6.相对论重离子物理研究.docx

相对论重离子物理研究

1.探索夸克-胶子等离子体(QGP)

相对论重离子物理学是近年来发展较快的核物理前沿领域，也是今后若干年内核物理的重要研究方向之一.它主要是研究在极高温度（达到1012K，即太阳中心温度的60000倍）以及极高密度（10倍于正常核物质密度）下，核由强子态向夸克物质态，即夸克-胶子等离子体的相变.这项研究具有极其重要的意义.首先，夸克-胶子等离子体是人们长期以来渴望求到却又难以得到的一种物质形态.夸克-胶子等离子体与一般的电的等离子体不同，在夸克-胶子等离子体中，夸克在强子外是自由的，而整体上又是色中性的.如果说，上一世纪给本世纪留下了两个谜，一个是无绝对的惯性系，一个是波-粒二象性，这两个谜已随着爱因斯坦的相对论及量子力学的建成得以解决，那么，本世纪粒子物理学的发展又使另外两个更深层次的谜，一是对称性破缺，一是夸克禁闭呈现了出来.当前，描述自然界四种基本作用的理论是，描述强相互作用的量子色动力学(QCD)，描述电-弱相互作用的SU(2)×U(1)的模型理论，描述引力作用的广义相对论，这些理论的最终统一将使这两个谜获得最终解决，而相对论重离子物理研究又直接与这两个谜相关，正因如此，有人称这项研究具有“世纪性的地位”.根据核的相变理论，在正常温度和正常密度ρN条件下，一般核物质处于正常核态；但当密度达到2ρN时，可能出现π凝聚，这是核物质具有较高秩序的状态，类似晶体点阵排列的原子；当密度达到5ρN左右，单个核子产生许多新的激发能级，核变为激发态的强子物质；若再进一步压缩核物质，使密度达到10ρN左右，核由强子激发态继续发生相变，此时出现解除夸克禁闭，夸克跑出核子外，在比核子大得多的范围内自由运动.此时，夸克与夸克间相互作用粒子组成夸克-胶子等离子体(QGP).虽然这种理论分析尚有许多不确定因素，却引起了许多人的兴趣.人们一致认为，高能重离子反应是实现这一相变的最有希望的途径.有人估计，要实现普通核的非禁闭相变，核碰撞质心能量要达到100GeV/N.预计在1996年建成的美国布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)将能满足这一要求.

2.格点规范场理论对相变条件的预言

为探索夸克-胶子等离子体，首先应从理论上估计核物质由强子态向夸克-等离子体相变发生的条件.先从核物质密度与强子密度之差估算相变所需要的能量.其结果是，当核密度提高到正常态的4倍时，相变即可实施.然而这种方法仅只是一种估算，精确的方法应采用格点规范理论.在强子尺度的小范围内，研究夸克的物质运动规律时，量子色动力学采用了微扰展开的方法，这种微扰法取得了很大的成功.但是在大于强子的尺度上，夸克-胶子的等效相互作用强度并不小，由于交换动量的结果，使夸克-胶子体系产生了各种非微扰量，原来的微扰法不再适用.在强相互作用中，这种非微扰效应表现在多方面.从粒子的质量看，质子的质量恰好是938MeV，△粒子的质量是1236MeV，π₀介子质量是135MeV，为什么它们恰好是上述值，这实际上就是一种由非微扰效应产生的结果.此外，粒子的寿命、衰变现象、零点波函数、磁矩、结构函数甚至真空结构等，也都是夸克-胶子在大距离上的作用效应，也属于非微扰效应产生的结果.这些现象与非微扰效应的关系，是粒子物理学中十分重要而又未被完全开发的领域.1974年，美国康奈尔大学的威尔逊(K.G.Welson)提出了格点规范场理论，用以解释非微扰现象.其作法是，先设法在4维时空中取一系列等间隔的格点，连续的时空被一系列离散的格点所代替.他规定，胶子规范场只在格点间的键上起作用，而夸克费窑场则定义在格点上.由上述场量组成的格点作用量具有规范不变性.当格点间的距离趋于零时，格点作用量趋于原有的量子色动力学作用量，格点规范理论趋于连续时空的规范理论，与连续时空的渐近自由相对应.下一步做法是，先在格点体系中计算各个物理量，然后再把格点间距趋于零，就可望得到真正的物理量，特别是那些非微扰量了.

事实上，微观世界中的微扰量与非微扰量本是人为地划分出来的.当认识水平未达到一定的层次时，先讨论微扰量只是一种对复杂事物的简单处理方法.格点规范场理论的建立表明，人的认识水平又向更高层次迈进了一步.此外，由于粒子物理与统计物理的研究对象都是有无穷多自由度的体系，格点微扰理论把它们之间的相似性突出地表现了出来.然而，格点规范理论的计算是很复杂的，因为每个格点有四个正方向共四个键，在SU(3)规范不变条件下，每个键有8个独立变量，每个格点又有正反夸克场，每个夸克场有4个Dirac分量，有三种色，至少有四种味，这样一来，对于每边有16个格点的四维立方体，就有200万个独立变量.由于系统复杂，目前尚不能使用解析方法求解.但是由于理论的规范不变性，使讨论对象具有群积分的性质，可以用数值计算方法计算.1981年，帕瑞西等人利用布鲁克海汶国家实验室的大型计算机，使用抽样计数方法，即蒙特卡罗数值计算法，计算了这些群积分，不仅首次得到了π介子、质子、△粒子等强子的质量，而且还得到了π介子衰变常数以及标志手征对称性自发破缺不为零的数值.以后，又有人用同样方法计算出更有意义的结果，例如证实了两个重夸克之间的位势随距离的增加，呈现由库仑位势向线性位势的变化.这一结果证明了夸克之间距离加大时，存在有越来越大的作用力，结果使它们“禁闭”起来（渐近自由）.计算结果还显示，温度增加到一定程度，即高能粒子互撞时，夸克的自由能突然加大.这表明，在高能散射中，它们有可能从“禁闭”中被“解放”出来，相变的临界温度为200MeV、密度为正常核密度的5倍以上，达到这一条件相变即有可能发生，这一结果确实给人极大的鼓舞.

3．实验尝试

1986年，欧洲原子核研究中心(CERN)在SPS加速器上首次进行了(60GeV～200GeV)/N的氧束流冲击重靶的实验，这是一次较为成功的相对论重离子实验.在这以前所做的有关实验，如CERN的p-p，α-α实验；费密实验室的p-p实验，虽然能量很高，但由于碰撞粒子的质量太轻，高能密度聚集的范围太小，而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶实验，虽然粒子足够重，但每个核子的能量只有1.8GeV，这个值又太低，使碰撞区的温度不够高.还有的虽然能量足够高，但实验的统计性又太差，事例数太少，都未能获得成功.

在CERN的这次成功实验中，发现了人们所期待的“J/ψ抑制效应”，它是QGP存在的迹象之一.根据理论分析，J/ψ粒子有三种衰变方式，它可能衰变成两个电子，e+和e-；还可能衰变成两个μ子，μ+和μ-；或者衰变成强子.在高能碰撞中，强子也可能产生J/ψ粒子.J/ψ粒子可以看作由c和粒子组成，自由的c对存在有束缚态.当有QGP产生时，由于德拜屏蔽效应的存在，会抑制c束缚态的出现，因而不能组成J/ψ粒子，或者说J/ψ中产生的几率下降，于是J/ψ中粒子产额抑制现象常被当作为QGP出现的信号.

CERN使用的是200GeV/N的32S打击238U，所形成的体系可能是发射π介子和K介子，也可能发射J/ψ粒子，J/ψ粒子又可能再衰变，通过衰变粒子，如μ+和μ-，来判断J/ψ粒子的产额.在碰撞区形成一团火球，边缘地区的J/ψ粒子产额竟然是火球中心的1.6倍，由此判定，碰撞中心出现了J/ψ抑制，即有产生QGP的迹象.

另一个显示出现QGP迹象的实验是在美国布鲁克海汶国家实验室进行的，这是测定K+/π+比例的实验.他们使用了14.5GeV/N的28Si束打击Au靶，观测K+与π+产额之比，并与质子对撞情况相比较.他们认为，如果有QGP产生，π+、K-和π+产额将减少，至多是不变，而K+的产额却要增加，这样一来，有QGP时，K+/π+产额比值应加大.他们的实验结果是：28Si打击Au后，K+/π+产额比值由质子对撞时的0.07上升为0.20，而K-/π-的比值则与质子对撞时一样.

重离子对撞实验是很复杂的.根据理论计算，在现有的条件下，对撞区的温度可达到200MeV左右，这个温度在相变临界温度附近，所形成的火球的横向半径大约有4.3～8.1fm，径向半径约有2.6～5.6fm.一个碰撞事例往往可以产生500个以上的次级粒子，处理这样复杂的事例以及处理如此大量的特征信号是件极为困难的事，因此，通过上述特征估计QGP的形成仍只是一种试探.即使如此，由于理论物理学家已给出相变存在的可能性，也由于实验物理学家又较成功地处理了如此复杂的反应事例，还由于相对论重离子碰撞实验已达到了理论预言的能区，更由于这项研究目标所具有的深远的意义，这一切都使得夸克-胶子等离子体的研究成为核物理学前沿的热点课题之一.

4．奇异核

近年来所发现的另一种核物质的新形态是包含其它强子的核多体系统，又称奇异核，例如Λ超核、Ζ超核以及反质子核等.目前只有Λ超核为实验所肯定，已开展了一些Λ超核谱学及生成Λ超核机制的研究.Λ超核最初是在宇宙射线研究中发现的.1952年，波兰物理学家M.丹尼什和J.普涅夫斯基从暴露在宇宙射线核乳胶中，发现一个特殊的事例.这是一个高能质子击碎了核乳胶中的银原子，产生的一个碎片，再通过发射带电π介子和一个质子衰变，碎片衰变的特征与理论上预料的Λ超子完全相同，因而认定这个碎片就是包含Λ超子的Λ超核.Λ超子是最轻的奇异重子，根据强相互作用要求，它的奇异数与重子数守恒，因而Λ超子在核物质中相对强相互作用是稳定的，只能产生弱相互作用衰变.Λ超核与Λ超子有几乎相同的寿命，因而在实验中可以比较容易地观察到Λ超核.到目前为止，已经在实验中观察到几十种Λ超核以及包含两个Λ超子的双超核，甚至包含若干个Λ超子的Σ超核.超核的发现，不仅打破了过去原子核只是由中子、质子组成的传统看法，而且通过超核的研究，还进一步获得了有关核结构与强相互作用的认识.超核物理已成为中、高能原子核物理研究的一个重要分支领域.奇异核伴随有奇异的现象.首先，与普通核相比，奇异核有着特殊的衰变方式.普通核的衰变类型有：α衰变、β衰变（包括电子俘获过程）、γ衰变（包括内变换过程）和自发裂变等，奇异核则除了上述方式外，还有一些奇异的衰变方式.例如，奇异核β衰变可释放很高的能量，经β衰变后的末态核仍处于较高的激发态，若这一激发态的能量高于其中的核子或核子集团的结合能时，这个末态核仍有可能把多余的能量释放出来，退激发而变为一种新的核，称为子核.这种奇异衰变分为两个阶段，同时有三代核素参与，然而由于第一阶段的β衰变比第二阶段缓慢得多，在实验观测时，仅观察到第一阶段的β半衰期，故常把这种放射性称为β延迟粒子发射，或缓发粒子发射.其实，早在1916年卢瑟福(Rutherford，Ernest1871～1937)和伍德(Wood，RobertWilliams1868～1955)在研究212Bi引起的荧光现象时，就曾发现在大量具有一定能量的α粒子中，混有少量具有较高能量的长射程α粒子，这实际上就是β衰变缓发α粒子.虽然他们观察到这个现象，却不明白其成因.直到1930年，伽莫夫(Gamow，George1904～1968)也观测到了这个奇特的现象，才对它做出了解释.伽莫夫认为212Bi先经过β衰变到212Po，如果212Po处于激发态，它再放出带有该激发态能量的α粒子，这部分激发态能量转化为α粒子的动能，因而具有较高的能量.如果处于激发态的212Po先经过γ发射回到基态，就会发射低能量的α粒子.212Bi就是缓发α粒子的先驱核，而末态核发射α粒子后变为218Po，就是缓发α粒子的子核.卢瑟福、伽莫夫等人所观测到的β缓发衰变仅只是一种天然放射现象.

1937年，列维斯第一次人工地产生了β延迟α发射的先驱核8Li.1939年，罗伯茨又在中子轰击铀的实验中，首次探测到了β延迟的中子发射.50年代末，卡尔诺克霍夫首次观测并鉴别出β延迟的质子发射先驱核.此后，被发现的先驱核数量增加很快.近20多年来，大规模寻找缓发粒子的先驱核，并利用这种奇特的衰变方式研究奇异核的性质已成为核物理研究中的一个重要课题.

近十多年来，由于实验技术的发展，又陆续发现了β延迟衰变后两个或三个核子发射的奇异衰变方式.1979年9月欧洲原子核研究中心的一个研究组观测到了β延迟的二中子发射，以后又观测到三中子发射.1984年，劳仑斯-伯克利实验室的一个研究组在88英寸的回旋加速器上，观测到了土22Al的β延迟二质子发射现象.接着欧洲原子核研究中心又在线同位素分离器上发现了11Liβ延迟3He和3H的衰变.在奇异衰变研究中，值得注意的是重离子的奇异放射研究方面的进展.1984年，牛津大学的一个研究小组发现了一个奇特的现象.223Ra的α衰变半衰期通常为11.4天，然而在这种衰变中，他们却发现了能量在30MeV的14C离子.这一现象出现的几率很小，大约在109衰变中才有一次，由于他们没有放过这个很容易被疏忽的现象，以后又陆续发现了222Ra、224Ra和226Ra的14C衰变；230Th、231Pa、232U、233U和234U的24Ne衰变以及234U的28Mg衰变.这一放射性所发射的实际上是核子集团，从而反映了核内核子的组合方式.对这一奇异现象的解释，以及寻找新的重离子发射核实验已经成为核物理中活跃的研究领域.除了奇异的衰变方式以外，奇异核还表现出奇异的形变特性.过去，通常把核认作为球形，如早期的核液滴模型以及独立粒子壳层模型等.1952年阿·玻尔和莫特逊提出了原子核集体模型，利用这一模型计算核在各种情况下的能量时发现，有些核在特定的变形下能量最低，稍微偏离这种变形，能量上升很快，这种核被称为硬的变形核；有的核在一定的变形范围内，能量的变化不大，被称为软的变形核.按照这一模型，除了核子可以在核内运动外，原子核还可以作为整体振动或转动.处于不同状态的核，具有不同的能量和角动量，并对应一定的形状，这些能量又不是连续的.通过大量的β稳定线附近的核研究，人们已经找到了核的能级分布与形状间的关系.当核转动时，如果形状发生变化，转动惯量相应改变，就会导致核转动能级分布情况变化.这一规律的研究已成为研究奇异核的基础.在70年代，实验上已经发现，某些核可以有不同的形状，它们对应着不同的能级，有一组建立在球形基态上，能级的间隔较宽；另一组开始的间距较小，后来越来越大，它们对应着硬变形核的转动和振动.这种不同形状的状态在核中同时存在的现象，称为形状共存现象.对这一现象的研究，使过去曾被认为截然不同的异形核与变形核之间找到了某种联系.核的变形程度通常用一个参数β描述.β近似等于核长短轴之差与两轴平均长度之比.典型变形核的β值在0.2～0.25范围.β在0.35～0.4范围时，称为超变形核.超变形核的第一激发态能级往往很低.β值及极低的第一激发态成为超变形核的两个判据.早在1981年，摩勒和尼科斯就曾根据对奇异核研究的结果从理论上预言，中子数和质子数在38附近的核，属于自然界中最强变形的核.果然，人们在远离β稳定线区域检验球壳层模型中发现，质子数和中子数都接近幻数40的核，如74Kr、76Kr核具有非常大的变形.目前，奇异核研究已与重离子核物理相结合，人们广泛采用中、高能重离子束，通过弹核破裂的反应机制合成新的奇异核素，并通过核素分离产生的次级奇异核束流研究奇异核反应及其性质.

在量子力学以前的背景下，爱因斯坦的相对论很好地符合了一种自然的二元观，即自然界存在两种事物，一种是粒子，另一种是场.而量子力学带来了更加统一的观点.在量子力学看来，像电磁场那样的场的能量和动量也是以一束束的形式出现的，那就是通常所说的光子；它与其他粒子一样，只是碰巧没有质量罢了.同样，引力场的能量和动量也是以一束束引力子的形式出现的，也是无质量的粒子.在量子力学里，两个电子间的电磁力源于光子个交换；同样，光子与电子之间的力源于电子的交换.物质与力之间的差别基本上消失了，任何粒子都可以充当某个力的承受者，而它们的交换也能产生其他的力.结合相对论原理与量子力学的唯一途径是通过量子场论.量子力学和相对论之间几乎是不相容的，但它们在量子场论中调和为粒子的相互作用方式，这完全是一种逻辑的刚性，为真实的基本理论赋予了美.物理学家想建立能描述更多现象的理论，所以他们应该寻求尽可能有弹性的理论，但在基础物理学中却不是.我们所谓寻找某种普遍的东西，它统治着整个宇宙的一切现象.它能让我们严格描述那几个力――引力、弱电力、强力.物理学理论中的这种统一性是我们认为美的一部分.我们在物理学理论如广义相对论或麦克斯韦方程组中看到的美，很像某些艺术品具有的美.它们都令我们感到这是自然的，自然而然的，我们不愿改变其中任何一个符号，一个笔画或一根线条.不过，正像我们欣赏音乐、绘画和诗歌一样，那种自然的感觉是一种美的体验，不可能从公式推导出来，没什么逻辑的公式能在美的解释与单纯的数字罗列之间画出截然可分的界线，但我们知道它们是不同的.一个原理有了简洁性和统一性，我们才会认真看待它.所以，我们的美学判断不是发现科学解释并判断其有效性的最终唯一方法，我们在物理学中看到的美的形式是很有限的.如果用语言来表达，我只能说那就是简洁性和统一性的美，和谐的结构，一切都恰到好处地组合在一起，没有需要改变的东西，存在着一种逻辑的自恰性，那就是自然和古典的美.

在量子力学建立之初，分别是由薛定谔和海森伯两人各自独立完成的.薛定谔建立的理论被称为波动力学；而海森伯建立的理论被称为矩阵力学.后来由薛定谔证明了这两个理论完全是等价的，并统一称作量子力学.海森伯在建立他的力学理论时，提出了一个被称为海森伯乘法规则的计算法则，但是这套数学方法当时的物理学家们并不熟悉，而且他自己也没有把握.他把论文手稿送给M玻恩，玻恩回忆起大学时老师罗斯森讲授过的代数理论，这种法则就是70多年前已被创立的矩阵演算.所以海森伯的理论就被称为矩阵力学.如此的珠联璧合，使人匪夷不解.数学家的美感是如何引出那么多年以后用于物理学的结构的，尽管数学家可能对物理学应用一点兴趣也没有.

统计物理的一个基本思想是从成分粒子的动力学出发，用统计的方法给出多粒子系统的宏观性质.而系综理论则是统计方法.但传统的物理课本中，讨论的都是在原子分子层次上的统计物理，没有指明随着人类对物质基本结构及其动力学的认识发展，会导致统计物理的重大发展.例如，当人们对物质结构深入到核子这一层次时，特别是建立了核子动力学的模型理论后，出现了与这种动力学相应的统计热力学，揭示有在核子层次上的物质形态——核物质或泛称强子物质.又如，当人们对物质结构的认识深入到夸克这一层次，建立了描述夸克相互作用的动力学——规范场论时，就导致了夸克层次上的统计物理.其中特别引人注目的是以QCD为动力学的统计物理，它预言了在夸克层次上的一种新物质形态——夸克物质或称夸克胶子等离子体，开创了以探索夸克物质为目的的新的研究领域.

原子核物理学起源于放射性的研究，是19世纪末兴起的崭新课题.在这以前，人类对这一领域毫无所知.从事这项研究的物理学家，他们通过做新创制的简陋仪器进行各种实验和观察，从中收集数据，总结经验，寻找规律，探索不断开拓新的领域.1932年对于从原子核到基本粒子这一研究方向来讲，是具有特别重要意义的一年.但是，作为基本粒子理论研究出发点，是比它早几年的1928年狄拉克所提出的相对论的波动方程式以及由此而得到的正电子的预言.而这一预言在1932年，由于安德森（C.D.Anderson，1905年）发现了正电子，而取得了出色的成功.从那个时候起，又经历了1934年费米（E.Fermi，1901-1954年）β蜕变的理论、1935年汤川秀树（1907年）的介子理论，方才形成了以基本粒子的相互转变为中心问题的基本粒子理论.而成为上述理论研究基础的量子场论是海森堡及泡利在1929年建立的.无论是β蜕变的理论还是介子理论，都是在弄清原子核结构的研究中产生的.

原子核物理学可以讲是卢瑟福在1919年发现用放射性物质放出的α射线轰击氮原子核后获得氢原子核及氧原子核作为前兆而开始的.但是，真正的发展应该讲是从有一系列重要发现的1932年开始的.这一年，科克洛夫特（J.S.Cockcroft，1899-1976年）同沃尔顿（E.T.S.Walton，1903年）用70万伏的高电压加速质子撞击锂核，成功地实现了第一次人工的原子核转化.还是在1932年，查德威克发现了中子，明确了原子核的构成要素，先是伊凡宁柯（T.D.Ivanenko，1904年）接着是海森堡立即开展了由质子同中子组成的原子核模型的理论研究，并解决了过去有关原子核的性质所产生的混乱.在前一年的1931年，范德格喇夫（R.J.vandeGraaf，1901-1967年）发明了静电高压发生装置，劳伦斯（E.O.Lawrence，1901-1958年）发明了回旋加速器.在1934年，约里奥.居里夫妇（Frederic，1900-1958年；Irene，1897-1956年）发现了人工放射性，同时费米在1935年开始研究由中子引起的核反应.作为刚开始的核反应研究的成果之一，是哈恩，迈特纳（L.Meitner，1878年）以及史脱拉斯曼（F.Strassmann，1902年）在1938年末所发现的铀核裂变.当时的这一发现，由于受到第二次世界大战前夕那种紧张形势的影响，立即促使人们花了很大力量来从事开发原子能的研究.

自从P.居里测量了镭的热值时起，人们都普遍认识都原子核中蕴藏着极大的能量.用核反应来解释恒星能量的来源的想法是埃丁顿在1920年首次论述的，而且阿特金逊同霍特曼斯在1929年作了定量研究.在1938年，该研究由盖玛同特勒（E.Teller，1908年）作了进一步的发展，同时，贝蒂（H.A.Bethe，1906年）在1939脑筋以它为依据，提出了作为太阳能量来源的CN循环理论.但是，当时认为这些均是在超高温的天体内部所发生的，因而认为在地球上不可能获得实用的核动力.所以，卢瑟福直至1937年他临终前还认为核能的利用是不可能的.但是，上述消极的情绪由于发现了铀的裂变而为之一变，人们尽管害怕可能出现原子弹，却开始了制造原子弹发研究工作.经过努力，在1942年12月研制了第一台原子炉，并在1945年7月制造成功了原子弹.第二次世界大战以后，当然核物理学作为国家最重要的科学耗费了巨额的资金，并一举成了所谓的重大科研项目之一.正因为有了这种新的社会背景，才可能建造出巨大的加速器，并运用加速器不断从事新的发现核研究，同时伴随着这些实验研究，也产生出许多理论研究的成果.

20世纪初，固体物理学就开始深入到微观领域，人们开始利用微观规律来计算实验观测量.量子力学首先应用于简谐振子及简单的原子上，并显示了其正确性，其次又在化学键的问题上取得了效果.海特勒（W.Heitler，1904年）同伦敦（F.London，1900-1954年）在1927年把量子力学应用于由两个氢原子所组成的系统，成功地说明了氢键的问题，并导入了“交换力”的概念，如此，在建立量子论的化学键理论基础的同时，在第二年的1928年，交换力的概念在铁磁性的理论上也获得了成功.海森堡根据电子的相互交换作用，澄清了韦斯以来没有弄清楚的分子场产生的原因.同样在1928年，索末菲运用费米统计（1926年）解决了金属电子论的难点，同时，布洛哈（F.Bloch，1905年）用量子力学论述了晶体晶格内电子的运动，奠定了能带理论的基础.威尔逊在1913年，成功地运用能带理论说明金属、绝缘体、半导体在理论上的区别.20世纪20年代后固体物理学作为一门学科在物理学领域中诞生了.从上述情况开始发展的固体物理学，成了第二次世界大战后各种技术革新的基础.特别是在1948年发明的晶体管，它使电子的面貌焕然一新，这也纯粹是固体物理学研究的产物.此外，诸如铁氧体、量子放大器、莱塞（激光）等对于当今电子学所不可缺少的要素也都是物质结构学发展的产物.当然，如果没有以高分子科学为支柱的许多基础科学的成果，与电子学并驾齐驱、支撑着现代技术革新的合成化学工业也是不可能出现的.但是，综合起来说，这些研究广义地讲应属于物质结构学的范围.由于物质结构学同工程学科之间的联系十分紧密，甚至还可以认为物质结构学的特征就是它各种技术的基础科学.在今日的物质结构学里面，量子力学同统计力学等基础理论所能够应用的领域都已经全部用上了，而研究可以说是指如何使理论能适用于具体条件下的某个具体系统的问题.当然，在这一方面也不断有新的发现.研究人员的独创见解是必要的，但是，研究的性质并非在于追究自然认识的本原.

物质结构学中，卡曼林.昂尼斯（H.Kammerlingh-Onnes，1853-1926年）在1911年所发现的超导现象，直到最近还是上述倾向中的一个例外，还停留在理论空谈上.但是，当这一问题在1957年从理论上解决后，立即密切了与技术方面的联系.很早以前曾有人提出，超导物体有可能利用制造高速计算机的电路元件，而由于在1961年第二次出现了超导磁体，这一技术实用的可能性引起了人们极大的注意.

以上所讲的是物理学的发展为新技术提供了基础，当然，与此相反的关系也完全存在.假如不采用电子技术的各式各样的机器，今天的物理学，甚至整个科学研究都可能连一天也存在不下去.要建造超高能物理学所不可缺少的巨大加速器，必须要动员当前最先进的精密机械技术和电子学技术才行.同时还应注意到，由于对技术进步的不断要求，作为这些技术基础的物理学的研究也正在日益加强.因而，世界各国在物理学上有关教育以及对研究成果的奖励方面的费用支出也增加了.可以说，没有上述各方面的条件，就不可能存在今天这种大规模、多方面的物理学研究.