第一章、物质世界的基本图象

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1、第一章 物质世界的基本图象4第一篇 万物之理物理学是研究物质运动基本规律的一门基础学科，是严格的、定量的自然科学的带头学科。物理学描绘了物质世界的一幅完整的图象，它揭示出各种运动形态的相互联系与相互转化，充分体现了世界的物质性与物质世界的统一性。第一章 物质世界的基本图象1-1物质世界的层次和数量级物理科学涉及范围极广，它既研究人们身边发生的物理现象，也研究宇宙天体的运动及构造，还研究微观领域中物质的运动规律。物理学是一门定量的学科。在研究和学习物理学中，需要常常对各种事物做粗略的数量级估计、留心查看尺度大小的变化所产生的物理效应，因而对各类物理量的数量级的了解是非常必要的。1.1.1 科学记

2、数法把一个物理量的数值写成一个小于 的数字乘以 的幂次，用 的正幂次代表大数，用101010的负幂次代表小数。这种记数方法叫科学记数法。10在科学记数法中幂指数相差 ，即代表数目大 倍或小 倍，这叫做一个“数量级” 。下表给出国际单位制中表示数量的词冠。表 国际单位制所用的词冠1数量级 英文名 缩写符号中译名 数量级 英文名 缩写符号中译名102369102518204decintmilroapicfentoztycf分厘毫微纳诺皮可飞母托阿托仄普托幼克托102369102518204decahtokilmgiaterpxztayoMGTPEZY十百千兆吉咖太拉拍它艾克萨泽塔尤塔第一章 物质世

3、界的基本图象 51.1.2 空间尺度人类选择了与自身大小相适应的“米（m） ”作为长度的基本单位。从物理研究对象所涉及的物质世界的空间尺度来看，最大的尺度是宇宙，大约为 米（约 亿光年） ；最小的尺度26105是夸克，大约 米，空间的尺度跨越了 个数量级。表 列出了物质世界中部分实物空1804间尺度的数量级。太阳与地球的距离是地球半径的两万多倍，定义为 天文单位（ ） ，精确值为Au米。太阳系的直径约为 天文单位，即 米的数量级。太阳系外的11.49572Au8013天体距离通常用“光年” （light year）表示，即光在一年里所走的距离，大小为：光年 米 米。159.460316表 物质

4、世界的空间尺度2长度 米（m）长度 米（m）电子和夸克质子的半径（强作用力程）电子的康普顿波长原子的半径病毒的半径，可见光波长巨型阿米巴的半径昆虫的长度人体的高度红杉树高度珠穆朗玛峰的高度1805210742014地球的半径地球到月球的距离太阳的半径地球轨道的半径（ ）1Au太阳系的半径到最近恒星的距离银河系的半径星系团的半径超星系团的半径可探测类星体的最远距离708913062134026现代天文观测表明，星系普遍存在光谱红移现象，说明宇宙是处在膨胀过程中，从宇宙诞生到现在，宇宙延展了 光年以上，即 m 以上。太阳系是银河系中很小一部分，银河系102610的直径约为 光年，离银河系最近的星系

5、（小麦哲伦云）的距离约为 光年（即47.5 51.0m） 。人类能观测的距离极限哈勃半径是 m。现在宇宙中存在着 亿个以上21.0 26的星系，银河系是其中之一，我们的太阳是组成银河系的大约 亿颗恒星之一，太阳系只0是宇宙中的沧海一粟。物质可以小到什么程度， 庄子.天下篇中说“一尺之棰（即木棍） ，日取其半，万世不竭。 ”说的是物质世界向小的方向可以无限分割下去。现代物理告诉我们宏观物体是由各种分子原子组成，原子的大小为 m 数量级。原子核是由质子和中子组成，每个质子和中子的大小10约为 m，大概是原子大小的 1/100 000。原子核比质子或中子大的倍数依赖于原子核中包150含多少个质子和中

6、子。但是，原子核比 m 仍大不了多少。质子和中子又由更为基本的粒子15第一章 物质世界的基本图象6夸克所组成。目前物理学公认的组成物质的最小单元是夸克（quark）和电子。用间接的方法得知，夸克和电子的大小将小于 m。180物理学按照空间的尺度把物质世界分为“宇观体系” 、 “宏观体系”和“微观体系” 。 从大尺度探索宇宙的奥秘，相应的物理学是“天体物理学” 。将大小在人体尺度上下几个数量级范围之内的客体叫做“宏观体系” 。在物理上把原子尺度和小于原子尺度的客体叫做“微观体系” ，从小尺度探索物质的组成，相应的物理学是“粒子物理学” 。宏观尺度比微观尺度大了七、八个数量级，按体积算，则要大，即

7、宏观8324(10)系统中包含了非常多的微观系统。微观系统与宏观系统最重要的区别是它们服从的物理规律不同。如低速运动的宏观系统服从牛顿运动定律，而微观系统则要用量子力学来处理。在现代科技中，人们已能制作长度在微米（ ） 、m线宽在纳米（ ）数量级的微电子器件，在这种尺度的样品中包含的原子数目的数量级为n，基本属于宏观范围，但它要表现出微观系统的量子效应，因此将这种呈现出微观特810征的宏观系统，叫“介观体系” 。1.1.3 时间尺度时间表征物质运动的持续性，最长的时间是宇宙的年龄，约 秒（即 亿年） ；最小的1805时间间隔是硬 射线的周期，约 秒。人类研究所涉及的时间范围见表 2710 3表

8、 物质世界的时间尺度3时间间隔 秒（s） 时间间隔 秒 （s）和 粒子的寿命0ZW超子的寿命介子的寿命可见光辐射的周期超子的寿命A介子的寿命子的寿命最高可听见声音的周期钟摆的周期25190651086401自由中子的寿命地球自转的周期（天）地球公转的周期（年）人类文明史古人类出现至今恐龙灭绝至今地球的年龄宇宙的年龄质子的寿命31057145017839图 1-1-1 空间尺度与物理学体系第一章 物质世界的基本图象 7由现代的标准宇宙模型知，宇宙是在大约 年前由“无” 中大爆炸诞生的，即宇宙9150的年龄具有 秒的数量级。银河系大约在 年前诞生，现在是一个直径约为 万光年180210的巨型涡旋星

9、系。太阳的年龄约 年，地球的年龄为 年（即 秒数量级） 。地95094.617球诞生后，距今 年（ 秒）前形成了富氧的大气层；大约距今 年前出现鱼8716 84类和陆生植物；约 年（ 秒）前恐龙绝灭，后哺乳类出现；古人类出现在距今76.年（ 秒）前；人类的文明史只有 年（ 秒） ；人的寿命通常不到一百145.214 501年（ 秒） ；地球公转的周期为一年（ 秒） ，自转的周期为一天（ 秒） ；907345.610百米赛距的世界纪录具有 秒的数量级；钟摆的周期是 秒；市电的周期为 秒。02在微观世界的常见粒子中。光子、质子、中子是稳定的，质子的寿命约为 秒，中子的39寿命约为 分钟（ 秒） 。

10、 子寿命的数量级为 秒 。按量子力学中的海森堡不确定15361关系，寿命长于 秒的粒子都算是相当稳定的。20凡已知其运动规律的物理过程，都可以用来作时间的计量。通常采用能够重复的周期现象来计量时间，如：地球的公转和自转，月球绕地球的公转，摆的周期运动等。随着，人类对微观世界认识的深入，以及微波技术的发展，现已利用某些分子或原子的固有振动频率作为时间的计量基准。1967 年第 13 届国际计量大会决定采用铯原子钟作为新的时间计量基准，定义 的长度等于与铯 原子基态的两个超1s13精细能级之间跃迁相对应的辐射周期的 倍。9,26,70铯原子钟测量准确度达 秒。2101.1.4 温度温度在宏观上反映

11、了物体的冷热程度，在微观上反映了组成物体的分子的无规则运动的剧烈程度。多亿年前宇宙在大爆炸中诞生时，它的温度在10以上。随着宇宙膨胀，它急剧地冷却，几分钟后温度39K降到 ，宇宙中 核出现；几十万年以后温度降到4He，原子出现，宇宙变得透明。今天宇宙的温度已冷4却到 （微波背景辐射的温度） 。温度变化见图 1-1-2.752。太阳中心温度是 ，是热核聚变所需的起码温度。710K太阳表面的温度是 ，难熔金属的熔点略低于此，但都6在 数量级。地球表面的平均温度为 ，即 左310K015C28K右。在一个大气压下，氧、氮、氢、氦的液化温度分别为、 、 、 。当代科学实验室里能产生的最9724高温度是

12、 ，最低温度是 ，跨越了 个数量级。886作为生命之源的液态水，只存在于 狭窄温区内。人类生活环境的温度在37（ ）上下几十度。若由于大气中的 含量增加而产生的温室效应使平均气30C032co图 1-1-2 温度大观第一章 物质世界的基本图象8温升高 的话，海平面将上涨 米，可造成农业减产 ，将使十亿人背井离乡。在地03C5225%球发展史上多次出现了冰河期，平均温度仅降至 左右，就使大批物种灭绝。我们生存的01C家园地球生物圈，在温度变化面前是何等的脆弱！1.1.5 质量物理学研究的对象就是客观物质世界，因此一切物理量都应该是物质的量。例如，微观粒子的质量、自旋、宇称、电荷、重子数、轻子数等

13、等都是物质的量，它们分别表征了粒子的惯性和参与不同相互作用的性质，一种粒子的“物质的量”可以认为是所有这些物理量的总称。在这个意义上，物质的量同每一种具体的物理量，是一般和个别的关系。而在另一种意义上，还存在一种不反映任何具体的物质属性的纯粹抽象的“物质的量” ，它是一种“纯粹的数量” ，只反映了这种物质对象存在的多少。现代科学中的物质的量是指以 为单位表示的粒子数， 的粒子数其测量值为阿伏mol 1mol加德罗常数。用 数来描写是抛开了一切具体的物质属性而只反映其粒子数目。所以，以千ol克（ ）为单位的质量与以 为单位的物质的量是两个不同的概念。kg质量是物体惯性大小的量度。在近代物理学中质

14、量的概念有了进一步的发展，狭义相对论揭示了质量与速度，质量与能量的关系，只是在速度甚小于真空中的光速时，运动物体的质量才等于它在静止时的质量。表 中给出了部分物质质量的数量级。14表 物质质量的数量级。质量 kg 质量 kg电子质子氨基酸分子血红蛋白分子流感病毒烟草花叶病毒区型阿米巴雨滴蚂蚁30127519038641人体土星 5 号火箭金字塔海洋中的水月球地球太阳银河系宇宙（现在知道的）21062135041531-2 物质存在的基本形式1.2.1 基本相互作用物质聚集起来，从微观粒子到巨大的星体，从细菌到人，这些自然界奥妙无穷、千变万化的物理现象都是怎样发生的？在原理上，我们可以用“相互作

15、用（interaction） ”这个概念来回答。 世纪物理学的重大成就之一就是：人们已经认识到物质世界千变万化的现象，归根到20底是通过四种基本相互作用而产生的。如表 所示。15第一章 物质世界的基本图象 9引力相互作用（gravitational interaction）：自然界中任何两个物体之间存在万有引力相互作用，它的规律由牛顿发现，称为万有引力定律。满足公式 ，其中21/fGmr是万有引力常数，公认值为： 。随着尺度和质量的增加，万有引力逐G126.70/Nmkg渐成为占支配地位的相互作用。万有引力的性质和其作用只有通过巨大的星体、及在质量巨大的空间中运动，才能够比较明显的显示出来。地

16、面上物体之间的相互作用力非常小，例如相隔米的两个人之间的引力约为 牛顿（N） ，对人的活动不会产生影响。由于地球质量非常大，17地球上的物体明显受到地球引力。引力相互作用是已知的相互作用中最弱的一种，在现今研究的粒子现象中，它可以忽略不计，然而它在宇宙的构造和演化过程中却起了主要的作用。电磁相互作用（electromagnetic interaction）：是发生在带电粒子或者带电的宏观物体之间的相互作用力。两静止的带电体之间的相互作用力由库仑定律支配。点电荷之间的库仑力比万有引力要大得多。例如两相邻质子之间的电场力可达到 ，是它们之间的万有引210N力（ ）的 倍。运动电荷之间的作用除了有电力相互作用外，还有磁力相互作用，3410N36磁力和电力具有同一本源，统称为电磁力。电磁相互作用是