经典物理学并不能恰当地解释比热、黑体辐射、光电效应、原子稳定性等问题。普朗克、爱因斯坦和玻尔用量子化的思想解决了这些问题。

就事论事的量子化奏效了，但是没有一个人知道为什幺——那时基本理论还不存1925～1930年间，出现了三种形式的量子理论——海森伯的矩阵力学，薛丁格的波动力学，狄拉克的算符力学。所有这三种形式的量子力学都没有考虑相对论效应。狄拉克方程解决了这个问题。

量子理论很管用，但是没有一个人知道如何来解释这些方程。玻尔在不确定性原理和互补原理的基础上提出了哥本哈根诠释。但是，爱因斯坦并不能接受它。争论在继续，然而，实验结果支持的是量子理论。

人们试图解释光和物质是如何相互作用的努力却导致了无穷大的难题。1948年费恩曼和朝永振一郎创立了一种新的量子场论——量子电动力学（缩写为QED)。l962年欧洲原子核研究组织(CERN)举办了第ll届国际高能物理学术会议

对阴极射线的研究表明，原予不是不可分割的一一所有原子都包含有电子。a粒子散射实验向世人揭示了核。瑟福提出原子核的“行星模型”。查德威克发现中子。卢瑟福解释了核嬗变和放射性。汤川提出了束缚核子的强核力模型。提出核的液滴模型和作轨道运动的核子模型。

对宇宙线、放射性和粒子碰撞的研究发现了许多归人不同家族的新粒子：轻子——类电子粒子和中微子；强子——重子和介子，受强核力的作用而运动；强子图式促使人们想到了更深的层次——夸克。规範玻色子起粒子相互作用媒介的作用。

高能物理学的研究使用两种最基本的工具：加速器——从范德格拉夫的高压静电发生器到大型强子对撞机(LHC).探测器——从验电器到大型正负电子对撞机物理探测器(ALEPH).

统一是物理学的远大目标。电磁学是第一个重要的物理学的统一理论。电弱相互作用统一理论。从对称到超对称。从量子电动力学到量子色动力学以及量子引力问题。弦理论。

麦克新韦证明了，光的速度可以从电磁定律推导出来。迈克耳孙毕其一生精益求精地进行光速的测量，并力图寻找支持所谓以太的媒质。迈克耳孙一莫雷实验并没有检测到这种“光以太”。光的速度是一切速度的极限。

牛顿力学和麦克斯韦的电磁理论在处理空间一时间和运动问题上并不一致。爱因斯坦提出物理学的定律对所有观测者都应该是一样的，而与他们的运动状态无关。相对论的原理导致了许多与人们的直觉不一致的结果：时间延缓、长度收缩、质能等效等。闵可夫斯基则把相对论解释为一个四维空间一时间几何学的理论。

怎样才能把引力和加速度包容进相对论？爱因斯坦认识到，自由下落的观察者是感觉不到引力的。等效原理则把引力和加速度联结了起来，并预言了一些新的物理现象：光在引力场中的偏折、引力的时间延缓以及近日点的进动。引力又可解释为闵可夫斯基的四维空间一时间的畸变：“物质告诉空间该怎样弯曲，而空间告诉物质该怎样运动。理论预言了引力波和黑洞。

人类在地球表面观测天体的範围以及成像的清晰度受到地球大气层以及望远镜孔径衍

射效应的制约。克服这种限制的方法之一就是将望远镜送人太空。天文学始于可见光波段的观测，现已扩展到电磁波谱的全部波段。

为测量到恆星乃至星系的距离，我们需要一系列技术手段，涉及恆星发光、生长和死亡

的详尽的理论。恆星光谱提供了包含恆星的本质、宇宙的历史以及元素起源的信息寸赫一罗图汇总了恆星的种类和特点。图中主序带以外包括了红巨星、白矮星、中子星和黑洞。超新星爆发冶炼出的各种重元素推动了整个星系化学成分的演化，同时超新星可以作为标準烛光用于测量宇宙大尺度的距离。

宇宙中有数量极多的星系，彼此相距遥远。银河系只是其中的一个星系。哈勃定律指出，星系的红移量正比于其距离。宇宙正在膨胀中心宇宙的膨胀意味着它的大爆炸起源。微波背景辐射和高丰度轻核的证据都支持这一学说。宇宙的年龄大约为150亿年（译注：更準确的数据为137亿年）。早期的宇宙可能是处于一种按指数规律暴胀的状态々这是由不稳定的真空态坍缩引起的。宇宙的未来取决于它的密度。当前我们只能检测到它的部分质量，可以解释恆星和星系的运动。

热力学第二定律表明物理过程固有的不可逆性。熵永不减少。玻尔兹曼对熵和不可逆性作了有效的微观解释，但也引起了争议。诸如麦克斯韦妖这样的思想实验表明，熵与信息是相互关联的。霍金开创了黑洞热力学。

儘管人们对温度很熟悉，但它是一个微妙的、与熵和能量有关的概念。绝对零度是不可能达到的。按照热力学定律，利用从有序到无序的转变可以获得很低的温度。昂内斯将氦液化从而开创了低温物理学，揭示出物质的一些奇特的新性质——超导性和超流性。接近绝对零度时，这种奇异行为涉及量子统计以及费米子和玻色子之间的区别。最近的研究已经创造了一种新的巨观物质态——玻色一爱因斯坦凝聚。

18、正反共轭(C）、空间反射(P)和时间反演(T)

守恆定律与对称性原理有关。在某些粒子相互作用中，单独的正反共轭、空间反射和时间反演对称性都遭到破坏，但是它们的联合效应(CPT)应当守恆。在某些衰变反应中，时间反演对称性的破坏表明有一个基本的微观时间箭头，它与热力学箭头并没有明显的联繫。