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1、物理学对物质世界的基本认识前面几章已介绍物理学的一些基本原理，本章将从更一般的角度上介绍物理学对宇宙物质世界的基本认识。,8.1物质世界的层次、形态与基本相互作用,在人类已研究的物质客体中，空间尺度跨越了42个数量级（如图8-1-1），可分为宇观、宏观、介观、微观诸层次。,图8-1-1,8.1.1 物质世界的层次,微观系统分子、原子尺度以下的物质客体。宏观系统人体尺寸上下几个数量级范围内的物质客体。介观系统介于宏观与微观之间的物质层次。宇观系统大于宏观层次的物质客体。从宏观角度看，物质内部结构连续、而宇宙不连续。从宇观角度看，整个宇宙的物质密度均匀。从微观角度看，物质内部结构则不连续。微观客体
2、是构成宏观物质的基本单元如原子、原子核和基本粒子。物质由分子组成，分子由原子组成，原子又由原子核和绕核运转的电子组成。原子核由核子（质子和中子）构成，核子的组成单元是夸克。还有传递各种作用力的基本粒子如光子、w粒子、Z0粒子、胶子和引力子。各种各样的宏观物质最后归结于若干个基本粒子所组成。,介观系统物理学的一个新的研究领域。介观体系分为亚微米体系（尺寸0.11m）、纳米体系（约1100nm）和团簇（含几十到几百个或上千个原子、分子、离子的聚集体，典型尺寸小于1nm，大的尺寸也可达几十纳米）。在这些介观体系中，出现了许多既不同于宏观物体也不同于微观体系的奇特的现象，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表
3、面效应等性质。宇观世界是万有引力起主要作用的世界。按尺度规模，天体可分为四个层次：行星层次、恒星层次、星系层次和宇宙整体。,8.1.2 物质存在的基本形态人类对物质的认识，首先是“实物”即原子、分子组成的各种固体、液体和气体，有固定的质量，看得见，实实在在。场是除实物以外的另一种物质实在。,目前认识的物态有固态、液态、气态、等离子态、超密度态、反物质态和真空态7种。固、液和气态是常见的。等离子态是由足够数量的正负带电粒子组成、运动受电磁力支配的物态。它存在于电弧、日光灯、高空电离层和极高温度下的物体系统（如热核反应）中，也是宇宙物质存在的主要形式（恒星内部）。晚期恒星的物态是超密度态,如白矮星
4、密度高达105106g/ Cm3,中子星密度更高达1014 1016 g/cm3。,反物质态是由反粒子构成的物态，如反质子和正电子组成反氢原子。真空态是物质存在的最低能态，物理意义上的真空并非“一无所有”。此外，在宇宙中还存在有大量的暗物质。暗物质可分两类:一类是利用天体发射、吸收、反射、折射或散射电磁波的特性，可探测到的天体物质，因为太远或辐射太弱而看不见。另一类是不会发光而与电磁波无缘的物质，它们对各种波长的光是完全透明体，但具有万有引力,这才是真正的暗物质。这类暗物质占宇宙总质量的95%以上。,场是宇宙中另一种物质形态，如电磁场、引力场。场的物质性表现在：（1）有能量、质量、动量，在场中
5、进行的过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等规律。（2）也以时间和空间为其存在的基本形式。（3）场与实物可以相互转化，如光子在一定条件下可以变成正负电子对，反之亦然。但场与实物的根本差别在于：实物粒子如电、质子、中子具有不可入性或定域性，两个实物粒子不能同时占据同一个空间；而场具有可叠加性或弥散性；场的粒子如光子没有静止质量，在真空中的传播速度不变，而实物粒子有静止质量且运动的质量与速度有关。场和实物粒子从不同侧面反映了宇宙世界的物质性。,从量子场论观点看，量子场才是物质的基本形态。各种基本粒子都可以引进相应的量子场，量子场是具有波动性和粒子性相结合的客体。场的最低能态称为基态，其他能态为激发
6、态。,量子场的激发表现出相应粒子的产生，退激表现出粒子的湮没。互为复共扼的两种激发态表现为动量和质量相同的正、反粒子状态。量子场可分为三种基本场即实物场、媒介场和希格斯场。实物场所属的粒子有夸克和轻子（包括电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子）。媒介场所属粒子有光子、胶子、引力子和W+、W-、Z0粒子。希格斯场所属粒子是希格斯粒子，希格斯粒子的作用是负责给所有粒子提供质量。所以，物质存在归结于场，物质粒子是场的一种特殊形态。如电子和正电子从属于电子场，是电子场的量子。电子场的激发表现为正电子和电子的产生，电子场的退激表现为电子和正电子的湮灭。退激的能量又使电磁场激发，产生一对光子。光子
7、从属于光子场即电磁场，是电磁场的基本粒子。其他物质粒子类似，是它们所从属的量子场的激发，量子场的量子即粒子。量子场是基本的，粒子是派生的。断续的粒子和连续的场统一于既有微粒性又有波动性的量子场中。,8.1.3 真空物质存在的一种状态1.狄拉克关于真空的解释根据相对论能量动量关系:E2=(PC)2 + m02C4 （8-1-1） 狄拉克结合相对论和量子力学，建立了狄拉克波动方程。由该方程得出的解有四个波函数，对应电子的四个状态。其中两个波函数对应两种自旋取向的电子正能态，另两个波函数则对应于电子的“负能态”。对电子每一个量,由（8-1-1）式，能量有两个值即E= （8-1-2）,在经典力学中，不
8、存在负能量物体。狄拉克认为，在量子力学中负能量有物理意义。,由（8-1-2），可得到电子能级如图8-1-1所示，能量从- 变到-m0c2，又从+m0c2变到+ ，但不在-m0c2与+m0c2之间。正能态电子由实验可观察，而负能态电子从未观察到。狄拉克假设，负能级都被电子填满了，正能态电子无法进入。这种“负能电子海”叫真空。“真空”是一种负能态被填满而正能态全空着的状态，什么也,观察不到。只有当负能电子海中少了一个电子即出现一个“空穴”时，才表现出可观察效应。即少了一个电荷-e能量-mc2的粒子，相当于多了一个电荷+e能量+mc2的粒子。负能级中空穴又会被其它负能电子填充，于是出现空穴的运动，表
9、现为带正电（+e）粒子的运动。这个与电子等质量、电荷为+e的粒子叫做“正电子”。如果给真空中负能态电子以大于2 m0c2的能量（如光子能量），则可使其激发至正能态，于是出现可观察的正负电子对。,图8-1-2,反之，正负电子对相遇时会同时消失，继而转变成光子。这一过程称为正负电子对湮没。,2.关于反粒子按照狄拉克理论，真空并非“空无所有”，而是一种负能粒子海。狄拉克预言，每一种粒子都会有相应的反粒子。1932年，安德森在研究宇宙射线时发现了正电子。1955年，美国的张伯伦塞格雷小组发现了反质子，不久又发现了反中子。1961年，美国布鲁克海汶实验室发现了反氘核。1956年，我国著名物理学家王淦昌发
10、现了反西格玛超子。以后其他许多基本粒子的反粒子也陆续被发现。反粒子与其对应的粒子的质量、自旋、平均寿命、磁矩的大小都相等。如果带电，则两者的电荷相反。磁矩和自旋方向也相反。各种粒子与反粒子相遇会发生湮没而而转化为其它粒子，如正负电子对湮没产生2个光子，不同能量下的质子和反质子相遇湮没可转化为介子或光子等各种各样的粒子。,3.真空量子场的基态按量子场论，物质世界由各种量子场组成。这些量子场系统的能量最低态（基态）就是真空。物理真空好比一个蕴含着无穷大能量的大海，所有物理反应都在大海的上空进行。由于激烈的物理反应，会扰动“海面”，一些“浪花”从海中溅出并参与“海面”上空的反应。这就是所谓的真空激发
11、。根据海森伯不确定关系，在真空的细微时空区域，能量不确定度会很大，将出现能量“涨落”。如果涨落的能量超过电子静止质量的两倍，就可能引起正负电子对的产生。但这种电子对只存在于细微的时空区域，所以是虚粒子对。如果涨落的能量更大，将可能产生更大质量的虚粒子对。若外界不提供能量，这些虚粒子对会迅速湮没。当外界提供足够能量时，真空就会被激发，而表现出可观察的粒子效应。因此，真空是物质存在的一种状态，是量子场的基态。,8.1.4 物质的基本相互作用(1).引力相互作用 引力是存在于任何两个物质客体之间的吸引力，是一种长程力。重力是地球对地面及地面附近的物体的引力，这种引力如此明显是由于地球质量十分巨大的缘
12、故。宇宙中天体的质量很大，因此天体之间的相互作用表现的是引力。理论研究认为，引力相互作用是由一种称为“引力子”的媒介粒子（类似于光子）来传递的。但目前还没有观察到引力子。(2).电磁相互作用 电磁力是带电粒子或宏观带电体之间的作用力。两个点电荷之间的作用力遵循库仑定律。库仑力比万有引力强得多。运动的电荷之间除了有电力外，还会有磁力相互作用。磁力和电力具有同一本源。因此，电力和磁力统称为电磁力。电磁力是一种长程力。电磁相互作用是通过电磁场传递的，电磁力的传递速度是光速。如果说引力相互作用支配着天体的运行，那么电磁相互作用则支配着原子与分子的世界。,(3).强相互作用。存在于质子、中子、介子等强子
13、之间的作用力称为强力（强力作用占压倒优势的粒子叫强子），表现的是强子之间很强的相互吸引。这种力把中子和质子结合成核。轻子如电子之间不会有这种作用。强力是短程力，作用范围小于10-15米。在原子核内，强力占支配地位。夸克是组成质子和中子等粒子的更基本的粒子，强相互作用是使夸克结合成质子和中子等粒子.强相互作用是通过一种称为胶子的媒介粒子来传递的。(4).弱相互作用。费米认为，-衰变的本质是核内中子变为质子，+衰变相反。中子与质子可看成核子的两个状态，它们之间的转变相当于不同量子态的跃迁，在跃迁过程中同时放出电子和中微子。导致产生光子的是电磁相互作用，导致产生电子和中微子的则是一种新的相互作用，称
14、之为弱相互作用。弱力的力程比强力还短，而且很弱。弱相互作用只在粒子之间的某些反应（如衰变）才显示出其重要性。,弱力是由W+、W-、Z0粒子作为传递媒介的，但是这种媒介粒子的质量较大，比质子和中子的质量还大。,4种基本相互作用的特征列于表8-1-1中，按力的强弱排序，依次是强力、电磁力、弱力和引力。,表8-1-1 四种基本相互作用力的特征,8.2 物理学与宇宙观8.2.1 宇宙的总体图象与概貌1 宇宙的整体结构 银河系 太阳系按尺度规模, 宇宙天体可以分为四个层次：（1）行星层次：地球、其他行星、太阳系小天体和其他行星系统（含星际物质）。（2）恒星层次：太阳、其他恒星和恒星系统（含星际物质）。恒
15、星最近距离约41光年。（3）星系层次：银河系、各类星系和其他河外天体，星系群（几个或几十个星系构成）、星系团（几百个星系构成）等系统。最近的星系距离约106光年。星系约有1011个。（4）宇宙整体：在物理学和天文学中，常把宇宙与总星系等同看待即银河系及河外星系的总称。目前可测的宇宙范围约1.51010(150亿)光年，是人类认识所能到达的范围。,天文学观测表明，宇宙中的物质分布有强烈的结团性，从而形成了行星、恒星、星系、星系团。在太阳周围约十万光年的范围内聚集大约1011颗恒星，即银河系。在银河系外，还有大量光点，它们并非恒星，而是类似银河系的恒星集团（星系）。星系的形状各不相同，有球型的，椭
16、球型的，旋涡型的，棒旋型的，还有许多稀奇古怪的不规则型。,球形星系,漩涡星系,棒旋星系,在108光年的宇观尺度下，宇宙物质的分布是均匀和各向同性的。宇宙很简单，是以星系为“分子”组成的“均匀气体”。好比一箱密度均匀的气体，尽管原子的质量集中在很小的原子核上，但从宏观上看，气体的分布是均匀的。按宇宙学原理，所有星系都是平权的，宇宙没有中心。银河系是一个包含1011个恒星的庞大的“旋涡星系”，恒星分布象一个扁平的铁饼，直径约万光年，中间凸起部分直径约万光年，外部由几条旋臂构成，我们的太阳位于离银心约.万光年的一条旋臂上。,太阳系以太阳为中心，周围有九大行星绕其转动，从里到外依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。行星周围还有卫星绕其转动。行星运行轨道为椭圆，绕太阳公转，大体上在一个平面上且公转方向一致。除金星外，都以同一方向自转。,太阳的质量占太阳系总质量的.。太阳周围还有数千个小行星、彗星。这些星体构成了太阳系。人类所在的星球地球从属于太阳系。人类能够幸运地出现和生存在地球上，主要因为：（）地球离太阳的距离适当，近则太热，远则太冷。（）地球大小适当，引力能维系着厚度适当的大气圈。,
