．可以说，如何把传统课程的较深题材深入浅出地在普通物理的水准下讲出来，这本身就是一个需要研究和探索的课题，还没有成熟、定型、被普遍接受的讲法．在这个意义上，5．6节中子单缝和双缝衍射实验，5．7节N-A形状弹性散射，6．2节卢瑟福散射公式，7．9节规范不变性原理，7．10节阿哈罗诺夫-玻姆效应，12．7节声子，13章超流与超导，14．2节原子核的几何性质，14．8节核物质，15．6节相互作用，15．7节弱电统一和中间玻色子，16章广义相对论的基本概念，17章天体和宇宙，以及其他一些章节的有些内容的处理，都只能当作Seminar式的可以争辩的尝试．
　　 本书的主要。内容曾分别给北大核物理专业86、88和90级讲过．许方官教授给87、89和91级讲相应的课程时也参考过我的讲稿。作为一本教材，在阐述时我努力做到简明扼要，避免科学普及读物式的比喻、引伸和发挥．作为普通物理教材，本书只开列了主要参考书目．基本物理常数和数据取自美国《物理学评论》1994年D50卷第3-I期粒子性质评论．
　　 我们的改革尝试得到中国物理学会教学委员会特别是赵凯华教授的关心和鼓励．这项计划在执行中得到北京大学常务副校长王义道教授和自然科学处原副处长毕源章的支持和鼓励．本书的出版得到虞福春教授、胡济民教授、高崇寿教授和北京大学教材建设委员会及北京大学出版社的大力帮助．许方官教授、汪厚基副教授、张敏钊副教授和苏育棉硕土看过本书初稿，高崇寿教授仔细审阅了有关章节，提出了许多宝贵意见．赵强同学核对了部分习题答案．我在此表示衷心的感谢．我学浅识疏，经验不足，错误与不妥之处，请各位读者指正．
　　 作 者
　　 1994年秋于北京中关村