物理学及其空间尺度

物理学及其空间尺度 (作者:赵凯华教授，取自中国物理教育网)(注：文中10”(n)表示10的n次方)物理学是探讨物质基本结构和运动基本规律的学科。从研究对象的空间尺度来看，大小 至少跨越了42个数量级。人类是认识自然界的主体，我们以自身的大小为尺度规定了长度的基本单位-米(meter)。 与此尺度相当的研究对象为宏观物体，以伽利略为标志，物理学的研究是从这个层次上开始 的，即所谓宏观物理学。上次世纪之交物理学家开始深入到物质的分子、原子层次(10”(-9)-10”(-10)m)，在这个 尺度上物质运动服从的规律与宏观物体有本质的区别，物理学家把分子、原子，以及后来发 现更深层次的物质客体(各种粒子，如原子核、质子、中子、电子、中微子、夸克等)称为 微观物体。微观物理学的前沿是高能或粒子物理学，研究对象的尺度在10”(-15)m以下，是 物理学里的带头学科。本世纪在这个学科里的辉煌成就是60年代以来逐步形成了粒子物理的 标准模型。近年来，由于材料科学的进步，在介于宏观和微观的尺度之间发展出研究宏观量子现象 的一门新兴的学科-介观物理学。此外，生命的物质基础是生物大分子，如：蛋白质、DNA，其中包含的原子数达10(4)-10(5)个之多，如果把缠绕盘旋的分子链拉直，长度可达10”(4)m的数量级。细胞是 生命的基本单位，直径一般在10”(-5)-10”(-6)m之间，最小的也至少有10”(-7)m的数量级。 从物理学的角度看，这是目前最活跃的交叉学科-生物物理学的研究领域。现在把目光转向大尺度。离我们最近的研究对象是山川地体、大气海洋，尺度的数量级 在10”(3)-10”(7)m范围内，从物理学的角度看，属地球物理学的领域。扩大到日月星辰，属天文学和天体物理学的范围，从小行星到太阳系、银河系，从星系 团到超星系团，尺度横跨了十几个数量级。物理学最大的研究对象是整个宇宙，最远观察极限是哈勃半径，尺度在 10(26)-10(27)m的数量级。宇宙学实际上是物理学的一个分支，当代宇宙学的前沿课题是 宇宙的起源和演化，本世纪后半叶这方面的巨大成就是建立了大爆炸标准宇宙模型。这个模 型宣称宇宙是在一百多亿年前的一次大爆炸中诞生的，开初物质的密度和温度都极高，那时 既没有原子和分子，更谈不到恒星与星系，有的只是极高温的热辐射和在其中隐现的高能粒 子。于是，早期的宇宙成了粒子物理学研究的对象。粒子物理学的主要实验手段是加速器， 但加速器能量的提高受到财力、物力和社会等因素的限制。粒子物理学家也希望从宇宙早期 演化的观测中获得一些信息和证据来检验极高能量下的粒子理论。就这样，物理学中研究最 大对象和最小对象的两个分支-宇宙学和粒子物理学，竟奇妙地衔接在一起，结成为密不可分 的姊妹学科，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴。