第一章物質(zhì)世界的基本圖象

1、第一篇 萬物之理物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的一門基礎(chǔ)學(xué)科，是嚴(yán)格的、定量的自然科學(xué)的帶頭學(xué)科。物理學(xué)描繪了物質(zhì)世界的一幅完整的圖象，它揭示出各種運(yùn)動(dòng)形態(tài)的相互聯(lián)系與相互轉(zhuǎn)化，充分體現(xiàn)了世界的物質(zhì)性與物質(zhì)世界的統(tǒng)一性。第一章 物質(zhì)世界的基本圖象§1-1物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級(jí) 物理科學(xué)涉及范圍極廣，它既研究人們身邊發(fā)生的物理現(xiàn)象，也研究宇宙天體的運(yùn)動(dòng)及構(gòu)造，還研究微觀領(lǐng)域中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。物理學(xué)是一門定量的學(xué)科。在研究和學(xué)習(xí)物理學(xué)中，需要常常對(duì)各種事物做粗略的數(shù)量級(jí)估計(jì)、留心查看尺度大小的變化所產(chǎn)生的物理效應(yīng)，因而對(duì)各類物理量的數(shù)量級(jí)的了解是非常必要的。 科學(xué)記數(shù)法把一個(gè)物理量的數(shù)值寫

2、成一個(gè)小于的數(shù)字乘以的冪次，用的正冪次代表大數(shù)，用的負(fù)冪次代表小數(shù)。這種記數(shù)方法叫科學(xué)記數(shù)法。在科學(xué)記數(shù)法中冪指數(shù)相差，即代表數(shù)目大倍或小倍，這叫做一個(gè)“數(shù)量級(jí)”。下表給出國際單位制中表示數(shù)量的詞冠。表 國際單位制所用的詞冠數(shù)量級(jí)英文名縮寫符號(hào)中譯名數(shù)量級(jí)英文名縮寫符號(hào)中譯名分厘毫微納諾皮可飛母托阿托仄普托幼克托十百千兆吉咖太拉拍它艾克薩澤塔尤塔 空間尺度人類選擇了與自身大小相適應(yīng)的“米（m）”作為長度的基本單位。從物理研究對(duì)象所涉及的物質(zhì)世界的空間尺度來看，最大的尺度是宇宙，大約為米（約億光年）；最小的尺度是夸克，大約米，空間的尺度跨越了個(gè)數(shù)量級(jí)。表列出了物質(zhì)世界中部分實(shí)物空間尺度的數(shù)量級(jí)。

3、太陽與地球的距離是地球半徑的兩萬多倍，定義為天文單位（），精確值為米。太陽系的直徑約為天文單位，即米的數(shù)量級(jí)。太陽系外的天體距離通常用“光年”（light year）表示，即光在一年里所走的距離，大小為：光年米米。表 物質(zhì)世界的空間尺度長度米（m）長度米（m）電子和夸克質(zhì)子的半徑（強(qiáng)作用力程）電子的康普頓波長原子的半徑病毒的半徑，可見光波長巨型阿米巴的半徑昆蟲的長度人體的高度紅杉樹高度珠穆朗瑪峰的高度地球的半徑地球到月球的距離太陽的半徑地球軌道的半徑（）太陽系的半徑到最近恒星的距離銀河系的半徑星系團(tuán)的半徑超星系團(tuán)的半徑可探測類星體的最遠(yuǎn)距離現(xiàn)代天文觀測表明，星系普遍存在光譜紅移現(xiàn)象，說明宇宙是

4、處在膨脹過程中，從宇宙誕生到現(xiàn)在，宇宙延展了光年以上，即m以上。太陽系是銀河系中很小一部分，銀河系的直徑約為光年，離銀河系最近的星系（小麥哲倫云）的距離約為光年（即m）。人類能觀測的距離極限哈勃半徑是m?，F(xiàn)在宇宙中存在著億個(gè)以上的星系，銀河系是其中之一，我們的太陽是組成銀河系的大約億顆恒星之一，太陽系只是宇宙中的滄海一粟。物質(zhì)可以小到什么程度，莊子.天下篇中說“一尺之棰（即木棍），日取其半，萬世不竭?！闭f的是物質(zhì)世界向小的方向可以無限分割下去?，F(xiàn)代物理告訴我們宏觀物體是由各種分子原子組成，原子的大小為m數(shù)量級(jí)。原子核是由質(zhì)子和中子組成，每個(gè)質(zhì)子和中子的大小約為m，大概是原子大小的1/100 0

5、00。原子核比質(zhì)子或中子大的倍數(shù)依賴于原子核中包含多少個(gè)質(zhì)子和中子。但是，原子核比m仍大不了多少。質(zhì)子和中子又由更為基本的粒子夸克所組成。目前物理學(xué)公認(rèn)的組成物質(zhì)的最小單元是夸克（quark）和電子。用間接的方法得知，夸克和電子的大小將小于m。物理學(xué)按照空間的尺度把物質(zhì)世界分為“宇觀體系”、“宏觀體系”和“微觀體系”。 從大尺度探索宇宙的奧秘，相應(yīng)的物理學(xué)是“天體物理學(xué)”。將大小在人體尺度上下幾個(gè)數(shù)量級(jí)范圍之內(nèi)的客體叫做“宏觀體系”。在物理上把原子尺度和小于原子尺度的客體叫做“微觀體系”，從小尺度探索物質(zhì)的組成，相應(yīng)的物理學(xué)是“粒子物理學(xué)”。圖1-1-1 空間尺度與物理學(xué)體系宏觀尺度比微觀尺度

6、大了七、八個(gè)數(shù)量級(jí)，按體積算，則要大，即宏觀系統(tǒng)中包含了非常多的微觀系統(tǒng)。微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)最重要的區(qū)別是它們服從的物理規(guī)律不同。如低速運(yùn)動(dòng)的宏觀系統(tǒng)服從牛頓運(yùn)動(dòng)定律，而微觀系統(tǒng)則要用量子力學(xué)來處理。在現(xiàn)代科技中，人們已能制作長度在微米（）、線寬在納米（）數(shù)量級(jí)的微電子器件，在這種尺度的樣品中包含的原子數(shù)目的數(shù)量級(jí)為，基本屬于宏觀范圍，但它要表現(xiàn)出微觀系統(tǒng)的量子效應(yīng)，因此將這種呈現(xiàn)出微觀特征的宏觀系統(tǒng)，叫“介觀體系”。 時(shí)間尺度時(shí)間表征物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性，最長的時(shí)間是宇宙的年齡，約秒（即億年）；最小的時(shí)間間隔是硬射線的周期，約秒。人類研究所涉及的時(shí)間范圍見表 表 物質(zhì)世界的時(shí)間尺度時(shí)間間隔秒（s

7、）時(shí)間間隔秒 （s）和粒子的壽命超子的壽命介子的壽命可見光輻射的周期超子的壽命介子的壽命子的壽命最高可聽見聲音的周期鐘擺的周期自由中子的壽命地球自轉(zhuǎn)的周期（天）地球公轉(zhuǎn)的周期（年）人類文明史古人類出現(xiàn)至今恐龍滅絕至今地球的年齡宇宙的年齡質(zhì)子的壽命由現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型知，宇宙是在大約年前由“無” 中大爆炸誕生的，即宇宙的年齡具有秒的數(shù)量級(jí)。銀河系大約在年前誕生，現(xiàn)在是一個(gè)直徑約為萬光年的巨型渦旋星系。太陽的年齡約年，地球的年齡為年（即秒數(shù)量級(jí)）。地球誕生后，距今年（秒）前形成了富氧的大氣層；大約距今年前出現(xiàn)魚類和陸生植物；約年（秒）前恐龍絕滅，后哺乳類出現(xiàn)；古人類出現(xiàn)在距今年（秒）前；人類的文明

8、史只有年（秒）；人的壽命通常不到一百年（秒）；地球公轉(zhuǎn)的周期為一年（秒），自轉(zhuǎn)的周期為一天（秒）；百米賽距的世界紀(jì)錄具有秒的數(shù)量級(jí)；鐘擺的周期是秒；市電的周期為秒。在微觀世界的常見粒子中。光子、質(zhì)子、中子是穩(wěn)定的，質(zhì)子的壽命約為秒，中子的壽命約為分鐘（秒）。子壽命的數(shù)量級(jí)為秒。按量子力學(xué)中的海森堡不確定關(guān)系，壽命長于秒的粒子都算是相當(dāng)穩(wěn)定的。圖1-1-2 溫度大觀凡已知其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理過程，都可以用來作時(shí)間的計(jì)量。通常采用能夠重復(fù)的周期現(xiàn)象來計(jì)量時(shí)間，如：地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，月球繞地球的公轉(zhuǎn)，擺的周期運(yùn)動(dòng)等。隨著，人類對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)的深入，以及微波技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已利用某些分子或原子的固有振動(dòng)頻率

9、作為時(shí)間的計(jì)量基準(zhǔn)。1967年第13屆國際計(jì)量大會(huì)決定采用銫原子鐘作為新的時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)，定義的長度等于與銫原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷相對(duì)應(yīng)的輻射周期的倍。銫原子鐘測量準(zhǔn)確度達(dá)秒。 溫度溫度在宏觀上反映了物體的冷熱程度，在微觀上反映了組成物體的分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。多億年前宇宙在大爆炸中誕生時(shí)，它的溫度在以上。隨著宇宙膨脹，它急劇地冷卻，幾分鐘后溫度降到，宇宙中核出現(xiàn)；幾十萬年以后溫度降到，原子出現(xiàn)，宇宙變得透明。今天宇宙的溫度已冷卻到（微波背景輻射的溫度）。溫度變化見圖1-1-2。太陽中心溫度是，是熱核聚變所需的起碼溫度。太陽表面的溫度是，難熔金屬的熔點(diǎn)略低于此，但都在數(shù)量級(jí)。地球

10、表面的平均溫度為，即左右。在一個(gè)大氣壓下，氧、氮、氫、氦的液化溫度分別為、。當(dāng)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)室里能產(chǎn)生的最高溫度是，最低溫度是，跨越了個(gè)數(shù)量級(jí)。作為生命之源的液態(tài)水，只存在于狹窄溫區(qū)內(nèi)。人類生活環(huán)境的溫度在（）上下幾十度。若由于大氣中的含量增加而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)使平均氣溫升高的話，海平面將上漲米，可造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，將使十億人背井離鄉(xiāng)。在地球發(fā)展史上多次出現(xiàn)了冰河期，平均溫度僅降至左右，就使大批物種滅絕。我們生存的家園地球生物圈，在溫度變化面前是何等的脆弱！ 質(zhì)量物理學(xué)研究的對(duì)象就是客觀物質(zhì)世界，因此一切物理量都應(yīng)該是物質(zhì)的量。例如，微觀粒子的質(zhì)量、自旋、宇稱、電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)等等都是物質(zhì)的量，它們

11、分別表征了粒子的慣性和參與不同相互作用的性質(zhì)，一種粒子的“物質(zhì)的量”可以認(rèn)為是所有這些物理量的總稱。在這個(gè)意義上，物質(zhì)的量同每一種具體的物理量，是一般和個(gè)別的關(guān)系。而在另一種意義上，還存在一種不反映任何具體的物質(zhì)屬性的純粹抽象的“物質(zhì)的量”，它是一種“純粹的數(shù)量”，只反映了這種物質(zhì)對(duì)象存在的多少?，F(xiàn)代科學(xué)中的物質(zhì)的量是指以為單位表示的粒子數(shù)，的粒子數(shù)其測量值為阿伏加德羅常數(shù)。用數(shù)來描寫是拋開了一切具體的物質(zhì)屬性而只反映其粒子數(shù)目。所以，以千克（）為單位的質(zhì)量與以為單位的物質(zhì)的量是兩個(gè)不同的概念。質(zhì)量是物體慣性大小的量度。在近代物理學(xué)中質(zhì)量的概念有了進(jìn)一步的發(fā)展，狹義相對(duì)論揭示了質(zhì)量與速度，質(zhì)量

12、與能量的關(guān)系，只是在速度甚小于真空中的光速時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量才等于它在靜止時(shí)的質(zhì)量。表中給出了部分物質(zhì)質(zhì)量的數(shù)量級(jí)。表 物質(zhì)質(zhì)量的數(shù)量級(jí)。質(zhì)量kg質(zhì)量kg電子質(zhì)子氨基酸分子血紅蛋白分子流感病毒煙草花葉病毒區(qū)型阿米巴雨滴螞蟻人體土星5號(hào)火箭金字塔海洋中的水月球地球太陽銀河系宇宙（現(xiàn)在知道的）§1-2 物質(zhì)存在的基本形式 基本相互作用物質(zhì)聚集起來，從微觀粒子到巨大的星體，從細(xì)菌到人，這些自然界奧妙無窮、千變?nèi)f化的物理現(xiàn)象都是怎樣發(fā)生的？在原理上，我們可以用“相互作用（interaction）”這個(gè)概念來回答。世紀(jì)物理學(xué)的重大成就之一就是：人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到物質(zhì)世界千變?nèi)f化的現(xiàn)象，歸根到底是通

13、過四種基本相互作用而產(chǎn)生的。如表所示。引力相互作用（gravitational interaction）：自然界中任何兩個(gè)物體之間存在萬有引力相互作用，它的規(guī)律由牛頓發(fā)現(xiàn)，稱為萬有引力定律。滿足公式，其中是萬有引力常數(shù)，公認(rèn)值為：。隨著尺度和質(zhì)量的增加，萬有引力逐漸成為占支配地位的相互作用。萬有引力的性質(zhì)和其作用只有通過巨大的星體、及在質(zhì)量巨大的空間中運(yùn)動(dòng)，才能夠比較明顯的顯示出來。地面上物體之間的相互作用力非常小，例如相隔米的兩個(gè)人之間的引力約為牛頓（N），對(duì)人的活動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生影響。由于地球質(zhì)量非常大，地球上的物體明顯受到地球引力。引力相互作用是已知的相互作用中最弱的一種，在現(xiàn)今研究的粒子現(xiàn)象

14、中，它可以忽略不計(jì)，然而它在宇宙的構(gòu)造和演化過程中卻起了主要的作用。電磁相互作用（electromagnetic interaction）：是發(fā)生在帶電粒子或者帶電的宏觀物體之間的相互作用力。兩靜止的帶電體之間的相互作用力由庫侖定律支配。點(diǎn)電荷之間的庫侖力比萬有引力要大得多。例如兩相鄰質(zhì)子之間的電場力可達(dá)到，是它們之間的萬有引力（）的倍。運(yùn)動(dòng)電荷之間的作用除了有電力相互作用外，還有磁力相互作用，磁力和電力具有同一本源，統(tǒng)稱為電磁力。電磁相互作用是發(fā)生在荷電粒子之間的長程相互作用力，它使原子核和電子能夠聚集在一起而形成原子。中性原子和分子之間也有相互作用，這是因?yàn)殡m然每個(gè)分子或原子的正負(fù)電荷數(shù)值

15、相等，但是它們內(nèi)部正負(fù)電荷有一定的分布，對(duì)外部電荷的作用并沒有完全抵消，所以仍顯示出電磁力的作用。中性分子或者原子之間的電磁力可以說是一種殘余的電磁力。日常常提到的相互接觸的物質(zhì)之間的彈性力、摩擦力、流體阻力、拉力、支撐力，以及氣體壓力、浮力、粘結(jié)力等都是相互靠近的原子或分子之間的作用力的宏觀表現(xiàn)，其本質(zhì)是電磁相互作用。強(qiáng)相互作用（strong interaction）：是一種短程相互作用，它使原子核牢固地保持為一個(gè)整體，盡管所有帶正電的質(zhì)子之間都存在著很大的靜電排斥相互作用，但核的各部分并沒有自動(dòng)飛離，這正是強(qiáng)相互作用的結(jié)果。這種存在于質(zhì)子、中子、介子等強(qiáng)子之間的作用力稱為強(qiáng)力。強(qiáng)相互作用的

16、力程僅為米，它只能是相鄰核子之間的相互作用。表 四種基本的相互作用類型媒介粒子強(qiáng)度作用距離強(qiáng)相互作用電磁相互作用弱相互作用引力相互作用膠子粒子中間玻色子引力子短（米）長短（米）長弱相互作用（weak interaction）：弱相互作用存在于核內(nèi)粒子之間的某些過程中，也是各種粒子之間的一種相互作用，但僅在粒子間某些反應(yīng)中才表現(xiàn)出它的重要性。例如中子和原子的放射性衰變，以及許多其它粒子的衰變。它們的力程非常短，而且力很弱。相鄰的質(zhì)子之間的弱力大約為牛。在宏觀物體間所能觀測到的，只有長程的電磁相互作用和引力相互作用。物理學(xué)家總是試圖能統(tǒng)一理解一切物理現(xiàn)象的基本規(guī)律。年，美國的溫伯格（S.Weinb

17、erg，）和巴基斯坦的薩拉姆（A.salam，）在美國科學(xué)家格拉肖（，）理論的基礎(chǔ)上，先后提出了電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一的規(guī)范理論，并為隨后一系列實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。他們也因此獲得了1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。電磁相互作用和弱相互作用是一種基本相互作用電弱相互作用（electro-weak interaction）的兩種表現(xiàn)形式。電弱統(tǒng)一理論（electro-weak unified theory）的基礎(chǔ)是1954年楊振寧和密爾斯提出的規(guī)范場論。電弱統(tǒng)一理論的成功促使人們對(duì)于大統(tǒng)一理論的探索研究，試圖把強(qiáng)相互作用和電弱作用統(tǒng)一起來。目前，在粒子物理中引力所起的作用還不太清楚。然而，基本相互作用間數(shù)學(xué)

18、上的相似性，提示著存在一種更基本的統(tǒng)一的可能性：可能所有的相互作用是同一種基本相互作用的不同表現(xiàn)形式，或許整個(gè)自然界可歸結(jié)為某種深刻的對(duì)稱性。一些物理學(xué)家也試圖找出這樣的“超統(tǒng)一理論”，從而打破“物質(zhì)（matter）”與“相互作用”之間的傳統(tǒng)的界限。四種基本相互作用在現(xiàn)代粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的“規(guī)范理論”中，統(tǒng)稱為規(guī)范相互作用，它們已得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。除了這幾種規(guī)范相互作用外，標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為還存在一種非規(guī)范相互作用，稱為希格斯粒子湯川樸作用。它的媒介粒子是希格斯粒子，這種相互作用的力程比弱相互作用還要短，即小于。到目前為止希格斯粒子還沒有被直接觀察到。 物質(zhì)存在的基本形式物質(zhì)存在有兩種基本形式：場和

19、粒子。在物理學(xué)的發(fā)展過程中，最初人們認(rèn)為微粒是物質(zhì)存在的基本形式，微粒的空間占有一定的有限體積。為了描述微粒之間的相互作用，人們引進(jìn)了“場（field）”的概念，例如電磁場和引力場等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，場與微粒一樣具有能量和動(dòng)量，也具有不連續(xù)的微觀結(jié)構(gòu)。因此，人們就把微粒和場看成物質(zhì)存在的兩種基本形式?，F(xiàn)在，量子場論則明確指出：物質(zhì)存在的兩種基本形式中，場是更基本的。量子場論所給出的新的基本物理圖象是：與每種粒子（particle）相對(duì)應(yīng)存在一種場，場具有可入性，充滿全空間，不同粒子的場在空間中互相重疊地充滿全空間。例如，與光子相對(duì)應(yīng)存在電磁場、與電子相對(duì)應(yīng)存在電子場等等，它們

20、同時(shí)存在于全空間。場具有不同的能量狀態(tài)，能量最低態(tài)稱為基態(tài)。當(dāng)一種場處于基態(tài)時(shí)，這種場就不會(huì)通過狀態(tài)的變化釋放能量而輸出信號(hào)，從而不會(huì)顯現(xiàn)出直接的物理效應(yīng)，這時(shí)表現(xiàn)為看不到對(duì)應(yīng)粒子的存在。按照這種的觀點(diǎn)，當(dāng)所有的場都處于基態(tài)時(shí)，任何一個(gè)場都不可能給出信號(hào)顯現(xiàn)出粒子，這時(shí)就是物理上的“真空”。因此，真空并不是“真”的“空”無一物。真空態(tài)時(shí)，全空間仍充滿各種場，只是所有的場都處于能量基態(tài)而不可能表現(xiàn)出任何釋放能量的物理效應(yīng)。當(dāng)場處于激發(fā)態(tài)時(shí)，表現(xiàn)為出現(xiàn)相應(yīng)的粒子（產(chǎn)生一種粒子），如：光子是電磁場的激發(fā)態(tài)。場的不同激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為粒子的數(shù)目和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。在量子場論中，場和場的激發(fā)態(tài)都用復(fù)數(shù)描寫，互為復(fù)

21、共軛的兩種激發(fā)狀態(tài)表現(xiàn)為粒子和反粒子（antiparticle）互換的兩種物理狀態(tài)，粒子之間的相互作用來自場之間的相互作用。所以，物質(zhì)存在的兩種形式中，場更基本，粒子只是場的激發(fā)態(tài)的表現(xiàn)。當(dāng)代物理學(xué)研究表明：物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)在尺度和能量上呈現(xiàn)不同的層次，如圖1-2-1所示。各種相互作用則存在于場之間，無論是處于基態(tài)還是處于激發(fā)態(tài)的場，都可以與其他的場相互作用。不同的粒子參與不同的相互作用，按參與的主要相互作用，可將基本粒子分為三類。第一類是傳遞力的粒子。按照量子場論?；鞠嗷プ饔檬峭ㄟ^在相互作用著的粒子之間交換某種粒子來傳遞的。這些粒子統(tǒng)稱為規(guī)范玻色子（gauge boson）。光子（photo

22、n）是傳遞電磁相互作用的媒介粒子，靜止質(zhì)量為0，自旋為1。1983年發(fā)現(xiàn)的、和三種中間玻色子（intermediate boson）是傳遞弱相互作用的媒介粒子，它們的質(zhì)量極大，自旋為1。量子色動(dòng)力學(xué)預(yù)言，傳遞強(qiáng)相互作用的原始媒介粒子是8種膠子，它們在強(qiáng)子內(nèi)部夸克之間所傳遞的原始相互作用稱為色相互作用。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)得到膠子存在的證據(jù)（是間接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)）。象光子一樣，膠子的靜止質(zhì)量為零，自旋為1。但鑒于夸克禁閉，色相互作用的距離不超過強(qiáng)子的尺度。在實(shí)驗(yàn)室所觀測到的在復(fù)合粒子強(qiáng)子之間的所謂相互作用是色相互作用的剩余相互作用。理論預(yù)言，傳遞引力相互作用的媒介粒子是引力子其靜止質(zhì)量為0，自旋為2。但是，迄

23、今為止在實(shí)驗(yàn)上還沒有發(fā)現(xiàn)引力子。第二類是輕子。電子、子、子及相應(yīng)的中微子都是輕子。輕子都是費(fèi)米子。輕子只參與弱相互作用和電磁相互作用，不受強(qiáng)力影響，其中中微子只參與弱相互作用，帶電的還參與電磁相互作用；輕子必定以粒子反粒子對(duì)的形式產(chǎn)生和湮滅，總的輕子數(shù)（輕子的數(shù)目減去反輕子的數(shù)目）在一切過程中是保持不變。圖1-2-1 物質(zhì)組成的層次已知的輕子有六種，它們成對(duì)出現(xiàn)，每一對(duì)包括一個(gè)荷電輕子和一個(gè)中性輕子。這個(gè)中性輕子稱為中微子。每一對(duì)稱為一代，而且每一代中的中微子質(zhì)量都比相應(yīng)的荷電輕子的質(zhì)量小得多。只有成對(duì)的輕子之間才發(fā)生相互作用。表給出了成對(duì)排列的六種輕子表 已知六種輕子的成對(duì)排列代粒子電荷質(zhì)量

24、（MeV/）1電子（e）電子中微子（）2子（）中微子（）3子（）中微子（）第三類基本粒子是強(qiáng)子。一切參與強(qiáng)相互作用的粒子統(tǒng)稱強(qiáng)子，它們之間的主要作用是強(qiáng)相互作用（也參與弱相互作用，帶電的或中性帶磁矩的強(qiáng)子還參與電磁相互作用）。根據(jù)粒子的自旋，強(qiáng)子分為重子和介子。重子是強(qiáng)子中的費(fèi)米子，分為質(zhì)子、中子和超子（質(zhì)量超過核子的重子）；介子是強(qiáng)子中的玻色子，是傳遞核力的粒子，包括介子、介子、介子等等以及它們的反粒子。新的發(fā)現(xiàn)證明，強(qiáng)子不是基本粒子，而是亞核粒子。強(qiáng)子還有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，高能物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)它是由幾種稱為“夸克”（國內(nèi)也叫“層子”）的更基本的（簡單的）粒子所構(gòu)成，夸克已發(fā)現(xiàn)有6種，且各有自己的反夸克

25、。六種夸克的最基本性質(zhì)見表。表 夸克的最基本的特性夸克特性u(píng)dscbt質(zhì)量（MeV/）約4約7約150約約約電荷Q自旋J由于人們在粒子物理實(shí)驗(yàn)中從來沒有觀察到自由夸克。這就意味著夸克之間的作用必定超乎尋常的強(qiáng)，永遠(yuǎn)被囚禁。這稱為“夸克禁閉”。每一種基本粒子都有反粒子，一般來說，反粒子的質(zhì)量、壽命、自旋三項(xiàng)與粒子是相同的，只有電荷的符號(hào)相反。但是，也有幾種中性粒子（如中微子、和介子）和它們的反粒子不是相同的粒子。、的反粒子就是它們本身，沒有區(qū)別。在碰撞過程中，粒子和它們的反粒子湮滅成了能量（以光子形式出現(xiàn)）。兩個(gè)高能粒子相碰撞時(shí)，有可能產(chǎn)生新的正反粒子對(duì)，這時(shí)一部分碰撞能量轉(zhuǎn)換成了正反粒子對(duì)的能

26、量。1.2.3 物質(zhì)存在的狀態(tài)要認(rèn)識(shí)物質(zhì)存在的形態(tài)，首先要了解物質(zhì)的基本微觀結(jié)構(gòu)層次及各層次的粒子運(yùn)動(dòng)?！耙怀咧?，月取其半，萬世不竭”，實(shí)體物質(zhì)是由分子組成，分子是由原子組成。到目前為止，化學(xué)上已發(fā)現(xiàn)109種元素，數(shù)千種同位素。而原子呢，在化學(xué)反應(yīng)里是不能再分的微粒。但在物理學(xué)里，卻是可分的。原子是由帶正電的原子核和繞核運(yùn)轉(zhuǎn)的帶負(fù)電的若干電子所組成。電子做兩種運(yùn)動(dòng)：繞核公轉(zhuǎn)和自旋運(yùn)動(dòng)，電子很小，其線度小于米，帶一個(gè)負(fù)電荷，尚未發(fā)現(xiàn)有任何結(jié)構(gòu)，是基本粒子。而原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，核子有結(jié)構(gòu)，它是由夸克組成。近代物理告訴我們，處于各個(gè)層次的物理微粒，都在一定的范圍內(nèi)運(yùn)

27、動(dòng)變化著，對(duì)應(yīng)著一定的能量和相互作用。研究這些層次的科學(xué)分別叫固體物理學(xué)、分子物理學(xué)、原子物理學(xué)、核物理學(xué)、粒子物理學(xué)等。使用的探測儀器有各種計(jì)數(shù)器、正比室、云霧室、氣泡室、質(zhì)譜儀等，還有現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)必備的加速器和對(duì)撞機(jī)。自然界的物質(zhì)存在形態(tài)中，除了常見的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)外，還有幾種形態(tài)：等離子態(tài)。就是在一定的條件下，將原子核外的電子全部剝離，成為赤裸裸的核與游離態(tài)電子的共存體。例如，在研究受控?zé)岷司圩儠r(shí)，氘在K時(shí)，就成了等離子態(tài)。宇宙中的大多數(shù)可見物質(zhì)都處在等離子態(tài)。超固態(tài)。最早發(fā)現(xiàn)的是天狼星的伴星，這是恒星演化到后期，中子簡并壓與引力壓平衡，影響到核外電子的活動(dòng)范圍從米縮小到米，原子塌縮到

28、原子核的線度，形成了致密天體，天文學(xué)上叫“白矮星”。這種物質(zhì)的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了固態(tài)物質(zhì)的密度，故叫超固態(tài)。超密態(tài)。1967年天文觀察發(fā)現(xiàn)一種“奇特”的新天體，它以極其精確的時(shí)間間隔發(fā)出極規(guī)則而又短促的無線電脈沖信號(hào)。最初人們以為是天上有文明的生物向地球發(fā)來的電報(bào)，所以曾一度把這種信號(hào)源叫做“小綠人”。后來經(jīng)過科學(xué)研究才知道，發(fā)射這種信號(hào)的并不是什么“小綠人”，而是一種星體，天文學(xué)上叫它為脈沖星?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)354顆，其物理特征是：質(zhì)量和太陽相當(dāng)，體積卻很小，直徑為20千米左右。因此，密度極高，每立方厘米有2億多噸；它的輻射能極大，為太陽的100萬倍?，F(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為，脈沖星是一種高速自轉(zhuǎn)的中子星，脈沖

29、周期即自旋周期。中子星有固定的亮斑，旋轉(zhuǎn)一周，亮斑發(fā)出的光束就傳出一個(gè)脈沖信號(hào)，這就是它呈現(xiàn)脈沖現(xiàn)象的原因。中子星是由質(zhì)量大于太陽質(zhì)量的恒星演化到后期，熱核反應(yīng)已經(jīng)停止，能源接近枯竭，發(fā)生猛烈爆發(fā)形成的。因?yàn)楹阈敲土冶l(fā)后的急劇收縮，使恒星內(nèi)部產(chǎn)生了極大的擠壓力，把原子外層的電子“擠到”原子核里去了。整個(gè)星體則變成中子星了。這種中子態(tài)脈沖星，具有很強(qiáng)的磁場。30年代最先由蘇聯(lián)的朗道以猜測形式提出，美國的奧本海默曾經(jīng)作出理論預(yù)言、但遭到人們的嘲諷，到70年代，英國的休伊斯發(fā)現(xiàn)脈沖星后，一時(shí)轟動(dòng)世界。不管物質(zhì)呈現(xiàn)哪種形態(tài)，它們都在不停地振動(dòng)、平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)或兼而有之。有的有秩有規(guī)則；有的無秩做熱運(yùn)動(dòng)；

30、有的低速，每秒零點(diǎn)幾個(gè)厘米；有的高速，每秒30萬千米；有的作用力程極短，只有費(fèi)米量級(jí)（米）；有的力程很長，為無限遠(yuǎn)。所以，從微觀結(jié)構(gòu)看，物質(zhì)皆處于永恒的運(yùn)動(dòng)變化之中，千姿態(tài)萬態(tài)，五彩繽紛。真正沒有不運(yùn)動(dòng)的微粒，沒有微粒不運(yùn)動(dòng)。場是一種物質(zhì)形態(tài)。例如引力場，我們拋出一個(gè)物體總會(huì)落到地面，因?yàn)樗艿揭龅淖饔?；引力場具有能量，可以做功，說明引力場具有物質(zhì)的基本特性；而且是既有物質(zhì)的特性，又能為我們所感知。同樣，電磁場、原子核場等都是物質(zhì)的一種形態(tài)。這就是所謂“場物質(zhì)”。場物質(zhì)和實(shí)體物質(zhì)比較，有能量、動(dòng)量，但沒有質(zhì)量大量集中的表現(xiàn)。所以，有人說它是“特殊物質(zhì)”。對(duì)這些物質(zhì)的認(rèn)識(shí)，是通過光和電信號(hào)探

31、測到并認(rèn)識(shí)。這些物質(zhì)可稱為“明物質(zhì)”。真空態(tài)。當(dāng)所有的場都處于基態(tài)時(shí)，任何一個(gè)場都不可能給出信號(hào)顯現(xiàn)出粒子，這時(shí)就是物理上的“真空”。因此，真空并不是“真”的“空”無一物。真空態(tài)時(shí)，全空間仍充滿各種場，只是所有的場都處于能量最低狀態(tài)。根據(jù)天文學(xué)的觀察和研究計(jì)算，“明物質(zhì)”在銀河系和宇宙中僅占10%，那么還有占90%的物質(zhì)狀態(tài)又呈什么樣呢？1933年，瑞士天文學(xué)家茲威基測量星系團(tuán)的質(zhì)量時(shí)，采用了兩個(gè)方法進(jìn)行測量，先用光度方法，然后用動(dòng)力學(xué)的方法，他驚奇的發(fā)現(xiàn)二者的結(jié)果差異十分大，。這就是歷史上著名的“質(zhì)量短缺”現(xiàn)象，說明有些物質(zhì)用光度方法是測不到的。據(jù)天體物理學(xué)家對(duì)引力束縛系統(tǒng)的研究推算，宇宙中

32、存在著大量的不發(fā)光的或發(fā)極微弱的光物質(zhì)。科學(xué)家們稱其為“暗物質(zhì)”。1978年，射電天文學(xué)家證實(shí)在星系團(tuán)周圍存在著大量不發(fā)光的物質(zhì)。1983年，英國天文學(xué)家霍金斯發(fā)現(xiàn)銀河系及其周圍可能存在著大量的暗物質(zhì)。但暗物質(zhì)是什么？則眾說紛紜。根據(jù)大爆炸理論可以推算發(fā)生大爆炸所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)能量以及宇宙間應(yīng)有的物質(zhì)總量。如果宇宙每10億年膨脹5%10%的話，我們將銀河系和所有能看到的其他星系的質(zhì)量加起來，甚至按膨脹率的最低估計(jì)值計(jì)算，其質(zhì)量總量比用以阻止膨脹的臨界值的1%還少。實(shí)際上，由于宇宙間物質(zhì)的引力，宇宙的膨脹速率是減小的。按照宇宙學(xué)的理論，宇宙的總質(zhì)量應(yīng)是我們迄今所觀測到的總質(zhì)量的10倍左右。如果這一理論正確，則在我們的宇宙中還應(yīng)有90%以上的物質(zhì)尚未被發(fā)現(xiàn)。即宇宙中還應(yīng)存在著大量的暗物質(zhì)。如：根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論，允許有“黑洞”的存在，如克爾黑洞，席瓦茲黑洞等。當(dāng)引力塌縮到一定程度時(shí)，連光也發(fā)不出去，就形成了所謂“黑洞”。在天體演化過程中，許多核反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生中微子，且數(shù)量極大，估計(jì)宇宙中的中微子的數(shù)量是其他基本粒子的10萬億（）倍