国内的话力学杂志有《力学进展》、《力学与实践》等。给lz一些国际的期刊。
国际知名的力学期刊
刊名 原文名 创刊年 附注
《应用数学和力学》(中国) (AppliedMa hematics and Mechanics) 1980
《应用数学和力学》编辑委员会
《热应力杂志》(美) Journal of Thermal Stresses 1978 美国 Hemispheres Publishing Co.
《国际非线性力学杂志》(英) International Journal of Non-Linear Mechanics 1966 英国 Pergamon Press Ltd.
《国际固体与结构杂志》 International Journal of Solids and Structures 1965 英国Pergamon Press Ltd.
《国际多相流杂志》(英) International Journal of Multiphase Flow 1973 英国Pergamon Press Ltd.
《地震工程与结构动力学》 (英) Earthquake Engineering Structural Dynamics 1972 英国John Wiley Sons Ltd.
《国际热与热流杂志》(英) International Journal of Heat and Fluid
Flow 1979 英国 Mechanical Engineering Publi-Cations
Ltd.
《国际地震工程与土壤动力学杂志》(英) International Journal of Earthquake Engineering Soil Dynamics1981 英国 CML Publications
《工程断裂力学》(英) Engineering Fracture Mechanics 1968 英国 Pergamon Press Ltd.
《国际压力容器与管道杂 志》(英) The International Journal Of Pressure
Vessels Piping 1973 英国Applied Science Publishers Ltd.
《国际工程数值方法杂志》 (英) International Journal for Numerical Methods
in Engineering 1969 英国John Wiley Sons Ltd.
《工程材料与结构的疲劳》 (英) Fatigue of Engineering Materials and Structures 1978 英国Pergamon Press Ltd
《国际疲劳杂志》(英) International Journal of Fatigue 1979 英国 IPC Science and Technology Press.
《国际岩石力学与采矿学及地 质力学文摘》(英) International Journal of Rock Mechanics Mining
Scienc Geomechanics ABSTRACTS 1964 英国Pergamon Press Ltd.
《水利》(法) La Houille Blanche 1902 法国
《理论与应用力学杂志》(法) Journal de Mecanique Theorique et Appliquee
(Le) 1962 法国Centrale des revues Dunod
Gauthier-Villars
《工程师文献》(联邦德国) Ingenieur-Archiv 1929 联邦德国 Springer-Verlag
《岩石力学与岩石工程》 (奥地利) Rock Mechanics Rock Engineering
1929 奥地利 Springer-Verlag
《固体力学文献》(荷兰) Solid Mechanics Archives 1976 荷兰 Martinus Nijhoff Publishers.
《应用力学和工程技术中的计算机方法》(荷兰) Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 1972 荷兰Elsevier Science Publishers.
《风工程和工业空气动力学杂志》(荷兰) Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 1975 荷兰Elsevier Scientific Publishing Company(原
名为Journal of Industrial Aerodynamics,1980年改为 现名)
《国际断裂杂志》(荷兰) International Journal of Fracture 1965 荷兰Martinus Nijhoff Publishers
《水利学研究杂志》(荷兰) Journal of Hydraulic Research 1963 荷兰International Assiciation for Hydraulic Research
《非牛顿流体力学杂志》 (荷兰) Journal of Non-Newtonian Flluid Mechanics 1975 荷兰Elsevier Scientific Publishing Company
《波动》(荷兰) Wave Motion 1979 荷兰North-Holland Publishing Co.
《土木工程学报》(中国) China Civil Engineering 1954 中国土木工程学会 China Civil Engineering Society
《力学学报》(中国) Acta Me-chanica Subuca 1957 中国力学学会《力学学报》编辑委员会(The Editorial Board of ACTAMECHANIC A SINICA,the Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics)
《力学译丛》(中国) 1964 中国科学技术情报研究所分所
《力学进展》(中国) 1982 中国科学院力学研究所
《应用力学》(中国) 1982 中国科学技术情报研究所分所
《固体力学学报》(中国) Acta Mechanica Solida Sinica 1980 《固体力学》学报编辑委员会员
《应用数学和力学》(中国) Applied Mathematics and Mechanics 1980 《应用数学和力学》编辑委员会
《建筑结构学报》(中国) Jour-nal of Building Structures 1980 中国建筑学会
《上海力学》(中国) 1980 《上海力学》编辑部
《爆炸与冲击》(中国) 1981 《爆炸与冲击》编辑部
《振动与冲击》(中国) 1982 《振动与冲击》编辑委员会
《空气动力学学报》(中国) Acta Aerodynamica Sinica 1983 《空气动力学学报》编辑委员会
《数学物理学报》(中国) 1981 《数学物理学报》编辑委员会
《实验应力分析学会会报》 (美) Proceedings of the Society for Experimental Stress
Analysis 1943 美国实验应力分析学会 (Society for Experimental Stress Analysis)
《实验力学》(美) Experimental Mechanics 1961 美国实验应力分析学会 (Society for Experimental Stress Analysis)
《结构力学杂志》(美) Journal of Structural Mechanics 1972 美国Marcel Dekker Ine.
《流变学杂志》(美) Journal of Rheology 1957 美国John Wiley Sons Inc. Publishers.
《液压与气体力学》 (美) Hydraulics Pneumatics; Magazine of Fluid Power
and Control Systems 1948 美国Penton/IPC
《流体物理学》(美) Physics of Fluids 1958 美国物理学会(American Institute of Physics)
《流体力学年评》(美) Annual Review of Fluid Mechanics 1969 美国Annual Review Inc.
《应用力学杂志》(美) Journal of Applied
Mechanics 1935 美国机械工程师学会 (American Society of
Mechanical Engineers)
《实验应力分析学会年度春 季会议录》(美) Proceedings
of the SESA Annual Spring Meeting 美国实验应力分析学会
(Society for Experimental Stress Analysis)
《聚合物科学杂志》(美) Journal of Polymer Science 1946 美国John Wiley Sons Inc Publishers
《生物工程学杂志》(美) Journal of Biomechanical
Engineering 1977 美国机械工程师学会 (American Society of
Mechanical Engineers)
《复合材料杂志》(美) Journal of Composite Materials 1967 美国 Technomic Publishing Company Inc.
《流体工程学杂志》(美) Journal of Fluids
Engineering 1973 美国机械工程师学会 (American Society of
Mechanical Engineers)
《美
国土木工程师学会会报--工程力学组杂志》(美) Proceedings of the American Society of Civil
Engineers- Journal of the Engineer Mechanics Division 1873 美国机械工程师学会
(American Society of Civil Engineers)
《自动车工程师学会汇刊》 (美) SAE Transactions 1906 自动车工程师学会 (Society of Automotive Engineers)
《船舶研究杂志》(美) Journal of Ship
Research 1893 造船与轮机工程师协会 (Society of Naval
Architects Marine Engineers)
《美国航空与航天学会志》 (美) AIAA Journal 1930 美国航空与航天学会 (American Institute of Aeronautics Astronautics)
《苏联流体力学研究》(美) Fluid Mechanics-Soviet Research 1972 美国
Scripta Publishing Co.
《流体动力学》(美) Fluid Dynamics 1966 美国 Plenum Publishing Co.
《伦敦皇家学会会报,A辑: 数学及物理科学》(英) Proceedings of the Royal Society of London,A:
Mathematical Physical Sciences 1854 英国皇家学会(The Royal Society of London)
《伦敦皇家学会哲学汇刊,A 辑数学与物理科学》(英) Philosophical Transactions of the Royal
Society of London,SeriesA:Mathematical Physical
Sciences 1854 英国皇家学会(The Royal Society of London)1887年(第178卷)起分A,B两辑出版
《力学研究通讯》(英) Mechanics Research Communications 1974 英国
Pergamon Press Ltd
《生物流变学》(英) Biorheology 1963 英国 Pergamon Press Ltd.
《生物力学杂志》(英) Journal of Biomechanics 1968 英国 Pergamon Press Ltd.
《材料科学杂志》(英) Journal of Materials Science 1966 英国 Chapman and Hall Ltd.
《应变》(英) Strain 1964 英国应变测量学会 (British Society for Strain Measurement)
《工程设计应变分析杂志》 (英) Journal of Strain Analysis for Engineering
Design 1965 英国 Mechanical Engineering
Publications Ltd.
《力学研究》(英) Research Mechanica 1980 英国Applied Science Publishers
《计算机与结构》(英) Computers Structures 1971 英国
《计算机与流体》(英) Computers Fluid 1971 英国 Pergamon Press Ltd.
《水力气体机械动力》(英) Hydraulic Pneumatic Mechanical Power 1955 英国Trade Technical Press Ltd. Ltd.
《飞机工程》(英) Aircraft Engineering 1929 英国 Bunhill Publications Ltd.
《航空季刊》(英) Aeronautical Quarterly 1949 英国皇家学会(Royal Aeronautical Society)
《航空杂志》(英) Aeronautical Journal 1897 英国皇家学会(Royal Aeronautical Society)
《星际航行学报》(英) Acta
Astronautica 1955 英国1974年改为现名,1955~
1973年刊名为Astronautica Acta,Pergamon Press Ltc.
《应用数学与力学杂志》(英) Journal of Applied Mathematics Mechanics
1958 英国1974年改为现名,1955~ 1973年刊名为Astronautica Acta,Pergamon Press Ltd
《理性力学与分析文 献》(联邦德国) Archive for Rational Mechanics and Analysis 1957 联邦德国 springer-Verlag
《流变学学报》(联邦德国) Rheologica Acta 1958 联邦德国 Dr. Dietrich Steinkopff Verlag
《流体力学实验》(联邦德国) Experiments in Fluid 1983 联邦德国
springer-Verlag
《油压力学与气体力学》 (联邦德国) Olhydraulik und Pneumatik 1957 联邦德国 Krausskopf Verlagsgruppe
《数学生物学杂志》(联邦德国) Journal of Mathematical Biology 1974 联邦德国 springer-Verlag
《热力学与流体力学》 (联邦德国) Warme-und Stoffubertragung 1968 联邦德国 springer-Verlag
《法国流变学小组手册》 《通报》(法) Cahiers et Bulletin du Groupe Franais de rheologie 1965 法国
《法国科学院会议周报,A-B辑:数理科学》(法) Comptes Rendus Hebdomadaires des Seances de
L’Academie des Sciences, Series A et B:”Sciences Mathematiques,Sciences
Physiques” 1835 法国 Centrale des Revues Dunod Gauthier-Villars
《应用力学纪事》(法) Journal de Mecanique Appliquee 1977 法国
Centrale des Revues Dunod Gauthier-Villars
《力学》(意) Mechanica 1966 意大利 Pitagora Editrice
《力学学报》(奥地利) Acta Mechanica 1965 奥地利 Springer-Verlag
《弹性体杂志》(荷) Journal of Elasticity 1971 荷兰
artinus Nijhoff Publishers
《天体力学》(荷) Celestial Mechanics 1969 荷兰 D.Reidel Publishing Co.
《工程数学杂志》(荷) Journal of Engineering Mathematics 1966 荷兰
Martinus Nijhoff Publishers
《材料力学》(荷) Mechanics of Materials 1981 荷兰 North-Holland Publishing Co.
《澳大利亚地质力学杂志》 (澳) The Australian Geomechanics Journal 1971 澳大利亚
《加拿大航空与空间杂志》 (加) Canadian Aeronautics Space
Journal 1955 加拿大,1962年改为现名,1955
~1961年刊名为:Canadian Aeronautics Journal.
《核工程与设计》(瑞士) Nuclear Engineering and Design 1965 瑞士
Elsevier Sequoia S.A.
《应用数学与力学杂志》 (民主德国) ZAMM-Zeitschrift fur Angewandt Mathematik
und Mechanik 1921 民主德国 Akademic-Verlag
《理论与应用力学》(波兰) Mechanika Teoretyczna i Stosowana 1964 波兰 PWN
《工程汇刊》(波兰) Rozprawy Inzynierskie 1953 波兰 PWN
《力学文献集》(波兰) Archives of Mechanics 1849 波兰 PWN
《罗马尼亚技术科学杂志, 应用力学辑》(罗) Revue Roumaine des sciences
Techniques,Serie Mecanique Appliquee
1956 罗马尼亚科学出版社
《应用力学研究》(罗) Studii si Cerctari de Mecanica Applicata 1942 罗马尼亚科学出版社
《日本应用力学全国会议 录》(日) Proceedings of the Japan National Congress of Applied Mechanics 1953 日本中央科学社
《材料》(日) Journal of the Society of Materials Science 1952 日本材料学会
《日本机械学会论文集》(日) Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineer 1935 日本机械学会
《土木协会论文报告集》(日) Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers 1944 日本土木工学会
《日本造船协会志》(日) Bulletin of the society of Naval Archiects of Japan 1915 日本造船协会
《流体工程学》(日) 流体工学 1965 日本产业开发社(原名:学, 1965~1973.7)
《日本材料强度学会志》 日本材料强度学会志 1967 日本材料强度学会
《力学研究所报告》(日) 力学研究所报告 1967 日本力学研究所
《日本流变学会志》(日) 日本一学会志 1973 日本流变学会
《应用数学与力学》(苏联) 1936 苏联
《苏联科学院通报:固体力 学》(苏) 1966 苏联,美国出版有英译本
《磁流体力学》(苏) 1965 苏联,美国出版有英译本
《燃烧与爆炸物理学》(苏) 1965 苏联
《应用力学与物理学杂志》 (苏) 1960 苏联,美国出版有英译本
《应用力学》(苏) 1955 苏联
《复合材料力学》(苏) 1965 苏联
《建筑力学与建筑物计算》 (苏) 1959 苏联
《莫斯科大学力学通报》(美) Moscow University Mechanics Bulletin 1969 美国 Allerton Press Inc (译自俄文)
《得克萨斯大学巴尔科研究 中心年报》(美) Annual Repoet-Balcones Research Center,Univ.of Texas at Austin 美国
《剑桥哲学会数学汇刊》(英) Re Mathematical Proceedings of the Cambridge
Philosophical Society 1977 英国Cambridge Univ.Press,
1977年改为现名,1843~1976 年名为Proceedings of Cambridge Philosophical Society;
Mathematical Physical Sciences
《力学与应用数学季刊》(英) Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics 1948 英国
《流体力学杂志》(英) Journal of Fluid Mechanics 1956 英国 Cambridge Univ.Press
《应用力学研究所报告》(日) Reports of Research Institute for Applied Mathematics 1952 日本九州大学应用力学研究所
《东京大学航天研究所报告》 ISAS (Institute of Space Aeronautical Science,Univ. Tokyo) 日本东京大学航天研究所
《布加勒斯特乔治乌德治工 学院通报:力学辑》(罗) Buletinul Institutului Politehnic“Gheorghe Gheorghiu-Dij” 1949 罗马尼亚
《列宁格勒大学通报:数学, 力学和天文学类》(苏) 1946 苏联
《莫斯科大学通报:数学力学类》(苏) 1946 苏联
《国外科技资料馆藏目录━ 数学,力学》(中国) 中国科学技术情报研究所
《力学文摘━流体力学部分》 (中国) 1958 中国科学技术情报研究所重庆 分所翻译,苏联科学院科学情报 研究所文摘编辑委员会编辑
《力学文摘━一般力学部分》 (中国) 1958 中国科学技术情报研究所重庆 分所翻译,苏联科学院科学情 报研究所文摘编辑委员会编辑
《力学文摘━弹性力学部分》 (中国) 1958 中国科学技术情报研究所重庆 分所翻译,苏联科学院科学情 报研究所文摘编辑委员会编辑
《数学文摘》(美) Mathematical Reviewswith Index toMathematical
Reviews 1940 美国数学会American Mathematical Society
《冲击与振动研究辑要》(美) Shock and Vibration Digest 1969 美国冲击与振动情报中心
《流变学通报》(美) Rheology Bulletin 1937 美国物理学会 American Institute ofPhysics
《应用力学文摘》(美) Applied Mechanics Reviews 1948 美国机械工程师协会 American Society of Mechanical Engineers
《地震工程文摘杂志》(美) Abstracts Journal in Earthquake Engineering 1968 美国加利福尼亚大学伯克利分 校地震工程研究中心 Univ. of California,
Berkeley, Earthquake Engineering Research Center
《工程索引》(美) Engineering Index (Annual) 1884 美国 Engineering Index Inc.
《美国土木工程师学会汇 刊》(美) Transactions of the American Society of Civil
Engineering 1852 美国土木工程师学会 American Society of Civil Engineering
《科学引文索引》 (美) Science Citation Index 1961 美国科学情报研究所 Institute of Scientific Information
《土木工程水利文摘》(英) Civil Engineering Hydraulics
Abstracts 1968 英国流体力学研究协会 British Hydromechanics Research Association
《流变学文摘》(英) Rheology Abstracts 1940 英国 Pergamon Press
《固体-液体流文摘》(英) Solid-Liquid Flow
Abstracts 1973 英国流体力学研究协会 British Hydromechanics
Research Association
《工业空气动力学文摘》(英) Industrial Aerodynamics Abstracts 1970 英国流体力学研究协会 British Hydromechanics
《流体动力学文摘》(英) Fluid Power Abstracts 1965 英国流体力学研究协会 Hydromechanics Research Association
《英国土木工程师协会文 摘》(英) ICE Abstracts 1972 英国流体力学研究协会,1974 年改为现名(The Institution of Civil Engineers)
《法国全国科学研究中心 文摘通报,第130辑:数学, 物理,光学,声学,力学, 热学》(法) Bulletin Signaletique du C.N.R,S.,Section 130 hysique Mathematique, Optique, Acoustique, Mecanique, Chaleur 1961 法国全国科学研究中心
《科学技术文献速报:机 械工学编》(日) Currdnt Bibliography on Science Technology 1975 日本科学技术情报中心 (日本科学技术情报)
《文摘杂志:力学(综合本) 》(苏) 1953 苏联全苏科学技术情报研究所
《力学与实践》(中国) 1979 《力学与实践》编辑委员会
《美国物理学杂志》(美) American Journal of Physics 1933 美国物理学会 American Institute
由于历史的原因,主要是发展材料化学的渊源不同和研究者的角度差别,与“无机材料化学”研究对象接近的学科还有其他名称[1]。其中最典型的是美国Kingery等著的《Introduction to Ceramics》[2]。这本名为《陶瓷导论》的书,研究对象却覆盖了几乎所有的无机非金属材料。实际上,美国英语中的“ceramics”一词,早已成为无机非金属材料的代名词。前美国陶瓷学会会长,Missouri大学的Day D., 并不是搞陶瓷研究的,而是玻璃材料的专家。中国科学院硅酸盐研究所的学术刊物名为《无机材料学报》;但该所的官方英文名称是The Chinese Institute of Ceramics。Kingery这本名为《陶瓷导论》的书所叙述的理论原则,几乎涉及到包括金属材料在内的无机材料的化学方面所有内容。另一个有代表性的例子是Cahn主编的《物理冶金学》(Physical Metallurgy, 此书出版时采用的译名是《物理金属学》)[3]。虽然Cahn这本书是以金属材料为研究对象,Kingery的书以无机非金属材料为例,但两者的基本内容十分相近。
与“无机材料化学”研究的基本内容相同的学科是“固体(固态)化学(solid state chemistry)”。有关著作有英国化学家West的专著《固体化学及其应用》[4],还有印度访问教授Rao在剑桥大学化学系写出的《固态化学的新方向》[5],以及他后来主编的《Chemistry of Advanced Materials, a“Chemistry for the 21st Century”Monograph》[6]等。
这种基本内容相同但名称基本上不同的学科现象,是很有趣的。固体化学是无机化学的一个重要分支,是建立在固体物理、结构化学、物理化学等学科的基础上,为适应科技对材料科学的需要而成长起来的一门新学科。它与固体物理相对应,强调其学科的基础理论性[7]。在其发展过程中,固体化学似乎更侧重于经典的化学概念。它往往以传统的化学方式来组织内容:从化学键,甚至从量子化学入手,进而讨论结构问题。这样很自然会涉及无机材料化学的一些最重要问题,如缺陷化学及其相关的能带理论等。但是,如同结构化学中的量子化学,目前只能解决氢原子等少数几种简单原子的结构一样,这种演绎法有很大的局限性。迄今为止,它还不能解决固体材料研究中与化学有关的许多基本问题。固体化学还强调它的研究对象为固体。虽然它主要是讨论无机固体材料,但是自然会涉及部分有机固体材料方面的内容,不过后者所占的篇幅一般很小。如上述West的著作[4],仅在正文最后一章叙述“有机固态化学”,占总篇幅的2%左右。Rao的《固态化学的新方向》[5]各个章节皆仅用少量篇幅提到有机材料。基于这一原因,习惯上常把固体化学理解为无机固体化学。
相对于固体化学而言,无机材料化学则是较新的名称。它基本上从属于材料科学,是材料化学的一个重要分支。它是材料化学家从材料科学、材料的工艺与技术的角度出发,把固体物理、固体化学、相关理论(例如固体力学等)和工程方面有关无机材料研究的化学内容集中起来,加以分析、综合和提高,形成的一门独立学科。苏勉曾在为《材料化学导论》[9]一书写的序言里,用一个正四面体很形象地表达了以上几个学科的关系:物理学、化学、理论(本书作者认为此处应指材料科学的相关理论,例如固体力学等)和工程学分别处在四面体的各个顶点,材料科学则处于四面体的中心,如图1–1所示。因此,材料科学应包括以下4个方面的内容:(与)材料(有关的)物理、材料化学、与材料有关的力学和材料工程。从研究对象来看,材料科学又可分为3个部分,包括金属材料、无机非金属材料以及有机小分子和高分子材料。
虽然无机材料化学和固体化学均讨论包括金属在内的无机材料,但是由于历史的原因和习惯,前者一般较少涉及金属材料,
图1–1材料科学和物理、化学、相关理论?及工程学的关系[9]
后者,Rao的《固态化学的新方向》书[5],也仅是花了有限的篇幅来讨论金属材料。Rao在该书中说:“固态化学家研究的材料大部分是陶瓷,把较大的注意力集中在精细陶瓷领域是很重要的[5]。” Rao写这句话至今已20年,这期间精细陶瓷取得了巨大的进展,说明Rao当年所预示的“新方向”是正确的;与此同时,纳米陶瓷材料也取得了突破性的进展。参照Rao的成功预见,我们可否作这样的预言:在现在和将来相当长的一段时间里,固体(固态)化学家和无机材料化学家所研究的材料仍然大部分是陶瓷,把主要精力放在纳米陶瓷和精细陶瓷上,应该是十分正确的。此外,无机材料化学研究的主要对象也是固体,虽然它不可避免地要涉及熔体(高温、高粘度液体)及其性质。然而,在经典的固体化学著作[4, 5, 8]里,一般极少或不讨论熔体或液体。因此,在学科分类学上,有的学者不是称无机材料化学,而是把它命名为无机固体材料化学。
综上所述,无机材料化学是固体化学等理论学科在无机材料,主要是在无机非金属材料领域里的应用。无机材料化学又是材料科学的一个极重要的分支,它是关于无机材料,特别是无机非金属材料研究中化学问题的概括、总结和理论提升。
迄今为止,材料研究所涉及的理论问题,远不是理论科学家(纯粹的固体物理学家、固体化学家和固体力学家等)所能全部解决的,而是需要从事材料工作的应用科学家(材料物理学家、材料化学家和固体力学家等)协同研究。两者有所分工、有所交叉,互相渗透又互相促进。正如固体物理学家和固体化学家尚未能解决高温超导电性的理论问题,但材料物理学家和材料化学家已经在大量地研究和制作高温超导体[10],其结果必然会推动固体物理和固体化学的进一步发展,最终创立较为完善的高温超导电性理论。由于材料科学以及无机材料化学本身带有明显的应用理科性质[7],所以无机材料化学对于一些固体化学似乎不太重视,但却与材料科学密切相关的基本过程,例如相变过程、固相反应、烧结和再结晶,以及材料在晶粒尺度层次上的亚微观结构等问题,往往给予足够的重视。
物理学分支巡礼
物理学概览
力学
静力学 动力学 流体力学 分析力学 运动学 固体力学 材料力学 复合材料力学 流变学 结构力学 弹性力学 塑性力学 爆炸力学 磁流体力学 空气动力学 理性力学 物理力学 天体力学
生物力学 计算力学
热学 热力学
光学
几何光学 波动光学 大气光学 海洋光学 量子光学 光谱学 生理光学 电子光学 集成光学 空间光学
声学
次声学 超声学 电声学 大气声学 音乐声学 语言声学 建筑声学 生理声学 生物声学 水声学
电磁学
磁学 电学 电动力学
量子物理学
量子力学 核物理学 高能物理学 原子物理学 分子物理学
固体物理学
高压物理学 金属物理学 表面物理学
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
经典电磁学、经典电动力学
经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科。人们很早就接触到电和磁的现象,并知道磁棒有南北两极。在18世纪,发现电荷有两种:正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥,异性相吸,作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上,力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动,这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。
19世纪前期,奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向,以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后,法拉第又发现,当磁棒插入导线圈时,导线圈中就产生电流。这些实验表明,在电和磁之间存在着密切的联系。
在电和磁之间的联系被发现以后,人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似,另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念,认为电流产生围绕着导线的磁力线,电荷向各个方向产生电力线,并在此基础上产生了电磁场的概念。
事实上,发电机无非是利用电动力学的规律,将机械能转化为电磁能:电动机无非是利用电动力学的规律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电、电灯也无一不是经典电磁学和经典电动力学发展的产物。经典电动力学对生产力的发展起着重要的推动作用,从而对社会产生普遍而重要的影响。
光学和电磁波
光学研究光的性质及其和物质的各种相互作用,光是电磁波。虽然可见光的波长范围在电磁波中只占很窄的一个波段,但是早在人们认识到光是电磁波以前,人们就对光进行了研究。
17世纪对光的本质提出了两种假说:一种假说认为光是由许多微粒组成的;另一种假说认为光是一种波动。19世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象,以后的实验证明光是电磁波。20世纪初又发现光具有粒子性,人们在深入入研究微观世界后,才认识到光具有波粒二象性。
光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构的非常有效的方法。利用光的干涉效应可以进行非常精密的测量。物质所放出来的光携带着关于物质内部结构的重要信息,例如:原子所放出来原子光谱的就和原子结构密切相关。
在经典电磁学的建立与发展过程中,形成了电磁场的概念。在物理学其后的发展中,场成了非常基本、非常普遍的概念。在现代物理学中,场的概念已经远远超出了电磁学的范围,成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。
狭义相对论和相对论力学
在经典力学取得很大成功以后,人们习惯于将一切现象都归结为由机械运动所引起的。在电磁场概念提出以后,人们假设存在一种名叫“以太”的媒质,它弥漫于整个宇宙,渗透到所有的物体中,绝对静止不动,没有质量,对物体的运动不产生任何阻力,也不受万有引力的影响。可以将以太作为一个绝对静止的参照系,因此相对于以太作匀速运动的参照系都是惯性参照系。
在惯性参照系中观察,电磁波的传播速度应该随着波的传播方向而改变。但实验表明,在不同的、相对作匀速运动的惯性参照系中,测得的光速同传播方向无关。特别是迈克尔逊和莫雷进行的非常精确的实验,可靠地证明了这一点。这一实验事实显然同经典物理学中关于时间、空间和以太的概念相矛盾。爱因斯坦从这些实验事实出发,对空间、时间的概念进行了深刻的分析,提出了狭义相对论,从而建立了新的时空观念。
狭义相对论的基本假设是:
①在一切惯性参照系中,基本物理规律都一样,都可用同一组数学方程来表达;
②对于任何一个光源发出来的光,在一切惯性参照系中测量其传播速率,结果都相等。
在狭义相对论中,空间和时间是彼此密切联系的统一体,空间距离是相对的,时间也是相对的。因此尺的长短,时间的长短都是相对的。但在狭义相对论中,并不是一切都是相对的。
相对论力学的另一个重要结论是:质量和能量是可以相互转化的。假使质量是物质的量的一种度量,能量是运动的量的一种度量,则上面的结论:物质和运动之间存在着不可分割的联系,不存在没有运动的物质,也不存在没有物质的运动,两者可以相互转化。这一规律己在核能的研究和实践中得到了证实。
当物体的速度远小于光速时,相对论力学定律就趋近于经典力学定律。固此在低速运动时,经典力学定律仍然是很好的相对真理,非常适合用来解决工程技术中的力学问题。
狭义相对论对空间和时间的概念进行了革命性的变革,并且否定了以太的概念,肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的恃殊形式。由于空间和时间是物质存在的普遍形式,因此狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远的影响。
广义相对论和万有引力的基本理论
狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出的万有引力被认为是一种超距作用,它的传递不需要时间,产生和到达是同时的。这同狭义相对论提出的光速是传播速度的极限相矛盾。因此,必须对牛顿的万有引力定律也要加以改造。
改造的关键来自厄缶的实验,它以很高的精确度证明:惯性质量和引力质量相等,固此不论行星的质量多大多小,只要在某一时刻它们的空间坐标和速度都相同,那末它们的运行轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦设想:万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现,从而提出了广义相对论。
根据广义相对论,空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布;而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。在引力不强,空间、时间弯曲度很小情况下,广义相对论的结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律的结论趋于一致;当引力较强,空间、时间弯曲较大的隋况下,就有区别。不过这种区别常常很小,难以在实验中观察到。从广义相对论提出到现在,还只有四种实验能检验出这种区别。
广义相对论不仅对于天体的结构和演化的研究有重要意义,对于研究宇宙的结构和演化也有重要意义。
原子物理学、量子力学、量子电动力学
原子物理学研究原子的性质、内部结构、内部受激状态,以及原子和电磁场、电磁波的相互作用以及原子之间的相互作用。原子是一个很古老的概念。古代就有人认为:宇宙间万物都是由原子组成的,原子是不可分割的、永恒不变的物质最终单元。
1897年汤姆逊发现了电子,使人们认识到原子是具有内部结构的粒子。于是,经典物理学的局限性进一步的暴露出来了。为此,德国科学家普朗克提出了同经典物理学相矛盾的假设:光是由一粒一粒光子组成的。这一假设导出的结论和黑体辐射及光电效应的实验结果符合。于是,19世纪初被否定了的光的微粒说又以新的形式出现了。
1911年,卢瑟福用粒子散射实验发现原子的绝大部分质量,以及内部的正电荷集中在原子中心一个很小的区域内,这个区域的半径只有原子半径的万分之一左右,因此称为原子核。这才使人们对原子的内部结构得到了一个定性的、符合实际的概念。在某些方面,原子类似一个极小的太阳系,只是太阳和行星之间的作用力是万有引力,而原子核和电子间的作用力是电磁力。
原子物理学的基本理论主要是由德布罗意、海森堡、薛定谔、狄里克莱等所创建的量子力学和量子电动力学。它们与经典力学和经典电动力学的主要区别是:物理量所能取的数值是不连续的;它们所反映的规律不是确定性的规律,而是统计规律。
应用量子力学和量子电动力学研究原子结构、原子光谱、原子发射、吸收、散射光的过程,以及电子、光子和电磁场的相互作用和相互转化过程非常成功,理论结果同最精密的实验结果相符合。
量子力学和量子电动力学产生于原子物理学的研究,但是它们起作用的范围远远超出原子物理学。量子力学是所有微观、低速现象所遵循的规律,固此不仅应用于原子物理,也应用于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体的微观结构的研究。量子电动力学则是所有微观电磁现象所必须遵循的规律,直到现在,还没有发现量子电动力学的局限性。
量子统计力学
量子力学为基础的统计力学,称为量子统计力学。经典统计力学以经典力学为基础,因而经典统计力学也具有局限性。例如:随着温度趋于绝对零度,固体的热也趋于零的实验现象,就无法用经典统计力学来解释。
根据微观世界的这些规律改造经典统计力学,就得到量子统计力学。应用量子统计力学就能使一系列经典统计力学无法解释的现象,如黑体辐射、低温下的固体比热窖、固体中的电子为什么对比热的贡献如此小等等,都得到了合理的解释。
固体物理学
固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动,以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。固体的内部结构和运动形式很复杂,这方面的研究是从晶体开始的,因为晶体的内部结构简单,而且具有明显的规律性,较易研究。以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的关系。这类研究统称为凝聚态物理学。
固体物理对于技术的发展有很多重要的应用,晶体管发明以后,集成电路技术迅速发展,电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学的基础。
原子核物理学
原子核是比原子更深一个层次的物质结构。原子核物理学是研究原子核的性质,它的内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间的反应过程的学科。
在原子核被发现以后,曾经以为原子核是由质子和电子组成的。1932年,英国科学家查德威克发现了中子,这才使人们认识到原子核可能具有更复杂的结构。
原子核主要由强相互作用将核子结合而成,当原子核的结构发生变化或原子核之间发生反应时,要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核(如铀原子核)在吸收一个中子以后,会裂变成为两个较轻的原子核,同时放出二十到三十中子和很大的能量。两个很轻的原子核也能熔合成为一个较重的原子核,同时放出巨大的能量。这种原子核熔合过程叫作聚变。
高能物理研究发现,核子还有内部结构。原子核结构是一个比原子结构更为复杂的研究领域,目前,已有的关于原子核结构,原子核反应和衰变的理论都是模型理论,其中一部分相当成功地反映了原子核的客观规律。
等离子体物理学
等离子体物理是研究等离子体的形成及其各种性质和运动规律的学科。宇宙间的大部分物质处于等离子体状态。例如:太阳中心区的温度超过一千万度,太阳中的绝大部分物质处于等离子体状态。地球高空的电离层也处于等离子体状态。19世纪以来对于气体放电的研究、20世纪初以来对于高空电离层的研究,推动了等离子体的研究工作。从20世纪50年代起,为了利用轻核聚变反应解决能源问题,促使等离子体物理学研究蓬勃发展。
粒子物理学
目前对所能探测到的物质结构最深层次的研究称为粒子物理学,又称为高能物理学。在20世纪20年代末,人们曾经认为电子和质子是基本粒子,后来又发现了中子。在宇宙射线研究和后来利用高能加速器进行的实验研究中,又发现了数以百计的不同种类的粒子。这些粒子的性质很有规律性,所以现在将基本两字去掉,统称为粒子。
弱相互作用也有其独特的性质。它的基本规律对于左和右,正、反粒子,过去和未来都是不对称的。弱相互作用的不对称就是李政道和杨振宁在1956年所预言,不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱相互作用中的不守恒。
在量子场论中,各种粒子均用相应的量子场来反映。空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示,称为场算符。这些场算符满足一定的微分方程和对应关系或反对应关系。量子场的确既能反映披粒二象性,又能反映粒子的产生和消灭,还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。
物理学同其他自然科学和技术之间的关系
物质的各种存在形式和运动形式之间普遍存在着联系。随着学科的发展,这种联系逐步显示出来。物理学也和其他学科相互渗透,产生一系列交叉学科,如:化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等等。
数学对物理学的发展起了重要的作用,反过来物理学也促进数学的发展。在物理学的基础性研究过程中,形成和发展出来的基本概念、基本理论、基本实施手段和精密的测试方法,已成为其他许多学科的重要组成部分,并产生了良好的效果。这对于天文学、化学、生物学、地学、医学、农业科学都是如此。
物理学研究的重大突破导致生产技术的飞跃已经是历史事实。反过来,发展技术和生产力的要求,也有力地推动物理学研究的发展,固体物理、原子核物理、等离子体物理、激光研究、现代宇宙学等之所以迅速发展,是和技术及生产力发展的要求分不开的。
选自:《物理学简史》
物理学分支
● 经典力学及理论力学 (Mechanics)研究物体机械运动的基本规律的规律
● 电磁学及电动力学 (Electromagnetism and Electrodynamics)研究电磁现象,物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律
● 热力学与统计物理学 (Thermodynamics and Statistical Physics)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现
● 相对论和时空物理 (Relativity)研究物体的高速运动效应,相关的动力学规律以及关于时空相对性的规律
● 量子力学 (Quantum mechanics)研究微观物质运动现象以及基本运动规律
此外,还有:
粒子物理学、原子核物理学、原子分子物理学、固体物理学、凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、地球物理学、生物物理学、天体物理学、声学、电磁学、光学、无线电物理学、热学、量子场论、低温物理学、半导体物理学、磁学、液晶、医学物理学、非线性物理学、计算物理学等等。
通常还将理论力学、电动力学、热力学与统计物理学、量子力学统称为四大力学。