2011中學(xué)物理繼續(xù)教育學(xué)習(xí)資料物理學(xué)與人類文明之二

1、第五章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論高能物理學(xué)是探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿的科學(xué)，高能物理學(xué)發(fā)展到 20 世紀(jì)末也存在著兩 大科學(xué)難題： 對稱性破缺的本質(zhì)和夸克囚禁。 揭示它們的本質(zhì)并尋找解決兩大難題的途徑將 是物理學(xué)家在進(jìn)入 21 世紀(jì)以后面臨的艱巨任務(wù)，這很可能導(dǎo)致物理學(xué)中新的動力學(xué)規(guī)律的 誕生并影響 21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。5.1 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新層次大家知道，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究已從原子層走向夸克和輕子這一新層次。 1919 年，盧瑟福 實驗證實了原子中原子核的存在并發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子； 1932 年查德威克的實驗發(fā)現(xiàn)了中子。中子 的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了核物理， 海森堡和伊凡寧柯立即提出了原子核由質(zhì)子和中子組成的假說。 不久， 這一

2、假說獲得驗證并得到了有關(guān)原子核結(jié)構(gòu)的正確認(rèn)識。 原子是由原子核和繞核運(yùn)動的電子 組成的，而原子核由質(zhì)子和中子通過強(qiáng)相互作用結(jié)合而成。這樣， 隨著核物理的誕生， 人類 對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識進(jìn)入到基本粒子這一層次， 即認(rèn)識到自然界萬物是由質(zhì)子、 中子、 電子這 些基本粒子構(gòu)成的。五六十年代加速器實驗使得人們可以利用加速器手段加速粒子束流能量做核物理實驗。 60年代初從加速器實驗中發(fā)現(xiàn)了 100多種基本粒子， 于是開創(chuàng)了高能物理學(xué) （或粒子物理學(xué) ）。 這些基本粒子可以分為兩類：一類是參與強(qiáng)相互作用的粒子，如質(zhì)子、中子、n介子、奇異粒子和一系列的共振態(tài)粒子等， 統(tǒng)稱為強(qiáng)子； 另一類是不參與強(qiáng)相互作用，

3、只參與電磁、弱 相互作用的粒子，如電子、子和中微子等，統(tǒng)稱為輕子。高能物理實驗又進(jìn)一步揭示上百種強(qiáng)子并不“基本”，是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，這就是說，質(zhì)子、中子、n介子等強(qiáng)子是由更小的夸克組成的，夸克被看成是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新層次。這些強(qiáng)子是由三種更基本的夸克（上夸克 u、下夸克d和奇異夸克S）組成的。1974年，丁肇中和里克特發(fā)現(xiàn)了第四種夸克一一粲夸克C；1977年發(fā)現(xiàn)了底夸克b; 1995年發(fā)現(xiàn)了頂夸克t;這6種夸克就是構(gòu)成所有數(shù)百種強(qiáng)子的 “基 本”單元”。同時輕子的發(fā)現(xiàn)也達(dá)到了 6種（電子、電子型中微子、卩子、卩型中微子、丫輕子、丫型中微子）。因此夸克和輕子就是目前階段我們所認(rèn)識的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新層次?？?/p>

4、克、 輕子通過電磁相互作用、 弱相互作用、 強(qiáng)相互作用和引力等運(yùn)動規(guī)律就構(gòu)成了自 然界萬物奧妙無窮、千變?nèi)f化的物理現(xiàn)象。5.2 對稱性破缺的本質(zhì)是什么1956年， 李政道、 楊振寧首先提出宇稱 （左右 ）對稱在弱相互作用下是破缺的， 即宇稱不 守恒規(guī)律。這就打破了人們在歷史上一貫認(rèn)為的運(yùn)動中對稱性守恒的基本規(guī)律。1964 年人們又發(fā)現(xiàn)宇稱和電荷共軛聯(lián)合也是破缺的。因此，對稱性破缺才是自然界中的基本規(guī)律。那么對稱性破缺的機(jī)制是什么 ?在西歐中心正在建造的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC） 。以幾十億美元、歷時 10年的投資，其物理目標(biāo)之一就是要回答對稱性破缺的本質(zhì)這一疑難。5.3 夸克囚禁的疑難在夸克模型

5、理論成功建立的同時， 科學(xué)家們也為實驗上尋找不到自由夸克而困惑。 前五 種夸克（u、d、s、c、b）只存在于強(qiáng)子束縛態(tài)中，而最重的頂夸克t產(chǎn)生以后壽命極短，很快衰變?yōu)榈卓淇薭。物質(zhì)結(jié)構(gòu)在新層次下的物理圖像與先前原子、原子核的層次完全不一樣， 已不是太陽系在微觀世界的重復(fù)， 支配下一層次的新的物理規(guī)律決定了不同的物理圖像和觀 念。 1973 年物理學(xué)家們提出了量子色動力學(xué)理論解釋強(qiáng)子的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)相互作用。在量 子色動力學(xué)理論中，每一種夸克含有內(nèi)部空間（色空間 ）自由度，即有三種不同的色，不同色夸克之間的強(qiáng)相互作用是通過傳遞帶色的膠子而發(fā)生的。輕子不具有內(nèi)部色空間， 它不參與強(qiáng)相互作用。本世紀(jì)末

6、將在美國布魯克海文實驗室建成一個相對論重離子對撞機(jī)（RHIC） ，就是在極端條件下將夸克和膠子從質(zhì)子和中子中解放出來， 也就是實現(xiàn)從夸克的禁閉相到退禁閉相的躍遷。21世紀(jì)初實驗和理論物理學(xué)家將為破解夸克囚禁之謎而找到真空本質(zhì)的答案。5.4前景本世紀(jì)末和21世紀(jì)初建成的高能加速器都是與解決對稱性破損的本質(zhì)和夸克囚禁這兩 大難題相關(guān)的。概括起來說，高能物理學(xué)正向兩方向發(fā)展：一是向超高能量發(fā)展；二是向高精度發(fā)展。從以上的討論可以看到，對稱性破缺的本質(zhì)可能來自于真空的不對稱性產(chǎn)生真空對稱性 自發(fā)破缺機(jī)制；夸克囚禁可能是量子色動力學(xué)物理真空造成的。兩者都很可能從真空中得到破解，因此關(guān)鍵在于揭示真空的物質(zhì)

7、本質(zhì)。真空不是虛無，但絕不是充滿19世紀(jì)的“以太”，而是由自然界物質(zhì)間相互作用決定了的物理真空。為了揭示真空對稱性自發(fā)破缺機(jī)制和夸克囚禁的本質(zhì)，科學(xué)家們正在建造一系列的高能加速器來進(jìn)行實驗探索。然而由于能量提高極限和經(jīng)費(fèi)投資的限制，目前加速器原理已很難達(dá)到更高能量，科學(xué)家們正在計劃通過直線對撞機(jī)和卩+卩驗。此外，科學(xué)家們也在發(fā)展非加速器物理以彌補(bǔ)加速器物理之不足。我們相信，在21世紀(jì)，與破解物理學(xué)難題相伴隨，探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的手段也會有革命性的突破。第六章 超導(dǎo)研究的回顧和展望探索超導(dǎo)的奧秘、探尋高臨界溫度的超導(dǎo)體和開發(fā)超導(dǎo)的實際應(yīng)用，是一條充滿跋涉和攀登的路。科學(xué)家們?yōu)橹非蟮哪繕?biāo)，不折不撓，在

8、這條路上走了近一個世紀(jì)，攻克了一個個難關(guān)，創(chuàng)造了一個個輝煌，直接涉及超導(dǎo)的諾貝爾物理學(xué)獎就有四起?？梢钥隙?，更高的 追求在二一世紀(jì)還要繼續(xù)。1. 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)本世紀(jì)初，即1908年，荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes,Heike ）攻下了液化氣體 的最后一個堡壘，氦氣（He）液化獲得成功。從而使他獲得當(dāng)時的最低溫度（攝氏零下268-5攝氏度，絕對（開氏）溫度 4 5K）的冷卻劑液態(tài)氦，因而可以將他從事的低溫下 物質(zhì)性質(zhì)的研究工作延伸到這個新的溫度范圍。其中最感舉的自然是觀察純金屬的電阻。當(dāng)時所能得到最純的金屬就是水銀（Hg）。1911年，昂內(nèi)斯在測量低溫下水銀的電阻時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)

9、溫度降到液氦溫度時，水銀的電阻降到儀器無法測量的小值。為了避開儀器的能力的限制去追根電阻到底是否為零。便采用了一種更有說服力的方法，那就是以“持續(xù)電流法”去測量樣品轉(zhuǎn)變后是否有剩余電阻。昂內(nèi)斯用鉛環(huán)做實驗， 確定鉛在轉(zhuǎn)變后所乘電阻率的上限為10-16 Q cm,可見這種轉(zhuǎn)變后之后電阻確實為零。這種電阻完全消失的物理狀態(tài)叫做超導(dǎo)態(tài)或物質(zhì)具有了超導(dǎo)電性，也稱無限導(dǎo)電性。具有超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)體。電阻突然消失的溫度叫做超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度，記為Tc。溫度在Tc以上，超導(dǎo)體和一般金屬一樣，有電阻，叫正常態(tài)。超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)，為人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識打開了一個新的大門。昂內(nèi)斯因?qū)ξ镔|(zhì)在低溫下性質(zhì)的研究所

10、作的貢獻(xiàn)和液化氦的成功獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎金。2. 超導(dǎo)電性研究的發(fā)展超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)，使科學(xué)家們受到極大的鼓舞，人們要認(rèn)識超導(dǎo)體，要尋找更多、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度更高的超導(dǎo)體，自然也希望為超導(dǎo)找到用武之地，不少科學(xué)家開始在這領(lǐng)域探索、 耕耘。超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)之后不久，人們便認(rèn)識到，超導(dǎo)體不僅有臨界溫度，而且在將超導(dǎo)體置 于磁場中，或使樣品通一電流， 在足夠高的磁場或足夠大的電流的情況下，超導(dǎo)態(tài)也會被破壞，就是說，超導(dǎo)體還具有臨界磁場HC臨界電流I C兩個基本臨界參數(shù)。臨界電流的存在實際上也就是因為有臨界磁場，因為流過超導(dǎo)體的電流所產(chǎn)生的磁場達(dá)到臨界磁場的值時，超導(dǎo)態(tài)即被破壞。由于零電阻給人們的深刻

11、印象，從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性之后的很長一段時間內(nèi)，人們一個共同的認(rèn)識就是，超導(dǎo)體是完全導(dǎo)體，電阻為零。一直過了 22年，到1933年，邁斯納（W. Meissner ） 和奧謝費(fèi)爾德（R. Ochsenfeld ）的一個新的發(fā)現(xiàn)， 才改變了人們對超導(dǎo)體的不全面的認(rèn)識。 他們的實驗是：將超導(dǎo)體置于場強(qiáng)小于其臨界場的磁場中，當(dāng)溫度降到超導(dǎo)體的Tc以下，使其進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，再加上磁場，只要磁場小于He,超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也為零。超導(dǎo)體保持其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的狀態(tài)與先冷卻后加磁場或先加磁場后冷卻的過程無關(guān)，這個現(xiàn)象叫邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)的存在說明超導(dǎo)體的又一個特性，完全抗磁性。實際上，完全抗磁性的奧秘是超導(dǎo)

12、體在磁場中，其表面形成超導(dǎo)的面電流，叫邁斯納電流，它產(chǎn)生一個磁場抵抗外磁場在超導(dǎo)體內(nèi)的存在，所以邁斯納電流好比是超導(dǎo)體的保護(hù)屏。是超導(dǎo)體所獨(dú)有的，也是超導(dǎo)體真?zhèn)蔚呐袚?jù)。邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，不僅完善了對超導(dǎo)體的認(rèn)識，還開辟了一個超導(dǎo)應(yīng)用的途徑，由邁斯納效應(yīng)，磁場不能穿透超導(dǎo)體，那么，在一個永久磁體和超導(dǎo)體之間就會存在斥力，斥力克服超導(dǎo)體的重力， 在磁場中可以使超導(dǎo)體浮起來。或者使裝置反過來，使磁體在超導(dǎo)體上方被浮起來，這就是一般所說的超導(dǎo)磁懸浮。超導(dǎo)磁懸浮很早就得到了應(yīng)用，如以超導(dǎo)持續(xù)電流產(chǎn)生的磁場的超導(dǎo)磁懸浮研制的超導(dǎo)重力儀代替彈簧重力儀，可以大大降低其自身的漂移率，從而能測出地球的長周期的重力

13、變化。而基于超導(dǎo)磁懸浮的超導(dǎo)陀螺儀，其球體轉(zhuǎn)動無摩擦，可大大提高導(dǎo)航的精度，這些都已在世界范圍內(nèi)，包括中國，得 到使用。F 倫敦和H 倫敦兄弟對邁斯納效應(yīng)進(jìn)行了研究，于1935年建立了有關(guān)超導(dǎo)體的電磁性質(zhì)的第一個理論，倫敦理論。對超導(dǎo)體在磁場中的性質(zhì)作了如下理論上的預(yù)言：第一、磁場對超導(dǎo)體不是完全沒有穿透，而是穿透一簿層，這一薄層的厚度就叫做穿透深度。對不同的超導(dǎo)體，穿透深度各異，一般在10-6 10-5厘米量級，這一預(yù)言很快被實驗證實。第二、由于磁場只能穿透導(dǎo)體表面一薄層，也就只在超導(dǎo)體表層存在磁場和電流，超導(dǎo)體內(nèi)部實際不存在磁場和電流。而且，由他們的理論確實證明，超導(dǎo)體的表層電流是抵抗外面

14、磁場進(jìn)入 超導(dǎo)體內(nèi)的超導(dǎo)屏蔽電流，這就從理論上找到完全抗磁性和無限導(dǎo)電性的內(nèi)在聯(lián)系。15年之后，皮帕（Pippard ）修正了倫敦理論的不足之處，提出磁場對超導(dǎo)體的影響不 僅是限制在磁場對超導(dǎo)體的穿透層內(nèi)，還會延伸到更深的地方， 他將這個磁場影響所達(dá)到的深度叫相干長度，人稱 Pippard相干長度，記為p。這個相干長度就是金屬中電子成為有秩序的超導(dǎo)態(tài)電子之后的秩序度范圍?？梢哉f，這個理論第一次提出了超導(dǎo)態(tài)電子的關(guān)聯(lián)問題。1950年，金茲伯（Ginzburg ）和蘭道（Landau）提出的理論，金茲伯一蘭道（ G-L）理 論。在超導(dǎo)體電磁性質(zhì)的研究中占有重要地位。這個理論準(zhǔn)確無誤地將超導(dǎo)體分成兩

15、類。I類超導(dǎo)體為除Nb、V、和Tc的純元素超導(dǎo)體，II類超導(dǎo)體為Nb、V、Tc等元素和所有的化合 物、合金超導(dǎo)體。兩類超導(dǎo)體清楚地顯示了磁場下的不同的性質(zhì)。所以，G-L理論對超導(dǎo)體的研究、超導(dǎo)體的發(fā)展以及超導(dǎo)體的實際應(yīng)用起了極重要的指導(dǎo)作用。G-L理論還證明，包圍在超導(dǎo)環(huán)中的磁通量不是以連續(xù)均勻的方式存在，而是以分立的磁通線的方式存在，這在物理上叫做磁通量子化。磁通量子化實際上預(yù)言了超導(dǎo)電子是由兩個電子配對的電子對。磁通量磁場以一個一個磁通單位的形式存在于II類超導(dǎo)體能容納“異己”，而I類超導(dǎo)體則不能，這是由這兩種超導(dǎo)體的一種叫界面能的特性差別決定的。II類超導(dǎo)體能在其內(nèi)部容納磁通線這種“異己

16、”，而且還能釘住它，使超導(dǎo)電流在有磁場的情況下仍恒穩(wěn)暢通。這也是 II類超導(dǎo)體具有實用性的原因所在。G-L理論建立之后幾年，II類超導(dǎo)體迅速發(fā)展起來，再之后，以 II類超導(dǎo)體為材料的 超導(dǎo)磁體在世界范圍廣為發(fā)展。特別值得一提的是，早在1934年由哥德（，幾乎是一直未受到修正的“一貫正確”的理論模型。它也是第一個涉及超導(dǎo)電子概念的理論模型。該模型認(rèn)為，在 Tc 以下，超導(dǎo)體同時存在兩種電子，即超導(dǎo)電子和正常電子。在溫度為絕對零度時，只存在超導(dǎo)電子；在 Tc時，全部為正常電子；絕對零度至Tc之間，超導(dǎo)電子隨溫度升高而減小， 正常電子隨溫度升高而增多。 二流體模型在超導(dǎo)體的熱力學(xué)相變， 電磁性質(zhì)直至

17、 超導(dǎo)微觀理論的建立都顯示其正確性，發(fā)揮著重要的作用。上述這些工作使人們對超導(dǎo)體的物理性質(zhì)有了較全面的認(rèn)識。 為探尋超導(dǎo)電性的起源提 供了種種線索， 也為科學(xué)家們建立夢寐以求的超導(dǎo)電性的正確理論提出了更全面的要求。因為正確的理論要說明超導(dǎo)的起源，也必須能解釋這些業(yè)已觀察到的實驗現(xiàn)象、效應(yīng)和結(jié)果。3. 超導(dǎo)電性起源的探索 金屬正常態(tài)電阻是電子和晶格離子振動的相互作用引起的。在超導(dǎo)情況下，電阻為零， 很可能就是因為電子和晶格離子振動之間存在某種特殊關(guān)系，這種關(guān)系不但不會使電子運(yùn)動受阻，而且還會有某種幫助。 1950 年，麥克斯韋( Maxwell )和雷諾茲 (Reynolds) 幾乎同時 發(fā)現(xiàn)的

18、與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度密切相關(guān)的實驗現(xiàn)象同位素效應(yīng)對回答這個問題提供了極有用 的線索。 同位素即是在元素周期表中占據(jù)同一位置的不同質(zhì)量的元素，他們發(fā)現(xiàn)的同位素效應(yīng)是：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和同位素質(zhì)量的二分之一次方成反比， 說明元素質(zhì)量小 (振動頻率高) ， 有利于超導(dǎo)。這一效應(yīng)直接預(yù)示著超導(dǎo)電性的起源是電子和晶格振動之間相互作用的結(jié)果， 越有利于超導(dǎo)。 那么， 超導(dǎo)電子是一種什么形態(tài)呢？二流體模型明確指出，超導(dǎo)電子不同于正常態(tài)電子； 皮帕相干長度和 G-L 理論給出的概念相同的相干長度， 指出了超導(dǎo)電子具有關(guān) 聯(lián)效應(yīng)和關(guān)聯(lián)長度； G-L 理論證明的和實驗證實的磁通量子化涉及的更是兩個電子的效應(yīng)， 而不是單電子

19、的效應(yīng)。所以，可以肯定， 超導(dǎo)電子不是單電子，超導(dǎo)電流不是由單個電子承 擔(dān)的電流。超導(dǎo)電子是兩個電子的關(guān)聯(lián)的形態(tài)已隱約可見。 1950 年，弗洛利希 (Frohlich) 的基于電子晶格振動相互作用的理論解釋了同位素效應(yīng)，但由于他的理論沒有能解釋超導(dǎo)體的其他電磁和熱學(xué)性質(zhì)以及沒有明確的超導(dǎo)電子的形態(tài)而未獲成功。庫珀在建立超導(dǎo)理論的第一步就提出了超導(dǎo)電子對的理論， 抓住了成功的關(guān)鍵， 也就是找到了開啟超導(dǎo)奧秘大 門的鑰匙。一般來說， 由于庫侖作用， 兩個電子是互相排斥的。 庫珀電子對理論中的兩個電子具有 可形成對的內(nèi)在因素， 加上晶格振動這一客觀媒介的作用。 就易于結(jié)成穩(wěn)定的電子對。 形成 對的

20、過程可以這樣理解：金屬晶體中，晶格帶正電荷，電子帶負(fù)電荷。一般情況下，正負(fù)電 荷之間處于一種平衡態(tài)， 整個晶體中電荷均勻分布。 電子狀態(tài)的某個改變對平衡的電荷密度 帶來一種擾動， 這個擾動導(dǎo)致的電荷波動使晶格也隨之出現(xiàn)振動。 這可看成是電荷波動驅(qū)動 晶格振動的一種強(qiáng)迫振動。 若電荷波動頻率低于晶格振動的特征頻率， 則這兩種波動可以同 相，即合拍，在這種同相波動下，正電荷會隨著負(fù)電荷(電子) ，而正電荷后面又有一個電 子跟隨著。 這樣，兩個電子就由于晶格的振動而拉在一起，具有吸引力，吸引力的大小由超 導(dǎo)體晶格振動彈性波的平均頻率 (和德拜頻率同數(shù)量級) 決定。在兩個電子本身還具備容易 結(jié)合在一起

21、的內(nèi)在因素的情況下。 它們通過上述媒介形成的電子對就具有比其他電子對更強(qiáng) 的吸引力。 庫珀的理論只是考慮兩個電子的情況， 然而， 金屬中可參與形成電子對的電子是 大量的， 進(jìn)一步的工作是要把庫珀的結(jié)果推廣到實際的多電子體系。 巴丁、庫珀和施瑞弗共 同完成了這一工作。兩個電子形成對比單個電子的狀態(tài)穩(wěn)定， 也就是，電子對的能量比電子單個地存在時低。 自然界任何一個系統(tǒng)都趨于向能量低和穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。所以，兩個電子形成對降低能量， 就會影響周圍那些也具備條件成對的電子趨于兩兩成對以降低能量。 當(dāng)所有這些電子都兩兩 形成對，一個整體的超導(dǎo)體也就形成。這樣， 巴丁、庫珀和施瑞弗以電子晶格振動相互作用為基

22、礎(chǔ)， 建立起了一個超導(dǎo)電 性起源的微觀理論，以他們的姓的第一個字母組合命名為BCS理論。我們再看看電子對中兩個電子究竟有多大的吸引力， 同時， 我們來看一個電子對的尺度和眾多電子對的分布的景觀：成對的兩個電子結(jié)合在一起的能量實際并不大，只有 0.1 到 1 毫電子伏。所以，不能將這些電子對理解為緊密結(jié)合的原子或分子實體。由BCS理論估算的超導(dǎo)關(guān)聯(lián)長度（BCS相干長度）達(dá)到萬分之一厘米量級，為一個晶格常數(shù)的一萬倍，皮帕相 干長度也是這個尺度， 實質(zhì)上這就是電子對的擴(kuò)展范圍。 當(dāng)超導(dǎo)體中眾多電子結(jié)合成電子對 時，電子對在空間互相重疊交叉地分布， 和原子、 分子概念全然不同。 對于超導(dǎo)是電流無阻 流

23、動的概念，可以這樣直觀地理解：在Tc 以下，超導(dǎo)電子成對關(guān)聯(lián)，每個電子對的兩個電子“緊密團(tuán)結(jié)” ，在運(yùn)動過程中，只有它們兩個之間互相協(xié)調(diào)行動，晶格振動不可能對它們 或它們中的一個產(chǎn)生阻礙（物理上這叫散射） ，只要電子對在運(yùn)動過程中不遇到拆對，它們 的總動量就不會有變化， 不會有能量損耗， 因而總是可以無阻超流。 而金屬中單個正常態(tài)電 子的運(yùn)動則可能因晶格振動處處受阻。BCS理論的建立，零電阻、完全抗磁性、同位素效應(yīng)以及其他超導(dǎo)現(xiàn)象都能嚴(yán)格得到解 釋，這一理論得到公認(rèn)。巴丁、庫珀、施瑞弗以此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎金，BCS理論也是科學(xué)家們半個世紀(jì)共同奮斗在超導(dǎo)研究上豎起的一塊非同尋常的豐碑

24、。4. 約瑟夫森效應(yīng)BCS理論建立之后，在超導(dǎo)研究史上份量最重的工作要算約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。約瑟夫 森（B.Josephson），英國物理學(xué)家，1962年（22歲），在研究生學(xué)習(xí)期間就發(fā)現(xiàn)了電子對隧 道效應(yīng)。 這就是被薄絕緣層隔開的兩種超導(dǎo)體材料之間有超流電子對通過的現(xiàn)象。絕緣層對定向運(yùn)動的電子來說就如同人在前進(jìn)道路上遇到的不可翻越的高山，只能開鑿隧道才能通 過。雙電子隧道效應(yīng)顯示超導(dǎo)電子對神通廣大，它們不僅可以無阻擋地在通常的“道路”上 行進(jìn)，而且在遇到“高山”時，也能隧穿而過。這里的兩種超導(dǎo)體中間夾一薄絕緣層的構(gòu)型 被稱為約瑟夫森隧道結(jié)， 簡稱約瑟夫森結(jié)。 而這種隧穿實際上就是薄絕緣層兩邊

25、超導(dǎo)體超導(dǎo) 電子關(guān)聯(lián)的交疊， 或電子對的搭接。 也可以說是兩個超導(dǎo)體的電子對同時從絕緣層兩邊開 “隧 道”，使其貫通。在各種特定情況下穿過約瑟夫森結(jié)的隧道電流會產(chǎn)生一系列特殊的現(xiàn)象， 稱約瑟夫森效應(yīng)。 這個效應(yīng)的主要內(nèi)容是： 在沒有任何電場和磁場的情況下， 有直流電流無 阻地通過薄絕緣層， 這叫直流約瑟夫森效應(yīng)； 當(dāng)在絕緣層兩側(cè)施加上直流電壓， 而電子對從 高電位的超導(dǎo)體穿過絕緣層到達(dá)低電位的超導(dǎo)體時， 其多余的能量會以電磁波的形式發(fā)射出 來。也就是說，在這種情況下，約瑟夫森結(jié)可以輻射電磁波，這是交流約瑟夫森效應(yīng)。約瑟 夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是對 BCS理論的一個有力證據(jù)，現(xiàn)在對它的研究已形成超導(dǎo)電性

26、和超導(dǎo)電子 學(xué)器件研究的一個重要領(lǐng)域。 以約瑟夫森隧道結(jié)作器件可以研制多種弱磁電的特殊測量儀器 滿足科研和高技術(shù)的需要?；诩s瑟夫林結(jié)的超導(dǎo)量子干涉器件作成的磁強(qiáng)計，可以分辨 10-11 奧斯特的弱磁場， 具有極重要的用途。 由于約瑟夫森的這一重大發(fā)現(xiàn)， 他和日本的江崎 玲于奈（ Leo Ecaki ，專心于隧道效應(yīng)的研究，曾發(fā)明雙二極管江崎二極管），美國的加埃沃（Giaeve Ivar ，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng) ）共享1973年諾貝爾物理學(xué)獎金。5. 高溫氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)BCS理論的建立，使人們經(jīng)過半個世紀(jì)的奮斗之后終于看清了超導(dǎo)的奧秘。但BCS理論是基于電子和晶格振動相互作用的理論。

27、 電子晶格振動相互作用決定的超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn) 變溫度受材料晶格彈性波的最高頻率德拜頻率的限制。由于這一關(guān)系， 超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一般被限制在低于液態(tài)氮溫度（770的溫度范圍。在實驗上，直到二十世紀(jì)80年代，在已發(fā)現(xiàn)的數(shù)千種超導(dǎo)元素、化合物、合金、固溶體等超導(dǎo)體中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高只有 23.3K，還未達(dá)到電子一一晶格振動超導(dǎo)理論值的上限。但人們對于高溫超導(dǎo)電性的追究仍 然沒有停止。 到了第一個超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)之后的第 75個年頭， 即 1986年，探索高溫超導(dǎo)體的努 力出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。1986年4月，IBM設(shè)在瑞士蘇黎士的實驗室的柏樂茲 （，幾十年來一直追求高溫超導(dǎo)體 的科學(xué)家們立即行動起來， 各自在積

28、累的知識和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上開展高Tc探索的攻堅戰(zhàn)。1987年 2 月 15 日，朱以武、 吳茂昆等首先通過美國國家科學(xué)基金會宣布他們新合成一個超導(dǎo)體， 開始出現(xiàn)超導(dǎo)的溫度達(dá) 98K,而且特別強(qiáng)調(diào)測量是在液氮中進(jìn)行的(氮?dú)獾囊夯瘻囟仁?77K,是比氦氣容易液化、 運(yùn)輸、保存和使用， 價格遠(yuǎn)低于液氦的冷凍劑)這就真正開創(chuàng)了液氮溫 區(qū)超導(dǎo)體的新時代。 1987年 2月 24日在朱經(jīng)武等宣布上述新結(jié)果之后的第9天，中科院數(shù)理學(xué)部的新聞發(fā)布會宣布物理所趙忠賢、 陳立泉等合成了 Y-Ba-Cu-O 超導(dǎo)體， 開始出現(xiàn)超導(dǎo) 的溫度為100K,轉(zhuǎn)變中點(diǎn)達(dá)92.8K，這在同際上第一次公布高于90K的超導(dǎo)體的成分。

29、此后不久，YbaCuO超導(dǎo)體被確定為，YBstCuO+z(0<X<1)的畸變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。這一新的發(fā)現(xiàn)成為 高溫超導(dǎo)體研究歷史上的一個新的里程碑。 在世界范圍內(nèi)的高溫超導(dǎo)研究的熱潮中， 新的高 溫超導(dǎo)體不斷問世。1987年日本的Maeda發(fā)現(xiàn)了不含稀土的銅氧化物超導(dǎo)體(Bi 2Sr2Ca>iCunOn=1,2,3) ，TC達(dá)110K，1988年2月，美國Arkansas州立大學(xué)盛正直等發(fā)現(xiàn)不含稀土的銅氧 化物超導(dǎo)體(Tl nBa2Ca>1C"C2n=x m=1,2;n=1,2,3,4)，Tc達(dá) 125K。1993 年普特林(Putinlin )等發(fā)現(xiàn)HgBaCa

30、CuO超導(dǎo)體，其中 HgBCaCu3O+&的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá) 135K,這是目前公 認(rèn)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的世界紀(jì)錄。 由于柏樂茲和繆勒的發(fā)現(xiàn)對超導(dǎo)研究的歷史性貢獻(xiàn)， 他們獲 得到 1987年諾貝爾物理學(xué)獎金。這是至今直接涉及超導(dǎo)研究領(lǐng)域的第四起諾貝爾獎金。柏 爾茲和繆勒 1986年的發(fā)現(xiàn)就獲得 1987年的諾貝爾物理學(xué)獎金。 如此之快獲獎是因為他們的 發(fā)現(xiàn)在短短數(shù)月時間內(nèi)被世界同行驗證和認(rèn)可， 這充分反映了世界范圍內(nèi)對提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫 度的渴望和獲得超導(dǎo)體的驚喜。目前已經(jīng)知道，除了超轉(zhuǎn)變溫度不同，高溫超導(dǎo)體幾乎具有常規(guī)II 類超導(dǎo)體所有的特性，包括兩個臨界磁場、混合態(tài)、磁通量子化、 Jes

31、ophson 效應(yīng)等。基于這些特性的應(yīng)用研 究也在全面展開。特別是在高溫超導(dǎo)體中，擔(dān)當(dāng)超流傳輸?shù)囊彩请娮?空穴)對。只是現(xiàn)在 還不清楚， 高溫超導(dǎo)體中的電子對經(jīng)由什么機(jī)制和能量交換而形成，這是人們又要不斷努力去攻克的堡壘。高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)應(yīng)用創(chuàng)造了前所未有的前景， 現(xiàn)在， 常規(guī)超導(dǎo)體的所有超導(dǎo)應(yīng) 用的研究都在高溫超導(dǎo)體中開展起來， 而且，基于高溫超導(dǎo)體的電子 (空穴) 濃度低的特點(diǎn)， 高溫超導(dǎo)體器件的研究比常規(guī)超導(dǎo)體的范圍更廣。 高溫超導(dǎo)體在液態(tài)溫區(qū)的磁懸浮已達(dá)到相另外，高溫超導(dǎo)體和其他氧化物超導(dǎo)研究也從此開始。 幾十年的取得了多方面的研究成果。 正是當(dāng)大的規(guī)模。懸浮重量達(dá) 100Kg量

32、級，顯示了它的實用性。 材料的結(jié)合，又開辟了新的研究領(lǐng)域。中國科學(xué)院物理研究所于五十年代液化氦氣獲得成功， 發(fā)展， 我國形成了一支從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的超導(dǎo)隊伍， 有了這個基礎(chǔ)， 我國對高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)作出了國際上公認(rèn)的貢獻(xiàn)。 在我國高溫超導(dǎo)研究熱 潮興起時， 為了科學(xué)地、 有保障地領(lǐng)導(dǎo)和實施國內(nèi)超導(dǎo)研究計劃， 國家成立了“國家超導(dǎo)聯(lián) 合研究開發(fā)中心”和“超導(dǎo)國家重點(diǎn)實驗室” ，并將一些強(qiáng)有力的研究單位組織到基礎(chǔ)研究 和應(yīng)用研究的攻關(guān)隊伍中來， 發(fā)展國家的超導(dǎo)事業(yè)。 從高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在， 我國已在新 的高溫超導(dǎo)體的探索、 高溫超導(dǎo)體薄膜的研究和發(fā)展、 高溫超導(dǎo)電性機(jī)理、 磁通點(diǎn)陣動力和 各

33、類高溫超導(dǎo)器件研究等作出了自己獨(dú)特的工作，并繼續(xù)參與國際上的發(fā)展和競爭。 超導(dǎo)研究是無止境的， 超導(dǎo)應(yīng)用前景廣闊。 二十世紀(jì)即將過去， 經(jīng)歷了約一個世紀(jì)的超 導(dǎo)研究不但不會因一個世紀(jì)的過去而結(jié)束， 而且會在新的二十一世紀(jì)繼續(xù)發(fā)展。 在人才輩出 和高新技術(shù)發(fā)展的新世紀(jì)，這一領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生更多的歷史性科學(xué)成果。第七章 天文學(xué)簡介1 認(rèn)識夜空1. 1 我們從夜空中看到什么 ?自古以來 ,清澈璀璨的星空 ,常能勾起人們無限的幽思與遐想 ,亮星與星座常有奇妙的傳 說,“牛郎與織女鵲橋七夕會”凄涼而美麗神話，在我國不知已經(jīng)流傳了多少世代?，F(xiàn)在我們雖然知道 ,恒星和凡人相同 ,一樣有生老病死 ,對各種星體的基

34、本性質(zhì)也有相當(dāng) 的了解 ,但這些工皆無法減損星空的美麗 ,在遠(yuǎn)離都市光害的郊區(qū) ,唐朝詩人杜牧在秋夕 “銀燭秋光冷畫屏，輕羅小扇拍流螢，天階夜色涼如水，坐看牽?？椗?。 ”中所敘的意境 依舊不減。首先介紹在我們現(xiàn)在所知道的宇宙中， 能看到的各類天體， 而所謂 “看”為裸視或各式 天文望遠(yuǎn)鏡所見。行星（太陽系的行星） ： 九大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。 （還有彗星 和小行星）恒星：天狼星、織女星、牛郎星。 原恒星：獵戶座大星云中之原恒星。主序星：太陽，天狼星 雙星：開陽雙星 變星： 造父變星：北極星，是周期為 3.9696天的造父變星。其亮度變化只有 0.

35、1 星等。 巨星：畢宿五，大角，五車二。超巨星：參宿四，參宿七。新星：新 Cygni 1992超新星： SN 1987A 白矮星：天狼伴星。 中子星或波霎：蟹狀星云中心的中子星或波霎。 黑洞：天鵝座 x-1 （X 光照片源）（很可能） 星團(tuán)開放星團(tuán)（疏散星團(tuán)） （打開群集） ：昴宿星團(tuán)，英仙座雙星團(tuán)。球狀星團(tuán)： M13 ， M15 ，NGC104 星云：獵戶座大星云，環(huán)狀星云，貓眼星云。 星際物質(zhì)：本銀系盤面，馬頭星云。 超新星爆炸的遺?。盒窢钚窃疲?Cygnus 循環(huán)。星系：仙女座大星云 M31似星體（魁煞） （星狀球體） （QSO ） 3C 273 星系團(tuán)（群集的星系） ：本星系群（局部的

36、集） ，昏迷群集， Virgo 群集。 超星系團(tuán)（ Supercluster） （群集的群集 ）例：本超星系群：由本星系群與附近的星系群組成。 長城與空洞（長城和空白） 太陽系（太陽系） 太陽（太陽） 水星（水星） 金星（維那斯）地球（地球） ：月球（月球） 火星（火星） 小行星帶（小行星帶） 木星（木星） 天王星（天王星） 海王星（海王星）彗星（慧星）衛(wèi)星（衛(wèi)星）隕石（隕星）宇宙有多大？ 宇宙有約數(shù)千億個星系 1012 個 平均每個星系約包含一千億個星1011 ，所以目前所“觀測”到整個宇宙約包含有1011*10 12=1023個恒星。100，000，000，000，000，000， 000

37、，000=1 千億兆 假設(shè)每個恒星都有一顆行星伴隨著，亦即整個宇宙約有1023 個行星。距離太陽最近的另一個恒星 Proxima Centauri （半人馬座之毗鄰座）約 4.28ly （1.31PC）， 半人馬座 a,B 約 4.39 ly 。目前所觀到的最遠(yuǎn)的星系約100 150億光年一一1023km，所以是目前所觀測到的宇宙體積約為（4/3） * n *（ 1023）3=1070（立方公里）天文學(xué)常用的單位：1AU（天文學(xué)的單元）（1 天文單位）=地球與太陽之間的平均距離 =495*10 8km（1.495億公里）（地球直徑=1.275*10 4km,地球赤道周長 4*10 4km）1l

38、y（ 光年 ）=光走一年的距離 =9.46*10 12km55（光每秒走 2.997925*10 km 3*10 km）512（1ly=3*10 5*365*24*60*60=9.46*1 012 km）131pc（1 parsec,1 秒差距 ）=3.09*10 13km=3.26ly（ 造成視差角為 1 弧秒之距離 ）31kpc=1 kiloparsecs=10 pc61Mpc=1 megaparsecs=10 6pc 例如 （1） 太陽距離本很河系的中心約 8KPC.（2） 室女 （Virgo） 座超星系團(tuán)距離地球約 17Mpc.12如何描述星體的大小與位置（1）大小的描述通常是用視角來

39、描述例如（A）月球在夜空中所張開的角度約1/2.（B）大熊星座的兩顆用以找北極星的恒星之間的張角大小約5° .（2）如何描述星體所在的位置 星座群天體的組成 國際天文學(xué)聯(lián)合會將全球四季夜空，劃分成八十八個大小不一的天區(qū)，分屬于八十八 個星座。屬于同一星座的群星或天體， 可能只是恰好在同一個天區(qū)， 而它們彼此之間可能是毫無關(guān)系， 以獵戶座為例，參宿七與地球的距離為 910光年，而參宿四與地球的距離是 540光年。 星座的命名：有一半是在古時候就已命名了， 其命名的方式有依照古文明的神話與形狀的附會 （包含了美 索不達(dá)米亞、巴比倫、埃及、希臘的神話與史詩） 。另一半（大部分是在南半球的夜

40、空中） 是近代才命名，經(jīng)常用航海的儀器命名。例：美索不達(dá)米亞：金牛座（金牛座） ，獅子座（里歐） 希臘的神話：獵戶（獵戶星座）仙女座（仙女座） 。 航海的儀器：六分儀（ Sextans ），羅盤座（有蓋瓶） 。星座中恒星的命名大致是依照亮度以希臘字母來命名的。例如：牛郎星（牛郎星）是天鷹座（鷲鳥座）a星宿四，卻比3星（參宿七）亮。請參考臺灣地區(qū)四季星空的主要亮星資料。星座中的恒星總數(shù)多于 24個希臘字母，另一種常見的命名法是按照恒星的亮度排序，例如 第一個被發(fā)現(xiàn)的外太陽系是飛馬座 51 星。天球座標(biāo)：赤經(jīng)( Right,Ascension )與赤緯 (Declination,Dec) 天球的座

41、標(biāo)中赤緯線是地球的緯度線在天球的投影。北天球的緯度為0到+90°,而南天球的緯度記為0到-90。每度再分60分，每分再分成60 秒。地球的經(jīng)度線在天球的投影成為天球的赤經(jīng)線, 但是地球會自轉(zhuǎn), 所以, 我們選定春分那天 中午十二時(格林威治時間)通過格林威治上方的天球子午線為0 時,往東,每隔 15°增加一小時,以此類推,赤經(jīng)共分成 24 小時,每小時再細(xì)分為 60 分,每分又分成 60 秒。 例如：參宿七的位置是( 5h55m 10.3s,+7?4'25").例如：恒星名稱所屬星座天球座標(biāo)(R.A., 十二月)英文名稱天狼星(aCMa)大犬座(7,-20

42、)天狼座南河三(aCMi)小犬座(8,+5)Procyon織女星 (aLyr)天琴座(19,+40)Vega牛郎星 ( aAql)天鷹座(20,+5)牛郎星2 宇宙的起源與歸宿21 宇宙的現(xiàn)況22 宇宙論的基本假設(shè)23 宇宙論標(biāo)準(zhǔn)模型大爆炸學(xué)說(Big Bang)支持大爆炸學(xué)說的觀測證據(jù)24 宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的一些難題與宇宙暴脹理論(Inflationary thory )25 宇宙的可能歸宿宇宙中有上千億的星系, 平均每星系又約有上千億的恒星及各類天體。 相對的, 天文學(xué)家也 有較多的“樣品” ,可以拼湊出有關(guān)恒星與星系的完整理論。但是我們只有一個宇宙,建構(gòu) 一個合理的宇宙論并不容易, 所以宇宙

43、標(biāo)準(zhǔn)模型一大爆炸學(xué)說, 仍然有許多尚未解決的難題。 天文學(xué)家提出暴脹理論 ( inflationary theory ),解釋/解決部分宇宙論標(biāo)準(zhǔn)模型的困難,但終極的宇宙論仍在建構(gòu)之中。宇宙的現(xiàn)況1、宇宙的結(jié)構(gòu) 最遠(yuǎn)的似星體 4000MPC。區(qū)域結(jié)構(gòu)地球t太陽系t太陽的鄰居t本銀河系t本星系群t宇宙的海棉結(jié)構(gòu)。最大結(jié)構(gòu)體一一長城。 200MPC ,遠(yuǎn)小于已知的觀測顯示,沒有比長城更大的結(jié)構(gòu)。2、宇宙紅位移 哈伯定律 星系相互遠(yuǎn)離,相距愈遠(yuǎn)的星系,相互遠(yuǎn)離的速度愈大。V r=H*dH=75km/s/Mpc 宇宙的起點(diǎn) 很自然的推測：如時間倒轉(zhuǎn),多久之前,所有的星系會聚集在一起？ 假設(shè)膨脹的速度一

44、直不變,聚集發(fā)生的時間為多久以前？(如果H=75km/s/Mpc )t=d/v r=d/H*d=1/H=130 億年。宇宙論的基本假設(shè)宇宙論原則( osmological priciple )觀測顯示，大尺度(約 200MPC 以上)的宇宙具有：1、均勻性：物質(zhì)在太空里是均勻分布的。2、等向性：整個宇宙從每一個方向看出云都差不多。3、共同性：宇宙超始 10-43 秒后，所有的物理定律在宇宙中的每一個地方都有適用。 例如：愛因斯坦的廣義相對論。宇宙論標(biāo)準(zhǔn)模型大爆炸說( The Big Bang )1、大爆炸學(xué)說( The Big Bang )1、假設(shè)宇宙是在約 150 200 億年前，從一個高溫

45、密度的狀態(tài)，開始爆炸，膨脹之 后漸漸冷卻，形成星系。2、膨脹是發(fā)生在每一處。3、宇宙論標(biāo)準(zhǔn)模型所描繪出的宇宙的歷史如下：當(dāng)時間為 0 時開始產(chǎn)生大爆炸當(dāng)時間為 4 秒時，開始產(chǎn)生質(zhì)子、中子、電子當(dāng)時間為3分時，開始形成原子核，其中氫(H)約占75%，氦(He)約占25%。此時氣體是游離的，自由電子與光散射，光無法跑遠(yuǎn)就被散射掉，宇宙充滿輻射， 大爆炸至此時斯之前合稱為主控時代。 ( radiation dominate era) .當(dāng)時間為 106年時，溫度約為 3000K ，自由電子與氫、氦核結(jié)合成氫原子與氦原子 時氣體是中性的，使得光子可以在宇宙中自由行走，亦即宇宙變透明了，同時進(jìn)入 物質(zhì)

46、主控時代( matter dominate era)。當(dāng)時間為 109 年時，星系的形成2、奧伯詭論( Olber's paradox ) 為何夜空是黑暗的？ 若是宇宙是無限而且永恒的， 星與星系均勻的分布在整個宇宙中， 則每個方向的星光都 將到達(dá)地球，地球的天空看起來與恒 星的表面一樣亮。近代的解釋：1、宇宙不是無限老的，遠(yuǎn)處的星光，在有限的時間內(nèi)，尚未傳到地球。2、宇宙是膨脹的， 恒星的光會因膨脹而產(chǎn)生紅位移， 亦即能量變小， 使我們無法偵測 到這些光(這部份的貢獻(xiàn)過小，應(yīng)不是黑暗夜空的合理解釋) 。支持大爆炸觀測證據(jù)1、 宇宙紅位移 由地球隊任何方向看出去，遙遠(yuǎn)的星系都離我們遠(yuǎn)去

47、，宇宙膨脹。哈柏定律： (哈勃定律)vr=H*dH=75km/s/Mpc2、氦與氦的豐存度宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測 H (氫)占約75%, He (氦)占25%，已經(jīng)變這個比例。3、微量元素的豐存度微量元素：重氫( deuterium ) 、氦 -3(helium-3) 、鋰 -7(lithium-c) 。對這些恒星無法合的微 量元素，宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的豐存度，與實測的豐存度一致。4、3K 微波背景輻射大爆炸后，宇宙膨脹、冷卻。Penzian &Wilson(1978 諾貝爾獎得主 ) 用號角形天線發(fā)現(xiàn)。 天空具有均勻等向的無線電波雜訊宇宙背景輻射，對應(yīng)于3K 黑體所發(fā)出的 2.726

48、77;0.005K.5、微波背景輻射不均勻量 微波背景的微量不均勻，是宇宙區(qū)域結(jié)構(gòu)的種子 宇宙論標(biāo)準(zhǔn)模型的難題與宇宙暴脹理論宇宙論標(biāo)準(zhǔn)模型的難題1、 宇宙的年齡問題 注：此為觀測問題，并非宇宙論的基本難題。 星系紅位移（哈伯定律）t （宇宙年齡）=d/vr*1012 年 1/H*10 12 年Sandage: 150至此 00 億年Freedman（HST）：80 至 120億年 球狀星團(tuán)觀測、元素豐存度分析 球狀團(tuán)觀測： 150 至 200 億年 長半衰期同位素分析： 140 至 180 億年 癥結(jié)球狀星團(tuán)觀測、元素豐存度分析 觀測與原子核理論的計算吻合，如這部分證實有誤，原子核理論將完全動

49、搖。 星系紅位移（ HST/Freeman ）HST 的觀測與數(shù)據(jù)分析， （目前）找不出錯誤。2、宇宙的組成問題星系的旋轉(zhuǎn)速率曲線顯示，暗物質(zhì)占90%以上，但暗物質(zhì)的本質(zhì)仍然未定。宇宙論標(biāo)準(zhǔn)模型，對暗物質(zhì)的存在與本質(zhì)皆未做預(yù)測。3、視界問題（ horizon problem ） 視界：光在指定的時間，所能傳播的距離。 問題：宇宙背景輻射為何各向同性？為何如此均勻？ 宇宙背景輻射為宇宙變透明時， 宇宙中輻射的遺跡。 宇宙變透明時， 宇宙邊緣各點(diǎn)的距 離，有些已超過視界，如未經(jīng)溝通，宇宙如何保持熱平衡？4、曲度問題（ flatness problem ）理論預(yù)測，保持開平坦宇宙所需的物質(zhì)密度。10

50、-29克/公分 3。Q 0=（實際物質(zhì)密度）。（臨界物質(zhì)密度）開放宇宙，Q 0<1;平坦宇宙，Q 0=1;封閉宇宙，Q 0>1。 實測結(jié)果： 0.1< Q 0<2現(xiàn)在所量得的質(zhì)量密度非常接近臨界值 , 宇宙未來的命運(yùn)仍未卜 . 曲度問題宇宙為何如此平坦 ?暴脹宇宙模型 （inflaionary universe） 假設(shè)：宇宙在 10-35秒到 10-33 秒之間發(fā)生暴脹。在此期間，宇宙的直徑大約由10-26公尺暴增1050倍，至1024公尺（30Mpc）。在10-33秒時發(fā)生相變，放出巨量的“潛熱” ，造成宇宙暴脹。視界問題的解答 暴脹之前，宇宙直徑小于視界，宇宙處于熱

51、平衡。曲度問題的解答 暴脹后，我們可見的宇宙，只是宇宙真實大小的極小部分。物質(zhì)所產(chǎn)生的空間曲度幾 乎和平面相同，亦即 Q 0=1宇宙的可能歸宿宇宙的歸宿，全看宇宙的Q 0值而定：1、開放的宇宙 Q o<1 (open uni verse )2、平坦的宇宙(flat ybuverse ) Q 0=13、封閉的宇宙( closed universe)Q 0>13. 尋找 E.T.何謂生命 ?3.1 生命的定義3.2 地球的生命與科技之旅3.3 生命區(qū)與適合 E.T. 居住的 太陽系1、其他太陽系2、生命區(qū)3、適合E.T家園的太陽系4、多少E.T家園？尋找 E.T.(SETI) 外太空文

52、明的生命1、來自地球的流浪者2、來自地球的訊息3、太陽系內(nèi)的其他生命4、聆聽太空的大耳朵地球之外是否有其他生命存在？地球與人類在浩瀚的宇宙是否是唯一的？這類的問題，數(shù)千年來一直困惑著哲學(xué)家與科學(xué)家， 但直到最近， 人類才有足夠的科技能力， 試著去回答這些 問題。何謂生命？1 、 生命的定義 無可避免的，當(dāng)我們試圖尋找外太空生命時，第一個需要面對的問題是，何謂生命？到目前為止， 地球上的億萬的生命是我們唯一的范本， 地球上的生命體， 可以簡單歸類為 碳 基(碳基于)生命。我們不能排除其他生命形式(例如矽基)存在的可能性。但在現(xiàn)階段，只能很主觀地以地球生命為藍(lán)圖。傳統(tǒng)的生物教科書對生命的定義如下，

53、具有以下特征的生命體，謂之為生命。 組織化：有機(jī)體維持高度的復(fù)雜性與有序。細(xì)胞：有機(jī)體是由單一或多細(xì)胞所組成。 能量：有機(jī)體須要取得與使用能量。生殖：有機(jī)體能產(chǎn)生與自己相似的下一代。 遺傳性：有機(jī)體具有決定其特性的基因藍(lán)圖。 成長與發(fā)展：有機(jī)體能成長，并改變其外貌的能力。適應(yīng)力：有機(jī)體能回應(yīng)外界的誘因。 新陳代謝：有機(jī)體執(zhí)行一些控制性的化學(xué)瓜。體內(nèi)平衡：雖然外界環(huán)境條件的變化，有機(jī)體仍能維持相當(dāng)穩(wěn)定內(nèi)部環(huán)境。 地球的生命與科技之旅太陽系約在 46 億年前形成， 最古老的生物化石顯示， 35 億年前生命已在地球的大海中出現(xiàn)， 陸地上的植物生物出現(xiàn)在四億年前， 而人類在二百萬年前才離開非洲的樹林進(jìn)

54、入草原， 而近 數(shù)十年，才進(jìn)入能用電磁波與外太空文明聯(lián)絡(luò)的通訊文明 階段。簡而言之：新行星出現(xiàn)后，約需 11 億年才能孕育出生命。 通訊文明又得再經(jīng) 35 億年才發(fā)展出在地球上的生命體中，人體內(nèi)最主要的十二種化學(xué)元素（氧、碳、氫、氮、鈣、磷、鉀、硫、 鈉、氯、鎂、鐵） ，占體內(nèi)元素比例的 99% 以上，同樣的這十二元素，也占地球其他生命體 內(nèi)元素的 99% 以上。另脊椎動物在胚胎初期，其外形與結(jié)構(gòu)皆神似，這是否可視為這些生 命體同源的證據(jù)？ 我們假設(shè)外太空文明的生命與科技發(fā)展的歷程與地球相似。 但適合生命孕育及文明發(fā)展的環(huán) 境為何？生命區(qū)（生命-區(qū)域/ecosphere與適合E.T.居住的太陽

55、系 其他太陽系生命體只能在行星上生存與演化。我們是否有其他太陽系存在的證據(jù)？ 行星體積小，主要以反射 太陽 的光為主，另由地球觀測 ,行星被其 太陽 所發(fā)出的強(qiáng) 光所淹沒 ,目前并無直接觀測 間接證據(jù) :恒星的視運(yùn)動 （居中的大量的移動 ） 當(dāng)恒星有伴隨之行星時 ,由地球看去 ,恒星會繞系統(tǒng)的質(zhì)心運(yùn)動 （參見恒星視運(yùn)動之示意 圖）,其情形與雙星系統(tǒng)類似 ,但視運(yùn)動效應(yīng)極小 ,估計大約只有 0.001 秒角的變化 ,偵測極為困 難.偵測其杜卜勒效應(yīng) （Doppler shift 檢測 ）由地球看出去 ,恒星繞行與行星所形成的質(zhì)心 ,其光譜會因恒星行近與遠(yuǎn)離我們,而衍生可被偵測的杜卜勒位移.經(jīng)許多

56、研究群數(shù)年的觀測，1995年宣布51 Pegasi（典型的實驗數(shù)據(jù)）的 周圍有行星存在 （最早的發(fā)現(xiàn)者為 Michel 市長與 Didier Queloz）, 截至目前為止陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的外 行星計有 :47 Ursae Majoris51 釘55 CancriTau BootisUpsilon Andromedae70 VirginisHD 11476216 Cyg BRho Cr B生命區(qū)由星光光譜可知， 宇宙各處的元素相同。 采較主觀的觀點(diǎn)， 適合地球生物生存的溫度區(qū)間為 200K 與 375K 之間，分別為極區(qū)與海底火山溫泉的溫度。我們預(yù)期行星的表面溫度， 如在此范圍之內(nèi)就有孕育生命的機(jī)會。 如行星的能源全靠其太陽 提供，在 太陽系 的生命區(qū) 范圍內(nèi)的行星稱為 適居行星 。1、適合E.T.居住的太陽系地球形成后，經(jīng)過了 46億年才有所謂通訊的文明的存在，故在主序星中 O,B,A與F型星 的主序生命期（gift）或表格形式）過短,孕育通訊的文明的機(jī)率過小 ，故只須要考慮 G,K,與 M 型的恒星 .M 型星的生命區(qū)過小 ,恰巧有行星在這區(qū)間的機(jī)率不高 ,另如此靠近恒星的行星 ,可能會 受潮汐鎖定的影響 ,而永遠(yuǎn)以同一面面向