1.相對論

　　愛因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）創(chuàng)建的相對論主要是時(shí)空的理論，它放棄了牛頓的絕對時(shí)間和絕對空間，建立了相對論時(shí)空觀，使物理觀念發(fā)生了一場根本的變革。在相對論中，局限于慣性參考系的理論稱為狹義相對論，推廣到一般參考系和包括引力場在內(nèi)的理論稱為廣義相對論。

　?。?）狹義相對論。

　　1905年，愛因斯坦建立了狹義相對論。狹義相對論有兩個(gè)基本假設(shè)：

　　① 相對性原理：所有慣性參考系都是等價(jià)的，物理規(guī)律對于所有慣性參考系都可以表述為相同形式；

　?、?光速不變原理：真空中的光速相對于任何慣性系沿任一方向恒為c，并與光源運(yùn)動無關(guān)。

　　愛因斯坦從這兩個(gè)假設(shè)出發(fā)，推導(dǎo)出兩個(gè)慣性坐標(biāo)系的時(shí)空變換關(guān)系即洛侖茲變換。從而徹底否定了“以太”的存在，并導(dǎo)出了運(yùn)動剛體的“長度收縮”、運(yùn)動時(shí)鐘的“時(shí)間延緩”、同時(shí)的相對性及新的速度合成法則等。狹義相對論的時(shí)空觀表明：第一，時(shí)間、空間和物質(zhì)的運(yùn)動是有密切聯(lián)系的，時(shí)間和空間的特性是相對的，時(shí)間間隔和空間間隔的量度并不具有不變性，而是隨物質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)的變化而變化的；第二，時(shí)間和空間存在著不可分割的聯(lián)系，它們不能分割開來而獨(dú)立存在，一切物理現(xiàn)象和過程都是在X、Y、Z和t的統(tǒng)一的四維連續(xù)區(qū)中存在著。

　　愛因斯坦把狹義相對論用于電動力學(xué)，證明了麥克斯韋方程組符合相對性原理，建立了相對論電動力學(xué)。在這里，電場和磁場已不再各自是一個(gè)矢量，而是一個(gè)反對稱的四維張量，這個(gè)張量在不同的慣性系里按一定的規(guī)律變換。電場和磁場是這個(gè)統(tǒng)一的張量的不同分量，它們對于不同的慣性系表現(xiàn)出來的效應(yīng)是不同的。在某一個(gè)慣性系中表現(xiàn)出的是一個(gè)純粹的電場或磁場；在另一個(gè)慣性系中將同時(shí)表現(xiàn)出電場和磁場。這就是說，電磁場劃分為電場部分和磁場部分，只具有相對意義，它與觀察者所在的慣性系有關(guān)。

　　愛因斯坦還把相對論用于力學(xué)，建立了相對論力學(xué)。相對論力學(xué)能夠正確地描述高速運(yùn)動的規(guī)律，并且，當(dāng)速度v<<c時(shí)，相對論力學(xué)能夠過渡到經(jīng)典力學(xué)。在相對論力學(xué)中，動量守恒和能量守恒這兩條定律被統(tǒng)一成一條定律，給出了物體質(zhì)量隨速度增長的關(guān)系式以及質(zhì)能關(guān)系式E=mc₂，后者反映了質(zhì)量與能量的等效關(guān)系。

　?。?）廣義相對論。

　　從1907到1915年，愛因斯坦提出并建立了廣義相對論。這個(gè)理論的出發(fā)點(diǎn)是引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量相等這一事實(shí)，由此可以提出等效原理的假設(shè)：引力場同參照系的相當(dāng)?shù)募铀俣仍谖锢砩贤耆葍r(jià)。根據(jù)廣義相對論，萬有引力效應(yīng)是空間、時(shí)間彎曲的一種表現(xiàn)?？臻g、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)，決定于物質(zhì)的能量密度與動量密度在空間、時(shí)間中的分布；而空間、時(shí)間的彎曲結(jié)構(gòu)，又反過來決定物體的運(yùn)行軌道。愛因斯坦由廣義相對論作出的譜線紅移、光線彎曲、行星軌道近日點(diǎn)運(yùn)動的預(yù)言，已經(jīng)被一些實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

　　2.量子力學(xué)

　　量子力學(xué)是研究微觀粒子基本運(yùn)動規(guī)律的理論。1923年，德布羅意（Louis de Broglie，1892—）提出物質(zhì)波理論，開創(chuàng)了量子力學(xué)的時(shí)代。德布羅意認(rèn)為，不僅光有波粒二象性，實(shí)物粒子也有波粒二象性。他還把描寫物質(zhì)粒子性的物理量與描寫物質(zhì)波動性的物理量聯(lián)系起來，寫出了以他的名字命名的關(guān)系式。1926年，薛定諤(1887--1961)根據(jù)德布羅意物質(zhì)波思想，引入波函數(shù)，得出了量子力學(xué)的基本方程--薛定諤方程（波動方程），還進(jìn)而建立了微擾理論，詳細(xì)計(jì)算了散射等問題，完成了波動力學(xué)的創(chuàng)建工作。

    差不多同時(shí)，海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901—1976）等人從量子化條件出發(fā)建立了矩陣力學(xué)，并成功地解決了氫原子能級、斯塔克效應(yīng)、氫原子在電場和磁場中能級的移動等問題。波動力學(xué)和矩陣力學(xué)是從兩個(gè)不同的方面研究一個(gè)共同的問題，它們的效果是相同的，可以通過數(shù)學(xué)變換從一個(gè)理論轉(zhuǎn)換為另一理論。人們把波動力學(xué)和矩陣力學(xué)合在一起，統(tǒng)稱為量子力學(xué)。1925—1930年，狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902—1984）對量子力學(xué)理論作了全面總結(jié)，還建立了相對論量子力學(xué)。

　　3.現(xiàn)代物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域

　?。?）量子光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)。

　　1900年，普朗克（Max Planck，1858—1947）在解釋黑體輻射時(shí)提出了能量子假說，認(rèn)為各種頻率的電磁波只能以一定的能量子方式從振子發(fā)射，能量子是不連續(xù)的，其大小只能是電磁波（或光）的頻率與普朗克常數(shù)乘積的整數(shù)倍。1905年愛因斯坦發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)，把量子論貫穿到整個(gè)輻射和吸收過程中，提出了光量子（光子）理論，圓滿解釋了光電效應(yīng)。其后的康普頓效應(yīng)進(jìn)一步證明了光量子理論。

　　量子力學(xué)的理論表明，光既具有波的性質(zhì)，也具有粒子的性質(zhì)，即波粒二象性。但光子不同于17世紀(jì)微粒說中的粒子，光子是和光的頻率聯(lián)系著的。

　　20世紀(jì)60年代前后，激光器的問世、全息攝影技術(shù)的應(yīng)用、光纖通訊的發(fā)展、紅外技術(shù)和遙感技術(shù)的出現(xiàn)，使光學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代光學(xué)的新時(shí)代，形成一些新的分支學(xué)科或邊緣學(xué)科，如傅里葉光學(xué)、非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)、集成光學(xué)等。

　?。?）原子物理。

　　1911年，盧瑟福（Ernst Rutherford，1871—1937）通過實(shí)驗(yàn)提出原子的有核模型，但在經(jīng)典物理下，該模型同原子的穩(wěn)定性發(fā)生了矛盾。1913年，玻爾（Niels Bohr，1885—1962）將量子觀念引入原子系統(tǒng)，通過定態(tài)假設(shè)和頻率假設(shè)兩個(gè)假說建立了他的原子結(jié)構(gòu)理論，并成功地解釋了氫原子光譜規(guī)律。后來，人們又提出空間量子化的概念，研究了原子的殼層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了電子的自旋，不斷修正了原子結(jié)構(gòu)理論。

　　這種在量子力學(xué)之前形成的原子理論，是有很大局限性的，其關(guān)鍵在于未能用波粒二象性去考慮原子問題。在這個(gè)理論中，研究范圍每擴(kuò)大一步，一般都要附帶進(jìn)若干新的假設(shè)或某些經(jīng)驗(yàn)公式，因此它不是一種完整的理論。只有以量子力學(xué)為基礎(chǔ)對原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，才能得到原子結(jié)構(gòu)的精確描述。

　?。?）原子核物理。

　　原子核物理研究原子核的特性、結(jié)構(gòu)和變化。1920年以前，盧瑟福等人發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，1932年查德威克（James Chadwick，1891—1974）發(fā)現(xiàn)中子，從此人們認(rèn)識到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。此后，人們曾提出各種核模型假設(shè)來解釋原子核的某些運(yùn)動規(guī)律和現(xiàn)象。這些模型比較重要的有液滴模型、α粒子模型、費(fèi)米氣體模型、殼層模型、單粒子殼模型、多粒子殼模型、集體運(yùn)動模型、統(tǒng)一模型等等。但直到目前還沒有一個(gè)模型能夠解釋所有的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，原子核結(jié)構(gòu)仍然是人們正在進(jìn)行探索的一個(gè)重大課題。

　　早在1896年，人們就發(fā)現(xiàn)了天然放射性現(xiàn)象，使傳統(tǒng)的元素不變的觀念受到巨大沖擊。從1919年起，人們又實(shí)現(xiàn)了原子核的人工蛻變，這是實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)的重大突破。1938年，用中子轟擊鈾導(dǎo)致了核裂變的發(fā)現(xiàn)，根據(jù)相對論的質(zhì)能關(guān)系，核裂變的質(zhì)量虧損會產(chǎn)生巨大的能量。1942年，第一座原子反應(yīng)堆在美國芝加哥大學(xué)建成并開始運(yùn)轉(zhuǎn)，開始了人類利用原子能的新紀(jì)元。1952年以后，人們又實(shí)現(xiàn)了輕核聚變，產(chǎn)生了比裂變大得多的能量。

　?。?）粒子物理。

　　目前實(shí)驗(yàn)上所能探測到的物質(zhì)結(jié)構(gòu)最深層次的研究，稱為粒子物理學(xué)，也稱為高能物理學(xué)。1932年安德森（Carl Darid Ander-son，1905—）在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，標(biāo)志著粒子物理學(xué)的誕生。隨后逐步發(fā)現(xiàn)了一系列新的粒子。早期發(fā)現(xiàn)的粒子，都是來自宇宙射線，50年代以后，由于各種加速器相繼問世，大批粒子不斷地被發(fā)現(xiàn)。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子有幾百種之多，而且看來還會不斷有新的發(fā)現(xiàn)。

　　①粒子之間的四種相互作用。

　　粒子之間存在著復(fù)雜的相互作用，能夠產(chǎn)生和消滅。粒子之間有四種相互作用：引力相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和強(qiáng)相互作用。四種相互作用都是隨著粒子之間距離的增加而減弱。引力作用和電磁作用是隨著距離的改變按照平方反比的規(guī)律變化，屬于長程力。弱作用和強(qiáng)作用隨著距離的增加，比平方反比的減弱還要快得多，屬于短程力。按照所參與相互作用的不同，可以把已發(fā)現(xiàn)的粒子分為三大類：規(guī)范粒子、輕子和強(qiáng)子。

　　② 對稱性及其對應(yīng)的守恒定律。

　　對稱性的研究為建立粒子物理理論提供了線索。物理規(guī)律的某種對稱性對應(yīng)著相應(yīng)的守恒定律。在宏觀物理中成立的質(zhì)能守恒、角動量守恒、動量守恒和電荷守恒，在粒子物理中仍舊有效。此外，粒子運(yùn)動還遵守重子數(shù)守恒、電輕子數(shù)守恒和μ輕子數(shù)守恒等守恒定律。粒子物理中還有一些在某種相互作用中受到破壞的守恒定律，如宇稱守恒定律在弱相互作用下就不成立。

　　③ 強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　從本世紀(jì)50年代開始，人們意識到強(qiáng)子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)并得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1964年，蓋爾曼（Murry Gell-Mann，1929—）提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型。1974年，丁肇中（1936—）和里希特（Burton Richter，1931—）同時(shí)發(fā)現(xiàn)了J/ψ粒子，為夸克模型的真實(shí)性提供了有力的證據(jù)。理論上預(yù)言有六種夸克，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了五種，第六種夸克的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)還有待于進(jìn)一步的證實(shí)。雖然夸克在強(qiáng)子內(nèi)部可以相當(dāng)自由的運(yùn)動，但即使用目前最大的加速器也沒能將夸克打出來。很多人認(rèn)為這是“夸克禁閉”造成的。因?yàn)榭淇酥g的相互作用是通過交換膠子實(shí)現(xiàn)的，膠子在強(qiáng)子內(nèi)部起“粘膠”作用，有八種不同色荷的膠子以不同形式把夸克粘合在一起，在夸克之間傳遞相互作用。1979年，丁肇中等人在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了膠子的存在，給研究強(qiáng)相互作用的量子色動力學(xué)以有力的支持。

　?、芰孔訄稣?。

　　波粒二象性，以及粒子的產(chǎn)生和消滅，是微觀、高速物理中的普遍現(xiàn)象。在高能情況下，不可能像在非相對論情況中那樣來區(qū)分粒子和場。把粒子和場統(tǒng)一處理并能反映粒子轉(zhuǎn)化的基本理論叫做量子場論。從1927年起經(jīng)過二十多年時(shí)間由狄拉克等人建立的量子電動力學(xué)是最早的量子場論。在量子電動力學(xué)中，各種粒子均用相應(yīng)的量子場來描述。空間、時(shí)間中的每一點(diǎn)的量子場均以算符來表示，稱為場算符。場算符滿足正則對易關(guān)系與形式上的哈密頓方程。在薛定諤方程的基礎(chǔ)上，加進(jìn)產(chǎn)生與湮滅算符，叫做二次量子化。重整化方法的引入，使量子電動力學(xué)成為一個(gè)完整的描繪微觀電磁相互作用的精確理論，理論和實(shí)驗(yàn)之間的符合達(dá)到驚人的程度。但是，量子電動力學(xué)本身在邏輯上不夠自洽，其研究方法在向弱相互作用和強(qiáng)相互作用擴(kuò)展時(shí)也遇到了難以克服的困難。

　?、菀?guī)范場論。

　　最有可能把四種相互作用統(tǒng)一起來的量子場論是近年來崛起的規(guī)范場論。該理論企圖在進(jìn)行超對稱的局部變換時(shí)，讓方程中所涉及的每一種對稱性都引入一種規(guī)范場，從而將包括引力在內(nèi)的四種相互作用都包含在一個(gè)共同的理論框架之中，實(shí)現(xiàn)全面的大統(tǒng)一。1961年格拉肖（Sheldon Lee Glashow，1932—）提出弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一的理論模型。1967年和1968年，溫伯格（Steven Weinberg，1933—）和薩拉姆（Abdus Salam，1926—）在規(guī)范場論基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一，并為一系列實(shí)驗(yàn)所證明。

　?。?）量子統(tǒng)計(jì)物理。

　　1900年普朗克提出能量子假設(shè)，也標(biāo)志著初期量子統(tǒng)計(jì)的開端。在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法中加進(jìn)能量量子化的假設(shè)，可以成功地推導(dǎo)出與黑體輻射實(shí)驗(yàn)相符的普朗克公式，還可以推導(dǎo)出與實(shí)驗(yàn)符合得很好的固體比熱公式和多原子氣體比熱公式。量子力學(xué)的建立改變了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法，形成了量子統(tǒng)計(jì)物理。

　　量子統(tǒng)計(jì)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)的區(qū)別，主要反映在以下四點(diǎn)：

　　① 由于能量的變化是不連續(xù)的，能量在相空間中的代表點(diǎn)不是充滿各處，而僅僅存在于某一些區(qū)域中，因此經(jīng)典統(tǒng)計(jì)中的相空間積分應(yīng)當(dāng)改為直接求各能級的分配數(shù)的總和；

　?、?由于全同粒子的不可辨別性，相同粒子的互換不能算作一個(gè)新的微觀態(tài)；

　　③ 由于測不準(zhǔn)關(guān)系的限制，相空間的小體積不能取得任意??；

　　④ 費(fèi)米子由于受泡利不相容原理的限制，每一相格只容許至多一個(gè)粒子，而對于玻色子，每一相格所容許的粒子數(shù)目沒有限制，因此對費(fèi)米子和玻色子要用不同的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

　　用量子統(tǒng)計(jì)，能夠精確地解釋黑體輻射、金屬中自由電子的比熱等問題，并可導(dǎo)出熱力學(xué)第三定律。

　?。?）凝聚態(tài)物理。

　　凝聚態(tài)物理研究凝聚態(tài)（固態(tài)與液態(tài)）物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及其內(nèi)部運(yùn)動規(guī)律。它是由固體物理學(xué)發(fā)展起來的，是現(xiàn)代物理學(xué)中最龐大的一個(gè)分支。它包括了固體物理學(xué)、晶體學(xué)、金屬物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、超導(dǎo)體物理學(xué)，還包括近年來興起的表面物理學(xué)、非晶態(tài)物理學(xué)等等。下面簡單介紹一下其中的固體物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)和超導(dǎo)體物理學(xué)。

　?、俟腆w物理。

　　固體物理學(xué)主要的研究對象是晶態(tài)固體。19世紀(jì)，人們就已經(jīng)積累了關(guān)于晶體幾何結(jié)構(gòu)的大量知識。20世紀(jì)初，實(shí)驗(yàn)和理論都為固體物理學(xué)的建立提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1912年，勞厄（Maxvon Lane，1879—1960）首先指出晶體可以作為X射線的衍射光柵，使人們通過實(shí)驗(yàn)觀測對晶體結(jié)構(gòu)有了較深入的了解。量子理論的發(fā)現(xiàn)，使人們能夠更加深入和比較正確地描述晶體內(nèi)部微觀粒子的運(yùn)動過程。在這個(gè)基礎(chǔ)上，1928年布洛赫（F.BLoch，1905—）提出，晶體中原子的周期排列形成了對自由電子運(yùn)動有影響的周期性勢場，在這種勢場中，電子占據(jù)的、彼此相隔很近的可能能級形成能帶，能帶間有一定的間隙，稱為禁帶。這個(gè)能帶理論為固體提供了一個(gè)普遍適用的微觀模型。固體能帶論和晶格動力學(xué)使固體物理學(xué)成為一門系統(tǒng)的基礎(chǔ)學(xué)科，在處理晶體性能方面獲得了重大成功。例如，這些理論得出了區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的微觀判據(jù)，形成了位錯、晶體缺陷等方面系統(tǒng)的理論。

　?、诎雽?dǎo)體物理。

　　能帶理論為半導(dǎo)體物理的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。半導(dǎo)體是依靠導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電的，其導(dǎo)電性能可通過摻入雜質(zhì)原子取代原來的原子而進(jìn)行控制。近年來，半導(dǎo)體物理的研究已經(jīng)深入和擴(kuò)展到半導(dǎo)體能帶超精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究、半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制及半導(dǎo)體光導(dǎo)性質(zhì)的研究等領(lǐng)域，表面物理也成為半導(dǎo)體物理學(xué)的一個(gè)重要研究內(nèi)容。半導(dǎo)體物理的研究導(dǎo)致了1947年晶體管的發(fā)明和1959年集成電路的發(fā)明。當(dāng)代集成電路技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，已從根本上改變了整個(gè)工業(yè)、甚至整個(gè)社會的面貌，促進(jìn)了新的世界技術(shù)革命的到來。

　?、鄢瑢?dǎo)物理。

　　超導(dǎo)體物理學(xué)研究超導(dǎo)現(xiàn)象和超導(dǎo)體材料的特性。當(dāng)溫度下降到臨界溫度時(shí)金屬突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。它是1911年由昂內(nèi)斯（H.K.Onnes，1853—1926）首先發(fā)現(xiàn)的。1933年發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的完全抗磁性，即邁斯納效應(yīng)。1958年巴?。↗hon Bardeen，1908—）等人提出了一個(gè)超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論，大體上說明了超導(dǎo)現(xiàn)象的起源。1962年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)隧道效應(yīng)，還提出了電子——聲子相互作用的強(qiáng)耦合超導(dǎo)理論。目前世界各國都在加緊對高溫超導(dǎo)材料的研究，已經(jīng)研制出超導(dǎo)溫度為攝氏零下幾十度的高溫超導(dǎo)材料。

　　（7）天體物理。

　　天體物理研究天體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及天體的形成和演化。從20世紀(jì)30年代到60年代，逐漸形成了關(guān)于恒星的比較統(tǒng)一的理論。恒星的前身（星胚）是由彌漫稀薄的星際物質(zhì)通過引力塌縮而凝聚成密度較大的氣體和塵埃云。在塌縮過程中星胚中心密度增大、溫度增高，逐漸發(fā)熱發(fā)光，形成星前天體。引力收縮是星前天體的能源。當(dāng)星胚核心溫度升高到一千萬度時(shí)，氫核聚變開始成為主要能源，這時(shí)進(jìn)入主星序階段，一個(gè)真正的恒星便形成了。據(jù)計(jì)算，恒星只用幾百萬年甚至幾十萬年就走完了星前階段，而主星序則長達(dá)10億年到100億年。恒星演化的末期，將出現(xiàn)三類天體：白矮星、中子星和黑洞。目前，白矮星和中子星已被大量發(fā)現(xiàn)，黑洞的發(fā)現(xiàn)尚有待于進(jìn)一步證實(shí)。在宇宙整體的研究方面，人們提出了宇宙膨脹理論和大爆炸理論，并且找到了一些實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

　　（8）非平衡統(tǒng)計(jì)物理。

　　非平衡統(tǒng)計(jì)物理研究處于非平衡態(tài)的物質(zhì)系統(tǒng)。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)認(rèn)為，物質(zhì)系統(tǒng)的演化是一種從有序到無序的不可逆過程。但生物界的有些現(xiàn)象卻與此相反，如生物的進(jìn)化就是從低級到高級、從無序到有序乃至高度有序發(fā)展的。這樣，物理學(xué)和生物學(xué)這兩種演化觀就表現(xiàn)出尖銳的對立。這告訴我們，物理系統(tǒng)也應(yīng)存在著從無序到有序的演化過程。1969年，普里高津（N.G.Pri- gogine，1917—）提出耗散結(jié)構(gòu)理論，為尋找從無序到有序提供了新的思想。普里高津認(rèn)為，處在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的不穩(wěn)定狀態(tài)的開放系統(tǒng)，如果內(nèi)部各要素間存在著非線性的相互作用，在穩(wěn)定性被破壞后，可能向新的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行，在這個(gè)過程中，可以出現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)（耗散結(jié)構(gòu)）。1973年，哈肯（Hermann Haken，1927—）從另一角度提出了一種研究從無序到有序的理論——協(xié)同學(xué)，它是一種產(chǎn)生自組織有序結(jié)構(gòu)和功能行為的理論。

　?。?）生物物理。

　　生物物理學(xué)用物理學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究生命現(xiàn)象。從20世紀(jì)30年代到50年代，一批物理學(xué)家在晶體分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，逐步弄清了蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。1944年，薛定諤用量子力學(xué)的觀點(diǎn)討論了遺傳問題，他設(shè)想，基因是一種同分異構(gòu)的連續(xù)體構(gòu)成的非周期性晶體，在它的巨大數(shù)量的原子或原子群的排列組合中，蘊(yùn)含著一種微型密碼，這種密碼形成遺傳信息。50年代初，一些物理學(xué)家開始對遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)DNA（脫氧核糖核酸）進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的晶體研究。1953年，物理學(xué)家克里克（F.H.C.Crick，1916—）和病毒遺傳學(xué)家沃森（J.D.Watson，1928—）一起，提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型，并提出DNA分子結(jié)構(gòu)的遺傳含義。他們認(rèn)為，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)就是攜帶著遺傳密碼的基因，一個(gè)DNA分子能夠復(fù)制出兩個(gè)完全相同的DNA分子。在DNA如何控制蛋白質(zhì)合成的進(jìn)一步探究中，物理學(xué)家伽莫夫（G.Gamov，1904—1968）根據(jù)排列組合提出“三聯(lián)體密碼子”假說，提出共有64種遺傳密碼。到1969年，這64種遺傳密碼已全部測出并被列成密碼表。遺傳信息之謎的破譯，是20世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的成就之一。