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1、粒子物理基础世界是由什么组成的世界是由什么组成的 ？世界是如何组成的世界是如何组成的 ？1世界由什么构成？中国古代有元气说，和阴阳五行说在古希腊有原子说即由一种不能再分的最小基本单元“原子”构成亚里士多德却认为物质是连续的。正如中国庄子、天下篇所言“一尺之棰，日取其半，万世不竭”2世界由什么组成？为什么世界上不同的物质具有相同的特征？为什么世界上不同的物质具有相同的特征？ 因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的 -简单、没有内部结构！简单、没有内部结构！从远古时代，人类就开始从远古时代，人类就开始这样想。比如认为世界是这样想。比如认为世界是由由“水、火
2、、土、气水、火、土、气”组成。组成。“基本砖块”3世界的基本砖块？原子 ？今天人们知道今天人们知道“水、火、土、气水、火、土、气”并不并不“基本基本”，它们是由，它们是由“原子原子”组成的。组成的。在在1900年前后，人们认为年前后，人们认为“原子原子”是可穿透的是可穿透的球，内部有一些电荷在跳动。球，内部有一些电荷在跳动。4“原子”是基本的吗？人们很快就发现：可以根据其化学性质把人们很快就发现：可以根据其化学性质把“原原子子”分类分类 元素周期表元素周期表这表明这表明“原子原子”有内部结构，是由更小的砖块有内部结构，是由更小的砖块组成的。组成的。519世纪未的三大发现1895年伦琴（W.C.
3、Rntgen）发现X射线1896年贝克勒尔(H.Becquerel)发现放射性1897年汤姆逊(J.J.Thomson)发现电子他们三人也因此分别获得了1901年、1903年和1906年的诺贝尔物理学奖。电子的发现对物理学的影响非常深远物理学对象从宏观转入到了微观领域6“原子原子”是由带正电的、重是由带正电的、重而小的而小的“原子核原子核”和围绕它和围绕它的带负电的的带负电的“电子云电子云”组成组成实验表明：实验表明：7“原子核”是基本的吗？v“原子核原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本的粒子。为是基本的粒子。v后来，人们发现后来，人们发现“原子核原
4、子核”并不基本，是由带正并不基本，是由带正电的电的“质子质子”和不带电的和不带电的“中子中子”组成。组成。8世界由什么组成？如何组成？最后答案We have answered the questions, What is the world made of? and What holds it together?“Theworldismadeof6 quarksand6 leptons.Everythingweseeisaconglomerationofquarksandleptons.Therearefour fundamental forcesandthereareforce carrie
5、r particlesassociatedwitheachforce9粒子的衰变和湮灭v原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核v基本粒子的衰变：一个基本粒子变成几个较轻的基本粒子10放射性的发现1800年代的晚期，德国物理学家WilhelmRntgen发现：当电子束打到金属片上时，会有奇怪的射线发出，他称之为X-射线两个月后，法国物理学家HenriBecquerel发现有些矿石（如铀）会自然的放出射线。不稳定的原子核衰变而放出射线放射性11射线的种类 射线：氦（射线：氦（helium）核（）核（2p,2n) 射线：高速电子射线：高速电子 射线：射线
6、： 高能光子高能光子 射线可以被纸片挡住射线可以被纸片挡住 射线可以被铝片挡住射线可以被铝片挡住 射线只能用铅板来档射线只能用铅板来档12铀的衰变一一大大块块铀铀的的衰衰变变（半半衰衰期期）单单个个铀铀的的衰衰变变（几几率率）13铀为什么会衰变？残余的强力把相互排斥的核子束缚在一起形成原子核微观粒子只能以几率的方式描述：量子力学核子团（比如)逃逸出原子核的几率很小；对大原子核（如铀）这种几率比较大。14衰变中的质量亏损238.0508234.04364.00260.0046u的质量亏损掉了，变成了能量！15“质子”和“中子”是基本的吗？人们发现人们发现“质子质子”和和“中子中子”并不基本，并不
7、基本， 是有更小的粒子是有更小的粒子-“夸克夸克” 组成。组成。“夸克夸克”-目前没有发现目前没有发现其内部结构，是其内部结构，是“基本基本”的的 粒子粒子16现代的“原子”图像注意：注意： “原子原子”体积的体积的99.999999999999% 是空的是空的 ！17“原子”的大小18原子的有核结构1911年汤姆逊的学生卢瑟福确立了原子的有核结构1913年卢瑟福的学生丹麦物理学家玻尔建立了量子的原子结构模型1919提出了原子核内存在中子的设想1932年查德威克确认了中子的存在1920物质的结构层次：物质的结构层次： 宏观物体宏观物体 场场 分子分子 原子原子 原子核原子核 质子质子 中子中子
8、 夸克夸克 电子电子 规范粒子规范粒子21宇观宇观宏观宏观介观介观微观微观人人地球地球山山原子核原子核原子原子星系星系星星太阳系太阳系夸克夸克天体物理天体物理粒子物理粒子物理两大尖端紧密衔接两大尖端紧密衔接DNADNA1010101010105 51010-15-151010-20-2010101515101025251 1m101020201010-5-51 1-10-10upup22宇宙形成宇宙形成23人类是认识自然界的主体“米”基本长度单位最小对象是粒子10-20m，最大对象是宇宙，哈勃半径，1022m宇宙的起源：大爆炸宇宙模型100多亿年前，大爆炸。粒子在宇宙诞生的瞬间产生，最大和最小
9、宇宙和粒子连接起来。24世界的层次宏观系统：尺度在m以上的客体因果规律，用牛顿力学或相对论力学描述微观系统：尺度在m以下的客体统计规律，用量子力学描述介观系统：呈现微观特性的宏观系统亚微米尺寸的器件，一定条件下表现出量子效应，微观特性起主导宇观系统：星系、宇宙25物质的层次结构26Electrons (10-18 m )Atom nucleus nucleon quark10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m The Component Unit of Matter27物质的层次结构世界由物质组成，物质存在的基本形式是粒子和场。目世界由物质组成，物质存在的基本形式是粒子
10、和场。目前人类所认识的物质客体的空间尺寸，其大小至少跨越前人类所认识的物质客体的空间尺寸，其大小至少跨越了了4242个数量级。个数量级。28如何实验研究粒子v今天知道的粒子的绝大部分都是不稳定的粒子，它们在宇宙形成的初期都曾经存在过，但很快就衰变掉了，要研究粒子物理，就必须产生出这些粒子，并用探测器研究这些粒子的性质。v粒子产生的方法：宇宙线对撞机v粒子探测的工具：探测器29宇宙线30对撞机（加速器）直线加速直线加速回旋加速回旋加速固定靶固定靶对撞机对撞机31当今世界上的加速器Fermilab（费米实验室，美国）SLAC(斯坦福直线加速器中心，美国)BNL(布鲁海文实验室，美国）CESR(康奈
11、尔正负电子储存环，美国）CERN(欧洲粒子物理实验室，瑞士)KEK（高能加速器研究机构，日本）DESY(电子回旋加速器，德国）IHEP (高能物理所，中国）高能物理所，中国）32粒子探测器33如何识别不同粒子34现代粒子物理实验的鼻祖:卢瑟福实验Beam: 粒子粒子Target: 金箔金箔Detector: 硫化锌屏幕硫化锌屏幕35一点历史-StevenWeinberg36观测世界的手段：总结37二十世纪的主要成就相对论与时空观念 狭义相对论,高速运动粒子 广义相对论,引力理论，宇宙学量子力学 波粒二象性,微观粒子 量子场论 描述物理世界的基本语言标准模型 物质的基本组成和基本相互作用38基本
12、相互作用引力相互作用引力相互作用电磁相互作用电磁相互作用强相互作用强相互作用 强大的核力维持原子核的稳定性强大的核力维持原子核的稳定性弱相互作用弱相互作用 导致基本粒子的不稳定导致基本粒子的不稳定, ,引起衰变引起衰变39空间空间粒子粒子2粒子粒子1媒介子媒介子时间时间粒子之间的相互作用粒子之间的相互作用总是通过交换媒介粒子来实现的。总是通过交换媒介粒子来实现的。粒子间相互作用的时空图粒子间相互作用的时空图基本相互作用40现在物理认为，粒子间的相互作用是由场传递的，是依靠交换规范玻色子来实现的。量子场论认为：（）每种粒子都有相对应的场，场没有不可入性，对应各种粒子的场相互重叠地充满全空间。（）
13、某种场能量最低的状态称为该场的基态。基态场不能通过状态变化释放能量、输出信号。表现为观察不到存在粒子。（）场处于激发态时表现为出现相应的粒子，场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态不同。（）当所有场都处于基态时，任何一个场都不可能释放能量而给出信号，都不显示粒子物理上的真空。真空并非空无一物而是充满了各种基态场。（）基态场和激发态的场都与其他场相互作用，他是粒子间相互作用的来源。粒子与场的相互关系41粒子之间的粒子之间的四种相互作用：四种相互作用：粒子的相互作用随它们之间的距离而变化粒子的相互作用随它们之间的距离而变化用力程来表示，力程用力程来表示，力程是粒子间的有效作用范围，它正比于媒介粒
14、子质量的倒数。是粒子间的有效作用范围，它正比于媒介粒子质量的倒数。42The Four Types of Interactions GravityWeak StrongElectromagnetic43相互作用的统一理论44经过某种变换之后，物理规律保持不变，这就是经过某种变换之后，物理规律保持不变，这就是物理规律的对称性。物理规律的对称性。 如果一个操作使系统从一个状态变到另一个与之如果一个操作使系统从一个状态变到另一个与之等价的状态，或者说，状态在此操作下不变，我等价的状态，或者说，状态在此操作下不变，我们就说这系统对这个操作是对称的，而这个操作们就说这系统对这个操作是对称的，而这个操作叫
15、作这系统的一个对称操作叫作这系统的一个对称操作. .什么是对称性45空间对称性与空间对称性相对称的操作有旋转、平移、镜像（1）旋转对称旋转对称 圆对于绕过其中心垂直于圆面轴o旋转任意角度的操作都是对称的。对于在圆内加一对相互垂直直径的体系，其对称操作只能是转动/2的整数倍。如果在圆环上加一个小球，其对称操作就只能是转动2的整数倍了。46（2）平移对称平移对称（3）镜象反射对称镜象反射对称通常说的左右对称，本质上就是镜象反射对称，或者说宇称(parity)，相应的操作就是空间反射(镜面反射)。47时间对称性1.时间平移对称性时间平移对称性一个静止不变或匀速直线运动的体系对任何时间间隔t 的时间平
16、移表现出不变性。对于一个周期性变化体系(单摆、弹簧振子)，对周期T及其整数倍的时间平移变换对称。2.时间反演对称性时间反演对称性把时间t 变换到 (-t)的变换叫做时间反演操作，相当于时间倒流。当然，现实生活中时间是不会倒流的。但可以想象摄制的录象带倒放时出现的情形：人倒退着走路；弥漫在空气中的烟雾逐渐被收拢到烟斗中去；。武打电视片的摄制者就是利用这一点，让演员从高处往下跳，拍摄下来倒着放，就可以表现出一个人从地面跃起，跳上高墙的场面。诗曰：君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回？君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪？这里，诗人哀叹韶华如流，人生易老，正是时间反演不对称的写照。尽管只有少数理想的
17、体系具有时间反演对称性，但确实有这种理想的体系。48标度变换对称性 所谓标度变换,通俗地讲，就是放大缩小。鹦鹉螺美丽的外壳为标度不变提供了一个很好的范例。在数学中，一条螺线，具有标度不变性的函数关系 ，这时当这个图形放大或缩小时，只需转过一个角度，就可以与原来的曲线重合。 49对称性原理(1)原因中的对称性必反映在结果中，即结果中的对称性至少有原因中的对称性那样多；(2)结果中的不对称性必在原因中有所反映，即原因中的不对称性至少有结果中的不对称性那样多；(3)在不存在唯一性的情况下,原因中的对称性必反映在全部可能的结果的集合中，即全部可能的结果的集合中的对称性至少有原因中的对称性那样多。从这个
18、原理可以看到，自然规律反映了事物之间的因果关系，其对称性即：等价的原因等价的结果；对称的原因对称的结果50微观世界的对称性1 1：洛仑兹不变性这个不变性是狭义相对性原理的数学表述，在狭义相对性原理中指出：一切惯性坐标系都是等价的，物理规律对于一切惯性坐标系都具有相同的形式，狭义相对性原理比伽俐略相对性原理更普遍。不同惯性系中的坐标可以通过洛仑兹变换联系起来，选不同的坐标系相当于施行了一个洛仑兹变换，洛仑兹不变性是自然界中很重要的对称性。2：正反粒子变换（C变换）不变性正反粒子变换有时也称电荷共轭变换，C变换不变性是指将系统中的正反粒子互换，系统的运动规律与原有系统的运动规律相同，表征变换性质的
19、量子数叫C宇称，也只有正负之分。 513：空间反演变换（P变换）不变性空间反演变换不变性也就是镜像对称性，前面已经介绍过了，这里不再赘述。在微观世界里P变换不变性将导致系统的宇称守恒，宇称是描写一个系统的状态在空间反演下的变换方式的量子数。4：时间（T）反演不变性这是一种将时间逆转的变换，即把将来和过去颠倒过来。在T变换下，产生一个粒子变成消灭一个粒子，这种变换没有相应的量子数。 5: CP联合反演不变性空间反演P和电荷共轭C联合起来的变换下的不变性，适应于绝大多数弱力过程的物理规律，中微子将变为现实世界中的反中微子。 左旋中微子-C-左旋反中微子-P-右旋反中微子左旋中微子-P-右旋中微子-
20、C-右旋反中微子但是在个别情况下，CP对称性有轻度的破坏叫CP破坏，在发现宇称不守恒的1956年就有人讨论过CP破坏的可能性，由于破坏幅度很小，直到1964年在中性K介子的衰变实验中才首次得到验证。526 6: CPT变换下的不变性把电荷共轭C，空间反演P，时间反演T这三种分立变换联合起来变换叫CPT变换，这是一个非常普遍，极其完美又十分精确的对称性，例：从它能导出正反粒子有如下的关系：有相同的质量，总寿命值相等，符号相反的电荷共轭等等。实验上对这些关系的验证也是十分有力的。 7: 同位旋空间中的转动不变性同位旋空间是一个假象的三维空间，它是在研究强作用时，通过与自旋的类比而引入的。同位旋空间
21、中的转动不变性表示同位旋空间各向同性，它将导致同位旋守恒。53对称性与守恒定律守恒定律的缘起是时空对称性。由时间平移不变性可以导出能量守恒定律，由空间平移不变性可以导出动量守恒定律，由空间各向同性可以导出角动量守恒定律。对称性原理是最高层次的定理，它凌架于牛顿定律、动量定理等这些基本物理规律之上。对某些问题，在不涉及一些具体定律之前，我们往往有可能根据对称性原理和守恒定律作出一些定性的判断，得到一些有用的信息。54守恒量守恒定律的研究占极重要地位（能量）经典物理:质量,能量,动量,角动量电荷守恒定律粒子物理:同位旋,奇异数,轻子数,P,C,CP等守恒量之分类：相加性与相乘性（P,C,CP,G等
22、无经典对应）严格守恒（对所有相互作用）和近似守恒55对称性的自发破缺原来具有较高对称性的系统出现不对称因素，其对称程度自发降低, 这种现象叫做对称性自发破缺。餐桌上的对称性破缺 假设餐桌桌面的布置和入席时各人的座位完全对称，如图所示。突然某人先拿起了一双筷子，譬如拿的是右边的筷子，这过程迅速传遍全桌，最后人人都拿起右手边的筷子，左右对称性发生破缺。561956年，李政道和杨振宁为解释奇异粒子衰变过程中的“ 疑难”指出，在强作用和电磁作用中宇称守恒是得到实验的判定性检验的，但弱作用过程中宇称守恒并未得到实验的检验，弱作用过程中宇称可以不守恒。1957年美籍华裔女物理学家吴健雄通过10-2K低温下
23、钴60核衰变实验对此结论进行了检验。实验原理是利用核磁共振技术使钴“核自旋方向沿确定方向排列，然后观察其衰变产生的电子数分布是否左右对称,实验情况如图所示，末态电子分布不具有镜像对称性、从而证明了弱作用中宇称不守恒。李政道和杨振宁因此获得1957年诺贝尔物理奖。弱作用中宇称不守恒5758上帝是个左撇子？ 当“宇称不守恒”在上世纪50年代被提出时，大多数人对“完美和谐”的宇称守恒定律受到挑战不以为然。在吴健雄实验之前，当时著名的理论物理学权威泡利教授甚至说：“我不相信上帝是一个软弱的左撇子，我已经准备好一笔大赌注，我敢打赌实验将获得对称的结论。”然而，严谨的实验证明，泡利教授的这一次赌打输了。近
24、代微生物学之父巴斯德曾经说过：“生命向我们显示的乃是宇宙不对称的功能。宇宙是不对称的，生命受不对称作用支配。”自然界或许真的不是那么对称和完美，大自然除了偏爱物质、嫌弃反物质之外，它对左右也有偏好。自然界的20种氨基酸中，有19种都存在两种构型，即左旋型和右旋型。在非生物反应产生氨基酸的实验中，左旋和右旋两种类型出现的几率是均等的，但在生命体中，19种氨基酸惊人一致地全部呈现左旋型除了极少数低级病毒含有右旋型氨基酸。无疑，生命对左旋型有着强烈的偏爱。 正如著名的德国哲学家莱布尼茨所说，世界上没有两片完全相同的树叶。仔细观察树叶中脉(即树叶中间的主脉)的细微结构，你会发现就连同一片叶子两边叶脉的
25、数量和分布、叶缘缺刻或锯齿的数目和分布也都是不同的。绝大多数人的面部发育都不对称，66%的人左耳稍大于右耳，56%的人左眼略大，59%的人右半侧脸较大；人的躯干、四肢也不完全对称，左肩往往较高，75%的人右侧上肢较左侧长。 59引力是一种长程力，在所有物质间均存在。引力在四种基本相互作用中是最弱的粒子质量很小，在粒子世界引力忽略；宏观领域，尤其是天体，质量很大，引力起主要作用。 (1)(1)引力相互作用引力相互作用引力子引力子粒子粒子1粒子粒子260(2)(2)电磁相互作用电磁相互作用 只存在于带电粒子之间，是一种长程力，在宏观和微观都起作用。只存在于带电粒子之间，是一种长程力，在宏观和微观都
26、起作用。例如：光子的吸收、发射、散射；电子与原子核结合为原子；弹力、例如：光子的吸收、发射、散射；电子与原子核结合为原子；弹力、摩擦力、压力、浮力摩擦力、压力、浮力基态粒子基态粒子光子发射光子发射激发态粒子激发态粒子光子吸收光子吸收基态粒子基态粒子激发态粒子激发态粒子e-虚光子虚光子 e- e- e- ee e+ e-61(3)(3)强相互作用强相互作用 强度大，力程短，是粒子间最重要的相互作用力。粒子间距强度大，力程短，是粒子间最重要的相互作用力。粒子间距为为-15-15. .m m时表现为引力，距离再小表现为斥时表现为引力，距离再小表现为斥力。正是强力将夸克束缚在一起组成质子和中子，并将质
27、子和中力。正是强力将夸克束缚在一起组成质子和中子，并将质子和中子束缚在一起组成原子核。子束缚在一起组成原子核。0介子介子 npnp+介子介子nppn-介子介子pnnp62(4)(4)弱相互作用弱相互作用 力程比强作用更短，力也更弱。除光子外，轻子间，轻子与介力程比强作用更短，力也更弱。除光子外，轻子间，轻子与介子间，轻子与重子间，介子与介子间存在。子间，轻子与重子间，介子与介子间存在。W W- -epen弱相互作用的交换媒介子是中间波色子弱相互作用的交换媒介子是中间波色子W，中，中间波色子可以是中性的，也可以是正负电荷间波色子可以是中性的，也可以是正负电荷6364基本粒子的性质质子和中子的大小
28、约为1个费米质 子 的 质 量 为 938.3MeV， 中 子 为939.6MeV,电子为0.511MeV质子和中子称为重子,电子称为轻子质子的寿命长于亿亿亿亿年,自由中子的寿命却只有877秒，中子会衰变成质子、电子和一个新粒子反中微子.这是否预示着质子、中子内部还有结构？65众多的新粒子 1931年狄拉克预言：存在着反电子1932年安德逊发现了正电子，并因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖1931年泡利预言中存在微子，不带电，质量为零1935年汤川秀树预言介子的存在，1947年鲍威尔发现介子66更多的粒子被发现介子： J=0， ， 0 ， k ， k0重子: J=1/2， p，n， ，0，0
29、，且每种粒子都有反粒子，总数达数百种。然而混乱中存在秩序，类似于元素周期表，上述粒子也满足一定的规律，表明粒子内部还有结构67众多的“复合粒子”v人们一直在寻找粒子，目前已发现人们一直在寻找粒子，目前已发现200 多个粒子，这些粒子绝大多数是多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合复合 粒子粒子”。v这些粒子的名称这些粒子的名称“五花八门五花八门”。v费米费米(Enrico Fermi) 对他的学生对他的学生 莱德曼莱德曼(Leon Lederman)说：说：68标准模型世界有什么组成？如何组成？世界有什么组成？如何组成？ -标准模型标准模型 6 种轻子种轻子 6 种夸克种夸克 传递力的粒子传递力的
30、粒子69 夸克（Quark）模型 轻子 (电荷) 夸克 (电荷) 第一代第二代第三代70世界由什么组成？世界上的一切物质，从星系到山川河流，都是由“轻子”和“夸克”组成。7172“反物质”（“反粒子”）对应于每一种“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区别是电荷反号。“粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮灭”，变成能量。73夸克74“夸克”名称的由来1964年年 Murray Gell-Mann 和和 George Zweig 建议用建议用三三个基本粒子个基本粒子的不同组合来解释所发现的几百个粒子。的不同组合来解释所发现的几百个粒子。Gell-Mann 把这三个粒子叫作把这三个粒子叫作“Qu
31、ark” “Quark” 一词来自一词来自 James Joyce 的小说的小说 “Finnegans Wake” 不同种类的不同种类的“夸克夸克”称作不同的称作不同的“味道味道”75的的“夸克夸克”称作称作 “上上” （up) 和和 “下下” (down): 称为称为 “奇奇” (strange), 它组成的它组成的 粒子粒子“K”粒子具有粒子具有“奇怪奇怪”的长寿命的长寿命 称作称作“璨璨”（Charm），），1974年在斯坦福年在斯坦福 （SLAC)和布鲁海文实验室和布鲁海文实验室(BNL)发现发现 称作称作“底底”(bottom)，1977年在费米实验室发现年在费米实验室发现 称作称作
32、“顶顶”(top)，1995年在费米实验室发现年在费米实验室发现.两个最轻两个最轻第三个第三个第四个第四个第五个第五个第六个第六个76强子（重子、介子）v正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成的复合粒子叫形成的复合粒子叫“强子强子”v虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数v虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色v强子（强子（Hadron） 有两类：有两类： 重子（重子（Baryon） 介子（介子（Meson）77轻子（Lepton）夸克总是群居而以束缚态形式
33、存在；轻子则单个存在夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在 带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中 微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到78带电轻子的衰变79中微子80太阳上质子聚变太阳上质子聚变大量中微子，地球大量中微子，地球很少且呈周期性变化。很少且呈周期性变化。 是否存在中微子振荡？是否存在中微子振荡？发光星体质量只占空间物质总质量的一小部分，大部分质量以发光星体质量只占空间物质总质量的一小部分，大部分质量以“暗物质暗物质”形式存在。形式存在。 中微子是暗物质吗？中微子质量是否为
34、零？有无磁矩？有没有中微子星？中微子是暗物质吗？中微子质量是否为零？有无磁矩？有没有中微子星？宇宙大爆炸遗留下来的中微子充满整个宇宙，其密度与光子差不多宇宙大爆炸遗留下来的中微子充满整个宇宙，其密度与光子差不多中微子能畅行无阻的穿出庞大的星球，把星球内部的信息传递出来。有别中微子能畅行无阻的穿出庞大的星球，把星球内部的信息传递出来。有别于星光，日光于星光，日光 中微子之迷中微子的自旋方向中微子的自旋方向与运动方向相反；与运动方向相反；反中微子的自旋方反中微子的自旋方向与运动方向一致。向与运动方向一致。 v v 81中微子的特点不带电荷、色荷，和物质的作用非常弱；绝大多数可以穿过地球，而不和地球
35、的物质发生作用；可以在很多过程中产生，特别是粒子的衰变，(正是从粒子的衰变中推断其存在）；由于在宇宙形成的初期中微子大量产生，并且它们和物质的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它们虽然很轻，但因为数众多，所以对宇宙的质量有不可忽视的贡献，影响宇宙的膨胀。82物质的“代”第二、三代的费米子衰变很快，我们周围的物质中没有它们。为什么它们还存在呢？当轻子被发现时，I.I.Rabi叹道：“Whooderedthat?”83世界由什么组成？答案84世界如何组成？v世界由夸克和轻子组成。v是什么把夸克和轻子组合成物质？四种作用！85 物质如何相互作用？物质如何相互作用？物质勿需接触就发生相互作用：如太
36、阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥物质间通过力场发生相互作用通过交换携带力的粒子携带力的粒子！86电磁力电磁力引起“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引起。电磁力的携带粒子是“光子”，不同能量的光子形成了电磁波谱，如X射线、可见光和无线电波。光子没有质量，以光速传播。87残余电磁力 “原子”含有相同数目的“质子”和“电子”是电中性的，它们如何形成分子呢？原来一个“原子”中的“电子”跟另外一个“原子”中的质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不同的“原子”结合成“分子”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号的电荷使得我们的世界得以形成 ！88原子核如何
37、形成 ？ 原子核由质子和中子组成，质子带正电而相互排斥，中子不带电，为什么它们不因排斥而散开呢？ 这个问题用电磁力无法回答 ! 89强作用力强作用力v夸克带有“电荷”，还带有“色荷”；带“电荷”的粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”的粒子之间有“强作用”。v“强作用力”使夸克形成“强子”v“强作用力”的携带粒子叫“胶子”（“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！）v“强作用”与“电磁作用”不同，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”；v虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。90色荷v带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换胶子发生强作用带色荷的粒子（夸克、胶
38、子）通过交换胶子发生强作用v夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷v夸克带色荷，反夸克带反色荷夸克带色荷，反夸克带反色荷 ，胶子带一对，胶子带一对“色荷色荷-反色荷反色荷” v 组成重子的三个夸克分别带有组成重子的三个夸克分别带有“红红、绿绿、蓝蓝”色荷，所以是色中色荷，所以是色中性的性的v 组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红红”）和反色）和反色荷（如荷（如“反红反红”），所以也是色中性的），所以也是色中性的 v 色荷在作用过程中是守恒的色荷在作用过程中是守恒的91夸克禁闭带色的粒子不能单独存在，夸克总
39、是带色的粒子不能单独存在，夸克总是 和别的夸克囚禁在一起而形成色中性和别的夸克囚禁在一起而形成色中性 的强子的强子强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强 作用，它们存在于由胶子组成的色场中：作用，它们存在于由胶子组成的色场中： 当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克反夸克92渐近自由与夸克禁闭93夸克禁闭未被严格证明！-StevenWeinberg94夸克发射胶子夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守恒。如带有色荷守恒。如带有“红红”色荷的夸克发射了一个带
40、有色荷的夸克发射了一个带有“红红-反蓝反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了的胶子后，自身的色荷变成了“蓝蓝”。95残余的强作用：原子核的形成虽然组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，它们之间有“残余的强作用”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，原子核由此而形成。961896年贝克勒尔(H.Becquerel)发现放射性1931年Pauli提出中微子1933年Fermi理论1956年宇称不守恒（LeeYangWu)1958年VA理论1963年Cabibbo理论1967年Weinberg理论1971年t HooftVeltman证明1972年GIM机制弱相互作用与粒子的衰变97弱作用v虽然有6
41、种夸克和6种轻子，但我们周围除了3种中微子单独的存在着外，所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢?v较重的夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙形成的初期就衰变掉了，衰变成了最轻的夸克和轻子。这些衰变（即味道的改变）都是通过弱作用进行的。v弱作用的携带粒子是W+,W-,Zv标准模型把弱作用和电磁作用统一到了一个理论框架中。98电磁作用和弱作用的统一标准模型把电磁和弱作用统一描述，称为电弱理论标准模型把电磁和弱作用统一描述，称为电弱理论 在非常小尺度在非常小尺度(10-18 米）或非常大能标米）或非常大能标(100 GeV) 情况下，
42、弱作用的强度和电磁作用的强度在同一情况下，弱作用的强度和电磁作用的强度在同一 水平。水平。 随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于 电磁作用。电磁作用。 弱作用的携带粒子是重达弱作用的携带粒子是重达100 GeV的粒子，是一种短的粒子，是一种短 距作用距作用99 按自旋量子数按自旋量子数 总之，按标准模型理论，基本粒子世界由总之，按标准模型理论，基本粒子世界由6262种粒子组成：种粒子组成：1313种规范玻色子，种规范玻色子，4848种费米子（包括种费米子（包括1212种轻子和种轻子和3636种夸克）种夸克）和一种希格斯粒子。其中引力子和希格斯
43、粒子的存在尚未被和一种希格斯粒子。其中引力子和希格斯粒子的存在尚未被实验证实。实验证实。100引力引力很是奇怪。虽然它是一种基本的力，标准模型却不能描述它。如何把它也统一进来是当今物理学的一大难题。引力的携带粒子引力子，至今未被发现。101自然界基本作用力的总结102量子力学原子和亚原子粒子的性质与我们日常生活中的物体完全不一样，它们不是跳动的小球，它们不仅具有粒子性，还具有波的性质（波粒二象性），它们的运动规律用“量子力学”描述。量子力学中物理量只能取分离的值：量子化。常见的量子数：电荷、色荷、味道、自旋量子力学只能预言粒子在某一时刻出现在某处的几率.Goddoesntplaydice!”(
44、Einsteinwaswrong.)量子数：量子数：几率：几率：103衰变中的“中介子”衰变104正反粒子的湮灭(I)105正反粒子的湮灭(II)106未解之谜标准模型取得了巨大成功，但它仍不是一个基本的理论，有标准模型取得了巨大成功，但它仍不是一个基本的理论，有一些理论问题无法解释：一些理论问题无法解释：有关费米子有关费米子“代代”和和“味道味道”的问题的问题 “大统一大统一”和更小尺度的物理和更小尺度的物理 “暗物资暗物资”和和“暗能量暗能量” 黑格斯粒子的本质黑格斯粒子的本质水平方向的：水平方向的：竖直方向的：竖直方向的：来自天上的：来自天上的：来自地狱的：来自地狱的：107“暗物质”和
45、”暗能量”标准模型无法解释标准模型无法解释108费米子“代”和“味道”之谜为什么恰好有三代为什么恰好有三代 ？为什么有不同的质量为什么有不同的质量?CP 破坏问题破坏问题 ？物质和反物质不对称物质和反物质不对称109物质和反物质不对称问题（宇宙形成）110黑格斯粒子标准模型中所有粒子的质量都来自于黑格斯机标准模型中所有粒子的质量都来自于黑格斯机制；黑格斯粒子至今还未发现。制；黑格斯粒子至今还未发现。黑格斯粒子是基本粒子还是复合粒子？黑格斯粒子是基本粒子还是复合粒子？为什么黑格斯粒子的质量平方是负的为什么黑格斯粒子的质量平方是负的 ？VIm(H)Re(H)111大统一和更小尺度的物理基本粒子物理
46、的一个主要目标就是把各种作用力统一起来基本粒子物理的一个主要目标就是把各种作用力统一起来 -大统一理论大统一理论爱因斯坦晚年致力于把电磁力和引力统一起来,但没有成功至今，人们仍在探索大统一理论112二十一世纪Higgs 粒子,弱电对称性破缺,费米子质量强、弱、电三种相互作用的统一超对称理论和超引力理论量子引力理论 超弦理论113通向新物理的拦路虎：等级问题电弱能标电弱能标标准模型只能到此标准模型只能到此新物理新物理短距离短距离100 GeV1 TeV1015 GeV(?)mH2=(m0H)2+CL2100GeV1015GeV1015GeV114新物理方向 I：超对称115新物理方向 II：额外
47、维空间G116统一引力：超弦理论117“统一统一”“统一统一”118最终理论：119质量的起源是什么？中微子的质量是否是零？质量的起源是什么？中微子的质量是否是零？夸克和轻子的夸克和轻子的“代代”是如何产生的？还有没有更多代的是如何产生的？还有没有更多代的夸克和轻子？夸克和轻子？能否打破夸克的能否打破夸克的“紧闭紧闭”，实现夸克胶子等离子体？，实现夸克胶子等离子体？夸克和轻子又无内部结构？能否在亚夸克层次将二者统夸克和轻子又无内部结构？能否在亚夸克层次将二者统一起来？一起来？能否实现基本力的统一？还有没有尚未发现的基本力？能否实现基本力的统一？还有没有尚未发现的基本力？是否存在磁单极？是否存在磁单极？寻找引力子；量子理论与引力理论的协调。寻找引力子；量子理论与引力理论的协调。 科学探索是没有尽头的，是从？到？科学探索是没有尽头的，是从？到？解决.120
