第二章、物理學(xué)的兩個(gè)前沿.doc

20第二章 物理學(xué)的兩個(gè)前沿第二章 物理學(xué)的兩個(gè)前沿 從十七世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)的理論和研究方法不斷地向其它學(xué)科移植滲透，對(duì)其它學(xué)科的建立和發(fā)展起到了有力地推動(dòng)作用。這種趨勢(shì)在二十世紀(jì)三十年代以后明顯地得到增強(qiáng)，相繼產(chǎn)生了一系列物理學(xué)的新部門和邊緣學(xué)科，如量子化學(xué)、生物物理學(xué)、天體物理學(xué)和廣義相對(duì)論宇宙學(xué)等等，這些學(xué)科大多數(shù)也成為現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的前沿，并且給現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了新思路和新方法。二十世紀(jì)的物理學(xué)呈現(xiàn)出高速發(fā)展的狀況，其內(nèi)容之豐富，思想之深刻和觀念之新穎，遠(yuǎn)非過(guò)去物理學(xué)發(fā)展的各個(gè)歷史時(shí)期所可比擬?，F(xiàn)代物理學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了宏觀物體緩慢運(yùn)動(dòng)的范圍。從微觀領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，人們的研究已經(jīng)深入到原子內(nèi)部、基本粒子內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)了大小不斷減小、能量不斷增加的許多連續(xù)的層次原子、原子核、基本粒子、夸克等。目前還無(wú)法預(yù)見這個(gè)層級(jí)鏈條有沒有一個(gè)終端。從宏觀領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，人們的視野已經(jīng)擴(kuò)展到半徑為150億光年的宇宙范圍，依次突破了銀河系、星團(tuán)、星系和總星系的領(lǐng)域。物理學(xué)的一系列成果在理論思想上突破了原子不可分、元素不可變的觀念、運(yùn)動(dòng)只具有連續(xù)性的觀念、絕對(duì)時(shí)空觀念以及機(jī)械決定論的局限性；提出了量子態(tài)、波粒二象性、幾率決定性、四維時(shí)空與彎曲時(shí)空、實(shí)物與場(chǎng)的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化以及宇宙膨脹的思想，物理學(xué)基本觀念和理論基礎(chǔ)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。 2-1 粒子物理學(xué)（微觀理論）粒子物理學(xué)是探索物質(zhì)組成的基本學(xué)科，又叫高能物理。人們常通過(guò)高能物理實(shí)驗(yàn)的手段取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再驗(yàn)證理論。年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。1911年盧瑟福用“散射實(shí)驗(yàn)”證實(shí)原子是由原子和原子核組成。1932年又確定原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成，同年還發(fā)現(xiàn)了正電子。之后，人們制造了高能量的加速器來(lái)加速電子或質(zhì)子，用它們作炮彈轟開了中子、質(zhì)子等，以期了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在劇烈的碰撞過(guò)程中產(chǎn)生了許多粒子?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子有400多種，絕大部分都是不穩(wěn)定的，不能在自然界中長(zhǎng)期存在，只能在高能質(zhì)子或電子與原子核碰撞或者互相對(duì)撞的過(guò)程中產(chǎn)生。早期的加速器都是加速粒子去打固定靶，這種碰撞方式的有效能量比入射粒子的能量要小得多，在高能量的情況下更是如此，因?yàn)榇蟛糠值哪芰慷己馁M(fèi)在質(zhì)心運(yùn)動(dòng)上了。后來(lái)就發(fā)展了對(duì)撞機(jī)，即使兩束能量相同的粒子相對(duì)進(jìn)行碰撞，由于這時(shí)質(zhì)心的速度為零，因而粒子的全部能量都能有效地被利用。從20世紀(jì)30年代發(fā)明加速器以來(lái)，加速器的能量提高很快，大約每十年增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，30年代為量級(jí)，90年代則達(dá)到了量級(jí)。目前正在建造的能量最高的加速器是歐洲核研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），兩束質(zhì)子的最大能量各為，對(duì)撞機(jī)能量為。目前研究粒子性質(zhì)的加速器最大能量只達(dá)到（）量級(jí)，離物理學(xué)的大統(tǒng)一時(shí)代，即物理學(xué)的綠洲所需的能量量級(jí)差個(gè)量級(jí)。當(dāng)加速器達(dá)到這樣的能量水平后，展現(xiàn)在我們面前的將是宇宙的起始狀態(tài)。中國(guó)科學(xué)家為粒子物理的研究作出了重大的貢獻(xiàn)。1959年以王淦（gan）昌為首的中國(guó)科學(xué)家，用前蘇聯(lián)聯(lián)合原子核研究所的的加速器發(fā)現(xiàn)了反西格瑪負(fù)超子，為粒子物理的研究做出了重要的貢獻(xiàn)。1974年丁肇中（S.C.C.Ting）和里克特（B.Richter）領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)組分別發(fā)現(xiàn)了粒子。美籍華人科學(xué)家蔡永賜以“可能存在的重輕子”為客體，建立了有關(guān)的理論體系，對(duì)子的發(fā)現(xiàn)做出了重要的貢獻(xiàn)。1991年8月至1992年2月，由我國(guó)科學(xué)家和美國(guó)科學(xué)家組成的協(xié)作組，在北京正負(fù)對(duì)撞機(jī)（BEPC）上利用北京譜儀（BES）對(duì)子的質(zhì)量進(jìn)行了精確的測(cè)量。1995年3月2日，在美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的CDF實(shí)驗(yàn)組工作的我國(guó)20余位科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)頂夸克。已被發(fā)現(xiàn)并且確認(rèn)的粒子有400多種，還有300多種已發(fā)現(xiàn)而未被確認(rèn)。幾乎每一種粒子都有它的反粒子，正、反粒子的存在反映了物質(zhì)世界的一種基本對(duì)稱性正反粒子對(duì)稱性。既然有反粒子，就有反物質(zhì)存在。1961年用的質(zhì)子打鈹靶發(fā)現(xiàn)了反氘核，后來(lái)發(fā)現(xiàn)了、，正電子繞著這些反核運(yùn)動(dòng)就可能形成反原子、反物質(zhì)。1996年1月，西歐核研究中心（CERN）用反質(zhì)子和正電子合成了反氫原子。根據(jù)現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)，粒子和反粒子、物質(zhì)和反物質(zhì)在強(qiáng)作用和電磁相互作用中是對(duì)稱的，即遵守相同的物理規(guī)律。我們生活的物質(zhì)世界是正物質(zhì)為主，天體中可能存在反物質(zhì)的世界，1998年6月升空進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的阿爾法磁譜儀，主要就是用來(lái)探索太空中的反粒子和反物質(zhì)。根據(jù)參與相互作用的情況可把粒子分為三大類（見1.2.2 物質(zhì)存在的基本形式）。描述粒子特征的常用基本物理量有：質(zhì)量（靜止質(zhì)量）、電荷（為的整倍數(shù)）、自旋、壽命。實(shí)驗(yàn)證明，在粒子產(chǎn)生和湮滅的各種反應(yīng)過(guò)程中，有一些物理量是保持不變的，如：能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、電荷、輕子數(shù)、重子數(shù)等。2-2 天體物理學(xué)（宇觀理論）宇宙包括一切天體所占據(jù)的空間，包括一切以各種形式現(xiàn)在的物質(zhì)?！坝睢敝笩o(wú)限的空間，“宙”指無(wú)限的時(shí)間。自古以來(lái)，地球上的人們?cè)谝雇硌鐾强?，總是情不自禁地要了解地球之外的一切浩瀚的宇宙，用盡自己一生所有的經(jīng)驗(yàn)和智慧，盡情地想象著宇宙的過(guò)去、現(xiàn)在、將來(lái)?，F(xiàn)在宇宙學(xué)的成功使人們堅(jiān)信：宇宙是統(tǒng)一的，服從統(tǒng)一的規(guī)律，因此也是可以被人類認(rèn)識(shí)的。盡管人類幾乎沒有離開地球，盡管人生短暫能力有限，但人們可以根據(jù)從地球上探知的知識(shí)加上合理的理性思維去了解和解釋那浩淼的宇宙。引力相互作用是最弱的，但在大尺度的天體、天體物理、宇宙學(xué)中，引力占主導(dǎo)地位，其作用無(wú)可匹敵。研究宇宙學(xué)必須用相對(duì)論的引力理論。1948年伽莫夫在相對(duì)論引力理論基礎(chǔ)上提出大爆炸宇宙模型，一直到1965年彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)背景輻射，大爆炸宇宙模型才被人們接受，成為最成功的宇宙模型。以后，天文觀測(cè)的重大收獲和廣義相對(duì)論理論研究的一系列重大成就相互促進(jìn)，引發(fā)了宇宙學(xué)研究的高潮，宇宙學(xué)成為自然科學(xué)的前沿，匯聚了各個(gè)學(xué)科的研究成果，也對(duì)各學(xué)科提出了許多新課題。宇宙學(xué)知識(shí)已成為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。量子力學(xué)可幫助人類認(rèn)識(shí)宇宙由“無(wú)”中生有所經(jīng)歷的演化過(guò)程；以及介紹以量子論和廣義相對(duì)論為支撐、以當(dāng)代天文學(xué)觀測(cè)研究為基礎(chǔ)的大爆炸理論，即常稱之“宇宙大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型”。按照理論設(shè)想，宇宙起源于一百數(shù)十億年前的一次大爆炸，宇宙誕生前是處于空無(wú)一物的物理真空，各種相互作用統(tǒng)一在一起。依照量子論，“無(wú)”的真空狀態(tài)中仍然有擾動(dòng)存在，正是這種“無(wú)”中的擾動(dòng)，使宇宙誕生了，并產(chǎn)生了大量的粒子。宇宙誕生后，到秒，發(fā)生了引力和其它相互作用的分離。到秒，發(fā)生了強(qiáng)力和其它相互作用的分離。到秒，又發(fā)生了弱力和電磁相互作用的分離，成為四種相互作用并存的世界。到秒，開始合成強(qiáng)子。到秒時(shí)，宇宙象一盆質(zhì)子、中子、電子和光子等粒子組成的極密集的宇宙“湯”，其溫度高達(dá)。在大爆炸中，每一個(gè)粒子都離開其它粒子快速飛奔，宇宙迅速膨脹，溫度急劇下降。在大爆炸后約分鐘，宇宙溫度降到，這時(shí)中子和質(zhì)子開始合成輕原子核，其中氫核約占，氮核約占。又過(guò)了幾十萬(wàn)年，宇宙的溫度降到，原子核開始與電子結(jié)合形成穩(wěn)定的原子，從此一直被電子攪亂的光開始得以直線前進(jìn)，這時(shí)就是宇宙的放晴。原子組成的氣體由于引力作用而形成氣團(tuán)，當(dāng)時(shí)由于宇宙中的物質(zhì)密度分布不均勻，密度較高的部分因引力而收縮，在宇宙誕生后大約億年之間就出現(xiàn)了原始星球和似星球等天體。大約在億年前銀河系誕生，距今約億年前，我們的太陽(yáng)系誕生了。廣義相對(duì)論推測(cè)，現(xiàn)在的宇宙空間仍然保持著持續(xù)膨脹的狀態(tài)。大爆炸模型能夠統(tǒng)一地說(shuō)明較多的觀測(cè)事實(shí)。它們主要是：（1）大爆炸模型認(rèn)為所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的。因而任何天體的年齡都應(yīng)該比其溫度下降至現(xiàn)在這段時(shí)間為短，即小于億年。各種天體的年齡測(cè)量證明了這點(diǎn)。（2）在本世紀(jì)最初的二十年里，斯里夫爾（）在勞威爾天文臺(tái)曾仔細(xì)地研究過(guò)星系的光譜。發(fā)現(xiàn)光譜有有紅移現(xiàn)象，就是整個(gè)光譜結(jié)構(gòu)向光譜紅色一端偏移的現(xiàn)象。觀測(cè)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)紅移大體與距離成正比關(guān)系。這種現(xiàn)象用多普勒效應(yīng)來(lái)解釋，就是宇宙膨脹的反映。（3）觀測(cè)表明，現(xiàn)今星體中主要物質(zhì)還是氫和氦。不論是老年恒星、中年的象太陽(yáng)這樣的恒星或年輕多的恒星的氦豐度差不多都是一樣。按質(zhì)量算，氦占。用恒星核反應(yīng)機(jī)制是不足以說(shuō)明的，而大爆炸理論認(rèn)為，氦元素基本上是大爆炸后幾分鐘宇宙溫度在時(shí)由質(zhì)子的聚變形成的。但這一熾熱狀態(tài)時(shí)間不長(zhǎng)，由此可算出這種反應(yīng)產(chǎn)生的氫和氦的豐度的質(zhì)量比紅為比。這一比值半小時(shí)后就被一直保持下來(lái)了。今天實(shí)測(cè)的氦豐度和這一理論的預(yù)言相符。是大爆炸模型令人信服的證據(jù)之一。（4）年彭齊亞斯（）和威爾遜（）在貝爾實(shí)驗(yàn)室用他們新制成的非常靈敏的微波天線和衛(wèi)星進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論天線指向何方，總會(huì)接收到微波段的噪聲。他們公布了這一發(fā)現(xiàn)后，普林斯頓的科學(xué)家們馬上就意識(shí)到了這一發(fā)現(xiàn)可能就是大爆炸的遺跡而稱為“宇宙背景輻射”。接著其他人也作了類似的測(cè)量，并測(cè)出了不同波長(zhǎng)噪聲的強(qiáng)度。這一強(qiáng)度分布正好和絕對(duì)黑體的溫度為時(shí)發(fā)射的輻射譜的強(qiáng)度相同。年伽莫夫在提出大爆炸理論時(shí)曾指出，由于早期物質(zhì)和輻射達(dá)到熱平衡，具有黑體譜。輻射和物質(zhì)脫離耦合后，溫度雖下降但其譜型仍為黑體，殘存至今，仍應(yīng)有宇宙背景輻射。實(shí)測(cè)結(jié)果和伽莫夫的預(yù)言的相符是大爆炸理論的又一個(gè)令人信服的證據(jù)。大爆炸理論是目前最成功的一種宇宙理論，不過(guò)在星系形成和各向同性的起源等方面，它還有一些尚待解決的難題。由此上所述知，可用溫度計(jì)作計(jì)時(shí)器來(lái)描繪宇宙的演化圖象，在表左箭頭給出了用溫度所示的宇宙演化時(shí)間表。若我們?cè)诒淼挠覀?cè)再往上畫一個(gè)箭頭，可以清晰地展示出粒子物理在研究宇宙演化中的重要作用。右箭頭說(shuō)明人類利用加速器把物質(zhì)打開、探索物質(zhì)組成的歷程和目前達(dá)到的水平。想把這個(gè)箭頭繼續(xù)往上延伸，則有賴于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。這左右兩個(gè)箭頭說(shuō)明了天體物理和粒子物理這兩個(gè)物理學(xué)前沿理論從兩個(gè)極端探索物質(zhì)世界的奧秘，得到的結(jié)論是一致的。從而充分地體現(xiàn)了物理學(xué)的和諧、完美和對(duì)稱。一位物理學(xué)家把物理學(xué)上的這種和諧、統(tǒng)一用一條龍清晰完美地展現(xiàn)出來(lái)，如圖2-2-1所示。表宇宙演化時(shí)間表溫度（）能量（）時(shí)間（）物理過(guò)程普郎克時(shí)代 粒子產(chǎn)生大統(tǒng)一時(shí)代 重子不對(duì)稱性產(chǎn)生強(qiáng)子時(shí)代 大量強(qiáng)子產(chǎn)生輕子時(shí)代 輕子過(guò)程湮滅 中子自由衰變分鐘核合成時(shí)代 等生成年復(fù)合時(shí)代-中性原子生成-太陽(yáng)系形成年現(xiàn)在 人類進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)圖2-2-1方興未艾的粒子天體物理學(xué)。粒子物理學(xué)的研究對(duì)象是粒子，其尺度范圍小于，質(zhì)量小于，也稱為微觀物理學(xué)。天體物理研究的對(duì)象是宇宙間的星體乃至整個(gè)宇宙，其尺度范圍大于，質(zhì)量大于，也稱為宇宙物理學(xué)。然而這兩門研究對(duì)象完全不同的學(xué)科從80年代初開始奇跡般地熔為一體，誕生了一門新科學(xué)粒子天體物理學(xué)。粒子天體物理學(xué)研究研究范