天体物理毕业论文范文

物理学概览 物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。 物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。 随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。 物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这—目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。经典力学 经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。宏观是相对于原子等微观粒子而言的；低速是相对于光速而言的。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动。                                       自远古以来，由于农业生产需要确定季节，人们就进行天文观察。16世纪后期，人们对行星绕太阳的运动进行了详细、精密的观察。17世纪开普勒从这些观察结果中总结出了行星绕日运动的三条经验规律。差不多在同一时期，伽利略进行了落体和抛物体的实验研究，从而提出关于机械运动现象的初步理论。  牛顿深入研究了这些经验规律和初步的现象性理论，发现了宏观低速机械运动的基本规律，为经典力学奠定了基础。亚当斯根据对天王星的详细天文观察，并根据牛顿的理论，预言了海王星的存在，以后果然在天文观察中发现了海王星。于是牛顿所提出的力学定律和万有引力定律被普遍接受了。  经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量：一个力学系统在某一时刻的状态，由它的某一个质点在这一时刻的空间坐标和动量表示。对于一个不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式(如热运动、电磁运动等)的力学系统来说，它的总机械能就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定。  在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的意义。物理学的发展表明，任何一个孤立的物理系统，无论怎样变化，其总能量和总动量数值是不变的。这种守恒性质的适用范围已经远远超出了经典力学的范围，现在还没有发现它们的局限性。  早在19世纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学科，它包含了丰富的内容。例如：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。经典力学的应用范围，涉及到能源、航空、航天、机械、建筑、水利、矿山建设直到安全防护等各个领域。当然，工程技术问题常常是综合性的问题，还需要许多学科进行综合研究，才能完全解决。                                         机械运动中，很普遍的一种运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。人们通过声波传递信息，有许多物体不易为光波和电磁波透过，却能为声波透过；频率非常低的声波能在大气和海洋中传播到遥远的地方，因此能迅速传递地球上任何地方发生的地震、火山爆发或核爆炸的信息；频率很高的声波和声表面波已经用于固体的研究、微波技术、医疗诊断等领域；非常强的声波已经用于工业加工等。热学、热力学和经典统计力学  热学是研究热的产生和传导，研究物质处于热状态下的性质及其变化的学科。人们很早就有冷热的概念。对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念(例如区分了温度和热量)，并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。到19世纪，热力学已趋于成熟。  物体有内部运动，因此就有内部能量。19世纪的系统实验研究证明：热是物体内部无序运动的表现，称为内能，以前称作热能。19世纪中期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律：宏观机械运动的能量与内能可以互相转化。就一个孤立的物理系统来说，不论能量形式怎样相互转化，总的能量的数值是不变的，因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。  在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。例如：一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同，那么热就从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达到各处温度都相同的状态，也就是热平衡的状态。相反的过程是不可能的，即这个孤立的、内部各处温度都相等的物体，不可能自动回到各处温度不相同的状态。应用熵的概念，还可以把热力学第二定律表达为：一个孤立的物理系统的熵不会着时间的流逝而减少，只能增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。                                       深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。  非平衡统计力学所研究的问题复杂，直到20世纪中期以后才取得了比较大的进展。对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说，系统处于无序状态的几率超过了处于有序状态的几率。孤立物理系统总是从比较有序的状态趋向比较无序的状态，在热力学中，这就相应于熵的增加。  处于平衡状态附近的非平衡系统的主要趋向是向平衡状态过渡。平衡态附近的主要非平衡过程是弛豫、输运和涨落，这方面的理论逐步发展，已趋于成熟。近20～30年来人们对于远离平衡态的物理系统，如耗散结构等进行了广泛的研究，取得了很大的进展，但还有很多问题等待解决。  在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有局限性的，认识到的只是相对的真理，经典力学和以经典力学为基础的经典统计力学也是这样。经典力学应用于原子、分子以及宏观物体的微观结构时，其局限性就显示出来，因而发展了量子力学。与之相应，经典统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。

为了纪念伟大的爱因斯坦发表改变世界的五篇论文一百周年，以及他逝世50周年，联合国大会在04年6月份一致通过决议把2005年定为“世界物理年”。 谈到物理学，首先要对物理学下一个定义。物理者，万物之理也。在英文中PHYSICS一词与PHYLOSOPHY（哲学）很相近，物理学最早被称为自然哲学，是哲学专门研究自然界的分支。这个概念最早可追溯到亚里士多德《物理学》一书，后来在牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》给了物理学的诞生时一个比较准确的定义：用数学工具解决自然哲学问题，即用数学了解整个自然界的运动规律。中国古代采用“格物至知”一词来定义这门学科，即采用分析的方法研究物质获得知识，与中国古代哲学重视整体统一性而严重忽略事物细节和内部规律的做法大相径庭。 从诞生的那一天起，物理学就通过对自然界五花八门千变万化的各种现象内在本质的探索来帮助人类认识这个世界，从而能改造这个世界。既然物理学追求的是物质世界的一切运动规律，那么从广义上讲，一切自然科学都是物理学。这中说法毫不过分，自然科学本身就是人类为了认识这个世界而发展起来的方法和知识体系，自然科学的其他分支诸如化学，生命科学，宇宙学（天文），地球科学（地理）等等研究领域都是自然界的一部分或是一个知识层面，只有物理学研究的是整个自然界，大到浩瀚宇宙小到基本粒子。相比于其他学科定性概念居多研究深度有限而言，物理学深入探索整个自然界一切现象的本质规律，并尽可能地使其数学定量化，其他自然科学学科领域最基础最本质的运动规律和产生现象的原因都要靠物理学来回答，因此从广义上讲一切自然科学都是广义上的物理学。 然而这并不意味着其他自然科学学科可以简单地并入物理学成为他的一个分支，系统科学的出现表明，很多宏观概念还原到微观本质上的物理学规律以后是不能准确地反映这个概念的，因为在微观还原过程中层层近似并且忽略了在微观情况下可以忽略而组成宏观系统后影响较大不能忽略的那部分因素，因此还原论只是寻找本质，而本质并不代表一切。在化学和生物学等学科中很多概念都是复杂系统特有而对单个粒子意义不大的性质，诸如PH值、反应速率、生态系统等等。物理学本身也有很多这样的概念，例如温度本质上虽然是分子平均动能的体现，但在实际研究中后者显然不能替代前者。 于是我们通常所说的物理学便是狭义上的物理学。探讨中国物理学的现状，首先要知道世界物理学的现状，因为中国物理学一直落后于西方，它的现状和发展很基本上是由世界物理学现状及发展所决定的。国内将物理学列为一级学科，其下有理论物理，粒子物理及原子核物理，原子分子物理，凝聚态物理，光学，声学，等离子体物理，无线电物理八个二级学科。从研究目的和方法上可以把物理学分为理论物理，实验物理和应用物理三个领域。其中粒子物理和原子核物理以及原子分子物理两个二级学科主要属于实验物理方面，而后五个二级学科大多研究方向以应用为主，可划归到应用物理领域。 理论物理本身可分为基础理论研究和应用理论研究两大部分，公众往往把这个小小的基础理论研究部分误认为是物理学本身了，这是因为从古到今成就物理学界耳熟能详的大师级人物基本都来自这个领域。基础理论研究就是一步一步深入探索寻找自然界最深层次的统一规律，它是整个物理学最前沿的最神秘也是最挑战人类智力的部分，其成果也是物理学最核心最辉煌的，这些成果包括历史上的牛顿力学，麦克斯韦电磁理论，到二十世纪初的相对论和量子力学以及目前的量子场论和超弦，现在研究基础理论的学者们都是在做量子场论（既结合了相对论之后更深入的量子理论）及在场论基础上发展起来的超弦假说。 大三时教我热统的老师曾说搞基础理论研究一般只有两个结果：一是是零，即成为后人成功的铺路石而终生默默无闻；另一个是无穷大，既成为诸如爱因斯坦、狄拉克、费曼、温博格或威藤等等那样的大师级人物。而能成为后者的毕竟是少数幸运天才，因此不但研究理论物理的人是所有研究物理的人中很少的一部分（小于5%，在中国应该更少），搞基础理论的人在研究理论物理的人中也只是少部分，剩下的一大半做的是应用理论研究，这其中包括凝聚态理论，量子光学，原子分子理论等等，它们大多采用现成的量子理论来解释各自领域的内在物理机制，与基础理论研究最大的区别是它们停留在原子（确切地说是核外电子）的层面上采用现有的量子理论解决问题，而对更深入的粒子本质不做探讨。由于应用理论研究很大程度上是对现有基础理论的复杂应用，于是它的研究方式不可避免地引入大量计算，甚至有人将计算物理看做物理学的又一分支。 谈完理论物理，下面说一说实验物理和应用物理。其实这两个领域并没有明显的界限，区别只是实验出的结果应用程度大小的问题。本文所说的实验物理主要是指高能物理（即粒子物理），他的实验目的不是以应用而是以验证基础理论是否正确为主，并希望通过高能实验的某些新现象来促进基础理论的发展，这个领域最重要也是最独特实验仪器便是“加速器”。建造加速器需要国家政府投入大量的财力物力而且在经济上很难得到回报，因此世界上除几个大国外其他国家都对它望而却步。由于加速器更新改进的财政困难使得国际粒子物理学研究陷入一个瓶颈，中国自然也不例外。这样客观上导致了中国研究高能物理的人与研究理论物理的人一道成为物理学界为数很少的小团体。 谈到这里我不得不提出一个事实，那就是搞物理的人绝大多数是在研究应用物理，即研究领域与人类生活密切相关，比较容易其将成果转化为应用技术的领域。在研究的过程中运用应用理论研究的成果来解决人类需要，并能反过来推动应用理论发展。 凝聚态物理是现在物理学最大的分支领域，所谓凝聚态是指物质固态和液态的统称。在地球上与人类生活密切相关的物质除了阳光和空气其余都是以凝聚态的形式存在，这足以看出研究凝聚态物理对人类的重要性。凝聚态物理最早的重大成就是半导体的发现及应用，它最后产生的社会价值想必不用我多说了，您只需看一眼身边这台电脑变见分晓。凝聚态物理最近有两个大名鼎鼎的热门方向，一个是“超导”，另一个是“纳米”，传媒上关于它们已经有很多的介绍，我就不再重复。其他领域诸如软物质，准晶体，磁学等等很可能酝酿着下一个重大的突破。可以肯定的是，作为物理学最大的分支方向，它已经逐渐发展为整个物理学的主干和中心，超过半数研究物理的人在这个领域辛勤地工作着为人类造福。 前面说过原子分子物理目前主要停留在实验物理学阶段，单个原子对人类的意义虽然没有多个原子形成的凝聚态物质重要，但既然一切物质除光以外都是由原子所构成。这个领域麻雀虽小却是五脏俱全，它与物理学乃至整个自然科学各个分支学科都有非常紧密的联系，而这些交叉领域恰恰是其最重要的应用领域。研究化学反应化合物本质的量子化学实质上就是分子物理学，研究DNA大分子的分子生物学实质上也是分子物理学的一个研究领域。由此可见这个学科的发展义对其他的自然科学学科有多么重大的意义。 光也许是世界上最神奇的东西了，难怪古希伯莱人认为上帝先创造了光然后创造的万物。通常人们爱把所有物质分为狭义的由原子分子组成的“物质”，以及由光子作为载体的“能量”。毫不夸张地说物质世界一切能量传递的过程都是靠传递光子完成的（如果广义相对论和量子场论标准模型正确的话）。例如声光电热磁，声音和热量本质上可还原为电磁相互作用，而电磁相互作用本质上就是靠电荷吸收辐射光子来完成的（QED）。因为光是一切能量的载体，量子力学中的“量子”实际上指的就是光量子，即光子。光速是一切速度的极限，光子可以转化为正反粒子对，也许对光的本质的研究会直接触及物质世界最深层次的奥秘。 然而光学的发展却完全偏离探索光本性的方向，光学目前是物理学最接近应用领域的一个分支，因为它的应用性太强了，在实际应用中即可成为能量的载体也可成为信息的载体。激光的发现重要性丝毫不亚于半导体，它使得光学发展为仅次于凝聚态物理的物理学第二大分支，并且目前比凝聚态物理更接近实际应用。这个分支的基础部分自然还是划归于物理学，但其应用研究部分很可能会继电子之后成为一门从物理学独立出去的学科。 其它的应用方向都是物理学比较小的分支，对于声学的情况我不是很了解，所以不敢枉加评论，但可以肯定的是它的研究领域集中在经典宏观领域，其学科特点更像是工科，声音对人类的重要性决定着这门学科的重要性。 等离子体是气体在极高温状态下形成的一种电离态，它跟原子分子物理联系的最为密切。虽然浩瀚宇宙中到处弥漫着等离子体构成的恒星，但由于在地球上很少出现所以对它的研究长期不受重视，直到受控核聚变的研究采用了激光约束等离子体的办法才使对等离子的研究有了十分重要的意义，一旦受控核聚变应用成功将一劳永逸解决人类能源问题。 谈到核聚变就要说说核物理了，核物理的核子（质子，中子）探索部分属于前面讲过的高能物理范畴，但它的应用部分对人类的影响却是更加深远。原子弹和氢弹的发明对人类是福是祸也许只有若干个世纪以后才会有最后的答案。除了巨大的能量之外，核物理的其他一些成果例如核磁共振以及中子散射等的应用对人类贡献也是十分重要的。 欧美国家习惯上都把天文学（宇宙学）纳入物理学的范畴，二十世纪在天文学领域有重大发现的几个人都获得了诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的广义相对论巨大成就使得天体物理在理论上很难有新的东西出现，只有那神秘的黑洞一直激发着霍金等大师的无尽创造力。这个方向越来越像高能物理，成了一门观察实验物理学，一个深入最微观领域，一个畅游于最宏观的宇宙，他们源源不断地给基础理论物理学家提供数据，共同寻求着万物一理的统一答案。宇宙学最近由于暗物质和暗能量的出现激发着基础理论的大师们酝酿着一个新的突破。 以上简要介绍了现今物理学的现状及发展方向，希望能够消除读者对物理学的误解。物理专业的学生并不是出来都要像爱因斯坦一样从事世界最本质规律的探索，也不是都要像建国后老一辈物理家那样去大西北研究核武器。前面已经说过从事基础理论研究和从事核物理研究的人只是在物理专业的人中很少很少的一部分，大多数人都从事着凝聚态物理和光学这样与人类生产生活密切相关的领域做应用研究，现代物理学的主干和重心恰恰就是这些应用领域，整个世界都是如此。 国内的物理系一般把本科专业分为三个，即物理学，应用物理学，光信息科学技术。光信息专业自然是光学方向；应用物理学主要研究偏向工科的微电子，声学，微波无线电等方向，剩下的物理学专业俗称大物理今后主要研究方向是凝聚态物理学，少量会研究原子分子物理学以及相关的物理化学，其中每年只有很少几个人会选择理论物理或者高能物理核物理方向。 从广义上说物理学可泛指所有自然科学，从狭义上说物理学研究物质世界最基本最深入最普遍的东西，当其在某个层面知识领域发展出比较完善的理论基础以后，这个理论所发挥作用的领域便成为完全以应用为主的科学进而形成一门技术学科（工科）。例如：经典力学体系的完善产生了机械等专业；热力学的理论体系完善产生了热能等专业；麦克斯韦方程组的完善产生了电力、无线电、通讯工程等学科；半导体能带理论的完善产生了电子科学技术专业。那么从物理学中诞生出来下一个这样的学科将会是什么？毫无疑问将是光学，从光学理论基础来看，几何光学加上麦克斯韦方程组连同非线性光学的理论虽然远不足以解释光的本性，但对应用来说基本已足够，目前国家已经把光学工程列为一级学科正好说明了这个趋势。也许在不远的将来，凝聚态物理学的理论和实验趋于完善之时，它很可能也会独立成为一门应用技术学科，那么留给物理学的的仅剩下原子尺度及以下领域的探索了，研究物理学的人也许会变少，但这并不代表物理学会枯萎。物理学是自然科学之母，它的成果早已遍地开花深入到每一门学科的领域，并且一次次诞生新的学科来实现人类认识自然，改造自然的愿望。 如果看我帖子的人中，有今后有志于进入大学物理专业学习的高中生的话，我的奉劝是学物理是一个比想像中困难得多的过程，除了专业上四大力学等高深理论需要花费大量时间去理解外，在生活中真正想融入这个专业也要耐的住寂寞。一般国内高校较知名的物理系除了个别师范院校外，大多男女生比例高打7：1到8：1。当然我希望更多的优秀高中毕业生投入到这个专业中来，因为前面已经说过，学物理的人只有极少数在搞高深的基础理论和恐怖的高能实验，大多数人在研究凝聚态和光学等倾向于应用的方向，如今交叉学科领域成果层出不穷，很多地方都是无人开采的金矿。而具备雄厚物理理论基础并从事应用方向研究的人在这些领域最容易做出成果，成就自己的事业。顺便提一句，研究物理只会让你的理性思维变得更强，并不会对你感性的一面构成明显伤害，由于国内多年片面的宣传使得物理学家们有了一种被神化同时又被妖魔化的感觉。其实物理学家也是人，有着正常人的喜怒哀乐爱恨情仇，有着正常人的一切人性特点，他们是最正常不过的人，只是由于社会分工的不同使他们走上了探索大自然奥秘来改善人类生活的道路。杨振宁82岁高龄同样可以娶28岁的妻子新闻正好说明了这一点。 对于高中正在进行中学物理学习的学生，我想告诉你们一个事实，那就是大学物理和中学物理基本上完全是两回事，中学物理学的好坏可能对你在大学普通物理（理工科任何专业都要学的物理基础课）力学部分的课程稍微有一点影响，但对于物理学专业来讲，中学物理的内容可以近似为零忽略不计。如果某位同学因为看了“第一推动丛书”等优秀的科普读物，或者因为其他原因从而喜欢上探索自然奥秘的基础理论物理的话，如果你仍然对它有或一样的激情，那么我奉劝你选择物理专业。即使因为4年的专业学习觉得大自然远远比你想像的神秘从而放弃基础理论转向应用研究方向的话（绝大多数物理专业学生最终会这样），你毕竟对自然界的规律和各种现象产生的原因有了比别人更深的理解。可是现实中往往是一些没有或很少有物理专业背景的人却对探索自然奥秘有着火一样的热情，这样的结果导致这些人成了物理学的民科（民间科学家），使得各个论坛科学版上类似于“驳倒相对论，我超越爱因斯坦了……我发现了惊世定律……”等等等等民科的垃圾文章层出不穷。当然我不是反对民科，他们也许可能在一些应用技术方面能有少许的创新和贡献，这些人都是在表面上认识了几个理论物理的词汇却根本不明白它的含义，然后通过整天的胡思乱想用他们编造出了毫无用处离物理学研究十万八千里的一堆“原理”、“定律”甚至还有出版社为之出书，这些人不但浪费是在浪费自己的时间，也是在浪费读者的饿时间，从这上面来看中国的科普工作还任重道远，而物理专业的人才对自然的认识比其它专业要深刻得多使他们更能胜任这一角色。

浩瀚的宇宙魅力无穷，它吸引着无数的科学志士为之求索探秘。千百年来，人们为了认识天体和宇宙的奥秘，不屈不挠地探求着。伟大的波兰天文学家哥白尼有一句名言：“人类的天职是勇于探索”，中国古代诗人屈原说过：“路漫漫，其修远兮，吾将上下而求索”，可见探索天文知识是人类永恒的科学主题。 天文学是人类运用所掌握的最新的物理学、化学、数学等知识以及最尖端的科学技术手段，对宇宙中的恒星、行星、星系以及其它像黑洞等天文现象进行专业研究的一门科学.它是一门集人类智慧之大成的综合系统。 天文学主要研究天体的分布、运动、位置、状态、结构、组成、性质及起源和演化。随着天文学的发展，人类的探测范围由目测的太阳、月球、天空中的星星到达了距地球约100亿光年的距离，根据尺度和规模，天文学的研究对象可以分为：行星层次，恒星层次以及整个宇宙。 天文学的一个重大课题是各类天体的起源和演化。天文学和其他学科一样，都随时同许多邻近科学互相借鉴，互相渗透。天文观测手段的每一次发展，又都给应用科学带来了有益的东西。 天文学的研究对于我们的生活有很大的实际意义，对于人类的自然观有很大的影响。古代的天文学家通过观测太阳、月球和其他一些天体及天象，确定了时间、方向和历法。这也是天体测量学的开端。如果从人类观测天体，记录天象算起，天文学的历史至少已经有5、6千年了。天文学在人类早期的文明史中，占有非常重要的地位。埃及的金字塔、欧洲的巨石阵都是很著名的史前天文遗址。哥白尼的日心说曾经使自然科学从神学中解放出来；康德和拉普拉斯关于太阳系起源的星云说，在十八世纪形而上学的自然观上打开了第一个缺口。 牛顿力学的出现，核能的发现等对人类文明起重要作用的事件都和天文研究有密切的联系。当前，对高能天体物理、致密星和宇宙演化的研究，能极大地推动现代科学的发展。对太阳和太阳系天体包括地球和人造卫星的研究在航天、测地、通讯导航等部门中都有许多应用。

大学本科毕业论文标准格式×××××三号黑体）学 号：（××××××××三号黑体）指导教师：（××××××××三号黑体）专业：（××××××××三号黑体）年 级：（××××××××三号黑体）学 校：（××××××××三号黑体）4.2摘要：摘要是论文内容不加注释和评论的简短陈述，应以第三人称陈述。它应具有独立性和自含性，即不阅读论文的全文，就能获得必要的信息。摘要的内容应包含与论文同等量的主要信息，供读者确定有无必要阅读全文，也供文摘等二次文献采用。摘要一般应说明研究工作目的、实验研究方法、结果和最终结论等，而重点是结果和结论。摘要中一般不用图、表、公式等，不用非公知公用的符号、术语和非法定的计量单位。摘要页置于封面页后。中文摘要一般为300汉字左右，用5号宋体，摘要应包括关键词。英文摘要是中文摘要的英文译文，英文摘要页置于中文摘要页之后。申请学位者必须有，不申请学位者可不使用英文摘要。关键词：关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。一般每篇论文应选取3～5个词作为关键词。关键词间用逗号分隔，最后一个词后不打标点符号。以显著的字符排在同种语言摘要的下方。如有可能，尽量用《汉语主题词表》等词表提供的规范词。4.3目次页：目次页由论文的章、节、条、附录、题录等的序号、名称和页码组成，另起一页排在摘要页之后，章、节、小节分别以1.1.1、1.1.2等数字依次标出，也可不使用目次页5.主体部分5.1格式：主体部分的编写格式由引言(绪论)开始，以结论结束。主体部分必须另页开始。5.2序号毕业论文各章应有序号，序号用阿拉伯数字编码，层次格式为：1××××（三号黑体，居中） ××××××××××××××××××××××(内容用小四号宋体)。 1.1××××（小三号黑体，居左） ×××××××××××××××××××××（内容用小四号宋体）。 1.1.1××××（四号黑体，居左） ××××××××××××××××××××（内容用小四号宋体）。例子 原子核和强相互作用物质的相变[1]刘玉鑫，穆良柱，常雷1．北京大学物理系, 北京1008712．北京大学重离子物理教育部重点实验室，北京1008713．重离子加速器国家实验室理论核物理中心，兰州730000 摘要：简要回顾原子核和强相互作用物质的相结构及相变研究的现状。说明原子核和强相互作用物质的相结构和相变的研究是原子核物理、粒子物理、天体物理、宇宙学和统计物理等领域共同关心重要前沿领域，到目前为止已取得重大进展，但无论是具体实际问题还是研究方法等方面都需要系统深入的研究。关键词：原子核物理；强相互作用物质；相与相变 1 引言 100年前，爱因斯坦通过分析充满空腔的辐射系统的熵与充满空腔的气体系统的熵，提出电磁辐射由光量子组成[1,2]，从而建立了光子的概念，吹响了引导人们探索微观世界的冲锋号。进一步的深入研究表明，组成物质世界的粒子可以分为强子和轻子两类，粒子间的相互作用可以分为引力作用、电磁作用、弱作用和强作用4类。参与强相互作用的粒子或具有强相互作用的系统统称为强相互作用物质（包括强子物质、夸克物质等）及其特殊形式——原子核（由有限个强子组成的系统），对原子核和强相互作用系统的相结构及相变的研究，对于认识强相互作用系统的相结构、相变，了解宇宙的起源和演化至关重要，并且可能是有限系统的统计物理的检验平台。因此，近年来关于原子核和强相互作用系统的相变的研究不仅是原子核物理、天体物理、宇宙学及粒子物理等领域研究的重要前沿课题，还引起了有限量子多体系统领域和统计物理学界的极大关注。本文简要介绍原子核及强相互作用系统的相及相变研究的现状。2 原子核的相及相变2.1 原子核的单粒子运动与集体运动 原子核是有限数目的强子组成的束缚系统，其中的核子（质子和中子）自然具有单粒子运动，并建立壳模型成功的描述原子核的相应性质。实验上对原子核的能谱和电磁跃迁等的研究表明，原子核还具有整体运动，并建立了原子核具有形状和振动、转动等集体运动模式的概念。人们通常利用将核半径按球谐函数 展开来描述原子核的形状，并将相应的形变称为 极形变（如图1所示）。已经观测到和已经预言的原子核形状多种多样[3,4]，比较重要的是四极形变，实验上已经观测到的最高极形变是16极形变[3,4]。按照壳模型和集体模型的观点， 幻数核多为球形， 而偏离满壳的核则为形变核，形变核可以细分为长椭球形、扁椭球形、三轴不对称形、梨形、香蕉形、纺锤形等。同时原子核还可能有形状共存现象。 图1 时原子核的 极形变的形状示意图（取自文献[3]）Fig. 1 Sketch of the shape of a nucleus in -pole deformation with ( taken from Ref. [3] )近年来的研究表明，在较高激发能和较高角动量情况下，原子核的集体能谱消失，即出现带终结现象[5]，这表明发生了由集体运动到单粒子运动的相变。2.2 原子核的形状相变 原子核形状的研究一直是原子核结构理论中一个重要的问题，这是因为原子核形状与原子核组成成分及其两种运动形式--集体运动和单粒子运动、中子质子比、角动量、激发态能量和核环境的温度等都密切相关。例如，集体模型中计算单粒子运动时常用的变形平均势就和核形状有关，不同形状原子核的集体运动模式各不相同[6]；同时原子核的形状由所有核子的空间分布决定，而且随集体运动模式的不同而变化[7]。另一方面，原子核的形状和一定的动力学对称性相联系[4]，核形状变化与原子核的动力学对称性的破缺相联系。原子核的形状发生变化表明其状态和性质发生了变化，也就是发生了相变。因此，原子核的形状相结构和相变的研究是原子核结构研究的重要内容。由于形状共存可能是单粒子运动和集体运动较强耦合的结果[7]，因此形状共存也是核形状研究中关注的焦点[8]。 早期对于原子核形状相变的研究大多集中在一系列同位素或同中子素的基态[4,9]，基态核的形状相变普遍存在于各个质量区[3]，近年来关于临界状态对称性和三相点的研究[10-16]以及对超重核的形变和形状共存的研究[17]，极大地丰富了基态和形状相变的研究内容。另一方面，由于实验上g-射线探测器阵列技术的进步，使得我们不仅可以对原子核基态的形状进行研究，而且可以对激发态、尤其是高自旋态的核形状进行研究。激发态核的形变则更富含物理内容, 如超形变带、回弯现象、同核异能态等都和形变直接相关；2003年观测到的沿Yrast带出现的集体振动模式到定轴转动模式的变化表明低激发态中可能存在转动（或角动量）驱动的由球形（振动）到长椭球形（定轴转动）的形状相变[18]。 对于原子核基态形状的研究通常采用的理论模型有集体模型[6]、相互作用玻色子模型(IBM)[4]、Hartree-Fock-Bogoliubov(HFB)方法[19], 另外还可以使用热力学统计理论[20]。而对于原子核激发态的形状的研究则采用Landau相变理论[21]、有限温度推转HFB[22]、推转IBM[23]等。在这些方法中，集体模型有比较直观的几何图象，但是缺乏微观机制；而微观理论没有直接的几何图象。由于IBM既有较好的微观基础[24]，又可以由相干态理论建立直观的几何图象[4]，所以IBM理论在原子核的形状相变研究中得到了广泛的应用。早期利用IBM对原子核基态的形状相变的研究可以归纳为Casten三角形[4]，近年来Iachello利用几何模型对原子核基态形状相变的研究将Casten三角形扩展到四面体[25]，如图2所示。图中三个顶点对应IBM的U(5)、SU(3)、O(6)三种对称性极限，另一个顶点对应SU*(3)对称性（将SU(3)的生成元 中的 替换为 ）。由相干态理论知，U(5)、SU(3)、SU*(3)、O(6)对称性分别对应球形、轴对称长椭球形变、轴对称扁椭球形变、g-不稳定形变[4]。并且，沿球形到g-不稳定形变的相变为二级相变，临界点附近的核态具有E(5)对称性[10]；从球形区到长椭球形变区的相变为一级相变，临界点附近的核态具有X(5)对称性[11]；还存在球形、长椭球形和g-不稳定形变三相共存的三相点[15,16]。此外，长椭球形变与扁椭球形变之间的临界点附近的核态具有O(6)对称性[12]、Y(5)对称性[13]，也有人认为长椭球与扁椭球形状相变临界点附近的核态还可能具有Z(5)对称性[14]。理论上发现形状共存和各种临界点对称性之后，很快就在实验上找到了对应的原子核。如152Sm可能有形状共存现象[26], 与E(5)对称性对应的原子核有134Ba[27]、108Pd[28]、130Xe[29]等，与X(5)对称性对应的原子核有152Sm、154Gd、156Dy和其他N=90的同中子素链[30]，与Y(5)对称性对应的原子核有166,168Er[31]等，与Z(5)对称性相对应的原子核有194Pt等[25]。同时，类似Iachello四面体的工作很快被推广到区分质子玻色子和中子玻色子的IBM-2[32]，同样成功的找到了各种极限对称性之间的相变。 图2 扩展的IBM的对称性间的演化图（取自文献[25]）Fig. 2 Extended sketch of the symmetries and their evolution in the IBM ( taken from Ref. [25] ) 对于角动量变化可能引起的原子核形状相变，早期的研究主要基于液滴模型[19]。近年来，人们开始利用Landau相变理论[21]、有限温度推转HFB理论[22]、推转IBM[23]、推转无规位相近似[33]以及IBM框架下考虑角动量投影的相干态方法[34,35]进行研究，结果表明即使是核的低激发态也可能存在各种形状之间的相变，并说明低激发能谱中出现振动到定轴转动的相变的机制可能是，随着角动量升高，振动逐渐减弱，转动逐渐加强，临界点以后成为很好的定轴转动。另一方面，直接从核子层次对原子核形状相变的研究也已取得进展[36]。3 强相互作用物质的相变3.1 原子核的液气相变 早在20世纪30年代，根据实验观测到的原子核的性质，人们就对原子核的结构提出了费米气体模型和液滴模型。这说明在某些条件下，原子核呈液相，或者说其某些性质表现为液相的性质；而在另一些方面，原子核表现为气相。在这一层次上，所谓的“液相”和“气相”只是作为原子核的不同性质的唯象表述，根本没有关心这两种相之间的演化。到20世纪90年代中期，随着中高能核核碰撞研究的深入，人们研究了核核碰撞形成的系统的温度与其中核子的激发能之间的关系，最早的由德国GSI报告的结果[37]如图3所示，这一关系显然与通常物质处于液相、气相及其间相变中温度与单粒子平均能量间的关系相同，从而说明发生了液气相变。由于相变通常由热力学函数和状态方程出发进行研究，原子核的液气相变自然成为研究核物质状态方程、进而研究核天体状态及其演化的突破口。于是，美国Brookhaven国家实验室、Lawrence国家实验室、Michigan州立大学、德州农机学院、俄罗斯的Dubna、德国的GSI、法国的GANIL和LNS Saclay、意大利的del Sud国家实验室等国际大型实验室的核物理学家系统研究了中高能核核形成的系统的温度与单粒子激发能的关系、热容、高碎裂多重度、集体膨胀、有限尺寸及Fisher定律标度等[38～41]，理论上发展了核玻尔兹曼方程[42]、有限系统费米子-分子动力学[43]、全反对称分子动力学[44]等方法、并利用渗渝理论[45]对这些系统进行研究，结果都表明，在一定的条件下，中高能核核碰撞形成的系统中都会出现液气相变，并说明该相变的机制是失稳分解。事实上，这些研究还都有待深化，尤其是相变的序参量、同位旋依赖性、相变的临界温度、对核天体的结构和演化的影响等都是目前研究关注的重要问题。图3 核核碰撞形成的系统的温度与单核子能量的关系（取自文献[37]）Fig. 3 Relation between the temperature and the energy of single nucleon of the system formed in nucleus-nucleus collision (taken from Ref. [37])3.2 强相互作用物质的相变 强相互作用物质是由强子（包括重子和介子）组成的强子物质和由夸克、胶子组成的夸克物质的统称。因此，对强相互作用物质的组分、性质、相结构及相变的研究是当代原子核物理、粒子物理、天体物理和宇宙学等领域共同关注的重大课题。 我们已经知道，强子由夸克和胶子组成，并且可以形象地将之比喻为束缚有夸克和胶子的口袋，口袋内的夸克、胶子的相互作用与强相互作用真空内的作用之间的差异提供的袋常数常被用来描述束缚的强度。随着强子物质系统温度的升高，强子无规则运动的能量和其内部夸克、胶子无规则运动的能量都会升高，压强会增大；系统密度的增大也会引起压强增大，当系统的真空压不能平衡强子内部的压强时，强子将消失，夸克和胶子将成为夸克物质，也就是可以发生退禁闭相变。退禁闭形成的夸克物质可能以等离子体状态存在，从而形成夸克胶子等离子体（QGP）。另一方面，描述强相互作用的基本理论是量子色动力学（QCD），QCD具有渐近自由的性质（上述退禁闭相变正是渐近自由的结果和表现），并且零质量的费米子（夸克等）具有左旋和右旋的等价性，这种等价性称为手征对称性。然而，现实的强子世界处于低能区域，夸克是禁闭的、有质量的，并且不具有手征对称性。但当退禁闭相变发生以后，手征对称性可能恢复，从而发生手征恢复相变。再者，我们知道，由于电声作用的相互影响，声子可以为电子之间提供一个较弱的吸引力，从而形成电子库珀对，出现超导现象；由于夸克之间的特殊的相互作用道本来就是吸引的，因此夸克之间也可以形成夸克库珀对，由于夸克具有3种颜色，3种色混合或一种色与其反色混合形成无色的强子，但两个夸克形成的对却带有颜色，因此由夸克库珀对形成的凝聚状态称为色超导态[46]。根据色超导态的夸克库珀对的色味结构，色超导态具有两味色超导、色味锁定色超导等多种相（有时简单地统称之为色超导相）。目前的研究表明，强相互作用物质的相图如图4所示。图4 强相互作用物质相图（取自）Fig. 4 Phase diagram of strong interaction matter (taken from ) 由于QCD具有渐近自由的性质，因此，对于高能区的场和粒子性质，可以利用微扰QCD进行研究，并得到了很好的结果。但对于低能区域，QCD的求解问题尚没有解决，于是人们发展了QCD因子化和重求和（硬热圈展开和硬密圈展开）方法[47]，并利用QCD的非微扰有效场论模型方法和唯象模型方法（Dyson-Schwinger方程、瞬子模型、整体色对称模型、手征模型、孤立子模型、夸克介子耦合模型、NJL模型、袋模型）[48～54]等对强相互作用物质进行理论研究。近年来，随着对基本原理的扩展和计算方法的发展，利用格点QCD对强相互作用物质的研究已有重大进展[55]。实验上，人们利用高能核核碰撞对强相互作用物质及其相变进行研究。目前，美国Brookhaven国家实验室的AGS和RHIC、欧洲核子中心的SPS等大型高能核核碰撞装置都已为强相互作用物质的研究作出了重大贡献，即将开始运行的欧洲核子中心的LHC和正在兴建的德国GSI的SIS将为强相互作用物质的研究揭开新的一页，我国在兰州兴建并即将运行的CSR装置也将为强相互作用物质的研究谱写新的篇章。尽管对强相互作用物质的相结构和相变的研究已取得丰硕成果，但仍有很多重大基本问题（例如手征对称性破缺和恢复的机制、过程和准确信号、费米子质量的起源、QGP的准确信号和鉴别、强子物质和夸克物质的状态方程，等等）需要研究。4 小结 综上所述，原子核和强相互作用物质的相结构和相变的研究是原子核物理、粒子物理、天体物理、宇宙学和统计物理等领域共同关心的重要前沿领域，尽管已取得重大进展，但无论是实际问题还是研究方法都需要系统深入的研究。 参考文献[1] EINSTAIN A. 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The Key Laboratory of Heavy Ion Physics at Peking University, Ministry of Education, Beijing 100871,China3. Center of Theoretical Nuclear Physics, National Laboratory of Heavy Ion Accelerator, Lanzhou 730000,ChinaAbstract: We review the status of the research on the phase structure and phase transitions of nucleus and strong interacting matter briefly. It shows that the related studies are the very active current frontier commonly interested by nuclear physics, particle physics, astrophysics, cosmology, statistical physics and other areas. A lot of significant progress has been made. However, not only concrete problems but also researching approaches need to be studied further.Key Words: nucleus, strongly interacting matter, phase and phase transition

空间就是能量，能量就是物质，物质就是时间...没有什么都没有的空间，宇宙空间无穷大，宇宙能量无穷层，宇宙就一切，光速不是宇宙速度的上限，只是人类还没有认识到那种能量层次而已，但它确实存在，就在我们身边！还有，宇宙并不是由一个奇点爆开来的，而是由无穷层次的能量扭曲（假定的曲线玄）而成的，这些能量会相互作用形成一种规则之力，宇宙万物都遵行这个规则之力运行的！不同层次能量（或以“物质”的形态表现在我们眼前）会有不同的表现形式。当然能量层次是可以越迁的！我们可以凝聚我们可以直接或间接利用的能量（比如光能），假如我们无限制地凝聚光能，凝聚凝聚再凝聚，那么越迁能量层次终有时，当光能凝聚到一定程度，就会引爆深层次的能量形态越迁过来（总会有更加巨大的能量越迁到我们可以直接或间接可以利用的能量层次），这就是可以从所谓的“真空”中获取能量的能源机器啦！