第二章物理学的两个前沿

第二章物理学的两个前沿16第二章物理学的两个前沿从十七世纪以来，物理学的理论和研究方法不断地向其它学科移植渗透，对其它学科的建立和发展起到了有力地推动作用。这种趋势在二十世纪三十年代以后明显地得到增强，相继产生了一系列物理学的新部门和边缘学科，如量子化学、生物物理学、天体物理学和广义相对论宇宙学等等，这些学科大多数也成为现代物理学发展的前沿，并且给现代科学技术的发展提供了新思路和新方法。二十世纪的物理学呈现出高速发展的状况，其内容之丰富，思想之深刻和观念之新颖，远非过去物理学发展的各个历史时期所可比拟。现代物理学远远超出了宏观物体缓慢运动的范围。从微观领域来说，人们的研究已经深入到原子内部、基本粒子内部，发现了大小不断减小、能量不断增加的许多连续的层次原子、原子核、基本粒子、夸克等。目前还无法预见这个层级链条有没有一个终端。从宏观领域来说，人们的视野已经扩展到半径为150亿光年的宇宙范围，依次突破了银河系、星团、星系和总星系的领域。物理学的一系列成果在理论思想上突破了原子不可分、元素不可变的观念、运动只具有连续性的观念、绝对时空观念以及机械决定论的局限性；提出了量子态、波粒二象性、几率决定性、四维时空与弯曲时空、实物与场的联系和转化以及宇宙膨胀的思想，物理学基本观念和理论基础发生了质的飞跃。§2-1粒子物理学（微观理论）粒子物理学是探索物质组成的基本学科，又叫高能物理。人们常通过高能物理实验的手段取得实验数据，再验证理论。1897年汤姆逊发现电子。1911年卢瑟福用“散射实验”证实原子是由原子和原子核组成。1932年又确定原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成，同年还发现了正电子。之后，人们制造了高能量的加速器来加速电子或质子，用它们作炮弹轰开了中子、质子等，以期了解其内部结构，在剧烈的碰撞过程中产生了许多粒子。现在已经发现的粒子有400多种，绝大部分都是不稳定的，不能在自然界中长期存在，只能在高能质子或电子与原子核碰撞或者互相对撞的过程中产生。早期的加速器都是加速粒子去打固定靶，这种碰撞方式的有效能量比入射粒子的能量要小得多，在高能量的情况下更是如此，因为大部分的能量都耗费在质心运动上了。后来就发展了对撞机，即使两束能量相同的粒子相对进行碰撞，由于这时质心的速度为零，因而粒子的全部能量都能有效地被利用。从20世纪30年代发明加速器以来，加速器的能量提高很快，大约每十年增加一个数量级，30年代为Mev量级，90年代则达到了Tev量级。目前正在建造的能量最高的加速器是欧洲核研究中心的大型强子对撞机（LHC），两束质子的最大能量各为8Tev，对撞机能量为16Tev。目前研究粒子性质的加速器最大能量只达到310Gev（010Tev）量级，离物理学的大统一时代，即物理学的绿洲所需的能量1510Gev量级差12~13个量级。当加速器达到这样的能量水平后，展现在我们面前的将是宇宙的起始状态。中国科学家为粒子物理的研究作出了重大的贡献。1959年以王淦（gan）昌为首的中国科学家，用前苏联联合原子核研究所的10Gev的加速器发现了反西格玛负超子，为粒子物理的研第二章物理学的两个前沿17究做出了重要的贡献。1974年丁肇中（S.C.C.Ting）和里克特（B.Richter）领导的实验组分别发现了/J粒子。美籍华人科学家蔡永赐以“可能存在的重轻子”为客体，建立了有关的理论体系，对子的发现做出了重要的贡献。1991年8月至1992年2月，由我国科学家和美国科学家组成的协作组，在北京正负对撞机（BEPC）上利用北京谱仪（BES）对子的质量进行了精确的测量。1995年3月2日，在美国费米实验室的CDF实验组工作的我国20余位科学家宣布发现顶夸克。已被发现并且确认的粒子有400多种，还有300多种已发现而未被确认。几乎每一种粒子都有它的反粒子，正、反粒子的存在反映了物质世界的一种基本对称性——正反粒子对称性。既然有反粒子，就有反物质存在。1961年用30Gev的质子打铍靶发现了反氘核d，后来发现了____3H、_____3He，正电子绕着这些反核运动就可能形成反原子、反物质。1996年1月，西欧核研究中心（CERN）用反质子和正电子合成了反氢原子。根据现在的认识，粒子和反粒子、物质和反物质在强作用和电磁相互作用中是对称的，即遵守相同的物理规律。我们生活的物质世界是正物质为主，天体中可能存在反物质的世界，1998年6月升空进行实验的阿尔法磁谱仪，主要就是用来探索太空中的反粒子和反物质。根据参与相互作用的情况可把粒子分为三大类（见1.2.2物质存在的基本形式）。描述粒子特征的常用基本物理量有：质量（静止质量）、电荷（为e的整倍数）、自旋、寿命。实验证明，在粒子产生和湮灭的各种反应过程中，有一些物理量是保持不变的，如：能量、动量、角动量、电荷、轻子数、重子数等。§2-2天体物理学（宇观理论）宇宙包括一切天体所占据的空间，包括一切以各种形式现在的物质。“宇”指无限的空间，“宙”指无限的时间。自古以来，地球上的人们在夜晚仰望星空，总是情不自禁地要了解地球之外的一切——浩瀚的宇宙，用尽自己一生所有的经验和智慧，尽情地想象着宇宙的过去、现在、将来。现在宇宙学的成功使人们坚信：宇宙是统一的，服从统一的规律，因此也是可以被人类认识的。尽管人类几乎没有离开地球，尽管人生短暂能力有限，但人们可以根据从地球上探知的知识加上合理的理性思维去了解和解释那浩淼的宇宙。引力相互作用是最弱的，但在大尺度的天体、天体物理、宇宙学中，引力占主导地位，其作用无可匹敌。研究宇宙学必须用相对论的引力理论。1948年伽莫夫在相对论引力理论基础上提出大爆炸宇宙模型，一直到1965年彭齐亚斯和威尔逊发现3K背景辐射，大爆炸宇宙模型才被人们接受，成为最成功的宇宙模型。以后，天文观测的重大收获和广义相对论理论研究的一系列重大成就相互促进，引发了宇宙学研究的高潮，宇宙学成为自然科学的前沿，汇聚了各个学科的研究成果，也对各学科提出了许多新课题。宇宙学知识已成为自然科学的基础学科。量子力学可帮助人类认识宇宙由“无”中生有所经历的演化过程；以及介绍以量子论和广义相对论为支撑、以当代天文学观测研究为基础的大爆炸理论，即常称之“宇宙大爆炸标准模型”。按照理论设想，宇宙起源于一百数十亿年前的一次大爆炸，宇宙诞生前是处于空无一物的物理真空，各种相互作用统一在一起。依照量子论，“无”的真空状态中仍然有扰动存在，正是这种“无”中的扰动，使宇宙诞生了，并产生了大量的粒子。第二章物理学的两个前沿18宇宙诞生后，到4410秒，发生了引力和其它相互作用的分离。到3610秒，发生了强力和其它相互作用的分离。到1010秒，又发生了弱力和电磁相互作用的分离，成为四种相互作用并存的世界。到610秒，开始合成强子。到210秒时，宇宙象一盆质子、中子、电子和光子等粒子组成的极密集的宇宙“汤”，其温度高达1110K。在大爆炸中，每一个粒子都离开其它粒子快速飞奔，宇宙迅速膨胀，温度急剧下降。在大爆炸后约3分钟，宇宙温度降到910K，这时中子和质子开始合成轻原子核，其中氢核约占73%，氮核约占27%。又过了几十万年，宇宙的温度降到3000K，原子核开始与电子结合形成稳定的原子，从此一直被电子搅乱的光开始得以直线前进，这时就是宇宙的放晴。原子组成的气体由于引力作用而形成气团，当时由于宇宙中的物质密度分布不均匀，密度较高的部分因引力而收缩，在宇宙诞生后大约10亿年之间就出现了原始星球和似星球等天体。大约在120亿年前银河系诞生，距今约16亿年前，我们的太阳系诞生了。广义相对论推测，现在的宇宙空间仍然保持着持续膨胀的状态。大爆炸模型能够统一地说明较多的观测事实。它们主要是：（1）大爆炸模型认为所有恒星都是在温度下降后产生的。因而任何天体的年龄都应该比其温度下降至现在这段时间为短，即小于200亿年。各种天体的年龄测量证明了这点。（2）在本世纪最初的二十年里，斯里夫尔（.VSlipher）在劳威尔天文台曾仔细地研究过星系的光谱。发现光谱有有红移现象，就是整个光谱结构向光谱红色一端偏移的现象。观测结果还发现红移大体与距离成正比关系。这种现象用多普勒效应来解释，就是宇宙膨胀的反映。（3）观测表明，现今星体中主要物质还是氢和氦。不论是老年恒星、中年的象太阳这样的恒星或年轻多的恒星的氦丰度差不多都是一样。按质量算，氦占24%。用恒星核反应机制是不足以说明的，而大爆炸理论认为，氦元素基本上是大爆炸后几分钟宇宙温度在910K时由质子的聚变形成的。但这一炽热状态时间不长，由此可算出这种反应产生的氢和氦的丰度的质量比红为75比25。这一比值半小时后就被一直保持下来了。今天实测的氦丰度和这一理论的预言相符。是大爆炸模型令人信服的证据之一。（4）1964年彭齐亚斯（.Apenzias）和威尔逊（.Rwilson）在贝尔实验室用他们新制成的非常灵敏的微波天线和卫星进行通讯联络时，发现无论天线指向何方，总会接收到微波段的噪声。他们公布了这一发现后，普林斯顿的科学家们马上就意识到了这一发现可能就是大爆炸的遗迹而称为“宇宙背景辐射”。接着其他人也作了类似的测量，并测出了不同波长噪声的强度。这一强度分布正好和绝对黑体的温度为2.7K时发射的辐射谱的强度相同。1949年伽莫夫在提出大爆炸理论时曾指出，由于早期物质和辐射达到热平衡，具有黑体谱。辐射和物质脱离耦合后，温度虽下降但其谱型仍为黑体，残存至今，仍应有3K宇宙背景辐射。实测结果和伽莫夫的预言的相符是大爆炸理论的又一个令人信服的证据。大爆炸理论是目前最成功的一种宇宙理论，不过在星系形成和各向同性的起源等方面，它还有一些尚待解决的难题。由此上所述知，可用温度计作计时器来描绘宇宙的演化图象，在表21左箭头给出了用温度所示的宇宙演化时间表。若我们在表21的右侧再往上画一个箭头，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。右箭头说明人类利用加速器把物质打开、探索物质组成的历程和目前达到的水平。想把这个箭头继续往上延伸，则有赖于科学技术的发展。这左右两个箭头说明了天体物理和粒子物理这两个物理学前沿理论从两个极端探索物质世界的奥秘，得到的结论是一致的。从而充第二章物理学的两个前沿19分地体现了物理学的和谐、完美和对称。一位物理学家把物理学上的这种和谐、统一用一条龙清晰完美地展现出来，如图2-2-1所示。表21宇宙演化时间表温度（K）能量（ev）时间（s）物理过程321028104410普郎克时代粒子产生281024103610大统一时代重子不对称性产生1310910610强子时代大量强子产生1110710210轻子时代轻子过程951055105ee湮灭中子自由衰变9105103分钟核合成时代4He等生成34100.45410年复合时代--中性原子生成-太阳系形成2.743101010年现在人类进行科学实验方兴未艾的粒子天体物理学。粒子物理学的研究对象是粒子，其尺度范围小于1310cm，质量小于2310g，也称为微观物理学。天体物理研究的对象是宇宙间的星体乃至整个宇宙，其尺度范围大于1910cm，质量大于3910g，也称为宇宙物理学。然而这两门研究对象完全不同的学科从80年代初开始奇迹般地熔为一体，诞生了一门新科学——粒子天体物理学。图2-2-1第二章物理学的两个前沿20粒子天体物理学研究研究范围极广，例如：暗物质的本质；对来自太阳和超新星的中微子的观测；中子星附近的强大的加速机制的证据，以及关于对我们今天看到的数十亿光年的宇宙大尺度结构的形成起着重要作用的宇宙创生的量子涨落和拓扑结构的假设等问题，都是粒子天体物理的观测结果的范围。由于这一新学科的形成，天体物理的观测结果正用于解释粒子的属性，而同时粒子物理和实验技术把宇宙的耀眼部分和不可视部分展示出来。粒子天体物理学可分为粒子物理和宇宙学、粒子物理与恒星物理、高能天体物理与粒子物理三个领域。